巖石力學(xué)論文

1、水工隧洞圍巖穩(wěn)定性淺析摘 要：水工隧洞周圍的圍巖受到開挖影響，引起洞室周圍一定范圍內(nèi)的巖體應(yīng) 力重新分布，從而使巖體產(chǎn)生變形、位移，甚至破壞。因此，對(duì)水工洞室圍巖的 穩(wěn)定性進(jìn)行分析是十分必要的。關(guān)鍵字：巖體結(jié)構(gòu)；引水隧洞；圍巖應(yīng)力；圍巖變形、圍巖穩(wěn)定在水利、水電建設(shè)中經(jīng)常遇到一些洞室工程問題，其中最常遇到的作為引水 建筑物之一的是水工隧洞。水工隧洞是指水利工程中穿越山巖建成的封閉式過水通道，按過水時(shí)洞身流 態(tài)區(qū)別，水工隧洞可分為無壓隧洞及有壓隧洞兩大類。無壓隧洞初砌所承受的荷 載主要是山巖壓力、外水壓力。有壓隧洞除了承受這些壓力之外，特別重要的是 承受內(nèi)水壓力。當(dāng)圍巖受到這種壓力之后必然要引起

2、一些力學(xué)現(xiàn)象和變形，以及 一些穩(wěn)定性的問題。洞室周圍的巖土體通稱圍巖。狹義上，圍巖常指洞室周圍受到開挖影響，大 體相當(dāng)?shù)叵露词覍挾然蚱骄睆?倍左右范圍內(nèi)的巖土體。由于初始地應(yīng)力的存 在，洞室開挖勢必打破原來巖（土）體的自然平衡狀態(tài)，引起洞室周圍一定范圍內(nèi) 的巖體應(yīng)力重新分布，有的圍巖的強(qiáng)度能夠適應(yīng)變化后的應(yīng)力狀態(tài)，可不采取任 何人力措施，便能保持洞室穩(wěn)定；但有時(shí)因圍巖強(qiáng)度低，或其中應(yīng)力狀態(tài)的變化 大，以致圍巖不能適應(yīng)變化后的應(yīng)使巖體產(chǎn)生變形、位移，甚至破壞，若不加固 或加固而未保證質(zhì)量，都會(huì)引起破壞事故，對(duì)施工、運(yùn)營造成危害。工程中將洞 室開挖后周圍發(fā)生應(yīng)力重新分布的巖體稱為圍巖。因此，圍巖

3、的變形和穩(wěn)定性是 地下洞室能否在服務(wù)年限內(nèi)正常使用的關(guān)鍵。一、圍巖的應(yīng)力未開挖的天然地下巖體在自重及地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)后形成的初始應(yīng)力場狀態(tài)下維 持相對(duì)穩(wěn)定。當(dāng)在巖體內(nèi)開挖洞室后，洞室四周一定范圍的圍巖相對(duì)穩(wěn)定性的應(yīng) 力場受到破壞，發(fā)生應(yīng)力重分布。隨具體圍巖部位、產(chǎn)狀等狀況的不同，應(yīng)力重 分布的結(jié)果既可能仍歸于穩(wěn)定，也可能出現(xiàn)洞頂崩塌等失穩(wěn)現(xiàn)象。對(duì)此，水工地 下洞室設(shè)計(jì)時(shí)必須作出分析，并相應(yīng)對(duì)工程措施作出抉擇。導(dǎo)致圍巖變形的根本原因是地應(yīng)力的存在。洞室開挖前，巖體處于自然平衡 狀態(tài)，內(nèi)部儲(chǔ)存著大量的彈性能，洞室開挖后，這種自然平衡狀態(tài)被打破，彈性 能釋放。洞室在開挖前，巖體一般處于天然應(yīng)力平衡狀態(tài)，

4、稱一次應(yīng)力狀態(tài)或初 始應(yīng)力狀態(tài)（包括自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力），是一個(gè)三向應(yīng)力不等的空間應(yīng)力場。由 于影響天然應(yīng)力的因素十分復(fù)雜，豎向應(yīng)力與水平應(yīng)力間的比例系數(shù)即使在同一 地質(zhì)環(huán)境里也有較大變化。實(shí)測結(jié)果，有些地區(qū)鉛直應(yīng)力大于水平應(yīng)力；有的則 水平應(yīng)力大于鉛直應(yīng)力；也有的兩者相近，特別是在地殼的相當(dāng)深處，天然應(yīng)力 比值系數(shù)接近于1。洞室開挖后，便破壞了這種天然應(yīng)力的平衡狀態(tài)。洞室周邊圍巖失去原有支 撐，就要向洞室空間松脹，結(jié)果又改變了圍巖的相對(duì)平衡關(guān)系，形成新的應(yīng)力狀 態(tài)。作用于洞室圍巖上的外荷，一般不是建筑物的重量，而是巖土體所具有的天 然應(yīng)力。這種由于洞室的開挖，圍巖中應(yīng)力、應(yīng)變調(diào)整而引起原有天

5、然應(yīng)力大小、 方向和性質(zhì)改變的過程和現(xiàn)象，稱為圍巖應(yīng)力重分布。它直接影響圍巖的穩(wěn)定性。 洞室內(nèi)若有高壓水流作用，對(duì)圍巖便產(chǎn)生一種附加應(yīng)力。它疊加到開挖、襯砌后 圍巖中的應(yīng)力上，也是影響圍巖穩(wěn)定性的一種因素。二、圍巖的變形重新分布的圍巖應(yīng)力在未達(dá)到或超過其強(qiáng)度以前，圍巖以彈性變形為主。由 于圍巖應(yīng)力重新分布，各點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生新的彈性變形。 這種彈性變形是不均勻的，從而導(dǎo)致洞室周邊位移的不均勻性。一般認(rèn)為，彈性 變形速度快、量值小，是隨著開挖過程幾乎同時(shí)完成的。當(dāng)應(yīng)力超過圍巖強(qiáng)度時(shí)， 圍巖出現(xiàn)塑性區(qū)域，甚至發(fā)生破壞，此時(shí)圍巖變形將以塑性變形為主。塑性變形 延續(xù)時(shí)間長、變形量大，

6、是圍巖變形的主要組成部分。如果圍巖節(jié)理、裂隙十分明顯或者圍巖破壞嚴(yán)重時(shí)，節(jié)理、裂晾間的相互錯(cuò) 位、滑動(dòng)及裂隙張開或壓縮變形將會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位，而巖塊本身的變形成分退居 次要地位。按照巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)的原理，由于巖體中大小結(jié)構(gòu)面的存在，圍巖的變 形都會(huì)或多或少地存在結(jié)構(gòu)面的變形。由于巖石的流變效應(yīng)十分明顯，圍巖長期處于一種動(dòng)態(tài)變化的高應(yīng)力作用之 中，流變也是圍巖變形不可忽略的組成部分。固體介質(zhì)在長期靜載荷作用下，應(yīng) 力、應(yīng)變隨時(shí)間延長而變化的性質(zhì)，稱為流變性。蠕變和松弛則是流變性的兩種 宏觀表現(xiàn)。蠕變是在一定溫度和應(yīng)力作用下的固體介質(zhì)隨時(shí)間而產(chǎn)生的緩慢、連 續(xù)的變形；松弛是在一定溫度和變形條件下的固體

7、介質(zhì)隨時(shí)間而產(chǎn)生緩慢、連續(xù) 的應(yīng)力減小。工程實(shí)踐證明，巖石具有流變性，某些巖石或受高溫高壓的巖石， 蠕變現(xiàn)象更是多見。巖體同樣也會(huì)發(fā)生蠕變?；◢弾r一類巖石在低溫、低應(yīng)力下， 蠕變量微小，可忽略不計(jì)；而粘土巖、泥質(zhì)頁巖和具有充填粘土和泥化結(jié)構(gòu)面的 巖體，蠕變量通常很大，必須重視，以便對(duì)巖體變形和穩(wěn)定性作出正確論證。試驗(yàn)表明，巖體蠕變可以劃為三個(gè)階段。第一階段稱為減速（初始）蠕變階 段。第二階段為圍巖應(yīng)力調(diào)整期的變形階段，稱為等速蠕變階段，其變形緩慢平 穩(wěn)，變形速度保持常量。第三階段稱為加速蠕變階段，它出現(xiàn)在應(yīng)力值等于或超 過巖體的蠕變極限應(yīng)力條件下，其變形速度逐漸加快，最終導(dǎo)致巖體破壞。巖體 的

8、三個(gè)蠕變階段，并不是在任何應(yīng)力值下都可全部出現(xiàn)。應(yīng)力值較小，巖體僅出 現(xiàn)第一階段或第一與第二階段；應(yīng)力值等于或超過巖體蠕變極限應(yīng)力，巖體才可 能蠕變至破壞。通常把蠕變破壞的最低應(yīng)力值，稱為長期強(qiáng)度。研究軟弱巖體和巖體沿某些結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)的穩(wěn)定性問題，應(yīng)特別注意其長期 強(qiáng)度和蠕變特性。根據(jù)原位剪切流變?cè)囼?yàn)資料，軟弱巖體和泥化夾層的長期抗剪 強(qiáng)度與短期抗剪強(qiáng)度的比值約為0.8左右，大體相當(dāng)于快剪試驗(yàn)的屈服極限與強(qiáng) 度極限的比值。根據(jù)變形與時(shí)間和變形與荷載的關(guān)系曲線，可以區(qū)分巖體的穩(wěn)定 變形和非穩(wěn)定變形，把將會(huì)導(dǎo)致巖體全面破壞的變形與那種雖然延續(xù)但不會(huì)引起 巖體全面破壞的變形區(qū)別開來。恒定荷載作用下，若

9、變形與時(shí)間的變化率減小，或者為一很小的常數(shù)，則變 形穩(wěn)定。若變形與時(shí)間的變化率增大，則變形不穩(wěn)定，并將導(dǎo)致巖體發(fā)生全面破 壞。荷載不斷增加的條件下，若變形與載荷的比率減小，或者為某一個(gè)常數(shù)，則 變形穩(wěn)定。若變形與荷載的變化率增加，則變形不穩(wěn)定，并將導(dǎo)致巖體發(fā)生全面 破壞。三、地層與巖性的影響地層與巖性條件的好壞對(duì)洞室的穩(wěn)定性也有直接影響。對(duì)于堅(jiān)硬巖石，如火 成巖中的花崗巖、閃長巖、輝長巖、輝綠巖、灰?guī)r、安山巖、玄武巖、流紋巖； 變質(zhì)巖中的片麻巖、石英巖、硅質(zhì)大理巖等，這些巖石一般都是比較好的。但對(duì) 某些軟弱的火成巖及變質(zhì)巖，如凝灰?guī)r、片巖、千枚巖、泥質(zhì)板巖等，洞室施工 容易造成塌方、變形。沉積

10、巖總的來說不如火成巖和變質(zhì)巖，但其中堅(jiān)硬的石灰 巖、膠結(jié)良好的砂巖、礫巖等，一般也是比較好的。值得注意的是軟弱沉積巖， 如泥質(zhì)、炭質(zhì)頁巖，泥灰?guī)r，粘土巖，斑脫巖，石膏，鹽巖，煤層以及膠結(jié)不良 的砂礫巖等，這些巖石強(qiáng)度低，易風(fēng)化或膨脹變形，對(duì)洞室穩(wěn)定性極為不利。四、圍巖應(yīng)力的彈塑性理論分析試驗(yàn)研究表明，巖體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系有明顯的非線性，宜用彈塑性理論進(jìn)行 分析。此理論假設(shè)巖體為均勻、連續(xù)、各向同性的彈塑性體，當(dāng)大小主應(yīng)力差值 （）小于極限值時(shí)巖體為彈性體，當(dāng)（）大于極限值時(shí)巖體按塑性體考慮。極限值由圍巖開始發(fā)生塑性破壞的應(yīng)力圓包絡(luò)線所確定，他滿足巖石的塑性 判別準(zhǔn)則公式。（一）圍巖應(yīng)力分布當(dāng)巖體

11、被開挖出圓形洞室后，洞周產(chǎn)生應(yīng)力集中，如果圍巖仍處于彈性狀態(tài)， 且，則由前文可知，周界切向應(yīng)力的極限值。如果 超過彈性極限，洞室附近將出現(xiàn)塑性變形，形成塑性區(qū)而出現(xiàn)應(yīng)力重 分布。這時(shí)洞的周界上 ，的具體大小由巖體應(yīng)力圓包絡(luò)線圖決定。此后，塑性區(qū)不斷向圍巖深部發(fā)展，直到（）等于所允許的最大極限值時(shí)塑 性區(qū)停止發(fā)展，塑性區(qū)外仍保持彈性狀態(tài)。塑性區(qū)外緣應(yīng)力與彈性區(qū)邊緣應(yīng)力相 容。根據(jù)上述分析，可列出塑性區(qū)平衡微分方程，按照塑性判別準(zhǔn)則以及彈性區(qū) 與塑性區(qū)相交邊界上應(yīng)力相等條件，解得塑性區(qū)范圍的半徑為：塑性區(qū)內(nèi)任一半徑為的點(diǎn)的應(yīng)力計(jì)算公式為（二）圍巖穩(wěn)定性判別出現(xiàn)塑性變形區(qū)并不意味著圍巖一定失穩(wěn)，因?yàn)?/p>

12、變形過程中，巖塊有可能重 新組合稱支承拱，以承擔(dān)荷載。故在得知塑性區(qū)范圍及其中應(yīng)力分布情況后，還 應(yīng)對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行判斷。假設(shè)圍巖出現(xiàn)塑性區(qū)后沿半徑為的塑性區(qū)弧線與彈 性區(qū)分離，并在洞頂形成承載拱環(huán)。根據(jù)承載拱環(huán)中微元體在自重及、作用下平衡的微分方程，可求得環(huán)內(nèi)徑向正應(yīng)力公式為:由式可見，當(dāng)時(shí) ，因?yàn)樵炯俣ㄋ苄詤^(qū)與彈性區(qū)是分離的。為判別洞頂穩(wěn)定性，則可以代入考查，如則洞頂處于極限平衡狀態(tài)；如，則洞頂穩(wěn)定；如則洞頂不穩(wěn)定，必須襯砌。這里所論述圍巖穩(wěn)定性判別法只能用于的圓洞情況如或非圓洞，只得先按彈性理論分析圍巖應(yīng)力，再把所求得得應(yīng)力超過彈性極限部分當(dāng)作 塑性區(qū)考慮。五、判別圍巖穩(wěn)定性的經(jīng)驗(yàn)法關(guān)

13、于地下洞室圍巖穩(wěn)定性的判別雖然有前述各種理論方法，但由于地質(zhì)條件 的復(fù)雜性，實(shí)際上各方法的準(zhǔn)確應(yīng)用仍很困難，工程上為此還經(jīng)常依賴經(jīng)驗(yàn)判別。 下面介紹國內(nèi)外兩種經(jīng)驗(yàn)判別法。(一)圍巖分類法根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，按照圍巖工程地質(zhì)特征和地下水狀態(tài)所決定的圍巖穩(wěn)定程 度，我國將水工地下洞室的圍巖分為以下五類。1類為穩(wěn)定圍巖，包括呈整體結(jié)構(gòu)或大塊狀結(jié)構(gòu)的堅(jiān)硬巖體以及層間 結(jié)合良好，且層面與洞軸線正交的厚層層狀巖體，巖性新鮮或微風(fēng)化；地質(zhì)構(gòu)造 影響輕微，節(jié)理裂隙不發(fā)育，其間距大于1m；沒有或僅遇有軟弱結(jié)構(gòu)面，寬度 小于0.1m；洞壁干燥或潮濕或僅有微弱滲水。這種洞室圍巖無塌落塊，能長期 穩(wěn)定，但埋深特大時(shí)可能有

14、巖爆。11類為基本穩(wěn)定圍巖，又分為兩小類。111類為塊狀結(jié)構(gòu)的新鮮或微 風(fēng)化的堅(jiān)硬巖體；受地質(zhì)構(gòu)造影響一般，節(jié)理裂隙較發(fā)育，其間距為0.51m； 有少量寬度小于0.5m的小型斷層軟弱帶；地下水活動(dòng)微弱，沿裂隙滲水、滴水。 II2類為層面與洞軸夾角大于70的中厚層狀的硬巖層；受地質(zhì)構(gòu)造影響輕微， 裂隙不發(fā)育，間距大于1m；地下水狀態(tài)同II1類。這類洞室圍巖有超挖掉塊現(xiàn) 象或個(gè)別小型塌落，仍可在較長時(shí)間維持穩(wěn)定。111類為穩(wěn)定性差的圍巖，又再分為三小類。III1類為具有碎裂結(jié)構(gòu)或 鑲嵌結(jié)構(gòu)的微風(fēng)化或弱風(fēng)化的堅(jiān)硬巖體；受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴(yán)重，節(jié)理裂隙發(fā)育， 間距0.20.5m，多張開并夾泥；結(jié)構(gòu)面平直光

15、滑并有泥充填，還有方形、梯形、 尖拱形等不穩(wěn)定組合；地下水活動(dòng)顯著，有大量滴水、線狀流水或噴水，對(duì)軟弱 巖體穩(wěn)定性影響嚴(yán)重。III2類為塊狀結(jié)構(gòu)或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的微風(fēng)化或弱風(fēng)化的中硬 巖；結(jié)構(gòu)面及其組合狀態(tài)同III1類，層面及結(jié)構(gòu)面與洞軸夾角一般大于70；受 地質(zhì)構(gòu)造影響一般，裂隙較發(fā)育間距0.51m，多微張或局部張開并有夾泥；地 下水狀態(tài)與III1類同。III3類為微風(fēng)化的層狀結(jié)構(gòu)軟巖；受地質(zhì)構(gòu)造影響輕微， 裂隙不發(fā)育；地下水狀態(tài)與III1類同。1111、III2類圍巖穩(wěn)定受軟弱結(jié)構(gòu)面組合控 制，表現(xiàn)為洞頂局部塌落，但一般仍具有自穩(wěn)能力，短時(shí)間內(nèi)可維持穩(wěn)定；但I(xiàn)II 3類軟巖具有流變特征，對(duì)裂隙稍

16、發(fā)育段自穩(wěn)能力差。W類為不穩(wěn)定圍巖，又分為兩小類。W1類為具有碎裂結(jié)構(gòu)或?qū)訝钏?裂結(jié)構(gòu)的弱風(fēng)化或強(qiáng)風(fēng)化的破碎硬巖或中硬巖體；受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴(yán)重，節(jié)理裂 隙發(fā)育，間距0.20.5m，多張開夾泥，并有斷層和軟弱結(jié)構(gòu)面，軟弱帶寬24m； 結(jié)構(gòu)面多平直光滑，或起伏平滑，夾泥較厚，并常帶有尖拱形、槽型、圓拱形不 穩(wěn)定組合，層面或結(jié)構(gòu)面與洞軸夾角小于30或甚至二者平行；地下水活動(dòng)強(qiáng) 烈，并有一定滲透壓力和少量涌水，嚴(yán)重影響巖體強(qiáng)度和抗沖刷能力。W2類為 具有薄層狀結(jié)構(gòu)或?qū)訝钏榱呀Y(jié)構(gòu)的弱風(fēng)化的軟巖；受地質(zhì)構(gòu)造影響一般，裂隙較 發(fā)育，間距0.51m，多張開有泥；常伴有軟弱夾層，層面結(jié)合差；結(jié)構(gòu)面及其 組合狀態(tài)

17、、地下水狀態(tài)與W1類同。這類圍巖穩(wěn)定性受軟弱結(jié)構(gòu)面控制，常發(fā)生 頂拱塌落，有偏壓，且時(shí)間效應(yīng)明顯，自穩(wěn)能力差，自穩(wěn)時(shí)間短。V類為極不穩(wěn)定圍巖，呈散體結(jié)構(gòu)：強(qiáng)風(fēng)化或全風(fēng)化的石質(zhì)圍巖， 受地質(zhì)構(gòu)造影響很嚴(yán)重，節(jié)理裂隙密集，有較厚泥質(zhì)充填，多為含泥碎裂結(jié)構(gòu)； 擠壓強(qiáng)烈的大斷層，寬度大于24m，裂隙雜亂密集；非黏性的松散土層、 砂卵石、碎石等。結(jié)構(gòu)面及其組合雜亂，并多有黏土充填；地下水活動(dòng)劇烈，滲 透壓力較大，巖體無抗沖刷能力。這類圍巖穩(wěn)定性受強(qiáng)度控制，開挖過程中經(jīng)常 邊挖邊塌。(二)巖體質(zhì)量指標(biāo)評(píng)估法巖體質(zhì)量指標(biāo)(RMQ )分類法簡稱M法，這種方法目前雖不太成熟，但它在 分類的原則和依據(jù)上都很合理。該分類法是在大量地