岩石地下工程
沉积岩的物理性质及其对地下工程的影响
沉积岩的物理性质及其对地下工程的影响沉积岩是地球表层的主要岩石类型之一，它不仅具有独特的物理性质，而且对地下工程有着重要的影响。
本文将探讨沉积岩的物理性质及其对地下工程的影响。
一、沉积岩的物理性质1. 孔隙度与渗透性沉积岩的孔隙度是指岩石中孔隙的体积与岩石体积的比值。
孔隙度的大小决定了岩石的渗透性，即流体在岩石内部的渗透能力。
沉积岩通常具有较高的孔隙度和较好的渗透性，使得地下水和其他地下流体能够在岩石中自由流动。
2. 饱和度与孔隙水压力当沉积岩中的孔隙被水完全填满时，其处于饱和状态。
饱和度是指饱和岩石中孔隙水的体积与孔隙的总体积之比。
饱和度的大小与孔隙水压力有着密切的关系，饱和度越高则孔隙水压力越大。
沉积岩的饱和度和孔隙水压力对地下工程的稳定性和渗流特性具有重要影响。
3. 岩石密度与硬度沉积岩的密度与硬度是描述岩石实物性质的重要指标。
岩石密度主要受含水量和矿物成分的影响，不同类型的沉积岩具有不同的密度范围。
岩石硬度则反映了岩石的抗压能力，较硬的岩石对地下工程的稳定性更有利。
二、沉积岩对地下工程的影响1. 岩石稳定性沉积岩的物理性质直接影响地下工程的稳定性。
高渗透性的沉积岩容易形成地下水潜流和局部涌水，给工程带来一定的灾害风险。
另外，孔隙度高的沉积岩容易发生岩层变形和滑动等不稳定现象，对地下工程的安全性构成威胁。
2. 岩层的承载能力沉积岩的硬度和密度决定了其承载能力。
在地下工程中，如果选择了承载能力较低的沉积岩层作为基础，可能导致地基沉陷和工程结构破坏等问题。
因此，在地下工程的选择和设计中，需要充分考虑沉积岩的物理性质，确保地下岩层具有足够的承载能力。
3. 地下水渗流问题沉积岩中的孔隙度和渗透性会对地下水的渗流和储集产生影响。
高含水量和渗透性的沉积岩会导致地下水渗流速度较快，容易引起岩石的侵蚀和溶解，从而加剧地下工程的水害风险。
因此，对于需要处理地下水问题的工程，必须充分了解沉积岩的物理性质，采取相应的防护措施。
地下工程中的岩土相互作用
地下工程中的岩土相互作用地下工程是指建设在地下的各种工程，包括地铁、隧道、地下停车场等。
在进行这些地下工程建设的过程中，岩土相互作用是一个非常重要的问题。
岩土相互作用是指在地下工程中，岩石和土壤与工程结构之间的相互作用关系。
了解和研究岩土相互作用，对于地下工程的设计、施工和运营都有着重要意义。
地下工程的成功与否，很大程度上取决于岩土相互作用的处理。
岩土相互作用可以影响地下工程的稳定性、安全性和经济性。
因此，对于岩土相互作用的研究和理解，对于地下工程的工程师和设计师来说至关重要。
在地下工程中，常见的岩土相互作用有以下几种形式：1. 地下水与土壤的相互作用：地下水对土壤有一定的侵蚀和渗透能力，会使土壤的力学性质发生变化。
因此，在地下工程中需要对地下水进行充分的调查和分析，以确定地下水的水位、流向和渗透性等参数，从而采取相应的防护和排水措施。
2. 岩石与土壤的相互作用：在地下工程中，岩石通常作为基础或者围护结构，与土壤直接接触。
岩石的力学性质直接影响地下工程的稳定性和承载能力。
因此，需要对岩石进行详细的地质勘探和力学性质测试，以确定岩石的强度和变形特性，从而进行合理的设计和施工。
3. 岩土体与地下结构的相互作用：地下工程中的结构与周围的岩土体发生相互作用，相互影响。
在设计和施工过程中，需要考虑岩土体对结构的约束和支撑作用，同时也需要考虑结构对岩土体的影响，避免岩土体的塌陷和位移。
为了处理好岩土相互作用问题，需要进行以下几方面的工作：1. 地质勘探：对于地下工程的地质情况进行细致的勘探，包括岩石、土壤和地下水的分布、性质、厚度等参数的调查和分析。
地质勘探结果为地下工程的设计和施工提供了重要的依据。
2. 岩土力学性质测试：通过对岩石和土壤的力学性质进行测试，包括抗压强度、抗剪强度、变形特性等参数的测定，以确定岩石和土壤的力学性质，为地下工程的设计和施工提供依据。
3. 结构设计：根据地质勘探和岩土力学性质测试的结果，进行地下工程的结构设计，包括基础设计、围护结构设计等。
岩石力学---第四章 巷道围岩应力分布及其稳定性分析
1、圆形巷道次生应力分布
2 4 a2 1 1 a a r q p 1 2 q p 1 4 2 3 4 cos 2 r 2 2 r r 4 a2 1 1 a q p 1 2 q p 1 3 4 cos 2 r 2 2 r
a2 r p 1 2 r a2 p 1 r2
r 0
弹性区次生应力场特点： ①、各应力分量大小与巷道大小无关。 ②、各应力分量与岩石的弹性模量和泊松比无关。 ③、侧压系数对围岩应力有决定性影响。
当 1时,
3、矩形巷道次生应力分布
4、直壁拱形巷道次生应力分布
弹性区围岩应力分布规律： ①、围岩应力中，其决定作用的因素是：原岩应力、侧压系数、 断面以及a/r等。 ②、形状对围岩应力的影响往往比断面大小更明显。 ③、不论何种形状的巷道，其围岩应力均随着远离孔边急剧下降， 而且应力集中程度越高，下降幅度越明显。 ④、圆形巷道应力集中程度最低，平直周边容易出现拉应力，拐 角处容易产生高剪应力。 ⑤、巷道的高宽比对围岩应力分布有重大影响，断面的尺寸应尽 量与最大来压方向一致。
2、库仑-摩尔理论
r 2 sin r C ctg 2
r r pi Cctg a
2 sin
1sin
Cctg
2 sin 1sin
1 sin r pi Cctg 1 sin a
三、相邻巷道间的相互影响规律
相邻巷道间的相互影响规律： ①、当巷道断面相同时，其相互影响的距离可定为巷道最大尺寸 的3—5倍，当受爆破影响时，可增大为4—6倍。 ②、当相邻巷道中心连线与最大主应力垂直时，巷道间岩柱的应 力集中程度增加；当连线与最大主应力一致时，应力集中程度降 低巷道可相互起到屏蔽作用。
岩石力学岩石地下工程PPT课件
中国最长的铁路隧道：秦岭隧道
秦岭隧道地质复杂、工程巨大,在设计、施工、运营安全和维修管理方面都有许 多技术难关，且Ⅰ线隧道采用掘进机施工，在我国铁路隧道施工尚属首次，为此 有六类24项部重点科研项目立项研究，均取得了不俗的成果。秦岭特长隧道的修 建，使我国隧道工程建设从整体上提高到一个新的技术水平。隧道1995年1月18 日正式开工，1999年9月6日全部贯通，2000年8月18日西康铁路开通运营。
25
在四川省境内的大渡河畔， 有一条古老凉山分裂成的 长达几里的大裂缝，名叫 老昌沟。1964年修建成昆 铁路时，桥梁建设者们在 这里修建了一座中国跨度 最大的铁路石拱桥。
26
关角隧道位于青藏铁路西 （宁）格（尔木）段的青海省 天峻县内，全长4000米。洞内 轨面最高处海拔3692米。由于 地处高海拔地区，气候寒冷， 空气稀薄，年平均气温0℃， 最低温度为零下37.5℃。关角 隧道的施工前后历时30多年， 除停工的13年外，正式开挖建 设5年半，而整治病害耗时9年 多，可见隧道地质构造之复 杂、气候条件的恶劣和病害的 严重。
中国目前已开通运营的海拔最高的铁路隧道：
27
中国已通车的最长双线电气化铁路隧道:
位于京广铁路广东省粤北瑶山山区的坪石至乐昌间， 全长14295米。隧道埋深70至910米，推行了国外最 先进的设计和施工的方法——“新奥法”。采用八十 年代国内外最先进的大型机械，实现了主要工序— —钻爆、支护、装运三条机械化作业线。
✓ 当埋深等于或大于巷道半径R0或其宽、高之半的20倍以上时，巷道影响 范围（3~5 R0 ）以内的岩体自重可以忽略不计；原岩水平应力可以简化 为均匀分布，通常误差不大（10％以下）；
✓ 深埋的水平巷道长度较大时，可作为平面应变问题处理。其它类型巷道 ，或作为空间问题，或作为全平面应变问题处理。
岩土工程施工的问题与解决方法
岩土工程施工的问题与解决方法岩土工程是指建筑、地下工程、水利工程等工程中涉及到岩石和土壤的工作。
在施工过程中，往往会出现各种问题。
本文将会探讨岩土工程施工中遇到的问题和有效的解决方法。
一、岩土工程施工中的问题1. 岩石形态不规则由于地质原因，岩石的形态不规则，这就带来施工工作中的难题。
如何在不破坏岩石的情况下进行施工，是一项需要解决的问题。
此外，在岩石形态不规则的情况下，如何选取适当的爆破方法和道具，也是需要考虑的问题。
2. 土壤地质条件复杂在岩土工程施工过程中，遇到的土壤地质条件往往非常复杂。
这可能导致工作难度加大，甚至会导致施工失败。
地下水位高、土壤岩石复杂等问题都会影响工程的施工进度和质量。
3. 施工条件有限由于地形地貌等原因，岩土工程的施工条件有时非常有限。
这需要工程师们结合具体情况调整施工计划，保证施工的顺利进行。
但是，有限的施工条件会给整个工程带来一定的风险，需要工程师们采取合适的措施来避免施工过程中的风险。
二、岩土工程施工的解决方法1. 合理选取岩石爆破方法在遇到岩石形态不规则的情况下，需要采取不同的爆破方法。
尽可能地降低爆破对周边环境的影响，选用低碳环保的爆破方法。
此外，还需要根据岩石的材质和形态，选取适当的炸药和道具。
2. 加强地质勘察工作在施工前需充分进行地质勘察。
对于土壤地质条件复杂的工程，应争取尽可能多的勘察时间，充分了解地质情况，确定适当的施工方法和技术措施，减轻施工风险。
同时，在施工现场加强对地下水位和土壤改良等方面的监测工作，及时调整施工计划。
3. 积极采取施工措施在施工条件有限的情况下，需要采取适当的措施，包括加强安全防范，采取针对性施工技术，增加维修和检测设备等，保证施工的顺利进行。
此外，合理分配施工人力和机械设备，尽可能地提高施工效率。
结论在岩土工程施工中，遇到问题是常有的事情。
但只要我们合理选取方法，通过加强勘察工作，采取适当的施工措施，就能最大程度地减少工程风险，保证施工的高质量和安全性。
岩土工程的分类
岩土工程的分类岩土工程是土木工程学科的一个重要分支，主要研究土壤、岩石及其相互作用的力学性质和工程应用。
根据不同的分类标准，岩土工程可以分为地基工程、岩石工程、土力学与地下工程、地震工程等多个专业领域。
地基工程是岩土工程的重要组成部分，主要研究土壤的力学性质以及土壤与建筑物之间的相互作用。
地基工程常常涉及到土壤的勘探与测试、地基的设计与施工、地基的加固与处理等内容。
通过对土壤力学性质的研究，地基工程可以为建筑物提供稳定的基础支撑，保证建筑物的安全运行。
岩石工程是研究岩石的力学性质以及岩石与工程结构之间的相互作用的专业领域。
岩石工程主要包括岩石的勘探与测试、岩石的力学特性研究、岩石的工程应用等内容。
通过对岩石的研究，岩石工程可以为岩石工程结构的设计与施工提供理论依据，保证岩石工程结构的稳定与安全。
土力学与地下工程是研究土壤力学性质以及地下工程的专业领域。
土力学与地下工程主要包括土壤的力学性质研究、土壤的工程应用、地下工程的设计与施工等内容。
通过对土壤力学性质的研究，土力学与地下工程可以为地下工程的设计与施工提供理论指导，保证地下工程的稳定与安全。
地震工程是研究地震对工程结构的影响以及抗震设计与施工的专业领域。
地震工程主要包括地震学、地震工程勘探与测试、地震工程设计与施工等内容。
通过对地震的研究，地震工程可以为工程结构的抗震设计与施工提供理论依据，提高工程结构的抗震能力，保护人民的生命财产安全。
除了以上几个专业领域外，岩土工程还涉及到一些其他的专业领域，如岩土力学、边坡工程、地质灾害与防治等。
岩土力学主要研究土壤与岩石的力学性质以及其在工程中的应用；边坡工程主要研究边坡的稳定性与防护措施；地质灾害与防治主要研究地质灾害的成因与防治方法。
这些专业领域的研究都是为了保证工程结构的安全与稳定，提高土地的利用效率，保护人民的生命财产安全。
岩土工程是土木工程学科的一个重要分支，根据不同的分类标准可以分为地基工程、岩石工程、土力学与地下工程、地震工程等多个专业领域。
第十讲 岩石地下工程(1)
(5-3)
根据材料力学求主应力公式可以得到任一点处的主应力：
①
λ ＝1时，即静水压力状态，由式（5-3）得： a2 r P(1 2 ) r a2 P(1 2 ) （5-5） r r 0 由上式得：当r＝a时（隧道表面），σr ＝0，σθ ＝2P；当r→∞ 时， σr＝P， σθ ＝P，而剪切应力为零。 可见，在硐室的周边切向应力最大，轴 向应力最小，产生的应力差最大。根据 第三强度理论（最大剪应力理论），硐 室周边首先产生破坏。在r无穷大时， 应力趋于原岩应力P。 根据式（5-5）分析围岩和原岩区域。
2
3
4
5
r/r0
3a
方形开挖断面
圆形开挖断面
5.3.1 无内压圆形隧洞围岩应力分析
1. 无穷大平面内圆形孔洞无内压应力分析：在受远场应 力作用下，平面内任意单元体处于平衡状态时，满足 平衡微分方程的应力表达式为：
其中φ 为极坐标形式的Airy应力 函数。将上式代入极坐标形式的 双调和方程，在轴对称条件下， 可求解得到双调和方程的通解φ 的表达式。然后代入上式求得 σr、σθ、τrθ的值，再根据边 界条件求出其常数，即得到该问 题的切尔西解（5-3）。
5.3 地下工程围岩应力
• 地下工程开挖围岩应力重分布特点：
–工程开挖后，原岩应力场的平衡关系被打破，在工程的 周边岩体上产生应力重分布和应力集中现象。 –受开挖影响、产生应力集中的区域的岩体称为围岩体， 这种影响范围一般为开挖最大尺寸的3~5倍；不受影响 的岩体称为原岩体。
a
3 2 1 r0 1 σr σθ b 5b
–实践性：强； –理论性：相对不完善。
• 岩石地下工程建设的理论与应用的发展：
–地下工程的复杂性，决定着其存在许多理论和工程技 术上未能解决的难题，为研究提出了挑战和机遇。
岩石的工程分类
岩石的工程分类岩石工程是指在工程建设中，对矿山岩体、地下岩体或地表岩体进行工程治理、开采、支护、加固、加固和回填等一系列工程活动。
在不同的岩体类型、构造属性、力学性质和应力状态下，应采取不同的工程措施和技术。
岩石工程分类岩石工程分为以下几类：矿山岩体工程矿山岩体工程是指在不同的矿山类型中，如金属矿山、非金属矿山、煤矿、盐矿等，在开采过程中进行岩体治理、控制地表沉降、支撑和加固等工程活动。
需要根据岩石结构、地质构造、地应力和水文地质等特性，统筹规划、科学规划、整体实施岩体工程活动。
隧道岩体工程隧道岩体工程是指在隧道工程中，对不同的地层进行岩体勘察、隧道开挖、支护和加固等工程活动。
需要在岩体类型、地层厚度、地应力状态、岩体难度等因素的影响下，设计出科学的隧道岩体工程方案。
地下岩体工程地下岩体工程是指在地下建筑、地下加油站、地下管道、地下公路、地下铁路和地下车库等建筑工地中，对地下岩体进行工程控制、加固和对岩层过程中进行可持续发展的科学规划。
需要根据不同的地质特征、水文地质特征和地应力约束等因素，设计出最佳的地下岩体工程方案。
地表岩体工程地表岩体工程是指在地表开挖、采石、挖掘隧道、建筑污水处理站、防洪工程、海堤防浪等工程中，对地表岩体实施开采、挖掘、运输、加固等工程活动。
需要根据地表岩体类型、构造特征、地质构造、地应力约束、可持续发展因素等因素，设计出最佳的地表岩体工程方案。
结论物理力学学科是岩石工程学科最基础的学科，为岩石工程提供基础、方法和手段。
在做好岩石工程方案和方案实施之前，应根据不同的岩石类型和工程特征，科学优化方案并评估其可行性。
同时，岩石工程应遵循沟通、合作和共享的原则，为科技创新和经济发展提供动力和支持。
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弹塑性应力分析（轴对称圆巷）
12
三、地下工程围岩应力－轴对称圆形巷道
1) 基本假设 轴对称条件(圆巷、原岩应力轴对称(静水压力)分布) 线弹性平面问题条件(长巷道(平面应变)、均质连续、各
向同性、线弹性围岩体) 无限体问题条件(深埋, Z＞20R0)
p0
R0
p0
弹性力学：轴对称
平面应变圆孔问题
13
三、地下工程围岩应力－轴对称圆形巷道
2) 基本方程
d r
平衡方程： dr
r
r
0
待求： r r u
几何方程： r
du dr
,
u r
r
物理方程：
1 2
E
( r
1
)
1 2
E
Ⅱ
稳定性
较好岩 层
1. 完整，比较坚硬岩层，Rb=40～60MPa
围岩基本稳定，
2. 层状岩层，胶结较好
较长时间不支
3. 坚硬块状岩层，裂隙面闭合，无泥质充填物，护会出现小块
Rb>60MPa
掉落
胶结好的砂岩、砾 岩、大冶薄层灰岩
Ⅲ
中等稳 定岩层
1. 完整的中硬岩层，Rb=20～60MPa 2. 层状岩层，以坚硬层为主，夹有少数软岩层 3. 比较坚硬的块状岩层，Rb=40～60MPa
地下工程围岩分类(围岩分级)：根据地下工程的性质与要求， 将围岩体的某些属性加以概略的划分。
围岩分类的目的： (1)整理和传授复杂岩石环境中开挖地下工程的经验； (2)可将以地质条件为主的分散的实践经验加以概略量化； (3)是应用前人经验进行支护设计、选择施工方法的桥梁； (4)是计算工程造价和投资的依据。
10
三、地下工程围岩应力
地下工程中的一些力学分析特点： 1) 弹性、塑性(理想塑性)、破碎体 2) 强度条件与破坏条件：具有软化性的不一致性 3) 平面问题的概念及其意义
平面应变与平面应力问题概念，隧道与长巷道 4) 半无限体与无限体问题
地基和浅埋的地下工程，深埋的地下工程
平面应 力
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三、地下工程围岩应力
切向应力
λ=0.25
径向应力
3~5r0
λ=0.25
9
三、地下工程围岩应力
地下工程稳定中的力学概念
本构关系概念：在力学范畴内讨论变形的相应关系
基本力学关系 根据材料性质及其工程影响，可分为： 1) 弹性 (线弹性、完全弹性与滞弹性) 2) 塑性或弹塑性 (理想弹塑性和弹脆性；具有硬化、软
化性) 3) 粘性 (粘弹性、粘塑性、弹-粘塑性、粘弹塑性)
在巷道侧帮，愈接近自由表面，径向应力越小， 至洞壁处变为零；切向应力愈大，至洞壁处达 最高值，即产生所谓压应力集中。
在巷道顶部，愈接近自由表面，切向应力愈低， λP0
有时甚至于在洞壁附近出现拉应力，产生所谓 拉应力集中。
P0
R0
理论与实验表明：地
下洞室开挖，洞壁处的 应力集中现象最明显； 地下工程围岩应力重分 布特点主要取决于地下 工程的形状和岩体的初 始应力状态。
围岩能维持一 个月以上稳定， 有时产生局部 岩块掉落
页岩、砂质页岩； 粉砂岩，石灰岩； 硬质凝灰岩
稳定性 1.较软的完整岩层， Rb<20MPa Ⅳ 较差岩 2.中硬的层状岩层
层 3. 中硬的块状岩层，Rb=20～60MPa
Ⅴ
不稳定 1. 易风化潮解剥落的松软岩层 岩层 2. 各类破碎岩层
围岩的稳定时 页岩、泥岩胶结不
a) 地质条件：地质条件不完全清楚；工程涉及范围大 b) 荷载特性：地应力不确定，受结构影响、施工影响； c) 结构特性：受力结构不明确，几何不稳定结构可能与围
岩共同作用稳定
d) 材料特性：岩体非均质、非连续、各向异性、时间效应 e) 施工影响：在荷载不确定下施工，开挖、施工影响围岩
稳定性
4
二、地下工程围岩分类及地下工程类型
间仅有几天
好的砂岩、硬煤
围岩很容易产 生冒顶片帮
炭质页岩、花斑泥 岩 煤、 、软 破质 碎凝 各灰 类6 岩 岩、 石
二、地下工程围岩分类及地下工程类型
地下工程埋深
深埋地 下工程
浅埋地下工程 深埋地下工程
浅 埋问 题
深
地下工程自身影响 达不到地表的，称 为深埋。反之浅埋
7
三、地下工程围岩应力
地下工程围岩稳定定义：地下工程工作期限内，安全和所需 最小断面得以保证，称为稳定。
地下工程围岩稳 定性可分为两类
自稳：不需要支护 围岩自身能保持长 期稳定
max [ ] Umax [U ]
人工稳定：需要采 取措施才能保持围 岩稳定
max [ ] Umax [U ]
围岩内 危险点 的应力 和位移
max,U max
8
三、地下工程围岩应力
地下工程开挖
打破平衡
寻求平衡（应力重分布）
5
地下工程围岩分类
围岩分类 的稳定状态 (3～5m跨度)
岩种举例
Ⅰ
稳定 1. 完整坚硬岩层，Rb>60MPa ，不易风化 岩层 2. 层状岩层层间胶结好，无软弱夹层
围岩稳定，长 期不支护无碎 块掉落现象
完整的玄武岩、石 英质砂岩、奥陶纪 灰岩、茅口灰岩、 大冶厚层灰岩
岩石地下工程
概述 地下工程围岩分类及地下工程类型 地下工程围岩应力 地下工程围岩体的破坏机理 地下工程支护设计
1
一、概述 岩石地下工程 定义：
是指在地下岩石中开挖 并临时或永久修建的各 种工程(如地下井巷、 隧道、地下仓库，地下 发电厂，地下飞机库\ 地下核废料存储库等)
2
一、概述－地下工程的特点
(
1
r
)
通解
A
B r2
r
A
B r2
3) 边界条件…r=R0，r=0；
r=∝，r=p0…(Z)
4) 结论
r
p0 (1
R2 0
r2
)
θ
r
R0
P0
14
三、地下工程围岩应力－轴对称圆形巷道
r
p0 (1
R02 r2
)
次生应力场 应力重分布结果
p0
讨论：
1) 次生应力场也是轴对称场(与无关)； 2）巷道周边处于单轴受压(r=0)状态，并有最大 应力集中(θ=2p0，即应力集中系数 k=2 )，且与 巷道半径大小无关；
共同特点：在岩体内开挖出具 有一定断面和尺寸，在地应力 条件下构筑的洞室。 地下工程周围岩体(围岩)的稳 定性决定着地下工程的安全和 正常使用 。
围岩：应力重分布 影响范围的岩石
初始应力影响(载荷先于结构) 开挖是第一道工序 洞室的几何形状
3
一、概述－地下工程的特点
地下工程特点：
与地面工程所处环境条件截然不同