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。
地下工程围岩分类与岩石分级对比表
地下工程围岩分类与岩石分级对比表
（参考资料）
岩石16级分级
水电地下工程围岩分类
备注
Ⅴ-Ⅵ
特殊岩类
有在Ⅰ-Ⅴ类围岩中
Ⅶ-Ⅷ
Ⅳ-Ⅴ
有地下水Ⅴ类
Ⅸ-Ⅹ
Ⅲ-Ⅳ
有地下水或轴线近乎平行倾斜岩层时Ⅳ
Ⅺ-Ⅻ
Ⅱ-Ⅲ
轴线近乎平行倾斜岩层时Ⅲ类
XIV-XVI
Ⅰ-Ⅱ
裂隙稀少Ⅰ类;少பைடு நூலகம்裂隙Ⅱ类;裂隙较多Ⅲ类
说明：
实际确定时,要看风化程度、节理裂隙数量间距、软弱夹层情况、地下水、工程轴线与倾斜岩层夹角等，可对照地址报告能更准确。
资料来源：水利水电技术标准
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。
什么是岩石基坑工程施工
什么是岩石基坑工程施工岩石基坑工程施工的特点岩石基坑工程施工相比于在普通土壤地质条件下的基坑工程施工，具有以下几个特点：1. 较高的技术难度。
由于岩石的硬度和坚固性，基坑开挖过程中需要采用更强大的机械设备和更复杂的施工方法，以确保开挖的顺利进行。
2. 施工周期长。
在岩石地质条件下进行基坑开挖需要更多的时间和人力物力成本，施工周期会相对较长。
3. 技术要求高。
岩石基坑工程施工需要具备较高的技术水平，施工队伍需要拥有丰富的施工经验和专业知识，以应对可能遇到的各种技术问题。
4. 施工成本高。
由于岩石基坑工程施工需要采用更先进的设备和更负责的施工方法，施工成本比普通基坑工程施工要高出许多。
岩石基坑工程施工的步骤岩石基坑工程施工一般包括以下几个步骤：1. 岩石勘察。
在进行岩石基坑工程施工前，需要进行岩石勘察，了解地下岩石的类型和分布情况，确定适合的基坑开挖和支护方案。
2. 岩石开挖。
在进行岩石基坑工程施工时，首先需要进行开挖作业，采用钻孔爆破或者机械破碎等方法将岩石开挖下来，以便进行接下来的基坑支护工作。
3. 岩石支护。
在开挖完成后，需要对基坑进行支护工作，以确保基坑的稳定性和安全性。
常见的支护方式包括喷射混凝土、钢支撑、锚杆等。
4. 岩石处理。
在支护完成后，需要对岩石进行处理，以确保基坑的平整度和光滑度。
可以采用打磨、切割等方法进行处理。
5. 基坑平整。
最后，需要对基坑进行整体的平整和清理工作，以适应接下来的建筑施工。
岩石基坑工程施工的挑战岩石基坑工程施工相比于在普通土壤地质条件下的基坑工程施工，面临着更多的挑战，包括：1. 岩石的硬度和坚固性。
岩石的硬度和坚固性给基坑的开挖和支护带来了较大的困难，需要使用更强大的机械设备和更复杂的施工方法。
2. 岩石的变化性。
岩石的地质结构和类型会随着深度的增加而发生变化，需要及时调整施工方法和支护方案。
3. 岩石中可能存在的裂隙和节理。
岩石中可能存在裂隙和节理，会影响基坑的稳定性，需要采用适当的支护方式进行处理。
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。
岩石力学---第四章 巷道围岩应力分布及其稳定性分析
2 4 a 1 a q p 1 2 2 3 4 sin 2 r 2 r r
p 原岩垂直应力
qБайду номын сангаас 原岩水平应力
a 巷道半径 r 距离巷道中心距离
r 岩体某点径向应力 岩体某点切向应力 r 岩体某点剪切应力
轴比m=b/a
应力
5
1.15p 1.75p
4
1.25p 1.25p
3
1.42p 0.75p
2
1.75p 0.25p
1
2.75p
1/2
4.75p
1/3
6.75p
两帮中央 顶底板中央
-0.25p -0.50p -0.58p
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。
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 ,
①、应力集中系数的影响。 ②、采动范围的影响。 ③、巷道周边应力分布的影响。
当 1 时 ,
①、应力集中系数的影响。 ②、采动范围的影响。 ③、巷道周边应力分布的影响。
2、库仑-摩尔理论
sin
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第一章 岩石的物理力学性质 第二章 岩体的力学性质 第三章 地应力及其测量 第四章岩石本构关系与强度理论 第五章 岩石地下工程 第六章 岩石边坡工程
第七章 矿柱支护采矿法的岩体控制 第八章 崩落采矿法的岩体控制
第五章 岩石地下工程
5.1 综述 岩石地下工程是指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、硐室等。 岩石开挖后，周围的岩石将失去原有的平衡状态，其内部原有 应力场将发生变化。 如果周围岩石新应力场中的应力没有超过岩石的承载能力，岩 石就会自行平衡，否则，周围岩石将可能产生破坏，如出现破 裂甚至冒落，或者断面产生很大的变形。 在这种情况下，就需要进行支护。 σθ σr = 0 σr
σr
σθ = 2 P0
σθ
从原岩应力场变化到新的平衡应力场的过程，称为应力重新分布 （redistribution of stress）。 经应力重新分布形成的平衡应力，称为次生应力（ secondary stresses）或诱发应力（induced stresses）. 因此，实现岩石地下工程稳定的条件是： σmas < S umax < U 和位移 S、U —— 围岩或支护所允许的最大应力和最大位移。
即当m=1/λ时，σθ 为常数，轴比对应力分布的影响.如图5-8所示
零应力轴比(无拉应力轴比）：当轴比为某一值时，可使椭 圆周边上的应力不出现拉应力，从而有利于巷道的稳定性。 P
B q A
b
a
q
P A,B两点的应力状态为压应力就可以满足零应力轴比。 把θ=00和900代入5-14式中 可得出：
对于A点，有θ=00 ，则根据（5-14）得到：
p
c cot
1sin
弹性区
( P0 c cos )(1 sin ) 2 sin R0 2 e P0 (c cos P0 sin )[ ] ( ) P r 1 c cot
re P0 (c cos P0 sin )[
1sin
( P c cos )(1 sin ) 2 sin R0 2 P0 (c cos P0 sin )[ 0 ] ( ) c cot r 1sin ( P c cos )(1 sin ) 2sin R0 2 re P0 (c cos P0 sin )[ 0 ] ( ) c cot r
b
a
q= λP0
P0 σθ =P0(m2sin2θ+2msin2θ-cos2θ)/( cos2θ+m2sin2θ)+ λP0(cos2θ+2mcos2θ-m2sin2θ)/( cos2θ+m2sin2θ) (5-14) 式中λ为侧压系数，m为轴比m= b/a,
等应力轴比：是使巷道周边应力均匀分布时的椭圆长短轴之比。 该轴比可通过求（5-14）式的极值得到： p m = 1/λ
弹性位移的特点：周边径向位移最大，但量级小（以毫米 计），完成速度快（以声速计），一般不危及断面使用与 巷道稳定。 计算原理：按弹性理论可求得轴对称圆形巷道的弹性应变 P0 由下式计算： r Pi P0 P0 R0 θ λP0 λP0 一般圆巷（即λ 不等于1）围岩的 P0 位移计算公式：
2 2 4 R0 R0 R0 1 u0 P0 [(1 ) 4(1 )(1 ) cos2 (1 ) 3 cos 2 ] 2E r r r
2 sin
(6-59)
( P0 c cot )(1 sin ) R p R0 [ ] 塑性区半径 P 1 c cot 2 sin R0 1cos P ) c cot (6-59) 1 (P 0 c cot )(1 sin )( 支护反力 Rp
P０
σθ Ｐ０
R0
σr
σr
θ
r
σθ
Rp
P０
塑性区
P０
基本方程：
a2 r p(1 2 ) r
a2 p(1 2 ) r
σθ σr
σr
r 0
塑性区：轴对称问题的平衡方程：
d r r 0 dr r
1 sin 2c cos r 1 sin 1 sin
σ0= （2/m-λ+1） P
（1）当λ<1时，则A点σ0=（2/m-λ+1）P>0,无拉应力， P （2）当λ>1时，要使A点无拉应力，则 （2/m-λ+1） P ≥ 0 即m≤2/(λ-1) (λ>1) λP a
B
b θ A λP
对于B点，有θ=900 ，则根据（5-14）得到： σ90= -P+λP( 1+2m) ≥ 0
2p
b
a
2p
σθ
p =P0(m2sin2θ+2msin2θ-cos2θ)/( cos2θ+m2sin2θ)+ λP0(cos2θ+2mcos2θ-m2sin2θ)/( cos2θ+m2sin2θ) (5-14) 则 m=1/λ (5-15)
dσθ/dθ= 0,
将m值代入（5-14）得到： σθ=P0+λP0 (5-16)
λ为侧压系数。 r —— 围岩内一点到巷道中心距离。
5.2.6. 峰前区弹塑性力学分析 弹塑性力学处理的对象的应力-应变图形如图5-6所示。 σ σs 理想弹塑性体
ε
轴对称圆巷的理想弹性塑性分析——卡斯特纳方程 基本假设： （1）深埋圆形平巷； （2）原岩应力各向等压； ( 3 ) 围岩为理想弹塑性体。
m=b/a
P （1）当λ>1时，则B点的应力始终大于0，无拉应力。 （2）当λ<1时，要使B点应力始终大于0 ，则 σ90=（2λm+λ-1） P ≥ 0,即 则m≥(1-λ)/(2λ) (λ<1)
5.2.4. 矩形和其它形状巷道周边弹性应力 P λ = 0.4
λP
λP
P
5.2.5. 巷道围岩的弹性位移
p r
r c cot[( ) R0
2 sin 1sin
1]
2 sin 1sin
1 sin r c cot[ ( ) 1 sin R0
p
1]
1] 1]
2 Rp
弹性区的应力
e P0 (1
re P0 (1
e
1sin
当巷道内有支护反力P1时，则弹塑性区的应力可以表达为：
r Ｐ0
Rp
Ｐ1
则围岩的弹塑性表达式为： 塑性区
r (P ) 1 c cot )( R0
p r 2 sin 1sin
c cot
2 sin 1sin
1 sin r (P ( ) 1 c cot ) 1 sin R0
2P P
r
r= 3 a
1.05P0
P
a
P
P
影响圈半径
5.2.2.一般圆巷围岩的弹性应力状态 周边应力情况 r= a , 则 σr = 0， τrθ=0 σθ =（1+λ）P +（1-λ）P cos2θ
（5-13）
由式（5-13）可得图5-6所示的巷道周边切向应力状态分布曲线 P λ=1/4
1sin
r c cot[( ) 1sin 1] R0 2 sin 1 sin r 1sin p c cot[ ( ) 1] 1 sin R0
p r
2 sin
r
R0
Ｐ0
Rp
( P c cot )(1 sin ) 2 sin R p R0 [ 0 ] c cot
ⅲ.巷道断面为圆形，可采用平面应变问题的方法，取巷道的任
一截面作为其代表进行研究； ⅳ.巷道埋藏深度Z大于20倍的巷道半径R0 ,如图5-1所示。
b.一般圆巷围岩应力计算简图
P
σθ q
a
σr
σr
θ
r
σθ
q
P
由弹性平面问题的吉尔希解，可得：
1 a2 1 a2 a4 r ( p q)(1 2 ) (q p)(1 4 2 3 4 ) cos2 2 r 2 r r
r 0
a2 r p(1 2 ) r a2 p(1 2 ) r
当 a = r时，则
2 p
r 0
2P
P
r
P
a
P P
周边r = a , σr =0, σθ =2P0；周边的切向应力为最大， 当σθ =2P0的值超过围岩的弹性极限时，围岩进入塑性。 如果把岩石看作为脆性材料，当σθ =2P0的值超过围岩的弹性极 限，则围岩发生破坏。 定义应力集中系数K： K = 开挖巷道后围岩的应力/开挖巷道前围岩的应力 = 次生应力/原岩应 轴对称圆巷周边的次生应力为2P0 , 所以，K =2。 若定义以σθ 高于1.05P0为巷道影响圈边界，据此可得r≈5 a 。 工程中有时以10%作为影响边界。从而得到r≈3 a
( P0 c cos )(1 sin ) ] P 1 c cot
1sin 2 sin
1sin 2 sin
(
R0 2 ) r
塑性区半径 支护反力
( P0 c cot )(1 sin ) R p R0 [ ] P 1 c cot
R0 1cos P ) c cot 1 (P 0 c cot )(1 sin )( Rp
σθ
R0
(6-45)
弹性区：强度准则方程——库仑准则：
(6-46)