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隧道施工中围岩的工程性质

时间:2023-08-27 理论教育 版权反馈
【摘要】:岩体较之于岩石的物理力学性质,表现出明显的不均匀、非连续、各向异性与非弹性等。此外,20世纪50年代,国内外学者注意到,岩石与大范围天然岩体的力学性质有很大差别。进入了塑性阶段,岩体将产生不可逆的塑性变形。此时,岩体的变形特性介乎上述二者之间。岩体变形的这种时间效应,称之为岩体的流变特性。而岩体内结构面的状态需要参考以下四个因素:力学性质、充填状态、产状、分布和规模。

隧道施工中围岩的工程性质

(一)岩石与岩体的概念

岩石是指自然界中具有一定结构构造的矿物(含结晶和非结晶的)集合体。从岩体力学的角度出发,我们一般研究的岩石是指岩块,即不含显著结构面的岩石块体,是构成岩体的最小结构单元。

而岩体则是指在地质历史过程中形成的,由岩石单元体(或称岩块)和结构面网络组成的,具有一定结构并赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。岩石和岩体的表观区别如图2-1-2所示。

图2-1-2 岩石和岩体的表观区别

岩体是由岩石构成的,不同的岩石构成的岩体其特点是不一样的。岩石和岩体的区别主要是,岩石强调的是其本身的岩性和物理、化学特征,而岩体强调的是在地质环境下岩石作为地质体的特征,如岩石性质、地质构造、强度、含水情况等等,包含的研究内容比岩石更广。岩体较之于岩石的物理力学性质,表现出明显的不均匀、非连续、各向异性与非弹性等。

此外,20世纪50年代,国内外学者注意到,岩石与大范围天然岩体的力学性质有很大差别。概括来说,天然岩体与实验室内制作的岩石试件(岩石)有显著不同。

(1)岩体赋存于一定地质环境之中,地应力,地温,地下水等因素对其物理力学性质有很大影响,而岩石试件只是为实验室实验而加工的岩块,已完全脱离了原有的地质环境。

(2)岩体在自然状态下经历了漫长的地质作用过程,其中存在着各种地质构造和弱面,如不整合,褶皱,断层,节理,裂隙等等。

(3)一定数量的岩石组成岩体,且岩体无特定的自然边界,只能根据解决问题的需要来圈定范围。根据上述特征,将岩体定义为地质体的一部分,并且是由处于一定地质环境中的各种岩性和结构特征岩石所组成的集合体,也可以看成是由结构面所包围的结构体和结构面共同组成的。

(二)岩体的力学特性

1.岩体的变形特性

(1)抗拉变形:岩体的抗拉变形能力很低。可认为无抗拉能力。主要讨论抗压、抗剪能力。

(2)受压变形:岩体受到岩石的强度特性的影响,其受压变形特性与岩石的变形特性的变化规律具有一定的相似性

在实际的工程中,经常遇到岩石和岩体在单轴和三轴压缩状态下的变形问题。图2-1-3例示了典型的岩石与岩体的应力-应变曲线。岩石应力-应变曲线,线性关系比较明显,以弹性变形为主;岩体的应力-应变曲线,可分成OA,AB,BC,CD四个阶段。四个阶段各自显示了不同的变形特性。

图2-1-3 典型的岩石应力-应变曲线分析

1)OA阶段,通常被称为压密阶段。其特征是应力-应变曲线呈上凹型,即应变随应力的增加而减少。形成这一特性的主要原因是存在于岩石内的微裂隙在外力作用下发生闭合所致。

2)AB阶段,也就是弹性阶段。从图2-1-3可知,这一阶段的应力-应变曲线基本呈直线。若在这一阶段卸荷的话,其应变可以恢复,由此可称为弹性阶段。最近几年来,经过大量的试验发现,在AB阶段,由于岩石受荷后不断地出现裂纹扩展,将产生一些不可逆的变形。因此从某种意义上来说,它并不属于真正的弹性特性,只能是一种近似的弹性介质。B点是该岩石的屈服点,当应力超过B点,则将进入第三阶段。

3)BC阶段,也被称作塑性阶段。当应力值超出屈服应力之后,随着应力的增大曲线呈下凹状,明显地表现出应变增大的现象。进入了塑性阶段,岩体将产生不可逆的塑性变形。应该指出,对于坚硬的岩石来说,这一塑性阶段很短,有的几乎不存在,它所表现的是脆性破坏的特征。所谓脆性,是指荷载超出了屈服应力却并不表现出明显的塑性变形的特性,由此而产生的破坏,称为脆性破坏。

4)CD阶段,也被称作破裂和破坏阶段。当应力值超过了岩体极限强度后,岩体出现大量的贯通裂缝,抗压强度急速下降,变形量急剧增加,岩体全面崩溃

由以上分析可以看出,岩体既不是简单的弹性体,也不是简单的塑形体,而是较为复杂的弹塑性体,整体性较好的岩体偏于弹性体,而较为破碎的岩体偏于塑形体。(www.xing528.com)

(3)剪切变形(结构面控制)

岩体受剪时的剪切变形特性主要受结构面控制,可能有三种方式:

1)沿结构面滑动。此时,结构面的变形特性即为岩体的变形特性。

2)结构面不参与作用,沿结构体岩石断裂。此时岩石的变形特性即起主导作用。

3)在结构面影响下,沿岩石剪断。此时,岩体的变形特性介乎上述二者之间。

(4)流变(岩体变形的时间效应)

岩体的变形不是瞬时完成的,而是随着时间的增长逐渐达到最终值。岩体变形的这种时间效应,称之为岩体的流变特性。

流变包括两方面,蠕变和松弛(见图,蠕变是指作用的应力不变,而应变随时间而增长;松弛则是指作用的应变不变,而应力随时间而衰减。

图2-1-4 蠕变与松弛曲线

2.岩体的强度

(1)抗压强度

1)岩石:受微裂隙所制约,强度大。

2)岩体:受结构面控制,强度小,并具有明显的各向异性。

(2)抗剪强度

岩体的抗剪强度受结构面的制约。而岩体内结构面的状态需要参考以下四个因素:力学性质、充填状态、产状、分布和规模。同时还应考虑岩体剪切破坏方式,比如破坏方式为岩体沿结构面滑移,属于塑性破坏,而沿岩石剪断则属于脆性破坏。

通过大量实验可知,岩体的强度要比岩石的强度低得多,一般情况下,岩体的抗压强度只有岩石的70%~80%,结构面发育的岩体,仅有5%~10%。

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