地下結構設計原理與方法地下結構設計原理與方法天下事有難易乎為之，則難者亦易矣不為，則易者亦難矣地下結構設計原理與方法第一章巖體的工程性質§1.1巖體的地質特性

巖體：是處于一定天然應力環境中的地質體。是在長期自然地質條件下形成的。與人為的建筑材料不同。一、巖體處于一定的天然應力作用下

天然應力：指工程施工前巖體中就存在著的應力。工程開挖前，巖體處于相對平衡狀態。工程開挖后，破壞了平衡，引起應力重新調整，導致巖體的變形和破壞。

地下結構設計原理與方法二、巖體的物理力學性質的不均勻性

原因：生成巖體的物質來源、生成原因、周圍的環境、生成后的構造作用等因素的差異，而導致巖體內部的物質成分的分布和構造特征的不均勻性。三、巖體是由構造面分割的多裂隙體

結構面：指巖體中具有一定方向、力學強度相對較低的地質界面（或帶）。

巖體中的結構面按成因類型可分為三類：1、原生結構面：指巖體形成過程中形成的結構面和構造面。原生節理面、流動節理面、接觸面、片理、片麻理構造面。

地下結構設計原理與方法非開裂式、結構面間有聯結力、強度較高。2、構造結構面：是巖體形成后，由于地殼構造運動在巖體中產生的各種斷裂面。

斷層面、節理面、層間錯動面、劈理面。

結構面強度低，可能有填充物。3、次生結構面：指在外營力作用下產生的風化裂隙面及卸荷裂隙面等。

張裂隙、結構面不平坦。四、巖體具有各向異性

指巖體強度、變形、甚至滲透等性質在不同方向上顯示出差異。

地下結構設計原理與方法五、巖體具有可變性

巖體在各種地質作用下不斷發生變化。1、風化作用：地表巖石在大氣、溫度、水和生物的聯合影響下，使巖石的物理性質或化學成分發生改變的地質作用。

風化作用會降低礦物晶?；蝾w粒間的聯結力，使巖體的完整性遭到破壞，變形增大，強度降低。風化巖石按風化劇烈的程度分成若干級(或帶)

地下結構設計原理與方法<<鐵路工程設計技術手冊>>中分為：

①風化極嚴重②風化嚴重③風化頗重④風化輕微⑤未經風化。風化系統分為：①全風化帶②強分化帶③半分化帶④弱風化帶⑤微風化帶（新鮮）。2、地下水的溶蝕作用表現：可溶鹽溶解，肢體水解，體積膨脹，強度降低。通常用軟化系數來表示巖石的軟化性，即:軟化系數=地下結構設計原理與方法一般規定軟化系數小于0.75的巖石叫軟化巖石?！?.2巖石的物理性質和水理性質

一、巖石成分的物理參數含水量w，孔隙度n，干密度ρd二、巖石的密度、孔隙度、水分對其力學性質的影響

㈠巖石的密度對其力學性質的影響密度大，強度高。㈡孔隙度對巖石力學性質的影響孔隙度大，強度低。

原因：⒈孔隙邊界引起的引力集中會使強度降低；地下結構設計原理與方法

⒉孔隙的存在使巖石承載力減小從而使強度降低；

⒊孔隙中存在水或其它物質，它們在巖石承受荷載的情況下，會加速裂紋的擴展，從而導致巖石強度降低。

㈢水對巖石力學性質的影響

水對巖石的物理化學作用，主要表現在：1、軟化：水侵入巖石的孔隙中，改變了巖石的物理狀態和巖石顆粒間的表面能，導致強度降低。

地下結構設計原理與方法2、溶蝕：溶蝕使巖石致密度降低，并會破壞顆粒之間的膠結，從而使巖石強度降低。

⒊

膨脹：粘土質礦物成分遇水產生膨脹應變和膨脹壓力。

四、巖石的滲透性

孔隙的存在。五、巖石的膨脹性

巖石中顆粒的膠結程度影響其膨脹性。地下結構設計計原理與方法法§1.3巖石的強度特特性和變形特特性一、巖石試件件的制備1、巖石的采樣樣采采用用蠟封或瀝青青封裹，以防防風化和保持天然含水量量。2、試件的種①規則試件：圓圓柱體、立方方體、棱柱體。②不規則試件③特殊形狀：虎虎骨型、中空空圓柱型。手工制作或機機械加工地下結構設計計原理與方法法二、巖石的單單軸壓縮試驗驗㈠巖石的單軸抗抗壓強度1、單軸抗壓強強度的概念試件為圓柱體體，直徑大于于54mm，高徑比為2.0～2.5。為試件破壞時時的壓力。2、巖石在單軸軸壓縮下的破破壞形式①劈裂破壞：在在垂直壓應力力方向產生的拉斷破裂。。如堅硬脆性巖巖石的破壞。。②對頂錐破壞：：形成X型剪切破壞。。地下結構設計計原理與方法法如軟質塑性巖巖石的破壞。。③剪切型破壞：：斜剪3、影響巖石單單軸抗壓強度度的因素外因：①承壓板與試件件兩端面之間間的摩擦。②試件的幾何形形狀和高徑比比：圓柱形h/d=2.0～2.5。③試件的尺寸：：盡可能采用用較大的試件。④加載速度：推推薦加載速度度是：0.5～1.0MPa／s。⑤環境條件：含含水量、溫度度。內因：⑥巖石本身的物物質成分和結結構特征.地下結構設計計原理與方法法㈡單向應力狀態態下巖石的變變形特征1、單軸壓縮時時應力-應變曲線三種狀態：①線形彈性②應變軟化特性性③應變硬化特性性2、彈性模量初始切線模量量、平均切線線模量、平均均割線模量（取抗壓壓強度的的一半處））3、橫向變形和和橫向變形比比泊松比即是橫橫向應變與軸軸向應變的比比值。地下結構設計計原理與方法法一般（（直線段段的）4、應力—應變全過程曲曲線剛性試驗機①裂隙壓密階段段：壓密強度度②彈性階段（直直線變形階段段）：屈服強強度③塑性階段（新新生微裂隙及及擴容發展階階段）：峰值強度④破裂和破壞階階段（新生微微裂隙不穩定定發展階段）：殘余強強度5、循環荷載條條件下巖塊的的變形特征疲勞強度地下結構設計計原理與方法法三、巖石的抗抗拉強度膠結物強度、、抗拉強度的的各向異性測定巖石抗拉拉強度的方法法：⑴直接拉伸法⑵棱柱體試件的的彎曲⑶圓柱體的彎曲曲⑷圓盤彎曲⑸液壓擴張試驗驗⑹巴西試驗：又又稱劈裂試驗驗或線荷載試試驗實心圓盤地下結構設計計原理與方法法圓柱體L為圓柱長立方體⑺圓環試驗⑻方形板的徑向向壓縮試驗地下結構設計計原理與方法四、巖石的抗抗剪強度㈠基本概念巖石的抗剪強強度指巖石抵抗剪剪切破壞的最最大大能力，以剪剪斷時剪切面面上的極限剪剪應力表示。。巖石的抗剪強強度用下式表表示：抗剪強度≈σtgФ+cФ和c是表征巖石抗抗剪性能的基基本指標。㈡測定巖石抗剪剪強度的方法法⑴直接剪切法剪切盒，繪繪出-圖，進而確定定c,Ф地下結構設計計原理與方法法剪切盒⑵傾斜板間加壓壓的單向剪切切法=30°～50°㈢利用（（單軸抗壓壓強度）和（（單軸軸抗拉強度）推算抗剪剪強度指標⑴威爾克法（R.G.Wuerker，1959）地下下結結構構設設計計原原理理與與方方法法⑵握部部（（Aorlbe，1970）方方法法地下下結結構構設設計計原原理理與與方方法法五、、三三軸軸壓壓縮縮下下巖巖石石的的強強度度特特性性和和變變形形特特性性㈠巖石石的的三三軸軸壓壓縮縮強強度度試件件：：50～90mmh=100～200mm圓柱柱體體或或棱棱柱柱體體繪出出巖巖石石的的莫莫爾爾包包絡絡線線，，進進而而確確定定C,ФФ。㈡影響響三三軸軸壓壓縮縮試試驗驗結結果果的的主主要要因因素素⑴側限限壓壓力力（（即即圍圍壓壓））對對巖巖石石強強度度和和變變形形的的影影響響圍壓壓大大，，則則強強度度及及對對應應的的位位移移量量均均增增大大。。巖石石試試件件在在高高圍圍壓壓下下表表現現出出塑塑性性（（或或延延性性））變變形形的的性性質質。。地下下結結構構設設計計原原理理與與方方法法⑵加載載速速率率對對巖巖石石強強度度和和變變形形的的影影響響變形形速速率率的的提提高高，，強強度度和和變變形形模模量量增增大大。。⑶其他他因因素素對對巖巖石石強強度度和和變變形形的的影影響響●巖石石結結構構、、微微裂裂隙隙發發育