地壳岩石经历了极为漫长的成岩和改造过程,岩体内部包含了数量众多的裂隙、孔隙、节理等不连续面,这些不连续面的存在为地下水提供了存储和移动的空间。岩体是由固相、液相和气相三部分交织组成的多相物质,而水正是沿着这些大小各异、形态不一、弯弯曲曲的裂隙通道渗流,最终影响岩体结构的工程性质。单独研究某个孔隙或裂隙中的地下水运动规律是很困难的,研究的意义也不明显。因此,研究者们选择避开研究单个裂隙地下水的运动特性,将孔隙介质及裂隙等效地转化为连续均质多孔介质,采用连续介质渗流理论研究影响整个区域内地下水的渗透规律。
现实中的地下水仅存在于岩体的空隙中,为了便于研究地下水的渗透规律,用虚拟水流来代替实际的水流。虚拟水流的各种物理性质和实际水流完全一致,虚拟水流不仅分布在岩块间的各种孔隙、裂隙中,还存在于岩体中。虚拟水流有下列3 种假设:
(1)虚拟水流通过任一断面的流量与真实水流的流量完全相同;
(2)在任一断面上的压力或水头高度和真实水流的压力或水头高度相等;
(3)在任意岩土体内所受的阻力和真实水流在相同岩土体内所受的阻力相等。
上述虚拟水流被称为渗透水流,也简称渗流。虚拟水流所占据的空间区域称为渗流区域,即渗流场。渗流场最基本的表征向量有两个,即流速和水头,流速是矢量,水头是标量。
地下水渗流以渗透力作用于裂隙介质,渗透应力场和裂隙岩体的应力场相互影响,岩体应力场的改变往往使孔隙或裂缝发生变形,这种变形反过来又会影响到岩体裂隙的渗透性能。另外,岩土体内部各相之间还存在着物理、化学和温度场等变化,这些变化之间又相互影响。因此,岩体是多相、多场耦合并相互作用的复杂混合体。(www.xing528.com)
围岩的工程及水文地质条件是隧道设计、施工的重要依据,其地质条件的变化直接影响隧道设计及施工的成本和安全,同时也决定了隧道开挖过程中围岩的地层响应敏感性。其对围岩地层响应特性的影响主要体现在以下几个方面。
(1)岩体结构的完整性,即岩体破碎程度,是决定隧道围岩稳定与否的关键。岩体越破碎,隧道就越容易发生失稳,地层响应就越强烈。
(2)岩体物理力学性质。虽然岩体结构状态是控制地层响应的主要因素,但在较为完整的整体巨块状结构或大块状结构中,其岩体的物理力学性质,如吸水率、饱水率、渗透系数、风化程度指数、弹性模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、浸水软化系数、抗冻稳定性系数、化学指标及溶解度等都将影响围岩的变形及位移参数。由于这类围岩裂隙较少,结构面强度高,所以岩石强度在一定程度上与岩体强度接近,此时岩体的物理力学性质成为控制围岩变形的主要参数。
(3)地下水体。地下水的存在,降低了岩体结构面及岩块的强度,特别是水理性较差的岩体,如石膏、蒙脱石等遇水软化的岩体,使得围岩地层响应更为明显。
由于隧道衬砌结构与围岩密贴后,在力学分析上常常将围岩与衬砌结构视为复合体,一起受力、变形,相互影响,相互约束。因此,在工程地质与水文地质条件影响围岩特性的同时,将间接影响隧道结构的承载能力、抗腐蚀能力、抗渗能力等。
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