《岩石力学》课件(完整版)

《《岩石力学》课件(完整版)》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

第一章绪论岩石：由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集而形成的自然物体。这是影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素。构造:组成成分的空间分布及其相互间排列关系岩石力学（RockMechanics）：研究岩体在各种不同受力状态下产生变形和破坏规律的学科。第一节岩石与岩体矿物：存在地壳中的具有一定化学成分和物理性质的自然元素和化合物。结构：组成岩石的物质成分、颗粒大小和形状以及其相互结合的情况。 岩石分类岩体=岩块+结构面变质岩：不稳定与变质程度和原岩性质有关岩浆岩：强度高、均质性好沉积岩：强度不稳定，各向异性岩体结构面岩块不连续面：包括节理、裂隙、孔隙、断面、孔洞、层面 1.2岩体力学的研究任务与内容①不连续；②各向异性；③不均匀性；④岩块单元的可移动性；⑤地质因子特性（水、气、热、初应力）。（1）岩体的力学特征（2）任务①基本原理方面（建模与参数辨别）；②试验方面（试验方法）仪器、信息处理、室内、外、动、静；③现场测试；④实际应用 城市化：我国1989年不到20%，2000年为35.7%，2010达45%，为减少占用地面土地，发展地下空间。人口密度：拥人极限2万/km2，而上海达4万/km2(局部16万/km2)，北京达2.7万/km2。绿化指标：1990年全国城市绿化面积3.9m2/人，上海0.9m2/人（国家要求2m2/人）。联合国建议：40m2/人（莫斯科44m2/人；伦敦22.8m2/人；巴黎25m2/人）。交通方面：北京道路面积4.4m2/人；东京11.3m2/人；伦敦21.3m2/人。(4)相关任务 1.3岩体力学的研究方法研究方法：实验、理论分析与工程应用相结合实验室内野外岩块（拉、压、剪…）模拟位移应力压力收敛（表面位移）应变绝对位移、相对位移（内部）理论连介非连介数值方法有限元离散元DDA 地质调查工程地质分区岩体结构划分岩石岩体力学性质试验岩体赋存条件分析初始应力结构面几何特征介质的模型化物理数学计算经典解析法数值计算法正反分析分类确定岩体的质量等级模拟试验物理模拟相似材料经验判据岩体工程设计加固措施施工长期监测反馈分析图1-1岩石力学研究步骤的框图 1.4岩体力学在其它学科中的地位（1）1925年泰沙基（Terzaghi）《建筑土力学》（2）地质力学的岩石力学学派（奥地利学派（萨尔茨堡学派）缪勒）否认小岩块试件的力学试验。（3）工程岩石力学学派，法国塔洛布尔（J.Talober）1951年《岩石力学》——最早的代表作。1963年意大利瓦依昂水库岩坡滑动1966年在里斯召开第一届国际岩石力学大会（一届/4年）全国岩石力学与工程学术会，2000年开第6届，1届/1年。全美,全欧。总之三个阶段：材料力学、连介力学、构造力学。力学（固体力学分支）、地质学、岩土工程1.5岩石力学的发展简史返回 第二章岩石的基本物理力学性质岩石的基本物理力学性质是岩体最基本、最重要的性质之一，也是岩石力学学科中研究最早、最完善的内容之一。第一节基本物理性质一、岩石的质量指标（一）密度和比重1、岩石的密度：单位体积内岩石的质量。岩石含：固相、液相、气相。三相比例不同而密度不同。 （2）饱和密度：岩石中的孔隙被水充填时的单位体积质量（水中浸48小时）（1）天然密度：自然状态下，单位体积质量G——岩石总质量；V——总体积。VV——孔隙体积 （3）干密度：岩块中的孔隙水全部蒸发后的单位体积质量（108℃烘24h）2、岩石的比重：岩石固体质量（G1）与同体积水在4℃时的质量比VC——固体积；——水的比重G1——岩石固体的质量。（KN/m3） 二、岩石的孔隙性：反映裂隙发育程度的指标（一）孔隙比VV——孔隙体积（水银充填法求出）（二）孔隙率V=VC+VVe~n关系 天然状态下饱和状态下三、岩石的水理性质（一）含水性1、含水量：岩石孔隙中含水量GW与固体质量之比的百分数W=GW/G1（%）2、吸水率：岩石吸入水的质量与固体质量之比Wd=（%）吸水率是一个间接反映岩石内孔隙多少的指标 （二）渗透性在一定的水压作用下，水穿透岩石的能力。反映了岩石中裂隙向相互连通的程度，大多渗透性可用达西（Darcy）定律描述：（m3/s）——水头变化率；qx——沿x方向水的流量；h——水头高度；A——垂直x方向的截面面积；k——渗透系数。 四、岩石的抗风化指标（3类）(1)软化系数（表示抗风化能力的指标）Rcc——干燥单轴抗压强度、Rcd——饱和单轴抗压强度；（　　　）越小，表示岩石受水的影响越大。耐崩解性指数是通过对岩石试件进行烘干，浸水循环试验所得的指标。试验时，将烘干的试块，约500g，分成10份，放入带有筛孔的圆筒内，使圆筒在水槽中以20r／s速度连续转10分钟，然后将留在圆筒内的石块取出烘干称重。如此反复进行两次，按下式计算耐崩解性指数：(2)岩石耐崩解性指数试验前的试件烘干质量　；残留在筒内的试件烘干质量 1、自由膨胀率：无约束条件下，浸水后胀变形与原尺寸之比轴向自由膨胀（%）H——试件高度径向自由膨胀（%）D——直径返回（三）岩石的膨胀性评价膨胀性岩体工程的稳定。 第三章岩石动力学基础定义：所谓波，就是某种扰动或某种运动参数或状态参数（例如应力、变形、震动、温度、电磁场强度等）的变化在介质中的传播。应力波就是应力在固体介质中的传播。分类：(4类）弹性波:在应力应变关系服从虎克定律的介质中传播的波。第一节岩石的波动特性一、固体中应力波的种类 粘弹性波在非线性弹性体中传播的波，这种波，除弹性变形产生的弹性应力外，还产生又摩擦应力或粘滞应力。塑性波应力超过弹性极限的波。冲击波如果固体介质的变形性质能使大扰动的传播速度远比小扰动的传播速度大，在介质中就会形成波头陡峭的、以超声波传播的冲击波。岩石在受到扰动时在岩体中主要传播的是弹性波，塑性波和冲击波只有在振源才可以看到。 3.在固体中可传播的弹性波可分为两类（1）体波：由岩体内部传播的波(2类）（a）纵波（又称：初至波、Primary波）质点振动的方向和传播方向一致的波它产生压缩或拉伸变形。（b）横波（又称次到波、Second波)质点振动方向和传播方向垂直的波产生剪切变形。（2）面波：仅在岩石表面传播。质点运动的轨迹为一椭圆，其长轴垂直于表面，这样的面波又称为瑞利波。面波速度小于体波，但传播距离大。 按波面形状，应力波又区分为平面波、球面波和和柱面波。波面上介质的质点具有相同的速度、加速度、位移、应力和变形。最前方的波面称为波前、波头和波阵面。二、弹性波在固体中的传播拉梅运动方程(不计体力) 由上方程导出纵波在各向同性岩体中的传播速度：横波在各向同性岩体中的传播速度：将，代入上两式，得： 若已知，侧可根据上两式推出求动弹性模量和动泊松比，即： 注：若分辨不清，则可用（一般可用静泊松比代替）求，则若＝0.25时，＝1.73经过各方面试验验证，一般在1.6～1.7之间。 三、岩体弹性波速得测定（一）岩块声波传播速度室内测定测定时，把声源和接收器放在岩块试件得两端，通常用超声波，其频率为1000Hz－2MHz。（示波见图3－1）声波仪岩石试件发射传感器耦合济接收传感器测出 注：由于纵波比横波较后到达，因此横波易受干扰，难于分辨，所以准确得测出横波时很重要的。中国科学院岩土力学研究所建议用下述方法：（1）用激发横向振动的PZT型压电晶片作横波换能器（图3－2a）（2）利用固体与固体的自由边表面产生反射横波（图3－2b）（3）利用水浸法量测试件的横波（图3－2c） （二）岩体声波传播速度的现场测定岩体声波的传播速度可以在巷道帮面或平坦的岩面上测定。现场量测弹性波速度的方法如图（3-3）所示。量出声源与接收器之间的距离如图3－3中的D1或D2测出P波和S波传播的时间计算弹性波速度Vp和Vs （三）岩体弹性波测定结果岩体中弹性波速经过室内外测定与归纳，得结果间表3－1。由表可见，岩体纵波波速变化范围较大，受各种因素影响。一般来说，岩块波速要大于岩体波速；新鲜完整得岩体波速大；裂隙越发育和风化破碎岩体的波速越小。 根据实验结果整理的岩体动弹性模量见表（3－2） 动弹性模量与静弹性模量的比值一般来说，岩体越坚硬越完整，则差值越小，否则，差值就越大。根据对比资料的统计，动弹性模量比静弹性模量高百分之几至几十倍，如图3－4所示。从动弹性模量的数字来看，多集中在之间。 图3-4返回 第二节影响岩体波速的因素（5方面因素）一、岩体弹性波速与岩体种类、岩石密度和生成年代有关1.岩石的密度和完整性越高，波速越大2.岩石密度越大，弹性波的速度也相应增加表3－1表示了各类岩石的弹性波速与岩石种类之间的关系。图3－5从实例统计的角度，表示了各类岩石的弹性波速及密度之间的关系。 二、岩体波速与岩体中裂隙或夹层的关系弹性波在岩体中传播时，遇到裂隙，则视充填物而异。若裂隙中充填物为空气，则弹性波不能通过，而是绕过裂隙断点传播。在裂隙充水的情况下，声能有5％可以通过，若充填物为其他液体或固体物质，则弹性波可部分或完全通过。弹性波跨越裂隙宽度的能力与弹性波的频率和振幅有关.1.频率越低，跨越裂隙宽度俞大，反之俞小 图3-7 2.裂隙数目越多，则纵波速度愈小 3.岩体的风化程度愈高弹性波的速度亦小 4.夹层厚度愈大弹性波纵波速度愈 三、岩体波速与岩体的有效孔隙率n及吸水率　　有关一些岩浆岩，沉积岩和变质岩的纵波速度与有效孔隙率n之间的关系见图3－9所示。从图中可以看出：1.随着有效孔隙率的增加，纵波波速则急剧下降 图3－10表示了纵波波速与吸水率之间的关系。从图中可以看出：2.随着吸水率的增加，纵波波速急剧的下降 四、岩体波速与各向异性性质有关岩体因成岩条件、结构面和地应力等原因而具有各向异性，因而弹性波在岩体中的传播、岩体动弹性模量等也具有各向异性。表3－6看出：1.平行层面纵波波速大于垂直层面波速平行层面波速/垂直岩层波速＝各向异性系数CC=1.08-2.28；多数：C=1.67相当一部分：c=1.10 表3－6 2.平行岩层面的动弹模大于垂直岩层的动弹模各向异性系数数值在1.01－2.72之间；绝大部分小于1.30 3.压力愈大，纵波波速各向异性系数愈小由表可见，所有系数均大于1；其最大系数在0.1MPa 五、岩体受压应力对弹性波传播的影响（一）室内测试的结果岩石在压应力作用下，对弹性波的波速和动弹性模量有一定的影响，受力状态可分静水压缩、三向压缩和单向压缩，量测方式可分为平行或垂直于最大应力。1.加载方式对声波波速的影响在单向压缩且垂直应力方向测试岩石的波速时，所测波速有较明显的影响；其它加载方法对所测波速的影响比较小，见图3－11，12 均匀压缩单向压缩环向压缩 2.压应力愈大波速愈大从图中可以看出，随着压力的增大，纵波的波速亦随之增大。纵波增加的波速，在开始阶段较快，然后逐渐变小，最后可能不增加。3.对于层面发育的沉积岩石，当垂直于层面加载时，在低应力阶段波速急速随应力增长而增加，当波速超过平行层面方向的波以后，增长变慢。如图3－13所示 4.当岩石单向压缩后，量测的波速因方向的不　同而不同与压应力相同方向上的纵波波速，在低应力阶段波速急速增长，达到一定程度后增速减缓 与压应力垂直方向上的纵波波速，随应力增长而减小（波传动方向上受拉应力） （二）现场量测的结果在某工程中，测定了巷道两帮的应力变化对声波波速的影响可以推断松动圈的范围。工程测点布置如图3－16 1.在巷道壁钻孔测试声波速度在松动区内，由于岩体破碎且是低应力区，因而波速较小；高应力区，岩体完整，波速达到最大；原岩应力区，波速正常。根据波速沿测孔深度的变化曲线，确定这三个区的范围。 2.测试结果　如图可见，3条测线总的趋势大约在1.5米处，波速最大，可推测松动圈范围在此处。　另外，曲线1在1.5米更深处波速更大，这可能是该处巷道纵横交错，应力较复杂之故。 3.当岩石种类不同，纵波波速不同。但基本规律相同，即在低应力区纵波波速增长很快，随着应力的增大，增长减慢，趋于常值。如图3－18所示返回 第四章岩体的基本力学性质4.1岩体结构面分析一、结构面：断层、节理、褶皱……统称岩体结构面影响完整性很好——连续介质力学方法非常破碎——土力学方法两者之间——裂隙体力学方法岩体不连续性，各向异性反映区域性地质构造降低岩体强度 图4－1节理岩体的强度特征与岩石强度的区别Ⅰ－岩石；Ⅱ－节理化岩体：Ⅲ－节理岩体强度=岩块强度+节理强度 二、结构面的分类按照工程的要求分类1．绝对分类2．相对分类——相对工程而言的分类见表4-1。3．按力学观点分类中等结构面≤1～10m巨大结构面≥10m细小结构面延长≤1m破坏面破坏带行两者之间充填非充填见表4－2 表4－1结构面的相对分类 图4－2按力学观点的破坏面和破坏带分类单节理节理组节理群羽毛状节理破碎带无充填有充填有粘性充填物 三、岩体破碎程度分类（一）裂隙度K设勘测线长度为，在上出现的节理的个数为n，则节理之间的平均间距为裂隙度切割度单组结构面多组结构面10m实例：k=4/10=0.4/md=1/k=2.5m1.单组节理 d>180cm整体结构d=30~180块状结构d<30破裂结构d<6.5极破裂结构K=0~1/m疏节理K=1~10/m密节理K=10~100/m很密节理K=100~1000/m糜棱节理2.多组节理按间距分类按裂隙度分类 图4－3两组节理的裂隙度计算图 （二）切割度节理并非在岩体内全部贯通，用“切割度”来描述节理贯通度，在岩体中取一平直断面，总截面积为A，其中被节理面切割的面积为a；则切割度为多处不连续切割叠加：实例 式中：－岩体体积内部被某组节理切割的程度，单位m2/m3.表4-2按切割度分类切割度与裂隙度的关系 （三）岩体破碎程度分类（表4-3） 四、结构面的几何特征1．走向例如：N30oE2．倾斜3．连续性4．粗糙度：节理表面粗糙程度5．起伏度倾向倾角沿走向沿倾角（切割度为依据）幅度a长度反映节理的外貌—几何要素 图4－5节理面的起伏度与粗糙度A↑和↓的节理表面起伏越急峻。返回 第二节结构面的变形特性一、节理的法向变形（一）节理弹性变形（齿状接触）式中:d-为块体的边长;n-为接触面的个数;-为每个接触面的面积;-为泊松比；E-为弹性模量。法向切向按弹性力学Boussinesq公式计算齿状节理接触面弹性变形引起的闭合变形 （二）节理的闭合变形齿状接触，开始是齿顶的压缩→压碎→闭合。下面介绍Goodman方法：①张开节理无抗拉强度②结构面在压应力下存在极限闭合量　　且＜e（节理的厚度）（1）基本假设（2）状态方程－原位应力A，t－回归参数 （3）状态方程的几何表示当t=tA=1时，有最大闭合 (4)试验方法（VmC的确定）步骤：（1）备制试件；（2）作σ-ε曲线（a）；（3）将试件切开，并配称接触再作曲线（b）；（4）非配称接触，作曲线（c）;（5）两种节理的可压缩性配称节理的压缩量：非配称节理的压缩量：a.无节理b.径向劈裂d.非配称接触c.配称接触 图4－7一条张开裂缝的压缩变形曲线 二、节理的切向变形（一）节理强度与剪切变形的关系节理“”曲线分为4类。见下图强度准则：抗剪强度节理变形扩容现象 图4－8四种典型的节理强度和位移关系曲线a-充填节理b-齿状节理c-充填齿状节理d-复位式 （二）节理抗剪强度和扩容分析基本理论：库仑准则类型：面接触、齿状接触1．面接触滚动摩擦转动摩擦 正好破坏时：①破坏面与的夹角=②剪应变③内摩擦角（当=常量，节理面最大主应力）极限：④静摩擦系数fs与静摩擦角令节理剪切破坏的剪应力和正应力为：对边/斜边对边/邻边 则⑤动摩擦系数fk与动摩擦角的关系2．齿接触摩擦①准则：总剪切方向：AB每个齿在爬坡，与AB成角上坡；齿面上的剪切力和正应压力为，。（1）规则（2）不规则见图4－12摩擦角与位移的关系静摩擦角动摩擦角 图4－12齿状剪切面模型 设斜坡上的摩擦角为则展开＝ 与平面接触比较可见，齿的作用提高了摩擦角，也就提高摩擦系数。　称为滑升角。当T的方向是下坡方向时，内摩擦角变成规则齿强度准则升角取“+”降角取“－” ②规则齿剪切扩容（剪胀）③残余内摩擦角设滑动前的内摩摩擦角为则滑动后的内摩摩擦角为—无齿时的残余内摩擦角－无齿（平面接触）时的内摩擦角 图4－13契效应的扩容曲线 （2）不规则齿接触（1977N·Barton）经验公式：JRC为节理粗糙系数JCS为节理壁抗压强度 3、转动摩擦（1）基本假设在张开节理中，经常有块状充填物，或节理切割成碎块。当剪切时，可使充填物或碎块发生转动。设转动的碎块为平行六面体，其模型见图。假设模型受法向力N；剪切力T。（2）稳定性分析　　　　　　　　　　　　　　设平行六面体宽为a、高为b。可得。当六面体受力后，其一边作轴转动，转角为　　。可能有3种情况： 当　　　　　时，则六面体发生翻倒，　　　故　　称为翻倒角。　　　　　　当　　　　　时，六面体不会翻倒；　当　　　　　时，六面体处于极限状态。（3）应变分析（参见图）一旦转动，平行六面体受到剪应变和线应变。剪应变：线应变：六面体（　　　）作圆弧转动的方程为：由此解出： 应变：（5）内摩擦角的变化（见图4.16）六面体转动时其倾斜角为:破坏时倾角等于内摩擦角：（4）节理面的位移图中底部的位移：　　　　　　　　　　　　　　顶部的位移： 在初始状态下，　　　　　　内摩擦角最大，等于翻倒角：当　　　　　时　　　扩容最大，当开始转动破坏时，碎块间的内摩擦角为 4、滚动摩擦当碎块的翻倒角　减少时，其内摩擦角也将减小。当碎块剖面为n个边的规则多角形时，其翻倒角为：当碎块的边数不断增加，则碎块趋向圆球，。其抗翻倒阻力就是它的滚动摩力，其摩擦系数为钢圆柱滚动其摩擦系数为返回 4.3结构面的力学效应一、单节理和多节理的力学效应（一）单节理的力学效应设结构面的强度条件设节理的方向角为节面上的应力(图4.19） 图4－19结构面的力学效应 所以，强度准则：令则①当（节理的存在不影响岩体的强度）②当可见③对求一阶导数，并含其为零得此时节理面对岩体的强度削弱最大，岩体有最小强度 ④岩体的最大强度，节理面的存在不　削弱岩块强度⑤图解法(见图4－19）⑥对岩体强度有影响的节理方位角：　　直接在图4－19量取，也可以由正弦　定律推出： 对岩体强度有影响的节理方位角： 几点讨论岩石节理同时破坏，岩体强度等于岩块强度岩块先破坏，岩体强度等于岩块强度或节理先破坏，岩体强度小于岩块强度或 （二）多节理的力学效应（叠加）两组以上的节理同样处理，不过岩体总是沿一组最有利破坏的节理首先破坏。图4－21两组节理力学模型图4－20σ1与β的关系曲线 二、当C=0时节理面的力学效应这时库仑准则由（4-51）式推导得：，此时岩体的强度只靠碎块之间的摩擦力来提供，已知　　由此式可计算出维持岩体极限稳定的侧向挤压力　　　。岩体所需的最小支护力返回 第四节碎块岩体的破坏被结构面切割的岩体，视为岩块的集合体。变形明显变大，且是永久变形。裂隙岩体的破坏类型可分三种：沿节理破坏（常见）岩体实体部分破坏（少数）岩块与节理面同时破坏（较常见）一、沿节理面产生破坏1、破坏类型（分三类） 齿状剪切破坏斜面，个别块体发生转动剪切破坏带，一列内转动的块体有2块扭结破坏带，岩块砌叠列排列，扭结在一起而整转动，一列内转动的块体大于2块 2、L-A方程（Ladanyi和Archambault）（1）设（2）由平衡条件及功能原理，得峰值抗剪强度①节理破坏面为规则齿状（图4-24）②外力作用下，齿面产生相对水平位移和垂直位移增量（扩容）③齿受力后，若荷载过大，部分齿剪坏（4-61）--剪断齿端的面积与剪切面积之比；--峰值抗剪强度时的扩容比；--岩块的抗剪强度；--节理面的内摩擦角。 锯齿状剪坏面模型扩容与应力的关系齿根剪断部分齿根全部剪断，扩容为0扩容扩容最大 （3）退化讨论①当as=0(被剪断的面积为零)，适用于低正应力状态，为滑升角②当as=1和V’=0(齿根全部剪断，扩容为0)，抗剪强度为--岩石残余内摩擦角。--节理面抗剪强度；适用于高正应力--推动力，等于岩石的单向抗压强度 佩顿双线性强度准则 节理峰值抗剪强度线节理峰值抗剪强度岩石包络线 （4）峰值抗剪强度的经验参数当σ<σT（齿没有全部剪切时），Adany建议：（4-64）(4-65)(4-66)n—岩石的抗压强度与抗拉强度之比 (4－67)在剪切破坏带或扭坏带内，即当每转动岩块的块数　　＝2－5时，则从试验得到Adany公式中的参数：破坏类型剪坏面剪坏带纽坏带0231.5456 二、岩块－节理破坏、岩块剪切破坏面mn，图4.27岩块－节理模型的剪切破坏求：块体沿mn和Ml发生破坏所需要的最小推力及该类岩体的扩容条件。 ①设岩块抗剪强度，②设mn方向位移1单位，则水平位移：垂直位移：合剪力：合正应力：水平推力：H内、外力作功相等：代入以上结果，并得mnHa1u位移方向单元受力图1.块体沿mn发生破坏所需要的最小推力H 式中：　　　－节理的摩擦系数因为块体朝需要推力最小的方向位移，3.该类岩体的扩容条件2.块体沿ml发生破坏所需要的最小推力H返回 第五节岩体的应力—应变分析一、岩体的曲线岩石和岩体的σ－ε曲线对比示意图1.岩石和岩体应力－应变曲线差别岩石岩体 2.岩体变形曲线类型弹性线性岩体内部破裂或结构面局部剪切破坏。双线性弹—塑性变形非线性出现2个破坏点多线性 二、岩体变形模量确定方法1.由应力-应变曲线确定2.岩块与节理面变形叠加求模量3.“等价”模型确定4.现场实测方法1.由应力-应变曲线确定变形模量弹性模量 2.岩块变形与节理面变形叠加求模量依据：岩体的位移=岩块的位移+节理的位移岩块的位移：节理的位移：岩体的位移：(a)岩体有效变形模量:(b) (a)式=(b)式：由于故：注：实际工程中，E由室内岩块试验确定d为节理的间距，可由地质测绘确定;可由现场岩体变形试验求出。故可由此式来求出nh 4.现场实测方法（4.6讲）3.“等价”模型求模量设岩体内存在单独一组有规律的节理，可用“等价”连续介质模型来代替这个不连续岩体等价原理：保证模型和原型中的总应力和位移相等；但原型和模型中的变形不同“等价”模型变形=岩块变形+节理法向变形既：岩体的变形模量节理的法向刚度系数E岩块弹性模量返回 第六节岩体力学性能的现场测试由于室内的岩样存在体积小、脱离岩体的地质力学性能的全貌等缺点，因而不能充分反映岩体的力学性能。而岩体的野外现场测试就较为全面的反映岩体力学性能的全貌，这是室内试验所不及的。本节我们讨论岩体的变形性能和强度特性的现场试验。一、岩体的变形试验岩体的变形试验有静力法和动力法两种。 静力法是指岩体现场变形试验时以静力荷载进行加载。动力法是指施加于岩体上的荷载为动力荷载。动力法的现场测定在第三章已介绍，这里介绍静力法求现场岩体的变形模量。常用的静力法有千斤顶法荷载试验（或称平板荷载法）、径向荷载试验（如双筒法）和水压法。通常求算岩体的弹性模量及变形模量用千斤顶法，求岩石的弹性抗力系数采用双筒法。 1.定义：用千斤顶加荷于垫板上，使荷载传到岩体中，也称千斤顶法。2.设备装置的主要组成（图4－32)：（1）垫板（承压板);一般为方形或圆形，面积为0.25-1.20mm2、材料弹性也可为刚性。（2）加荷装置（千斤顶或压力枕）;加荷为500kN-3000kN，加荷方法有小循环和大循环两种。小循环分为多次循环和单次循环,见图4-33。多次小循环加载比相同荷载下常规加载岩体产生的总变形大(蠕变现象)（3）传力装置（传力支柱、传力柱垫板）;（4）变形量测装置（测微计）;（一）千斤顶法荷载试验 顶、底板加载边墙加载 图4-33岩体现场变形试验加荷过程示意图3.测试岩体的变形可在垫板下面测定，也可在通过垫板中心的轴线上距垫板一定距离处量测单次小循环大循环多次小循环P-压力T-时间 4.算式(测出压力和位移，由下列公式计算岩体的变形模量E)把岩体看作一个弹性半无限空间，用布辛涅斯克方程求得岩体表面的垂直向位移。(1)垫板为柔性垫板(3种位移)a.岩体表面上垫板的中点处垂直位移（4-80）式中：p-荷载;r-垫板的半径;μ-岩体的泊松比;E——岩体的弹性模量 b.垫板的平均位移（4－81）式中，A-受荷表面的面积；m-系数它取决于垫板的形状、刚度以及荷载分布等情况，其m值可见表4－5 c.带孔柔性垫板(中心有孔的压力枕)中心点的垂直位移（4－83)注：在圆形板下不同荷载类型时，其相应的m值可见表4－6 （2）垫板为刚性垫板时（4－82）式中：a和b为垫板的边长（二）径向荷载试验（求抗力系数K和弹模E）要点：在岩体中开挖一个圆筒形洞室，然后在这个洞室的某一段长度上施加垂直于岩体表面的均匀压力。水施加压力的为水压法；用压力枕施加压的为压力枕法(又称奥地利荷载试验) 图4-35所示试验是靠一钢支承圆筒的四周的压力枕同步对岩体施加荷载，造成洞中一定长度内的岩体产生径向压缩，岩体变形控制在弹性阶段。变形模量可按弹性厚壁圆筒理论（图4－36）求得：式中--半径为岩体内的径向位移 AA-AA 推算弹性抗力系数K定义：洞室表面产生单位位移的应力利用弹性厚壁圆筒理论推出：注：K随洞的半径的大小而变化，一般，半径越大K值越小。K愈大岩体弹性抗力愈大，愈有利于衬砌的稳定。既 （三）狭缝压力枕荷载试验(2种)方法1要点：将岩体切割成槽，把压力枕埋于槽内，并用水泥砂浆浇注，使压力枕的两个面皆能很好地与槽的两侧岩面接触（图4-37）。变形模量为式中：p-压力枕给岩面的总荷载；A-圆形加载面的半径；Vs-岩面的平均位移 方法2要点：在垂直岩壁上刻槽布置，图4－38。则岩体的变形模量E可按布辛涅斯克的弹性理论求得。当实测位移已知时，变形模量为：式中：p-压力枕施加的单位压力（MPa）—直槽宽度（近似用压力枕的宽度代替）(cm)y-x轴到测点的距离(cm）—-测点的位移（cm） 1.要点：可按施加的推力与剪切面之间的夹角的大小而采用不同的加荷方法。双千斤顶试验中，一组试验不少于五块试件。二、现场岩体直剪试验(2种)（一）双千斤顶法 p—垂直千斤顶压力表读数（MPa）t—横向千斤顶压力表读数（MPa）F1—垂直千斤顶活塞面积(若为压力枕，应乘以出力系数)（cm2）2.在不同p力作用下剪切面上的正应力和剪应力F2-横向千斤顶活塞面积(若为压力枕，应乘以出力系数)（cm2）F-试件剪切面面积（cm2）α—横向推力与剪切面的夹角（通常取150)式中： 注1当剪切面上存在裂隙、节理等滑面时，抗剪面积将分为剪断破坏和滑动破坏两部分，而把剪断破坏当作有效抗剪面积Fa，滑动破坏时的滑动面积为Fb。3.绘制应力与位移特性曲线和剪应力与正应力强度曲线有效抗剪面积正压力仍由全部面积承担总面积： （二）单千斤顶法1、要点：单千斤顶法是现场无法施加垂直应力的情况下采用的。在山坡上或平洞内的预定剪切面上挖成各种主应力方向与固定剪切面成不同倾角的试件（通常剪切面倾角为150-350）注2施加于试件剪切面上的压力应该包括千斤顶施加的荷重、设备和试件的重量。注3在计算剪应力时，应扣除由于垂直压力而产生的滚轴滚动摩擦力。注4如果剪切面为倾斜面时，上述破坏面上的正、剪应力的计算公式还应根据倾角的大小进行修正。 2.破坏面上的正、剪应力计算(如图4－42)而故3.绘制岩体正-剪应力强度曲线 三、现场三轴强度试验在一个随机性节理的岩体中，破坏面位置的预定是有困难的，用三轴试验可以量测岩体的抗剪强度和破坏面的位置及形态，这时，破坏面会沿最弱的面破坏。1.试件矩形块体，在试洞底板或洞壁的试验位置上，经过仔细凿刻和整平而成的，此矩形试件三边脱离原地岩体，而仅一边与岩体相连。目前，试件的大小可达2.80m×1.40m×2.80m,试件的基底与岩体相连的面积为2.80m×1.40m.（图4－43） 2.加载与测试试件准备好后，把压力枕埋置在刻槽内，以便施加σ2和σ3，而σ1是通过垂直千斤顶或压力枕施加的。在试验中量测和记录试件的位移。3.绘制岩体试验应力圆包络线、强度曲线和岩体特征曲线 从而测定应力－位移关系曲线。确定应力的比例极限、屈服极限和破坏极限。关于不同应力状态下，现场三轴试验成果的计算分述如下：1.三轴应力在状态下应力满足：上式中，L,M,N分别是某平面的法向方向余弦。令L,M,N＝0，则在τ－σ平面坐标内表示为三个应力圆（图4－44）。 2.三轴应力在状态下应力满足：(图4－45)上式在τ－σ平面坐标内表示为一个应力圆。3.三轴应力在状态下应力满足：返回 第四章习题选择题1、岩体的强度小于岩石的强度主要是由于（）。（A）岩体中含有大量的不连续面（B）岩体中含有水（C）岩体为非均质材料（D）岩石的弹性模量比岩体的大2、岩体的尺寸效应是指（）。（A）岩体的力学参数与试件的尺寸没有什么关系（B）岩体的力学参数随试件的增大而增大的现象（C）岩体的力学参数随试件的增大而减少的现象（D）岩体的强度比岩石的小 3、影响岩体质量的主要因素为（）。（A）岩石类型、埋深（B）岩石类型、含水量、温度（C）岩体的完整性和岩石的强度（D）岩体的完整性、岩石强度、裂隙密度、埋深4、我国工程岩体分级标准中岩石的坚硬程序确定是按照（）。（A）岩石的饱和单轴抗压强度（B）岩石的抗拉强度（C）岩石的变形模量（D）岩石的粘结力 5、下列形态的结构体中，哪一种具有较好的稳定性？（）（A）锥形（B）菱形（C）楔形（D）方形6、沉积岩中的沉积间断面属于哪一种类型的结构面？（）（A）原生结构面　　（B）构造结构面（C）次生结构面7、岩体的变形和破坏主要发生在（）（A）劈理面（B）解理面（C）结构（D）晶面 8、同一形式的结构体，其稳定性由大到小排列次序正确的是（）（A）柱状>板状>块状（B）块状>板状>柱状（C）块状>柱状>板状（D）板状>块状>柱状9、不同形式的结构体对岩体稳定性的影响程度由大到小的排列次序为（）（A）聚合型结构体>方形结构体>菱形结构体>锥形结构体（B）锥形结构体>菱形结构体>方形结构体>聚合型结构体 （C）聚合型结构体>菱形结构体>文形结构体>锥形结构体（D）聚合型结构体>方形结构体>锥形结构体>菱形结构体10、岩体结构体是指由不同产状的结构面组合围限起来，将岩体分割成相对的完整坚硬的单无块体，其结构类型的划分取决于（）（A）结构面的性质　（B）结构体型式（C）岩石建造的组合（D）三者都应考虑 1、A2、C3、C4、A5、D6、A7、C8、B9、A10、D参考答案返回 第五章工程岩体分类第一节分类的目的与原则岩体复杂、理论不完善、靠经验。从定性和定量两个方面来评价岩体的工程性质，根据工程类型及使用目的对岩体进行分类，这也是岩体力学中最基本的研究课题。1、分类的目的（1）为岩石工程建设的勘察、设计、施工和编制定额提供必要的基本依据。（2）便于施工方法的总结,交流,推广。（3）为便于行业内技术改革和管理。 2、分类原则（1）有明确的类级和适用对象。（2）有定量的指标。（3）类级一般分五级为宜。（4）分类方法简单明了、数字便于记忆和应用。（5）根据适用对象，选择考虑因素。趋势：“综合特征值”分类法 3、分类的独立因素在分类中起主导和控制作用的有如下几方面因素：（1）岩石材料的质量（强度指标）。（2）岩体的完整性，结构面产状、密度、声波等。（3）水汶状态（软化、冲蚀、弱化）（4）地应力（5）其它因素（自稳时间、位移率）其中：岩性是最重要因素返回 第二节几种典型分类1、按岩石的单轴抗压强度RC分类用岩块单轴抗压强度进行分类，简单、早期，因此在工程上采用了较长的时间(普氏系数)。（一）岩石单轴抗压强度分类(表5-1) 由于岩石点荷载试验可在现场测定，数量多而简便，所以用点荷载强度指标分类得到重视。由伦敦地质学会与Franklin等人提出，见图5-1（二）以点荷载强度指标分类 2、按巷道岩石稳定性分类（一）斯梯尼(Stini)分类根据巷道围岩的稳定性进行分类，如表5-2所示。 根据岩石抗压强度、工程地质条件和开挖时岩体稳定破坏现象，分四类，并有相应的施工措施，见表5-3（二）前苏联巴库地铁分类 3、按岩体完整性分类（一）按岩石质量指标RQD分类（RockQualityDesignation）RQD是选用坚固完整的、其长度大于等于10mm的岩芯总长度与钻孔长度的比，百分数表示为：工程实践说明，RQD是一种比岩芯采取率更好的指标。 例某钻孔的长度为250cm，其中岩芯采取总长度为200cm,而大于10cm的岩芯总长度为157cm(图5-2)，则岩芯采取率：200/250=80%RQD=157/250=63% 用RQD值来描述岩石的质量--分级(表5-4) （二）以弹性波（纵波）速度分类依据：弹性波变化能反映岩体结构特性和完整性。中科院地质所根据他们对岩体结构的分类，列出了弹性波在各类岩体中传播特性，如表5-5。 日本池田和彦于1969年提出了日本铁路隧道围岩强度分类。首先将岩质分六类，在根据弹性波在岩体中的速度，将围岩强度分为七类。（表5-6） 4、按岩体综合指标分类 （二）岩体的岩土力学分类由毕昂斯基(Bieniaski1974)提出“综合特征值”-RMR值分类090KV+30,代RC＝90KV+30②当KV>0.04RC+0.4,代KV＝0.04RC+0.4b.按计算所得的Q值分级见表5-18（分为5级） （3）结合工程情况，计算岩体基本质量指标修正值[BQ]，并按表5-18的指标值确定本工程的工程岩体级别。[BQ]＝BQ－100(K1+K2+K3)K1,K2,K3值，可分别按表5-19、5-20、5-21确定。无表中所列情况时，修正系数取零。[BQ]出现负值时，应按特殊问题处理。 2.工程岩体分级标准的应用(2条)（1）岩体物理力学参数的选用 工程岩体基本级别一旦确定以后，可按表5-2选用岩体的物理力学参数以及按表5-23选用岩体结构面抗剪断峰值强度参数。 （2）地下工程岩体自稳能力的确定利用标准中附录所列的地下工程自稳能力（表5-24），可以对跨度等于或小于20m的地下工程作自稳性初步评价，当实际自稳能力与表中相应级别的自稳能力不相符时，应对岩体级别作相应调整 返回 例：某地下工程岩体的勘探后得到如下资料：单轴饱和抗压强度强度；岩石较坚硬，但岩体较破碎，岩石的弹性纵波速度、岩体的弹性纵波速度；工作面潮湿，有的地方出现点滴出水状态；有一组结构面，其走向与巷道轴线夹角大约为25度、倾角为33度；没有发现极高应力现象。按我国工程岩体分级标准（GB50218－94）该岩体基本质量级别和考虑工程基本情况后的级别分别确定为（　）。（A）Ⅲ级和Ⅲ级　　（B）Ⅲ级和Ⅳ级　　（C）Ⅳ级和Ⅳ级　　（D）Ⅳ级和Ⅳ级解：（1）计算岩体的基本质量指标其中： 检验限制条件：所以仍取为32.5所以仍取为0.66得：（2）查表5-18（岩体基本质量分级表）该岩体基本质量级别确定为Ⅲ级。 （3）计算岩体的基本质量指标修正值其中：　为地下水影响修正系数，由表5-19查得＝0.1；为主要软弱结构面产状影响修正系数，由表5-20查得＝0.5；为初始应力状态影响修正系数，由表5-21查得＝0.5。所以：（4）查表5-18（岩体基本质量分级表）该岩体质量级别最终确定为Ⅳ级。所以，本题答案选（B）。返回 第六章岩体的初始应力状态第一节初始应力的概念与意义意义（1）工程稳定性分析的原始参数。（2）确定开挖方案与支护设计的必要参数。初始应力：天然状态下岩体内的应力，又称地应力、原岩应力。因素：自重地质构造地形地貌地震力水压力地热。返回 第二节初始应力的组成与计算1、岩体自重应力场垂直应力：—平均密度，KN/m3侧压力：H—总深度（m）—侧压力系数的取值有4种可能图6-1岩体自重垂直应力 （1）岩体假定处于弹性状态由推出得：岩体由多层不同性质岩层组成时(图6-2)第j层应力：原始垂直应力和水平应力： 图6-2自重垂直应力分布 （2）Heim假设（塑性状态）当原始应力超过一定的极限，岩体就会处于潜塑状态或塑性状态。（相当于）（3）岩体为理想松散介质（风化带、断层带）由极限平衡理得 （4）当松散介质有一定粘聚力时注：当说明无侧压力侧压力为：无侧压力深度 2、岩体构造应力（判断、测试，不能计算）当构造应力存在时。3、影响岩体初应力状态的其它因素（1）地形-自重的减小或增大图6－7地形对初应力的影响 （2）地质条件对初应力的影响。图6-8背斜褶曲对地应力的影响图6-9断层对地应力的影响 （3）水压力、热应力孔隙水压力、流动水压力(影响小，可不计)、静水压力（悬浮作用）热膨冷缩在岩体中产生热应力。地温升高会使岩体内地应力增加，一般地温梯度：岩体的体膨胀系数：，岩体弹模E=104MPa；地温梯度引起的温度应力约为：z--深度/m。温度应力是同深度的垂直应力的1/9，并呈静水压力状态。返回 第三节岩体初始应力状态的现场量测方法一、岩体应力现场量测方法概述1.目的：（1）了解岩体中存在的应力大小和方向（2）为分析岩体的工程受力状态以及为支护及岩体加固提供依据（3）预报岩体失稳破坏以及预报岩爆的有力工具 2.方法分类(表6-1) 二、水压致裂法（一）方法原理及技术要点：通过液压泵向钻孔内拟定量测深度加液压将孔壁压裂，测定压裂过程中的各特征点压力及开裂方位，然后根据测得的压裂过程中泵压表的读数，计算测点附近岩体中地应力大小和方向。压裂点上下用止水封隔器密封，其结构如图6-10所示。水压致裂过程中泵压变化及其特征压力示于图6-11。 P0PbPsPs0P0Pb0Ps图6-11压裂过程泵压变化及特征压力图6-10止水、压裂工作原理PbPsPsPs0Pb0P0 各特征压力的物理意义①P0-岩体内孔隙水压力或地下水压力②Pb-注入钻孔内液压将孔壁压裂的初始压裂压力③Ps-液体进入岩体内连续的将岩体劈裂的液压，称为稳定开裂压力④Ps0-关泵后压力表上保持的压力，称为关闭压力。如围岩渗透性大，该压力将逐渐衰减⑤Pb0-停泵后重新开泵将裂缝压开的压力，称为开启压力 （二）基本理论和计算公式当孔壁出现垂直裂缝时，设孔周边两个水平地应力分别为和，孔壁还受有水压Pb.如图6-12。图6-12孔壁开裂力学模型a 钻孔周围岩体内应力(Kirsch.G-基尔斯解) 在孔壁上r=a，有：当时有最大拉应力：按最大拉应力理论，有(6-15)(6-16)将(6-15)代入(6-16)得孔壁开裂应力条件(6-18)即孔壁开裂在与垂直,的面上式中：T0-岩体的抗强度 若岩体中有孔隙水压力Pw，（6-18）式变成：(6-19)由图6-11知水泵重新加压使裂缝重新开裂的压力Pb0，则上式变成：(6-20)19和20两式对比得：Pb–Pb0=T0(6-21)在关闭压力Pb0点上，孔壁已经开裂，则T0=0,稳定开裂压力由P0下降到Ps0。此时，ps0等于与裂缝垂直的应力，即： 求得主应力及岩体抗拉强度（三）根据水压致裂法试验结果计算地应力（1）一般来讲作为地主应力之一。我们可以将与作比较，若，则可以肯定此时为最小主应力；进一步将与作比较，也就可以以此确定地应力的三个主应力。 因为开裂点方位或开裂裂缝方向可以确定的方位或的方向，所以三个地主应力的方位也就可以相应确定。（2）如果，并且孔壁开裂后孔内岩体出现水平裂缝，则此时为最小地应力，与各为中间主应力及最大地主应力，垂直开裂方向即为最大地应力方向。（四）水压致裂法的特点设备简单操作方便测值直观适应性强受到重视和推广缺陷：主应力方向不准 三、应力解除法1.基本原理：当需要测定岩体中某点的应力状态时，人为的将该处岩体单元和周围的岩体分离，此时，岩体单元上所受的拉力将被解除。同时，该单元体的几何尺寸也将产生弹性恢复。应用一定的仪器，测定弹性恢复的应变值或变形值，并且认为岩体时连续、均质和各向同性的弹性体，于是就可以借助弹性理论的解答计算岩体单元所受的应力状态。切断联系解除应力应变恢复测试应变计算应力流程要点 2.应力解除法分类按测试深度表面应力解除浅孔应力解除深孔应力解除按测试应变或变形孔径变形测试孔壁应变测试孔底应力解除法孔壁应力解除法测1个平面3个方向上的应变1平面3方向上的径位移3平面9个方向应变 原理要点向岩体中的测点先钻进一个平底钻孔，在孔底中心处粘贴应变传感器；套孔钻出岩芯，使孔底平面完全卸载，应变传感器测得孔底平面中心恢复应变；在室内测得岩石的弹性常数；计算孔底中心处的平面应力状态。由于孔底应力解除法只需要钻进一段不长的岩芯，所以对较破碎的岩体也能应用。（1）岩体孔底应力解除法在孔底平面粘贴3应变片应变花一个平面有3个独立的应力分量 工作步骤应变观测系统 （2）套孔应力解除法原理要点对岩体中某点进行应力量测时，先向该点钻进一定深度的超前小孔，在此小孔中埋设钻孔传感器，再通过钻取一段同心的管状岩芯而使应力解除，根据恢复应变及岩石的弹性常数，即可求得该点的应力状态。孔径变形测试，孔壁应力解除法，均属于套孔应力解除法。前者测试套孔应力解除后的孔径变化；后者测试套孔应力解除后的孔壁应变。其操作步骤和原理基本相同 表面应力解除法直角应变花等边三角形应变花应力解除槽 钻孔的深度必须超过开挖影响区，才能测到岩体内的原始应力，否则测出的是二次应力。 工作步骤套孔应力解除工作步骤 套孔应力解除使用的传感器孔径变形测试采用位移传感器；孔壁应力解除采用应变传感器。， 孔径变形测试传感器布置 孔壁应力解除法传感器布置 计算公式应力解除法，由测试数据换算成应力，根据测试参数的不同可以分为两类：(1)由应变换算成应力；(2)径向位移换算成应力。换算的基本理论和方法都在弹性力学中学过，这仅以(2)为例。由孔径变形测试换算初始应力，在大多数试验场合下，往往进行简化计算例如假定钻孔方向和一致，并认为，则（6-24） 式中：-钻孔直径变化值-钻孔直径-量测方向和水平轴的夹角-岩石弹性模量与泊松比在实际计算中，由于考虑到应力解除是逐步向深处进行的，实际上不是平面变形而是平面应力，则有式中：分别为在0度，45度和90度三个方向上同时测定的孔径变化。 空间原始应力测试测试空间原始应力，孔壁应变法只须1钻孔，孔底应变法和孔径变形法需要3个钻孔 四、应力恢复法应力恢复法是用来直接测定岩体应力大小的一种测试方法，目前此法仅用于岩体表层，应力。当己知某岩体中的主应力方向时，采用本法比较方便。如图6-18，当洞室某侧墙上的表层围岩应力的主应力方向各为垂直于水平方向时，就可用到应力恢复法测得的大小。 图6-18应力恢复法原理图 基本原理：在侧墙上沿测点o，先沿水平方向开一个解除槽，则在槽的上下附近，围岩应力得到部分解除，应力状态重新分布。在槽的中心线OA上的应力状态，根据H.N.穆斯海里什维里理论，把槽看作一条缝，得到：（6－27）式中—OA线上某点B上的应力分量—B点离槽中心O的距离的倒数。 当在槽中埋设压力枕，并由压力枕对槽加压，若施加压力为p，则在OA线上B点产生的应力分量为（6－28） 当压力枕所施加的力时，这时B点的总应力分量为可见当压力枕所施加的力时，则岩体中的应力状态已完全恢复，所求的应力即由P值而得知，这就是应力恢复法的基本原理。 实验过程1.在选定的试验点上，沿解除槽的中垂线上安装好量测元件（见图6-19） 2.记录量测元件—应变计的读数。3.开凿解除凿，岩体产生变形并记录应变计上的读数。4.在开挖好的解除凿中埋设压力枕，并用水泥砂浆充填空隙。5.待充填水泥浆达到一定强度后，即将压力枕联接油泵，通过压力枕对岩体施压。随着压力枕所施加的力p的增加，岩体变形逐渐恢复。逐点记录压力p与恢复变形的关系。6.假设岩体为理想弹性体，则当应变计回复到初始读数时，此时压力枕对岩体所施加的压力p即为所求岩体的主应力。 如图6-20所示，ODE为压力枕加荷曲线，压力枕不仅加压到初始读数（D点），即恢复了弹性变形，而且继续加压到E点，得到全应变：由应力-应变曲线求岩体应力图6-20 由压力枕逐步卸载，得卸荷曲线EF,并得知，这样就可以求得产生全应变所相应的弹性应变与残余塑性应变之值。为了求得产生所相应的全应变量，可以作一条水平线KN与压力枕的OE和EF线相交，并使MN=,则此时KM就为残余塑性应变，相应的全应变量由就可知在OE线上求得C点，并求得与C点对应的p值，即所求的值。返回 第四节岩体初始应力状态分布的主要规律一、垂直应力随深度的变化规律实测垂直应力随深度的变化垂直应力随深度线性增加。平均密度约为27KN/m3 二、水平应力随深度的变化平均水平应力随深度而增加 三、水平应力与垂直应力的比值K在接近地表及浅层地层中，水平应力大于垂直应力。但随深度增加就会出现K=1的状况。 四、两水平应力之间的比例返回 第五节高地应力地区的主要岩石力学问题一、研究高地应力问题的必要性研究高地应力本事就是岩石力学的基本任务。岩体的本构关系、破坏准则以及岩体中应力传播规律都要受到地应力大小的变化而变化。随着采矿深度的增加、我国中西部的开发，尤其是水电工程建设，在高地应力地区出现特殊的地压现象，给岩体工程稳定问题提出了新课题。 二、高地应力判别准则和高地应力现象（一）高地应力判别准则（1）目前国际国内无统一的标准。（2）国内一般岩体工程以初始地应力在20-30MPa为高地应力(大于800米深)。（3）由于不同岩石，弹性模量不同，岩石的储能性能也不同。按《工程岩体分级标准》（GB50218-94）：称为极高初始地应力，为高地应力。其中：为岩石单轴饱和抗压强度；双为垂直洞轴线方向地最大初始地应力。 （二）高地应力现象（1）岩芯饼化现象。（2）岩爆。（3）探硐和地下隧道洞地洞壁产生剥离，岩体锤击为嘶哑声并有较大变形（4）岩质基坑底部隆起、剥离以及回弹错动现象.如图（6-26）图6-25二滩引水隧洞岩爆发生部位示意图 图6-26基坑边坡回弹错动 （5）野外原位测试测得的岩体物理力学指标比实验室岩块试验结果高。图6-27高地应力条件下岩体变形曲线 三、研究高地应力应注意的问题（一）关于岩体的浅塑状态可以通过莫尔强度包络线来判断岩石（体）发生何种破坏及形式。若应力圆位于莫尔包络线（图6-28曲线2）以内，岩体处于图6-28用应力圆和莫尔包络线判断岩体是否破坏或进入塑性状态 弹性状态并不发生破坏；若二者相交或是相切，则岩体出现塑性状态或断裂状态。当，应力状态所构成的应力圆只是横坐标轴上的一点，在这种应力状态下，岩体单于永远呈稳定状态，不会破坏。应力重分布：一旦岩体被开挖，开挖面附近的岩体单元由于一部分受力的岩体被挖去而产生不平衡力，岩体中的应力要重新调整，称为应力重分布。 我们把初始应力状态下岩体单元处于稳定（弹性）状态而一旦开挖就会处于塑性（破坏）状态的岩体，称为岩体浅塑状态。（二）处理高地应力的岩石力学原则（1）及早发现，及早作出对应措施和准备工作。（2）及早降低应力，释放能量。具体做法是：在开挖面上及时打超前密集小孔；或从开挖面内向内钻孔和在一定深度内放炮，在一定范围内形成破碎带，降低洞周的应力。 （3）及早采取临时性和永久性防护措施，使岩爆与施工人员一定程度隔离开来。在设计支护结构时，宜设计柔性支护。（4）工程中设计一定的应力降低措施：切割应力释放槽，尽量避免引起应力集中的开挖形态，避免不必要的小型叉洞和形状突变的洞形。返回 第六章习题选择题1、初始地应力主要包括（）。（A）自重应力（B）构造应力（C）自重应力和构造应力（D）残余应力2、初始地应力是指（）。（A）未受开挖影响的原始地应力（B）未支护时的围岩应力（C）开挖后岩体中的应力（D）支护完成后围岩中的应力 3、构造应力的作用方向为（）。A、铅垂方向B、近水平方向C、断层的走向方向D、倾斜方向4、下列关于岩石初始应力的描述中，哪个是正确的？（）。（A）垂直应力一定大于水平应力（B）构造应力以水平应力为主（C）自重应力以压应力为主（D）自重应力和构造应力分布范围基本一致 5、如果不时行测量而想估计岩体的初始应力状态，则一般假设侧压力系数为下列哪一个值比较好？（）（A）0.5（B）1.0（C）<1（D）>16、测定岩体的初始应力时，最普遍采用的方法是（）（A）应力恢复（B）应力解除法（C）弹性波法（D）模拟试验答案 1.某工点岩体主要是白云质灰岩，实验室测得岩块单轴抗压强度，纵波波速，现场测得纵波波速为。求现场岩体的单轴抗压强度　。2.由某工程采集的岩样进行常规三轴抗压试验，结果如下表围压P(MPa)13579强度(MPa)7.5116.3125.5033.1542.26 已测得岩体强度折减系数，求岩体单轴抗压强度和围压为3.15Mpa时的抗压强度和抗剪强度。3.现场测得岩体纵波波速，岩体密度。室内测得岩块试件纵波。求这种岩体的静力弹性模量.4.某工程用孔径变形法测岩体地应力，3个直径方向的测点U1U2U3互成。其中U1和水平方向x的夹角为。已测得 按平面应力作，.求测点处与孔轴线垂直的平面内的应力、、。 参考答案1、C2、A3、B4、B5、B6、B返回 第七章岩体力学在洞室工程中的应用第一节岩体二次应力状态的基本概念围岩：由于人工开挖使岩体的应力状态发生了变化，应力状态被改变了的岩体叫围岩。二次应力状态：开挖后，无支护时，调整后的应力状态（原始应力，又称一次应力状态）。求二次应力状态时，要给出的基本条件：①原始应力②本构关系③岩体性质参数 二次应力状态主要特征状态①二次应力为弹性分布（岩体坚硬，原岩应力小，不要支护）。②二次应力为弹塑分布围岩分两部：弹性区、塑性区结构面的处理方法大结构面单独处理；小密集结构面用包容方法处理。 地下工程稳定稳定定义：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。稳定条件：地下工程岩体或支护体中危险点的应力和位移；岩体或支护材料的强度极限和位移极限。 地下工程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人工稳定：需要支护才能保持围岩稳定 稳定性问题的力学本质自稳不自稳围岩内危险点的应力和位移计算围岩压力支护中危险点的应力或位移大于支护极限小于支护极限人工稳定改革支护 深埋地下工程地下工程自身影响达不到地表的，称为深埋。反之浅埋（2）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（3~5R0）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）；深埋地下工程的特点为：（1）可视为无限体中的孔洞问题，孔洞各方向无穷远处，仍为原岩应力； （3）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。解析方法数值方法试验方法地下工程稳定性分析途径本章主要内容弹性弹-塑性松散围岩应力、支护上的压力 深埋地下工程力学模型返回 第二节深埋圆形洞室二次应力状态的弹性分布一、侧压力系数（1）计算模型 （2）应力和位移（7－9）平面应力时 （7－10）平面应变时 圆形洞室二次应力分布 （3）洞室的径向位移（平面应变时）轴对称、切向位移：V=0径向位移：开挖前，岩体产生的位移（ra=0）由上式得：（7—12）由于开挖引起的位移 （4）洞周的应变开挖前，岩体已完成应变开挖引起的应变：可见，说明时，岩体的体积不发生变化的特点。ra=0代入（7-10）式得： （5）洞壁的稳定性评弹塑破碎弹塑破稳定条件围岩可能出现的情况塑破碎洞室周边，处于单向应力状态，最容易破坏。周边最大切应力： 二、时，二次应力状态(1)计算模型I轴对称II反对称 （2）应力—位移分析III加二次应力埸等于(7-15) (7-16)有工程应用价值的位移是由于开挖引起的位移，可用类似方法求出： （3）洞室周边应力洞室周边，处于单向应力状态，最容易破坏。代入(7-15)得洞室周边应力：可见洞室周边只有切向应力：式中：K-围岩内的总应力集中系数Kz、Kx-分别为垂直和水平应力集中系数洞室周边应力集中系数与侧压力系数有关见图(7-5) （3）洞室周边位移将r=ra代入式(7-16)，得由于开挖引起的洞室周边位移：影响洞壁位移的因素很多，有岩体性质、初始应力、开挖半径、位移与径向夹角等。径向位移比切向位移稍大些，因此，径向位移，对围岩稳定性起主导作用。径向位移便于测量与控制! 三、深埋椭圆洞室的二次应力状态图7-6椭圆洞室单向受力计算简图(1)计算模型 (2)洞壁应力计算公式②可能出现拉应力的（0，b）（0，-b），顶底板中点，即(3)洞壁应力分布特点①最大压应力点（a，0）（-a，0）两帮中点，即 若a1，DCEA滑动体张裂缝CE的理论深度： ①基本假设1.滑动面和张性断裂面与边坡面走向平行。2.张性断裂是竖直向的，并注满水,水深为Zw。3.水沿张性断裂的底部进入滑面，并沿滑面渗透4.各个力都通过滑动面的形心起作用5.滑面的抗剪强度由粘结力和内摩擦角确定，符合库仑方程6.计算厚度为单位厚度，岩片两侧有释放面2、张性断裂边坡单面滑动 WU-水压力在滑动面上产生的浮力V-张性断裂面上的水压力 ②稳定性系数式中：（8-9） 3、滑体沿两个平面剪切刚性滑移体abc主滑面辅助面总外力 极限平衡分析：总合外力R分解为X、Y方向；并与两个滑移面上的正压力N和剪切力S构成平衡条件。其中：K-稳定系数K<1岩坡处于不稳定状态K>1岩坡处于稳定状态K=1岩坡处于极限状态 以上极限平衡分析得到两个方程，其中含有3个未知数、无法求解，再找一个方程。在极限状态下，ab面脱离母体，则N1=0。由前方程求得：由此得：式中：(8-20) 注1：由式(8-20)求得的K值为上限值。注2：如果计算K值为负，则表示不可能失稳。注3：此分析适合于主滑面较长、辅助面较短的情况。如果辅助面较平坦、较长、则计算K值偏大。（三）、楔体稳定的力学分析两组及两组以上的结构面切割成一个的楔形滑体。如图四面体ABCD沿F1、F2两面滑位 双面滑移体稳定系数其中：N1、N2分别为作用于F1、F2上的法向压力。由正弦定律得：N1N2 四面滑位体体的自重：主、辅滑动面的面积：-两滑移面的法线与F1滑面法线的夹角-两滑移面的法线与F2滑面法线的夹角 五、转动滑动的力学稳定分析 此类一般在土坡中遇见，但在风化岩、页岩或节理切割破碎的岩坡中也有发生。1、滑面：弧形面、圆弧状面或对数螺成面2、假设：①破坏面是圆柱面②作为平面问题来分析③岩层抗剪力符合库仑理论④破坏面上每点发挥最大抗剪力⑤岩石分条上铅垂侧水平力不计⑥边坡简化为如图8-12应力状态 3、K值计算Ni，Ti---岩条单元滑动面上的正应力和剪应力4、存在裂隙水压力时计算K值公式中的Ni，Ti变成其中：--岩条单元重量引起的剪应力和渗透力之和。--岩条单元滑动面长度和静水压力。--滑移面的总弧长 六、岩块流动的力学分析高应力下的脆性破坏，通过应力分析和强度条件判定期稳定状态。发生脆性破坏的条件：七、边坡岩层曲折分析要点当边坡坡面有顺向的岩层分布，而且岩层厚度不大时，如果沿着岩层有垂直节理切割，也就是使岩层成为长细柱体结构沿着坡面分布，在沿坡面倾向的重力分量作用下，导致岩层弯曲破坏。 图8-14边坡曲折的力学分析 用压杆失稳判断的欧拉公式，可近似确定岩层曲折的荷载：如果将岩层简化为在坡顶处为铰接，在坡趾处为固接的力学模型(图8-14.b)。则由欧拉公式得：注：如果岩层的倾角大于边坡的倾角，则折曲破坏不会这样发生 挡墙措施：①排水②减荷③加固桩基锚杆注浆岩坡失稳两方面因素下滑力增加抗滑力降低八、岩坡加固措施返回 第八章习题选择题1、某岩性边坡破坏形式，已知滑面AB上的C=20kPa，岩体，当滑面上楔体滑动时，滑动体后部张裂缝CE的深度为（）。（A）2.77m（B）3.42m（C）2.56m（D）3.13m解：单一滑动面楔体滑动时，后部张裂缝深度的理论公式为： 代入得：故，正确答案为（A）2、一岩质边坡坡角，重度，岩层为顺坡，倾角与坡角相同，厚度t=0.63m，弹性模量E=350MPa，内摩擦角，则根据欧拉定理计算此岩坡的极限高度为（）（A）42m（B）53m（C）77m（D）93m 解：根据欧拉定理，边坡顺向岩层不发生曲折破坏的极限长度计算式为取得：代入上述数值得：L=93m为极限长度则，岩坡极限高度：故，标准答案为（B） 3、下列关于均匀岩质边坡应力分布的描述中，哪一个是错误的（）。（A）斜坡在形成中发生了应力重分布现象（B）斜坡在形成中发生了应力集中现象（C）斜坡形成中，最小主应力迹线偏转，表现为平行于临空面（D）斜坡形成中，临空面附近岩体近乎处于单向应力状态解：岩质边坡形成过程中，由于应力重新分布，主应力发生偏转，接近岩坡处，大主应力表现为近于平行于临空面同时 坡角处发生应力集中现象，临空面近乎处于单向应力状态。故，应选择答案（C）4、均匀的岩质边坡中，应力分布的特征为（）。（A）应力均匀分布（B）应力向临空面附近集中（C）应力向坡顶面集中（D）应力分布无明显规律5、岩质边坡的圆弧滑动破坏，一般发生在（）。 （A）不均匀岩体（B）薄层脆性岩体（C）厚层泥质岩体（D）多层异性岩体6、岩坡发生在岩石崩塌破坏的坡度，一般认为是（）。（A）>45°时（B）>60°时（C）>75°时（D）90°时7、用格里菲斯理论评定岩坡中岩石的脆性破坏时，若靠近坡面作用于岩层的力为P，岩石单轴抗拉强度为Rt，则下列哪种情况下发生脆性破坏？（）（A）P>3Rt（B）P>8Rt（C）P>16Rt（D）P>24Rt 8、单一平面滑动破坏的岩坡，滑动体后部可能出现的张裂缝的深度为（岩石重度，滑面粘聚力C，内摩擦角）（）。（A）（B）（C）（D）9、岩质边坡发生曲折破坏时，一般是在下列哪种情况下？（）（A）岩层倾角大于坡面倾角（B）岩层倾角小于坡面倾角（C）岩层倾角与坡面倾角相同（D）岩层是直立岩层 10、产生岩块流动现象的原因目前认为是（）。（A）剪切破坏（B）弯曲破坏（C）塑性破坏（D）脆性破坏11、使用抗滑桩加固岩质边坡时，一边可以设置在（）。（A）滑动体前缘（B）滑动体中部（C）滑动体后部（D）任何部位12、岩质边坡因卸荷回障变形所产生的差异回弹剪裂面的方向一般是（）。（A）平行岩坡方向（B）垂直岩坡方向（C）水平方向（D）垂直方向 13、岩质边坡因卸荷回弹所产生的压致拉裂面的方向一般是（）。（A）平行岩坡方向（B）垂直岩坡方向（C）水平方向（D）垂直方向14、已知岩质边坡的各项指标下：，坡角60度，若滑面为单一平面，且与水平面呈45度角，滑面上，当滑动体处于极限平衡时的边坡极限高度为：()（A）8.41m（B）10.34m（C）6.72m（D）9.73m 15、岩质边坡发生岩块翻转破坏的最主要的影响因素是（）。（A）裂隙水压力（B）边坡坡度（C）岩体性质（D）节理间距比16、岩质边坡的友坏类型从形态上来看可分为（）。（A）岩崩和岩滑（B）平面滑动和圆弧滑动（C）圆弧滑动和倾倒破坏（D）倾倒破坏和楔形滑动17、平面滑动时滑动面的倾角与坡面倾角的关系是（）。（A）（B）（C）（D） 18、平面滑动时滑动面的倾角与滑动面的摩擦角的关系为（）。（A）（B）（C）（D）19、岩石边坡的稳定性主要取决于（）。①边坡高度和边度角；②岩石强度；③岩石类型；④软弱结构面的产状及性质；⑤地下水位的高低和边坡的渗水性能。（A）①，④（B）②，③（C）①，②，④，⑤（D）①，④，⑤ 问答题1、岩石边坡有那几种破坏类型，各有何特征？2、按经验不利于岩石边坡稳定的条件有那些？3、岩石边坡稳定性分析方法有那些？极限平衡法的原理是什么？ 计算题1、在图中,坡高滑面AC上的粘结力，内摩擦角岩体容重，求此边坡的稳定系数。 2、已探明某岩石边坡的滑面为AB,坡顶裂缝BC深，裂缝内水深，坡高，坡角，滑坡倾角，岩石容重，滑面粘接力，球摩檫角，问此边坡稳定性系数3、某一滑坡下卧稳定基岩，断面如图所示。滑块各块重量分别为。外荷载分别作用在第一块﹑第二块上， 其作用线通过相应块的重心。滑面角。滑面上内摩檫角均为，粘聚力c为。滑块长度。试计算滑坡推力并判断其稳定性（安全系数K取）能否达到1.5. 参考答案1、A2、B3、C4、B5、C6、B7、D8、A9、C10、D11、A12、C13、A14、B15、D16、A17、C18、A19、C返回 第九章岩体力学在岩基工程中的应用第一节岩基中的应力分布图9-1集中力作用下的岩基1.半无限体垂直边界上作用一集中力的弹性理论解(布辛涅斯克，1886) （9－1） 式中P—垂直于边界岩OZ轴作用的力z—从半无限体界面算起的深度x—所研究点到OZ轴的距离r—所研究点到原点O的距离—在深度z处被角所确定的点的水平径向应力—在深度z处被角所确定的点的水平垂直应力—在垂直平面和水平面上的剪应力—最大主应力（在矢径方向）—中间主应力（在水平平面上）—最小主应力（在通过矢径的垂直面上） 2.线荷载作用下岩基内的应力 3.半无限体的表面承受着面荷载岩体内一点的应力可用圆形均布荷载作用下的基岩中产生的应力为例来讨论。在圆形均布荷载P作用下，岩基表面以下M点深度z处的垂直压力（图9－3）可用 布辛涅斯克的解经过积分求得。这时，作用在微面积上的集中力为则按（9-1）得（9－3）式中a圆形荷载面的半径 4.纽马克图当时，；当时，。由此可见，在均布压力p得表面荷载作用下，附加应力是承载面积宽度与所求应力处深度之比得函数。纽马克（Newmark）根据半无限应力分布公式作出了一个曲线图解（图9－4），以求不同深度时的附加应力，此图解是根据下式绘制的。 (1).Newmark曲线制作原理由(9-3)得：这意味着，当荷载分布面积的半径a为1.92z和1.38z时，垂直深度z处的附加应力为取z=1(单位)，当在a=1.92和a=1.38(单位)为半径的圆环内分布的荷载p时，则在z=1(单位)的圆心处垂直附加应力为将该圆环按等圆心角分为20份，则每弧块内的分布力p在z=1处引起的附加应力为 同理可以作出Newmark图的其它圆弧块，见图9-4。由此图可求出在深度z处的附加应力：＝0.005P.N(9-5)式中：N为实际承载面积所覆盖的弧块数目。(2).应用例：某建筑物地面上的均布荷载为1500Mpa，求图9-4中A点垂深15米处的附加应力。解：1.取z=15米，并令图9-4中的“比例尺”ab=15m,以此缩比绘出基础平面于透明纸上；2.将透明基础平面图覆盖在Newmark图上，并将所需求压力点A对准O点；3.计算基础平面覆盖Newmark图弧块的块数N，本题N=31.5。4.由式(9-5)算出z=15m，A点的附加应力 图9－4纽马克曲线图解返回ab垂直深度z的缩比A覆盖o点 第二节岩基上基础的沉降岩基上基础的沉降主要是由于岩基内岩层承载后出现的变形引起的。对于一般的中小工程来说，沉降变形较小。但是，对于重型结构或巨大结构来说，则产生较大变形。岩基的变形有两方面的影响：（2）因岩基变形各点不一，造成了结构上各点间的相对位移。计算沉降的基本公式（1）在绝对位移或下沉量直接使基础沉降，改变了原设计水准的要求； 计算基础的沉降可用弹性理论解法。对于几何形状、材料性质和荷载分布都是不均匀的基础，则用有限元法分析其沉降量是比较准确的。按弹性理论求解各种基础的沉降，仍采用布辛涅斯克的解来求。当半无限体表面上被作用有一垂直的集中力P时，则在半无限体表面处(z=0)的沉降量s为（9－6）式中：r为计算点至集中荷载P处之间的距离 半无限体表面上有分布荷载作用，则可用积分求出表面上任一点M(x,y)处的沉降量s(x,y):（9－7） 一、圆形基础的沉降1.圆形基础为柔性如果其上作用有均布荷载P和在基底接触面上没有任何摩擦力，则基底反力也将是均布分布的，并等于P，这时（9-8）(9-9)总荷载引起M点处表面的沉降量： 圆形基础底面中心(R=0)的沉降量s0：(9-10)圆形基础底面边缘(R=a)的沉降量sa：(9-11)可见，圆形柔性基础当其承受均布荷载时，其中心沉降量为其边缘沉降量的1.57倍。 2、圆形刚性基础当作用有荷载P时，基底的沉降将是一个常量，但基底接触压力不是常量。这时可用式（9-13）解得：（9－14）式中，R为计算点至基础中心之距离（9－15） 图9－7圆形刚性基础 上式说明，在基础边缘上的接触压力为无限大。当然，这种无限大的压力实际上并不存在，因为基础结构并非完全刚性，而且纯粹的弹性理论也不见得适用于岩基的实际情况。因而，在基础边缘的岩层处，岩层会产生塑性屈服，使边缘处的压力重新分布。圆形刚性基础的沉降量s0：（9－16） 1、矩形刚性基础当其承受中心荷载P时，基础底面上的各点皆有相同的沉降量，但是沿着基底的应力是不等的.设p为均布分布的外荷载当基础的底面宽度为b；长度为a时，沉降量s为：Kconst为用于计算绝对刚性基础承受中心荷载时沉降值的系数，Kconst=f(a/b),见表9－1。二、矩形基础的沉降 受荷面形状长宽比a/bK0KcKmKconst圆形－1.00.640.580.79正方形1.01.120.560.950.88矩形1.52.03.04.05.06.07.08.09.010.01.361.531.781.962.102.232.332.422.492.530.680.740.890.981.051.121.171.211.251.271.151.301.531.701.831.962.042.122.192.251.081.221.441.611.72－－－－2.72表9-1各种基础的沉降系数K值表 2、刚性方形基础沉降量(边长为a)（9－19）3、刚性条形基础沉降量(宽度为a)（9－20）4、柔性矩形基础的基底中心沉降量当其承受中心均布荷载p时,基础底面上各点的沉降量皆不相同，当沿着基底的压力是相等的。当基础的底面宽度为b,长度为a时，基底中心的沉降量可按下式求得： （9－21）式中，（9－22）K0值列于表9-1中。5、柔性矩形基础的基底角点沉降量(均布荷载下)（9－23）式中的Kc值列于表9－1中。 6、正方形柔性基础中心沉降量(均布荷载)（9－24）7、正方形柔性基础角点处的沉降量(均布荷载)（9－25）(a为边长)可见，方形柔性基础底面中心的沉降量s0为边角点沉降量的两倍。 8、柔性矩形基础平均沉降量(承受中心载荷)（9－26）式中：Km为基础平均沉降系数，见表9－1。返回 第三节岩基的承载能力岩基的承载能力与岩基的系列破坏模式相关，变形又与岩性、结构面的产状与分布相关。一、岩基破坏模式6、直面滑动5、剪切节理、弱软岩体（滑移体）4、冲切多孔隙岩体3、劈裂应力大2、压碎应力较大1、开裂较均质岩体、坚硬、应力水平较小 开裂压碎劈裂冲切剪切较均质、坚硬岩体应力水平较小应力水平较大应力水平大多孔隙岩体节理、弱软岩体 实验法极限平衡计算方法二、岩基允许承载力的确定基本方法（一）基脚压碎岩体的承载力极限平衡方法(Goodman)见图9-12式中：Rc-岩体无侧限抗压强度；qf-岩基承载力。 A-压碎区B-非压碎区非压碎区B岩体强度曲线压碎区A岩体强度曲线无侧限岩体抗压强度Rc岩基承载力qf （二）基脚剪切岩体的承载力基脚下岩体出现楔形滑体，滑移面为平直面、弧面、近似看成平直面，作极限平衡分析（1）基本值设①破坏面由两个互相直交的平面组成；②荷载qf的作用范围很长，可为平面应变；③承载平面，即qf作用面上，剪力不存在；④对每个楔体，采用平均体积力。（2）受力图图9-13 （4）求承载力qfx楔体 y楔体－Y楔体体积力（A） 由y楔体的几何关系得：将此式和（9-31）式的代入(A)式得(9-32)注1：式(9-32)的最后一项和前两相比很小，可以忽略。承载力： 注2：当在承载压面附近的表面上还有一个附加压力q时，则在x楔上的变成：所以，岩基的极限承载力为：(9-33)式(9-33)又可写成：(9-34) 注3：若考虑破坏表面的弯曲，x与y块体之间界上承受剪应力，则上式的承载力将会提高。式中：称为承载能力系数，均是的函数，即：（9-35）注5：对圆形截面注4：当时，式(9-35)算出的系数较接近精确解。返回 第四节岩基的抗滑稳定当基岩受到有水平方向荷载作用后，由于岩体中存在节理以及软弱夹层，因而增加了基岩的滑动的可能。许多实践证明，对于大多数岩体并承受倾斜荷载的地基来说，地基的破坏往往由于岩基中存在软弱夹层，使地基中一部分的岩体沿着软弱夹层产生水平剪切滑动。目前评价岩体抗滑稳定，一般仍采用稳定系数分析法。 例：图9-14所示大坝的基础下存在软弱夹层及一条大断层。当水库充水后，坝基承受倾斜荷载，产生了坝基沿AC滑移，或三角形ABC部分的岩体向下游滑移的可能。 一、基坝接触面或浅层的抗滑稳定（以稳定系数为评价指标）（一）不考虑基坝与岩面间的粘结力稳定系数为式中：-垂直作用力之和，包括坝基水压；-水平力之和；-摩擦系数。（二）考虑基坝与岩面间的粘结力稳定系数为 式中：-接触面上的粘结力或混凝土与岩石面间的粘结力；A-底面积。上述是一粗略分析，以致KS选用较大值。美国垦务局推荐，在坝工上采用的稳定系数为4，以作为最高水位、最大扬压力与地震力的设计条件。二、岩基深层的抗滑稳定（一）单斜滑移面倾向下游（图9－15（a））稳定系数为 式中：U－坝底扬压力；C－粘结力。当U、C为零时，（二）单斜滑移面倾向上游（图9－15（b））稳定系数为：（三）双滑移面（图9－15（c））稳定系数为： 式中：R－抗力。根据受力图9-15（d）（e）按力的平衡原理求得：－为AB及BC滑移面上的摩擦系数。－岩石的内摩擦角 返回 第五节加固措施三条要求：1、地基岩体有一定的弹性模量和足够的的抗压强度。尽是减少建筑物建造后的绝对沉降量2、建筑物的基础与地基之间要保证结合紧密，有足够的抗剪强度。3、对坝基则要求有足够的抗渗能力。四条措施：换土、注浆、锚固、防渗、防漏。返回 第九章习题1、岩基稳定性分析一般采用下面哪一种理论？（）（A）弹性理论（B）塑性理论（C）弹塑性理论（D）弹塑粘性理论2、对于脆性岩基，若已知岩石单轴抗压强度为RC则岩基的极限承载力qf为（）。（A）3RC（B）9RC（C）12RC（D）24RC 3、岩基表层存在断层破碎带时，采用下列何种加固措施比较好？（）（A）灌浆加固（B）锚杆加固（C）水泥砂浆覆盖（D）开挖回填4、若基础为方形柔性基础，在荷载作用下，财基弹性变形量在基础中心处的值约为边角处的（）。（A）0.5倍（B）相同（C）1.5倍（D）2.0倍5、计算岩基极限承载力的公式中，承载力系数主要取决于下列哪一个指标？（） （A）（B）C（C）（D）E6、岩基上作用的荷载如何由条形荷载变化成方形荷载，会对极限承载力计算公式中的承载力系数值产生什么影响？（）（A）显著变化（B）NC显著变化（C）Nq显著变化（D）三者均显著变化7、对于刚性基础下的低强度岩基，若发生岩基的脆性破坏一般从什么部位开始（）。（A）基础中心点下（B）基础边缘下 （C）基础边缘向内某一距离处（D）基础边缘向外某一距离处8、多形荷载下均质岩基的破坏面形式一般假定为（）。（A）单一平面（B）双直交平面（C）圆弧曲面（D）螺旋曲面9、计算圆形刚性基础下的岩基沉降，沉降系数一般取为（）。（A）0.79（B）0.88（C）1.08（D）2.7210、采用纽马克图解法计算矩形基础下方 某点的应力时，须令下列哪一个尺寸的数值等于图上“水平距离比例尺”之线长，然后依此比例绘图。（）（A）基础宽度（B）基础长度（C）计算点到基底深度（D）计长点到基底中心点水平距离11、在工程上计算同倾向双滑面型岩坡湍动时，一般采用哪种方法？（）（A）等KC值法（B）水平投影法（C）传递系数法（D）极限平衡法 12、在验算岩基抗滑稳定性时，下列哪一种滑移面不在假定范围之内（）。（A）圆弧滑面（B）水平滑面（C）单斜滑面（D）双斜滑面13、无论矩形柔性基础，还是圆形柔性基础，当受竖向均布荷载时，其中心沉降量比其它部位的沉降量（）。（A）大（B）相等（C）小（D）小于或等于14、从一论上确定岩基极限承载力时需要哪些条件？（）。 ①平衡条件②屈服条件③岩体的本构方程④几何方程（A）①（B）③，④（C）①，②（D）①，④15、确定岩基承载力的基本原则是（）。①岩基具有足够的强度，在荷载作用下，不会发生破坏；②岩基只要求能够保证岩基的稳定即可；③岩基不能产生过大的变形而影响上部建筑物的安全与正常使用； ④岩基内不能有任何裂隙。（A）③（B）①，②（C）②，③（D）①，③16、某岩基上条形刚性基础，基础上作用有F=1000kN/m的荷载，基础埋深1m，宽0.5m，则该基础沉降量为（）。（岩基变形模量E=400MPa，泊松比）。（A）4.2mm（B）5.1mm（C）6.0mm（D）6.6mm解：（1）求基底压力P（取1m长度分析） （2）代入条形基础沉降计算公式，沉降系数k取2.72。故：选（D）17、某岩基岩各项指标如下：若荷载为条形荷载，宽度1m，则该岩基极限承载力理论值为（）。 （A）1550kPa（B）1675kPa（C）1725kPa（D）1775kPa解：（1）计算承载力系数（2）极限承载力故，应选（B） 18、若岩基表层存在裂隙，为了加固岩基并提高岩基承载力，应使用哪一种加固措施？（）（A）开挖回填（B）钢筋混凝土板铺盖（C）固结灌浆（D）锚杆加固解：上述几种方法均可用于岩基加固，一般对表层破碎带可采用常见的挖填法，或用锚杆增加结构强度，对于表层裂隙，固结灌浆方法对提高岩基承载力效果明显。故，选（C） 问答题1、岩体地基基础类型有那几种，地基破坏模式有那些？2、确定岩石地基承载力应考虑哪些因素？ 参考答案1、A2、A3、D4、D5、C6、B7、D8、B9、A10、C11、C12A13、A14、C15、D16、D17、B18、C返回 第十章岩体力学数值计算方法及新进展简介一、岩体力学的发展与工程地质学等地质学科发展紧密相关今天随着科学技术的迅速发展，世界上在矿产资源勘探，能源开发，工程建设的环境与安全等方面的需要，对岩体力学提出了更多更高的要求。大型，特大型的岩体工程修建，都使岩体力学面临着前所谓遇的难题。这些问题的解决，一方面要依靠岩体力学的理论与方法的进一步完善，另一方面，也要求地质学科，尤 其是工程地质方面的学科的理论与方法进一步完善。特别是勘探手段与技术方法的发展紧密相关。因此要发展岩体力学着门学科，应密切注视工程地质学科方面的发展，它们是相辅相成密不可分的。二、固体力学成就在岩体力学中的应用（一）断裂力学在岩体力学中的应用目前，岩石断裂力学的应用前景主要如下：1.岩石的断裂预测与控制断裂;2.岩石裂纹的形成与扩展. （二）损伤力学在岩体力学中的应用将损伤力学的基本方法和过程应用于岩石力学即岩石损伤力学。岩石损伤力学认为：岩体内存在有连续分布性的初始缺陷和密集的微观裂纹，但在宏观上仍可视为连续介质看待。对于遍布节理，裂隙岩体或呈多组节理分布的裂隙岩体更切合实际。三、岩石力学试验与测试方法的进展（一）在室内模拟试验方面，离心模拟试验由于具有其他模拟试验方法所不具备的优点而受到注视。（二）声波层析技术在岩体力学方面的应用受到注视。 声波层析技术在岩体测试中的应用 四、数值分析在岩体力学中的应用和发展（一）数值分析方法的分类在岩石力学有关领域的数值分析方法应用中，主要使用的方法为有限元法，边界单元，离散单元法，拉格朗日单元法及块体理论等（二）有限元法原理及其应用要点原理：通过变分原理（或加权余量法）和分区插值的离散化处理把基本支配方程转化为线性代数方程，把待解域内的连续函数转化为求解有限个离散点（节点）处的场函数值。 应用要点：１.正确划分计算范围与边界条件2.正确输入岩体参数及初始地应力场3.采用特殊单元来考虑岩体的非连续性和边界效应（三）岩石力学问题的其他数值分析方法1.边界单元法有限元法是对问题的微分近似表达式给出了精确解，它实质上属于微分法。 与微分法相对应的是积分法，积分法所涉及的边界可包围整个问题域，而数值分析的离散化仅在边界上近似。下图表示了在外部问题模拟时微分法与积分法之间的区别。 2.离散单元法离散单元法完全强调岩体的非连续性。它认为，岩体中的各离散单元，在初始应力作用下各块体保持平衡。岩体被表面或内部开挖以后，一部分岩体就存在不平衡力，离散单元法对计算域内的每个块体所受的四周作用力及自重进行不平衡计算，并采用牛顿运动定律确定该岩块内不平衡力引起的速度和位移。反复逐个岩块进行类似计算，最终确定岩体在已知荷载作用下是否将破坏或计算出最终稳定体系的累计位移。 离散单元法算例：研究地下煤层开挖引起冒落和岩层移动，研究冒落带深度与节理间距的关系。 3.块体理论块体理论就是针对个性各异的岩体中具有结构面这一共性，根据集合论柘朴学原理，运用矢量分析和全空间赤平投影图形方法，构造出可能有的一切块体类型，进而将这些块体和开挖面的关系分成可移动块体和不可移动块体，对几何可移动块体在按力学条件分为稳定块体、潜在关键块体、关键块体。此外，在计算方法上，还有半解析法、加权残余法以及松弛法中的经松弛法以及上述方法的耦合应用。 例子 五、位移反分析法在岩体力学中的应用1.位移反分析法：在岩体工程施工开挖过程中，通过测量位移、应变或应力，来确定岩体的初始地应力或岩体力学参数。2.应用反问题法不仅是参数估计，它的进一步推广应用是工程预测和险情预报、反馈动态设计、调整施工方案以及可靠度评价等六、新的数学计算方法和软科学在岩石力学中的应用 1.分形几何及其在岩石力学中的应用分形几何是近十年来发展起来的研究非线性现象和图形不规律性的理论和方法，它在处理岩石断裂形貌、岩石破碎、岩体结构、岩石颗粒特征等过去认为难以解决的复杂问题，得到了一系列准确的解释和定量结果。下面图表是分形几何在岩体结构的分维中的应用。 2.统计岩石力学3.系统分析、控制论等软科学在岩石力学与工程中的应用4.人工智能与专家系统在岩石力学中的应用返回主目录