岩体力学(国家精品课程word)

岩体力学(国家精品课程word) 当前位置:课程学习/第一章 绪论/学习指导 学习指导 内容简介:岩体力学是力学的一个分支学科，是研究岩体在各种力场作用下变形与破坏规律的理论及其实际应用的科学，是一门应用型基础学科。它的研究对象是各类岩体。本章主要介绍岩体力学的定义、学科分支、研究意义、研究内容、研究 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 、岩体力学的发展历史和发展趋势。 视频导学: 学习要点:掌握岩体力学的概念、研究对象、研究内容、研究方法等内容;了解岩体力学的研究意义;了解岩体力学的形成发展历史，了解岩体力学的发展趋势。 基本概念:岩体力学、工程岩体力学 学习内容: , 第一章 绪论 学习进度: , 2学时 参考书籍: , 重庆建筑工程学院、同济大学，1981，岩体力学。北京:中国建筑工业出版社。 , 谷德振著，1979，岩体工程地质力学基础。北京:科学出版社。 , 郭志著，1996，实用岩体力学。北京:地震出版社。 , 湖南水利水电勘测设计院，1983，边坡工程地质。北京:水利电力出版社。 , 华安增，1980，矿山岩石力学基础。北京:煤炭工业出版社。 , 李铁汉、潘别桐，1980，岩体力学。北京:地质出版社。 当前位置:课程学习/第一章 绪 论/第一章 绪 论 第一章 绪 论 一、岩体力学的定义与分支学科 1、定义 岩体力学(Rockmass Mechanics)是力学的一个分支学科，是研究岩体在各种力场作用下变形与破坏规律的理论及其实际应用的科学，是一门应用型基础学科。 国际上往往把岩体力学称为岩石力学(Rock Mechanics) 2、学科分支 广义地讲，《岩体力学》包括如下分支: l (1)工程岩体力学——为各类建筑工程及采矿工程等服务的岩体力学，重点是研 究工程活动引起的岩体重分布应力以及在这种应力场作用下工程岩体(如边坡岩体、地 基岩体和地下洞室围岩等)的变形和稳定性。通常所讲的《岩体力学》就是指的《工程 岩体力学》。 l (2)构造岩体力学——为构造地质学、找矿及地震预报等服务的岩体力学，重点 是探索地壳深部岩体的变形与断裂机理，为此需研究高温高压下岩石的变形与破坏规律 以及与时间效应有关的流变特征。 l (3)破碎岩石力学——为掘进、钻井及爆破工程服务的岩体力学，主要是研究岩石 的切割和破碎理论以及岩体动力学特性。 3、研究意义 在岩体表面或其内部进行任何工程活动，都必须符合安全、经济和正常运营的原则。以露天采矿边坡坡角选择为例，坡角选择过陡，会使边坡不稳定，无法正常采矿作业，坡角选择过缓，又会加大其剥采量，增加其采矿成本。然而，要使岩体工程既安全稳定又经济合理，必须通过准确地预测工程岩体的变形与稳定性、正确的工程设计和良好的施工质量等来保证。其中，准确地预测岩体在各种应力场作用下的变形与稳定性，进而从岩体力学观点出发，选择相对优良的工程场址，防止重大事故，为合理的工程设计提供岩体力学依据，是工程岩体力学研究的根本目的和任务。 岩体力学的发展是和人类工程实践分不开的。起初，由于岩体工程数量少，规模也小，人们多凭经验来解决工程中遇到的岩体力学问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。因此，岩体力学的形成和发展要比土力学晚得多。随着生产力水平及工程建筑事业的迅速发展，提出了大量的岩体力学问题。诸如高坝坝基岩体及拱坝拱座岩体的变形和稳定性;大型露天采坑边坡、库岸边坡及船闸、溢洪道等边坡的稳定性;地下洞室围岩变形及地表塌陷;高层建筑、重型厂房和核电站等地基岩体的变形和稳定性; 以及岩体性质的改善与加固技术等等。对这些问题能否做出正确的分析和评价，将会对工程建设和生产的安全性与经济性产生显著的影响，甚至带来严重的后果。 在人类工程活动的历史中，由于岩体变形和失稳酿成事故的例子是很多的。实例:1、2、3、4、5、6 二、研究内容与研究方法二、研究内容与研究方法 1、研究内容 (1)岩块、岩体地质特征的研究 岩块与岩体的许多性质，都是在其形成的地质历史过程中形成的。因此，岩块与岩体地质特征的研究是岩体力学分析的基础。主要包括: 1)岩石的物质组成和结构特征; 2)结构面特征及其对岩体力学性质的影响; 3)岩体结构及其力学特征; 4)岩体工程分类。 (2)岩石的物理、水理与热学性质的研究 (3)岩块的基本力学性质的研究 为了全面了解岩体的力学性质，或者在岩体力学性质接近于岩块力学性质的条件下，可通过岩块力学性质的研究，减少或替代原位岩体力学试验研究。内容包括: 1)岩块在各种力作用下的变形和强度特征以及力学参数的室内实验技术; 2)荷载条件、时间等对岩块变形和强度的影响; 3)岩块的变形破坏机理及其破坏判据。 (4)结构面力学性质的研究 结构面力学性质是岩体力学最重要的研究内容。内容包括: 1)结构面在法向压应力及剪应力作用下的变形特征及其参数确定; 2)结构面剪切强度特征及其测试技术与方法。 (5)岩体力学性质的研究 岩体力学性质是岩体力学最基本的研究内容。内容包括: 1)岩体的变形与强度特征及其原位测试技术与方法; 2)岩体力学参数的弱化处理与经验估算; 3)荷载条件、时间等因素对岩体变形与强度的影响; 4)岩体中地下水的赋存、运移规律及岩体的水力学特征。 (6)岩体中天然应力分布规律及其量测的理论与方法的研究 (7)边坡岩体、地基岩体及地下洞室围岩等工程岩体的稳定性研究 这是岩体力学实际应用方面的研究，内容包括: 1)各类工程岩体中重分布应力的大小与分布特征; 2)各类工程岩体在重分布应力作用下的变形破坏特征; 3)各类工程岩体的稳定性分析与评价等。 (8)岩体性质的改善与加固技术的研究，包括岩体性质、结构的改善与加固，地质环境(地下水、地应力等)的改良等。 (9)各种新技术、新方法与新理论在岩体力学中的应用研究 (10)工程岩体的模型、模拟试验及原位监测技术的研究 模型模拟试验包括数值模型模拟、物理模型模拟和离心模型模拟试验等，这是解决岩体力学理论和实际问题的一种重要手段。而原位监测既可以检验岩体变形与稳定性分析成果的正确与否，同时也可及时地发现问题。 2、研究方法 • (1)工程地质研究法 研究岩块和岩体的地质与结构特征，为岩体力学的进一步研究 提供地质模型和地质资料。 • (2)试验法 为岩体变形和稳定性分析计算提供必要的物理力学参数。 • (3)数学力学分析法 通过建立岩体力学模型和利用适当的分析方法，预测岩体在各 种力场作用下的变形与稳定性，为设计和施工提供定量依据。 • (4)综合分析法 采用多种方法考虑各种因素(包括工程的、地质的及施工的等)进行 综合分析和综合评价，得出符合实际情况的正确结论。 v 三、岩体力学的形成与发展 三、岩体力学的形成与发展 1、形成历史 ? 1951年，在奥地利创建了地质力学研究组，并形成了独具一格的奥地利学派。 ? 同年，国际大坝会议设立了岩石力学分会。 ? 1956年，美国召开了第一次岩石力学讨论会。 ? 1957年，第一本《岩石力学》专著出版。 ? 1959年，法国马尔帕塞坝溃决，引起岩体力学工作者的关注和研究。 ? 1962年，成立国际岩石力学学会(ISRM)。 ? 1966年，第一届国际岩石力学大会在葡萄牙的里斯本召开。 2、发展前沿 • 岩体结构与结构面的仿真模拟、力学表述及其力学机理问题 • 裂隙化岩体的强度、破坏机理及破坏判据问题 • 岩体与工程结构的相互作用与稳定性评价问题 • 软岩的力学特性及其岩体力学问题 • 水-岩-应力耦合作用及岩体工程稳定性问题 • 高地应力岩体力学问题 • 岩体结构整体综合仿真反馈系统与优化技术 • 岩体动力学、水力学与热力学问题 • 岩体流变与长期强度问题 • 岩体工程计算机辅助设计与图像自动生成处理。 当前位置:课程学习/第一章 绪 论/练习与思考 本章小结 本章重点介绍了岩体力学的概念、研究对象、研究内容及研究方法，对岩体力学的形成与发展作 了一般说明。 练习与思考 1、岩体力学包括哪三种分类，各有何侧重, 2、岩体力学的研究对象是什么,你能举出几个岩体变形破坏的事例, 3、岩体力学的研究方法有哪些，有什么区别, 4、你对岩体力学的形成与发展有哪些了解, 当前位置:课程学习/第二章 岩体的地质特征/学习指导 学习指导 内容简介:岩体力学研究的对象是在各种地质作用下形成的天然岩体。岩体的物理力学性质在很大程度上受形成和改造岩体的各种地质作用过程所控制，往往表现出非均匀、非连续、各向异性和多相性的地质特征。因此，在岩体力学研究中，应将岩体地质特征的研究工作置于相当重要的地位。岩体由岩块和结构面组成。本章对岩块、结构面的基本地质特征进行研究，从而对岩体的地质特征进行分析，在此基础上对岩体进行工程分类。 视频导学: 学习要点:掌握岩体、岩块、结构面等重要概念;掌握岩块物质组成对力学性质的影响;掌握结构面地质特征与各几何形态参数;了解三大类岩体的地质特点;掌握工程岩体的分类方法。 基本概念:岩体、岩块、结构面、结构面间距、线密度、RQD、连续性系数、JRC 学习内容: , 第一节 几个基本概念 , 第二节 岩块的物质组成与结构特征 , 第三节 结构面特征 , 第四节 岩体的结构特征 , 第五节 岩体的工程分类 学习进度:总学时4学时，具体分配如下: , 第一节 0.5学时 , 第二节 0.5学时 , 第三节 1.0学时 , 第四节 1.0学时 , 第五节 1.0学时 参考书籍: , 重庆建筑工程学院、同济大学，1981，岩体力学。北京:中国建筑工业出版社。 , 谷德振著，1979，岩体工程地质力学基础。北京:科学出版社。 , 郭志著，1996，实用岩体力学。北京:地震出版社。 , 湖南水利水电勘测设计院，1983，边坡工程地质。北京:水利电力出版社。 , 华安增，1980，矿山岩石力学基础。北京:煤炭工业出版社。 , 李铁汉、潘别桐，1980，岩体力学。北京:地质出版社。 当前位置:课程学习/第二章 岩体的地质特征/第一节 几个基本概念 第一节 几个基本概念 , 岩石(Rock)矿物、岩屑的集合体。 n 结构面(Structural Plane) 指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延 伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面或带。 n 岩块(Rock block 或 Rock)指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单 元体。 n 岩体(Rockmass)是指地质历史过程中形成的，由岩块和结构面网络组成的，具有一定 的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。 观察下面的照片，熟悉以上概念。 当前位置:课程学习/第二章 岩体的地质特征/第二节 岩块的物质组成与结构特征 第二节 岩块的物质组成与结构特征 一、岩块的物质组成 岩石由具有一定结构构造的矿物(含结晶和非结晶的)集合体组成。新鲜岩块的力学性质主要取决于组成岩块的矿物成分及其相对含量。 一般来说，含硬度大的粒柱状矿物(如石英、长石、角闪石、辉石等)愈多时，岩块强度愈高;含硬度小的片状矿物(如云母、绿泥石、蒙脱石和高岭石等)愈多时，则岩块强度愈低。自然界中的造岩矿物有:含氧盐、氧化物及氢氧化物、卤化物、硫化物和自然元素五大类。其中以含氧盐中的硅酸盐、碳酸盐及氧化物类矿物最常见，构成了几乎99.9,的地壳岩石。而其他矿物的工程地质意义不大。 组成岩石的矿物包括硅酸盐类矿物、黏土矿物、碳酸盐类矿物和氧化物类矿物。 二、岩块的结构特征 岩块的结构:岩石内矿物颗粒的大小、形状、排列方式及微结构面发育情况与粒间连结方式等反映在岩块构成上的特征。 n 1、粒间连结 岩石的粒间连结分结晶连结与胶结连结 , 结晶连结:矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，它是通过共用原子或离子使不同 晶粒紧密接触。 , 胶结连结:矿物颗粒通过胶结物连结在一起。胶结连结的岩块强度取决于胶结物 成分及胶结类型。一般来说，硅质胶结的岩块强度最高;铁质、钙质胶结的次之; 泥质胶结的岩块强度最低，且抗水性差。 2、微结构面 削弱岩块的强度，导致各向异性 3、颗粒形状 强度: 粒状、柱状>片状>鳞状 4、颗粒大小 强度: 粗粒<细粒 三、岩块的风化 风化作用可以改变岩石的矿物组成和结构构造，进而改变岩块的物理力学性质。一般来说，随风化程度的加深，岩块的空隙率和变形随之增大，强度降低，渗透性加大。 衡量岩块的风化程度的指标: 1、定性指标 , 颜色 , 矿物蚀变程度 , 破碎程度 , 开挖锤击技术特征 2、定量指标 , 风化空隙率指标(Iw):快速浸水后风化岩块吸入水的质量与干燥岩块质量之比。 n 波速指标 • 纵波波速(,) cp • 波速比(k) v , 风化系数 硬质岩石按波速指标的风化分级表 《岩土工程勘察规范》(GB50021-2002) k ,(m/s) k 风化程度 fcpv 全风化 500~1000 0.2~0.4 - 强风化 1000~2000 0.4~0.6 <0.4 中等风化 2000~4000 0.6~0.8 0.4~0.8 微风化 4000~5000 0.8~0.9 0.8~0.9 未风化 >5000 0.9~1.0 0.9~1.0 当前位置:课程学习/第二章 岩体的地质特征/第三节 结构面特征 第三节 结构面特征 一、结构面的成因类型 1、地质成因类型 (1)原生结构面 岩体在成岩过程中形成的结构面。 n 沉积结构面是沉积岩在沉积和成岩过程中形成的，有层理面、软弱夹层、沉积间断面和 不整合面等。 n 岩浆结构面是岩浆侵入及冷凝过程中形成的结构面，包括岩浆岩体与围岩的接触面、各 期岩浆岩之间的接触面和原生冷凝节理等。 n 变质结构面在变质过程中形成，分为残留结构面和重结晶结构面。 (2)构造结构面 是岩体形成后在构造应力作用下形成的各种破裂面，包括断层、节理、劈理和层间错动面等。 (3)次生结构面 是岩体形成后在外营力作用下产生的结构面，包括卸荷裂隙、风化裂隙、次生夹泥层和泥化夹层等。 各类岩体结构面特征见下表。 岩体结构面的类型及其特征岩体结构面的类型及其特征 主 要 特 征 成因类地质类型 工程地质评价 型 产 状 分 布 性 质 海相岩层中层面、软弱夹层等国内外较大的坝基滑动沉1层理层面 一般与岩层此类结构面结构面较为平整;及滑坡很多由此类结构积2软弱夹层 产状一致，为分布稳定，陆不整合面及沉积间面所造成的，如奥斯汀、结3不整合面、假层间结构相岩层中呈断面多由碎屑泥质圣?弗朗西斯、马尔帕塞构整合面 面 交错状，易尖物构成，且不平坝的破坏，瓦依昂水库面 4沉积间断面 灭 整 附近的巨大滑坡 原岩1侵入体与围岩脉受构造接触面延伸与围岩接触面可具一般不造成大规模的岩生浆岩接触面 结构面控制，较远，比较稳熔合及破碎两种不体破坏，但有时与构造结岩2岩脉岩墙接而原生节理定，而原生节同的特征，原生节断裂配合，也可形成岩构结触面 受岩体接触理往往短小理一般为张裂面，体的滑移，如有的坝肩面 构 3原生冷凝节面控制 密集 较粗糙不平 局部滑移 面 理 变片理短小，分结构面光滑平直，在变质较浅的沉积岩， 质1片理 产状与岩层布极密，片岩片理在岩层深部往如千枚岩等路堑边坡常 结2片岩软弱夹或构造方向软弱夹层延往闭合成隐蔽结构见塌方。片岩夹层有时 构层 一致 展较远，具固面，片岩软弱夹层对工程及地下洞体稳定 面 定层次 具片状矿物，呈鳞也有影响 片状 张性断裂较张性断裂不平整，1节理(X型节理、短小，剪切断常具次生充填，呈对岩体稳定影响很大，张节理) 产状与构造裂延展较远，锯齿状，剪切断裂在上述许多岩体破坏过2断层(冲断层、线呈一定关构造结压性断裂规较平直，具羽状裂程中，大都有构造结构捩断层、横断层) 系，层间错动构面 模巨大，但有隙，压性断层具多面的配合作用。此外常3层间错动 与岩层一时为横断层种构造岩，成带状造成边坡及地下工程的4羽状裂隙、劈致 切割成不连分布，往往含断层塌方、冒顶 理 续状 泥、糜棱岩 1卸荷裂隙 分布上往往在天然及人工边坡上造2风化裂隙 呈不连续状，成危害，有时对坝基、次生结3风化夹层 受地形及原透镜状，延展一般为泥质物充坝肩及浅埋隧洞等工程构面 4泥化夹层 结构面控制 性差，且主要填，水理性质很差 亦有影响，但一般在施5次生夹泥在地表风化工中予以清基处理 层 带内发育 2、力学成因类型 、力学成因类型 (1)剪性结构面是剪应力形成的，破裂面两侧岩体产生相对滑移，如逆断层、平移断层以及多数正断层等。 特点:连续性好，面较平直，延伸较长并有擦痕镜面等。 (2)张性结构面是由拉应力形成的，如羽毛状张裂面、纵张及横张破裂面、岩浆岩中的冷凝节理等。 特点:张开度大、连续性差、形态不规则、面粗糙，起伏度大及破碎带较宽,易被充填,常含水丰富,导水性强。 。 n 二、结构面的规模二、结构面的规模 n ?级 指大断层或区域性断层。控制工程建设地区的地壳稳定性，直接影响工程岩体稳 定性; n ?级 指延伸长而宽度不大的区域性地质界面。 n ?级 指长度数十米至数百米的断层、区域性节理、延伸较好的层面及层间错动等。 ?、?级结构面控制着工程岩体力学作用的边界条件和破坏方式，它们的组合往往构成 可能滑移岩体的边界面，直接威胁工程安全稳定性。 n ?级 指延伸较差的节理、层面、次生裂隙、小断层及较发育的片理、劈理面等。是构 成岩块的边界面，破坏岩体的完整性，影响岩体的物理力学性质及应力分布状态。 ?级结构面主要控制着岩体的结构、完整性和物理力学性质，数量多且具随机性，其分 布规律具统计规律，需用统计方法进行研究，在此基础上进行岩体结构面网络模拟。 n ?级结构面, 又称微结构面。常包含在岩块内，主要影响岩块的物理力学性质，控制岩 块的力学性质。 n 三、 产状 三、 产状 结构面产状包括走向、倾向、倾角。 n 结构面与最大主应力间的关系控制着岩体的破坏机理与强度，结构面展布方向与受力方 向不同，岩石的破坏方式与强度不同。 据单结构面理论，岩体中存在一组结构面时，岩体的极限强度与结构面倾角β间的关系为: 由上式可知:当围压σ不变时，岩体强度(σ,σ)随结构面倾角β变化而变化。 313 n 四 连续性四 连续性 结构面的连续性反映结构面的贯通程度。 n 1、线连续性系数:指沿结构面延伸方向，结构面各段长度之和(Σa)与测线长度的比值。 如下图所示，可按下式计算。 变化在0,值愈大说明结构面的连续性愈好，当, K1之间，KK1时，结构面完全贯通。 111 n 2、面连续性系数:指沿结构面延伸方向，结构面面积之和与总面积的比值。 n 3、迹长:结构面与岩体露头交线的长度。 结构面连续性分级表 描述 迹长(m) 很低连续性 <1 低连续性 1~3 中等连续性 3~10 高连续性 10~20 很高连续性 >20 五 密度 五 密度 v 结构面的密度反映结构面发育的密集程度。 v 1、线密度(K) 指结构面法线方向单位测线长度上交切结构面的条数(条/m)。 d v 2、间距(d) 指同一组结构面法线方向上两相邻结构面的平均距离。 K与d互为倒数关系 d 如果测线水平布置，且与结构面法线的夹角为α，结构面的倾角为β时: 结构面间距分级表 描述 间距(mm) 极密集的间距 <20 很密集的间距 20~60 密集的间距 60~200 中等的间距 200~600 宽的间距 600~2000 很宽的间距 2000~6000 极宽的间距 >6000 可以用线密度来估算岩体质量指标RQD(rock quality designation) RQD的原始定义为:长度大于10cm的岩心长度之和与钻孔总进尺的百分比，按下式计算。 n 六 张开度六 张开度 结构面的张开度是指结构面两壁面间的垂直距离。 n n结构面两壁面一般不是紧密接触，使结构面实际接触面积减少，导致结构面粘聚力降 低和渗透性增大。 如在层流条件下，平直而两壁平行的单个结构面的渗透系数(K)可表达为: f 结构面张开度分级表 结构面张开度 描述 分类 (mm) 很紧密 <0.1 紧密 0.1~0.25 闭合结构面 部分张开 0.25~0.5 张开 0.5~2.5 中等宽的 2.5~10 裂开结构面 宽的 >10 很宽的 10~100 极宽的 100~1000 张开结构面 似洞穴的 >1000 七 形态 七 形态 n结构面的形态可以用侧壁的起伏形态及粗糙度来反映。 n 结构面侧壁的起伏形态分为:平直的、波状的、锯齿状的、台阶状的和不规则状的。 侧壁的起伏程度可用起伏角(i)表示。 n n结构面的粗糙度用粗糙度系JRC(joint roughness coefficient)表示。n根据 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 粗糙 度剖面将结构面的粗糙度系数划分为10级。随粗糙度的增大，结构面的摩擦角也增大。 标准粗糙度剖面见下图。 八 充填胶结特征 八 充填胶结特征 n n结构面胶结后力学性质有所增强，Fe质胶结的强度最高，泥质与易溶盐类胶结的结构 面强度最低，且抗水性差。未胶结的结构面，力学性质取决于其充填情况，可分为薄膜 充填、断续充填、连续充填及厚层充填4类: (1)薄膜充填是结构面两壁附着一层极薄的矿物膜，厚度多小于1mm，多明显降低结构面的强度。 (2)断续充填结构面的力学性质与充填物性质、壁岩性质及结构面的形态有关。 (3)连续充填结构面的力学性质主要取决于充填物性质。 (4)厚层充填结构面的力学性质很差，主要取决于充填物性质，岩体往往易于沿这种结构面 滑移而失稳。 九 软弱结构面九 软弱结构面 软弱结构面是岩体中具有一定厚度的软弱带(层)，与两盘岩体相比具有高压缩和低强度等特 征，在产状上多属缓倾角结构面。 n 主要包括原生软弱夹层、构造及挤压破碎带、泥化夹层及其他夹泥层等。 n 特性: , 由原岩的超固结胶结式结构变成了泥质散状结构 或泥质定向结构 , 粘粒含量很高 , 含水量接近或超过塑限 , 密度比原岩小 , 常具有一定的胀缩性 , 力学性质比原岩差 , 强度低 , 压缩性高 , 易产生渗透变形 n 十、结构面的组合关系十、结构面的组合关系 结构面的组合关系控制着可能滑移岩体的几何边界条件、形态、规模、滑动方向及滑移破坏 类型，它是工程岩体稳定性预测与评价的基础。 n 任何坚硬岩体的块体滑移破坏，都必须具备一定的几何边界条件。因此，在研究岩体稳 定性时，必须研究结构面之间及其与临空面之间的组合关系，确定可能失稳块体的形态、 规模和可能滑移方向等。 例1、2、3 结构面组合关系的分析可用赤平投影、立体投影和三角几何计算法等进行。 当前位置:课程学习/第二章 岩体的地质特征/第四节 岩体的结构特征 第四节 岩体的结构特征 第四节 岩体的结构特征 一、岩体的组成 一、岩体的组成 n 岩体是由结构面网络及其所围限的岩块 (结构体)所组成。 n 具有一定的结构是岩体的显著特征之一。 , 岩体中存在着复杂的天然应力状态和地下水，这是岩体与其他材料的根本区别之 一。 , 二、岩体的结构 岩体结构(rockmass structure)指岩体中结构面与结构体的排列组合关系。 1、结构体特征 结构体(structural element)指岩体中被结构面切割围限的岩石块体。它不同于岩块的概念。结 构体的规模取决于结构面的密度，密度愈小，结构体的规模愈大,与结构面对应,划分为五级。 常用块度模数(单位体积内的?级结构体数) 或结构体体积来表示结构体规模。 结构体常见的形状: 柱状、板状、楔形、菱形 ，见下图 结构体形状典型类型示意图(据孙广忠，1983) a，b(柱状结构体;d，e(菱形或板状结构体;c，f，g，h，j(楔、锥形结构体;i(板状 结构体 n 形状不同，稳定性不同。例如下图，左边的岩块容易下落，不稳定，右侧的岩块 稳定性好。 结构体的形状与稳定性关系示意图 2、岩体的结构类型 由于组成岩体的岩性，遭受的构造变动及次生变化的不均一性，导致了岩体结构的复杂性。为了概括地反映岩体中结构面和结构体的成因、特征及其排列组合关系，将岩体结构划分为4大类。 (1)整体与块状结构 主要为均质、巨块状岩浆岩、变质岩，巨厚层、厚层沉积岩、正变质岩、块状岩浆岩、变质岩;主要结构形状为巨块状、块状、柱状;以原生构造节理为主，只具有少量贯穿性较好的节理裂隙，多呈闭合型，裂隙结构面间距大于0.7m，一般不超过1,3组，无危险结构面组成的落石掉块，偶有少量分离体。整体性强度高，结构面互相牵制，岩体稳定，可视为均质弹性各向同性体，可能发生的岩土工程问题为不稳定结构体的局部滑动或坍塌，深埋洞室的岩爆。 (2)层状结构 主要为多韵律的薄层及中厚层状沉积岩、副变质岩;主要结构形状为层状、板状、透镜体;有层理、片理、节理，常有层间错动。接近均一的各向异性体，其变形及强度特征受层面及岩层组合控制，可视为弹塑性体，稳定性较差，可能发生的岩土工程问题为不稳定结构体可能产生滑塌，特别是岩层的弯张破坏及软弱岩层的塑性变形。 (3)碎裂状结构 主要为构造影响严重的破碎岩层;主要结构形状为块状;断层、断层破碎带、片理、层理及层间结构面较发育，裂隙结构面间距0.25~0.5m，一般在3组以上，由许多分离体形成。完整性破坏较大，整体强度很低，并受断裂等软弱结构面控制，多呈弹塑性介质，稳定性很差，可能发生的岩土工程问题为易引起规模较大的岩体失稳，地下水加剧岩体失稳。 (4)散体状结构 主要为构造影响剧烈的断层破碎带，强风化带，全风化带;主要结构形状为碎屑状、颗粒状;断层破碎带交叉，构造及风化裂隙密集，结构面及组合错综复杂，并多充填粘性土，形成许多大小不一的分离岩块。完整性遭到极大破坏，稳定性极差，岩体属性接近松散体介质，可能发生的岩土工程问题为易引起规模较大的岩体失稳，地下水加剧岩体失稳。 三、岩体成因与岩体特征 三、岩体成因与岩体特征 1、岩浆岩体 无层理，产状复杂。根据岩浆活动方式，岩浆岩可分为深成岩、浅成岩和喷出岩三类。 2、 沉积岩体 具有层理构造，岩体呈层状结构。沉积岩包括他生沉积岩和自生沉积岩两大类。 3 、变质岩体 多数岩石变质后都经历了不同程度的重结晶作用，结构较致密，抗水性增强，孔隙率较低，透水性弱，抗变形性能好，强度高。因此与沉积岩相比，变质岩的性质一般要好些。 当前位置:课程学习/第二章 岩体的地质特征/第五节 岩体的工程分类 第五节 岩体的工程分类 方法:通过岩体的一些简单和容易实测的指标，把工程地质条件和岩体力学性质参数联系起来，并借鉴已建工程设计、施工和处理等方面成功与失败的经验教训，对岩体进行归类的一种工作方法。 目的:通过分类，概括地反映各类工程岩体的质量好坏，预测可能出现的岩体力学问题。为工程设计、支护衬砌、建筑物选型和施工方法选择等提供参数和依据。 一、岩块的工程分类 1、Deere &Miller 双指标分类 分类指标:岩块抗压强度(σ/σ 模量比E)、()cct 分类方法: (1)按σ将岩块按下表分为5类。 c 岩块抗压强度(σ)分类表 c 类别 岩块分类 σ(MPa) 岩石类型举例 c 石英岩、辉长岩、玄武A 极高强度 ,200 岩 大理岩、花岗岩、片麻B 高强度 100~200 岩 C 中等强度 50~100 砂岩、板岩 D 低强度 25~50 煤、粉砂岩、片岩 E 极低强度 1~25 白垩、盐岩 (2)按E/σ将岩块按下表分为3类。 tc 岩块模量(E/σ)分类表 tc 类别 E/σ E/σ分类 tctc H 高模量比 ,500 M 中等模量比 200~500 L 低模量比 ,200 (3)综合二者，将岩块划分成不同类别，如AH(高模量比极高强度岩块)、BL(低模量比高强度岩块)等。 2 、国标《岩土工程勘察规范》分类 分类指标:新鲜岩块的饱和单轴抗压强度 分类方法:按下表分为2大类4亚类。 岩块强度分类表 饱和单轴抗压强类别 亚类 代表性岩石 度(MPa) 极硬岩石 ,60 花岗岩、花岗片麻岩、闪长岩、玄武硬质岩岩、石灰岩、石英砂岩、石英岩、大石 次硬岩石 30~60 理岩、硅质砾岩等 次软岩石 5~30 软质岩粘土岩、页岩、千枚岩、绿泥石片岩、 石 云母片岩等 极软岩石 ,5 二、岩体的工程分类 1、岩体质量分级 2、洞室围岩分类 3、岩体地质力学分类 4、巴顿岩体质量 当前位置:课程学习/第二章 岩体的地质特征/练习与思考 本章小结 本章重点介绍了岩体、岩块、结构面的概念;结构面的类型及对岩体力学性质的影响;岩体的结构特征;岩体的工程分类方法。对岩块的物质组成特征、三大类岩体的工程特征作了一般介绍。 练习与思考 1、在勘探巷道岩壁上进行结构面测线详测如图所示，量得两组结构面沿测线的间距分别为 0.45m和0.8m，且A组结构面的倾角为55?，B组倾角为20?。 1) 计算每组结构面的真间距及两组结构面沿测线的混合间距及线密度(Kd); 2) 估算岩体沿详测线方向的RQD值。 2、何谓岩石的微结构面，主要指哪些，各有什么特点, 3、自然界中的岩石按地质成因分类，可以分为几大类，各有什么特点, 4、主要从哪些方面来研究结构面的地质特征, 5、构成岩石的主要造岩矿物有哪些，各有何特点, 6、区别岩体、岩石、岩块与结构体等概念的区别。 当前位置:课程学习/第三章 岩石的物理、水理性质/学习指导 学习指导 内容简介:岩石和土一样，也是由固体、液体和气体三相组成的。所谓物理性质是指岩石三相组 成部分的相对比例关系不同所表现的物理状态。本章介绍与工程密切相关的岩体的物理性质和水 理性质。 视频导学: 学习要点:掌握岩块的密度和空隙性等性质;掌握岩块的各水理性质。 基本概念:颗粒密度、块体密度、吸水率、饱和吸水率、软化系数 学习内容: , 第一节 岩石的物理性质 岩石的物理性质 , 第二节 岩石的水理性质 岩石的水理性质 学习进度:总学时2学时，具体分配如下: , 第一节 0.5学时 , 第二节 1.5学时 参考书籍: , 重庆建筑工程学院、同济大学，1981，岩体力学。北京:中国建筑工业出版社。 , 谷德振著，1979，岩体工程地质力学基础。北京:科学出版社。 , 郭志著，1996，实用岩体力学。北京:地震出版社。 , 湖南水利水电勘测设计院，1983，边坡工程地质。北京:水利电力出版社。 , 华安增，1980，矿山岩石力学基础。北京:煤炭工业出版社。 , 李铁汉、潘别桐，1980，岩体力学。北京:地质出版社。 当前位置:课程学习/第三章 岩石的物理、水理性质/第一节 岩石的物理性质 岩石的物理性质 第一节 岩石的物理性质 岩石的物理性质 岩石和土一样，也是由固体、液体和气体三相组成的。岩石的物理性质是指岩石由于三相组成的相对比例关系不同所表现的物理状态。 一、岩石的密度一、岩石的密度 1、颗粒密度(ρ) s (1)定义:颗粒密度是指岩石固体相部分的质量与其体积的比值。颗粒密度不包括空隙在 3内，因此其大小仅取决于组成岩石的矿物密度及其含量。一般为2.5,3.2g,cm之间。 (2)计算公式: 3式中:m——岩石的固体部分的质量(g);V——固体体积(cm)。 ss (3)测试方法:比重瓶法 2、块体密度(ρ) (1)定义:块体密度是指岩石单位体积内的质量。 (2)计算公式: 3式中:——岩石的质量(g);——岩石的体积(cm)。 mV 按岩石试件的含水状态，又有干密度(ρ)、饱和密度(ρ)和天然密度()之分，在未指ρdsat 明含水状态时一般是指岩石的天然密度。 (3)测试方法:量积法、蜡封法、水中称量法 常见岩石的颗粒密度与块体密度 常见岩石的 颗粒密度块体密度颗粒密度块体密度岩石类型 岩石类型 3333(g/cm) (g/cm) (g/cm) (g/cm) 花岗岩 2.50~2.84 2.30~2.80 页 岩 2.57~2.77 2.30~2.77 闪长岩 2.60~3.10 2.52~2.96 灰 岩 2.48~2.85 2.30~2.77 辉绿岩 2.60~3.10 2.53~2.97 泥灰岩 2.70~2.80 2.10~2.70 辉长岩 2.70~3.20 2.55~2.98 白云岩 2.60~2.90 2.10~2.70 安山岩 2.40~2.80 2.30~2.70 片麻岩 2.63~3.01 2.30~3.00 玢 岩 2.60~2.84 2.40~2.80 石英片岩 2.60~2.80 2.10~2.70 玄武岩 2.60~3.30 2.50~3.10 绿泥石片岩 2.80~2.90 2.10~2.85 凝灰岩 2.56~2.78 2.29~2.50 千枚岩 2.81~2.96 2.71~2.86 砾 岩 2.67~2.71 2.40~2.66 泥质板岩 2.70~2.85 2.30~2.80 砂 岩 2.60~2.75 2.20~2.71 大理岩 2.80~2.85 2.60~2.70 石英岩 2.53~2.84 2.40~2.80 二、岩石的空隙性 说明: , 岩石是有较多缺陷的多晶材料，因此具有相对较多的孔隙。同时，由于岩石经受过多种 地质作用，还发育有各种成因的裂隙，如原生裂隙、风化裂隙及构造裂隙等。所以，岩 石的空隙性比土复杂得多，即除了孔隙外，还有裂隙存在。 , 岩石中的空隙有些部分往往是互不连通的，而且与大气也不相通。因此，岩石中的空隙 有开型空隙和闭空隙之分，开型空隙按其开启程度又有大、小开型空隙之分。与此相对 应，可把岩石的空隙率分为总空隙率(n)、总开空隙率(n)、大开空隙率(n)、小开空隙率ob (n)和闭空隙率(n)几种。 ac 空隙率(n) 总开空隙率(n) 0 大开空隙率(n) b 小开空隙率(n) a 闭空隙率(n) c 说明: , 一般提到的岩石空隙率系指总空隙率。 , 岩石的空隙性指标一般不能实测，只能通过密度与吸水性等指标换算求得，其计算方法 将在水理性质一节中讨论。 常见岩石的空隙率 岩石类型 空隙率(%) 岩石类型 空隙率(%) 岩石类型 空隙率(%) 花岗岩 0.4~0.5 凝灰岩 1.5~7.5 片麻岩 0.7~2.2 闪长岩 0.2~0.5 砾岩 0.8~10.0 石英片岩 0.7~3.0 辉绿岩 0.3~5.0 砂岩 1.6~28.0 绿泥石片岩 0.8~2.1 辉长岩 0.3~4.0 页岩 0.4~10.0 千枚岩 0.4~3.6 安山岩 1.1~4.5 灰岩 0.5~27.0 泥质板岩 0.1~0.5 玢岩 2.1~5.0 泥灰岩 1.0~10.0 大理岩 0.1~6.0 玄武岩 0.5~7.2 白云岩 0.3~25.0 石英岩 0.1~8.7 当前位置:课程学习/第三章 岩石的物理、水理性质/第二节 岩石的水理性质 岩石的水理性质 第二节 岩石的水理性质 岩石的水理性质 定义:岩石在水溶液作用下表现出来的性质，称为水理性质。主要有吸水性、软化性、抗冻性和透水性。 一、岩石的吸水性一、岩石的吸水性 定义:岩石在一定的试验条件下吸收水分的能力，称为岩石的吸水性。 1、吸水率(W):是指岩石试件在大气压力和室温条件下自由吸入水的质量(m)与岩样干质量(m)aw1s之比，用百分数表示，即 2、饱和吸水率(W):是指岩石试件在高压(一般压力为15MPa)或真空条件下吸入水的质量(m)pw2与岩样干质量(m)之比，用百分数表示，即 s 3、饱水系数:岩石的吸水率(W )与饱和吸水率(W)之比，称为饱水系数。它反映了岩石中大、ap 小开空隙的相对比例关系。 几种岩石的吸水率几种岩石的吸水率 岩石类型 吸水率(%) 岩石类型 吸水率(%) 岩石类型 吸水率(%) 花岗岩 0.1~4.0 凝灰岩 0.5~7.5 石英片岩 0.1~0.3 闪长岩 0.3~5.0 砾 岩 0.3~2.4 绿泥石片岩 0.1~0.6 辉绿岩 0.8~5.0 砂 岩 0.2~9.0 千枚岩 0.5~1.8 辉长岩 0.5~4.0 页 岩 0.5~3.2 泥质板岩 0.1~0.3 安山岩 0.3~4.5 灰 岩 0.1~4.5 大理岩 0.1~1.0 玢 岩 0.4~1.7 泥灰岩 0.5~3.0 石英岩 0.1~1.5 玄武岩 0.3~2.8 白云岩 0.1~3.0 片麻岩 0.1~0.7 几种岩石的吸水性指标值 几种岩石的吸水性指标值 岩石名称 吸水率(%) 饱和吸水率(%) 饱水系数 花岗岩 0.46 0.84 0.55 石英闪长岩 0.82 0.54 0.59 玄武岩 0.27 0.39 0.69 基性斑岩 0.85 0.42 0.83 云母片岩 0.13 1.31 0.10 砂岩 7.01 11.99 0.60 石灰岩 0.09 0.25 0.36 白云质灰岩 0.74 0.92 0.80 二、岩石的软化性二、岩石的软化性 l l1、定义:岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性，通常用软化系数表示。 2、软化系数(K):岩石试件的饱和抗压强度(σ)与干抗压强度(σ)的比值。 Rcwc l 岩石中含有较多的亲水性和可溶性矿物，大开空隙较多，岩石的软化性较强，软化系 数较小。 K,0.75，岩石的软化性弱，工程地质性质较好。R K,0.75，岩石软化性较强，工程地质性质较差。 R 常见岩石的软化系数常见岩石的 岩石类型 软化系数(%) 岩石类型 软化系数(%) 岩石类型 软化系数(%) 花岗岩 0.72~0.97 凝灰岩 0.52~0.86 片麻岩 0.75~0.97 闪长岩 0.60~0.80 砾 岩 0.50~0.96 石英片岩 0.44~0.84 辉绿岩 0.33~0.90 砂 岩 0.65~0.97 绿泥石片岩 0.53~0.69 安山岩 0.81~0.91 页 岩 0.24~0.74 千枚岩 0.67~0.96 玢 岩 0.78~0.81 灰 岩 0.70~094 泥质板岩 0.39~0.52 玄武岩 0.3~0.95 泥灰岩 0.44~0.54 石英岩 0.94~0.96 三、岩石的抗冻性三、岩石的抗冻性 l 岩石抵抗冻融破坏的能力，称为抗冻性。 l 1、抗冻系数(R):岩石试件经反复冻融后的干抗压强度(σ)与冻融前干抗压强度(σ)dc2c1 之比，用百分数表示 l 2、质量损失率(K):冻融试验前后干质量之差(m,m)与试验前干质量(m)之比，以ms1s2s1 百分数表示 R,75,，K,2,抗冻性高。 md W,5,、软化系数K,0.75，饱水系数小于0.8的岩石，抗冻性高。 aR 四、岩石的透水性 四、岩石的透水性 l 在一定的水力梯度或压力差作用下，岩石能被水透过的性质，称为透水性。 l 一般认为，水在岩石中的流动，如同水在土中流动一样，也服从于线性渗流规律—— 达西定律，即 几种岩石的渗透系数值 几种岩石的渗透系数值 岩石名称 空隙情况 渗透系数(cm/s) -12-11较致密、微裂隙 1.1×10~9.5×10 -11-11花岗岩 含微裂隙 1.1×10~2.5×10 -9-8微裂隙及部分粗裂隙 2.8×10~7×10 -12-10致密 3×10~6×10 -9-6灰岩 微裂隙、孔隙 2×10~3×10 -5-4空隙较发育 9×10~3×10 -13致密 <10 -8-7片麻岩 微裂隙 9×10~4×10 -6-5微裂隙发育 2×10~3×10 -13辉绿岩、玄武岩 致密 <10 -13-10较致密 10~2.5×10 砂岩 -6空隙发育 5.5×10 -10-9页岩 微裂隙发育 2×10~8×10 -9-5片岩 微裂隙发育 10~5×10 -10-10石英岩 微裂隙 1.2×10~1.8×10 当前位置:课程学习/第三章 岩石的物理、水理性质/练习与思考 本章小结 本章重点介绍了岩石的密度、空隙性等物理性质以及岩石的吸水性、软化性等水理性质。对岩石的抗冻性、渗透性等作了一般介绍。 练习与思考 1、表示岩石物理性质的主要指标及其表示方式是什么, 2、为什么岩石的空隙性与吸水性之间有密切的关系，关系如何, 3、你对岩石的软化性有什么进一步的认识, 4、区别吸水率、含水率概念的区别。 当前位置:课程学习/第三章 岩石的物理、水理性质/学习指导 学习指导 内容简介:岩石和土一样，也是由固体、液体和气体三相组成的。所谓物理性质是指岩石三相组成部分的相对比例关系不同所表现的物理状态。本章介绍与工程密切相关的岩体的物理性质和水理性质。 视频导学: 学习要点:掌握岩块的密度和空隙性等性质;掌握岩块的各水理性质。 基本概念:颗粒密度、块体密度、吸水率、饱和吸水率、软化系数 学习内容: , 第一节 岩石的物理性质 岩石的物理性质 , 第二节 岩石的水理性质 岩石的水理性质 学习进度:总学时2学时，具体分配如下: , 第一节 0.5学时 , 第二节 1.5学时 参考书籍: , 重庆建筑工程学院、同济大学，1981，岩体力学。北京:中国建筑工业出版社。 , 谷德振著，1979，岩体工程地质力学基础。北京:科学出版社。 , 郭志著，1996，实用岩体力学。北京:地震出版社。 , 湖南水利水电勘测设计院，1983，边坡工程地质。北京:水利电力出版社。 , 华安增，1980，矿山岩石力学基础。北京:煤炭工业出版社。 , 李铁汉、潘别桐，1980，岩体力学。北京:地质出版社。 当前位置:课程学习/第三章 岩石的物理、水理性质/第一节 岩石的物理性质 岩石的物理性质 第一节 岩石的物理性质 岩石的物理性质 岩石和土一样，也是由固体、液体和气体三相组成的。岩石的物理性质是指岩石由于三相组成的相对比例关系不同所表现的物理状态。 一、岩石的密度一、岩石的密度 1、颗粒密度(ρ) s (1)定义:颗粒密度是指岩石固体相部分的质量与其体积的比值。颗粒密度不包括空隙在 3内，因此其大小仅取决于组成岩石的矿物密度及其含量。一般为2.5,3.2g,cm之间。 (2)计算公式: 3式中:m——岩石的固体部分的质量(g);V——固体体积(cm)。 ss (3)测试方法:比重瓶法 2、块体密度(ρ) (1)定义:块体密度是指岩石单位体积内的质量。 (2)计算公式: 3式中:m——岩石的质量(g);V——岩石的体积(cm)。 按岩石试件的含水状态，又有干密度(ρ)、饱和密度(ρ)和天然密度()之分，在未指ρdsat 明含水状态时一般是指岩石的天然密度。 (3)测试方法:量积法、蜡封法、水中称量法 常见岩石的颗粒密度与块体密度 常见岩石的 颗粒密度块体密度颗粒密度块体密度岩石类型 岩石类型 3333(g/cm) (g/cm) (g/cm) (g/cm) 花岗岩 2.50~2.84 2.30~2.80 页 岩 2.57~2.77 2.30~2.77 闪长岩 2.60~3.10 2.52~2.96 灰 岩 2.48~2.85 2.30~2.77 辉绿岩 2.60~3.10 2.53~2.97 泥灰岩 2.70~2.80 2.10~2.70 辉长岩 2.70~3.20 2.55~2.98 白云岩 2.60~2.90 2.10~2.70 安山岩 2.40~2.80 2.30~2.70 片麻岩 2.63~3.01 2.30~3.00 玢 岩 2.60~2.84 2.40~2.80 石英片岩 2.60~2.80 2.10~2.70 玄武岩 2.60~3.30 2.50~3.10 绿泥石片岩 2.80~2.90 2.10~2.85 凝灰岩 2.56~2.78 2.29~2.50 千枚岩 2.81~2.96 2.71~2.86 砾 岩 2.67~2.71 2.40~2.66 泥质板岩 2.70~2.85 2.30~2.80 砂 岩 2.60~2.75 2.20~2.71 大理岩 2.80~2.85 2.60~2.70 石英岩 2.53~2.84 2.40~2.80 二、岩石的空隙性 说明: , 岩石是有较多缺陷的多晶材料，因此具有相对较多的孔隙。同时，由于岩石经受过多种 地质作用，还发育有各种成因的裂隙，如原生裂隙、风化裂隙及构造裂隙等。所以，岩 石的空隙性比土复杂得多，即除了孔隙外，还有裂隙存在。 , 岩石中的空隙有些部分往往是互不连通的，而且与大气也不相通。因此，岩石中的空隙 有开型空隙和闭空隙之分，开型空隙按其开启程度又有大、小开型空隙之分。与此相对 应，可把岩石的空隙率分为总空隙率(n)、总开空隙率(n)、大开空隙率(n)、小开空隙率ob (n)和闭空隙率(n)几种。 ac 空隙率(n) 总开空隙率(n) 0 大开空隙率(n) b 小开空隙率(n) a 闭空隙率(n) c 说明: , 一般提到的岩石空隙率系指总空隙率。 , 岩石的空隙性指标一般不能实测，只能通过密度与吸水性等指标换算求得，其计算方法 将在水理性质一节中讨论。 常见岩石的空隙率 岩石类型 空隙率(%) 岩石类型 空隙率(%) 岩石类型 空隙率(%) 花岗岩 0.4~0.5 凝灰岩 1.5~7.5 片麻岩 0.7~2.2 闪长岩 0.2~0.5 砾岩 0.8~10.0 石英片岩 0.7~3.0 辉绿岩 0.3~5.0 砂岩 1.6~28.0 绿泥石片岩 0.8~2.1 辉长岩 0.3~4.0 页岩 0.4~10.0 千枚岩 0.4~3.6 安山岩 1.1~4.5 灰岩 0.5~27.0 泥质板岩 0.1~0.5 玢岩 2.1~5.0 泥灰岩 1.0~10.0 大理岩 0.1~6.0 玄武岩 0.5~7.2 白云岩 0.3~25.0 石英岩 0.1~8.7 当前位置:课程学习/第三章 岩石的物理、水理性质/第二节 岩石的水理性质 岩石的水理性质 第二节 岩石的水理性质 岩石的水理性质 定义:岩石在水溶液作用下表现出来的性质，称为水理性质。主要有吸水性、软化性、抗冻性和透水性。 一、岩石的吸水性一、岩石的吸水性 定义:岩石在一定的试验条件下吸收水分的能力，称为岩石的吸水性。 1、吸水率(W):是指岩石试件在大气压力和室温条件下自由吸入水的质量(m)与岩样干质量(m)aw1s之比，用百分数表示，即 2、饱和吸水率(W):是指岩石试件在高压(一般压力为15MPa)或真空条件下吸入水的质量(m)pw2与岩样干质量(m)之比，用百分数表示，即 s 3、饱水系数:岩石的吸水率(W )与饱和吸水率(W)之比，称为饱水系数。它反映了岩石中大、ap 小开空隙的相对比例关系。 几种岩石的吸水率几种岩石的吸水率 岩石类型 吸水率(%) 岩石类型 吸水率(%) 岩石类型 吸水率(%) 花岗岩 0.1~4.0 凝灰岩 0.5~7.5 石英片岩 0.1~0.3 闪长岩 0.3~5.0 砾 岩 0.3~2.4 绿泥石片岩 0.1~0.6 辉绿岩 0.8~5.0 砂 岩 0.2~9.0 千枚岩 0.5~1.8 辉长岩 0.5~4.0 页 岩 0.5~3.2 泥质板岩 0.1~0.3 安山岩 0.3~4.5 灰 岩 0.1~4.5 大理岩 0.1~1.0 玢 岩 0.4~1.7 泥灰岩 0.5~3.0 石英岩 0.1~1.5 玄武岩 0.3~2.8 白云岩 0.1~3.0 片麻岩 0.1~0.7 几种岩石的吸水性指标值 几种岩石的吸水性指标值 岩石名称 吸水率(%) 饱和吸水率(%) 饱水系数 花岗岩 0.46 0.84 0.55 石英闪长岩 0.82 0.54 0.59 玄武岩 0.27 0.39 0.69 基性斑岩 0.85 0.42 0.83 云母片岩 0.13 1.31 0.10 砂岩 7.01 11.99 0.60 石灰岩 0.09 0.25 0.36 白云质灰岩 0.74 0.92 0.80 二、岩石的软化性二、岩石的软化性 l l1、定义:岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性，通常用软化系数表示。 2、软化系数(K):岩石试件的饱和抗压强度(σ)与干抗压强度(σ)的比值。 Rcwc l 岩石中含有较多的亲水性和可溶性矿物，大开空隙较多，岩石的软化性较强，软化系 数较小。 K,0.75，岩石的软化性弱，工程地质性质较好。 R K,0.75，岩石软化性较强，工程地质性质较差。 R 常见岩石的软化系数常见岩石的 岩石类型 软化系数(%) 岩石类型 软化系数(%) 岩石类型 软化系数(%) 花岗岩 0.72~0.97 凝灰岩 0.52~0.86 片麻岩 0.75~0.97 闪长岩 0.60~0.80 砾 岩 0.50~0.96 石英片岩 0.44~0.84 辉绿岩 0.33~0.90 砂 岩 0.65~0.97 绿泥石片岩 0.53~0.69 安山岩 0.81~0.91 页 岩 0.24~0.74 千枚岩 0.67~0.96 玢 岩 0.78~0.81 灰 岩 0.70~094 泥质板岩 0.39~0.52 玄武岩 0.3~0.95 泥灰岩 0.44~0.54 石英岩 0.94~0.96 三、岩石的抗冻性三、岩石的抗冻性 l 岩石抵抗冻融破坏的能力，称为抗冻性。 l 1、抗冻系数(R):岩石试件经反复冻融后的干抗压强度(σ)与冻融前干抗压强度(σ)dc2c1 之比，用百分数表示 l 2、质量损失率(K):冻融试验前后干质量之差(m,m)与试验前干质量(m)之比，以ms1s2s1 百分数表示 R,75,，K,2,抗冻性高。 md W,5,、软化系数K,0.75，饱水系数小于0.8的岩石，抗冻性高。 aR 四、岩石的透水性四、岩石的透水性 l 在一定的水力梯度或压力差作用下，岩石能被水透过的性质，称为透水性。 l 一般认为，水在岩石中的流动，如同水在土中流动一样，也服从于线性渗流规律—— 达西定律，即 几种岩石的渗透系数值 几种岩石的渗透系数值 岩石名称 空隙情况 渗透系数(cm/s) -12-11较致密、微裂隙 1.1×10~9.5×10 -11-11花岗岩 含微裂隙 1.1×10~2.5×10 -9-8微裂隙及部分粗裂隙 2.8×10~7×10 -12-10致密 3×10~6×10 -9-6灰岩 微裂隙、孔隙 2×10~3×10 -5-4空隙较发育 9×10~3×10 -13致密 <10 -8-7片麻岩 微裂隙 9×10~4×10 -6-5微裂隙发育 2×10~3×10 -13辉绿岩、玄武岩 致密 <10 -13-10较致密 10~2.5×10 砂岩 -6空隙发育 5.5×10 -10-9页岩 微裂隙发育 2×10~8×10 -9-5片岩 微裂隙发育 10~5×10 -10-10石英岩 微裂隙 1.2×10~1.8×10 当前位置:课程学习/第三章 岩石的物理、水理性质/练习与思考 本章小结 本章重点介绍了岩石的密度、空隙性等物理性质以及岩石的吸水性、软化性等水理性质。对岩石的抗冻性、渗透性等作了一般介绍。 练习与思考 1、表示岩石物理性质的主要指标及其表示方式是什么, 2、为什么岩石的空隙性与吸水性之间有密切的关系，关系如何, 3、你对岩石的软化性有什么进一步的认识, 4、区别吸水率、含水率概念的区别。 当前位置:课程学习/第四章 岩块的变形与强度性质/学习指导 学习指导 内容简介:岩体是由岩块和结构面组成的。因此，研究岩体的力学性质，首先要研究岩块的力学性质。本章将介绍岩块的在各种受力状态下的变形性质与强度大小，同时还介绍几种常用的岩石强度破坏判据。 视频导学: 学习要点:掌握岩块在各种受力条件下的变形特征及变形参数的确定;了解岩块的蠕变特征;掌握岩块的各种强度的定义、测试方法、影响因素及相互关系;掌握岩石的各种强度判据的含义、应用条件、判断方法。 基本概念:单轴抗压强度、单轴抗拉强度、泊松比、变形模量、蠕变、疲劳破坏、强度判据、抗剪强度、三轴强度 学习内容: , 第一节 几个基本概念 , 第二节 岩块的物质组成与结构特征 , 第三节 结构面特征 , 第四节 岩体的结构特征 , 第五节 岩体的工程分类 学习进度:总学时4学时，具体分配如下: , 第一节 0.5学时 , 第二节 0.5学时 , 第三节 1.0学时 , 第四节 1.0学时 , 第五节 1.0学时 参考书籍: , 重庆建筑工程学院、同济大学，1981，岩体力学。北京:中国建筑工业出版社。 , 谷德振著，1979，岩体工程地质力学基础。北京:科学出版社。 , 郭志著，1996，实用岩体力学。北京:地震出版社。 , 湖南水利水电勘测设计院，1983，边坡工程地质。北京:水利电力出版社。 , 华安增，1980，矿山岩石力学基础。北京:煤炭工业出版社。 , 李铁汉、潘别桐，1980，岩体力学。北京:地质出版社。 当前位置:课程学习/第四章 岩块的变形与强度性质/第一节 基本概念 第一节 基本概念 弹性(elasticity) 在一定的应力范围内，物体受外力作用产生全部变形，而去除外力(卸荷)后能够立即恢复其原有的形状和尺寸大小的性质，称为弹性。产生的变形称为弹性变形，并把具有弹性性质的物体称为弹性介质。弹性按其应力-应变关系又可分为两种类型:即线弹性或虎克型弹性(或称理想弹性)应力-应变呈直线关系，以及应力应变呈非直线的非线性弹性。 塑性 (plasticity) 物体受力后产生变形，在外力去除(卸荷)后不能完全恢复原状的性质，称为塑性。不能恢复的那部分变形称为塑性变形，或称永久变形、残余变形。当物体既有弹性变形又有塑性变形，且具有明显的弹性后效时，弹性变形和塑性变形就难以区别了。在外力作用下只发生塑性变形，或在一定的应力范围内只发生塑性变形的物体，称为塑性介质。 粘性(viscosity) 物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质，称为粘性。应变速率随应力变化的变形称为流动变形。 脆性(brittle) 物体受力后，变形很小时就发生破裂的性质，称为脆性。材料的塑性与脆性是根据其受力破坏前的总应变及全应力应变曲线上负坡的坡降大小来划分的。破坏前总应变小，负坡较陡者为脆性，反之为塑性。工程上一般以5,为标准进行划分，总应变大于5,者为塑性材料，反之为脆性材料。赫德(Heard，1963)以3,和5,为界限，将岩石划分三类:总应变小于3,者为脆性岩石;总应变在3,,5,者为半脆性或脆-塑性岩石;总应变大于5,者为塑性岩石。 延性(ductile) 物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力的性质，称为延性。 当前位置:课程学习/第四章 岩块的变形与强度性质/第二节 岩块的变形性质 第二节 岩块的变形性质 荷载的施加方式不同，所表现出的变形性质也不同，主要的加荷方式见下图。 不同的加荷方式下，岩石的变形与强度特征不同，因此，下面分别介绍不同的加荷方式下， 岩块的变形特点。 一、单轴压缩条件下的岩块变形 单轴压缩分连续加荷和循环加荷两种情况。 (一)连续加荷 1、变形阶段 岩块在连续单轴压缩条件下典型的应力-应变曲线如下图。可以划分为几个阶段，每一阶段的 变形特征不同，变形发生的机理也不相同。 典型的应力-应变曲线 (1)空隙压密阶段(OA) (2)弹性变形阶段(AB) B点:弹性极限 (2)微裂隙稳定发展阶段(BC) C点:屈服强度 (3)非稳定发展阶段(CD) D点:峰值强度 (4)破坏后阶段(DE) 说明: (1)孔隙裂隙压密阶段(OA段):即试件中原有张开性结构面或微裂隙逐渐闭合，岩石被压密，形成早期的非线性变形。σε曲线呈上凹型，曲线斜率随应力增加而逐渐增大，表明微裂隙的闭合开始较快，随后逐渐减慢。本阶段变形对裂隙化岩石来说较明显，而对坚硬少裂隙的岩石则不明显，甚至不显现。 (2)弹性变形至微破裂稳定发展阶段(AC段):该阶段的σ-εL曲线呈近似直线关系，而σ-εv曲线开始(AB段)为直线关系，随σ增加逐渐变为曲线关系。据其变形机理又可细分弹性变形阶段(AB段)和微破裂稳定发展阶段(BC段)。弹性变形阶段不仅变形随应力成比例增加，而且在很大程度上表现为可恢复的弹性变形，B点的应力可称为弹性极限。微破裂稳定发展阶段的变形主要表现为塑性变形，试件内开始出现新的微破裂，并随应力增加而逐渐发展，当荷载保持不变时，微破裂也停止发展。由于微破裂的出现，试件体积压缩速率减缓，σ-εv曲线偏离直线向纵轴方向弯曲。这一阶段的上界应力(C点应力)称为屈服极限。 (3)非稳定破裂发展阶段(或称累进性破裂阶段)(CD段):进入本阶段后，微破裂的发展出现了质的变化。由于破裂过程中所造成的应力集中效应显著，即使外荷载保持不变，破裂仍会不断发展，并在某些薄弱部位首先破坏，应力重新分布，其结果又引起次薄弱部位的破坏。依次进行下去直至试件完全破坏。试件由体积压缩转为扩容。轴向应变和体积应变速率迅速增大。试件承载能力达到最大，本阶段的上界应力称为峰值强度或单轴抗压强度。 (4)破坏后阶段(D点以后段):岩块承载力达到峰值后，其内部结构完全破坏，但试件仍基本保持整体状。到本阶段，裂隙快速发展、交叉且相互联合形成宏观断裂面。此后，岩块变形主要表现为沿宏观断裂面的块体滑移，试件承载力随变形增大迅速下降，但并不降到零，说明破裂的岩石仍有一定的承载能力。 2、峰值前岩块的变形特征 (1)前过程曲线类型及特征 类型A(弹性型)，表现为近似于直线关系的变形特征，直到发生突发性破坏，且以弹性变形为主，是玄武岩、石英岩、辉绿岩等坚硬、极坚硬岩类岩块的特征曲线。 类型B(弹-塑性型)，开始为直线，至末端则出现非线性屈服段。较坚硬而少裂隙的岩石，如石灰岩、砂砾岩和凝灰岩等常呈这种变形曲线。 类型C(塑-弹性型)，开 始为上凹型曲线，随后变为直线，直到破坏， 没有明显的屈服段。坚硬而有裂隙发育的岩石如花岗岩、砂岩及平行片理加荷的片岩等常具这种曲线。 类型D(塑-弹-塑性型1)，中部很陡的“S”形曲线，是某些坚硬变质岩(如大理岩和片麻岩) 常见的变形曲线。 类型E(塑-弹-塑性型2)，中部较缓的“S”形曲线，是某些压缩性较高的岩石如垂直片理加荷的片岩常见的曲线类型。 类型F(弹性-蠕变型)，开始为一很小的直线段，随后就出现不断增长的塑性变形和蠕变变形，是盐岩等蒸发岩、极软岩等的特征曲线。 以上曲线中类型C、D、E具有某些共性，如开始部分由于空隙压密均为一上凹形曲线;当岩块微裂隙、片理、微层理等压密闭合后，即出现一直线段;当试件临近破坏时，则逐渐呈现出不同程度的屈服段。 (2)变形参数 A、变形模量指单轴压缩条件下，轴向压应力与轴向应变之比。应力-应变曲线为直线型，这时变形模量又称为弹性模量，右图。 应力-应变曲线为“S”型(下图)，定义为以下三种具体的形式: , 初始模量(E)指曲线原点处切线斜率。 i , 切线模量(E)指曲线上任一点处切线的斜率，在此特指中部直线段的斜率。 t , 割线模量(E)指曲线上某特定点与原点连线的斜率，通常取σ/2点与原点连线的斜率。 sc B、泊松比(μ)是指在单轴压缩条件下，横向应变(ε)与轴向应变(ε)之比。 dL • 在实际工作中，常采用σ/2处的ε与ε来计算岩块的泊松比。 cdL 岩块的变形模量和泊松比受岩石矿物组成、结构构造、风化程度、空隙性、含水率、微结构面及其与荷载方向的关系等多种因素的影响，变化较大。 常见岩石的变形模量和泊松比 44变形模量(×10MPa) 变形模量(×10MPa) 岩石名称 泊松比 岩石名称 泊松比 初始 弹性 初始 弹性 花岗岩 2~6 5~10 0.2~0.3 片麻岩 1~8 1~10 0.22~0.35 千枚岩、片流纹岩 2~8 5~10 0.1~0.25 0.2~5 1~8 0.2~0.4 岩 闪长岩 7~10 7~15 0.1~0.3 板岩 2~5 2~8 0.2~0.3 安山岩 5~10 5~12 0.2~0.3 页岩 1~3.5 2~8 0.2~0.4 辉长岩 7~11 7~15 0.12~0.2 砂岩 0.5~8 1~10 0.2~0.3 辉绿岩 8~11 8~15 0.1~0.3 砾岩 0.5~8 2~8 0.2~0.3 玄武岩 6~10 6~12 0.1~0.35 灰岩 1~8 5~10 0.2~0.35 石英岩 6~20 6~20 0.1~0.25 白云岩 4~8 4~8 0.2~0.35 大理岩 1~9 1~9 0.2~0.35 (3)其他变形参数 除变形模量和泊松比两个最基本的参数外，还有一些从不同角度反映岩块变形性质的参数。如剪切模量(G)、弹性抗力系数(K)、拉梅常数(λ)及体积模量(Kv)等。根据弹性力学，这些参数与变形模量(E)及泊松比(μ)之间有如下公式所示的关系。 3、峰值后岩块的变形特征 峰值后变形阶段应力-应变曲线只有在伺服压力机或刚性压力机下才可以获得，下图为伺服压力机。峰值后变形曲线与峰值前曲线合称为全过程曲线，与之对应，峰值前曲线称为前过程曲线。 塑性明显的岩石与脆性明显的岩石的峰值后岩块的变形特征不同，它们的变形曲线分别见下 图。 (二)循环加载 1、卸荷点(P)的应力低于岩石的弹性极限(A) 如果卸荷点(P)的应力低于岩石的弹性极限(A)，则卸荷曲线将基本上沿加荷曲线回到原点，表现为弹性恢复。 2、卸荷点(P)的应力高于岩石的弹性极限(A) 如果卸荷点(P)的应力高于弹性极限(A)，则卸荷曲线偏离原加荷曲线，也不再回到原点，变形除弹性变形(ε)外，还出现了塑性变形(ε)。 ep 3、反复加卸荷 ?逐级一次循环加载条件下，其应力-应变曲线的外包线与连续加载条件下的曲线基本一致(见下图)，说明加、卸荷过程并未改变岩块变形的基本习性，这种现象也称为岩石记忆。 ?每次加荷、卸荷曲线都不重合，且围成一环形面积，称为回滞环。 ?当应力在弹性极限以上某一较高值下反复加荷、卸荷时，由下图可见，卸荷后的再加荷曲线随反复加、卸荷次数的增加而逐渐变陡，回滞环的面积变小。残余变形逐次增加，岩块的总变形等于各次循环产生的残余变形之和，即累积变形。 ?由下图可知，岩块的破坏产生在反复加、卸荷曲线与应力-应变全过程曲线交点处。这时的循环加、卸荷试验所给定的应力，称为疲劳强度。它是一个比岩块单轴抗压强度低且与循环持续时间等因素有关的值。 二、三轴压缩条件下的岩块变形性 三、岩石的蠕变性质 当前位置:课程学习/第四章 岩块的变形与强度性质/第三节 岩块的强度性质 第三节 岩块的强度性质 岩块的强度是指岩块抵抗外力破坏的能力。 根据受力状态不同，岩块的强度可分为单轴抗压强度、单轴抗拉强度、剪切强度、三轴压缩强度等。 一、单轴抗压强度σ c 1、定义 在单向压缩条件下，岩块能承受的最大压应力，简称抗压强度(MPa)。 2、研究意义 (1)衡量岩块基本力学性质的重要指标。 (2)岩体工程分类、建立岩体破坏判据的重要指标。 (3)用来估算其他强度参数。 3、测定 方法 抗压强度试验 点荷载试验 4、常见岩石的抗压强度 常见岩石的抗压强度 抗压强度抗压强度抗压强度 岩石名称 岩石名称 岩石名称 (MPa) (MPa) (MPa) 辉长岩 180~300 辉绿岩 200~350 页岩 10~100 花岗岩 100~250 玄武岩 150~300 砂岩 20~200 流纹岩 180~300 石英岩 150~350 砾岩 10~150 闪长岩 100~250 大理岩 100~250 板岩 60~200 千枚岩、片 安山岩 100~250 片麻岩 50~200 10~100 岩 白云岩 80~250 灰岩 20~200 二、单轴抗拉强度σ t 1、定义 单向拉伸条件下，岩块能承受的最大拉应力，简称抗拉强度。 2、研究意义 (1)衡量岩体力学性质的重要指标 (2)用来建立岩石强度判据，确定强度包络线 (3)选择建筑石材不可缺少的参数 3、测定方法 直接拉伸法 间接法(劈裂法、点荷载法) 4、常见岩石的抗拉强度 常见岩石的抗拉强度 抗拉强度抗拉强度抗拉强度 岩石名称 岩石名称 岩石名称 (MPa) (MPa) (MPa) 辉长岩 15~36 花岗岩 7~25 页岩 2~10 辉绿岩 15~35 流纹岩 15~30 砂岩 4~25 玄武岩 10~30 闪长岩 10~25 砾岩 2~15 石英岩 10~30 安山岩 10~20 灰岩 5~20 千枚岩、片 大理岩 7~20 片麻岩 5~20 1~10 岩 白云岩 15~25 板岩 7~15 5、抗拉强度与抗压强度的比较 岩石中包含有大量的微裂隙和孔隙，岩块抗拉强度受其影响很大，直接削弱了岩块的抗拉强度。相对而言，空隙对岩块抗压强度的影响就小得多，因此，岩块的抗拉强度一般远小于其抗压强度。 通常把抗压强度与抗拉强度的比值称为脆性度，用以表征岩石的脆性程度。 岩块的几种强度与抗压强度比值 与抗压强度的比值 岩石名称 抗拉强度 抗剪强度 抗弯强度 煤 0.009~0.06 0.25~0.5 页岩 0.06~0.325 0.25~0.48 0.22~0.51 砂质页岩 0.09~0.18 0.33~0.545 0.1~0.24 砂岩 0.02~0.17 0.06~0.44 0.06~0.19 石灰岩 0.01~0.067 0.08~0.10 0.15 大理岩 0.08~0.226 0.272 花岗岩 0.02~0.08 0.08 0.09 石英岩 0.06~0.11 0.176 三、剪切强度 1、定义 在剪切荷载作用下，岩块抵抗剪切破坏的最大剪应力，称为剪切强度。 2、类型 (1)抗剪断强度:指试件在一定的法向应力作用下，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力。 (2)抗切强度: 指试件上的法向应力为零时，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力。 (3)摩擦强度:指试件在一定的法向应力作用下，沿已有破裂面(层面、节理等)再次剪切破坏时的最大剪应力。 3、研究意义 反映岩块的力学性质的重要指标。 用来估算岩体力学参数及建立强度判据。 4、抗剪断强度的测试方法 直剪试验 变角板剪切试验 三轴试验 5、常见岩石的剪切强度 常见岩石的剪切强度 内摩擦角内聚力内摩擦角内聚力 岩石名称 岩石名称 (?) (MPa) (?) (MPa) 辉长岩 50~55 10~50 花岗岩 45~60 14~50 辉绿岩 55~60 25~60 流纹岩 45~60 10~50 玄武岩 48~55 20~60 闪长岩 53~55 10~50 石英岩 50~60 20~60 安山岩 45~50 10~40 大理岩 35~50 15~30 片麻岩 30~50 3~5 页岩 3~20 灰岩 10~50 15~30 35~50 砂岩 8~40 白云岩 35~50 20~50 35~50 千枚岩、片 砾岩 35~50 8~50 1~20 ~65 26 岩 板岩 45~60 2~20 四、三轴压缩强度 1、定义 试件在三向压应力作用下能抵抗的最大的轴向应力。 2、测定方法 三轴试验 3、利用三轴试验确定抗剪强度 根据一组试件(4个以上)试验得到的三轴压缩强度σ和相应的σ以及单轴抗拉强度σ。在σ-τt1m3坐标系中可绘制出岩块的强度包络线。除顶点外，包络线上所有点的切线与σ轴的夹角及其在τ轴上的截距分别代表相应破坏面的内摩擦角(υ)和内聚力(C)。 4、几种强度之间的换算 根据应力摩尔圆可以进行几种强度之间的换算,已知其中某些强度，可以计算其他的强度值。 假设强度包络线为直线(在σ<10MPa的情况下，往往这样。)，如下图，可以得到下面的3 公式: 由此可以根据岩石的内摩擦角、内聚力和σ计算岩石的三轴强度。 3 同样，也可以得到下式: 由此可以计算岩石的抗压强度、抗拉强度、内聚力、内摩擦角。 当前位置:课程学习/第四章 岩块的变形与强度性质/第四节 岩石的破坏判据 第四节 岩石的破坏判据 岩石在一定的受力条件下可能要发生破坏,用来判断岩石是否破坏需用到破坏判据。 破坏判据:表征岩石破坏条件的应力状态与岩石强度参数间的 函数 excel方差函数excelsd函数已知函数     2 f x m x mx m      2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载 关系，称为破坏判据或称强度准则、强度判据。 在岩体力学研究中,用到的判据主要有库仑--纳维尔判据、莫尔判据、格里菲斯判据和八面体强度判据。 一、库仑-纳维尔判据 1、理论依据 固体内任一点发生剪切破坏时，破坏面上的剪应力(τ)应等于或大于材料本身的抗切强度(C)和作用于该面上由法向应力引起的摩擦阻力(σtgυ)之和。 2、判据公式 3、适用条件 库仑-纳维尔判据适用于坚硬、较坚硬的脆性岩石产生剪切破坏的情况，而不适用于拉破坏的情况。 4、基本特征 (1)按照库仑-纳维尔理论，岩石的强度包络线是一条斜直线，破坏面与最小主平面的夹角α=45?,υ/2。 (2)库仑-纳维尔判据没有考虑中间主应力σ的影响。 2 二、莫尔判据 1、基本理论依据 莫尔考虑了三向应力状态下的库仑--纳维尔判据后认为:材料在极限状态下，剪切面上的剪应力就达到了随法向应力和材料性质而定的极限值。 也就是说，当材料中一点可能滑动面上的剪应力超过该面上的剪切强度时，该点就产生破坏，而滑动面的剪切强度τ又是作用于该面上法向应力σ的函数。 判断岩石中一点是否会发生剪切破坏时，可在莫尔包络线上，叠加上反映实际研究点应力状态的莫尔应力圆，如果应力圆与包络线相切或相割，则研究点将产生破坏;如果应力圆位于包络线下方，则不会产生破坏。 2、判据公式 对于不同的岩石，莫尔包络线类型并不完全一致，因此不能用一个统一的公式来表示，一般可以划分为以下三种类型，其破坏判据与适用条件均不相同。 (1)抛物线型 适用于岩性较坚硬至较软弱的 岩石，如泥灰岩、砂岩、泥页岩等 岩石。 (2)双曲线型 适用于砂岩、灰岩、花岗岩 等坚硬、较坚硬岩石。 (3)直线型 同于库仑-纳维尔判据，即。 • 3、适用条件 适用于剪破坏，不适用于拉破坏、膨胀或蠕变破坏。 4、基本特征 (1)莫尔强度理论实质上是一种剪应力强度理论。它既适用于塑性岩石也适用于脆性岩石的 剪切破坏。 , (2)反映了岩石抗拉强度远小于抗压强度这一特性，并能解释岩石在三向等拉时会破 坏，而在三向等压时不会破坏(曲线在受压区不闭合)的特点。 • (3)忽略了中间主应力σ的影响。 2 三、格里菲斯判据 1、基本理论依据 这是格里菲斯在研究“为什么玻璃等脆性材料的实际抗拉强度比由分子理论推算的强度低得 多”这一问题后提出了脆性破坏理论。 他认为:脆性材料中包含有大量的微裂纹和微孔洞。材料的破坏是由于这些微裂纹或孔洞在局部拉应力作用下产生扩展、联合的结果，岩石就是这样一种包含大量微裂纹和孔洞的脆性材料，因此，格里菲斯理论为岩石破坏判据提供了一个重要理论基础。 2、判据公式 剪应力表达式: 主应力表达式: 3、适用条件 适用于坚硬岩石的拉破坏。 4、修正的格里菲斯判据(考虑摩擦效应f、C) 四、八面体强度判据 八面体:指空间坐标中每个卦限取一等斜面，八个等斜面构成的多面体，称为八面体。 , 八面体强度判据认为岩石破坏的原因是八面体上的剪应力(τ)达到了临界值所引8 起的。 , 八面体应力大小: 米赛斯强度判据:岩石单向受力至屈服时，当τ达到八面上的极限剪应力时，岩石屈服(或8 破坏)。 德鲁克-普拉格判据: , 该判据适用于以延性破坏为主的岩石。 , 八面体强度判据的优点是考虑了中间主应力的作用。 当前位置:课程学习/第四章 岩块的变形与强度性质/练习与思考 本章小结 本章重点介绍了岩块的单轴加压和三轴加压条件下的变形性质以及变形参数的确定;岩块的抗压强度、抗拉强度、三轴强度、剪切强度的定义、测试方法、影响因素;岩石的破坏判据。对岩块卸荷变形、岩石的蠕变特征等作了一般介绍。 练习与思考 1、与材料力学中所学材料相比，岩块的变形与强度有什么特别的地方, 2、如图，岩块试件受双向应力状态，其应力分量:σ=12Mpa，σ=20MPa，τ=MPa。 xyxy 1) 绘出代表应力状态的摩尔应力圆， 并根据图形确定其主应力的大小与方向(σ与X轴的夹角); 1 2) 用解析法和图解法求图中斜面上的正应力σ和剪应力τ，并进行对比。 nn 3、假定岩石中一点的应力为:σ=61.2Mpa，σ= -11.4MPa，室内实验测得的岩石单轴抗拉强度剪切强度参数13 C=30MPa，tgΦ=1.54， 试用格里菲斯判据和库仑-纳维尔判据分别判断该岩块是否破坏，并讨论结果。 4、分析岩块的单轴抗拉强度比抗压强度小得多的原因。 5、劈裂实验中，岩样承受的是压力，为什么会在破坏面上出现拉应力, 6、什么是全应力-应变曲线，为什么在普通材料试验机上得不到全应力-应变曲线, 7、比较各强度判据的理论依据和适用条件。 当前位置:课程学习/第五章 结构面的变形与强度性质/学习指导 学习指导 内容简介:岩体被结构面分割成一系列的割裂体。结构面成为岩体中的最薄弱部位，是决定岩体力学性质的最主要因素。岩体结构面力学性质的研究，是岩体力学中重要的研究课题之一。本章将介绍结构面的变形与强度性质。 视频导学: 学习要点:掌握法向刚度、剪切刚度、最大闭合量等重要概念;掌握结构面的变形性质;掌握结构面法向刚度、剪切刚度的确定方法;掌握各类结构面的强度特征及确定方法。 基本概念:法向刚度、剪切刚度、最大闭合量 学习内容: , 第一节 概述 , 第二节 结构面的变形性质 , 第三节 结构面的抗剪强度 学习进度:总学时3学时，具体分配如下: , 第一节 0.5学时 , 第二节 1学时 , 第三节 1.5学时 参考书籍: , 重庆建筑工程学院、同济大学，1981，岩体力学。北京:中国建筑工业出版社。 , 谷德振著，1979，岩体工程地质力学基础。北京:科学出版社。 , 郭志著，1996，实用岩体力学。北京:地震出版社。 , 湖南水利水电勘测设计院，1983，边坡工程地质。北京:水利电力出版社。 , 华安增，1980，矿山岩石力学基础。北京:煤炭工业出版社。 , 李铁汉、潘别桐，1980，岩体力学。北京:地质出版社。 当前位置:课程学习/第五章 结构面的变形与强度性质/第一节 概述 第一节 概述 在工程荷载范围内(一般小于10MPa)，工程岩体常常是沿软弱结构面失稳破坏。这方面的工程实例很多。 在工程荷载作用下，结构面及其充填物的变形是岩体变形的主要组分，控制着工程岩体的变形特性。 结构面是岩体渗透水流的主要通道。在工程荷载作用下结构面的变形又将极大地改变岩体的渗透性、应力分布及其强度。因此，预测工程荷载作用下岩体渗透性的变化，必须研究结构面的变形性质及其本构关系。 工程荷载作用下，岩体中应力分布受结构面及其力学性质的影响。 当前位置:课程学习/第五章 结构面的变形与强度性质/第二节 结构面的变形性质 第二节 结构面的变形性质 一、法向变形性质一、法向变形性质 1、法向变形的特征 为了测试得到结构面的应力-变形曲线，取含结构面和不含结构面的两块试件做变形试验，得变形曲线σ-ΔV，设不含结构面的岩块变形为ΔV(包括岩块和结构面的变形)，设不含结构面的rn 岩块变形为ΔV(仅仅只包括岩块的变形)。则结构面的法向闭合变形ΔV为: jt ΔV,ΔV-ΔV jrt 应力-变形关系曲线见下图，表现出以下特征: (1)开始时随着法向应力增加，结构面闭合变形迅速增长，σ-ΔV及σ-ΔV曲线均呈上凹型。nnj当σ增到一定值时，σ-ΔV曲线变陡，并与σ-ΔV曲线大致平行。说明结构面已基本上完全闭nntnr 合，其变形主要是岩块变形贡献的。这时ΔV则趋于结构面最大闭合量V。 jm (2)初始压缩阶段，含结构面的岩块变形ΔV主要是由结构面的闭合造成的。试验表明，当σtn,1MPa时， ΔV/ΔV可达5,30，说明ΔV占了很大一部分。 trt • (3)法向应力σ大约从σ/3处开始，含结构面的岩块变形由以结构面的闭合为主转为以nc 岩块的弹性变形为主。 结构面加载、卸载的应力-变形关系曲线如下图。 卸荷的应力-变形关系曲线特征: • •(1)结构面的卸荷变形曲线(σ-ΔV)仍为一以ΔV,V为渐近线的非线性曲线。卸荷后jjmn 留下很大的残余变形不能恢复，不能恢复部分称为松胀变形。 • (2)卸荷后留下残余变形的大小主要取决于结构面的张开度(e)、粗糙度(JRC)、壁岩强 度(JCS)及加、卸载循环次数等因素。 • (3)随着循环次数的增加，σ-ΔV曲线逐渐变陡，且整体向左移。 jn (4)每次循环荷载所得的曲线形状十分相似，且其特征与加荷方式及其受力历史无关。 2、法向变形本构方程2、法向变形本构方程 ,1)Goodman 方程 较适用于具有一定滑错位移的非嵌合性结构面。 (2) Bardis方程 较适合于未经滑错位移的嵌合结构面(如层面)的法向变形特征。 3、法向刚度及其确定方法 (1)定义:法向刚度K是指在法向应力作用下，结构面产生单位法向变形所需要的应力，n 数值上等于σ- ,,曲线上一点的切线斜率。 ,, (2)确定方法: , 试验法:室内变形试验、现场变形试验 , 本构方程和经验估算法，见下式: 二、结构面的剪切变形性质 二、结构面的剪切变形性质 1、剪切变形特征 粗糙结构面，呈脆性变形型，如右图中a 线，有峰值和明显的应力降 • 平直结构面，呈塑性变形型，如 右图中b线，无峰值和明显的应力 降 2、剪切变形本构方程 卡尔哈韦(Kalhaway)方程 3.剪切刚度及其确定方法 , (1)定义:剪切刚度K是反映结构面剪切变形性质的重要参数，其数值等于峰值前τ-,uS 曲线上任一点的切线斜率。 (2)确定方法 , 试验法:室内试验、现场试验 , 经验估算法(Barton方程)，见下式: 当前位置:课程学习/第五章 结构面的变形与强度性质/第三节 结构面的强度性质 第三节 结构面的抗剪强度 • •结构面强度分为抗拉强度和抗剪强度。由于结构面的抗拉强度非常小，常可忽略不计， 所以一般认为结构面是不能抗拉的。因此，通常近考虑结构面的抗剪强度。 • •在工程荷载作用下，岩体破坏常以沿某些软弱结构面的滑动破坏为主。因此，在岩体力 学中结构面的抗剪强度通常是研究的重点内容。 , 条件不同、性质不同的结构面其发生剪切作用的机理不同，因此其抗剪强度的确定方法 也不同，下面将分四种类型来介绍结构面的抗剪强度。 一、平直无充填的结构面 一、平直无充填的结构面 • 平直无充填的结构面包括剪应力作用下形成的剪性破裂面，如剪节理、剪裂隙等，发育 较好的层理面与片理面。其•特点是面平直、光滑，只具微弱的风化蚀变。坚硬岩体中的 剪破裂面还发育有镜面、擦痕及应力矿物薄膜等。这类结构面的抗剪强度大致与人工磨 制面的摩擦强度接近，即: 各种结构面抗剪强度指标的变化范围 摩擦角粘聚力摩擦角粘聚力结构面类型 结构面类型 (?) (MPa) (?) (MPa) 泥化结构面 10,20 0,0.05 云母片岩片理面 10,20 0,0.05 粘土岩层面 20,30 0.05,0.10 页岩节理面(平直) 18,29 0.10,0.19 泥灰岩层面 20,30 0.05,0.10 砂岩节理面(平直) 32,38 0.05,1.0 凝灰岩层面 20,30 0.05,0.10 灰岩节理面(平直) 35 0.2 石英正长闪长岩节理面(平页岩层面 20,30 0.05,0.10 32,35 0.02,0.08 直) 砂岩层面 30,40 0.05,0.10 粗糙结构面 40,48 0.08,0.30 砾岩层面 30,40 0.05,0.10 辉长岩、花岗岩节理面 30,38 0.20,0.40 石灰岩层面 30,40 0.05,0.10 花岗岩节理面(粗糙) 42 0.4 千板岩千枚理28 0.12 石灰岩卸荷节理面(粗糙) 37 0.04 面 滑石片岩、片(砂岩、花岗岩)岩石,混凝10,20 0,0.05 55,60 0,0.48 理面 土接触面 二、粗糙起伏无充填的结构面二、粗糙起伏无充填的结构面 , 这种类型的结构面，其剪切特点是: (1)当法向应力σ较小时，上盘岩块上下运动，产生爬坡效应，增大了τ; (2)当σ较大时，将剪断凸起而运动，也增大了τ。 由于结构面的粗糙起伏情况比较复杂，因此抗剪强度的确定也比较困难。下面就先讨论理想粗糙起伏情况比较复杂，因此抗剪强度的确定也比较困难。 的简单的条件(规则锯齿形结构面 )，再讨论一般的情况(不规则起伏结构面)。 1、规则锯齿形结构面 (1)σ较小，剪胀作用,其强度遵循Patton公式: (2)σ较大，啃断作用，其强度接近岩块的强度，即: 式中:, 、,分别为结构面壁 岩的内摩擦角和内聚力。 综合上二式，结构面的抗剪强度包络线如下图所示。 剪断凸起的条件为: 2、不规则起伏结构面 自然界岩体中绝大多数结构面的粗糙起伏形态是不规则的，起伏角也不是常数，见下图。 这类结构面的强度包络线不是折线，而是曲线形式。 • 巴顿(Barton)对8种不同粗糙起伏的结构面进行了试验研究，提出了剪胀角的概念并 用以代替起伏角，剪胀角α的定义为剪切时剪切位移的轨迹线与水平线的夹角，即: d Barton 通过大量结构面剪切试验，用统计方法求得Barton方程 三、非贯通断续的结构面 三、非贯通断续的结构面 • 这类结构面由裂隙面和非贯通的岩桥组成。在剪切过程中，一般认为两者都起抗剪作用。 即通过的裂隙面和岩桥都起抗剪作用。假设沿整个剪切面上的应力分布是均匀的，结构 面的线连续性系数为,，则整个结构面的抗剪强度为: 1 四、具有充填物的软弱结构面 四、具有充填物的软弱结构面 具有充填物的软弱结构面包括泥化夹层和各种类型的夹泥层，其形成多与水的作用和各类滑错作用有关。这类结构面的力学性质常与充填物的物质成分、结构及充填程度和厚度等因素密切相关。见下图。 充填物强度与颗粒粗细的关系 内摩擦角、内聚力与充填厚度的关系曲线 内摩擦角随充填度增大而减小 不同夹层物质成分的结构面抗剪强度 抗剪强度系数 夹层成分 摩擦系数(f) 粘聚力C(kPa) 泥化夹层和夹泥层 0.15,0.25 5,20 碎屑夹泥层 0.3,0.4 20,40 碎屑夹层 0.5,0.6 0,100 含铁锰质角砾碎屑夹层 0.6,0.85 30,150 某些工程中泥化夹层的抗剪强度参数值 内摩擦角(?) 粘聚力(MPa) 工 程 岩 性 室 内 现 场 室 内 现 场 F夹层泥化4青 山 10.8 9.6 0.010 0.060 带 202夹层泥葛洲坝 13.5 13 0.021 0.063 化带 C5夹层泥铜子街 17.7 16.7 0.010 0.018 化带 升 中 泥岩泥化 13.5 11.8 0.009 0.100 朱 庄 页岩泥化 16.2 13 0.003 0.033 盐锅峡 页岩泥化 17.2 17.2 0.025 0 上犹江 板岩泥化 15.6 15.1 0.042 0.051 五强溪 板岩泥化 17.7 15.1 0.021 0.018 当前位置:课程学习/第五章 结构面的变形与强度性质/练习与思考 本章小结 本章重点介绍了结构面的法向变形、剪切变形的特征以及参数的确定;各类结构面的剪切强度特征以及确定方法。对结构面变形的本构关系等内容作了一般介绍。 练习与思考 1、比较岩块与结构面的压缩变形特征的不同，分析其原因。 2、不同类型的结构面其抗剪强度不同，请分析造成这种不同的原因。 3、结构面的剪切变形、法向变形与结构面的哪些因素有关, 4、如何正确理解巴顿公式的含义, 5、有一节理面的起伏角i=20?，基本摩擦角υ=35?，两壁岩石的内摩擦角υ=40?，C=10Mpa, 作出节理面的剪切b 强度曲线。 当前位置:课程学习/第六章 岩体的力学性质/学习指导 学习指导 内容简介:岩体中存在各种类型不同、规模不等的结构面，并受到天然应力和地下水等环境因素的影响，在外力作用下其力学属性往往表现出非均质、非连续、各向异性和非弹性。人类的工程活动都是在岩体表面或岩体内部进行的，因此，研究岩体的力学性质具有实际意义。本章将主要介绍岩体的变形与强度性质，同时对岩体的动力学性质及水力学性质也作一简要介绍。 视频导学: 学习要点:掌握岩体原位变形试验及变形参数的确定、岩体变形性质、变形参数的估算;掌握岩体的各种强度类型、测试方法和经验估算方法;了解岩体的动力变形特征与强度性质，掌握动力条件与静力条件下岩体变形参数的差别;了解岩体的水力学性质。 基本概念:承压板试验、动泊松比、动弹性模量、动强度、单位吸水率、压水试验 学习内容: , 第一节 岩体的变形性质 , 第二节 岩体的剪切强度 , 第三节 岩体的动力学性质 , 第四节 岩体的水力学性质 学习进度:总学时5学时，具体分配如下: , 第一节 1.5学时 , 第二节 1.5学时 , 第三节 1学时 , 第四节 1学时 参考书籍: , 重庆建筑工程学院、同济大学，1981，岩体力学。北京:中国建筑工业出版社。 , 谷德振著，1979，岩体工程地质力学基础。北京:科学出版社。 , 郭志著，1996，实用岩体力学。北京:地震出版社。 , 湖南水利水电勘测设计院，1983，边坡工程地质。北京:水利电力出版社。 , 华安增，1980，矿山岩石力学基础。北京:煤炭工业出版社。 , 李铁汉、潘别桐，1980，岩体力学。北京:地质出版社。 当前位置:课程学习/第六章 岩体的力学性质/第一节 岩体的变形性质 第一节 岩体的变形性质 岩体的变形是岩块变形和结构变形的总和，结构变形通常包括结构面闭合、充填物的压密及结构体转动和滑动等变形。 岩体变形=岩块变形+结构面闭合+充填物压缩+其他变形 在一般情况下，岩体的结构变形起着控制作用。 一、岩体变形试验及其变形参数确定 岩体的变形试验包括静力法和动力法两大类: 1、静力法 基本原理:在选定的岩体表面、槽壁或钻孔壁面上施加法向荷载，并测定岩体的变形值;然 后绘制出压力-变形关系曲线，计算出岩体的变形参数。 常用的测试岩体变形参数的静力法原位实验有以下三种: (1)承压板法 (2)钻孔变形法 (3)狭缝法 2、动力法 基本原理:用人工方法对岩体发射(或激发)弹性波(声波或地震波)，并测定其在岩体中的传播 速度，然后根据波动理论求岩体的变形参数。 动力法包括声波试验等。 3、岩体的变形参数 常见岩体的弹性模量和变形模量表 承压 岩体应力试验弹性模量变形模量面积地质简述 备注 33名称 (MPa) 方法 E(10MPa) E(10MPa) mem2(cm) 4.03~1单轴 煤 2 025 4.07 南非 8.0 压缩 隔河岩，承压泥质页岩与砂岩互 3.5 1.93 垂直岩2.8 板 层，较软 层 隔河岩，承压较完整，垂直于岩层， 3.5 5.24 4.23 垂直岩板 裂隙较发育 层 隔河岩，页 承压岩层受水浸，页岩泥 3.5 7.5 4.18 平行岩岩 板 化变松软 层 摩洛哥，水压 0.7 19 14.6 薄层的黑色页岩 平行岩法 层 摩洛哥，水压 0.7 7.3 6.6 薄层的黑色页岩 垂直岩法 层 承压二叠纪—三叠纪砂质 17.26 8.09 砂质板 页岩 页岩 承压 8.64 5.48 二叠纪—三叠纪砂质 板 页岩 200承压 19.2 16.4 新鲜，完整，致密 万安 0 板 200承压砂岩 3~6.3 1.4~3.4 弱风化，较破碎 万安 0 板 200承压 0.95 0.36 断层影响带 万安 0 板 承压新鲜，完整，局部有 35.4 23.4 隔河岩 板 微风化 承压薄层，泥质条带，部 22.1 15.6 隔河岩 板 分风化 狭缝 24.7 20.4 较新鲜完整 隔河岩 法 狭缝 9.15 5.63 薄层，微裂隙发育 隔河岩 法 石灰 岩 250承压 57.0 46 新鲜完整 乌江渡 0 板 250承压断层影响带，粘土充 23 15 乌江渡 0 板 填 250承压微晶条带，坚硬，完 104 乌江渡 0 板整 承压以礼河 1.44 节理发育 板四级 承压 7~12 鲁布格 板 白云 岩 承压 11.5~32 德国 板 狭缝 4.0 30~40 密实 意大利 法 片麻 岩 2.5~3承压 13~13.4 6.9~8.5 风化 德国 .0 板 2.5~3承压 40,50 丹江口 .0 板 承压 2.0 12.5 裂隙发育 板 花岗 岩 承压新鲜微裂隙至风化强 3.7,4.7 1.1,3.4 日 本 板 裂隙 大型Kurobe 三轴 坝 承压以礼河 5.95 38.2 11.2 坚硬，致密，完整 板 三级 玄武 岩 承压 9.75~15. 3.35~3.8破碎，节理多，且坚以礼河 5.95 板 68 6 硬 三级 承压以礼河 5.11 3.75 1.21 断层影响带，且坚硬 板 三级 变质，完整，致密， 83 36 丹江口 辉绿裂隙为岩脉充填 岩 9.2 有裂隙 德国 承压 5.6 62 新鲜，完整 太平溪 板 闪长 岩 承压 5.6 16 弱风化，局部较破碎 太平溪 板 石英承压 40~45 密实 摩洛哥 岩 板 几种岩体用不同试验方法测定的弹性模量 3弹性模量，(10MPa) 岩体类型 备注 无侧限压(实验承压板法狭缝法(现钻孔千斤顶法 室，平均) (现场) 场) (现场) 裂隙和成层的闪Tehachapi隧80 3.72,5.84 - 4.29,7.25 长片麻岩道 大到中等节理的53 3.5,35 - 10.8,19 Dworshak坝 花岗片麻岩 大块的大理岩 48.5 12.2,19.1 12.6,21 9.5,12 Crestmore矿 由以上可知: (1)岩体的变形模量比岩块的小，而且受结构面发育程度及风化程度等因素影响十分明显。 (2)不同地质条件下的同一类型的岩体，其变形模量相差较大。 (3)试验方法不同、压力大小不同，得到的岩体变形模量不同。 二、岩体变形参数估算 一种估算方法是在现场地质调查的基础上，建立适当的岩体地质力学模型，利用室内小试件试验资料来估算岩体变形参数，这里以层状岩体为例进行介绍。 另一种估算方法是在岩体质量评价和大量试验资料的基础上，建立岩体分类指标与变形参数之间的经验关系，估算岩体变形参数。 1、层状岩体变形参数估算 针对层状岩体的地质力学模型(见右图)，假设: , 各岩层厚度相等为S，且性质相同。 , 层面的张开度忽略不计 , 假设岩块变形参数为E，μ和G，层面变形参 数为K，K。 ns , 取n-t坐标系，n垂直层面，t平行层面。 , 由岩块和层面组成单元体。 (1)法向应力σ作用下的岩体变形参数 n 1)沿n方向加荷 2)沿t方向加荷 (2)剪应力作用下的岩体变形参数 2、裂隙岩体变形参数的估算 (1)用RMR值估算岩体变形模量 (2)用Q值估算纵波速度和岩体平均变形模量 三、岩体变形曲线类型及其特征 1、法向变形曲线 岩体变形曲线有以下一些类型，其特征各不相同。 (1) (2) (3) (4) 岩体法向变形曲线类型示意图 f(W)KW加压过程中W随p成正比增加。岩(1)直线型:通过原点的直线，其方程为p,, 体岩性均匀、结构面不发育或结构面分布均匀多呈这种状态。分下面两种情况: 陡直线型:岩体刚度大，不易变形，岩体较坚硬、完整、致密均匀、少裂隙，以弹性变形为主，接近于均质弹性体。 缓直线型:岩体刚度低，易变形，由多组结构面切割且分布较均匀或岩性较软弱且均质或平行层面加压。有明显的塑性变形和回滞环，非弹性变形。 (2)上凹型:曲线方程为p,f(W)，dp/dW随p增大而递增，dp/dW,0层状及节理岩体多呈这类曲线。分下面两种情况: 第一种情况:岩体刚度随循环次数增加而增大，弹性变形成分较大。多为垂直层面加压的较坚硬层状岩体。 第二种情况:卸压曲线较陡，变形大部分为塑性变形。多为存在软弱夹层的层状岩体及裂隙岩体或垂直层面加压的层状岩体。 22(3)上凸型:曲线方程为p,f(W)，dp/dW随p增加而递减，dp/dW,0。结构面发育且有泥质充填的岩体、较深处埋藏有软弱夹层或岩性软弱的岩体常呈这类曲线。 (4)复合型:p-W曲线呈阶梯或“S”型。结构面发育不均或岩性不均匀的岩体，常呈此类曲线。 2、剪切变形曲线 剪切变形曲线有以下三种类型。 (1) (2) (3) 岩体剪切变形曲线类型示意图 (1)峰值前曲线平均斜率小，破坏位移大;峰值后应力降很小或不变。多为沿软弱结构面剪切。 (2)峰值前曲线平均斜率较大，峰值强度较高。峰值后应力降较大。多为沿粗糙结构面、软弱岩体及剧风化岩体剪切。 (3)峰值前曲线斜率大，线性段和非线性段明显，峰值强度高，破坏位移小。峰值后应力降大，残余强度较低。多为剪断坚硬岩体。 四、影响岩体变形性质的因素 影响因素:岩性、结构面特征、风化程度、试验方法、试件尺寸、加荷条件、温度、湿度等。 当前位置:课程学习/第六章 岩体的力学性质/第二节 岩体的强度性质 第二节 岩体的强度性质 岩体强度是指岩体抵抗外力破坏的能力。岩体的强度既不同于岩块的强度，也不同于结构面的强度，一般情况下，其强度介于岩块与结构面强度之间。 岩体和岩块一样，岩体强度也有抗压强度、抗拉强度和剪切强度之分。 一、岩体的剪切强度 1、岩体剪切强度的类型 岩体的剪切强度是指岩体内任一方向剪切面，在法向应力作用下所能抵抗的最大剪应力。剪切强度分为抗剪断强度、抗剪强度和抗切强度。 (1)抗剪断强度:是指在任一法向应力下，横切结构面剪切破坏时岩体能抵抗的最大剪应力。 (2)抗剪强度:是指在任一法向应力下，岩体沿已有破裂面剪切破坏时的最大应力。 (3)抗切强度:是指剪切面上的法向应力为零时的抗剪断强度。 2、原位岩体剪切试验及其强度参数确定 利用双千斤顶法直剪试验可以测试岩体的剪切强度。 3、岩体的剪切强度特征 岩体沿结构面剪切(重剪破坏)时，岩体剪切强度最低，等于结构面的抗剪强度。 横切结构面剪切(剪断破坏)时，岩体剪切强度最高。沿复合剪切面剪切(复合破坏)时，其强度介于以上两者之间。 岩体剪切强度包络线示意图 因此，岩体的剪切强度是具有上限和下限的值域，其强度包络线也是有上限和下限的曲线族。上限是岩体的剪断强度,下限是结构面的抗剪强度。 当应力σ较低时，强度变化范围较大，随着应力增大，范围逐渐变小。当应力σ高到一定程度时，包络线变为一条曲线，岩体强度将不受结构面影响而趋于各向同性体。 岩石坚硬程度不同，强度变化范围和大小也不同，见下图。 坚硬岩石的强度曲线 软弱岩石的强度曲线 二、裂隙岩体的压缩强度 岩体的压缩强度分为单轴抗压强度和三轴压缩强度。 在生产实际中，通常是采用原位单轴压缩和三轴压缩试验来确定。 由于岩体中包含大量的结构面，使得岩体的强度降低，这一点可以由单结构面理论来说明。 单结构面理论:如下图，在岩体中存在一组结构面，与最小主应力夹角为β。则有: 单结构面理论示意图 若沿结构面破坏，应满足下列条件: 则有， 由上式可知: (1)岩体的强度(σ-σ)随结构面倾角β的变化而变化，见下图。 13 沿结构面破坏β的变化范围示意图 (2)当β?υ或β?90?时，岩体不可能沿结构面破坏，而只能产生剪断岩体破坏。只有当j β?β?β时，岩体才能沿结构面破坏。β和β 1212 (3)当β=45?，υ/2时，岩体强度取得最低值，为: j (4)岩体的三轴强度为: 当σ=0，可得岩体的单轴强度为: 3 含多组结构面，且假定各组结构面具有相同的性质时，可分步运用单结构面理论确定岩体强 度包线及岩体强度，见下图。 含不同组数结构面岩体强度曲线 因此，随结构面组数的增加，岩体的强度趋向于各向同性，并被大大削弱，且多沿复合结构面破坏。 研究表明，含四组以上结构面岩体的强度可按各向同性考虑。 三、裂隙岩体强度的经验估算 Hoek-Brown的经验方程: M、S、A、B、T为与岩性及结构面情况有关的常数，根据岩体性质查表确定。 岩体质量和经验常数之间关系表 粗粒、多矿物具有很好结成岩的粘土强烈结晶，结细粒、多矿物结晶岩浆岩经验强度方程: 晶解理的碳质岩石，如泥晶解理不发结晶岩浆岩。和变质岩。如酸盐类岩岩，粉砂岩、育的砂质岩如安山岩、辉角闪岩、辉长 石。如白云页岩、板岩石。如砂岩、绿岩、玄武岩岩、片麻岩、岩，灰岩、(垂直于板 石英岩 流纹岩 花岗岩、石英大理岩 理) 闪长岩等 完整岩块试件，实验室试m=10.0 m=7.0 m=15.0 m=17.0 m=25.0 件尺寸，无节理。 S=1.0 S=1.0 S=1.0 S=1.0 S=1.0 RMR= 100 A=0.918 A=0.816 A=1.044 A=1.086 A=1.220 Q = 500 B=0.677 B=0.658 B=0.692 B=0.696 B=0.705 T=-0.099 T=-0.140 T=-0.067 T=-0.059 T=-0.040 非常好质量岩体，紧密互m=3.5 m=5.0 m=7.5 m=8.5 m=12.5 锁，未扰动、未风化岩体、S=0.1 S=0.1 S=0.1 S=0.1 S=0.1 节理间距3m左右。 A=0.651 A=0.739 A=0.848 A=0.883 A=0.998 RMR= 5 B=0.679 B=0.692 B=0.702 B=0.705 B=0.712 Q = 100 T=-0.028 T=-0.020 T=-0.013 T=-0.012 T=-0.008 好的质量岩体，新鲜至轻m=0.7 m=1.0 m=1.5 m=1.7 m=2.5 微风化，轻微构造变化岩S=0.004 S=0.004 S=0.004 S=0.004 S=0.004 体，节理间距1,3m左右。A=0.369 A=0.427 A=0.501 A=0.525 A=0.603 RMR = 65 B=0.669 B=0.683 B=0.695 B=0.698 B=0.707 Q= 10 T=-0.006 T=-0.004 T=-0.003 T=-0.002 T=-0.002 m=0.14 中等质量岩体、中等风m=0.20 m=0.30 m=0.34 m=0.50 S=0.000 1 化、岩体中发育有几组节S=0.000 1 S=0.000 1 S=0.000 1 S=0.000 1 A=0.198 理，间距为0.,1m左右。A=0.234 A=0.280 A=0.295 A=0.346 B=0.662 RMR= 44 B=0.675 B=0.691 B=0.691 B=0.700 T=-0.000 Q= 1.0 T=-0.000 5 T= -0.000 3 T= -0.000 3 T= -0.000 2 7 坏质量岩体，大量风化节m=0.04 m=0.05 m=0.08 m=0.09 m=0.13 理，间距30,500mm，并S=0.0000 1 S=0.0000 1 S=0.0000 1 S=0.0000 1 S=0.0000 1 含有一些夹泥。 A=0.115 A=0.129 A=0.162 A=0.172 A=0.203 RMR=23 B=0.646 B=0.655 B=0.672 B=0.676 B=0.686 Q= 0.1 T=-0.000 2 T= -0.000 2 T= -0.000 1 T= -0.000 1 T= -0.000 1 非常坏质量岩体，具大量m=0.007 m=0.010 m=0.015 m=0.071 m=0.025 严重风化节理，间距小于S=0 S=0 S=0 S=0 S=0 50mm充填夹泥。 A=0.042 A=0.050 A=0.061 A=0.065 A=0.078 RMR= 3 B=0.534 B=0.539 B=0.546 B=0.548 B=0.556 Q= 0.01 T=0 T=0 T=0 T=0 T=0 当前位置:课程学习/第六章 岩体的力学性质/第三节 岩体的动力学性质 第三节 岩体的动力学性质 岩体的动力学性质是岩体在动荷载作用下所表现出来的性质，包括岩体中弹性波的传播规律及岩体动力变形与强度性质。 一、岩体中弹性波的传播规律 1、弹性波在介质中的传播速度仅与介质密度ρ及其动力变形参数E，μ有关。因此可以通dd过测定岩体中的弹性波速来确定岩体的动力变形参数。 2、影响弹性波在岩体中的传播速度的因素: (1)岩性:不同岩性岩体中弹性波速度不同，岩体愈致密坚硬，波速愈大，反之，则愈小。 (2)结构面:沿结构面传播的速度大于垂直结构面传播的速度。 (3)应力:在压应力作用下，波速随应力增加而增加，波幅衰减少;反之，在拉应力作用下，则波速降低，衰减增大。 (4)含水量:随岩体中含水量的增加导致弹性波速增加。 (5)温度:岩体处于正温时，波速随温度增高而降低，处于负温时则相反。 二、岩体中弹性波速度的测定 可以采用地震法、声波法来测试弹性波速，下面就介绍常用的声波法。 声波法测试步骤: (1)选择代表性测线，布置测点和安装声波仪，见下图。 (2)发生正弦脉冲，向岩体内发射声波。 声波法测弹性波原理图 1.发射换能器;2.接收换能器;3.放大器;4.声波发射仪; 5.计时装置 (3) 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 纵、横波在岩体中传播的时间。 (4)根据下面的公式计算波速。 三、岩体的动力变形与强度参数 1、动力变形参数 动力变形参数有:动弹性模量和动泊松比及动剪切模量。可通过声波测试确定。 优点:不扰动被测岩体的天然结构和应力状态;测定方法简便，省时省力;能在岩体中各个部位广泛进行。 计算公式: 岩体与岩块的动弹性模量都普遍大于静弹性模量。坚硬完整岩体E/E约为1.2,2.0 ，风化、dme 裂隙发育的岩体和软弱岩体E/E约为1.5,10.0左右，大者可超过20.0。原因如下: dme ?静力法采用的最大应力大部分在1.0,10.0MPa，少数则更大，变形量常以mm计，而 -4动力法的作用应力约为10MPa量级，引起的变形量很微小。因此静力法会测得较大的不可逆变形，而动力法则测不到这种变形。 ?静力法持续的时间较长。 ?静力法扰动了岩体的天然结构和应力状态。 2、动力强度参数 -4-1-4-1若应变率<10s静态加载、准静态加载应变率>10s，视为 动态加载。 动态加载下岩石的强度比静态加载时的强度高。 试验表明冲击荷载下岩石的动抗压强度约为静抗压强度的1.2,2.0倍。 原因:这实际上是一个时间效应问题，在加载速率缓慢时，岩石中的塑性变形得以充分发展，反映出强度较低;反之，在动态加载下，塑性变形来不及发展，则反映出较高的强度。特别是在爆破等冲击荷载作用下，岩体强度提高尤为明显。 当前位置:课程学习/第六章 岩体的力学性质/第四节 岩体的水力学性质 第四节 岩体的水力学性质 一、概述 1、定义 岩体的水力学性质是指岩体与水共同作用所表现出来的力学性质。 2、水在岩体中的作用 水对岩石的物理化学作用。 水与岩体(或应力)相互耦合作用下的力学效应。 3、研究途径 由于问题的复杂，常建立一些模型进行研究。常见的研究模型有两种: (1)等效连续介质模型:认为裂隙岩体是由空隙性差而导水性强的结构面系统和导水性弱的 岩块孔隙系统构成的双重连续介质; (2)裂隙介质模型:把岩体看成为单纯的按几何规律分布的裂隙介质，用裂隙水力学参数或 几何参数来表征裂隙岩体的渗透空间结构。 二、单个结构面的水力特征 1、平直光滑无充填贯通结构面 如下图，水的运动粘滞系数为，结构面的隙宽为e 则，渗透系数为: 2、非平直光滑无充填贯通结构面 结构面的面连续性系数为K，结构面的相对粗糙修正系数为c结构面起伏差为h 2 则，渗透系数为: 三、裂隙岩体的水力特征 1、含一组结构面岩体的渗透性能 设结构面的张开度为e，间距为S，渗透系数为K;岩块的渗透系数为K fm 2、含多组结构面岩体的渗透性能 根据结构面发育的随机性，借助计算机搜索出一定范围内的连通结构面网络图，在此基础上，进一步计算岩体的渗透张量。 3、岩体渗透系数的测试 压水试验:压水试验一般在钻孔中进行，如下图所示，在钻孔中安置止水塞，将试验段与钻孔其余部分隔开，试验段长度为L(m)。然后用水泵向试验段压水，迫使水流进入岩体内。当试验压力达到指定值p时，并保持5,10min后，测得耗水量Q(L/min)。通过试验则可以获得岩体的单位吸水量。 岩体单位吸水量是指单位试验压力下、单位长度试段在单位时间内的岩体的吸水量。可按下式进行计算: 根据单位吸水量可以计算渗透系数，见下式 r为钻孔半径;a为与试验段位置有关的系数，当试验段底至隔水层的距离大于L时用0 0.66，反之用1.32。 若在钻孔内，自上而下单栓塞分段压水，试段长5m，相邻试段互相衔接，每试段按三• 级压力(p,p,p)、五个阶段(p-p-p-p-p)进行，通常取p=0.3MPa，p=0.6MPa， 1231232112 p=1.0MPa，则压水试验又可以成为吕荣试验，可以得到透水率q。 3 透水率q单位吕荣(Lu)的定义为当试段压力为1MPa时，每米试段的压入流量。按下式计算: 根据透水率和渗透系数可以对岩体渗透性进行分级。 岩体渗透性分级 标准 渗透性等级 岩体特征 渗透系数(cm/s) 透水率q(Lu) -6极微透水 0~0.1 含张开度,0.025mm裂隙的岩体 0~10 -6-5~微透水 0.1~1 含张开度0.025~0.05mm裂隙 1010 -5-4~弱透水 1~10 含张开度0.05~0.1mm裂隙 1010 -4-2~中等透水 10~100 含张开度0.1~0.5mm裂隙 1010 -2~强透水 含张开度0. 5~2.5mm裂隙 101 ?100 极强透水 ?1 含张开度,2.5mm裂隙或连通孔洞 四、应力对岩体渗透性能的影响 岩体的渗透系数随应力增加而降低。同时， 随岩体埋深的增加，结构面的密度和张开度相应减小，所以岩体的渗透性也随深度增加而减小。 人类工程活动对岩体渗透性有很大影响，如地下洞室和边坡的开挖、水库的修建等，也都影响到岩体的渗透性能。 五、渗流应力 当岩体中存在着渗透水流时，位于地下水面以下的岩体将受到渗流静水压力和动水压力的作用，这两种渗流应力又称为渗流体积力。 当前位置:课程学习/第六章 岩体的力学性质/练习与思考 本章小结 本章重点介绍了岩体原位测试及参数求取方法;岩体强度特征及测定、估算方法;单结构面强度理论等。对岩体的动力学性质、水力学性质等作了一般介绍。 练习与思考 1、通过本章学习，你对岩体的各向异性有什么具体的认识, 2、比较岩体与岩块性质的差别，加深其为不同概念的理解。 3、单结构面理论的内容是什么, 4、你是如何理解岩体强度的, 5、某岩石通过三轴试验，求得其剪切强度为:C=10MPa，υ=45?，试计算该岩石的单轴抗压强度和单轴抗拉强度。 6、某裂隙化安山岩，通过野外调查和室内实验，已知岩体属质量中等一类，RMR 值为44，Q值为1，岩块单轴抗压强度σ=75MPa，薄膜充填节理强度为:υ=15?、C=0，假定岩体强度服从cjj Hoek-Brown经验准则， 求:(1)绘出岩块、岩体及节理三者的强度曲线(法向应力范围为0~10MPa); (2)绘出该岩体C和υ随法向应力变化的曲线(法向应力范围为0~2.5MPa)。 mm 当前位置:课程学习/第七章 岩体中的天然应力/学习指导 学习指导 内容简介:人类工程活动之前存在于岩体中的应力，称为天然应力。岩体在天然应力作用下，不是处于静力稳定，而是处于一种动力平衡状态，一旦应力状态发生改变，这种动力平衡条件将遭破坏，岩体也将发生这样或那样的失稳现象。岩体中的天然应力状态，在研究区域稳定、岩体稳 定性以及在原位岩体测试工作中，均具有重要的实际意义。本章将主要介绍岩体天然应力的特征以及确定方法。 视频导学: 学习要点:掌握天然应力和重分布应力的基本概念;掌握岩体天然应力的分布特征;掌握天然应力的测试与计算方法。 基本概念:天然应力、重分布应力、天然应力比值系数 学习内容: , 第一节 概述 , 第二节 岩体天然应力的分布特征 , 第三节 岩体天然应力的确定 第三节 岩体天然应力的确定 学习进度:总学时3学时，具体分配如下: , 第一节 0.5学时 , 第二节 1学时 , 第三节 1.5学时 参考书籍: , 重庆建筑工程学院、同济大学，1981，岩体力学。北京:中国建筑工业出版社。 , 谷德振著，1979，岩体工程地质力学基础。北京:科学出版社。 , 郭志著，1996，实用岩体力学。北京:地震出版社。 , 湖南水利水电勘测设计院，1983，边坡工程地质。北京:水利电力出版社。 , 华安增，1980，矿山岩石力学基础。北京:煤炭工业出版社。 , 李铁汉、潘别桐，1980，岩体力学。北京:地质出版社。 当前位置:课程学习/第七章 岩体中的天然应力/第一节 概述 第一节 概述 一、定义 (1)天然应力:人类工程活动之前存在于岩体中的应力。 又称地应力、初始应力等。 (2)重分布应力:由于工程活动改变了的岩体中的应力。又称二次分布应力、附加应力等。 天然应力，没有工程活动 开挖洞室后的应立场，为在附近开挖第二个洞室， 重分布应力，与天然应力则视前一个洞室开挖后 有所改变 的应立场为天然应力，第 二个洞室开挖后的应力 场为重分布应力 二、天然应力的组成 天然应力一般由以下几部分组成: •由岩体自重引起的自重应力 •由构造运动引起的构造应力 •由流体作用引起的渗流应力 •其它(如，地温引起的温差应力、地球化学作用引起的化学应力等) 三、天然应力的研究历史与研究意义 1、研究历史 (1)世界上 •1878年海姆提出天然应力; •l932年，在美国胡佛水坝下的隧道中，首次成功地测定了岩体中的天然应力; •到目前天然应力测点遍布全球，有几十万个测点。大部分是浅部，最深5108米(美 国密执安水压致裂法)。 (2)中国 •20世纪50年代末开始天然应力量测，有几万个测点，最深的有3958米(天津大港)。 2、研究意义 (1)区域稳定 任何地区现代构造运动的性质和强度，均取决于该地区岩体的天然应力状态和岩体的力学性质。从工程地质观点看，地震是各类现代构造运动引起的重要的地质灾害。从岩体力学观点出发，地震是岩体中应力超过岩体强度而引起的断裂破坏的一种表现。在一定的天然应 力场基础上，常因修建大型水库改变了地区的天然应力场而引起水库诱发地震。 (2)地下洞室稳定 对于地下洞室而言，岩体中天然应力是围岩变形和破坏的力源。如果天然应力分布不均 匀，可能在洞顶拉裂掉块，洞侧壁内鼓张裂和倒塌。 (3)边坡稳定 天然应力状态与岩体稳定性关系极大，它不仅是决定岩体稳定性的重要因素，而且直接影响各类岩体工程的设计和施工。越来越多的资料表明，在岩体高应力区，地表和地下工程施工期间所进行的岩体开挖，常常能在岩体中引起一系列与开挖卸荷回弹和应力释放相联系 的变形和破坏现象，使工程岩体失稳。 (4)地基岩体稳定 开挖基坑或边坡，由于开挖卸荷作用，将引起基坑底部发生回弹隆起，并同时引起坑壁 或边坡岩体向坑内发生位移。 当前位置:课程学习/第七章 岩体中的天然应力/第二节 岩体天然应力的分布特征 第二节 岩体天然应力的分布特征 一、中国天然应力的分区性 中国板块处在四大板块环绕中，西南面受 印度板块向NNE挤压(5mm/a)，东面受 太平洋板块向W俯冲(1cm/a)，南面受菲律宾板块向N俯冲，北面受 西伯利亚板块阻挡。如下图: 在它们碰撞挤压下，形成了中国大陆岩体中的天然应力，大致可以以东经100,105?为界分东西两区。东西两区的天然应力特征差别很大。例如: (1)天然应力强度:西强东弱(西高东低) (2)最大水平应力方向:西区以 NNE-SSW为主，东区近E-W方 向，如下图: 二、铅直应力(σ) V 铅直应力主要由上覆岩体自重构成，因此可用下式估算: 因此，σ随深度的增加而线性增加。天然应力的实测结果也证实了这一点。铅直应力与埋藏V 深度关系的实测结果见下图。 σ多为压应力，且σ多为最小主应力，少数为中间主应力与最大主应力。 VV 三、水平应力(σ) h 1、岩体中天然应力常以水平应力为主，即σ> σ，特别是 σ> σ ,据统计资料: VVhhmax σ/σ?0.8-3.0 ，说明岩体中水平天然应力主要受地区现代构造应力场的控制; Vh 2、水平应力具有强烈的各向异性，即σ? σ ，我国华北σ/ σ?0.2-0.8，华南σ/ h1h2hminhmaxhminσ?0.3-0.75 。原因a.岩体各向异性;b.构造运动的方向性; hmax 3、水平天然应力以压应力为主，仅在一些裂谷区、地堑区出现拉应力，且是以一向压，一向拉多见。另外在地表卸荷带影响区，也可能出现水平应力为拉应力的现象。 四、天然应力比值系数λ与深度z 的关系 1、定义:天然水平应力与铅直应力的比值为天然应力比值系数(λ)。 2、特点:天然应力比值系数随深度增加而减小。见右下图。 五、主应力平面与水平面的关系 据主应力平面与水平面的关系，天然应力状态划分为: 1、水平应力场:两个应力轴近水平，或与水平面夹角很小，另一应力轴近铅直，三个应力轴与空间坐标一致，我国大陆范围内属这种应力场; 2、非水平应力场:水平应力与水平面夹45?左右，另一轴与水平面夹0~45?左右，分布于板块边缘。 六、高天然应力 有些部位岩体天然应力极高，对工程建设影响极大。 高天然应力标志主要有以下几点: •开挖洞室时，常产生岩爆、剥离; •收敛变形大，使开挖断面变小; •软弱夹层内的物质被挤出，节理闭合; •饼状岩心; •水下开挖无水渗出。 七、影响天然应力的因素 1、地形起伏 水平应力向负地形集中，向正地形释放，见下图 在斜坡附近，应力方向发生偏转，见下图 2、地表剥蚀 地表剥蚀后，天然应力比值系数必有>1的情况出现。 3、岩体性质 硬岩往往可积累较高的应力，而软岩则相反 4、地下水 产生渗流应力 5、地温 产生温度应力 当前位置:课程学习/第七章 岩体中的天然应力/第三节 岩体天然应力的确定 第三节 岩体天然应力的确定 第三节 岩体天然应力的确定第三节 岩体天然应力的确定 一、根据自重应力理论确定岩体中的天然应力 适用条件:地质构造简单、地层平缓、当地侵蚀基准面 下面分三种情况分别介绍: 1、均质各向同性岩体 2、水平层状岩体 3、垂直层状岩体 二、天然应力的量测 天然应力的量测方法较多，包括水压致裂法、应力恢复法(扁千斤顶法)、套芯应力解除法、 声发射法、光弹法、X射线法等，最常用的三种方法为: 1、水压致裂法 2、应力恢复法 3、钻孔套芯应力解除法 当前位置:课程学习/第七章 岩体中的天然应力/练习与思考 本章小结 本章重点介绍了岩体天然应力的概念、分布特征以及测试、估算方法。对岩体天然应力的研究意义等作了一般介绍。 练习与思考 1、 研究岩体中的天然应力具有什么工程意义, 2、岩体天然应力得分布特征如何, 3、岩体天然应力的各种量测方法，各有什么特点, 4、在什么情况下，可以按自重应力理论计算天然应力, 335、某岩体，在深度100m内，密度为2.54g/cm，在深度100~200m内，密度为2.71g/cm，天然应力比值系数为1.89，试按自重应力理论 计算深度50m、150m处的天然应力大小, 当前位置:课程学习/第八章 地下洞室围岩稳定性分析/学习指导 学习指导 内容简介:地下洞室是指人工开挖或天然存在于岩土体中作为各种用途的构筑物。地下开挖破坏了岩体天然应力的相对平衡状态，形成新的应力状态，称为重分布应力状态。在重分布应力作用下，洞室围岩将向洞内变形位移。如果围岩重分布应力超过了岩体的承受能力，围岩将产生破坏。变形破坏的围岩将对支衬结构施加称为围岩压力。在有压洞室中，围岩还将产生围岩抗力。地下洞室围岩稳定性分析，实质上是研究地下开挖后这几种力学作用的形成机理和计算方法。本章将主要讨论地下洞室围岩重分布应力、围岩变形与破坏、围岩压力和围岩抗力等的岩体力学分析计算问题。 视频导学: 学习要点:掌握围岩、围岩应力、围岩压力、围岩抗力等重要概念;掌握洞室围岩应力分布特征，变形破坏的类型与特征;掌握不同围岩压力的计算方法和围岩抗力和围岩极限承载力的确定。 基本概念:围岩、围岩应力、围岩压力、围岩抗力、应力集中系数、松动围岩压力、形变围岩压力、岩爆 学习内容: , 第一节 概述 , 第二节 围岩重分布应力计算 , 第三节 围岩的变形与破坏 , 第四节 围岩压力计算 , 第五节 围岩抗力与极限承载力 学习进度:总学时6学时，具体分配如下: , 第一节 0.5学时 , 第二节 2学时 , 第三节 1学时 , 第四节 1.5学时 , 第五节 1.0学时 参考书籍: , 重庆建筑工程学院、同济大学，1981，岩体力学。北京:中国建筑工业出版社。 , 谷德振著，1979，岩体工程地质力学基础。北京:科学出版社。 , 郭志著，1996，实用岩体力学。北京:地震出版社。 , 湖南水利水电勘测设计院，1983，边坡工程地质。北京:水利电力出版社。 , 华安增，1980，矿山岩石力学基础。北京:煤炭工业出版社。 , 李铁汉、潘别桐，1980，岩体力学。北京:地质出版社。 当前位置:课程学习/第八章 地下洞室围岩稳定性分析/第一节 概述 第一节 概述 一、地下洞室的定义与分类 1、定义 地下洞室(underground cavity)是指人工开挖或天然存在于岩土体中作为各种用途的构筑物。 2、地下洞室的分类 按用途:矿山巷道(井)、交通隧道、水工隧道、地下厂房(仓库)、地下军事工程 按洞壁受压情况:有压洞室、无压洞室 按断面形状:圆形、矩形、城门洞形、椭圆形 按与水平面关系:水平洞室、斜洞、垂直洞室(井) 按介质类型:岩石洞室、土洞 按应力情况:单式洞室、群洞 二、洞室围岩的力学问题 二、洞室围岩的力学问题 (1)围岩应力重分布问题——计算重分布应力 地下开挖破坏了岩体天然应力的相对平衡状态，洞室周边岩体将向开挖空间松胀变形，使围岩中的应力产生重分布作用，形成新的应力状态，称为重分布应力状态。 (2)围岩变形与破坏问题——计算位移、确定破坏范围 在重分布应力作用下，洞室围岩将向洞内变形位移。如果围岩重分布应力超过了岩体的承受能力，围岩将产生破坏。 (3)围岩压力问题——计算围岩压力 围岩变形破坏将给地下洞室的稳定性带来危害，因而，需对围岩进行支护衬砌，变形破坏的围岩将对支衬结构施加一定的荷载，称为围岩压力(或称山岩压力、地压等)。 (4)有压洞室围岩抗力问题——计算围岩抗力 在有压洞室中，作用有很高的内水压力，并通过衬砌或洞壁传递给围岩，这时围岩将产生一个反力，称为围岩抗力。 当前位置:课程学习/第八章 地下洞室围岩稳定性分析/第二节围岩重分布应力计算 第二节 围岩重分布应力计算 一、围岩重分布应力的概念 重分布应力:地下开挖扰动后在围岩中形成的新的应力。 重分布应力与围岩性质、洞形、洞室受外力状态有关。 围岩重分布应力计算包括以下步骤: 开挖前岩体天然应力状态的确定(已经在第七章作了介绍) 开挖后围岩重分布应力的计算 支护衬砌后围岩应力状态的改善 围岩重分布应力计算包括以下情形: 弹性无压洞室围岩重分布应力 塑性无压洞室围岩重分布应力 有压洞室围岩重分布应力 二、无压洞室围岩重分布应力计算 1、弹性围岩重分布应力 围岩围坚硬致密的块状岩体，当天然应力大约等于或小于其单轴抗压强度的一半时，围岩呈弹性变形。可近似视为各向同性、连续、均质的线弹性体，其围岩重分布应力可根据弹性力学计算。 (1)圆形洞室重分布应力的大小 如果洞室半径相对洞长很小，按平面应变问题考虑，概化为两侧受均布压力的薄板中心小圆孔周边应力分布的计算问题。可以把它看成是两个柯西课题的叠加，如下图。 根据柯西课题，σ引起的围岩重分布应力 v 根据柯西课题，由σ产生的重分布应力 H σ和σ同时作用时圆形洞室围岩重分布应力: vH 引入天然应力比值系数，σ和σ同时作用时圆形洞室围岩重分布应力可表示为: vH (2)圆形洞室重分布应力的特征 1)洞壁上的重分布应力 为考察洞壁上的重分布应力的特点，把r=R代入上式，得洞壁上的重分布应力为: 0 有上式可知，洞壁上的重分布应力具有下列特点: , 洞壁上的τ,0，σ,0，为单向应力状态 rθr , σ大小与与洞室尺寸R无关 θ0 ?, 当θ=0、180，σ=3σ—σ=(3—λ)σ θVhV ?, 当θ=90、270，σ=3σ—σ=(3λ—1)σ θhVV , 当λ,1/3时，洞顶底将出现拉应力 , 当1/3,λ,3时，σ为压应力且分布较均匀 θ , 当λ,3时，洞壁两侧出现拉应力，洞顶底出现较高的压应力集中 2)静水压力式天然应力场中的围岩重分布应力 静水压力式天然应力场是指水平天然应力与铅直天然应力相等的应力场，即λ=1。 把λ=1代入上式，得静水压力式天然应力场中的围岩重分布应力为: 有上式可知，静水压力式天然应力场中的围岩重分布应力具有下列特点: , 围岩内重分布应力与θ角无关，仅与R和σ有关 00 , 由于τ=0，则σ，σ均为主应力，且σ恒为最大主应力，σ恒为最小主应力 rθrθθr , 当r,R(洞壁)时，σ=0，σ=2σ，可知洞壁上的应力差最大，且处于单向受力状态，0rθ0 说明洞壁最易发生破坏 , r增大，σ增大，σ减小，都渐趋于σ值 rθ0 , 在理论上，σ，σ要在r??处才达到σ值，但实际上σ，σ趋近于σ的速度很快，θθrr00 当r=6R时，σ和σ与σ接近，如下图: rθ00 , 一般认为，地下洞室开挖引起的围岩分布应力范围为6R。 0(2)其他形状洞室重分布应力的特征 1)应力集中系数的概念 , 为了最有效和经济地利用地下空间，地下建筑的断面常需根 据实际需要，开挖成非圆形的各种形状。但非圆形洞室的围 岩应力很难用解析解表示。 , 由圆形洞室围岩重分布应力分析可知，重分布应力的最大值 在洞壁上，且仅有σ，因此只要洞壁围岩在重分布应力σθθ 的作用下不发生破坏，那么洞室内部围岩也是稳定的。 , 为了研究各种洞形洞壁上的重分布应力及其变化情况，引进应力集中系数的概念。 , 应力集中系数是指地下洞室开挖后洞壁上一点的应力与开挖前洞壁处该点天然应力 的比值。该系数反映了洞壁各点开挖前后应力的变化情况。应力集中系数一般用α,β 表示，其大小仅与点的位置有关。 对于圆形洞室， 改写为: 所以，圆形洞室应力集中系数α=1-2cos2θ，β=1+2cos2θ 2)各种形状洞室重分布应力特点: , ?椭圆形洞室长轴两端点应力集中最大，易引起压碎破坏;短轴两端易拉应力集中，不 利于围岩稳定 , ?各种形状洞室的角点或急拐弯处应力集中最大，如正方形或矩形洞室角点等。 , ?长方形短边中点应力集中大于长边中点，而角点处应力集中最大，围岩最易失稳。 , ?当岩体中天然应力σ和σ相差不大时，以圆形洞室围岩应力分布最均匀，围岩稳hv 定性最好。 , ?当岩体中天然应力σ和σ相差较大时，则应尽量使洞室长轴平行于最大天然应力hv 的作用方向。 , ?在天然应力很大的岩体中，洞室断面应尽量采用曲线形，以避免角点上过大的应力集 中。 2、塑性围岩重分布应力 , 地下开挖后，洞壁的应力集中最大,当它超过围岩屈服极限时，洞壁围岩就由弹性状态 转化为塑性状态，并在围岩中形成一个塑性松动圈。 随着距洞壁距离增大，径向应力 σ由零逐渐增大，应力状态由洞壁的单向应力状态逐渐转化为双向应力状态，围岩也就r 由塑性状态逐渐转化为弹性状态。弹性区以外则是应力基本未产生变化的天然应力区 (或称原岩应力区)。 , 因此围岩中出现塑性圈、弹性圈和原岩应力区，见右图。 , 塑性松动圈的出现，使圈内一定范围内的应力因释放而明显降低，而最大应力集中由原 来的洞壁移至塑、弹圈交界处，使弹性区的应力明显升高。 , 一般采用弹塑性理论求解塑性圈内的围岩重分布应力。 径向应力为: 环向应力为: 由以上可知: (1)塑性圈内围岩重分布应力与岩体天然应力(σ)无关，而取决于支护力(p)和岩体强度0i(C，υ)值。 mm (2)洞壁上(r=R) 0 若P=0， i (3)塑性圈与弹性圈交界面(r,R)的应力 1 该面上: 弹性应力=塑性应力 塑、弹性圈交界面上的重分布应力取决于σ和C，υ，而与p无关。 0mmi 支护力不能改变交界面上的应力大小，只能控制塑性松动圈半径(R)的大小。 1 三、有压洞室围岩重分布应力计算 由于洞室内壁上作用有较高的内水压力，使围岩中的在上述重分布应力计算的基础上更加复杂。应力变化过程如下: , 围岩最初处于开挖后引起的重分布应力之中 , 进行支护衬砌，使围岩重分布应力得到改善 , 洞室建成运行后洞内壁作用有内水压力，使围岩中产生一个附加应力 下面重点讨论内水压力引起的围岩附加应力，可用弹性厚壁筒理论来计算。若有压洞室半径为R，内水压力为p则压洞室围岩重分布应力为: 0a 有压洞室围岩重分布应力σ和σ由开挖以后围岩重分布应力和内水压力引起的附加应力两项rθ 组成。上式前项为重分布应力，后项为内水压力引起的附加应力值，即 上式表明:内水压力使围岩产生负的环向应力，即拉应力。当这个环向应力很大时，则常使围岩产生放射状裂隙。 内水压力使围岩产生附加应力的影响范围大致也为6倍洞半径。 当前位置:课程学习/第八章 地下洞室围岩稳定性分析/第三节 围岩的变形与破坏 第三节 围岩的变形与破坏 , 地下开挖后，岩体中形成一个自由变形空间，使原来处于挤压状态的围岩，由于失去了 支撑而发生向洞内松胀变形;如果这种变形超过了围岩本身所能承受的能力，则围岩就 要发生破坏，并从母岩中脱落形成坍塌、滑动或岩爆，称前者为变形，后者为破坏。 , , 围岩变形破坏形式取决于围岩应力状态、岩体结构及洞室断面形状等因素。见下图，不 同岩体结构及洞室断面形状，围岩变形破坏形式不同。 一、各类结构围岩的变形破坏特点 1、整体状和块状岩体围岩 , 岩体具有很高的力学强度和抗变形能力，主要结构面是节理，很少有断层，含有少量的 裂隙水。 在力学属性上可视为均质、各向同性、连续的线弹性介质，应力应变呈近似 直线关系。 , 围岩具有很好的自稳能力，其变形破坏形式主要有岩爆、脆性开裂及块体滑移等。 , 这类围岩的整体变形破坏可用弹性理论分析，局部块体滑移可用块体极限平衡理论来分 析。 , 岩爆是高地应力地区，由于洞壁围岩中应力高度集中，使围岩产生突发性变形破坏的现 象。 , 脆性开裂出现在拉应力集中部位。 , 块体滑移是块状岩体常见的破坏形成。它是以结构面切割而成的不稳定块体滑出的形式 出现。其破坏规模与形态受结构面的分布、组合形式及其与开挖面的相对关系控制。 坚硬块状岩体中的块体滑移形式示意图 1.层面;2.断裂;3.裂隙 2、层状岩体围岩 , 常呈软硬岩层相间的互层形式。结构面以层理面为主，并有层间错动及泥化夹层等软弱 结构面发育。 , 变形破坏主要受岩层产状及岩层组合等控制，破坏形式主要有:沿层面张裂、折断塌落、 弯曲内鼓等。 , 变形破坏常可用弹性梁、弹性板或材料力学中的压杆平衡理论来分析。 , 在水平层状围岩中，洞顶岩层可视为两端固定的板梁，在顶板压力下，将产生下沉弯曲、 开裂。 , 在倾斜层状围岩中，沿倾斜方向一侧岩层弯曲塌落。另一侧边墙岩块滑移，形成不对称 的塌落拱。 , 在直立层状围岩中，当天然应力比值系数λ,1/3时，洞顶发生沿层面纵向拉裂，被拉断 塌落。侧墙因压力平行于层面，发生纵向弯折内鼓，危及洞顶安全。 3、碎裂状岩体围岩 , 碎裂岩体是指断层、褶曲、岩脉穿插挤压和风化破碎加次生夹泥的岩体。 , 变形破坏形式常表现为塌方和滑动。 , 用松散介质极限平衡理论来分析。 , 在夹泥少、以岩块刚性接触为主的碎裂围岩中，不易大规模塌方。 , 围岩中含泥量很高时，由于岩块间不是刚性接触，易产生大规模塌方或塑性挤入 4、散体状岩体围岩 , 散体状岩体是指强烈构造破碎、强烈风化的岩体。常表现为弹塑性、塑性或流变性。 , 围岩结构均匀时，以拱顶冒落为主。当围岩结构不均匀或松动岩体仅构成局部围岩时， 常表现为局部塌方、塑性挤入及滑动等变形破坏形式。 , 可用松散介质极限平衡理论配合流变理论来分析。 提示: (1)围岩的变形破坏是渐进式逐次发展的。 开挖-->应力调整-->变形、局部破坏-->再次调整 -->再次变形-->较大范围破坏。如下图: 分析围岩变形破坏时，应抓住其变形破坏的始发点和发生连锁反应的关键点，预测变形破坏逐次发展及迁移的规律。在围岩变形破坏的早期就加以处理，这样才能有效地控制围岩变形，确保围岩的稳定性。 二、围岩位移计算 三、围岩破坏区范围的确定方法 当前位置:课程学习/第八章 地下洞室围岩稳定性分析/第四节 围岩压力计算 第四节 围岩压力计算 一、基本概念 地下洞室围岩在重分布应力作用下产生过量的塑性变形或松动破坏，进而引起施加于支护衬砌上的压力，称为围岩压力(peripheral rock pressure)。 围岩压力是围岩与支衬间的相互作用力，它与围岩应力不是同一个概念。围岩应力是岩体中的内力，而围岩压力则是针对支衬结构来说的，是作用于支护衬砌上的外力。 按围岩压力的形成机理，可将其划分为形变围岩压力、松动围岩压力和冲击围岩压力。 1、形变围岩压力 形变围岩压力是由于围岩塑性变形如塑性挤入、膨胀内鼓、弯折内鼓等形成的挤压力。 产生形变围岩压力的条件: ?岩体较软弱或破碎，围岩应力超过岩体的屈服极限而产生较大的塑性变形; ?深埋洞室，围岩受压力过大引起塑性流动变形。 一种特殊的形变围岩压力 膨胀围岩压力:膨胀围岩由于矿物吸水膨胀产生的对支衬结构的挤压力。 形成的基本条件:一是岩体中要有膨胀性粘土矿物(如蒙脱石等);二是要有地下水的作用。 2、松动围岩压力 松动围岩压力是由于围岩拉裂塌落、块体滑移及重力坍塌等破坏引起的压力，这是一种有限范围内脱落岩体重力施加于支护衬砌上的压力。 大小取决于围岩性质、结构面交切组合关系及地下水活动和支护时间等因素。 松动围岩压力可采用松散体极限平衡或块体极限平衡理论进行分析计算。 3、冲击围岩压力 冲击围岩压力是由岩爆形成的一种特殊围岩压力。它是强度较高且较完整的弹脆性岩体过度受力后突然发生岩石弹射变形所引起的围岩压力现象。 冲击围岩压力的大小与天然应力状态、围岩力学属性等密切相关，并受到洞室埋深、施工方法及洞形等因素的影响。 冲击围岩压力的大小，目前无法进行准确计算，只能对冲击围岩压力的产生条件及其产生可能性进行定性的评价预测。 二、围岩压力计算 1、形变围岩压力计算 2、松动围岩压力 3、岩爆 当前位置:课程学习/第八章 地下洞室围岩稳定性分析/第五节 围岩抗力与极限承载力 第五节 围岩抗力与极限承载力 一、围岩抗力的概念 , 洞室由于存在很高的内水压力作用，迫使衬砌向围岩方向变形，围岩被迫后退时，将产 生一个反力来阻止衬砌的变形。围岩对衬砌的反力称为围岩抗力，或称弹性抗力。 , 围岩抗力愈大，愈有利于衬砌的稳定。围岩抗力承担了一部分内水压力，从而减小了衬 砌所承受的内水压力，起到了保护衬砌的作用。 , 充分利用围岩抗力，可以大大地减薄衬砌的厚度，降低工程造价。 , 围岩极限承载力是表征围岩承担内水压力能力的指标。它主要与围岩的强度性质及天然 应力状态有关。 二、围岩抗力系数及其确定 1、围岩抗力系数 围岩抗力系数是表征围岩抵抗衬砌向围岩方向变形能力的指标，定义为使洞壁围岩产生一个 单位径向变形所需要的内水压力。 为洞壁受到的内水压力; 为洞壁围岩向外产生的径向位移。 Pya 围岩抗力系数愈大，说明围岩受内水压力的能力愈大。 2、单位抗力系数(k) 0 K值不是一个常数。它随洞室尺寸而变化，洞室半径越大，K值越小。为便于应用，特提出单位抗力系数的概念。 单位抗力系数是指洞室半径为100cm时的抗力系数值。 k与 0 确定方法:直接测定法、计算法和工程地质类比(经验数据)法。 三、围岩极限承载力的确定 1、围岩极限承载力的定义 围岩极限承载力是指围岩承担内水压力的能力。 围岩极限承载力与围岩的力学性质及天然应力状态有关。 有压洞室开挖以后，围岩处于重分布应力状态中。当洞壁受到高压水流的作用时，围岩内又 产生一个附加应力，使围岩内的应力再次分布，产生新的重分布应力。如果两者叠加后的围岩应 力大于或等于围岩的强度时，则围岩就要发生破坏，否则围岩不破坏。 2、自重应力作用下的围岩极限承载力 设有一半径为R的圆形有压隧洞，开挖在仅有自重应力(σ,ρgh，σ,λρgh)作用的岩体中;0vh洞顶埋深为h;洞内壁作用的内水压力为p。 a 无水压力时，洞壁上的重分布应力 p引起的洞壁上的附加应力 a 有水压力时，洞壁上的重分布应力 围岩极限平衡条件 围岩极限承载力 上覆岩层的极限厚度 洞顶上覆岩层的极限厚度 3、天然应力作用下的围岩极限承载力 把铅直天然应力σ和水平天然应力σ代入到洞壁重分布应力计算公式中，就可以得到天然应vh 力作用下的围岩极限承载力 围岩的极限承载力由岩体天然应力和内聚力两部分组成的。因此，当岩体的C，υ一定时，mm围岩的极限承载力取决于天然应力的大小。 当前位置:课程学习/第八章 地下洞室围岩稳定性分析/练习与思考 本章小结 本章重点介绍了地下洞室的重分布应力特征以及重分布应力的计算、应力集中系数的确定、围岩应力的类型及计算方法、围岩抗力的概念及确定方法。对地下洞室的类型、变形破坏特征等内容作了一般介绍。 练习与思考 1、在均质、连续、各向同性的岩体中，测得地面以下100m深度处的天然应力为σ=26MPa，σv=17.3MPa，拟定在该深度处开挖一水平圆形隧道，半径R=3m。 H0 试求:1)沿θ=0?和θ=90?方向上重分布应力(σ、σ)随r变化的曲线; rθ , 2)设岩体的C=0.04MPa，υ=30?，用图解法求洞顶与侧壁方向破坏圈厚度2、mm 在地表以下200m深度处的岩体中开挖一洞径2R=2m的水平圆形遂洞，假定岩体的天然0 3应力为静水压力状态(即λ=1)，岩体的天然密度ρ=2.7g/cm。 试求:1)洞壁、2倍洞半径、2倍洞半径处的重分布应力; 2)根据以上计算结果说明围岩中重分布应力的分布特征; 3)若围岩的抗剪强度C=0.4MPa，υ=30?，试评价该洞室的稳定性; mm 4)洞室若不稳定，试求其塑性变形区的最大半径(R)。 1 , 3、拟在地表以下1500m处开挖一水平圆形洞室，已知岩体的单轴抗压强度 σ=100MPa，c 3岩体天然密度ρ=2.75g/cm，岩体中天然应力比值系数λ=1，试评价该地下洞室开挖后 的稳定性。 4、总结弹性洞室围岩重分布应力的特征。 5、不同类型的围岩的变形破坏形式不同，其决定性的因素是什么, 6、确定围岩抗力有何意义, 当前位置:课程学习/第九章 边坡岩体稳定性分析/学习指导 学习指导 内容简介:边坡在其形成及运营过程中，在诸如重力、工程作用力、水压力及地震作用等力场的作用下，坡体内应力分布发生变化，当组成边坡的岩土体强度不能适应此应力分布时，就要产生变形破坏，引发事故或灾害，常给人类工程活动及生命财产带来巨大的损失。本章将主要讨论岩体边坡的应力分布特征、变形破坏类型及稳定性计算方法。 视频导学: 学习要点:掌握斜坡、边坡、楔形体滑移、平面滑移等重要概念;掌握岩质边坡应力分布特征及变形、破坏的类型、特征、分类等;掌握边坡岩体稳定性的评价方法、影响因素等。 基本概念:斜坡、边坡、楔形体滑移、平面滑移 学习内容: , 第一节 边坡岩体中的应力分布特征 , 第二节 边坡岩体的变形与破坏 , 第三节 边坡岩体稳定性分析的步骤 , 第四节 边坡岩体稳定性计算 学习进度:总学时4学时，具体分配如下: , 第一节 ,学时 , 第二节 ,学时 , 第三节 ,学时 , 第四节 ,学时 参考书籍: , 重庆建筑工程学院、同济大学，1981，岩体力学。北京:中国建筑工业出版社。 , 谷德振著，1979，岩体工程地质力学基础。北京:科学出版社。 , 郭志著，1996，实用岩体力学。北京:地震出版社。 , 湖南水利水电勘测设计院，1983，边坡工程地质。北京:水利电力出版社。 , 华安增，1980，矿山岩石力学基础。北京:煤炭工业出版社。 , 李铁汉、潘别桐，1980，岩体力学。北京:地质出版社。 当前位置:课程学习/第九章 边坡岩体稳定性分析/第一节 边坡岩体中的应力分布特征 第一节 边坡岩体中的应力分布特征 斜坡(slope)统指地表一切具有侧向临空面的地质体，包括天然斜坡和人工边坡。 天然斜坡(简称斜坡)是指自然地质作用形成未经人工改造的斜坡。 人工边坡(简称边坡)是指经人工开挖或改造形成的斜坡。 研究目的:研究边坡变形破坏的机理(包括应力分布及变形破坏特征)与稳定性，为边坡预测预报及整治提供岩体力学依据。其中稳定性计算是岩体边坡稳定性分析的核心。 一、应力分布特征 在岩体中进行开挖，形成人工边坡后，由于开挖卸荷，在近边坡面一定范围内的岩体中，发生应力重分布作用，使边坡岩体处于重分布应力状态。边坡岩体为适应重分布应力状态，将发生变形和破坏。因此，研究边坡岩体重分布应力特征是进行稳定性分析的基础。 (1)边坡面附近的主应力迹线发生偏转。最大主应力与坡面近于平行，最小主应力与坡面近于正交，向坡体内逐渐恢复初始应力状态。 (2)坡面上径向应力为零，为双向应力状态，向坡内逐渐转为三向应力状态。 (3)坡面附近产生应力集中带。在坡脚附近，最大剪应力增高，最易发生剪切破坏。在坡肩附近，常形成拉应力带。边坡愈陡，则此带范围愈大，因此，坡肩附近最易拉裂破坏。 (4) 最大剪应力迹线为凹向坡面的弧线。 二、影响边坡应力分布的因素 1、天然应力 水平天然应力使坡体应力重分布作用加剧。 2、坡形、坡高、坡角及坡底宽度 坡高不改变应力等值线的形状，但改变主应力的大小。 坡角影响边坡岩体应力分布图象。 坡底宽度对坡脚岩体应力有较大的影响。 坡面形状对重分布应力也有明显的影响。 3、岩体性质及结构特征 岩体变形模量对边坡应力影响不大，泊松比对边坡应力影响较大。这是由于泊松比的变化，可以使水平自重应力发生改变。 4、结构面 结构面的存在使坡体中应力发生不连续分布，并在结构面周边或端点形成应力集中带或阻滞应力的传递，这种情况在坚硬岩体边坡中尤为明显。 当前位置:课程学习/第九章 边坡岩体稳定性分析/第二节 边坡岩体的变形与破坏 第二节 边坡岩体的变形与破坏 岩体边坡的变形与破坏是边坡发展演化过程中两个不同的阶段，变形属量变阶段，而破坏则是质变阶段，它们形成一个累进性变形破坏过程。 一、边坡岩体变形的基本类型 1、卸荷回弹 在成坡过程中，由于荷重不断减少，边坡岩体在减荷方向(临空面) 产生伸长变形，即卸荷回弹。 天然应力越大，向临空方向的回弹变形量也越大。往往会伴随产生一系列的张性结构面。 2、蠕变变形 边坡岩体中的应力对于人类工程活动的有限时间来说，可以认为是保持不变的。在这种近似不变的应力作用下，边坡岩体的变形也将会随时间不断增加，这种变形称为蠕变变形。 当边坡内的应力未超过岩体的长期强度时，则这种变形所引起的破坏是局部的。反之，这种变形将导致边坡岩体的整体失稳。 这种破裂失稳是经过局部破裂逐渐产生的，几乎所有的岩体边坡失稳都要经历这种逐渐变形破坏过程。 二、边坡破坏的基本类型 1、崩塌 斜坡岩土体被结构面分割的块体，突然脱离母体以垂直运动为主、翻滚跌跃而下的现象与过程。 2、滑坡 斜坡岩土体沿着贯通的剪切破坏面(带)，产生以水平运动为主的现象，称为滑坡。 3、倾倒破坏 由陡倾或直立板状岩体组成的斜坡，当岩层走向与坡面走向近平行时，在自重应力的长期作用下，由前缘开始向临空方向弯曲、折裂，并逐渐向坡内发展的现象称为倾倒破坏(弯曲倾倒)。 三、影响岩体边坡变形破坏的因素 1、岩性 决定岩体边坡稳定性的物质基础。 2、岩体结构 岩体结构及结构面的发育特征是岩体边坡破坏的控制因素。首先，岩体结构控制边坡的破坏形式及其稳定程度，如坚硬块状岩体，不仅稳定性好，而且其破坏形式往往是沿某些特定的结构面产生的块体滑移，又如散体状结构岩体(如剧风化和强烈破碎岩体)往往产生圆弧形破坏，且其边坡稳定性往往较差等等。其次，结构面的发育程度及其组合关系往往是边坡块体滑移破坏的 几何边界条件，如前述的平面滑动及楔形体滑动都是被结构面切割的岩块沿某个或某几个结构面产生滑动的形式。 3、水的作用 水的渗入使岩土的质量增大，进而使滑动面的滑动力增大;其次，在水的作用下岩土被软化而抗剪强度降低;另外，地下水的渗流对岩体产生动水压力和静水压力，这些都对岩体边坡的稳定性产生不利影响。 4、风化作用 使岩体内裂隙增多、扩大，透水性增强，抗剪强度降低。 5、地形地貌 边坡的坡形、坡高及坡度直接影响边坡内的应力分布特征，进而影响边坡的变形破坏形式及边坡的稳定性。 直接影响边坡内的应力分布特征，进而影响边坡的变形破坏形式及边坡的稳定性。 6、地震 因地震波的传播而产生的地震惯性力直接作用于边坡岩体，加速边坡破坏。 7、天然应力 边坡岩体中的天然应力特别是水平天然应力的大小，直接影响边坡拉应力及剪应力的分布范围与大小。在水平天然应力大的地区开挖边坡时，由于拉应力及剪应力的作用，常直接引起边坡变形破坏。 8、人为因素 边坡的不合理设计、爆破、开挖或加载，大量生产生活用水的渗入等都能造成边坡变形破坏，甚至整体失稳。 当前位置:课程学习/第九章 边坡岩体稳定性分析/第三节 边坡岩体稳定性分析的步骤 第三节 边坡岩体稳定性分析的步骤 一、概述 边坡岩体稳定性预测，应采用定性与定量相结合的方法进行综合研究。 •定性分析是在工程地质勘察工作的基础上，对边坡岩体变形破坏的可能性及破坏形式进行初步判断。 •定量分析是在定性分析的基础上，应用一定的计算方法对边坡岩体进行稳定性计算及定量评 价。 目前运用最为广泛的定量分析方法是块体极限平衡法。 1、块体极限平衡法的假设条件 (1)边坡岩体将沿某一结构面(滑动面)产生滑移剪切破坏; (2)滑体在滑动过程中相对位置不变化，即为刚体; (3)滑动面上的应力分布均匀; (4)不考虑滑体两侧的抗滑力。 2、稳定性系数 在上述假设的基础上，按下式计算稳定性系数: (1)若η>1，稳定 (2)若η?1，不稳定 在多数情况下，计算的稳定性系数都有一定误差，因此，为保险起见，引入安全系数的概念。 3、块体极限平衡法步骤 (1) 二、几何边界条件分析 几何边界条件是指构成可能滑动岩体的各种边界面及其组合关系，包括滑动面、切割面和临 空面三种。 滑动面是指起滑动(即失稳岩体沿其滑动)作用的面，包括潜在破坏面。 切割面是指起切割岩体作用的面，由于失稳岩体不沿该面滑动，因而不起抗滑作用，如平面 滑动的侧向切割面。 临空面指临空的自由面，它的存在为滑动岩体提供活动空间，临空面常由地面或开挖面组成。 几何边界条件分析的内容是查清岩体中的各类结构面及其组合关系，确定出可能的滑移面、切割面。 几何边界条件分析的目的是确定边坡中可能滑动岩体的位置、规模及形态，定性地判断边坡岩体的破坏类型及主滑方向。 几何边界条件的分析可通过赤平投影、实体比例投影等图解法或三角几何分析法进行。 三、受力条件分析 在工程使用期间，可能滑动岩体或其边界面上承受的力的类型及大小、方向和合力的作用点统称为受力条件。 边坡岩体上承受的力常见有:岩体重力、静水压力、动水压力、建筑物作用力及震动力等等。 1、地震作用 水平地震作用 F=,G EK1 按地震烈度确定的水平地震影响系数 地震烈度 6 7 8 9 α 0.064 0.127 0.255 0.510 1 2、水压力 包括渗透静水压力和渗透动水压力。 静水压力——水对岩体的静压力，数值上等于岩体受到的浮力。 动水压力——与水力梯度有关，数值上等于岩体受到的渗流阻力。 四、确定计算参数 试验数据 极限状态下的反算数据 经验数据 从偏安全的角度起见，一般选用的计算参数，应接近于残余强度。研究表明:残余强度与峰值强度的比值，大多变化在0.6~0.9之间，因此，在没有获得残余强度的条件下，建议摩擦系数计算值在峰值摩擦系数的60,~90,之间选取，内聚力计算值在峰值内聚力的10,~30,之间选取。 五、稳定性系数的计算和稳定性评价 稳定性系数=可供利用的抗滑力/滑动力 六、确定安全系数，进行稳定性评价 安全系数:根据各种因素规定的允许的稳定性系数。大小是根据各种影响因素人为规定的， 必须大于1。 影响因素: , ?岩体工程地质特征研究的详细程度; , ?各种计算参数误差的大小; , ?计算稳定性系数时，是否考虑了全部作用力; , ?计算过程中各种中间结果的误差大小; , ?工程的设计年限、重要性以及边坡破坏后的后果。 安全系数一般=1.05~1.5 当前位置:课程学习/第九章 边坡岩体稳定性分析/第四节 边坡岩体稳定性计算 第四节 边坡岩体稳定性计算 一、单平面滑动 1、仅有重力作用时 滑动面上的抗滑力 F=Gcosβtgυ+CL sjj 滑动力 F,Gsinβ r 稳定性系数 用滑体的尺寸来表示滑体体积G，稳定性系数为: H 令η,1，可得滑动体极限高度cr 忽略滑动面上内聚力(C=0)时 j ?当C =0，υ,β时，η,1，H=0 jjcr 2、有水压力作用 当边坡后缘存在拉张裂隙时，地表水就可能从张裂隙渗入后，仅沿滑动面渗流并在坡脚 A点出露，这时地下水将对滑动体产生如右图所示的静水压力。 作用于CD上的静水压力V 作用于AD上的静水压力U 边坡稳定性系数为 3、有水压力作用与地震作用 边坡的稳定性系数 二、同向双平面滑动 同向双平面滑动的稳定性计算分两种情况进行。 , 第一种情况为滑动体内不存在结构面，视滑动体为刚体，采用力平衡图解法计算 稳定性系数 , 第二种情况为滑动体内存在结构面并将滑动体切割成若干块体的情况，这时需分 块计算边坡的稳定性系数 1.滑动体为刚体的情况 由于滑动体内不存在结构面，因此，可将可能滑动体视为刚体。如图9-9(a)所示 ，ABCD为可能滑动体，根据滑动面产状分为?、?两个块体。 F为块体?对块体?的作用力，F为块体?对块体?的作用力，F和F大小相等，方向相???? 反，其作用方向的倾角为θ。 滑动面AB以下岩体对块体?的反力R(摩阻力) 与AB面法线的夹角为υ。 11 2.滑动体内存在结构面的情况 在滑动过程中，滑动体除沿滑动面滑动外，被结构面分割开的块体之间还要产生相互错动。 采用分块极限平衡法和不平衡推力传递法进行稳定性计算。 AB面 BC面 BD面 块体? 块体? 三、多平面滑动 边坡岩体的多平面滑动，分为一般多平面滑动和阶梯状滑动两个亚类。阶梯状滑动，破坏面由多个实际滑动面和受拉面组成，呈阶梯状，如右图。稳定性的计算思路与单平面滑动相同，即将滑动体的自重 (仅考虑重力作用时)分解为垂直滑动面的分量和平行滑动面的分量。 稳定性系数为: 四、楔形体滑动 楔形体滑动的滑动面由两个倾向相反、且其交线倾向与坡面倾向相同、倾角小于边坡角的软弱结构面组成，如下图。 稳定性系数计算的基本思路: 如下图，首先将滑体自重G分解为垂直交线BD的分量N和平行交线的分量(即滑动力Gsinβ)，然后将N投影到两个滑动面的法线方向，求得作用于滑动面上的法向力N和N，最后求得抗滑12力及稳定性系数。 可能滑动体的滑动力为Gsinβ，垂直交线的分量为N,Gcosβ。将Gcosβ投影到?ABD和?BCD面的法线方向上，得法向力N、N 12 边坡的抗滑力 边坡的稳定性系数 当前位置:课程学习/第九章 边坡岩体稳定性分析/练习与思考 本章小结 本章重点介绍了岩体边坡应力分布特征、变形与破坏的类型及特征、稳定性计算的步骤及各类滑移稳定性的计算方法。对影响应力分布的因素等内容作了一般介绍。 练习与思考 1、某岩体边坡中存在一组与坡面倾向相同，倾角为30?的结构面，结构面的剪切强度: 3C=0.1MPa，υ=28?，边坡倾角为60?，岩体平均密度ρ=2.5g/cm,求该边坡的极限坡高。 jj 2、某边坡中存在一倾角为40?的断层，设边坡倾角为60?，岩体剪切强度指标:υ=30?，j 3C=0.02MPa，平均密度ρ=2.55g/cm，边坡高度为20m，试评价该边坡的稳定性(取安全系数1.05)。 j 3、你认为在影响边坡稳定性的各因素中最主要的是什么因素, 4、对比边坡应力分布特征与天然应力分布特征的区别。 5、边坡应力分布特征与边坡变形破坏的关系。