第五章結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì)巖體中存在大量斷層、節(jié)理等結(jié)構(gòu)面，它是工程巖體區(qū)別于深部巖體和其它工程材料的顯著標(biāo)志之一。在工程實(shí)踐中，我們發(fā)現(xiàn)工程巖體的失穩(wěn)破壞有相當(dāng)一部分是沿著松軟結(jié)構(gòu)面破壞的，因此，結(jié)構(gòu)面的存在不僅影響巖體的變形與強(qiáng)度性質(zhì)，而且還控制著巖體的變形與破壞機(jī)理。所以，結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)的研究是巖體力學(xué)研究中的重要內(nèi)容之一。第五章結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì)巖體中存在大量斷層、節(jié)理等結(jié)構(gòu)1在這一章中我們將學(xué)習(xí)以下內(nèi)容：一、概述二、結(jié)構(gòu)面的變形性質(zhì)三、結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度性質(zhì)在這一章中我們將學(xué)習(xí)以下內(nèi)容：2在結(jié)構(gòu)面變形性質(zhì)中，重點(diǎn)要搞清楚結(jié)構(gòu)面在法向應(yīng)力和剪應(yīng)力作用下的應(yīng)力－應(yīng)變特征及法向剛度（Kn）、剪切剛度（Ks）的定義與測定方法。在結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度性質(zhì)中，重點(diǎn)要搞清楚平直結(jié)構(gòu)面和粗糙起伏結(jié)構(gòu)面的剪切強(qiáng)度特征、強(qiáng)度表達(dá)式和強(qiáng)度曲線特征，了解一般結(jié)構(gòu)面剪切強(qiáng)度參數(shù)（c、φ值）的經(jīng)驗(yàn)值。在結(jié)構(gòu)面變形性質(zhì)中，重點(diǎn)要搞清楚結(jié)構(gòu)面在法向應(yīng)力和剪應(yīng)力作用3第一節(jié)概述在工程荷載范圍內(nèi)(一般小于10MPa)，工程巖體常常是沿軟弱結(jié)構(gòu)面失穩(wěn)破壞。這方面的工程實(shí)例很多。第一節(jié)概述在工程荷載范圍內(nèi)(一般小于10MPa)，工程巖體4結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì)課件5在工程荷載作用下，結(jié)構(gòu)面及其充填物的變形是巖體變形的主要組分，控制著工程巖體的變形特性。

結(jié)構(gòu)面是巖體滲透水流的主要通道。在工程荷載作用下結(jié)構(gòu)面的變形又將極大地改變巖體的滲透性、應(yīng)力分布及其強(qiáng)度。因此，預(yù)測工程荷載作用下巖體滲透性的變化，必須研究結(jié)構(gòu)面的變形性質(zhì)及其本構(gòu)關(guān)系。工程荷載作用下，巖體中應(yīng)力分布受結(jié)構(gòu)面及其力學(xué)性質(zhì)的影響。在工程荷載作用下，結(jié)構(gòu)面及其充填物的變形是巖體變形的主要組分6第二節(jié)結(jié)構(gòu)面的變形性質(zhì)一、法向變形性質(zhì)1、法向變形的特征為了測試得到結(jié)構(gòu)面的應(yīng)力-變形曲線，取含結(jié)構(gòu)面和不含結(jié)構(gòu)面的兩塊試件做變形試驗(yàn)，得變形曲線σn-ΔV，設(shè)不含結(jié)構(gòu)面的巖塊變形為ΔVr(包括巖塊和結(jié)構(gòu)面的變形)，設(shè)不含結(jié)構(gòu)面的巖塊變形為ΔVt(僅僅只包括巖塊的變形)。則結(jié)構(gòu)面的法向閉合變形ΔVj為：ΔVj＝ΔVr-ΔVt

應(yīng)力-變形關(guān)系曲線見下圖，表現(xiàn)出以下特征：第二節(jié)結(jié)構(gòu)面的變形性質(zhì)一、法向變形性質(zhì)7結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì)課件8(1)開始時(shí)隨著法向應(yīng)力增加，結(jié)構(gòu)面閉合變形迅速增長，σn-ΔV及σn-ΔVj曲線均呈上凹型。當(dāng)σn增到一定值時(shí)，σn-ΔVt曲線變陡，并與σn-ΔVr曲線大致平行。說明結(jié)構(gòu)面已基本上完全閉合，其變形主要是巖塊變形貢獻(xiàn)的。這時(shí)ΔVj則趨于結(jié)構(gòu)面最大閉合量Vm。(2)初始壓縮階段，含結(jié)構(gòu)面的巖塊變形ΔVt主要是由結(jié)構(gòu)面的閉合造成的。試驗(yàn)表明，當(dāng)σn＝1MPa時(shí)，ΔVt/ΔVr可達(dá)5～30，說明ΔVt占了很大一部分。(3)法向應(yīng)力σn大約從σc/3處開始，含結(jié)構(gòu)面的巖塊變形由以結(jié)構(gòu)面的閉合為主轉(zhuǎn)為以巖塊的彈性變形為主。結(jié)構(gòu)面加載、卸載的應(yīng)力-變形關(guān)系曲線如下圖。(1)開始時(shí)隨著法向應(yīng)力增加，結(jié)構(gòu)面閉合變形迅速增長，σn-9結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì)課件10卸荷的應(yīng)力-變形關(guān)系曲線特征:（1）結(jié)構(gòu)面的卸荷變形曲線(σn-ΔVj)仍為一以ΔVj＝Vm為漸近線的非線性曲線。卸荷后留下很大的殘余變形不能恢復(fù)，不能恢復(fù)部分稱為松脹變形。（2）卸荷后留下殘余變形的大小主要取決于結(jié)構(gòu)面的張開度(e)、粗糙度(JRC)、壁巖強(qiáng)度(JCS)及加、卸載循環(huán)次數(shù)等因素。（3）隨著循環(huán)次數(shù)的增加，σn-ΔVj曲線逐漸變陡，且整體向左移。（4）每次循環(huán)荷載所得的曲線形狀十分相似，且其特征與加荷方式及其受力歷史無關(guān)。卸荷的應(yīng)力-變形關(guān)系曲線特征:112、法向變形本構(gòu)方程

（1)Goodman方程較適用于具有一定滑錯(cuò)位移的非嵌合性結(jié)構(gòu)面。2、法向變形本構(gòu)方程12（2)Bardis方程較適合于未經(jīng)滑錯(cuò)位移的嵌合結(jié)構(gòu)面(如層面)的法向變形特征。（2)Bardis方程133、法向剛度及其確定方法（1）定義：法向剛度Kn是指在法向應(yīng)力作用下，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生單位法向變形所需要的應(yīng)力，數(shù)值上等于σｎ-Ｖｊ曲線上一點(diǎn)的切線斜率。

（2）確定方法：試驗(yàn)法：室內(nèi)變形試驗(yàn)、現(xiàn)場變形試驗(yàn)本構(gòu)方程和經(jīng)驗(yàn)估算法，見下式：

3、法向剛度及其確定方法14二、結(jié)構(gòu)面的剪切變形性質(zhì)1、剪切變形特征

粗糙結(jié)構(gòu)面，呈脆性變形型，如右圖中a線，有峰值和明顯的應(yīng)力降

平直結(jié)構(gòu)面，呈塑性變形型，如右圖中b線，無峰值和明顯的應(yīng)力降2、剪切變形本構(gòu)方程卡爾哈韋（Kalhaway）方程

二、結(jié)構(gòu)面的剪切變形性質(zhì)153.剪切剛度及其確定方法（1）定義：剪切剛度KS是反映結(jié)構(gòu)面剪切變形性質(zhì)的重要參數(shù)，其數(shù)值等于峰值前τ-u曲線上任一點(diǎn)的切線斜率。

（2）確定方法試驗(yàn)法：室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)估算法（Barton方程），見下式：

3.剪切剛度及其確定方法16第三節(jié)結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度分為抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。由于結(jié)構(gòu)面的抗拉強(qiáng)度非常小，常可忽略不計(jì)，所以一般認(rèn)為結(jié)構(gòu)面是不能抗拉的。因此，通常近考慮結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度。在工程荷載作用下，巖體破壞常以沿某些軟弱結(jié)構(gòu)面的滑動破壞為主。因此，在巖體力學(xué)中結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度通常是研究的重點(diǎn)內(nèi)容。條件不同、性質(zhì)不同的結(jié)構(gòu)面其發(fā)生剪切作用的機(jī)理不同，因此其抗剪強(qiáng)度的確定方法也不同，下面將分四種類型來介紹結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度。第三節(jié)結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度分為抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。17一、平直無充填的結(jié)構(gòu)面平直無充填的結(jié)構(gòu)面包括剪應(yīng)力作用下形成的剪性破裂面，如剪節(jié)理、剪裂隙等，發(fā)育較好的層理面與片理面。其特點(diǎn)是面平直、光滑，只具微弱的風(fēng)化蝕變。堅(jiān)硬巖體中的剪破裂面還發(fā)育有鏡面、擦痕及應(yīng)力礦物薄膜等。這類結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度大致與人工磨制面的摩擦強(qiáng)度接近，即：

一、平直無充填的結(jié)構(gòu)面18各種結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的變化范圍結(jié)構(gòu)面類型摩擦角(°)粘聚力(MPa)結(jié)構(gòu)面類型摩擦角(°)粘聚力(MPa)泥化結(jié)構(gòu)面10～200～0.05云母片巖片理面10～200～0.05粘土巖層面20～300.05～0.10頁巖節(jié)理面(平直)18～290.10～0.19泥灰?guī)r層面20～300.05～0.10砂巖節(jié)理面(平直)32～380.05～1.0凝灰?guī)r層面20～300.05～0.10灰?guī)r節(jié)理面(平直)350.2頁巖層面20～300.05～0.10石英正長閃長巖節(jié)理面(平直)32～350.02～0.08砂巖層面30～400.05～0.10粗糙結(jié)構(gòu)面40～480.08～0.30礫巖層面30～400.05～0.10輝長巖、花崗巖節(jié)理面30～380.20～0.40石灰?guī)r層面30～400.05～0.10花崗巖節(jié)理面(粗糙)420.4千板巖千枚理面280.12石灰?guī)r卸荷節(jié)理面(粗糙)370.04滑石片巖、片理面10～200～0.05(砂巖、花崗巖)巖石／混凝土接觸面55～600～0.48各種結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的變化范圍19二、粗糙起伏無充填的結(jié)構(gòu)面這種類型的結(jié)構(gòu)面，其剪切特點(diǎn)是：（1）當(dāng)法向應(yīng)力σ較小時(shí)，上盤巖塊上下運(yùn)動，產(chǎn)生爬坡效應(yīng)，增大了τ；（2）當(dāng)σ較大時(shí)，將剪斷凸起而運(yùn)動，也增大了τ。由于結(jié)構(gòu)面的粗糙起伏情況比較復(fù)雜，因此抗剪強(qiáng)度的確定也比較困難。下面就先討論理想的簡單的條件（規(guī)則鋸齒形結(jié)構(gòu)面），再討論一般的情況（不規(guī)則起伏結(jié)構(gòu)面）二、粗糙起伏無充填的結(jié)構(gòu)面201、規(guī)則鋸齒形結(jié)構(gòu)面

（1）σ較小，剪脹作用,其強(qiáng)度遵循Patton公式：（2）σ較大，啃斷作用，其強(qiáng)度接近巖塊的強(qiáng)度，即：式中：f、Ｃ分別為結(jié)構(gòu)面壁巖的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力。1、規(guī)則鋸齒形結(jié)構(gòu)面21綜合上二式，結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線如下圖所示。

剪斷凸起的條件為：

綜合上二式，結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線如下圖所示。222、不規(guī)則起伏結(jié)構(gòu)面自然界巖體中絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)面的粗糙起伏形態(tài)是不規(guī)則的，起伏角也不是常數(shù)，見下圖。這類結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度包絡(luò)線不是折線，而是曲線形式。2、不規(guī)則起伏結(jié)構(gòu)面23巴頓（Barton）對8種不同粗糙起伏的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行了試驗(yàn)研究，提出了剪脹角的概念并用以代替起伏角，剪脹角αd的定義為剪切時(shí)剪切位移的軌跡線與水平線的夾角，即：

Barton通過大量結(jié)構(gòu)面剪切試驗(yàn)，用統(tǒng)計(jì)方法求得Barton方程

巴頓（Barton）對8種不同粗糙起伏的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行了試驗(yàn)研究24三、非貫通斷續(xù)的結(jié)構(gòu)面這類結(jié)構(gòu)面由裂隙面和非貫通的巖橋組成。在剪切過程中，一般認(rèn)為兩者都起抗剪作用。即通過的裂隙面和巖橋都起抗剪作用。假設(shè)沿整個(gè)剪切面上的應(yīng)力分布是均勻的，結(jié)構(gòu)面的線連續(xù)性系數(shù)為Ｋ1，則整個(gè)結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度為：三、非貫通斷續(xù)的結(jié)構(gòu)面25四、具有充填物的軟弱結(jié)構(gòu)面

具有充填物的軟弱結(jié)構(gòu)面包括泥化夾層和各種類型的夾泥層，其形成多與水的作用和各類滑錯(cuò)作用有關(guān)。這類結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)常與充填物的物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)及充填程度和厚度等因素密切相關(guān)。見下圖。

四、具有充填物的軟弱結(jié)構(gòu)面26充填物強(qiáng)度與顆粒粗細(xì)的關(guān)系

內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力與充填厚度的關(guān)系曲線

內(nèi)摩擦角隨充填度增大而減小充填物強(qiáng)度與顆粒粗細(xì)的關(guān)系27不同夾層物質(zhì)成分的結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度夾層成分抗剪強(qiáng)度系數(shù)摩擦系數(shù)(f)粘聚力C(kPa)泥化夾層和夾泥層0.15～0.255～20碎屑夾泥層0.3～0.420～40碎屑夾層0.5～0.60～100含鐵錳質(zhì)角礫碎屑夾層0.6～0.8530～150不同夾層物質(zhì)成分的結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度28第六章巖體的力學(xué)性質(zhì)巖體中存在著各種類型不同、規(guī)模不等的結(jié)構(gòu)面，并受到天然應(yīng)力和地下水等環(huán)境因素的影響，在外力作用下其力學(xué)屬性往往表現(xiàn)出非均質(zhì)、非連續(xù)、各向異性和非彈性。人類的工程活動都是在巖體表面或巖體內(nèi)部進(jìn)行的，因此，研究巖體的力學(xué)性質(zhì)具有實(shí)際意義。第六章巖體的力學(xué)性質(zhì)巖體中存在著各種類型不同、規(guī)模不等的結(jié)29本章將主要學(xué)習(xí)如下內(nèi)容：一、巖體的變形性質(zhì)二、巖體的剪切強(qiáng)度三、巖體的動力學(xué)性質(zhì)四、巖體的水力學(xué)性質(zhì)本章將主要學(xué)習(xí)如下內(nèi)容：30通過學(xué)習(xí)，應(yīng)該重點(diǎn)掌握巖體原位變形試驗(yàn)及變形參數(shù)的確定方法；巖體變形性質(zhì)、變形參數(shù)的估算；掌握巖體的各種強(qiáng)度類型、測試方法和經(jīng)驗(yàn)估算方法；了解巖體的動力變形特征與強(qiáng)度性質(zhì)，掌握動力條件與靜力條件下巖體變形參數(shù)的差別；了解巖體的水力學(xué)性質(zhì)。其中，巖體的變形性質(zhì)和剪切強(qiáng)度是學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，其他內(nèi)容可以一般了解。通過學(xué)習(xí)，應(yīng)該重點(diǎn)掌握巖體原位變形試驗(yàn)及變形參數(shù)的確定方法；31第一節(jié)

巖體的變形性質(zhì)巖體的變形是巖塊變形和結(jié)構(gòu)變形的總和，結(jié)構(gòu)變形通常包括結(jié)構(gòu)面閉合、充填物的壓密及結(jié)構(gòu)體轉(zhuǎn)動和滑動等變形。巖體變形=巖塊變形+結(jié)構(gòu)面閉合+充填物壓縮+其他變形在一般情況下，巖體的結(jié)構(gòu)變形起著控制作用。第一節(jié)

巖體的變形性質(zhì)巖體的變形是巖塊變形和結(jié)構(gòu)變形的總和32一、巖體變形試驗(yàn)及其變形參數(shù)確定巖體的變形試驗(yàn)包括靜力法和動力法兩大類：1、靜力法基本原理：在選定的巖體表面、槽壁或鉆孔壁面上施加法向荷載，并測定巖體的變形值；然后繪制出壓力-變形關(guān)系曲線，計(jì)算出巖體的變形參數(shù)。常用的測試巖體變形參數(shù)的靜力法原位實(shí)驗(yàn)有以下三種：（1）承壓板法

（2）鉆孔變形法（3）狹縫法一、巖體變形試驗(yàn)及其變形參數(shù)確定巖體的變形試驗(yàn)包括靜力法和動332、動力法基本原理：用人工方法對巖體發(fā)射(或激發(fā))彈性波(聲波或地震波)，并測定其在巖體中的傳播速度，然后根據(jù)波動理論求巖體的變形參數(shù)。動力法包括聲波試驗(yàn)等。2、動力法34二、巖體變形參數(shù)估算一種估算方法是在現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，建立適當(dāng)?shù)膸r體地質(zhì)力學(xué)模型，利用室內(nèi)小試件試驗(yàn)資料來估算巖體變形參數(shù)，這里以層狀巖體為例進(jìn)行介紹。另一種估算方法是在巖體質(zhì)量評價(jià)和大量試驗(yàn)資料的基礎(chǔ)上，建立巖體分類指標(biāo)與變形參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，估算巖體變形參數(shù)。二、巖體變形參數(shù)估算一種估算方法是在現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，建351、層狀巖體變形參數(shù)估算針對層狀巖體的地質(zhì)力學(xué)模型（見右圖），假設(shè)：各巖層厚度相等為S，且性質(zhì)相同。層面的張開度忽略不計(jì)假設(shè)巖塊變形參數(shù)為E，μ和G，層面變形參數(shù)為Kn，Ks。取n-t坐標(biāo)系，n垂直層面，t平行層面。由巖塊和層面組成單元體。

1、層狀巖體變形參數(shù)估算36(1)法向應(yīng)力σn作用下的巖體變形參數(shù)1)沿n方向加荷2)沿t方向加荷

(2)剪應(yīng)力作用下的巖體變形參數(shù)

(1)法向應(yīng)力σn作用下的巖體變形參數(shù)372、裂隙巖體變形參數(shù)的估算（1）用RMR值估算巖體變形模量

（2）用Q值估算縱波速度和巖體平均變形模量2、裂隙巖體變形參數(shù)的估算38三、巖體變形曲線類型及其特征1、法向變形曲線巖體變形曲線有以下一些類型，其特征各不相同。

（1）

（2）

（3）

（4）巖體法向變形曲線類型示意圖三、巖體變形曲線類型及其特征39（1）直線型：通過原點(diǎn)的直線，其方程為p＝f(W)＝KW加壓過程中W隨p成正比增加。巖體巖性均勻、結(jié)構(gòu)面不發(fā)育或結(jié)構(gòu)面分布均勻多呈這種狀態(tài)。分下面兩種情況：陡直線型：巖體剛度大，不易變形，巖體較堅(jiān)硬、完整、致密均勻、少裂隙，以彈性變形為主，接近于均質(zhì)彈性體。緩直線型：巖體剛度低，易變形，由多組結(jié)構(gòu)面切割且分布較均勻或巖性較軟弱且均質(zhì)或平行層面加壓。有明顯的塑性變形和回滯環(huán)，非彈性變形。（1）直線型：通過原點(diǎn)的直線，其方程為p＝f(W)＝KW加壓40（2）上凹型：曲線方程為p＝f(W)，dp/dW隨p增大而遞增，dp/dW＞0層狀及節(jié)理巖體多呈這類曲線。分下面兩種情況：第一種情況：巖體剛度隨循環(huán)次數(shù)增加而增大，彈性變形成分較大。多為垂直層面加壓的較堅(jiān)硬層狀巖體。第二種情況：卸壓曲線較陡，變形大部分為塑性變形。多為存在軟弱夾層的層狀巖體及裂隙巖體或垂直層面加壓的層狀巖體。（2）上凹型：曲線方程為p＝f(W)，dp/dW隨p增大而遞41（3）上凸型：曲線方程為p＝f(W)，dp/dW隨p增加而遞減，d2p/dW2＜0。結(jié)構(gòu)面發(fā)育且有泥質(zhì)充填的巖體、較深處埋藏有軟弱夾層或巖性軟弱的巖體常呈這類曲線。（4）復(fù)合型：p-W曲線呈階梯或“S”型。結(jié)構(gòu)面發(fā)育不均或巖性不均勻的巖體，常呈此類曲線。（3）上凸型：曲線方程為p＝f(W)，dp/dW隨p增加而遞422、剪切變形曲線剪切變形曲線有以下三種類型。（1）

（2）

（3）巖體剪切變形曲線類型示意圖2、剪切變形曲線43（1）峰值前曲線平均斜率小，破壞位移大；峰值后應(yīng)力降很小或不變。多為沿軟弱結(jié)構(gòu)面剪切。（2）峰值前曲線平均斜率較大，峰值強(qiáng)度較高。峰值后應(yīng)力降較大。多為沿粗糙結(jié)構(gòu)面、軟弱巖體及劇風(fēng)化巖體剪切。（3）峰值前曲線斜率大，線性段和非線性段明顯，峰值強(qiáng)度高，破壞位移小。峰值后應(yīng)力降大，殘余強(qiáng)度較低。多為剪斷堅(jiān)硬巖體。四、影響巖體變形性質(zhì)的因素影響因素：巖性、結(jié)構(gòu)面特征、風(fēng)化程度、試驗(yàn)方法、試件尺寸、加荷條件、溫度、濕度等。（1）峰值前曲線平均斜率小，破壞位移大；峰值后應(yīng)力降很小或不44第二節(jié)巖體的強(qiáng)度性質(zhì)巖體強(qiáng)度是指巖體抵抗外力破壞的能力。巖體的強(qiáng)度既不同于巖塊的強(qiáng)度，也不同于結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度，一般情況下，其強(qiáng)度介于巖塊與結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度之間。

巖體和巖塊一樣，巖體強(qiáng)度也有抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度之分。第二節(jié)巖體的強(qiáng)度性質(zhì)巖體強(qiáng)度是指巖體抵抗外力破壞的能力。巖45一、巖體的剪切強(qiáng)度1、巖體剪切強(qiáng)度的類型巖體的剪切強(qiáng)度是指巖體內(nèi)任一方向剪切面，在法向應(yīng)力作用下所能抵抗的最大剪應(yīng)力。剪切強(qiáng)度分為抗剪斷強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗切強(qiáng)度。（1）抗剪斷強(qiáng)度：是指在任一法向應(yīng)力下，橫切結(jié)構(gòu)面剪切破壞時(shí)巖體能抵抗的最大剪應(yīng)力。（2）抗剪強(qiáng)度：是指在任一法向應(yīng)力下，巖體沿已有破裂面剪切破壞時(shí)的最大應(yīng)力。（3）抗切強(qiáng)度：是指剪切面上的法向應(yīng)力為零時(shí)的抗剪斷強(qiáng)度。一、巖體的剪切強(qiáng)度1、巖體剪切強(qiáng)度的類型462、原位巖體剪切試驗(yàn)及其強(qiáng)度參數(shù)確定利用雙千斤頂法直剪試驗(yàn)可以測試巖體的剪切強(qiáng)度。3、巖體的剪切強(qiáng)度特征巖體沿結(jié)構(gòu)面剪切(重剪破壞)時(shí)，巖體剪切強(qiáng)度最低，等于結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度。橫切結(jié)構(gòu)面剪切(剪斷破壞)時(shí)，巖體剪切強(qiáng)度最高。沿復(fù)合剪切面剪切(復(fù)合破壞)時(shí)，其強(qiáng)度介于以上兩者之間。

巖體剪切強(qiáng)度包絡(luò)線示意圖2、原位巖體剪切試驗(yàn)及其強(qiáng)度參數(shù)確定47因此，巖體的剪切強(qiáng)度是具有上限和下限的值域，其強(qiáng)度包絡(luò)線也是有上限和下限的曲線族。上限是巖體的剪斷強(qiáng)度,下限是結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度。當(dāng)應(yīng)力σ較低時(shí)，強(qiáng)度變化范圍較大，隨著應(yīng)力增大，范圍逐漸變小。當(dāng)應(yīng)力σ高到一定程度時(shí)，包絡(luò)線變?yōu)橐粭l曲線，巖體強(qiáng)度將不受結(jié)構(gòu)面影響而趨于各向同性體。因此，巖體的剪切強(qiáng)度是具有上限和下限的值域，其強(qiáng)度包絡(luò)線也是48二、裂隙巖體的壓縮強(qiáng)度巖體的壓縮強(qiáng)度分為單軸抗壓強(qiáng)度和三軸壓縮強(qiáng)度。在生產(chǎn)實(shí)際中，通常是采用原位單軸壓縮和三軸壓縮試驗(yàn)來確定。

由于巖體中包含大量的結(jié)構(gòu)面，使得巖體的強(qiáng)度降低，這一點(diǎn)可以由單結(jié)構(gòu)面理論來說明。單結(jié)構(gòu)面理論：如下圖，在巖體中存在一組結(jié)構(gòu)面，與最小主應(yīng)力夾角為β。則有：

單結(jié)構(gòu)面理論示意圖

二、裂隙巖體的壓縮強(qiáng)度49若沿結(jié)構(gòu)面破壞，應(yīng)滿足下列條件：

則有，

由上式可知：（1）巖體的強(qiáng)度(σ1-σ3)隨結(jié)構(gòu)面傾角β的變化而變化，見下圖。

沿結(jié)構(gòu)面破壞β的變化范圍示意圖

若沿結(jié)構(gòu)面破壞，應(yīng)滿足下列條件：50（2）當(dāng)β→φj或β→90°時(shí)，巖體不可能沿結(jié)構(gòu)面破壞，而只能產(chǎn)生剪斷巖體破壞。只有當(dāng)β1≤β≤β2時(shí)，巖體才能沿結(jié)構(gòu)面破壞。β1和β2

（3）當(dāng)β=45°＋φj/2時(shí)，巖體強(qiáng)度取得最低值，為：

（4）巖體的三軸強(qiáng)度為：

當(dāng)σ3=0，可得巖體的單軸強(qiáng)度為：

（2）當(dāng)β→φj或β→90°時(shí)，巖體不可能沿結(jié)構(gòu)面破壞，而只51含多組結(jié)構(gòu)面，且假定各組結(jié)構(gòu)面具有相同的性質(zhì)時(shí)，可分步運(yùn)用單結(jié)構(gòu)面理論確定巖體強(qiáng)度包線及巖體強(qiáng)度，見下圖。

含不同組數(shù)結(jié)構(gòu)面巖體強(qiáng)度曲線

因此，隨結(jié)構(gòu)面組數(shù)的增加，巖體的強(qiáng)度趨向于各向同性，并被大大削弱，且多沿復(fù)合結(jié)構(gòu)面破壞。研究表明，含四組以上結(jié)構(gòu)面巖體的強(qiáng)度可按各向同性考慮。含多組結(jié)構(gòu)面，且假定各組結(jié)構(gòu)面具有相同的性質(zhì)時(shí)，可分步運(yùn)用單52三、裂隙巖體強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)估算Hoek-Brown的經(jīng)驗(yàn)方程：

M、S、A、B、T為與巖性及結(jié)構(gòu)面情況有關(guān)的常數(shù)，根據(jù)巖體性質(zhì)查表確定。三、裂隙巖體強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)估算53第三節(jié)巖體的動力學(xué)性質(zhì)巖體的動力學(xué)性質(zhì)是巖體在動荷載作用下所表現(xiàn)出來的性質(zhì)，包括巖體中彈性波的傳播規(guī)律及巖體動力變形與強(qiáng)度性質(zhì)。

一、巖體中彈性波的傳播規(guī)律1、彈性波在介質(zhì)中的傳播速度僅與介質(zhì)密度ρ及其動力變形參數(shù)Ed，μd有關(guān)。因此可以通過測定巖體中的彈性波速來確定巖體的動力變形參數(shù)。第三節(jié)巖體的動力學(xué)性質(zhì)巖體的動力學(xué)性質(zhì)是巖體在動荷載作用542、影響彈性波在巖體中的傳播速度的因素:（1）巖性：不同巖性巖體中彈性波速度不同，巖體愈致密堅(jiān)硬，波速愈大，反之，則愈小。（2）結(jié)構(gòu)面：沿結(jié)構(gòu)面?zhèn)鞑サ乃俣却笥诖怪苯Y(jié)構(gòu)面?zhèn)鞑サ乃俣取＃?）應(yīng)力：在壓應(yīng)力作用下，波速隨應(yīng)力增加而增加，波幅衰減少；反之，在拉應(yīng)力作用下，則波速降低，衰減增大。（4）含水量：隨巖體中含水量的增加導(dǎo)致彈性波速增加。（5）溫度：巖體處于正溫時(shí)，波速隨溫度增高而降低，處于負(fù)溫時(shí)則相反。2、影響彈性波在巖體中的傳播速度的因素:55二、巖體中彈性波速度的測定可以采用地震法、聲波法來測試彈性波速，下面就介紹常用的聲波法。聲波法測試步驟：（1）選擇代表性測線，布置測點(diǎn)和安裝聲波儀，見下圖。（2）發(fā)生正弦脈沖，向巖體內(nèi)發(fā)射聲波。（3）記錄縱、橫波在巖體中傳播的時(shí)間。（4）根據(jù)下面的公式計(jì)算波速。二、巖體中彈性波速度的測定56第七章巖體中的天然應(yīng)力第一節(jié)概述一、定義

（1）天然應(yīng)力:人類工程活動之前存在于巖體中的應(yīng)力。又稱地應(yīng)力、初始應(yīng)力等。

（2）重分布應(yīng)力:由于工程活動改變了的巖體中的應(yīng)力。又稱二次分布應(yīng)力、附加應(yīng)力等。天然應(yīng)力，開挖洞室后的應(yīng)立場，為重分布在附近開挖第二個(gè)洞室，則視前一個(gè)洞室沒有工程活動應(yīng)力，與天然應(yīng)力有所改變開挖后的應(yīng)立場為天然應(yīng)力，第二個(gè)洞室開挖后的應(yīng)力場為重分布應(yīng)力第七章巖體中的天然應(yīng)力第一節(jié)概述57二、天然應(yīng)力的組成

天然應(yīng)力一般由以下幾部分組成：?由巖體自重引起的自重應(yīng)力

?由構(gòu)造運(yùn)動引起的構(gòu)造應(yīng)力

?由流體作用引起的滲流應(yīng)力

?其它（如，地溫引起的溫差應(yīng)力、地球化學(xué)作用引起的化學(xué)應(yīng)力等）二、天然應(yīng)力的組成

天然應(yīng)力一般由以下幾部分組成：58三、天然應(yīng)力的研究歷史與研究意義1、研究歷史（1）世界上

?1878年海姆提出天然應(yīng)力；

?l932年，在美國胡佛水壩下的隧道中，首次成功地測定了巖體中的天然應(yīng)力；

?到目前天然應(yīng)力測點(diǎn)遍布全球，有幾十萬個(gè)測點(diǎn)。大部分是淺部，最深5108米（美國密執(zhí)安水壓致裂法）。（2）中國

?20世紀(jì)50年代末開始天然應(yīng)力量測，有幾萬個(gè)測點(diǎn)，最深的有3958米（天津大港）。三、天然應(yīng)力的研究歷史與研究意義1、研究歷史592、研究意義（1）區(qū)域穩(wěn)定任何地區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造運(yùn)動的性質(zhì)和強(qiáng)度，均取決于該地區(qū)巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)和巖體的力學(xué)性質(zhì)。從工程地質(zhì)觀點(diǎn)看，地震是各類現(xiàn)代構(gòu)造運(yùn)動引起的重要的地質(zhì)災(zāi)害。從巖體力學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，地震是巖體中應(yīng)力超過巖體強(qiáng)度而引起的斷裂破壞的一種表現(xiàn)。在一定的天然應(yīng)力場基礎(chǔ)上，常因修建大型水庫改變了地區(qū)的天然應(yīng)力場而引起水庫誘發(fā)地震。（2）地下洞室穩(wěn)定對于地下洞室而言，巖體中天然應(yīng)力是圍巖變形和破壞的力源。如果天然應(yīng)力分布不均勻，可能在洞頂拉裂掉塊，洞側(cè)壁內(nèi)鼓張裂和倒塌。2、研究意義（1）區(qū)域穩(wěn)定60（3）邊坡穩(wěn)定天然應(yīng)力狀態(tài)與巖體穩(wěn)定性關(guān)系極大，它不僅是決定巖體穩(wěn)定性的重要因素，而且直接影響各類巖體工程的設(shè)計(jì)和施工。越來越多的資料表明，在巖體高應(yīng)力區(qū)，地表和地下工程施工期間所進(jìn)行的巖體開挖，常常能在巖體中引起一系列與開挖卸荷回彈和應(yīng)力釋放相聯(lián)系的變形和破壞現(xiàn)象，使工程巖體失穩(wěn)。（4）地基巖體穩(wěn)定開挖基坑或邊坡，由于開挖卸荷作用，將引起基坑底部發(fā)生回彈隆起，并同時(shí)引起坑壁或邊坡巖體向坑內(nèi)發(fā)生位移。（3）邊坡穩(wěn)定61第二節(jié)巖體天然應(yīng)力的分布特征一、中國天然應(yīng)力的分區(qū)性中國板塊處在四大板塊環(huán)繞中，西南面受印度板塊向NNE擠壓（5mm/a），東面受太平洋板塊向W俯沖（1cm/a），南面受菲律賓板塊向N俯沖，北面受西伯利亞板塊阻擋。如下圖：第二節(jié)巖體天然應(yīng)力的分布特征一、中國天然應(yīng)力的分區(qū)性62在它們碰撞擠壓下，形成了中國大陸巖體中的天然應(yīng)力，大致可以以東經(jīng)100～105°為界分東西兩區(qū)。東西兩區(qū)的天然應(yīng)力特征差別很大。例如：

（1）天然應(yīng)力強(qiáng)度：西強(qiáng)東弱（西高東低）

（2）最大水平應(yīng)力方向：西區(qū)以NNE-SSW為主，東區(qū)近E-W方向，如下圖：在它們碰撞擠壓下，形成了中國大陸巖體中的天然應(yīng)力，大致可以以63二、鉛直應(yīng)力（）鉛直應(yīng)力主要由上覆巖體自重構(gòu)成，因此可用下式估算：因此，隨深度的增加而線性增加。天然應(yīng)力的實(shí)測結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)。鉛直應(yīng)力與埋藏深度關(guān)系的實(shí)測結(jié)果見下圖。多為壓應(yīng)力，且多為最小主應(yīng)力，少數(shù)為中間主應(yīng)力與最大主應(yīng)力。二、鉛直應(yīng)力（）64三、水平應(yīng)力（h)1、巖體中天然應(yīng)力常以水平應(yīng)力為主，即h>，特別是hmax>,據(jù)統(tǒng)計(jì)資料：h/≈0.8-3.0，說明巖體中水平天然應(yīng)力主要受地區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場的控制;2、水平應(yīng)力具有強(qiáng)烈的各向異性，即h1≠h2，我國華北hmin/hmax≈0.2-0.8，華南hmin/hmax≈0.3-0.75。原因a.巖體各向異性;b.構(gòu)造運(yùn)動的方向性;3、水平天然應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，僅在一些裂谷區(qū)、地塹區(qū)出現(xiàn)拉應(yīng)力，且是以一向壓，一向拉多見。另外在地表卸荷帶影響區(qū)，也可能出現(xiàn)水平應(yīng)力為拉應(yīng)力的現(xiàn)象。三、水平應(yīng)力（h)65四、天然應(yīng)力比值系數(shù)與深度z的關(guān)系1、定義：天然水平應(yīng)力與鉛直應(yīng)力的比值為天然應(yīng)力比值系數(shù)()。2、特點(diǎn)：天然應(yīng)力比值系數(shù)隨深度增加而減小。見右下圖。四、天然應(yīng)力比值系數(shù)與深度z的關(guān)系66五、主應(yīng)力平面與水平面的關(guān)系據(jù)主應(yīng)力平面與水平面的關(guān)系，天然應(yīng)力狀態(tài)劃分為：1、水平應(yīng)力場：兩個(gè)應(yīng)力軸近水平，或與水平面夾角很小，另一應(yīng)力軸近鉛直，三個(gè)應(yīng)力軸與空間坐標(biāo)一致，我國大陸范圍內(nèi)屬這種應(yīng)力場;2、非水平應(yīng)力場：水平應(yīng)力與水平面夾45°左右，另一軸與水平面夾0~45°左右，分布于板塊邊緣。五、主應(yīng)力平面與水平面的關(guān)系67六、高天然應(yīng)力

有些部位巖體天然應(yīng)力極高，對工程建設(shè)影響極大。高天然應(yīng)力標(biāo)志主要有以下幾點(diǎn)：

?開挖洞室時(shí)，常產(chǎn)生巖爆、剝離；

?收斂變形大，使開挖斷面變?。?/p>

?軟弱夾層內(nèi)的物質(zhì)被擠出，節(jié)理閉合；

?餅狀巖心；

?水下開挖無水滲出。六、高天然應(yīng)力

有些部位巖體天然應(yīng)力極高，對工程建設(shè)影響極大68七、影響天然應(yīng)力的因素1、地形起伏水平應(yīng)力向負(fù)地形集中，向正地形釋放，見下圖

在斜坡附近，應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，見下圖七、影響天然應(yīng)力的因素692、地表剝蝕地表剝蝕后，天然應(yīng)力比值系數(shù)必有>1的情況出現(xiàn)。3、巖體性質(zhì)硬巖往往可積累較高的應(yīng)力，而軟巖則相反4、地下水產(chǎn)生滲流應(yīng)力5、地溫產(chǎn)生溫度應(yīng)力2、地表剝蝕70第三節(jié)巖體天然應(yīng)力的確定一、根據(jù)自重應(yīng)力理論確定巖體中的天然應(yīng)力適用條件：地質(zhì)構(gòu)造簡單、地層平緩、當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面下面分三種情況分別介紹：第三節(jié)巖體天然應(yīng)力的確定一、根據(jù)自重應(yīng)力理論確定巖體中的天711、均質(zhì)各向同性巖體2、水平層狀巖體1、均質(zhì)各向同性巖體723、垂直層狀巖體3、垂直層狀巖體73二、天然應(yīng)力的量測天然應(yīng)力的量測方法較多，包括水壓致裂法、應(yīng)力恢復(fù)法（扁千斤頂法）、套芯應(yīng)力解除法、聲發(fā)射法、光彈法、X射線法等，最常用的三種方法為：1、水壓致裂法

2、應(yīng)力恢復(fù)法3、鉆孔套芯應(yīng)力解除法

二、天然應(yīng)力的量測天然應(yīng)力的量測方法較多，包括水壓致裂法、應(yīng)74第一節(jié)概述一、地下洞室的定義與分類1、定義地下洞室(undergroundcavity)是指人工開挖或天然存在于巖土體中作為各種用途的構(gòu)筑物。2、地下洞室的分類按用途：礦山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、地下廠房（倉庫）、地下軍事工程按洞壁受壓情況：有壓洞室、無壓洞室按斷面形狀：圓形、矩形、城門洞形、橢圓形按與水平面關(guān)系：水平洞室、斜洞、垂直洞室（井）按介質(zhì)類型：巖石洞室、土洞按應(yīng)力情況：單式洞室、群洞

第一節(jié)概述75二、洞室圍巖的力學(xué)問題（1）圍巖應(yīng)力重分布問題——計(jì)算重分布應(yīng)力地下開挖破壞了巖體天然應(yīng)力的相對平衡狀態(tài)，洞室周邊巖體將向開挖空間松脹變形，使圍巖中的應(yīng)力產(chǎn)生重分布作用，形成新的應(yīng)力狀態(tài)，稱為重分布應(yīng)力狀態(tài)。（2）圍巖變形與破壞問題——計(jì)算位移、確定破壞范圍在重分布應(yīng)力作用下，洞室圍巖將向洞內(nèi)變形位移。如果圍巖重分布應(yīng)力超過了巖體的承受能力，圍巖將產(chǎn)生破壞。二、洞室圍巖的力學(xué)問題（1）圍巖應(yīng)力重分布問題——計(jì)算重分布76（3）圍巖壓力問題——計(jì)算圍巖壓力圍巖變形破壞將給地下洞室的穩(wěn)定性帶來危害，因而，需對圍巖進(jìn)行支護(hù)襯砌，變形破壞的圍巖將對支襯結(jié)構(gòu)施加一定的荷載，稱為圍巖壓力(或稱山巖壓力、地壓等)。（4）有壓洞室圍巖抗力問題——計(jì)算圍巖抗力在有壓洞室中，作用有很高的內(nèi)水壓力，并通過襯砌或洞壁傳遞給圍巖，這時(shí)圍巖將產(chǎn)生一個(gè)反力，稱為圍巖抗力。（3）圍巖壓力問題——計(jì)算圍巖壓力77第二節(jié)

圍巖重分布應(yīng)力計(jì)算一、圍巖重分布應(yīng)力的概念

重分布應(yīng)力：地下開挖擾動后在圍巖中形成的新的應(yīng)力。

重分布應(yīng)力與圍巖性質(zhì)、洞形、洞室受外力狀態(tài)有關(guān)。第二節(jié)

圍巖重分布應(yīng)力計(jì)算一、圍巖重分布應(yīng)力的概念78圍巖重分布應(yīng)力計(jì)算包括以下步驟：

開挖前巖體天然應(yīng)力狀態(tài)的確定（已經(jīng)在第七章作了介紹）

開挖后圍巖重分布應(yīng)力的計(jì)算

支護(hù)襯砌后圍巖應(yīng)力狀態(tài)的改善

圍巖重分布應(yīng)力計(jì)算包括以下情形：

彈性無壓洞室圍巖重分布應(yīng)力

塑性無壓洞室圍巖重分布應(yīng)力

有壓洞室圍巖重分布應(yīng)力圍巖重分布應(yīng)力計(jì)算包括以下步驟：79二、無壓洞室圍巖重分布應(yīng)力計(jì)算1、彈性圍巖重分布應(yīng)力

圍巖圍堅(jiān)硬致密的塊狀巖體，當(dāng)天然應(yīng)力大約等于或小于其單軸抗壓強(qiáng)度的一半時(shí)，圍巖呈彈性變形?？山埔暈楦飨蛲?、連續(xù)、均質(zhì)的線彈性體，其圍巖重分布應(yīng)力可根據(jù)彈性力學(xué)計(jì)算。

二、無壓洞室圍巖重分布應(yīng)力計(jì)算1、彈性圍巖重分布應(yīng)力80（1）圓形洞室重分布應(yīng)力的大?。?）圓形洞室重分布應(yīng)力的大小81

如果洞室半徑相對洞長很小，按平面應(yīng)變問題考慮，概化為兩側(cè)受均布壓力的薄板中心小圓孔周邊應(yīng)力分布的計(jì)算問題?？梢园阉闯墒莾蓚€(gè)柯西課題的疊加，如下圖。

如果洞室半徑相對洞長很小，按平面應(yīng)變問題考慮，概化為82根據(jù)柯西課題，σv引起的圍巖重分布應(yīng)力根據(jù)柯西課題，σv引起的圍巖重分布應(yīng)力83根據(jù)柯西課題，由σH產(chǎn)生的重分布應(yīng)力

σv和σH同時(shí)作用時(shí)圓形洞室圍巖重分布應(yīng)力：根據(jù)柯西課題，由σH產(chǎn)生的重分布應(yīng)力84引入天然應(yīng)力比值系數(shù)，σv和σH同時(shí)作用時(shí)圓形洞室圍巖重分布應(yīng)力可表示為：引入天然應(yīng)力比值系數(shù)，σv和σH同時(shí)作用時(shí)圓形洞室圍巖重分布85（2）圓形洞室重分布應(yīng)力的特征

1）洞壁上的重分布應(yīng)力

為考察洞壁上的重分布應(yīng)力的特點(diǎn)，把r=R0代入上式，得洞壁上的重分布應(yīng)力為：（2）圓形洞室重分布應(yīng)力的特征86有上式可知，洞壁上的重分布應(yīng)力具有下列特點(diǎn)：洞壁上的τrθ＝0，σr＝0，為單向應(yīng)力狀態(tài)σθ大小與與洞室尺寸R0無關(guān)當(dāng)θ=0、180°，σθ=3σV—σh=（3—）σV當(dāng)θ=90、270°，σθ=3σh—σV=（3—1）σV當(dāng)λ＜1/3時(shí)，洞頂?shù)讓⒊霈F(xiàn)拉應(yīng)力當(dāng)1/3＜λ＜3時(shí)，σθ為壓應(yīng)力且分布較均勻當(dāng)λ＞3時(shí)，洞壁兩側(cè)出現(xiàn)拉應(yīng)力，洞頂?shù)壮霈F(xiàn)較高的壓應(yīng)力集中有上式可知，洞壁上的重分布應(yīng)力具有下列特點(diǎn)：87

2）靜水壓力式天然應(yīng)力場中的圍巖重分布應(yīng)力

靜水壓力式天然應(yīng)力場是指水平天然應(yīng)力與鉛直天然應(yīng)力相等的應(yīng)力場，即λ=1。

把λ=1代入上式，得靜水壓力式天然應(yīng)力場中的圍巖重分布應(yīng)力為：

2）靜水壓力式天然應(yīng)力場中的圍巖重分布應(yīng)力88有上式可知，靜水壓力式天然應(yīng)力場中的圍巖重分布應(yīng)力具有下列特點(diǎn)：圍巖內(nèi)重分布應(yīng)力與θ角無關(guān)，僅與R0和σ0有關(guān)由于τrθ=0，則σr，σθ均為主應(yīng)力，且σθ恒為最大主應(yīng)力，σr恒為最小主應(yīng)力當(dāng)r＝R0(洞壁)時(shí)，σr=0，σθ=2σ0，可知洞壁上的應(yīng)力差最大，且處于單向受力狀態(tài)，說明洞壁最易發(fā)生破壞r增大，σr增大，σθ減小，都漸趨于σ0值有上式可知，靜水壓力式天然應(yīng)力場中的圍巖重分布應(yīng)力具有下列特89在理論上，σr，σθ要在r→∞處才達(dá)到σ0值，但實(shí)際上σr，σθ趨近于σ0的速度很快，當(dāng)r=6R0時(shí)，σr和σθ與σ0接近，如下圖：一般認(rèn)為，地下洞室開挖引起的圍巖分布應(yīng)力范圍為6R0。在理論上，σr，σθ要在r→∞處才達(dá)到σ0值，但實(shí)際上σr，90第八章地下危巖圍巖穩(wěn)定性分析地下洞室是指人工開挖或天然存在于巖土體中作為各種用途的構(gòu)筑物。地下開挖破壞了巖體天然應(yīng)力的相對平衡狀態(tài)，形成新的應(yīng)力狀態(tài)，稱為重分布應(yīng)力狀態(tài)。在重分布應(yīng)力作用下，洞室圍巖將向洞內(nèi)變形位移。如果圍巖重分布應(yīng)力超過了巖體的承受能力，圍巖將產(chǎn)生破壞。變形破壞的圍巖將對支襯結(jié)構(gòu)施加稱為圍巖壓力。在有壓洞室中，圍巖還將產(chǎn)生圍巖抗力。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析，實(shí)質(zhì)上是研究地下開挖后這幾種力學(xué)作用的形成機(jī)理和計(jì)算方法。本章將主要討論地下洞室圍巖重分布應(yīng)力、圍巖變形與破壞、圍巖壓力和圍巖抗力等的巖體力學(xué)分析計(jì)算問題。第八章地下危巖圍巖穩(wěn)定性分析地下洞室是指人工開挖或天然存在91掌握圍巖、圍巖應(yīng)力、圍巖壓力、圍巖抗力等重要概念；掌握洞室圍巖應(yīng)力分布特征，變形破壞的類型與特征；掌握不同圍巖壓力的計(jì)算方法和圍巖抗力和圍巖極限承載力的確定。掌握圍巖、圍巖應(yīng)力、圍巖壓力、圍巖抗力等重要概念；掌握洞室圍92第一節(jié)概述一、地下洞室的定義與分類1、定義地下洞室(undergroundcavity)是指人工開挖或天然存在于巖土體中作為各種用途的構(gòu)筑物。2、地下洞室的分類按用途：礦山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、地下廠房（倉庫）、地下軍事工程按洞壁受壓情況：有壓洞室、無壓洞室按斷面形狀：圓形、矩形、城門洞形、橢圓形按與水平面關(guān)系：水平洞室、斜洞、垂直洞室（井）按介質(zhì)類型：巖石洞室、土洞按應(yīng)力情況：單式洞室、群洞二、洞室圍巖的力學(xué)問題（1）圍巖應(yīng)力重分布問題——計(jì)算重分布應(yīng)力地下開挖破壞了巖體天然應(yīng)力的相對平衡狀態(tài)，洞室周邊巖體將向開挖空間松脹變形，使圍巖中的應(yīng)力產(chǎn)生重分布作用，形成新的應(yīng)力狀態(tài)，稱為重分布應(yīng)力狀態(tài)。（2）圍巖變形與破壞問題——計(jì)算位移、確定破壞范圍在重分布應(yīng)力作用下，洞室圍巖將向洞內(nèi)變形位移。如果圍巖重分布應(yīng)力超過了巖體的承受能力，圍巖將產(chǎn)生破壞。（3）圍巖壓力問題——計(jì)算圍巖壓力圍巖變形破壞將給地下洞室的穩(wěn)定性帶來危害，因而，需對圍巖進(jìn)行支護(hù)襯砌，變形破壞的圍巖將對支襯結(jié)構(gòu)施加一定的荷載，稱為圍巖壓力(或稱山巖壓力、地壓等)。（4）有壓洞室圍巖抗力問題——計(jì)算圍巖抗力在有壓洞室中，作用有很高的內(nèi)水壓力，并通過襯砌或洞壁傳遞給圍巖，這時(shí)圍巖將產(chǎn)生一個(gè)反力，稱為圍巖抗力。第一節(jié)概述93第二節(jié)

圍巖重分布應(yīng)力計(jì)算一、圍巖重分布應(yīng)力的概念

重分布應(yīng)力：地下開挖擾動后在圍巖中形成的新的應(yīng)力。

重分布應(yīng)力與圍巖性質(zhì)、洞形、洞室受外力狀態(tài)有關(guān)。

圍巖重分布應(yīng)力計(jì)算包括以下步驟：

開挖前巖體天然應(yīng)力狀態(tài)的確定（已經(jīng)在第七章作了介紹）

開挖后圍巖重分布應(yīng)力的計(jì)算

支護(hù)襯砌后圍巖應(yīng)力狀態(tài)的改善

圍巖重分布應(yīng)力計(jì)算包括以下情形：

彈性無壓洞室圍巖重分布應(yīng)力

塑性無壓洞室圍巖重分布應(yīng)力

有壓洞室圍巖重分布應(yīng)力第二節(jié)

圍巖重分布應(yīng)力計(jì)算94二、無壓洞室圍巖重分布應(yīng)力計(jì)算1、彈性圍巖重分布應(yīng)力

圍巖圍堅(jiān)硬致密的塊狀巖體，當(dāng)天然應(yīng)力大約等于或小于其單軸抗壓強(qiáng)度的一半時(shí)，圍巖呈彈性變形。可近似視為各向同性、連續(xù)、均質(zhì)的線彈性體，其圍巖重分布應(yīng)力可根據(jù)彈性力學(xué)計(jì)算。

（1）圓形洞室重分布應(yīng)力的大小二、無壓洞室圍巖重分布應(yīng)力計(jì)算95如果洞室半徑相對洞長很小，按平面應(yīng)變問題考慮，概化為兩側(cè)受均布壓力的薄板中心小圓孔周邊應(yīng)力分布的計(jì)算問題?？梢园阉闯墒莾蓚€(gè)柯西課題的疊加如果洞室半徑相對洞長很小，按平面應(yīng)變問題考慮，概化為兩側(cè)受均962）各種形狀洞室重分布應(yīng)力特點(diǎn)：①橢圓形洞室長軸兩端點(diǎn)應(yīng)力集中最大，易引起壓碎破壞；短軸兩端易拉應(yīng)力集中，不利于圍巖穩(wěn)定②各種形狀洞室的角點(diǎn)或急拐彎處應(yīng)力集中最大，如正方形或矩形洞室角點(diǎn)等。③長方形短邊中點(diǎn)應(yīng)力集中大于長邊中點(diǎn)，而角點(diǎn)處應(yīng)力集中最大，圍巖最易失穩(wěn)。④當(dāng)巖體中天然應(yīng)力σh和σv相差不大時(shí)，以圓形洞室圍巖應(yīng)力分布最均勻，圍巖穩(wěn)定性最好。⑤當(dāng)巖體中天然應(yīng)力σh和σv相差較大時(shí)，則應(yīng)盡量使洞室長軸平行于最大天然應(yīng)力的作用方向。⑥在天然應(yīng)力很大的巖體中，洞室斷面應(yīng)盡量采用曲線形，以避免角點(diǎn)上過大的應(yīng)力集中。2）各種形狀洞室重分布應(yīng)力特點(diǎn)：972、塑性圍巖重分布應(yīng)力地下開挖后，洞壁的應(yīng)力集中最大,當(dāng)它超過圍巖屈服極限時(shí)，洞壁圍巖就由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)化為塑性狀態(tài)，并在圍巖中形成一個(gè)塑性松動圈。隨著距洞壁距離增大，徑向應(yīng)力σr由零逐漸增大，應(yīng)力狀態(tài)由洞壁的單向應(yīng)力狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為雙向應(yīng)力狀態(tài)，圍巖也就由塑性狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為彈性狀態(tài)。彈性區(qū)以外則是應(yīng)力基本未產(chǎn)生變化的天然應(yīng)力區(qū)(或稱原巖應(yīng)力區(qū))。因此圍巖中出現(xiàn)塑性圈、彈性圈和原巖應(yīng)力區(qū)，見右圖。塑性松動圈的出現(xiàn)，使圈內(nèi)一定范圍內(nèi)的應(yīng)力因釋放而明顯降低，而最大應(yīng)力集中由原來的洞壁移至塑、彈圈交界處，使彈性區(qū)的應(yīng)力明顯升高。

一般采用彈塑性理論求解塑性圈內(nèi)的圍巖重分布應(yīng)力。2、塑性圍巖重分布應(yīng)力98第三節(jié)圍巖的變形與破壞地下開挖后，巖體中形成一個(gè)自由變形空間，使原來處于擠壓狀態(tài)的圍巖，由于失去了支撐而發(fā)生向洞內(nèi)松脹變形；如果這種變形超過了圍巖本身所能承受的能力，則圍巖就要發(fā)生破壞，并從母巖中脫落形成坍塌、滑動或巖爆，稱前者為變形，后者為破壞。圍巖變形破壞形式取決于圍巖應(yīng)力狀態(tài)、巖體結(jié)構(gòu)及洞室斷面形狀等因素。見下圖，不同巖體結(jié)構(gòu)及洞室斷面形狀，圍巖變形破壞形式不同。第三節(jié)圍巖的變形與破壞地下開挖后，巖體中形成一個(gè)自由變形空99一、各類結(jié)構(gòu)圍巖的變形破壞特點(diǎn)1、整體狀和塊狀巖體圍巖巖體具有很高的力學(xué)強(qiáng)度和抗變形能力，主要結(jié)構(gòu)面是節(jié)理，很少有斷層，含有少量的裂隙水。在力學(xué)屬性上可視為均質(zhì)、各向同性、連續(xù)的線彈性介質(zhì)，應(yīng)力應(yīng)變呈近似直線關(guān)系。圍巖具有很好的自穩(wěn)能力，其變形破壞形式主要有巖爆、脆性開裂及塊體滑移等。這類圍巖的整體變形破壞可用彈性理論分析，局部塊體滑移可用塊體極限平衡理論來分析。巖爆是高地應(yīng)力地區(qū)，由于洞壁圍巖中應(yīng)力高度集中，使圍巖產(chǎn)生突發(fā)性變形破壞的現(xiàn)象。脆性開裂出現(xiàn)在拉應(yīng)力集中部位。塊體滑移是塊狀巖體常見的破壞形成。它是以結(jié)構(gòu)面切割而成的不穩(wěn)定塊體滑出的形式出現(xiàn)。其破壞規(guī)模與形態(tài)受結(jié)構(gòu)面的分布、組合形式及其與開挖面的相對關(guān)系控制。一、各類結(jié)構(gòu)圍巖的變形破壞特點(diǎn)1002、層狀巖體圍巖常呈軟硬巖層相間的互層形式。結(jié)構(gòu)面以層理面為主，并有層間錯(cuò)動及泥化夾層等軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育。變形破壞主要受巖層產(chǎn)狀及巖層組合等控制，破壞形式主要有：沿層面張裂、折斷塌落、彎曲內(nèi)鼓等。變形破壞?？捎脧椥粤?、彈性板或材料力學(xué)中的壓桿平衡理論來分析。在水平層狀圍巖中，洞頂巖層可視為兩端固定的板梁，在頂板壓力下，將產(chǎn)生下沉彎曲、開裂。在傾斜層狀圍巖中，沿傾斜方向一側(cè)巖層彎曲塌落。另一側(cè)邊墻巖塊滑移，形成不對稱的塌落拱。在直立層狀圍巖中，當(dāng)天然應(yīng)力比值系數(shù)λ＜1/3時(shí)，洞頂發(fā)生沿層面縱向拉裂，被拉斷塌落。側(cè)墻因壓力平行于層面，發(fā)生縱向彎折內(nèi)鼓，危及洞頂安全。2、層狀巖體圍巖1013、碎裂狀巖體圍巖碎裂巖體是指斷層、褶曲、巖脈穿插擠壓和風(fēng)化破碎加次生夾泥的巖體。變形破壞形式常表現(xiàn)為塌方和滑動。用松散介質(zhì)極限平衡理論來分析。在夾泥少、以巖塊剛性接觸為主的碎裂圍巖中，不易大規(guī)模塌方。圍巖中含泥量很高時(shí)，由于巖塊間不是剛性接觸，易產(chǎn)生大規(guī)模塌方或塑性擠入3、碎裂狀巖體圍巖1024、散體狀巖體圍巖散體狀巖體是指強(qiáng)烈構(gòu)造破碎、強(qiáng)烈風(fēng)化的巖體。常表現(xiàn)為彈塑性、塑性或流變性。圍巖結(jié)構(gòu)均勻時(shí)，以拱頂冒落為主。當(dāng)圍巖結(jié)構(gòu)不均勻或松動巖體僅構(gòu)成局部圍巖時(shí)，常表現(xiàn)為局部塌方、塑性擠入及滑動等變形破壞形式?？捎盟缮⒔橘|(zhì)極限平衡理論配合流變理論來分析。4、散體狀巖體圍巖103第四節(jié)

圍巖壓力計(jì)算一、基本概念地下洞室圍巖在重分布應(yīng)力作用下產(chǎn)生過量的塑性變形或松動破壞，進(jìn)而引起施加于支護(hù)襯砌上的壓力，稱為圍巖壓力(peripheralrockpressure)。圍巖壓力是圍巖與支襯間的相互作用力，它與圍巖應(yīng)力不是同一個(gè)概念。圍巖應(yīng)力是巖體中的內(nèi)力，而圍巖壓力則是針對支襯結(jié)構(gòu)來說的，是作用于支護(hù)襯砌上的外力。按圍巖壓力的形成機(jī)理，可將其劃分為形變圍巖壓力、松動圍巖壓力和沖擊圍巖壓力。1、形變圍巖壓力形變圍巖壓力是由于圍巖塑性變形如塑性擠入、膨脹內(nèi)鼓、彎折內(nèi)鼓等形成的擠壓力。產(chǎn)生形變圍巖壓力的條件：①巖體較軟弱或破碎，圍巖應(yīng)力超過巖體的屈服極限而產(chǎn)生較大的塑性變形；②深埋洞室，圍巖受壓力過大引起塑性流動變形。一種特殊的形變圍巖壓力膨脹圍巖壓力：膨脹圍巖由于礦物吸水膨脹產(chǎn)生的對支襯結(jié)構(gòu)的擠壓力。形成的基本條件：一是巖體中要有膨脹性粘土礦物(如蒙脫石等)；二是要有地下水的作用。2、松動圍巖壓力松動圍巖壓力是由于圍巖拉裂塌落、塊體滑移及重力坍塌等破壞引起的壓力，這是一種有限范圍內(nèi)脫落巖體重力施加于支護(hù)襯砌上的壓力。大小取決于圍巖性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面交切組合關(guān)系及地下水活動和支護(hù)時(shí)間等因素。松動圍巖壓力可采用松散體極限平衡或塊體極限平衡理論進(jìn)行分析計(jì)算。3、沖擊圍巖壓力沖擊圍巖壓力是由巖爆形成的一種特殊圍巖壓力。它是強(qiáng)度較高且較完整的彈脆性巖體過度受力后突然發(fā)生巖石彈射變形所引起的圍巖壓力現(xiàn)象。沖擊圍巖壓力的大小與天然應(yīng)力狀態(tài)、圍巖力學(xué)屬性等密切相關(guān)，并受到洞室埋深、施工方法及洞形等因素的影響。沖擊圍巖壓力的大小，目前無法進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，只能對沖擊圍巖壓力的產(chǎn)生條件及其產(chǎn)生可能性進(jìn)行定性的評價(jià)預(yù)測。第四節(jié)

圍巖壓力計(jì)算一、基本概念104二、圍巖壓力計(jì)算松動圍巖壓力松動圍巖壓力是指松動塌落巖體重量所引起的作用在支護(hù)襯砌上的壓力。圍巖過度變形超過了它的抗變形能力，就會引起塌落等松動破壞，這時(shí)作用于支護(hù)襯砌上的圍巖壓力就等于塌落巖體的自重或分量。計(jì)算松動圍巖壓力的方法主要有：平衡拱理論、太沙基理論及塊體極限平衡理論。(1)平衡拱理論（又稱普氏理論）該理論認(rèn)為：洞室開挖以后，如不及時(shí)支護(hù)，洞頂巖體將不斷跨落而形成一個(gè)拱形，稱塌落拱。這個(gè)拱形最初不穩(wěn)定，如果側(cè)壁穩(wěn)定，拱高隨塌落不斷增高；反之，如側(cè)壁也不穩(wěn)定，則拱跨和拱高同時(shí)增大。當(dāng)洞的埋深較大時(shí)，塌落拱不會無限發(fā)展，最終將在圍巖中形成一個(gè)自然平衡拱。作用于支護(hù)襯砌上的圍巖壓力就是平衡拱與襯砌間破碎巖體的重量，與拱外巖體無關(guān)。二、圍巖壓力計(jì)算松動圍巖壓力105（1）巖爆的產(chǎn)生條件1)圍巖應(yīng)力條件判斷巖爆發(fā)生的應(yīng)力條件有兩種方法：一是用洞壁的最大環(huán)向應(yīng)力σθ與圍巖單軸抗壓強(qiáng)度σc之比值作為巖爆產(chǎn)生的應(yīng)力條件；一是用天然應(yīng)力中的最大主應(yīng)力σ1與巖塊單軸抗壓強(qiáng)度σc之比進(jìn)行判斷。1)圍巖應(yīng)力條件經(jīng)驗(yàn)公式：σ1／σc大于0.165～0.35的脆性巖體最易發(fā)生巖爆。2)巖性條件彈性變形能系數(shù)ω：加載到0.7σc后再卸載至0.05σc時(shí)，卸載釋放的彈性變形能與加載吸收的變形能之比的百分?jǐn)?shù)。（1）巖爆的產(chǎn)生條件106當(dāng)ω＞70％時(shí)，會產(chǎn)生巖爆，ω越大發(fā)生巖爆的可能性越大。

（2）影響巖爆的因素1)地質(zhì)構(gòu)造巖爆大都發(fā)生在褶皺構(gòu)造中。巖爆與斷層、節(jié)理構(gòu)造密切相關(guān)。當(dāng)掌子面與斷裂或節(jié)理走向平行時(shí)，容易觸發(fā)巖爆。巖體中節(jié)理密度和張開度對巖爆有明顯的影響。據(jù)南非金礦觀測表明，節(jié)理間距小于40cm，且張開的巖體中，一般不發(fā)生巖爆。掌子面巖體中有大量巖脈穿插時(shí)，也將發(fā)生巖爆。當(dāng)ω＞70％時(shí)，會產(chǎn)生巖爆，ω越大發(fā)生巖爆的可能性越大。

107第九章邊坡巖體穩(wěn)定性分析掌握斜坡、邊坡、楔形體滑移、平面滑移等重要概念；掌握巖質(zhì)邊坡應(yīng)力分布特征及變形、破壞的類型、特征、分類等；掌握邊坡巖體穩(wěn)定性的評價(jià)方法、影響因素等。第九章邊坡巖體穩(wěn)定性分析掌握斜坡、邊坡、楔形體滑移、平面滑108第一節(jié)邊坡巖體中的應(yīng)力分布特征斜坡(slope)統(tǒng)指地表一切具有側(cè)向臨空面的地質(zhì)體，包括天然斜坡和人工邊坡。天然斜坡(簡稱斜坡）是指自然地質(zhì)作用形成未經(jīng)人工改造的斜坡。人工邊坡(簡稱邊坡）是指經(jīng)人工開挖或改造形成的斜坡。第一節(jié)邊坡巖體中的應(yīng)力分布特征斜坡(slope)統(tǒng)指地表一109一、應(yīng)力分布特征在巖體中進(jìn)行開挖，形成人工邊坡后，由于開挖卸荷，在近邊坡面一定范圍內(nèi)的巖體中，發(fā)生應(yīng)力重分布作用，使邊坡巖體處于重分布應(yīng)力狀態(tài)。邊坡巖體為適應(yīng)重分布應(yīng)力狀態(tài)，將發(fā)生變形和破壞。因此，研究邊坡巖體重分布應(yīng)力特征是進(jìn)行穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)。（1）邊坡面附近的主應(yīng)力跡線發(fā)生偏轉(zhuǎn)。最大主應(yīng)力與坡面近于平行，最小主應(yīng)力與坡面近于正交，向坡體內(nèi)逐漸恢復(fù)初始應(yīng)力狀態(tài)。（2）坡面上徑向應(yīng)力為零，為雙向應(yīng)力狀態(tài)，向坡內(nèi)逐漸轉(zhuǎn)為三向應(yīng)力狀態(tài)。

（3）坡面附近產(chǎn)生應(yīng)力集中帶。在坡腳附近，最大剪應(yīng)力增高，最易發(fā)生剪切破壞。在坡肩附近，常形成拉應(yīng)力帶。邊坡愈陡，則此帶范圍愈大，因此，坡肩附近最易拉裂破壞。

（4）最大剪應(yīng)力跡線為凹向坡面的弧線。一、應(yīng)力分布特征110二、影響邊坡應(yīng)力分布的因素1、天然應(yīng)力水平天然應(yīng)力使坡體應(yīng)力重分布作用加劇。2、坡形、坡高、坡角及坡底寬度坡高不改變應(yīng)力等值線的形狀，但改變主應(yīng)力的大小。坡角影響邊坡巖體應(yīng)力分布圖象。坡底寬度對坡腳巖體應(yīng)力有較大的影響。坡面形狀對重分布應(yīng)力也有明顯的影響。二、影響邊坡應(yīng)力分布的因素1113、巖體性質(zhì)及結(jié)構(gòu)特征巖體變形模量對邊坡應(yīng)力影響不大，泊松比對邊坡應(yīng)力影響較大。這是由于泊松比的變化，可以使水平自重應(yīng)力發(fā)生改變。4、結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)面的存在使坡體中應(yīng)力發(fā)生不連續(xù)分布，并在結(jié)構(gòu)面周邊或端點(diǎn)形成應(yīng)力集中帶或阻滯應(yīng)力的傳遞，這種情況在堅(jiān)硬巖體邊坡中尤為明顯。

3、巖體性質(zhì)及結(jié)構(gòu)特征112第二節(jié)邊坡巖體的變形與破壞巖體邊坡的變形與破壞是邊坡發(fā)展演化過程中兩個(gè)不同的階段，變形屬量變階段，而破壞則是質(zhì)變階段，它們形成一個(gè)累進(jìn)性變形破壞過程。一、邊坡巖體變形的基本類型1、卸荷回彈在成坡過程中，由于荷重不斷減少，邊坡巖體在減荷方向(臨空面)產(chǎn)生伸長變形，即卸荷回彈。天然應(yīng)力越大，向臨空方向的回彈變形量也越大。往往會伴隨產(chǎn)生一系列的張性結(jié)構(gòu)面。2、蠕變變形

邊坡巖體中的應(yīng)力對于人類工程活動的有限時(shí)間來說，可以認(rèn)為是保持不變的。在這種近似不變的應(yīng)力作用下，邊坡巖體的變形也將會隨時(shí)間不斷增加，這種變形稱為蠕變變形。

當(dāng)邊坡內(nèi)的應(yīng)力未超過巖體的長期強(qiáng)度時(shí)，則這種變形所引起的破壞是局部的。反之，這種變形將導(dǎo)致邊坡巖體的整體失穩(wěn)。

這種破裂失穩(wěn)是經(jīng)過局部破裂逐漸產(chǎn)生的，幾乎所有的巖體邊坡失穩(wěn)都要經(jīng)歷這種逐漸變形破壞過程。第二節(jié)邊坡巖體的變形與破壞113二、邊坡破壞的基本類型1、崩塌斜坡巖土體被結(jié)構(gòu)面分割的塊體，突然脫離母體以垂直運(yùn)動為主、翻滾跌躍而下的現(xiàn)象與過程。2、滑坡斜坡巖土體沿著貫通的剪切破壞面（帶），產(chǎn)生以水平運(yùn)動為主的現(xiàn)象，稱為滑坡。3、傾倒破壞由陡傾或直立板狀巖體組成的斜坡，當(dāng)巖層走向與坡面走向近平行時(shí)，在自重應(yīng)力的長期作用下，由前緣開始向臨空方向彎曲、折裂，并逐漸向坡內(nèi)發(fā)展的現(xiàn)象稱為傾倒破壞（彎曲傾倒）。二、邊坡破壞的基本類型114三、影響巖體邊坡變形破壞的因素1、巖性決定巖體邊坡穩(wěn)定性的物質(zhì)基礎(chǔ)。2、巖體結(jié)構(gòu)巖體結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)面的發(fā)育特征是巖體邊坡破壞的控制因素。首先，巖體結(jié)構(gòu)控制邊坡的破壞形式及其穩(wěn)定程度，如堅(jiān)硬塊狀巖體，不僅穩(wěn)定性好，而且其破壞形式往往是沿某些特定的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生的塊體滑移，又如散體狀結(jié)構(gòu)巖體(如劇風(fēng)化和強(qiáng)烈破碎巖體)往往產(chǎn)生圓弧形破壞，且其邊坡穩(wěn)定性往往較差等等。其次，結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度及其組合關(guān)系往往是邊坡塊體滑移破壞的幾何邊界條件，如前述的平面滑動及楔形體滑動都是被結(jié)構(gòu)面切割的巖塊沿某個(gè)或某幾個(gè)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑動的形式。3、水的作用水的滲入使巖土的質(zhì)量增大，進(jìn)而使滑動面的滑動力增大；其次，在水的作用下巖土被軟化而抗剪強(qiáng)度降低；另外，地下水的滲流對巖體產(chǎn)生動水壓力和靜水壓力，這些都對巖體邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。4、風(fēng)化作用使巖體內(nèi)裂隙增多、擴(kuò)大，透水性增強(qiáng)，抗剪強(qiáng)度降低。5、地形地貌邊坡的坡形、坡高及坡度直接影響邊坡內(nèi)的應(yīng)力分布特征，進(jìn)而影響邊坡的變形破壞形式及邊坡的穩(wěn)定性。直接影響邊坡內(nèi)的應(yīng)力分布特征，進(jìn)而影響邊坡的變形破壞形式及邊坡的穩(wěn)定性。6、地震因地震波的傳播而產(chǎn)生的地震慣性力直接作用于邊坡巖體，加速邊坡破壞。7、天然應(yīng)力

邊坡巖體中的天然應(yīng)力特別是水平天然應(yīng)力的大小，直接影響邊坡拉應(yīng)力及剪應(yīng)力的分布范圍與大小。在水平天然應(yīng)力大的地區(qū)開挖邊坡時(shí)，由于拉應(yīng)力及剪應(yīng)力的作用，常直接引起邊坡變形破壞。8、人為因素

邊坡的不合理設(shè)計(jì)、爆破、開挖或加載，大量生產(chǎn)生活用水的滲入等都能造成邊坡變形破壞，甚至整體失穩(wěn)。

三、影響巖體邊坡變形破壞的因素115第三節(jié)邊坡巖體穩(wěn)定性分析的步驟一、概述邊坡巖體穩(wěn)定性預(yù)測，應(yīng)采用定性與定量相結(jié)合的方法進(jìn)行綜合研究。?定性分析是在工程地質(zhì)勘察工作的基礎(chǔ)上，對邊坡巖體變形破壞的可能性及破壞形式進(jìn)行初步判斷。

?定量分析是在定性分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用一定的計(jì)算方法對邊坡巖體進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算及定量評價(jià)。目前運(yùn)用最為廣泛的定量分析方法是塊體極限平衡法。1、塊體極限平衡法的假設(shè)條件（1）邊坡巖體將沿某一結(jié)構(gòu)面（滑動面）產(chǎn)生滑移剪切破壞；（2）滑體在滑動過程中相對位置不變化，即為剛體；（3）滑動面上的應(yīng)力分布均勻；（4）不考慮滑體兩側(cè)的抗滑力。第三節(jié)邊坡巖體穩(wěn)定性分析的步驟一、概述1162、穩(wěn)定性系數(shù)在上述假設(shè)的基礎(chǔ)上，按下式計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù):

（1）η>1，穩(wěn)定（2）若η≦1，不穩(wěn)定在多數(shù)情況下，計(jì)算的穩(wěn)定性系數(shù)都有一定誤差，因此，為保險(xiǎn)起見，引入安全系數(shù)的概念。穩(wěn)定性系數(shù)（η）＝可供利用的抗滑力/滑動力（1）η>1，穩(wěn)定（2）若η≦1，不穩(wěn)定在多數(shù)情況下，計(jì)算的穩(wěn)定性系數(shù)都有一定誤差，因此，為保險(xiǎn)起見，引入安全系數(shù)的概念。2、穩(wěn)定性系數(shù)117第五章結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì)巖體中存在大量斷層、節(jié)理等結(jié)構(gòu)面，它是工程巖體區(qū)別于深部巖體和其它工程材料的顯著標(biāo)志之一。在工程實(shí)踐中，我們發(fā)現(xiàn)工程巖體的失穩(wěn)破壞有相當(dāng)一部分是沿著松軟結(jié)構(gòu)面破壞的，因此，結(jié)構(gòu)面的存在不僅影響巖體的變形與強(qiáng)度性質(zhì)，而且還控制著巖體的變形與破壞機(jī)理。所以，結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)的研究是巖體力學(xué)研究中的重要內(nèi)容之一。第五章結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì)巖體中存在大量斷層、節(jié)理等結(jié)構(gòu)118在這一章中我們將學(xué)習(xí)以下內(nèi)容：一、概述二、結(jié)構(gòu)面的變形性質(zhì)三、結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度性質(zhì)在這一章中我們將學(xué)習(xí)以下內(nèi)容：119在結(jié)構(gòu)面變形性質(zhì)中，重點(diǎn)要搞清楚結(jié)構(gòu)面在法向應(yīng)力和剪應(yīng)力作用下的應(yīng)力－應(yīng)變特征及法向剛度（Kn）、剪切剛度（Ks）的定義與測定方法。在結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度性質(zhì)中，重點(diǎn)要搞清楚平直結(jié)構(gòu)面和粗糙起伏結(jié)構(gòu)面的剪切強(qiáng)度特征、強(qiáng)度表達(dá)式和強(qiáng)度曲線特征，了解一般結(jié)構(gòu)面剪切強(qiáng)度參數(shù)（c、φ值）的經(jīng)驗(yàn)值。在結(jié)構(gòu)面變形性質(zhì)中，重點(diǎn)要搞清楚結(jié)構(gòu)面在法向應(yīng)力和剪應(yīng)力作用120第一節(jié)概述在工程荷載范圍內(nèi)(一般小于10MPa)，工程巖體常常是沿軟弱結(jié)構(gòu)面失穩(wěn)破壞。這方面的工程實(shí)例很多。第一節(jié)概述在工程荷載范圍內(nèi)(一般小于10MPa)，工程巖體121結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì)課件122在工程荷載作用下，結(jié)構(gòu)面及其充填物的變形是巖體變形的主要組分，控制著工程巖體的變形特性。

結(jié)構(gòu)面是巖體滲透水流的主要通道。在工程荷載作用下結(jié)構(gòu)面的變形又將極大地改變巖體的滲透性、應(yīng)力分布及其強(qiáng)度。因此，預(yù)測工程荷載作用下巖體滲透性的變化，必須研究結(jié)構(gòu)面的變形性質(zhì)及其本構(gòu)關(guān)系。工程荷載作用下，巖體中應(yīng)力分布受結(jié)構(gòu)面及其力學(xué)性質(zhì)的影響。在工程荷載作用下，結(jié)構(gòu)面及其充填物的變形是巖體變形的主要組分123第二節(jié)結(jié)構(gòu)面的變形性質(zhì)一、法向變形性質(zhì)1、法向變形的特征為了測試得到結(jié)構(gòu)面的應(yīng)力-變形曲線，取含結(jié)構(gòu)面和不含結(jié)構(gòu)面的兩塊試件做變形試驗(yàn)，得變形曲線σn-ΔV，設(shè)不含結(jié)構(gòu)面的巖塊變形為ΔVr(包括巖塊和結(jié)構(gòu)面的變形)，設(shè)不含結(jié)構(gòu)面的巖塊變形為ΔVt(僅僅只包括巖塊的變形)。則結(jié)構(gòu)面的法向閉合變形ΔVj為：ΔVj＝ΔVr-ΔVt

應(yīng)力-變形關(guān)系曲線見下圖，表現(xiàn)出以下特征：第二節(jié)結(jié)構(gòu)面的變形性質(zhì)一、法向變形性質(zhì)124結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì)課件125(1)開始時(shí)隨著法向應(yīng)力增加，結(jié)構(gòu)面閉合變形迅速增長，σn-ΔV及σn-ΔVj曲線均呈上凹型。當(dāng)σn增到一定值時(shí)，σn-ΔVt曲線變陡，并與σn-ΔVr曲線大致平行。說明結(jié)構(gòu)面已基本上完全閉合，其變形主要是巖塊變形貢獻(xiàn)的。這時(shí)ΔVj則趨于結(jié)構(gòu)面最大閉合量Vm。(2)初始壓縮階段，含結(jié)構(gòu)面的巖塊變形ΔVt主要是由結(jié)構(gòu)面的閉合造成的。試驗(yàn)表明，當(dāng)σn＝1MPa時(shí)，ΔVt/ΔVr可達(dá)5～30，說明ΔVt占了很大一部分。(3)法向應(yīng)力σn大約從σc/3處開始，含結(jié)構(gòu)面的巖塊變形由以結(jié)構(gòu)面的閉合為主轉(zhuǎn)為以巖塊的彈性變形為主。結(jié)構(gòu)面加載、卸載的應(yīng)力-變形關(guān)系曲線如下圖。(1)開始時(shí)隨著法向應(yīng)力增加，結(jié)構(gòu)面閉合變形迅速增長，σn-126結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì)課件127卸荷的應(yīng)力-變形關(guān)系曲線特征:（1）結(jié)構(gòu)面的卸荷變形曲線(σn-ΔVj)仍為一以ΔVj＝Vm為漸近線的非線性曲線。卸荷后留下很大的殘余變形不能恢復(fù)，不能恢復(fù)部分稱為松脹變形。（2）卸荷后留下殘余變形的大小主要取決于結(jié)構(gòu)面的張開度(e)、粗糙度(JRC)、壁巖強(qiáng)度(JCS)及加、卸載循環(huán)次數(shù)等因素。（3）隨著循環(huán)次數(shù)的增加，σn-ΔVj曲線逐漸變陡，且整體向左移。（4）每次循環(huán)荷載所得的曲線形狀十分相似，且其特征與加荷方式及其受力歷史無關(guān)。卸荷的應(yīng)力-變形關(guān)系曲線特征:1282、法向變形本構(gòu)方程

（1)Goodman方程較適用于具有一定滑錯(cuò)位移的非嵌合性結(jié)構(gòu)面。2、法向變形本構(gòu)方程129（2)Bardis方程較適合于未經(jīng)滑錯(cuò)位移的嵌合結(jié)構(gòu)面(如層面)的法向變形特征。（2)Bardis方程1303、法向剛度及其確定方法（1）定義：法向剛度Kn是指在法向應(yīng)力作用下，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生單位法向變形所需要的應(yīng)力，數(shù)值上等于σｎ-Ｖｊ曲線上一點(diǎn)的切線斜率。

（2）確定方法：試驗(yàn)法：室內(nèi)變形試驗(yàn)、現(xiàn)場變形試驗(yàn)本構(gòu)方程和經(jīng)驗(yàn)估算法，見下式：

3、法向剛度及其確定方法131二、結(jié)構(gòu)面的剪切變形性質(zhì)1、剪切變形特征

粗糙結(jié)構(gòu)面，呈脆性變形型，如右圖中a線，有峰值和明顯的應(yīng)力降

平直結(jié)構(gòu)面，呈塑性變形型，如右圖中b線，無峰值和明顯的應(yīng)力降2、剪切變形本構(gòu)方程卡爾哈韋（Kalhaway）方程

二、結(jié)構(gòu)面的剪切變形性質(zhì)1323.剪切剛度及其確定方法（1）定義：剪切剛度KS是反映結(jié)構(gòu)面剪切變形性質(zhì)的重要參數(shù)，其數(shù)值等于峰值前τ-u曲線上任一點(diǎn)的切線斜率。

（2）確定方法試驗(yàn)法：室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)估算法（Barton方程），見下式：

3.剪切剛度及其確定方法133第三節(jié)結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度分為抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。由于結(jié)構(gòu)面的抗拉強(qiáng)度非常小，?？珊雎圆挥?jì)，所以一般認(rèn)為結(jié)構(gòu)面是不能抗拉的。因此，通常近考慮結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度。在工程荷載作用下，巖體破壞常以沿某些軟弱結(jié)構(gòu)面的滑動破壞為主。因此，在巖體力學(xué)中結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度通常是研究的重點(diǎn)內(nèi)容。條件不同、性質(zhì)不同的結(jié)構(gòu)面其發(fā)生剪切作用的機(jī)理不同，因此其抗剪強(qiáng)度的確定方法也不同，下面將分四種類型來介紹結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度。第三節(jié)結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度分為抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。134一、平直無充填的結(jié)構(gòu)面平直無充填的結(jié)構(gòu)面包括剪應(yīng)力作用下形成的剪性破裂面，如剪節(jié)理、剪裂隙等，發(fā)育較好的層理面與片理面。其特點(diǎn)是面平直、光滑，只具微弱的風(fēng)化蝕變。堅(jiān)硬巖體中的剪破裂面還發(fā)育有鏡面、擦痕及應(yīng)力礦物薄膜等。這類結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度大致與人工磨制面的摩擦強(qiáng)度接近，即：

一、平直無充填的結(jié)構(gòu)面135各種結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的變化范圍結(jié)構(gòu)面類型摩擦角(°)粘聚力(MPa)結(jié)構(gòu)面類型摩擦角(°)粘聚力(MPa)泥化結(jié)構(gòu)面10～200～0.05云母片巖片理面10～200～0.05粘土巖層面20～300.05～0.10頁巖節(jié)理面(平直)18～290.10～0.19泥灰?guī)r層面20～300.05～0.10砂巖節(jié)理面(平直)32～380.05～1.0凝灰?guī)r層面20～300.05～0.10灰?guī)r節(jié)理面(平直)350.2頁巖層面20～300.05～0.10石英正長閃長巖節(jié)理面(平直)32～350.02～0.08砂巖層面30～400.05～0.10粗糙結(jié)構(gòu)面40～480.08～0.30礫巖層面30～400.05～0.10輝長巖、花崗巖節(jié)理面30～380.20～0.40石灰?guī)r層面30～400.05～0.10花崗巖節(jié)理面(粗糙)420.4千板巖千枚理面280.12石灰?guī)r卸荷節(jié)理面(粗糙)370.04滑石片巖、片理面10～200～0.05(砂巖、花崗巖)巖石／混凝土接觸面55～600～0.48各種結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的變化范圍136二、粗糙起伏無充填的結(jié)構(gòu)面這種類型的結(jié)構(gòu)面，其剪切特點(diǎn)是：（1）當(dāng)法向應(yīng)力σ較小時(shí)，上盤巖塊上下運(yùn)動，產(chǎn)生爬坡效應(yīng)，增大了τ；（2）當(dāng)σ較大時(shí)，將剪斷凸起而運(yùn)動，也增大了τ。由于結(jié)構(gòu)面的粗糙起伏情況比較復(fù)雜，因此抗剪強(qiáng)度的確定也比較困難。下面就先討論理想的簡單的條件（規(guī)則鋸齒形結(jié)構(gòu)面），再討論一般的情況（不規(guī)則起伏結(jié)構(gòu)面）二、粗糙起伏無充填的結(jié)構(gòu)面1371、規(guī)則鋸齒形結(jié)構(gòu)面

（1）σ較小，剪脹作用,其強(qiáng)度遵循Patton公式：（2）σ較大，啃斷作用，其強(qiáng)度接近巖塊的強(qiáng)度，即：式中：f、Ｃ分別為結(jié)構(gòu)面壁巖的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力。1、規(guī)則鋸齒形結(jié)構(gòu)面138綜合上二式，結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線如下圖所示。

剪斷凸起的條件為：

綜合上二式，結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線如下圖所示。1392、不規(guī)則起伏結(jié)構(gòu)面自然界巖體中絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)面的粗糙起伏形態(tài)是不規(guī)則的，起伏角也不是常數(shù)，見下圖。這類結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度包絡(luò)線不是折線，而是曲線形式。2、不規(guī)則起伏結(jié)構(gòu)面140巴頓（Barton）對8種不同粗糙起伏的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行了試驗(yàn)研究，提出了剪脹角的概念并用以代替起伏角，剪脹角αd的定義為剪切時(shí)剪切位移的軌跡線與水平線的夾角，即：

Barton通過大量結(jié)構(gòu)面剪切試驗(yàn)，用統(tǒng)計(jì)方法求得Barton方程

巴頓（Barton）對8種不同粗糙起伏的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行了試驗(yàn)研究141三、非貫通斷續(xù)的結(jié)構(gòu)面這類結(jié)構(gòu)面由裂隙面和非貫通的巖橋組成。在剪切過程中，一般認(rèn)為兩者都起抗剪作用。即通過的裂隙面和巖橋都起抗剪作用。假設(shè)沿整個(gè)剪切面上的應(yīng)力分布是均勻的，結(jié)構(gòu)面的線連續(xù)性系數(shù)為Ｋ1，則整個(gè)結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度為：三、非貫通斷續(xù)的結(jié)構(gòu)面142四、具有充填物的軟弱結(jié)構(gòu)面

具有充填物的軟弱結(jié)構(gòu)面包括泥化夾層和各種類型的夾泥層，其形成多與水的作用和各類滑錯(cuò)作用有關(guān)。這類結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)常與充填物的物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)及充填程度和厚度等因素密切相關(guān)。見下圖。

四、具有充填物的軟弱結(jié)構(gòu)面143充填物強(qiáng)度與顆粒粗細(xì)的關(guān)系

內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力與充填厚度的關(guān)系曲線

內(nèi)摩擦角隨充填度增大而減小充填物強(qiáng)度與顆粒粗細(xì)的關(guān)系144不同夾層物質(zhì)成分的結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度夾層成分抗剪強(qiáng)度系數(shù)摩擦系數(shù)(f)粘聚力C(kPa)泥化夾層和夾泥層0.15～0.255～20碎屑夾泥層0.3～0.420～40碎屑夾層0.5～0.60～100含鐵錳質(zhì)角礫碎屑夾層0.6～0.8530～150不同夾層物質(zhì)成分的結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度145第六章巖體的力學(xué)性質(zhì)巖體中存在著各種類型不同、規(guī)模不等的結(jié)構(gòu)面，并受到天然應(yīng)力和地下水等環(huán)境因素的影響，在外力作用下其力學(xué)屬性往往表現(xiàn)出非均質(zhì)、非連續(xù)、各向異性和非彈性。人類的工程活動都是在巖體表面或巖體內(nèi)部進(jìn)行的，因此，研究巖體的力學(xué)性質(zhì)具有實(shí)際意義。第六章巖體的力學(xué)性質(zhì)巖體中存在著各種類型不同、規(guī)模不等的結(jié)146本章將主要學(xué)習(xí)如下內(nèi)容：一、巖體的變形性質(zhì)二、巖體的剪切強(qiáng)度三、巖體的動力學(xué)性質(zhì)四、巖體的水力學(xué)性質(zhì)本章將主要學(xué)習(xí)如下內(nèi)容：147通過學(xué)習(xí)，應(yīng)該重點(diǎn)掌握巖體原位變形試驗(yàn)及變形參數(shù)的確定方法；巖體變形性質(zhì)、變形參數(shù)的估算；掌握巖體的各種強(qiáng)度類型、測試方法和經(jīng)驗(yàn)估算方法；了解巖體的動力變形特征與