1、第一章 緒論,巖石：由礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按一定規(guī)律 聚集而形成的自然物體 。,這是影響巖石力學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)的三個(gè)重要因素 。,構(gòu)造: 組成成分的空間分布及其相互間排列關(guān)系,巖石力學(xué)（Rock Mechanics）：研究巖體在各種不同受力狀態(tài)下產(chǎn)生變形和破壞規(guī)律的學(xué)科。,第一節(jié) 巖石與巖體,礦物：存在地殼中的具有一定化學(xué)成分和物理性 質(zhì)的自然元素和化合物。,結(jié)構(gòu)：組成巖石的物質(zhì)成分、顆粒大小和形狀以及 其相互結(jié)合的情況。,巖石分類,巖體=巖塊+結(jié)構(gòu)面,變質(zhì)巖：不穩(wěn)定與變質(zhì)程度和原 巖性質(zhì)有關(guān),巖漿巖：強(qiáng)度高、均質(zhì)性好,沉積巖：強(qiáng)度不穩(wěn)定，各向異性,1.2 巖體力學(xué)的研究任務(wù)與內(nèi)容,不連續(xù)；

2、 各向異性； 不均勻性； 巖塊單元的可移動(dòng)性； 地質(zhì)因子特性（水、氣、熱、初應(yīng)力）。,（1）巖體的力學(xué)特征,（2）任務(wù),基本原理方面（建模與參數(shù)辨別）； 試驗(yàn)方面（試驗(yàn)方法）儀器、信息處理、室內(nèi)、 外、動(dòng)、靜； 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試 ； 實(shí)際應(yīng)用,城市化：我國(guó)1989年不到20%，2000年為35.7%，2010達(dá)45%，為減少占用地面土地，發(fā)展地下空間。 人口密度：擁人極限2萬(wàn)/km2，而上海達(dá)4萬(wàn)/km2(局部16萬(wàn)/km2)，北京達(dá)2.7萬(wàn)/km2。 綠化指標(biāo)：1990年全國(guó)城市綠化面積3.9m2/人，上海0.9m2/人（國(guó)家要求2m2/人）。聯(lián)合國(guó)建議：40m2/人（莫斯科44m2/人；倫敦22.

3、8m2/人；巴黎25m2/人）。 交通方面 ：北京道路面積4.4m2/人；東京11.3m2/人；倫敦21.3m2/人。,(4)相關(guān)任務(wù),1.3 巖體力學(xué)的研究方法,研究方法：實(shí)驗(yàn)、理論分析與工程應(yīng)用相結(jié)合,實(shí)驗(yàn),室內(nèi) 野外,巖塊（拉、壓、剪） 模擬,位移 應(yīng)力 壓力,收斂（表面位移） 應(yīng)變 絕對(duì)位移、相對(duì)位移（內(nèi)部）,理論,連介 非連介 數(shù)值方法,有限元 離散元 DDA,1.4 巖體力學(xué)在其它學(xué)科中的地位,（1）1925年泰沙基（Terzaghi）建筑土力學(xué) （2）地質(zhì)力學(xué)的巖石力學(xué)學(xué)派（奧地利學(xué)派（薩爾茨堡學(xué)派）繆勒）否認(rèn)小巖塊試件的力學(xué)試驗(yàn)。 （3）工程巖石力學(xué)學(xué)派，法國(guó)塔洛布爾（J.Ta

4、lober） 1951年巖石力學(xué)最早的代表作。 1963年意大利瓦依昂水庫(kù)巖坡滑動(dòng) 1966年在里斯召開(kāi)第一屆國(guó)際巖石力學(xué)大會(huì)（一屆/4年 ） 全國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)術(shù)會(huì)，2000年開(kāi)第6屆，1屆/1年。 全美,全歐。 總之三個(gè)階段：材料力學(xué)、連介力學(xué)、構(gòu)造力學(xué)。,力學(xué) （固體力學(xué)分支）、地質(zhì)學(xué)、巖土工程,1.5 巖石力學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史,返回,第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì),巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)是巖體最基本、最重要的性質(zhì)之一，也是巖石力學(xué)學(xué)科中研究最早、最完善的內(nèi)容之一。 第一節(jié) 基本物理性質(zhì) 一、巖石的質(zhì)量指標(biāo) （一）密度和比重 1、巖石的密度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)巖石的質(zhì)量。 巖石含：固相、液相、氣相。

5、 三相比例不同而密度不同。,（2）飽和密度：巖石中的孔隙被水充填時(shí)的單 位體積質(zhì)量（水中浸48小時(shí)）,（1）天然密度：自然狀態(tài)下，單位體積質(zhì)量,G巖石總質(zhì)量；V總體積。,VV孔隙體積,（3）干密度：巖塊中的孔隙水全部蒸發(fā)后的單位體積質(zhì)量（108烘24h）,2、巖石的比重：巖石固體質(zhì)量（G1）與同體積水在4時(shí)的質(zhì)量比 VC固體積； 水的比重,G1巖石固體的質(zhì)量。,（KN/m3）,二、巖石的孔隙性：反映裂隙發(fā)育程度的指標(biāo),（一）孔隙比,VV孔隙體積（水銀充填法求出）,（二）孔隙率,V=VC+VV,en關(guān)系,天然狀態(tài)下 飽和狀態(tài)下,三、巖石的水理性質(zhì),（一）含水性,1、含水量：巖石孔隙中含水量GW與

6、固體質(zhì)量之比的百分?jǐn)?shù),W=GW/G1（%）,2、吸水率：巖石吸入水的質(zhì)量與固體質(zhì)量之比,Wd=,（%）,吸水率是一個(gè)間接反映巖石內(nèi)孔隙多少的指標(biāo),（二）滲透性,在一定的水壓作用下，水穿透巖石的能力。反映了巖石中裂隙向相互連通的程度，大多滲透性可用達(dá)西（Darcy）定律描述：,（m3/s）,水頭變化率；,qx沿x方向水的流量；h水頭高度； A垂直x方向的截面面積；k滲透系數(shù)。,四、巖石的抗風(fēng)化指標(biāo)（3類）,(1)軟化系數(shù)（表示抗風(fēng)化能力的指標(biāo)）,Rcc干燥單軸抗壓強(qiáng)度、 Rcd飽和單軸抗壓強(qiáng)度； （）越小，表示巖石受水的影響越大。,耐崩解性指數(shù)是通過(guò)對(duì)巖石試件進(jìn)行烘干，浸水循環(huán)試驗(yàn)所得的指標(biāo)。試

7、驗(yàn)時(shí)，將烘干的試塊，約500g，分成10份，放入帶有篩孔的圓筒內(nèi)，使圓筒在水槽中以20rs速度連續(xù)轉(zhuǎn)10分鐘，然后將留在圓筒內(nèi)的石塊取出烘干稱重。如此反復(fù)進(jìn)行兩次，按下式計(jì)算耐崩解性指數(shù)：,(2)巖石耐崩解性指數(shù),試驗(yàn)前的試件烘干質(zhì)量 ；殘留在筒內(nèi)的試件烘干質(zhì)量,1、自由膨脹率：無(wú)約束條件下，浸水后脹變形與原尺寸 之比 軸向自由膨脹 （%） H試件高度 徑向自由膨脹 （%） D直徑,返回,（三）巖石的膨脹性,評(píng)價(jià)膨脹性巖體工程的穩(wěn)定。,第三章 巖石動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ),定義：所謂波，就是某種擾動(dòng)或某種運(yùn)動(dòng)參數(shù)或狀態(tài)參數(shù)（例如應(yīng)力、變形、震動(dòng)、溫度、電磁場(chǎng)強(qiáng)度等）的 變化在介質(zhì)中的傳播。應(yīng)力波就是應(yīng)力在固

8、體介質(zhì)中的傳播。 分類：(4類） 彈性波: 在應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系服從虎克定律的介質(zhì)中傳播的波。,第一節(jié) 巖石的波動(dòng)特性,一、固體中應(yīng)力波的種類,粘彈性波 在非線性彈性體中傳播的波，這種波，除彈性變形產(chǎn)生的彈性應(yīng)力外，還產(chǎn)生又摩擦應(yīng)力或粘滯應(yīng)力。 塑性波 應(yīng)力超過(guò)彈性極限的波。 沖擊波 如果固體介質(zhì)的變形性質(zhì)能使大擾動(dòng)的傳播速度遠(yuǎn)比小擾動(dòng)的傳播速度大，在介質(zhì)中就會(huì)形成波頭陡峭的、以超聲波傳播的沖擊波。,巖石在受到擾動(dòng)時(shí)在巖體中主要傳播的是彈性波，塑性波和沖擊波只有在振源才可以看到。,3.在固體中可傳播的彈性波可分為兩類 （1）體波：由巖體內(nèi)部傳播的波(2類） （a）縱波（又稱：初至波、Primary波

9、） 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的方向和傳播方向一致的波 它產(chǎn)生壓縮或拉伸變形。 （b）橫波（又稱次到波、Second波) 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向和傳播方向垂直的波 產(chǎn)生剪切變形。 （2）面波：僅在巖石表面?zhèn)鞑ァ?質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡為一橢圓，其長(zhǎng)軸垂直 于表面，這樣的面波又稱為瑞利波。 面波速度小于體波，但傳播距離大。,按波面形狀，應(yīng)力波又區(qū)分為平面波、球面波和和柱面波。 波面上介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)具有相同的速度、加速度、位移、應(yīng)力和變形。 最前方的波面稱為波前、波頭和波陣面。 二、彈性波在固體中的傳播 拉梅運(yùn)動(dòng)方程 (不計(jì)體力),由上方程導(dǎo)出縱波在各向同性巖體中的傳播速度： 橫波在各向同性巖體中的傳播速度： 將 ， 代入 上兩式，得：

10、,若已知 ，側(cè)可根據(jù)上兩式推出求動(dòng)彈性模量 和動(dòng)泊松比 ，即：,注：若 分辨不清，則可用 （一般可用 靜泊松比代替）求 ，則 若 0.25時(shí)， 1.73 經(jīng)過(guò)各方面試驗(yàn)驗(yàn)證， 一般在1.61.7 之間。,三、巖體彈性波速得測(cè)定,（一）巖塊聲波傳播速度室內(nèi)測(cè)定 測(cè)定時(shí)，把聲源和接收器放在巖塊試件得兩端，通常用超聲波，其頻率為1000Hz2MHz。（示波見(jiàn)圖31）,發(fā)射傳感器,耦合濟(jì),接收傳感器,測(cè)出,注：由于縱波比橫波較后到達(dá)，因此橫波易受干擾，難于分辨，所以準(zhǔn)確得測(cè)出橫波時(shí)很重要的。中國(guó)科學(xué)院巖土力學(xué)研究所建議用下述方法：,（1）用激發(fā)橫向振動(dòng)的PZT型壓電晶片作橫波換能 器（圖32a）（2）

11、利用固體與固體的自由邊表面產(chǎn)生反射橫波（圖32b）（3）利用水浸法量測(cè)試件的橫波（圖32c）,（二）巖體聲波傳播速度的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定,巖體聲波的傳播速度可以在巷道幫面或 平坦的巖面上測(cè)定?，F(xiàn)場(chǎng)量測(cè)彈性波速度 的方法如圖（3-3）所示。 量出聲源與接收器之間的距離如圖33中的D1或D2 測(cè)出P波和S波傳播的時(shí)間,計(jì)算彈性波速度Vp和Vs,（三）巖體彈性波測(cè)定結(jié)果,巖體中彈性波速經(jīng)過(guò)室內(nèi)外測(cè)定與歸納，得結(jié)果間表31。 由表可見(jiàn)，巖體縱波波速變化范圍較大， 受各種因素影響。一般來(lái)說(shuō)， 巖塊波速要大于巖體波速； 新鮮完整得巖體波速大； 裂隙越發(fā)育和風(fēng)化破碎巖體的波速越小。,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理的巖體動(dòng)彈性模量見(jiàn)

12、表（32）,動(dòng)彈性模量與靜彈性模量的比值 一般來(lái)說(shuō)，巖體越堅(jiān)硬越完整，則差值越小，否則，差值就越大。 根據(jù)對(duì)比資料的統(tǒng)計(jì)，動(dòng)彈性模量比靜彈性模量高百分之幾至幾十倍，如圖34所示。 從動(dòng)彈性模量的數(shù)字來(lái)看，多集中在 之間。,圖 3-4,返回,第二節(jié) 影響巖體波速的因素（5方面因素）,一、巖體彈性波速與巖體種類、巖石密度和 生成年代有關(guān) 1.巖石的密度和完整性越高，波速越大 2.巖石密度越大，彈性波的速度也相應(yīng)增加 表31表示了各類巖石的彈性波速與巖石種類之間的關(guān)系。 圖35從實(shí)例統(tǒng)計(jì)的角度，表示了各類巖 石的彈性波速及密度之間的關(guān)系。,二、巖體波速與巖體中裂隙或夾層的關(guān)系,彈性波在巖體中傳播時(shí)，

13、遇到裂隙，則視充填物而異。若裂隙中充填物為空氣，則彈性波不能通過(guò)，而是繞過(guò)裂隙斷點(diǎn)傳播。在裂隙充水的情況下，聲能有5可以通過(guò)，若充填物為其他液體或固體物質(zhì)，則彈性波可部分或完全通過(guò)。彈性波跨越裂隙寬度的能力與彈性波的頻率和振幅有關(guān). 1.頻率越低，跨越裂隙寬度俞大，反之俞小,圖3-7,2. 裂隙數(shù)目越多，則縱波速度愈小,3.巖體的風(fēng)化程度愈高彈性波的速度亦小,4.夾層厚度愈大彈性波縱波速度愈,三、巖體波速與巖體的有效孔隙率n及吸水率有關(guān),一些巖漿巖，沉積巖和變質(zhì)巖的縱波速度與有效孔隙率n之間的關(guān)系見(jiàn)圖39所示。,從圖中可以看出： 1.隨著有效孔隙率的增加，縱波波速則急劇下降,圖310表示了縱波

14、波速與吸水率之間的關(guān)系。,從圖中可以看出：2.隨著吸水率的增加，縱波波速急劇的下降,四、巖體波速與各向異性性質(zhì)有關(guān),巖體因成巖條件、結(jié)構(gòu)面和地應(yīng)力等 原因而具有各向異性，因而彈性波在巖體 中的傳播、巖體動(dòng)彈性模量等也具有各向 異性。表36看出： 1.平行層面縱波波速大于垂直層面波速 平行層面波速/垂直巖層波速各向異性系數(shù)C C=1.08-2.28；多數(shù)：C=1.67 相當(dāng)一部分：c=1.10,表36,2.平行巖層面的動(dòng)彈模大于垂直巖層的動(dòng)彈模 各向異性系數(shù)數(shù)值在1.012.72之間；絕大部分小于1.30,3.壓力愈大，縱波波速各向異性系數(shù)愈小 由表可見(jiàn)，所有系數(shù)均大于1；其最大系數(shù)在0.1MP

15、a,五、巖體受壓應(yīng)力對(duì)彈性波傳播的影響,（一）室內(nèi)測(cè)試的結(jié)果 巖石在壓應(yīng)力作用下，對(duì)彈性波的波速和 動(dòng)彈性模量有一定的影響，受力狀態(tài)可分 靜水壓縮、三向壓縮和單向壓縮，量測(cè)方 式可分為平行或垂直于最大應(yīng)力。 1.加載方式對(duì)聲波波速的影響 在單向壓縮且垂直應(yīng)力方向測(cè)試巖石的波速時(shí)，所測(cè)波速有較明顯的影響；其它加載方法對(duì)所測(cè)波速的影響比較小，見(jiàn)圖311，12,均勻壓縮,單向壓縮,環(huán)向壓縮,2.壓應(yīng)力愈大波速愈大 從圖中可以看出，隨著壓力的增大，縱波的波速亦隨之增大?？v波增加的波速，在開(kāi)始階段較快，然后逐漸變小，最后可能不增加。 3.對(duì)于層面發(fā)育的沉積巖石，當(dāng)垂直于層面加載時(shí)，在低應(yīng)力階段波速急速隨

16、應(yīng)力增長(zhǎng)而增加， 當(dāng)波速超過(guò)平行層面方向的波以后，增長(zhǎng)變慢。 如圖313所示,4.當(dāng)巖石單向壓縮后，量測(cè)的波速因方向的不同而不同,與壓應(yīng)力相同方向上的縱波波速，在低應(yīng)力階段波速急速增長(zhǎng)，達(dá)到一定程度后增速減緩,與壓應(yīng)力垂直方向上的縱波波速，隨應(yīng)力增長(zhǎng)而減?。ú▊鲃?dòng)方向上受拉應(yīng)力）,（二）現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)的結(jié)果,在某工程中，測(cè)定了巷道兩幫的應(yīng)力 變化對(duì)聲波波速的影響可以推斷松動(dòng)圈的范圍。工程測(cè)點(diǎn)布置如圖316,1.在巷道壁鉆孔測(cè)試聲波速度 在松動(dòng)區(qū)內(nèi)，由于巖體破碎且是低應(yīng)力區(qū)，因而波速較??；高應(yīng)力區(qū)，巖體完整，波速達(dá)到最大；原巖應(yīng)力區(qū)，波速正常。根據(jù)波速沿測(cè)孔深度的變化曲線，確定這三個(gè)區(qū)的范圍。,2.測(cè)

17、試結(jié)果如圖可見(jiàn)，3條測(cè)線總的趨勢(shì)大約在1.5米處，波速最大，可推測(cè)松動(dòng)圈范圍在此處。另外，曲線1在1.5米更深處波速更大，這可能是該處巷道縱橫交錯(cuò)，應(yīng)力較復(fù)雜之故。,3.當(dāng)巖石種類不同，縱波波速不同。但基本規(guī)律相同，即在低應(yīng)力區(qū)縱波波速增長(zhǎng)很快，隨著應(yīng)力的增大，增長(zhǎng)減慢，趨于常值。如圖318所示,返回,第四章 巖體的基本力學(xué)性質(zhì),4.1 巖體結(jié)構(gòu)面分析 一、結(jié)構(gòu)面：斷層、節(jié)理、褶皺統(tǒng)稱 巖體 結(jié)構(gòu)面影響,完整性很好連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法 非常破碎土力學(xué)方法 兩者之間裂隙體力學(xué)方法,巖體不連續(xù)性，各向異性 反映區(qū)域性地質(zhì)構(gòu)造 降低巖體強(qiáng)度,圖41節(jié)理巖體的強(qiáng)度特征與巖石強(qiáng)度的區(qū)別 巖石；節(jié)理化巖體：節(jié)

18、理,巖體強(qiáng)度=巖塊強(qiáng)度+節(jié)理強(qiáng)度,二、結(jié)構(gòu)面的分類,按照工程的要求分類 1絕對(duì)分類 2相對(duì)分類相對(duì)工程而言的分類見(jiàn)表4-1。 3按力學(xué)觀點(diǎn)分類,中等結(jié)構(gòu)面 110m巨大結(jié)構(gòu)面 10m,細(xì)小結(jié)構(gòu)面 延長(zhǎng) 1m,破壞面 破壞帶 行兩者之間,充填 非充填,見(jiàn)表42,表41結(jié)構(gòu)面的相對(duì)分類,圖42 按力學(xué)觀點(diǎn)的破壞面和破壞帶分類,單節(jié)理,節(jié)理組,節(jié)理群,羽毛狀節(jié)理,破碎帶,無(wú)充填,有充填,有粘性充填物,三、巖體破碎程度分類,（一）裂隙度K 設(shè)勘測(cè)線長(zhǎng)度為 ，在 上出現(xiàn)的節(jié)理的個(gè)數(shù)為n， 則 節(jié)理之間的平均間距為,裂隙度 切割度,單組結(jié)構(gòu)面 多組結(jié)構(gòu)面,10m,實(shí)例：k=4/10=0.4/m d=1/k

19、=2.5m,1.單組節(jié)理,d180cm 整體結(jié)構(gòu) d=30180 塊狀結(jié)構(gòu) d30 破裂結(jié)構(gòu) d6.5 極破裂結(jié)構(gòu) K=01/m 疏節(jié)理 K=110/m 密節(jié)理 K=10100/m 很密節(jié)理 K=1001000/m 糜棱節(jié)理 2.多組節(jié)理,按間距分類,按裂隙度分類,圖43兩組節(jié)理的裂隙度計(jì)算圖,（二）切割度,節(jié)理并非在巖體內(nèi)全部貫通，用“切割度”來(lái)描述節(jié)理貫通度，在巖體中取一平直斷面，總截面積為A，其中被節(jié)理面切割的面積為a；則切割度為,多處不連續(xù)切割疊加：,實(shí)例,式中：巖體體積內(nèi)部被某組節(jié)理切割的程度，單位m2/m3.,表4-2按切割度分類,切割度與裂隙度的關(guān)系,（三）巖體破碎程度分類（表4

20、-3）,四、結(jié)構(gòu)面的幾何特征,1走向 例如：N30oE 2傾斜 3連續(xù)性 4粗糙度：節(jié)理表面粗糙程度 5起伏度,傾向 傾角,沿走向 沿傾角,（切割度為依據(jù)）,幅度a 長(zhǎng)度,反映節(jié)理的外貌幾何要素,圖45 節(jié)理面的起伏度與粗糙度,A和 的節(jié)理表面起伏越急峻。,返回,第二節(jié) 結(jié)構(gòu)面的變形特性,一、節(jié)理的法向變形 （一）節(jié)理彈性變形（齒狀接觸） 式中:d-為塊體的邊長(zhǎng); n-為接觸面的個(gè)數(shù); -為每個(gè)接觸面的面積; -為泊松比；E-為彈性模量。,法向 切向,按彈性力學(xué)Boussinesq公式計(jì)算齒狀節(jié)理接觸面彈性變形引起的閉合變形,（二）節(jié)理的閉合變形 齒狀接觸，開(kāi)始是齒頂?shù)膲嚎s壓碎閉合。下面介紹G

21、oodman方法：,張開(kāi)節(jié)理無(wú)抗拉強(qiáng)度 結(jié)構(gòu)面在壓應(yīng)力下存在極限閉合量且e（節(jié)理的厚度）,（1）基本假設(shè),（2）狀態(tài)方程,原位應(yīng)力,A，t回歸參數(shù),（3）狀態(tài)方程的幾何表示,當(dāng)t=t A=1時(shí)，有,最大閉合,(4)試驗(yàn)方法（VmC的確定）,步驟： （1）備制試件； （2）作-曲線（a）； （3）將試件切開(kāi)，并配 稱接觸再作曲線（b）； （4）非配稱接觸，作曲線（c）; （5）兩種節(jié)理的可壓縮性 配稱節(jié)理的壓縮量： 非配稱節(jié)理的壓縮量：,圖47 一條張開(kāi)裂縫的壓縮變形曲線,二、節(jié)理的切向變形,（一）節(jié)理強(qiáng)度與剪切變形的關(guān)系 節(jié)理“ ”曲線分為4類。見(jiàn)下圖 強(qiáng)度準(zhǔn)則：,抗剪強(qiáng)度 節(jié)理變形 擴(kuò)容現(xiàn)象

22、,圖 48 四種典型的節(jié)理強(qiáng)度和位移關(guān)系曲線,（二）節(jié)理抗剪強(qiáng)度和擴(kuò)容分析,基本理論：庫(kù)侖準(zhǔn)則 類型：面接觸、齒狀接觸 1面接觸,滾動(dòng)摩擦 轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦,正好破壞時(shí)：,破壞面與 的夾角= 剪應(yīng)變 內(nèi)摩擦角（當(dāng) =常量， 節(jié)理面最大主應(yīng)力） 極限： 靜摩擦系數(shù)fs與靜摩擦角 令節(jié)理剪切破壞的剪應(yīng)力和正應(yīng)力為：,對(duì)邊/斜邊,對(duì)邊/鄰邊,則 動(dòng)摩擦系數(shù)fk與動(dòng)摩 擦角 的關(guān)系 2齒接觸摩擦 準(zhǔn)則： 總剪切方向：AB 每個(gè)齒在爬坡，與AB成 角上坡；齒面上的剪切力和正應(yīng)壓力為 ， 。,（1）規(guī)則 （2）不規(guī)則,見(jiàn)圖412,摩擦角與位移的關(guān)系,靜摩擦角,動(dòng)摩擦角,圖412 齒狀剪切面模型,設(shè)斜坡上的摩擦角為

23、 則 展開(kāi),與平面接觸比較可見(jiàn)，齒的作用提高了摩擦角，也就提高摩擦系數(shù)。稱為滑升角 。 當(dāng)T的方向是下坡方向時(shí)，內(nèi)摩擦角變成 規(guī)則齒強(qiáng)度準(zhǔn)則,升角取“+” 降角取“”,規(guī)則齒剪切擴(kuò)容（剪脹）,殘余內(nèi)摩擦角,設(shè)滑動(dòng)前的內(nèi)摩摩擦角為 則滑動(dòng)后的內(nèi)摩摩擦角為 無(wú)齒時(shí)的殘余內(nèi)摩擦角 無(wú)齒（平面接觸）時(shí)的內(nèi)摩擦角,圖413 契效應(yīng)的擴(kuò)容曲線,（2）不規(guī)則齒接觸（1977 NBarton）,經(jīng)驗(yàn)公式：,JRC為節(jié)理粗糙系數(shù) JCS為節(jié)理壁抗壓強(qiáng)度,3、轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦,（1）基本假設(shè) 在張開(kāi)節(jié)理中，經(jīng)常有塊狀充填物，或節(jié)理切割成碎塊。當(dāng)剪切時(shí)，可使充填物或碎塊發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)的碎塊為平行六面體，其模型見(jiàn)圖。假設(shè)模

24、型受法向力N；剪切力T。 （2）穩(wěn)定性分析設(shè)平行六面體寬為a、高為b?？傻?。當(dāng)六面體受力后，其一邊作軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)角為?？赡苡?種情況：,當(dāng)時(shí)，則六面體發(fā)生翻倒，故稱為翻倒角。當(dāng)時(shí)，六面體不會(huì)翻倒；當(dāng)時(shí)，六面體處于極限狀態(tài)。,（3）應(yīng)變分析（參見(jiàn)圖）一旦轉(zhuǎn)動(dòng)，平行六面體受到剪應(yīng)變和線應(yīng)變。 剪應(yīng)變： 線應(yīng)變：六面體（）作圓弧轉(zhuǎn)動(dòng)的方程為：,由此解出：,應(yīng)變：,（5）內(nèi)摩擦角的變化（見(jiàn)圖4.16）六面體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)其傾斜角為: 破壞時(shí)傾角等于內(nèi)摩擦角：,（4）節(jié)理面的位移圖中底部的位移：頂部的位移：,在初始狀態(tài)下，內(nèi)摩擦角最大，等于翻倒角：,當(dāng)時(shí)擴(kuò)容最大，,當(dāng)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)破壞時(shí)， 碎塊間的內(nèi)摩擦角為,4、滾

25、動(dòng)摩擦,當(dāng)碎塊的翻倒角 減少時(shí)，其內(nèi)摩擦角也將減小。當(dāng)碎塊剖面為n個(gè)邊的規(guī)則多角形時(shí)，其翻倒角為：,當(dāng)碎塊的邊數(shù)不斷增加，則碎塊趨向圓球， 。其抗翻倒阻力就是它的滾動(dòng)摩力，其摩擦系數(shù)為,鋼圓柱滾動(dòng)其摩擦系數(shù)為,返回,4.3 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)效應(yīng),一、單節(jié)理和多節(jié)理的力學(xué)效應(yīng) （一）單節(jié)理的力學(xué)效應(yīng) 設(shè)結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度條件 設(shè)節(jié)理的方向角為 節(jié)面上的應(yīng)力(圖4.19）,圖419 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)效應(yīng),所以，強(qiáng)度準(zhǔn)則：,令 則 當(dāng) （節(jié)理的存在不影響巖體的強(qiáng)度） 當(dāng) 可見(jiàn) 對(duì) 求一階導(dǎo)數(shù)，并含其為零得 此時(shí)節(jié)理面對(duì)巖體的強(qiáng)度削弱最大，巖體有最小強(qiáng)度,巖體的最大強(qiáng)度 ，節(jié)理面的存在不削弱巖塊強(qiáng)度,圖解法 (見(jiàn)圖

26、419）,對(duì)巖體強(qiáng)度有影響的節(jié)理方位角： 直接在圖419量取，也可以由正弦定律推出：,對(duì)巖體強(qiáng)度有影響的節(jié)理方位角：,幾點(diǎn)討論,巖石節(jié)理同時(shí)破壞，巖體強(qiáng)度等于巖塊強(qiáng)度,巖塊先破壞，巖體強(qiáng)度等于巖塊強(qiáng)度,或,節(jié)理先破壞，巖體強(qiáng)度小于巖塊強(qiáng)度,或,（二）多節(jié)理的力學(xué)效應(yīng) （疊加）,兩組以上的節(jié)理同樣處理，不過(guò)巖體總 是沿一組最有利破壞的節(jié)理首先破壞。,圖421 兩組節(jié)理力學(xué)模型,圖420 1與 的關(guān)系曲線,二、當(dāng)C=0時(shí)節(jié)理面的力學(xué)效應(yīng),這時(shí)庫(kù)侖準(zhǔn)則 由（4-51）式推導(dǎo)得： ， 此時(shí)巖體的強(qiáng)度只靠碎塊之間的摩擦力來(lái)提供，已知由此式可計(jì)算出維持巖體極限穩(wěn)定的側(cè)向擠壓力。 巖體所需的最小支護(hù)力,返回

27、,第四節(jié) 碎塊巖體的破壞,被結(jié)構(gòu)面切割的巖體，視為巖塊的集合體。變形明顯變大，且是永久變形。,裂隙巖體的破壞類型可分三種： 沿節(jié)理破壞（常見(jiàn)） 巖體實(shí)體部分破壞（少數(shù)） 巖塊與節(jié)理面同時(shí)破壞（較常見(jiàn)） 一、沿節(jié)理面產(chǎn)生破壞 1、破壞類型（分三類）,齒狀剪切破壞斜面，個(gè)別塊體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),剪切破壞帶，一列內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的塊體有2塊,扭結(jié)破壞帶，巖塊砌疊列排列，扭結(jié)在一起而整轉(zhuǎn)動(dòng)，一列內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的塊體大于2塊,2、L-A方程（Ladanyi和Archambault）,（1）設(shè) （2）由平衡條件及功能原理，得峰值抗剪強(qiáng)度,節(jié)理破壞面為規(guī)則齒狀（圖4-24） 外力作用下，齒面產(chǎn)生相對(duì)水平位移和 垂直位移增量（擴(kuò)容）

28、齒受力后，若荷載過(guò)大，部分齒剪壞,（4-61）,-剪斷齒端的面積與剪切面積之比；,-峰值抗剪強(qiáng)度時(shí)的擴(kuò)容比；,-巖塊的抗剪強(qiáng)度；,-節(jié)理面的內(nèi)摩擦角。,鋸齒狀剪壞面模型,擴(kuò)容與應(yīng)力的關(guān)系,齒根剪斷部分,齒根全部剪斷，擴(kuò)容為0,擴(kuò)容,擴(kuò)容最大,（3）退化討論,當(dāng)as=0(被剪斷的面積為零)，,適用于低正應(yīng)力狀態(tài)， 為滑升角,當(dāng)as=1和V=0(齒根全部剪斷，擴(kuò)容為0)，抗剪強(qiáng)度為,-巖石殘余內(nèi)摩擦角。,-節(jié)理面抗剪強(qiáng)度；,適用于高正應(yīng)力,-推動(dòng)力，等于巖石的單向抗壓強(qiáng)度,佩頓雙線性強(qiáng)度準(zhǔn)則,節(jié)理峰值抗剪強(qiáng)度線,節(jié)理峰值抗剪強(qiáng)度,巖石包絡(luò)線,（4）峰值抗剪強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)參數(shù),當(dāng)T（齒沒(méi)有全部剪切時(shí)），

29、 Adany 建議：,（4-64）,(4-65),(4-66),n巖石的抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比,(467),在剪切破壞帶或扭壞帶內(nèi)，即當(dāng)每轉(zhuǎn)動(dòng)巖塊的塊數(shù)25時(shí)，則從試驗(yàn)得到 Adany公式中的參數(shù) ：,二、巖塊節(jié)理破壞 、,巖塊剪切破壞面mn，,圖 4.27巖塊節(jié)理模型的剪切破壞,求：塊體沿mn和Ml發(fā)生破壞所需要的最小推力及該類巖體的擴(kuò)容條件。,設(shè)巖塊抗剪強(qiáng)度 ， 設(shè)mn方向位移1單位， 則水平位移： 垂直位移： 合剪力： 合正應(yīng)力： 水平推力：H 內(nèi)、外力作功相等： 代入以上結(jié)果，并,得,m,n,H,a,1,u,位移 方向,單元受力圖,1.塊體沿mn發(fā)生破壞所需要的最小推力H,式中：節(jié)理的

30、摩擦系數(shù) 因?yàn)閴K體朝需要推力最小的方向位移，,3.該類巖體的擴(kuò)容條件,2.塊體沿ml發(fā)生破壞所需要的最小推力H,返回,第五節(jié) 巖體的應(yīng)力應(yīng)變分析 一、巖體的 曲線,巖石和巖體的曲線對(duì)比示意圖,1.巖石和巖體應(yīng)力應(yīng)變曲線差別,巖石,巖體,2.巖體變形曲線類型,彈性線性,巖體內(nèi)部破裂或結(jié)構(gòu)面局部剪切破壞。雙線性,彈塑性變形非線性,出現(xiàn)2個(gè)破壞點(diǎn)多線性,二、巖體變形模量,確定方法,1.由應(yīng)力-應(yīng)變曲線確定,2.巖塊與節(jié)理面變形疊加求模量,3.“等價(jià)”模型確定,4.現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法,1.由應(yīng)力-應(yīng)變曲線確定,變形模量,彈性模量,2.巖塊變形與節(jié)理面變形疊加求模量,依據(jù)：巖體的位移=巖塊的位移+節(jié)理的位移,

31、巖塊的位移：,節(jié)理的位移：,巖體的位移：,(a),巖體有效變形模量:,(b),(a)式=(b)式：,由于,故：,注：實(shí)際工程中，E由室內(nèi)巖塊試驗(yàn)確定d 為節(jié)理的間距，可由地質(zhì)測(cè)繪確定; 可由現(xiàn)場(chǎng)巖體變形試驗(yàn)求出。故可由此式來(lái)求出 nh,4.現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法（4.6講）,3.“等價(jià)”模型求模量,設(shè)巖體內(nèi)存在單獨(dú)一組有規(guī)律的節(jié)理，可用“等價(jià)”連續(xù)介質(zhì)模型來(lái)代替這個(gè)不連續(xù)巖體,等價(jià)原理：,保證模型和原型中的總應(yīng)力和位移相等；但原型和模型中的變形不同,“等價(jià)”模型變形=巖塊變形+節(jié)理法向變形,既：,巖體的變形模量,節(jié)理的法向剛度系數(shù),E 巖塊彈性模量,返回,第六節(jié) 巖體力學(xué)性能的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,由于室內(nèi)的巖樣存

32、在體積小、脫離巖體的地質(zhì)力學(xué)性能的全貌等缺點(diǎn)，因而不能充分反映巖體的力學(xué)性能。而巖體的野外現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試就較為全面的反映巖體力學(xué)性能的全貌，這是室內(nèi)試驗(yàn)所不及的。本節(jié)我們討論巖體的變形性能和強(qiáng)度特性的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。 一、巖體的變形試驗(yàn) 巖體的變形試驗(yàn)有靜力法和動(dòng)力法兩種。,靜力法是指巖體現(xiàn)場(chǎng)變形試驗(yàn)時(shí)以靜力荷載進(jìn)行加載。 動(dòng)力法是指施加于巖體上的荷載為動(dòng)力荷載。 動(dòng)力法的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定在第三章已介紹，這里介紹靜力法求現(xiàn)場(chǎng)巖體的變形模量。 常用的靜力法有千斤頂法荷載試驗(yàn)（或稱平板荷載法）、徑向荷載試驗(yàn)（如雙筒法）和水壓法。 通常求算巖體的彈性模量 及變形模量 用千斤頂法，求巖石的彈性抗力系數(shù)采用雙筒法。,1.定

33、義：用千斤頂加荷于墊板上，使荷載傳到巖體中，也稱千斤頂法。 2.設(shè)備裝置的主要組成（圖432)： （1）墊板（承壓板);一般為方形或圓形，面積為0.25-1.20mm2、材料彈性也可為剛性。 （2）加荷裝置（千斤頂或壓力枕）;加荷為 500kN-3000kN，加荷方法有小循環(huán)和大循環(huán)兩種。小循環(huán)分為多次循環(huán)和單次循環(huán),見(jiàn)圖4-33。多次小循環(huán)加載比相同荷載下常規(guī)加載巖體產(chǎn)生的總變形大(蠕變現(xiàn)象) （3）傳力裝置（傳力支柱、傳力柱墊板）; （4）變形量測(cè)裝置（測(cè)微計(jì)）;,（一）千斤頂法荷載試驗(yàn),頂、底板加載,邊墻加載,圖4-33 巖體現(xiàn)場(chǎng)變形試驗(yàn)加荷過(guò) 程示意圖,3.測(cè)試巖體的變形可在墊板下面測(cè)

34、定，也可在通過(guò)墊板 中心的軸線上距墊板一定距離處量測(cè),4.算式 (測(cè)出壓力和位移，由下列公式計(jì)算巖體的變形模量E),把巖體看作一個(gè)彈性半無(wú)限空間，用布辛涅斯克方程求得巖體表面的垂直向位移。,(1)墊板為柔性墊板(3種位移),a.巖體表面上墊板的中點(diǎn)處垂直位移,（4-80）,式中：p-荷載; r-墊板的半徑; -巖體的泊松比; E巖體的彈性模量,b.墊板的平均位移,（481）,式中，A-受荷表面的面積；m-系數(shù)它取決于墊板的形狀、剛度以及荷載分布等情況，其m值可見(jiàn)表45,c.帶孔柔性墊板(中心有孔的壓力枕)中心點(diǎn)的垂直位移,（483),注：在圓形板下不同荷載類型時(shí)，其相應(yīng)的m值可見(jiàn)表46,（2）

35、墊板為剛性墊板時(shí),（482）,式中：a和b為墊板的邊長(zhǎng),（二）徑向荷載試驗(yàn)（求抗力系數(shù)K和彈模E）,要點(diǎn)：在巖體中開(kāi)挖一個(gè)圓筒形洞室，然后在這個(gè)洞室的某一段長(zhǎng)度上施加垂直于巖體表面的均勻壓力。水施加壓力的為水壓法；用壓力枕施加壓的為壓力枕法(又稱奧地利荷載試驗(yàn)),圖4-35所示試驗(yàn)是靠一鋼支承圓筒的四周的壓力枕同步對(duì)巖體施加荷載，造成洞中一定長(zhǎng)度內(nèi)的巖體產(chǎn)生徑向壓縮，巖體變形控制在彈性階段。變形模量可按彈性厚壁圓筒理論（圖436）求得：,式中 - 半徑為 巖體內(nèi)的徑向位移,A,A-A,A,推算彈性抗力系數(shù)K,定義：洞室表面產(chǎn)生單位位移的應(yīng)力,利用彈性厚壁圓筒理論推出：,注：K隨洞的半徑的大小而

36、變化，一般，半徑越大K值越小。K愈大巖體彈性抗力愈大，愈有利于襯砌的穩(wěn)定。,既,（三）狹縫壓力枕荷載試驗(yàn)(2種) 方法1要點(diǎn)：將巖體切割成槽，把壓力枕埋于槽內(nèi)，并用水泥砂漿澆注，使壓力枕的兩個(gè)面皆能很好地與槽的兩側(cè)巖面接觸（圖4-37）。,變形模量為,式中： p-壓力枕給巖面的總荷載 ； A-圓形加載面的半徑； Vs-巖面的平均位移,方法2要點(diǎn)：在垂直巖壁上刻槽布置，圖438 。則巖體的變形模量E可按布辛涅斯克的彈性理論求得。當(dāng)實(shí)測(cè)位移已知時(shí)，變形模量為：,式中：p-壓力枕施加的單位壓力（MPa）,直槽寬度（近似用壓力枕的寬度代替）(cm) y-x軸到測(cè)點(diǎn)的距離(cm） -測(cè)點(diǎn)的位移（cm）,

37、1.要點(diǎn)：可按施加的推力與剪切面之間的夾角的大小而采用不同的加荷方法。雙千斤頂試驗(yàn)中，一組試驗(yàn)不少于五塊試件。,二、現(xiàn)場(chǎng)巖體直剪試驗(yàn)(2種),（一）雙千斤頂法,p垂直千斤頂壓力表讀數(shù)（MPa） t 橫向千斤頂壓力表讀數(shù)（MPa） F1垂直千斤頂活塞面積(若為壓力枕，應(yīng)乘以出力系數(shù))（cm2）,2.在不同p力作用下剪切 面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力,F2-橫向千斤頂活塞面積(若為壓力枕，應(yīng)乘以 出力系數(shù))（cm2） F-試件剪切面面積（cm2） 橫向推力與剪切面的夾角（通常取150),式中：,注1 當(dāng)剪切面上存在裂隙、節(jié)理等滑面時(shí)， 抗剪面積將分為剪斷破壞和滑動(dòng)破壞兩部分，而把剪斷破壞當(dāng)作有效抗剪面積F

38、a，滑動(dòng)破壞時(shí)的滑動(dòng)面積為Fb。,3.繪制應(yīng)力與位移特性曲線和剪應(yīng)力與正應(yīng) 力強(qiáng)度曲線,有效抗剪面積,正壓力仍由全部面積承擔(dān),總面積：,（二）單千斤頂法 1、要點(diǎn)：?jiǎn)吻Ы镯敺ㄊ乾F(xiàn)場(chǎng)無(wú)法施加垂直應(yīng)力的情況下采用的。在山坡上或平洞內(nèi)的預(yù)定剪切面上挖成各種主應(yīng)力方向與固定剪切面成不同傾角的試件（通常剪切面傾角為150-350）,注2 施加于試件剪切面上的壓力應(yīng)該包括千斤頂施加的荷重、設(shè)備和試件的重量。 注3 在計(jì)算剪應(yīng)力時(shí)，應(yīng)扣除由于垂直壓力而產(chǎn)生的滾軸滾動(dòng)摩擦力。,注4 如果剪切面為傾斜面時(shí)，上述破壞面上的正、剪應(yīng)力的計(jì)算公式還應(yīng)根據(jù)傾角的大小進(jìn)行修正。,2.破壞面上的正、剪應(yīng)力計(jì)算(如圖442)

39、,而,故,3.繪制巖體正-剪應(yīng)力強(qiáng)度曲線,三、現(xiàn)場(chǎng)三軸強(qiáng)度試驗(yàn) 在一個(gè)隨機(jī)性節(jié)理的巖體中，破壞面位置的 預(yù)定是有困難的，用三軸試驗(yàn)可以量測(cè)巖體的抗 剪強(qiáng)度和破壞面的位置及形態(tài)，這時(shí)，破壞面會(huì) 沿最弱的面破壞。 1.試件 矩形塊體，在試洞底板或洞壁的試驗(yàn)位置上，經(jīng)過(guò)仔細(xì)鑿刻和整平而成的，此矩形試件三邊脫離原地巖體，而僅一邊與巖體相連。目前，試件的大小可達(dá)2.80m1.40m2.80m,試件的基底與巖體相連的面積為2.80m1.40m.,（圖443）,2.加載與測(cè)試 試件準(zhǔn)備好后，把壓力枕埋置在刻槽內(nèi)，以便施加2和3，而1是通過(guò)垂直千斤頂或壓力枕施加的。在試驗(yàn)中量測(cè)和記錄試件的位移。,3.繪制巖體

40、試驗(yàn)應(yīng)力圓包絡(luò)線、強(qiáng)度曲線和巖體特征曲線,從而測(cè)定應(yīng)力位移關(guān)系曲線。確定應(yīng)力的比例極限、屈服極限和破壞極限。 關(guān)于不同應(yīng)力狀態(tài)下，現(xiàn)場(chǎng)三軸試驗(yàn)成果的 計(jì)算分述如下： 1.三軸應(yīng)力在 狀態(tài)下應(yīng)力滿足： 上式中，L,M,N分別是某平面的法向方向余弦。令 L,M,N0，則在 平面坐標(biāo)內(nèi)表示為三個(gè)應(yīng)力圓（圖444）。,2.三軸應(yīng)力在 狀態(tài)下應(yīng)力滿足： (圖445) 上式在 平面坐標(biāo)內(nèi)表示為一個(gè)應(yīng)力圓。 3.三軸應(yīng)力在 狀態(tài)下應(yīng)力滿足：,返回,第四章習(xí)題,選擇題 1、巖體的強(qiáng)度小于巖石的強(qiáng)度主要是由于（ ）。 （ A ）巖體中含有大量的不連續(xù)面 （ B ）巖體中含有水 （ C ）巖體為非均質(zhì)材料 （ D

41、 ）巖石的彈性模量比巖體的大 2、巖體的尺寸效應(yīng)是指（ ）。 （ A ）巖體的力學(xué)參數(shù)與試件的尺寸沒(méi)有什么關(guān)系 （ B ）巖體的力學(xué)參數(shù)隨試件的增大而增大的現(xiàn)象 （ C ）巖體的力學(xué)參數(shù)隨試件的增大而減少的現(xiàn)象 （ D ）巖體的強(qiáng)度比巖石的小,3 、影響巖體質(zhì)量的主要因素為（ ）。 （A）巖石類型、埋深 （B）巖石類型、含水量、溫度 （C）巖體的完整性和巖石的強(qiáng)度 （D）巖體的完整性、巖石強(qiáng)度、裂隙密度、埋深 4、我國(guó)工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中巖石的堅(jiān)硬程序確定是按照（ ）。 （A）巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度 （B）巖石的抗拉強(qiáng)度 （C）巖石的變形模量 （D）巖石的粘結(jié)力,5、下列形態(tài)的結(jié)構(gòu)體中，哪一種具

42、有較好的穩(wěn)定性？（ ） （A）錐形（B）菱形（C）楔形（D）方形 6、沉積巖中的沉積間斷面屬于哪一種類型的結(jié)構(gòu)面？（ ） （A）原生結(jié)構(gòu)面（B）構(gòu)造結(jié)構(gòu)面 （C）次生結(jié)構(gòu)面 7、巖體的變形和破壞主要發(fā)生在（ ） （A）劈理面（B）解理面（C）結(jié)構(gòu) （D）晶面,8、同一形式的結(jié)構(gòu)體，其穩(wěn)定性由大到小排列次序正確的是（ ） （A）柱狀板狀塊狀 （B）塊狀板狀柱狀 （C）塊狀柱狀板狀 （D）板狀塊狀柱狀 9、不同形式的結(jié)構(gòu)體對(duì)巖體穩(wěn)定性的影響程度由大到小的排列次序?yàn)椋?） （A）聚合型結(jié)構(gòu)體方形結(jié)構(gòu)體菱形結(jié)構(gòu)體錐形結(jié)構(gòu)體 （B）錐形結(jié)構(gòu)體菱形結(jié)構(gòu)體方形結(jié)構(gòu)體聚合型結(jié)構(gòu)體,（C）聚合型結(jié)構(gòu)體菱形結(jié)構(gòu)體

43、文形結(jié)構(gòu)體錐形結(jié)構(gòu)體 （D）聚合型結(jié)構(gòu)體方形結(jié)構(gòu)體錐形結(jié)構(gòu)體菱形結(jié)構(gòu)體 10、巖體結(jié)構(gòu)體是指由不同產(chǎn)狀的結(jié)構(gòu)面組合圍限起來(lái)，將巖體分割成相對(duì)的完整堅(jiān)硬的單無(wú)塊體，其結(jié)構(gòu)類型的劃分取決于（ ） （A）結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)（B）結(jié)構(gòu)體型式 （C）巖石建造的組合（D）三者都應(yīng)考慮,1、A 2、C 3、C 4、A 5、D 6、A 7、C 8、B 9、A 10、D,參考答案,返回,第五章 工程巖體分類,第一節(jié) 分類的目的與原則 巖體復(fù)雜、理論不完善、靠經(jīng)驗(yàn)。從定性和定 量?jī)蓚€(gè)方面來(lái)評(píng)價(jià)巖體的工程性質(zhì)，根據(jù)工程 類型及使用目的對(duì)巖體進(jìn)行分類，這也是巖體力學(xué)中最基本的研究課題。,1、分類的目的 （1）為巖石工程建設(shè)

44、的勘察、設(shè)計(jì)、施工和編制定額提供必要的基本依據(jù)。 （2）便于施工方法的總結(jié),交流,推廣。 （3）為便于行業(yè)內(nèi)技術(shù)改革和管理。,2、分類原則,（1）有明確的類級(jí)和適用對(duì)象。 （2）有定量的指標(biāo)。 （3）類級(jí)一般分五級(jí)為宜。 （4）分類方法簡(jiǎn)單明了、數(shù)字便于記憶和應(yīng)用。 （5）根據(jù)適用對(duì)象，選擇考慮因素。 趨勢(shì)：“綜合特征值”分類法,3、分類的獨(dú)立因素 在分類中起主導(dǎo)和控制作用的有如下幾方 面因素：,（1）巖石材料的質(zhì)量（強(qiáng)度指標(biāo)）。 （2）巖體的完整性，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、密度、聲波等。 （3）水汶狀態(tài)（軟化、沖蝕、弱化） （4）地應(yīng)力 （5）其它因素（自穩(wěn)時(shí)間、位移率） 其中：巖性是最重要因素,返回,

45、第二節(jié) 幾種典型分類,1、按巖石的單軸抗壓強(qiáng)度RC分類 用巖塊單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行分類，簡(jiǎn)單、早期，因此在工程上采用了較長(zhǎng)的時(shí)間(普氏系數(shù))。 （一）巖石單軸抗壓強(qiáng)度分類(表5-1),由于巖石點(diǎn)荷載試驗(yàn)可在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，數(shù)量多而簡(jiǎn)便，所以用點(diǎn)荷載強(qiáng)度指標(biāo)分類得到重視。由倫敦地質(zhì)學(xué)會(huì)與Franklin等人提出，見(jiàn)圖5-1,（二）以點(diǎn)荷載強(qiáng)度指標(biāo)分類,2、按巷道巖石穩(wěn)定性分類,（一）斯梯尼(Stini)分類 根據(jù)巷道圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行分類，如表5-2所示。,根據(jù)巖石抗壓強(qiáng)度、工程地質(zhì)條件和開(kāi)挖時(shí)巖體穩(wěn)定破壞現(xiàn)象，分四類，并有相應(yīng)的施工措施，見(jiàn)表5-3,（二）前蘇聯(lián)巴庫(kù)地鐵分類,3、按巖體完整性分類,（一）按

46、巖石質(zhì)量指標(biāo) RQD 分類 （Rock Quality Designation） RQD是選用堅(jiān)固完整的、其長(zhǎng)度大于等于10mm的巖芯總長(zhǎng)度與鉆孔長(zhǎng)度的比，百分?jǐn)?shù)表示為：,工程實(shí)踐說(shuō)明，RQD是一種比巖芯采取率更好的指標(biāo)。,例 某鉆孔的長(zhǎng)度為250cm，其中巖芯采取總長(zhǎng)度為200cm,而大于10cm的巖芯總長(zhǎng)度為157cm(圖5-2)，則巖芯采取率：200/250=80% RQD=157/250=63%,用RQD值來(lái)描述巖石的質(zhì)量-分級(jí)(表5-4),（二）以彈性波（縱波）速度分類 依據(jù)：彈性波變化能反映巖體結(jié)構(gòu)特性和完整性。 中科院地質(zhì)所根據(jù)他們對(duì)巖體結(jié)構(gòu)的分類，列出了彈性波在各類巖體中傳播特

47、性，如表5-5。,日本池田和彥于1969年提出了日本鐵路隧道圍巖強(qiáng)度分類。首先將巖質(zhì)分六類，在根據(jù)彈性波在巖體中的速度，將圍巖強(qiáng)度分為七類。（表5-6）,4、按巖體綜合指標(biāo)分類,（二）巖體的巖土力學(xué)分類 由畢昂斯基(Bieniaski1974)提出“綜合特征值”-RMR值分類0RMR100 （在歐美流行）,式中的6個(gè)指標(biāo)的相關(guān)因素分別為： R1-巖石抗壓強(qiáng)度 R2-RQD R3-節(jié)理間距 R4-節(jié)理狀態(tài) R5-地下水狀態(tài) R6-修正系數(shù)，節(jié)理的方向?qū)こ痰挠绊?這6個(gè)指標(biāo)分別由如下各表來(lái)確定。,（1）與巖石強(qiáng)度相關(guān)的巖體評(píng)分值R1可以用標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行單軸壓縮來(lái)確定，也可由點(diǎn)荷載試驗(yàn)確定。,表5-

48、7 巖石抗壓強(qiáng)度與巖體評(píng)分值R1的對(duì)應(yīng)關(guān)系,（2）巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD由修正的巖芯采取率確定,表5-8 對(duì)應(yīng)于RQD的巖體評(píng)分值R2,（3）對(duì)應(yīng)于節(jié)理組間距的巖石評(píng)分值R3，表5-9,（4）與節(jié)理狀態(tài)相關(guān)的巖體評(píng)分值R4，見(jiàn)表5-10 （5）與地下水狀態(tài)相關(guān)的巖體評(píng)分值R5見(jiàn)表5-11,（6）巖體工程的穩(wěn)定性與節(jié)理方向是否有利關(guān) 系很大，所以最后提出了表5-12，來(lái)考慮節(jié)理方 向?qū)こ淌欠裼欣麃?lái)修正前五個(gè)評(píng)分之和。(R6),根據(jù)以上六個(gè)參數(shù)之和RMR值，把巖體的質(zhì)量劃分為五類，見(jiàn)表5-13,本分類還給出了對(duì)巖體穩(wěn)定性（隧洞巖體自穩(wěn)時(shí)間）以及對(duì)應(yīng)的巖體c,值，建議值見(jiàn)表5-14。,返回,第三節(jié) 我

49、國(guó)工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) （GB50218-94）,1、工程巖體分級(jí)的基本方法 （1）確定巖體基本質(zhì)量 按定性、定量相協(xié)調(diào)的要求，最終確定巖石 的堅(jiān)硬程度與巖體完整性指數(shù)。 a.巖石堅(jiān)硬程度的確定 巖石堅(jiān)硬程度采用巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)（RC）,表5-15 RC與定性劃分的巖石堅(jiān)硬程度的關(guān)系,b.巖體完整性指數(shù)（Kv）的確定。 用彈性波測(cè)試。見(jiàn)第三章 選擇有代表性露頭或開(kāi)挖面，對(duì)不同的工程地質(zhì)巖組進(jìn)行節(jié)理裂隙統(tǒng)計(jì)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果計(jì)算單位巖體體積的節(jié)理數(shù)（Jv）(條/m3),表5-16 Jv與 Kv的對(duì)照關(guān)系,表5-17 Kv與巖體完整性程度定性劃分的對(duì)應(yīng)關(guān)系,（2）基本質(zhì)量分級(jí) a.巖體基本質(zhì)量指標(biāo)（BQ

50、）按下式計(jì)算 BQ=90+3RC+250KV 式中：RC巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度的兆帕數(shù)值 KV巖體完整性指數(shù)值 注：當(dāng)RC90KV+30,代RC90KV+30 當(dāng)KV0.04 RC+0.4,代KV0.04 RC+0.4 b.按計(jì)算所得的Q值分級(jí)見(jiàn)表5-18（分為5級(jí)）,（3）結(jié)合工程情況，計(jì)算巖體基本質(zhì)量指標(biāo)修 正值BQ，并按表5-18的指標(biāo)值確定本工程的工 程巖體級(jí)別。 BQBQ100(K1+K2+K3) K1,K2,K3值，可分別按表5-19、5-20、5-21確 定。無(wú)表中所列情況時(shí)，修正系數(shù)取零。 BQ出現(xiàn)負(fù)值時(shí)，應(yīng)按特殊問(wèn)題處理。,2.工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用(2條) （1）巖體物理力學(xué)

51、參數(shù)的選用,工程巖體基本級(jí)別一旦確定以后，可按表5-2 選用巖體的物理力學(xué)參數(shù)以及按表5-23選用巖體 結(jié)構(gòu)面抗剪斷峰值強(qiáng)度參數(shù)。,（2）地下工程巖體自穩(wěn)能力的確定 利用標(biāo)準(zhǔn)中附錄所列的地下工程自穩(wěn)能力（表5-24），可以對(duì)跨度等于或小于20m的地下工程作自穩(wěn)性初步評(píng)價(jià)，當(dāng)實(shí)際自穩(wěn)能力與表中相應(yīng)級(jí)別的自穩(wěn)能力不相符時(shí)，應(yīng)對(duì)巖體級(jí)別作相應(yīng)調(diào)整,返回,例：某地下工程巖體的勘探后得到如下資料：?jiǎn)屋S飽和抗壓強(qiáng)度強(qiáng)度 ；巖石較堅(jiān)硬，但巖體較破碎，巖石的彈性縱波速度 、巖體的彈性縱波速度 ；工作面潮濕，有的地方出現(xiàn)點(diǎn)滴出水狀態(tài)；有一組結(jié)構(gòu)面，其走向與巷道軸線夾角大約為25度、傾角為33度；沒(méi)有發(fā)現(xiàn)極高應(yīng)力

52、現(xiàn)象。按我國(guó)工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（GB5021894）該巖體基本質(zhì)量級(jí)別和考慮工程基本情況后的級(jí)別分別確定為（）。（A）級(jí)和級(jí)（B）級(jí)和級(jí)（C）級(jí)和級(jí)（D）級(jí)和級(jí),解：（1）計(jì)算巖體的基本質(zhì)量指標(biāo),其中：,檢驗(yàn)限制條件：,所以 仍取為32.5,所以 仍取為0.66,得：,（2）查表5-18（巖體基本質(zhì)量分級(jí)表） 該巖體基本質(zhì)量級(jí)別確定為級(jí)。,（3）計(jì)算巖體的基本質(zhì)量指標(biāo)修正值,其中：為地下水影響修正系數(shù)，由表5-19查得0.1； 為主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)，由表5-20查得0.5； 為初始應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)，由表5-21查得0.5。,所以： （4）查表5 - 18 （巖體基本質(zhì)量分級(jí)表）

53、該巖體質(zhì)量級(jí)別最終確定為級(jí)。 所以，本題答案選（B）。,返回,第六章 巖體的初始應(yīng)力狀態(tài),第一節(jié) 初始應(yīng)力的概念與意義,意義 （1）工程穩(wěn)定性分析的原始參數(shù)。 （2）確定開(kāi)挖方案與支護(hù)設(shè)計(jì)的必要參數(shù)。,初始應(yīng)力：天然狀態(tài)下巖體內(nèi)的應(yīng)力，又稱地應(yīng)力、原巖應(yīng)力。 因素：自重 地質(zhì)構(gòu)造 地形地貌 地震力 水壓力 地?zé)帷?返回,第二節(jié) 初始應(yīng)力的組成與計(jì)算 1、巖體自重應(yīng)力場(chǎng),垂直應(yīng)力：,平均密度，KN/m3,側(cè)壓力：,H總深度（m）,側(cè)壓力系數(shù),的取值有4種可能,圖6-1 巖體自重垂直應(yīng)力,（1）巖體假定處于彈性狀態(tài),由,推出,得：,巖體由多層不同性質(zhì)巖層組成時(shí)(圖6-2),第j層應(yīng)力：,原始垂直應(yīng)

54、力和水平應(yīng)力：,圖6-2自重垂直應(yīng)力分布,（2）Heim假設(shè)（塑性狀態(tài)）,當(dāng)原始應(yīng)力超過(guò)一定的極限，巖體就會(huì)處于潛塑狀態(tài)或塑性狀態(tài)。,（相當(dāng)于 ）,（3）巖體為理想松散介質(zhì)（風(fēng)化帶、斷層帶） 由極限平衡理得,（4）當(dāng)松散介質(zhì)有一定粘聚力時(shí),注：當(dāng) 說(shuō)明無(wú)側(cè)壓力,側(cè)壓力為：,無(wú)側(cè)壓力深度,2、巖體構(gòu)造應(yīng)力（判斷、測(cè)試，不能計(jì)算）,當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力存在時(shí) 。 3、影響巖體初應(yīng)力狀態(tài)的其它因素 （1）地形-自重的減小或增大,圖67 地形對(duì)初應(yīng)力的影響,（2）地質(zhì)條件對(duì)初應(yīng)力的影響。,圖6-8背斜褶曲對(duì)地應(yīng)力的影響,圖6-9 斷層對(duì)地應(yīng)力的影響,（3）水壓力、熱應(yīng)力,孔隙水壓力、流動(dòng)水壓力(影響小，可不計(jì))

55、、靜水壓力（懸浮作用）熱膨冷縮在巖體中產(chǎn)生熱應(yīng)力。地溫升高會(huì)使巖體內(nèi)地應(yīng)力增加，一般地溫梯度： 巖體的體膨脹系數(shù)： ，巖體彈模E=104MPa；地溫梯度引起的溫度應(yīng)力約為：,z-深度/m。 溫度應(yīng)力是同深度的垂直應(yīng)力的1/9，并呈靜水壓力狀態(tài)。,返回,第三節(jié) 巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)方法,一、巖體應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)方法概述 1.目的： （1）了解巖體中存在的應(yīng)力大小和方向 （2）為分析巖體的工程受力狀態(tài)以及為支護(hù)及巖體加固提供依據(jù) （3）預(yù)報(bào)巖體失穩(wěn)破壞以及預(yù)報(bào)巖爆的有力工具,2. 方法分類(表6-1),二、水壓致裂法,（一）方法原理及技術(shù) 要點(diǎn)：通過(guò)液壓泵向鉆孔內(nèi)擬定量測(cè)深度加液壓將孔壁壓裂，測(cè)

56、定壓裂過(guò)程中的各特征點(diǎn)壓力及開(kāi)裂方位，然后根據(jù)測(cè)得的壓裂過(guò)程中泵壓表的讀數(shù)，計(jì)算測(cè)點(diǎn)附近巖體中地應(yīng)力大小和方向。壓裂點(diǎn)上下用止水封隔器密封，其結(jié)構(gòu)如圖6-10所示。水壓致裂過(guò)程中泵壓變化及其特征壓力示于圖6-11。,P0,Pb,Ps,Ps0,P0,Pb0,Ps,圖 6-11 壓裂過(guò)程泵壓變化及特征壓力,圖 6-10 止水、壓裂工作原理,Pb,Ps,Ps,Ps0,Pb0,P0,各特征壓力的物理意義 P0-巖體內(nèi)孔隙水壓力或地下水壓力 Pb-注入鉆孔內(nèi)液壓將孔壁壓裂的初始?jí)毫褖毫?Ps-液體進(jìn)入巖體內(nèi)連續(xù)的將巖體劈裂的液壓，稱為穩(wěn)定開(kāi)裂壓力 Ps0-關(guān)泵后壓力表上保持的壓力，稱為關(guān)閉壓力。如圍巖滲

57、透性大，該壓力將逐漸衰減 Pb0-停泵后重新開(kāi)泵將裂縫壓開(kāi)的壓力，稱為開(kāi)啟壓力,（二）基本理論和計(jì)算公式,當(dāng)孔壁出現(xiàn)垂直裂縫時(shí)，設(shè)孔周邊兩個(gè)水平地應(yīng)力分別為 和 ，孔壁還受有水壓Pb.如圖6-12。,圖 6-12 孔壁開(kāi)裂力學(xué)模型,a,鉆孔周圍巖體內(nèi)應(yīng)力 (Kirsch.G-基爾斯解),在孔壁上r=a，有：,當(dāng) 時(shí)有最大拉應(yīng)力：,按最大拉應(yīng)力理論，有,(6-15),(6-16),將(6-15)代入(6-16)得孔壁開(kāi)裂應(yīng)力條件,(6-18),即孔壁開(kāi)裂在與 垂直, 的面上,式中：T0-巖體的抗強(qiáng)度,若巖體中有孔隙水壓力Pw，（6-18）式變成：,(6-19),由圖6-11知水泵重新加壓使裂縫重

58、新開(kāi)裂的壓力Pb0，則上式變成：,(6-20),19和20兩式對(duì)比得： Pb Pb0=T0,(6-21),在關(guān)閉壓力Pb0點(diǎn)上，孔壁已經(jīng)開(kāi)裂，則T0=0,穩(wěn)定開(kāi)裂壓力由P0下降到Ps0。此時(shí)，ps0等于與裂縫垂直的應(yīng)力，即：,求得主應(yīng)力及巖體抗拉強(qiáng)度 （三）根據(jù)水壓致裂法試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算地應(yīng)力 （1）一般來(lái)講 作為地主應(yīng)力之一。我們可以將 與 作比較，若 ，則可以肯定此時(shí) 為最小主應(yīng)力；進(jìn)一步將 與 作比較，也就可以以此確定地應(yīng)力的三個(gè)主應(yīng)力。,因?yàn)殚_(kāi)裂點(diǎn)方位或開(kāi)裂裂縫方向可以確定 的方位或 的方向，所以三個(gè)地主應(yīng)力的方位也就可以相應(yīng)確定。 （2）如果 ，并且孔壁開(kāi)裂后孔內(nèi) 巖體出現(xiàn)水平裂縫，則此時(shí) 為最小 地應(yīng)力， 與 各為中間主應(yīng)力及最大 地主應(yīng)力，垂直開(kāi)裂方向即為最大地應(yīng)力方向。