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岩石力学（全套课件）,岩石力学课件,岩石力学课件岩石力学课件,力学全套课件,岩石力学全套

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愿本课程带您进入岩石力学的世界,岩 石 力 学 Rock Mechanics,本课程的教学内容 Contents,第一章 绪 论,第二章 岩石的物理性状（性质）,第三章 岩石的强度,第四章 岩石的变形,第五章 岩体天然应力与洞室围岩的应力分布,第六章 矿山压力与围岩稳定性,第七章 岩基应力及稳定分析,第八章 岩坡稳定分析,本节内容Next,岩石力学研究的对象及特点,岩石力学研究的主要内容,岩石力学的研究方法,同时，我们将通过一个大型水电工程宣传片，使同学们对岩石力学与水电工程的关系有一个较为形象的认识。,第一章 绪 论 Chapter 1 Introduction,对象：岩石对象岩石材料地壳中坚硬的部分； 方法：力学的观点、理论、方法,综合：岩石力学就是用力学的理论，观点和方法去研究岩石材料的力学行为及其工程应用的学科。（实际上也称为“岩体力学”，是水利学科的一个重要分支学科）,1.1.1 岩石力学的概念,1.1岩石力学研究的对象及特点,作为力学的一个分支，岩石力学主要解决水利、土木工程等建设中的岩石工程问题，它是一门新兴的,与有关学科相互交叉的工程学科,需要应用数学、固体力学、流体力学、地质学、土力学、土木工程学等知识，并与这些学科相互渗透。,a、既古老，又年轻,1.1.2 岩石力学的特点,1）研究的广泛性,古老：旧石器时期(岩石作为生产工具)，利用石器生活场所及宗教建筑等(洞穴、房屋、桥梁、都江堰、埃及金字塔、巴比伦人的“空中花园”等)；,1.1岩石力学研究的对象及特点,年轻：从20世纪40年代开始（美国，法国，意大利、中国修建了大量的岩体工程）。,1.1.2 岩石力学的特点,1.1岩石力学研究的对象及特点,人类最早接触和最早使用的材料：旧、中、新石器时代的标志是人类使用岩土材料的水平； 土与文化：几大古文明中人类起源的传说：不约而同地认为人是上帝（神）用土创造的； 表土与人类文明：人类的几大古文明的发生与衰落; 土地与农业：“普天之下，莫非王土” 权力与财富 ；朝代的更替；农民战争 农业文明土与水 目前名川大河的中下游，土层深厚形成农业、经济、文化、政治中心 海洋文化：三角洲文明（交通与信息） 岩土与哲学的天然联系。,岩土与哲学的关系,1.1岩石力学研究的对象及特点,1.1岩石力学研究的对象及特点,20世纪下半叶发生了3次震惊水利水电工程界的重大工程事故：法国Malpasset双曲拱坝溃坝；意大利Vajout双曲拱坝近坝库区左岸发生2.5亿m3的大滑坡；美国Teton土坝在岩基坝段溃决。大大促进了岩石力学的发展。,1.1岩石力学研究的对象及特点,1.1岩石力学研究的对象及特点,1.1岩石力学研究的对象及特点,在我国：,1958年，三峡岩基组成立并着手开始三峡坝区岩石力学的研究；,1970年，万里长江第一坝葛洲坝水电站修建时，成立的专门的岩石力学研究机构；,近年来，随着大量矿山、交通、国防、水电工程的修建，从事岩石力学研究的科技人员大幅增加，大大促进了岩石力学学科的发展，我国的岩石力学工作者在世界岩石力学领域也逐渐占有一席之地，如我国的冯夏庭教授。,1979年，中国（CRSM）加入国际岩石力学学会ISRM；,1.1.2 岩石力学的特点,1）研究的广泛性,水电三峡、二滩、溪洛渡、锦屏、龙滩；（图示）,铁道长隧道、大型桥梁、边坡；,公路隧道、路堤等；,冶金矿山开采；,建筑大跨度地下商业中心，建筑物基础，城市地铁；,b、跨行业,1.1岩石力学研究的对象及特点,NEXT,1.1岩石力学研究的对象及特点,1.1岩石力学研究的对象及特点,中国第二大水电站，坝高278m,1.1岩石力学研究的对象及特点,世界上最高的混凝土双曲拱坝，最大坝高305m,1.1岩石力学研究的对象及特点,1.1岩石力学研究的对象及特点,1.1岩石力学研究的对象及特点,1.1岩石力学研究的对象及特点,1.1岩石力学研究的对象及特点,1.1岩石力学研究的对象及特点,中国第三大水电站，三项世界之最 1、规模最大的地下厂房。厂房长.m，宽.m，高.m。 2、最高的碾压混凝土大坝。最大坝高.m，坝顶长m，坝体混凝土方量万立方米。 3、提升高度最高的升船机。全长多m，最大提升高度m。,1.1岩石力学研究的对象及特点,伊泰普Itaipu大坝（巴西和巴拉圭 ）,原世界第一，现世界第二大水电站！,1.1岩石力学研究的对象及特点,美国胡佛大坝 （Hoover Dam）,美国大古力Grand Coulee 电站,Return,1.1.2 岩石力学的特点,2）研究对象的复杂性,a、组成 岩石地质体（单独的力学性质+耦合效应）；岩块、结构面组合形成；块状结构、破碎结构、离散结构 Rock and Rock Mass,b、背景 地质力学环境的复杂性（地应力、地下水、物理、化学作用等）,1.1岩石力学研究的对象及特点,1.1.2 岩石力学的特点,3）工程应用性（实践性）非常强,4）社会经济效益显著,如：“七五”攻关期间，四川大学、成勘院、清华大学联合开展“二滩坝基可利用岩体研究”，节约投资7000多万；获得了国家科技进步一等奖；,1.1岩石力学研究的对象及特点,岩石力学是伴随工程的应用而发展起来的，没有实际的工程就没有岩石力学发展的社会需求，反过来，岩石力学理论的发展又进一步提高了工程的科技含量，促进了工程的安全性，经济型等,1.2 岩石力学的基本内容,水电工程中的三大应用： 基础（坝基、坝肩）工程、边坡工程（天然、工程开挖）、地下洞室（隧洞、厂房等）、,三大部分,1.3 岩石力学的研究方法,物理模拟,数学模型,理论分析,岩石物理力学性质常规实验，地质力学模型试验；,如：有限元FEM、离散元DEM、边界元BEM等数值模拟 分析；,用新的力学分支，理论研究岩石力学问题(分形力学、神经网络、遗传算法、耦合分析等)；,1.3 岩石力学的研究方法,1.3 岩石力学的研究方法,1.3 岩石力学的研究方法,1.4 现代岩石力学研究及发展趋势,一、应用岩石力学环境安全和控制,1、环境保护（环境岩土工程）,2、存贮和弃置,1.4 现代岩石力学研究及发展趋势,一、应用岩石力学环境安全和控制,3、天然岩质边坡的稳定性岩体表面开挖,1.4 现代岩石力学研究及发展趋势,一、应用岩石力学环境安全和控制,4、隧道工程,1.4 现代岩石力学研究及发展趋势,一、应用岩石力学环境安全和控制,5、采矿工程,1.4 现代岩石力学研究及发展趋势,一、应用岩石力学环境安全和控制,6、地下洞室,1.4 现代岩石力学研究及发展趋势,一、应用岩石力学环境安全和控制,7、石油工程,8、岩基工程,1.4 现代岩石力学研究及发展趋势,二、力学现象与温度、水力和化学现象的耦合,1、室内实验压缩,2、室内实验抗剪,1.4 现代岩石力学研究及发展趋势,二、力学现象与温度、水力和化学现象的耦合,3、岩体水力特性与力学耦合现象的实验,1.4 现代岩石力学研究及发展趋势,二、力学现象与温度、水力和化学现象的耦合,4、岩体行为模拟,5、其它,1.4 现代岩石力学研究及发展趋势,三、岩石动力学和抗震技术,1、天然地震和诱发地震,2、岩爆,1.4 现代岩石力学研究及发展趋势,三、岩石动力学和技术,3、地应力,4、岩石爆破,1.4 现代岩石力学研究及发展趋势,三、岩石动力学和技术,5、岩石切割和钻孔,6、岩石爆破,1.4 现代岩石力学研究及发展趋势,四、野外实验和测量与监测,1、实验技术,1.4 现代岩石力学研究及发展趋势,四、野外实验和测量与监测,2、岩石和岩体性质的测定,1.4 现代岩石力学研究及发展趋势,3、监测、长期测量和风险评价,4、岩石锚固效果监测,四、野外实验和测量与监测,1.4 现代岩石力学研究及发展趋势,五、国际及国内岩石力学的发展趋势,1.4 现代岩石力学研究及发展趋势,五、国际及国内岩石力学的发展趋势,1.4 现代岩石力学研究及发展趋势,五、国际及国内岩石力学的发展趋势,1.4 现代岩石力学研究及发展趋势,五、国际及国内岩石力学的发展趋势,1.4 现代岩石力学研究及发展趋势,五、国际及国内岩石力学的发展趋势,感谢聆听！,2.1 岩体的结构特性,岩石（根据成因）可分为：,2.1 岩体的结构特性,岩体的组成,岩体是由结构面网络及其所围限的岩块 (结构体)所组成。 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。,2.1 岩体的结构特性,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。,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。,2.1 岩体的结构特性,岩石（根据成因）可分为：,结构面少，连续性差，闭合 巨型（原型）结构,结构面较发育 块状结构,结构面极发育 破裂（散体）结构,2.1 岩体的结构特性,岩体的结构类型,2.1 岩体的结构特性,岩体结构面的特征,结构面的成因类型,地质成因类型,力学成因类型,原生结构面,构造结构面,次生结构面,张性结构面,剪性结构面,2.1 岩体的结构特性,岩体结构面的特征,结构面的成因类型,2.1 岩体的结构特性,结构面的规模,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；,级 指延伸长而宽度不大的区域性地质界面。,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 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 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。,、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,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。,2.1 岩体的结构特性,岩体结构面的特征,产状,测量走向时，使罗盘的长边紧贴层面，将罗盘放平，水准泡居中，读指北针所示的方位角，就是岩层的走向。,测量倾向时，将罗盘的短边紧贴层面，注意将罗盘的北端朝向岩层的倾斜方向，水准泡居中，读指北针所示的方位角，就是岩层的倾向。,测量倾角时，需将罗盘横着竖起来，使长边与岩层的走向垂直，紧贴层面，等倾斜器上的水准泡居中后，读悬锤所示的角度，就是岩层的倾角。,一组走向为北西320，倾向南西230，倾角35的岩层产状，可写成：N320W，S230W，35,由于岩层的走向与倾向相差90，所以在野外测量岩层的产状时，往往只记录倾向和倾角。如上述岩层的产状，可记录为SW23035形式。如需知道岩层的走向时，只需将倾向加减90即可。,2.2 岩石的不连续性、不均匀性及各向异性,由于岩石中存在各种规模的结构面（断裂带、断层、节理、裂隙）,致使岩石的物理力学性质不连续、不均匀、各向异性,因此，有必要引入刻划不均一程度的参数。,2.2 岩石的不连续性、不均匀性及各向异性,2.2.1 岩石的裂隙性,通常采用裂隙率作为定量评价(描述)裂隙切割的程度。,2.2 岩石的不连续性、不均匀性及各向异性,2.2.1 岩石的裂隙性,平面裂隙率,概念：指岩石单位面积上各类裂隙面积所占比重。,2.2 岩石的不连续性、不均匀性及各向异性,2.2.2 各向异性,正交各向异性（三个材料主轴、定义材料参数）,概念：岩石的强度、变形指标（力学性质）随空间方位不同而异的特性。(从岩石的不同方向施加荷载，其抵抗破坏的能力不同),三个材料主轴方向力学性质不同,表征各向异性材料的参数9个！,2.2 岩石的不连续性、不均匀性及各向异性,2.2.2 各向异性,概念：岩石的强度、变形指标（力学性质）随空间方位不同而异的特性。,横观各向同性（层状）,层面内 力学性质相同（多向同性面）； 层 间 力学性质差异； 涉及5个参数：,2.3 岩石的物理性质指标,物理性质,水理性质,容重/密度,空隙性,吸水性,软化性,抗冻性,抗冻性,2.3 岩石的物理性质指标,岩体属于三相体（固Solid、液Liquid、气Gas）,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.1 岩石的容重,指单位体积岩石的重量。,由于岩样中含有水分，根据“w”的不同含义，可分为：,干容重（烘干状态）,天然容重,天然状态（大气压力室温条件下含水量）,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.1 岩石的容重,饱和容重,岩石的容重在一定程度上反映岩石的力学性质情况。通常，岩石的容重越大，则它的性质越好，反之越差。,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.2 比重,指岩石干重量Wd除以岩石的实体积（不含孔隙体积）Vs的干容重与4c水的容重的比值。,式中： 绝对干燥时体积为V的岩石重量（kN）； 岩石的实体体积（不包含孔隙体积）（m3）； 水的容重（在4时等于10）（kN/m3）；,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.3 孔隙率,指岩石内孔隙体积与总体积之比。用下式表示：,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.4 天然含水量,指天然状态下，岩石的含水量与岩石干重比值的百分比。用下式表示：,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.5 自然吸水率,指岩石在常温条件下浸水48小时后，岩石内的含水量与岩石干容重的比值。用下式表示：,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.6 饱和吸水率,指岩样在强制状态（真空、煮沸或高压）下，岩样最大吸水量与岩石干重量比值。用下式表示：,测定方法：煮沸法或真空抽气法，用高压法可能会提高饱和程度，但设备复杂,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.7 饱水系数,指岩石吸水率与饱水率的比值百分率。用下式表示：,（一般饱水系数介于0.50.8之间）,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.7 饱水系数,K91时：冻结过程中，水结成冰的相变现象会对岩石中的孔隙和裂隙产生“冰劈”作用，造成岩石胀烈破坏。,饱水系数对岩石抗冻性具有重要影响，试验证明：,K91时：水尚有膨胀和挤入剩余敞开孔隙和裂隙的余地，可避免岩石的冰冻破坏；,2.3.8 抗冻系数,岩石经过反复冻结与融解，会使强度降低，甚至可能引起破坏（原因：岩样中各种矿物成分膨胀系数不同变形压力、结冰时形成的膨胀压力）。常用抗冻系数和质量损失率表示。 岩石冻融后的干抗压强度与冻融前的干抗压强度的比值称为岩石的抗冻系数。用下式表示：,测定方法：用经过25条件下反复（规定次数,一般为20次，严寒地区不少于25次）的降温、冻结、融解、升温过程后，测定岩石抗压强度的下降值。,2.3 岩石的物理性质指标,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.9 软化系数,岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性，用软化系数（c）表示。c定义为岩石试件的饱和状态抗压强度与干压强度的比值，即：,讨论：c愈小则岩石软化性愈强。 研究表明：岩石的软化性取决于岩石的矿物组成与空隙性。当岩石中含有较多的亲水性和可溶性矿物，且含大开空隙较多时，岩石的软化性较强，软化系数较小。,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.10 渗透性,定义：在一定的水力梯度或压力作用下，有压水可以透过岩石的孔隙、裂隙而流动，岩石能透过水的这种能力称为岩石渗透性。,对孔隙介质岩体，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.,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.10 渗透性,在一定水力梯度下,渗流速度反映岩土体渗透性强弱，岩体渗透性一般以渗透系数K表征（cms）。 渗透系数K是渗流速度与水力梯度成正比的比例系数，即单位水力梯度下水在岩体孔隙中的渗流速度。,吕容系数Lu,渗透系数K,吕容系数也是表征岩石渗透特性的一种方式，其可与渗透系数互换。1Lu=110-5cms,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.10 渗透性,渗透系数是表征岩石透水性的重要指标，其大小取决于岩石中空隙、裂隙的数量、规模及连通情况等，并可在室内根据达西定律测定。,NOTEs,岩石的渗透性一般都很小，远小于相应岩体的透水性，新鲜致密岩石的渗透系数一般均小于10-7cm/s量级。,同一种岩石，有裂隙发育时，渗透系数急剧增大，一般比新鲜岩石大46个数量级，甚至更大，说明空隙性对岩石透水性的影响是很大的,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.10 渗透性,岩体的渗透性是一个复杂的问题，根据目前的研究，岩体的渗流大体可划分为准均匀介质渗流、裂隙性介质渗流和岩溶性介质渗流三种。,准均匀介质渗流 属于这一类型的有全、强风化带及弱风化带的中上部的多孔隙砂岩。在该渗流场中，达西定律基本上适用。,裂隙性介质渗流裂隙性介质渗流是岩体渗流的基本形式，水的渗流主要受裂隙的类型、裂隙的大小、裂隙的产状及裂隙充填情况所控制。,岩溶介质渗流岩溶介质渗流是岩体渗流最复杂的一种形式，由于受岩溶的发育规律所控制，岩溶的渗流具有间歇性、隐伏性、封闭性和地下水系等特点。,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.10 渗透性,降低岩石或结构的参数;,产生渗透压力，减小岩石或结构的有效应力，从而降低岩石的抗剪强度；,渗透对工程的影响,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.10 渗透性,渗透破坏的防治措施,控制坝基及地基的渗流，其主要任务可归结为三点：,一是尽量减少渗漏量；,二是提早释放渗透压力，保证地基与水工建筑物有足够的静力稳定性；,三是防止渗透破坏，保证渗透稳定性。,渗透破坏的防治措施可分为渗流水动力条件改变、渗流出口保护和土石性质改善等三个方面。,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.10 渗透性,渗透破坏的防治措施,坝基有岩基和非岩基两大类，非岩基也称为松散地基。对松散地基的渗流通常采用垂直和水平两种控制手段，具体措施有： 设置截水槽； 浇筑混凝土防渗墙或灌浆帷幕； 铺筑上游水平防渗铺盖。 坝基的渗流控制主要是防渗和保证渗透稳定，如我国黄河小浪底工程高154m的土石坝及三峡工程二期围堰堰体等均采用防渗墙和防渗帷幕灌浆结合防止坝基渗流。,2.3.10 渗透性,渗透系数的实验室测定,采用下式计算渗透系数K：,NOTE：尽管此类渗透仪的方法和仪器与土的渗透仪相似，但所采用的压力差要大得多。,2.3 岩石的物理性质指标,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.10 渗透性,渗透系数的实验室测定,值得注意的是：岩石的渗透系数不仅与岩石及水的物理性质有关，还与岩石的应力状态有关。,对于径向渗透试验：,2）反之水从内壁流向外壁，岩样受拉 K2。,1）当外壁水压大于内壁水压，水从外 壁流向内壁，岩样受压K1；,一般来说，K2K1。,2.3.10 渗透性,渗透系数的实验室测定,或,应用了水力学中的达西(Darcy)定律,2.3 岩石的物理性质指标,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.10 渗透性,渗透系数的现场测定,现场抽水试验 Borehole Pumping Test,2.4 岩体的工程分类,岩体工程分类既是工程岩体稳定性分析的基础，也是评价岩体工程地质条件的一个重要途径。,岩体工程分类实际上是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的力学性质联系起来，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。,目的是通过分类，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、加固、建筑物选型和施工方法选择等提供参数和依据。,2.4 岩体的工程分类,2.4.3巴顿岩体质量(Q)分类,分类指标：Q值 RQD岩石质量指标； Jn节理组数； Jr节理粗糙系数； Ja节理蚀变系数； Jw节理水折减系数； SRF应力折减系数。 Jw/SRF水与其它应力存在时对岩体质量的影响 RQD/Jn岩体的完整性； Jr/Ja结构面(节理)的形态、充填物特征及其次生变化程度；,分类方法 确定各参数的数值，求得Q值，以Q值为依据将岩体分为9类。,2.4 岩体的工程分类,2.4.4 其他分类方法,按不同的专业确立的岩体分类体系，如水工隧洞设计规范铁路隧道设计规范等，均有系统的分类体系。,重要的大型水电工程（如二滩、官地、锦屏、溪洛渡等），也有独立的分类体系（岩体结构特征，风化卸荷，地下水等 ）,感谢聆听！,第三章 岩石/岩体的强度 Chapter 3 Rock/Rock Mass Strength,第五章 岩体天然应力与洞室围岩的应力分布 Chapter 5 Earth stress and stress distribution of Tunnel Surrounding Rock,学习内容 垂直应力与水平地应力的特征，自重应力与海姆假说，岩体天然应力与地下、地面工程的关系和影响，应力解除法、恢复法、破裂法。,学习对象 岩石应力场、垂直应力、水平地应力、海姆假说以及岩体应力测量。,学习目的 理解和掌握有关概念，特别是掌握应力解除法、恢复法、破裂法。掌握垂直应力与水平地应力的特征，自重应力与海姆假说等。,学习提示 Learning Hints,5.1 概述,5.1.1 概念,天然应力,指在天然状态下,岩体内部存在的应力，称为岩体天然应力或岩体初始应力，有时也称为地应力 （构成：自重应力+构造应力+）。,由于人类活动（工程开挖，修建建筑物）影响一定范围的天然应力，这种岩体被挠动后的应力称为“重分布应力”或“二次应力” 地下洞室二次应力天然应力+开挖附加应力。,二次应力,5.1 概述,5.1.1 概念,5.1 概述,5.1.1 概念,5.1.1 概念,天然应力的表示,5.1 概述,5.1 概述,5.1.2 形成因素,影响岩体天然应力大小和分布规律的因素很多，主要有岩体自重（自重应力）、地质构造运动（构造应力）等；此外，成岩过程中的物理化学变化、地形地貌、地温梯度岩体特性的等均对岩体天然应力有不同程度的影响。,5.1 概述,5.1.3 研究岩体天然应力的意义,2. 坝基：二次应力场地应力+开挖效应+建筑物附加应力场,边坡开挖： 坡面回弹变形坡体二次应力地应力+开挖效应释放荷载 稳定性评价：刚体质量消失 基于应力的强度分析,3. 地下洞室：地应力，围岩稳定分析（围岩的变形、稳定）的基本荷载（力源）. 二次应力初始地应力+开挖效应附加应力场,5.1 概述,5.1.3 研究岩体天然应力的意义,地应力与地下洞室的关系,纵轴线与1近于平行（二滩尾水洞崩塌；甘肃金川隧洞）,水平应力与垂直应力比值与体形关系 z h：高度大跨度小(自重应力为主)，近似椭圆形； hz ：高度小跨度大(构造应力为主)，近似椭圆形；,5.1 概述,5.1.3 研究岩体天然应力的意义,地应力对工程的影响,我国二滩（玄武岩），美国大古星（花岗岩）坝基开挖像剥洋葱头一样，剥了一层又一层。 处理方法：迅速浇注砼，高压固结灌浆,岩爆：在高地应力区洞室开挖弹性能释放 大的岩块坠落，小岩块弹射（太平驿水电站）,5.2 岩体中的地应力分布,5.2.1 自重应力与海姆假说,分析世界主要地区大量的地应力实测资料表明，在深度为252700m深度范围内，垂直地应力v基本等于上覆岩层重量即v=H。,岩体中水平应力的分布和变化规律，是一个比较复杂的问题，根据已有的实测资料来看，岩体中的水平应力，主要受所研究地区现代构造应力场的控制，同时，还受到岩体自重、侵蚀所导致的天然卸荷的作用，现代断裂运动的应力释放和应力调整作用，以及岩体的力学特性等因素的影响。,5.2.1 自重应力与海姆假说,对于没有经受构造作用、产状较为平缓的岩层，它们的应力状态十分接近于由弹性理论所确定的应力状态。在深度z处：,5.2 岩体中的地应力分布,铅直应力：,水平应力：,自重应力,静止侧压力系数,当K01(即=0.5)，出现水平向应力与垂直向应力相等，此为所谓的静水压力的情况。,5.2.1 自重应力与海姆假说,5.2 岩体中的地应力分布,海姆假说,海姆假说：在岩体深处的初始垂直应力与其上覆岩体的重量成正比，而水平应力大致与垂直应力相等。,5.2 岩体中的地应力分布,5.2.1 地应力分布规律,三向不等压的空间地应力场，其大小和方向随时间和空间变化;,垂直与水平应力的关系,垂直应力z，主要受上覆岩体自重形成。,水平应力x,5.2.1 地应力分布规律,水平应力x,岩体中的水平应力，主要受所研究地区现代构造应力场的控制，同时，还受到岩体自重、侵蚀所导致的天然卸荷的作用，现代断裂运动的应力释放和应力调整作用，以及岩体的力学特性等因素的影响。,5.2 岩体中的地应力分布,水平岩层,5.2.1 地应力分布规律,水平应力x,岩体中的水平应力，主要受所研究地区现代构造应力场的控制，同时，还受到岩体自重、侵蚀所导致的天然卸荷的作用，现代断裂运动的应力释放和应力调整作用，以及岩体的力学特性等因素的影响。,5.2 岩体中的地应力分布,河谷（4个分区：应力松弛区，过渡区，平稳区，集中区）,岸坡： 1/坡岸， 3岸坡 谷底： 1水平，1= h z （应力集中）,5.2.1 地应力分布规律,5.2 岩体中的地应力分布,5.2.1 地应力分布规律,水平应力x,岩体中的水平应力，主要受所研究地区现代构造应力场的控制，同时，还受到岩体自重、侵蚀所导致的天然卸荷的作用，现代断裂运动的应力释放和应力调整作用，以及岩体的力学特性等因素的影响。,5.2 岩体中的地应力分布,水平向地质构造+自重,1 /主要构造方向，且1 z,若0.5 k0=1 h=z 静水压力（海姆假设）,5.3 岩体地应力的量测,现场岩体应力可以在钻孔中、露头上和地下洞室的岩壁上测定，也可根据在地下测定的位移进行计算。 目前常用方法是钻孔应力解除法，应力恢复法和水压致裂法三种。,5.3 岩体地应力的量测,5.3.1 现场量测,应力解除法,孔径变形法,基本原理：（共同点）通过解除岩体中应力量测孔径（孔底、孔壁）变形（应变）利用弹性理论反求外部释放应力（地应力）,孔底应变法,孔壁应变法,5.3.1 现场量测,应力解除法, 孔径应变法,程序： a：用130mm钻头钻孔至预定深度； b：用36mm小钻头钻孔h2630cm，孔底磨平； c：安装孔径变形仪； d：安装130mm空心钻头套钻 e：折断岩芯,CASE 1 假定钻孔方向/3,5.3 岩体地应力的量测,5.3.1 现场量测,应力解除法, 孔径应变法,采用三孔交汇方法：每个孔（与钻孔轴线垂直平面内）： 两个正应力，一个剪应力（三个分量） 三个孔：33 九个方程联立求空间主应力（6个独立未知量）,CASE 2 若钻孔方向不平行于3,5.3 岩体地应力的量测,5.3 岩体地应力的量测,5.3.1 现场量测,应力解除法, 孔底应变法,量测a、b面内，在套钻过程中产生的应变孔底主应变主应力,5.3.1 现场量测,应力解除法, 孔壁应变法,5.3 岩体地应力的量测,孔壁应变法是只需在一个钻孔中通过对孔壁应变的量测，即可确定岩体的六个空间应力分量。 （套钻解除应力测孔壁应变（初） 推算P释放应力）,5.3.1 现场量测,应力解除法, 孔壁应变法,5.3 岩体地应力的量测,设钻孔前岩体中有六个应力分量，若在弹性岩体中钻一半径为r0的圆形孔则钻孔附近应力不再保持原来的状态。 孔壁上坐标为r0，Z的任意一点，孔壁上的这些应力可以通过钻孔前岩体中的六个应力分量表示如下：,5.3.1 现场量测,应力解除法, 孔壁应变法,5.3 岩体地应力的量测,在一个测点三个方向测试应变： 切向(=/2)+轴向(=0)+ 450方向(=/4) 根据应变换算成应力。,计算出的地应力,5.3.1 现场量测,应力解除法, 孔壁应变法,5.3 岩体地应力的量测,采用孔壁应变测试法测定岩体的三向应力的具体方法是用钻机钻孔，钻孔需测定应力的深度 钻孔底面用金刚石钻头磨平后再用小的钻孔自孔底面沿孔轴方向继续钻一深度约为45cm的小钻孔。 在小钻孔的中部孔壁上选定三个测点并在每个测点上按前述规定方向安置三个应变元件。此时读出各测点的应变计的初读数， 最后再选用适当大小的钻头在小钻孔外围进行套钻并取出岩芯。此时再读出完全解除了应力之后岩芯中孔壁各应变元件的读数，然后用套取岩芯前后应变元件读数之差，按公式计算岩体初始应力。,5.3 岩体地应力的量测,5.3.1 现场量测,应力恢复法,在量测部位磨平贴应力片初始读数； 开挖（沿与待测主应力垂直方向开槽）地应力释放应变增加； 利用扁千斤顶反向加压（应力恢复）使应变读数恢复至初始读数 地应力反向油压 特点：适合浅表部，当非主应力面（存在影响）和加载与卸载不同时，误差！,5.3 岩体地应力的量测,5.3.1 现场量测,水压破裂法,水压破裂法是二十世纪七十年代初期从石油钻井探采用新技术借用而来的测定深部岩体应力的一种方法。它借助于两个可膨胀的橡胶塞，在需要测定应力的深度上封闭隔离一段钻孔，并用水压方法对被隔离段孔壁施加压力，直至孔壁岩石受拉破裂，最后根据破裂压力、封井压力以及橡胶塞套上压痕的方位，确定岩体天然主应力的大小和方位。,这种方法最早是由美国学者8等提出的，Haimson教授也是该方法的理论与实践的有力倡导者。,5.3 岩体地应力的量测,5.3.1 现场量测,水压破裂法,5.3 岩体地应力的量测,5.3.1 现场量测,水压破裂法,1、基本原理 对测试段钻孔用特制封隔器密封起来，然后对密封段加高压水直至孔壁岩石产生张裂隙。根据裂隙的方向及泵压的大小分析确定原岩的应力状态。,2、基本假设 （1）一个主应力方向是垂直的，其大小等于上覆岩层的自重应力。而另外两个主应力是水平的，且破裂方向垂直于最小主应力方向。即钻孔方向为某一主应力方向。（2）岩体是均质、各向同性的线弹性体。,5.3 岩体地应力的量测,5.3.1 现场量测,水压致裂法,5.3 岩体地应力的量测,5.3.1 现场量测,孔隙水压力,Ps关闭压力,Pic2使裂缝重新张开的压力,pic1孔壁岩石破裂压力,（a）裂缝沿轴向产生和延伸,（b）裂缝沿轴向产生向水平方向延伸,5.4.1 室内量测,声发射法(Acoustic Emission，简称AE法)是以岩石试件的声发射凯赛(Kaiser)效应对岩石已受过的最大应力的记忆为基础，用钻孔岩芯制成试件，由实验测定原地应力的方法。其特点是不需在野外作业，不破坏钻孔结构，仅需钻孔岩芯就可进行地应力测量。可广泛应用于油气田开采、地热能开发、矿山、水电、核废料处理等工程中的深部应力测量。,岩石同金属材料一样压缩时具有声发射的凯塞效应，在室内对岩心试样进行压缩试验，声发射活动最显著的地方（称为Kaiser点）所对应的外加压应力即为试验先前所受到的最大正应力。,5.3 岩体地应力的量测,5.4.1 室内量测,5.3 岩体地应力的量测,声发射岩石受外荷载作用，其内部储存的应变能因微裂隙产生和发展而快速释放，从而产生弹性波，发出声响，称为声发射。,凯塞效应 1950年，德国人J.Kasiser发现多晶金属的应力从其历史最高点水平释放后，再重新加载，当应力未达到先前最大应力值时，很少有声发射产生，而当应力达到和超过历史最高水平后，则大量产生声发射，这一现象称为凯塞效应。,凯塞点从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点称为凯塞点，该点对应的应力即为材料先前受到的最大应力。,5.4.1 室内量测,5.3 岩体地应力的量测,岩石也有声发射现象。 凯塞效应为岩石应力测量提供了途经。即从原岩中取样沿6个不同方向制备试件（每个方向试件为1525块）加压测试凯塞点计算地应力。,5.4 水平洞室围岩的应力计算,工程应用： 关心的洞室的二次应力（重分布应力）初始应力+洞室的开挖附加应力。 (洞室强度复核围岩是否稳定),在前面介绍了岩体地应力的形成与量测方法。,5.4 水平洞室围岩的应力计算,5.4.1 圆形洞室,当洞室高度远小于洞室埋深时，应力沿高度的变化可忽略不计。一般认为埋深大于高度三倍时可忽略。,5.4.1 圆形洞室,初始地应力,5.4 水平洞室围岩的应力计算,K00、1/3、1,5.4.1 圆形洞室,当洞室埋深H30，近似认为洞顶洞底z近似相等，侧压为均布，对于圆形洞室可简化“无限平板中含圆孔+外部均布面力”。借用弹性理论：,5.4 水平洞室围岩的应力计算,5.4.1 圆形洞室,讨论：,5.4 水平洞室围岩的应力计算,10 Case 1,5.4.1 圆形洞室,讨论：,5.4 水平洞室围岩的应力计算,20 Case 2,a. 围岩中的径向应力均小于岩体中的初始应力H,b. 围岩中的切向应力均大于岩体中的初始应力 H，并在洞壁处达到最大2H；,c. 若令r6r0代入，则r / 1.028H,5.4.1 圆形洞室,讨论：,5.4 水平洞室围岩的应力计算,30 Case 3,最好直接由（5-14）计算或查有关手册、图表。,5.4.2 椭圆洞室,5.4 水平洞室围岩的应力计算,5.4.2 椭圆洞室,5.4 水平洞室围岩的应力计算,设椭圆长半轴 ，短半轴 ， -椭圆偏心角。由弹性理论推导出椭圆上P点切向应力：,5.4.2 椭圆洞室,5.4 水平洞室围岩的应力计算,讨论：,10 Case1 :令 (洞顶),洞顶受拉；,洞顶受压；,5.4.2 椭圆洞室,5.4 水平洞室围岩的应力计算,讨论：,20 Case2 :令 (拱腰),拱腰受拉；,拱腰受压；,5.4.2 椭圆洞室,讨论：,30 Case3 :令 切向应力相等,5.4 水平洞室围岩的应力计算,水平、铅直应力之比与长短轴之比的关系,NOTE：设计中可根据 通过调整长短轴之比使椭圆洞 室切向均匀受力。,5.4.3 矩形洞室,5.4 水平洞室围岩的应力计算,NOTE：其中根据矩形洞室宽长比B/L,查表计算（ 还与 部位有关）。,5.4.4 复式洞室,5.4 水平洞室围岩的应力计算,感谢聆听！,第六章 围岩压力与围岩稳定性 Chapter 6 Rock Pressure and Stability of Surrounding Rock,学习内容 地下洞室概述，洞室围岩应力计算，岩体的应力和稳定性验算；围岩压力的概念，松散围岩压力计算，形变围岩压力-围岩压力的弹塑性理论计算；衬砌刚度影响的围岩压力计算。,学习对象 地下洞室，围岩应力，岩体稳定性，围岩压力，松散围岩压力，形变山岩压力-围岩压力的弹塑性。,学习目的 了解地下洞室、围岩压力、松散围岩压力、形变围岩压力-围岩压力的弹塑性理论；掌握洞室围岩应力计算，围岩压力的概念，松散围岩压力计算，形变围岩压力-围岩压力的弹塑性理论计算以及衬砌刚度影响的山岩压力计算。,学习提示 Learning Hints,6.1 概述,6.1.1 基本概念,围岩surrounding Rock,在岩体内开挖洞室以后，岩体的原始平衡状态被破坏，发生应力重分布。这种重新分布的应力称为岩体中的二次应力或称为洞室围岩应力。产生应力重分布的这一部分岩体，一般称为洞室的围岩。（对于作为基础的岩体而言，我们一般称为基岩或岩基，对于边坡，则称为边坡岩体等）。,6.1 概述,6.1.1 基本概念,当围岩压力到达或超过岩体强度时，洞室围岩就出现塑性变形，剪切破坏甚至崩塌、滑动。 为保证洞室的稳定，常对洞室进行必要的支护，(1)承担坍落岩块的重量（松动压力）；(2)限制围岩变形（形变压力）。因而，支护与衬砌必然要受到岩石的压力。 我们把由于地下洞室开挖形成的围岩变形或破坏，且作用于衬砌（支护）上的压力称为围岩压力，包括松动和形变压力。,围岩压力,6.2 山岩压力的影响因素,6.2.1 围岩压力的形成,围岩质量优良（完整、强度等）-地下洞室开挖后，围岩仅产生弹性回弹，二次应力小于围岩强度，围岩只有弹性变形而无塑性变形，且开挖后即完成，岩石无破坏或松动，围岩整体稳定，无支护力，支护（水工隧洞， 较小糙率）,防止表层岩石风化及局部剥落。,中等质量岩石-地下洞室开挖后，围岩产生弹性、塑性变形，少量岩石破坏，应力重分布需要一定时间，具有粘性（变形随时间发展），但围岩整体稳定，作用于支护上形变压力；但支护的浇筑时间和结构刚度对山岩压力影响大。,质量较差围岩（破碎、软弱岩体） -岩石强度低，洞室开挖，塑性+粘弹性变形较大，二次应力超过岩石强度很多，局部围岩不稳定，容易塌落，形成松动+形变压力，支护的作用主要是支撑塌落岩块的重量，阻止岩体继续变形、松动和破坏。,初始地应力,释放荷载-二次应力松动+变形大小,洞室的形状及大小,洞室形状，大小影响二次应力 一般而言，圆形、椭圆、拱形，优于其他洞形，围岩压力跨度近似成正比。,岩体质量,岩石的强度，节理裂隙发育程度，节理的方向。,6.2.2 影响围岩压力的因素,6.2 围岩压力的影响因素,支护刚度时间,施工方法,刚度约束变形能力围岩压力 围岩变位u随t发展最佳支护时间。,洞室埋深,浅埋洞室承担洞顶岩体重量。深埋：承担压力拱至洞顶之间岩体重量。,开挖爆破形式：钻爆法，全断面掘进机,6.2.2 影响围岩压力的因素,6.2 围岩压力的影响因素,地质构造,地质构造简单，地层完整、无软弱结构面，围岩稳定，围岩压力小；反之。,6.2.2 影响围岩压力的因素,6.2 围岩压力的影响因素,时间因素,围岩压力随时间的增加而增大（一方面，变形和破坏有一个过程，另外还有蠕变的原因）,6.3 坚硬岩体的应力和稳定验算,对于整体性良好的坚硬岩体来说，节理不发育，强度较大，无塑性变形，且弹性变形迅速完成。 洞室稳定分析只需验算边界上的切向应力是否超过岩体强度。,许可抗压强度一般取单轴湿抗压强度的0.50.6倍,取值注意围岩质量,6.4 压力拱理论,压力拱理论一般适用于破碎性较大的岩石的围岩压力计算，计算的压力为松动压力。,洞室开挖,6.4 压力拱理论,6.4.1 垂直围岩压力,确定垂直围岩压力 关键在于松动区的体形，即压力拱形状,关于推求压力拱形状的方面存在不用的假设，假设不同，围岩压力也不同，一般采用普罗托奇耶柯诺夫的压力拱理论，即普氏压力拱理论。,普氏认为：岩体内总是有许多大小的裂隙、层理、节理等软弱结构面，将岩体切割成各种大小的块体，破坏岩体的完整性，造成松动性。可以把洞室周围的岩体看成没有凝聚力的大块散粒体。,6.4 压力拱理论,6.4.1 垂直围岩压力,岩石坚固系数的概念,实际上岩石存在凝聚力，一般采用增大内摩擦系数的方法来补偿这一因素，这个增大的内摩擦系数称为岩石的坚固系数。,原岩体的抗剪强度,岩体看作散粒体时,1o 砂土及松散材料,2o 整体性岩石,6.4.2 压力拱的形状,根据普氏理论，对于比较破碎岩体（fK2），地下洞室开挖： 侧墙剪切破裂+顶拱“压力拱”.,6.4 压力拱理论,式中：b1洞室跨度的一半； b2压力拱跨度的一半； h0洞室的高度；,6.4.2 压力拱的形状,6.4 压力拱理论,压力拱稳定条件：假定岩体为散粒体，其抗拉、抗弯能力很小，洞室顶部上的压力拱最稳定的条件是沿着拱的切线方向仅作用压力。,抛物线方程,6.4.2 压力拱的形状,6.4 压力拱理论,F是岩石对拱向外移动的摩阻力,6.4.2 压力拱的形状,6.4 压力拱理论,为了保证A点的稳定：,一般，只能取最大摩阻力的一半来平衡拱顶推力T：,压力拱的高度等于拱跨度的一半除以岩石的坚固系数。,6.4.2 压力拱的形状,6.4 压力拱理论,10 洞室顶部的最大压力在拱轴线上：,压力拱上任一点纵坐标,2o 洞室任何其他点上的垂直压力：,6.4.3 侧向围岩压力,6.4 压力拱理论,利用主动朗肯土压力公式：,洞顶,洞底,总侧向压力,6.4.4 压力拱理论的适用条件,6.4 压力拱理论,基本前提：洞室上方的岩体能够形成自然压力拱。,下列情况不能应用压力拱理论：,1o 岩石的fK0.8，洞室的埋深H小于2倍压力拱高度或小于压力拱 跨度的2.5倍(H2.0h or H2.5b2).,2o 明挖地下结构；,3o 当fK0.3的土(淤泥、粉沙、饱和粘土)，不能形成压力拱；,6.4.5 不能形成压力拱时围岩压力的计算,6.4 压力拱理论,当洞室上面的岩体不能形成压力拱或经验算压力拱的承载能力不够时：,作用于洞顶上的总垂直压力Qy为：,6.4.5 不能形成压力拱时围岩压力的计算,6.4 压力拱理论,适用条件,结论:,1o 偏于安全，可直接按h 计（不计两侧摩擦力）,2o 有地下水作用，浮容重 =(-10.0) ，加上水压力,6.5.1 基本原理,6.5 太沙基理论,太沙基理论（K.Terzaghi）是将地层看作松散体（浅埋洞室），从应力传递概念出发推出作用于衬砌上的垂直压力。,Case1 洞室侧面的岩石比较稳定，不会形成45-/2的滑裂面,Case2 洞室侧面的岩石不稳定，形成45-/2的滑裂面,6.5.1 基本原理,6.5 太沙基理论,Case1 洞室侧面的岩石比较稳定，不会形成45-/2的滑裂面,根据平衡条件,整理后：,6.5.1 基本原理,6.5 太沙基理论,Case1 洞室侧面的岩石比较稳定，不会形成45-/2的滑裂面,根据边界条件z=0，zp,6.5.1 基本原理,6.5 太沙基理论,Case1 洞室侧面的岩石比较稳定，不会形成45-/2的滑裂面,讨论：,10 z=H，洞顶面的垂直山岩压力q,20 洞室为深埋时， H,30 c0,6.5.1 基本原理,6.5 太沙基理论,Case2 洞室侧面的岩石不稳定，形成45-/2的滑裂面,垂直压力计算公式的推导与上述过程一致，只要将前面公式中的b1用b2代替。,侧压仍按朗肯主动土压力公式计算！,6.6.1 喷锚支护原理,6.6 喷锚支护原理和设计原则,传统地下洞室设计理论：,一般刚性衬砌与岩体不能紧密结合，施工完成后围岩继续向洞室变形；,洞室开挖后围岩的变形，最终是坍塌；,支护和衬砌的作用是将洞室开挖后可能塌坍的岩石支承起来；,衬砌支护只是一种被动承受较大荷载的结构物，荷载与衬砌本身无关，等于不设衬砌时可能塌坍下来的岩石全部重量（如普氏压力）,6.6.1 喷锚支护原理,原理,6.6喷锚支护原理和设计原则,地下洞室开挖围岩变形发展 不约束（支护）充分发展破坏形成松动压力 适度发展施加约束（支护）承担变形压力,支护力与塑性区半径成反比,锚喷支护，是锚杆与喷射混凝土联合支护的简称，锚杆和喷射混凝土也可以独立使用，但工程上常将二者联合使用，