岩体力学.docx

岩体力学知识点一、岩体与岩石区别与联系岩石是由矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集而形成的自然物体。岩体是由岩石块与各种各样的结构面共同组成的综合体。结构面是指具有极低的或没有抗拉强度的不连续面。岩体与岩石的主要联系是岩体由岩石与结构面组成，他们的区别是岩体中结构面的存在使岩体具有不连续性，岩体的不连续性主要受结构面对岩体结构的隔断性质所控制，因而岩体多数是属不连续介质，而岩石块本身则可作为连续介质看待。同时，结构面还降低了岩体的力学强度和稳定性能，使得岩体强度远低于岩石强度。二、岩石基本物理性质的指标计算1.岩石的密度指标（1）岩石的密度天然密度（天然密度是指岩石在自然条件下，单位体积的质量）：=mV(g/cm3)其中，m是岩石试件的总质量，V是该试件的总体积。饱和密度（饱和密度是指岩石中的孔隙都被水充填时单位体积的质量）：sa=ms+VVwV其中，ms是岩石中固体的质量，VV是孔隙的体积，w是水的密度。干密度（干密度是指岩石孔隙中的液体全部被蒸发，试件中仅有固体和气体的状态下，其单位体积的质量）：d=msV（g/cm3）重力密度（重力密度是指单位体积中岩石的重量）：通常由密度乘上重力加速度而得，单位是kN/m3（2）岩石的颗粒密度（岩石的颗粒密度是指岩石固体物质的质量与固体体积之比）：s=msVs2.岩石的孔隙性（1）岩石的孔隙比（岩石的孔隙比是指孔隙的体积与固体体积之比）：e=VVVs（2）岩石的孔隙率（孔隙率是指孔隙的体积与试件总体积的比值百分数）：n=VVV100（%根据试件中三相体的相互关系，孔隙比e与孔隙率n存在着如下关系式：e=n1-n；n=1-ds3.岩石的水理性质（1）岩石的含水性质岩石的含水率（岩石的含水率是指岩石孔隙中含水的质量与固体质量之比百分数）：=mwms100（%）岩石的吸水率（岩石的吸水率是指岩石吸入水的质量与试件固体的质量之比）：自由吸水率：a=m0-msms100（%） 饱和吸水率：sa=mP-msms100（%）其中，m0是试件浸水48h的质量，mP是试件经煮沸或真空抽气饱和后的质量。（2）岩石的渗透性（岩石的渗透性是指岩石在一定的水力梯度作用下，水穿透岩石的能力）：达西定律：qx=AKdhdx（m3/s）其中，qx是沿x方向水的流量，h是水头的高度，A是垂直于x方向的截面积，K是岩石沿x方向的渗透系数。4.岩石的抗风化指标（1）软化系数（软化系数是指岩石饱和单轴抗压强度与干燥状态下的单轴抗压强度的比值）：=RccRcd软化系数是一个小于等于1的系数，该值越小，则岩石受水影响越大。（2）岩石的耐崩解性指数：Id2=mrms100（%）其中，Id2是经两次循环实验所求的的耐崩解性指数，ms是试验前试块的烘干质量，mr是两次循环试验后，残留在圆筒内的石块的烘干质量。（3）岩石的膨胀性岩石的自由膨胀率（岩石的自由膨胀率是指岩石试件在无任何约束的条件下浸水后所产生膨胀变形与试件原尺寸的比值）：径向自由膨胀率：VH=HH100（%） 轴向自由膨胀率：VD=DD100(%)其中，H，D分别为浸水后岩石试件轴向、径向膨胀变形量，H，D分别是岩石试件实验前的高度、直径。岩石的侧向约束膨胀率：VHP=HHPH100（%）其中，HHP为有侧向约束条件下所测得的轴向膨胀变形量。膨胀压力：膨胀压力是指岩石试件浸水后，使试件保持原有体积所施加的最大压力。5.岩石的其他特性岩石的抗冻性：Kf=RfRa其中，Rf是岩石冻融后的饱和单轴抗压强度，Ra是岩石冻融前的饱和单轴抗压强度，抗冻性越大，影响变化越大。三、岩体结构面的基本参数1.产状：产状是指结构面在空间的分布状态，由走向、倾向、倾角所组成的三要素来描述。2. 间距：结构面的间距是指同组相邻结构面的垂直距离。通常采用同组结构面的平均间距。间距的大小反应了岩体的完整程度。3.延展性：延展性指在一个岩体的露头上所见到的结构面迹线的长度。该参数反映了该组结构面的规模大小。4. 粗糙度和起伏度：反映了相对于结构面平均平面的表面不平整度。起伏度较大可能影响结构面的局部产状，结构面越粗糙其抗剪强度也会越高。5.结构面面壁强度：结构面是由两个表面组成。当结构面的面壁风化程度与母岩很接近，则其强度与母岩一致。6.结构面的开度与充填物：结构面两个面壁之间的垂直距离称作结构面的开度。处在结构面缝隙中的物质被称作充填物。7.结构面的渗透性：在单个结构面或者整个岩体中所见到的水流和水量的状态。8.结构面的组数和岩块的尺寸：岩体中结构面的组数反映了结构面的发育程度，而结构面组数的多少，又可反映岩体被结构面切割所形成的岩块的大小。四、结构面的分类1.按结构面成因分类（1）原生节理：通常指在成岩过程中所形成的结构面。（2）构造节理：由于构造运动所形成的结构面。（3）次生节理：成岩后期由于风化作用而形成的结构面。2.结构面的绝对分类和相对分类（1）绝对分类：该分类是建立于结构面的延展长度基础上的。一般将结构面分为：细小的结构面，其延长小于1m；中等的结构面，其延长为1-10m；巨大的结垢面，其延长大雨10m。（2）相对分类：按工程结构类型和其规模大小将结构面分为细小的、中等的及大型的等不同类型。3.按地质力学观点进行的结构面分类按地质力学观点可将岩体的地质破坏分为三大种：第一种为破坏面，它属于大面积的破坏，一般认为这种破坏是由缓慢地质作用形成的。第二种是破坏带，属于小面积的密集的破坏，一般认为是由快速的地质作用所形成。第三种为破坏面与破坏带的过渡类型，它同时具有破坏面和破坏带的力学特点，并表现为介于这二者之间的破坏特征。五、工程岩体分类1.RQD：是以修正的岩心采取率来确定的。岩心采取率是指采取岩心总长度与钻孔在岩层中的长度之比，RQD是选用坚固完整的、其长度等于或大于10cm的岩心总长度与钻孔在岩层中的长度之比，并用百分数来表示。2.按岩体综合指标分类：（1）RMR：岩体的RMR取决于五个通用参数和一个修正参数，五个通用参数为岩石抗压强度、岩石质量指标、节理间距、节理状态和地下水状态，修正参数取决于节理方向对工程的影响。把上述各个参数的岩体评分值相加起来就得到岩体的RMR值。岩石的抗压强度可以用标准试件进行单轴压缩来确定；岩石质量指标RQD由修正的岩心采取率确定。节理间距可以由现场露头统计测定，通常是指对工程稳定性最起关键作用的那一组的节理间距；对于对于节理状态主要考虑节理面的粗糙度、张开度、充填物状态以及节理延伸长度等因素。；地下水状态由地下水的总状态确定；修正参数值采用扣除分值的形式。（2）Q分类：该分类根据隧道工程岩体的特点，采用六个参数，即岩体的质量指标RQD、节理的组数系数jn、节理的粗糙度系数jr、节理的噬变系数ja、地下水的影响系数jw、应力折减系数SRF。Q=RQDjnjrjajwSRF六、岩体初始应力场的分布规律1.岩体初始应力场是时间和空间的函数岩体初始应力在绝大部分地区是以水平应力为主的三向不等压应力场。三个主应力的大小和方向是随着空间和时间的变化而变化的，因而它是个非稳定的应力场。2.实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量3.水平应力普遍大于垂直应力在几乎所有地区均有两个主应力位于水平或接近水平的平面内，其与水平面的夹角一般不大于30o4.平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小5.水平主应力随深度呈现性增长关系6.两个水平主应力一般相差较大七、岩体初始应力量测方法1.水压致裂法水压致裂法是通过液压泵向钻孔内拟定测量深度处加液压将孔壁压裂，测定压裂过程中的各特征点压力及开裂方位，以此计算测点附近岩体中初始应力大小和方向。其测量结果只能确定垂直于钻孔平面内的最大主应力和最小主应力的大小和方向，是一种二位应力测量方法。2.应力解除法（1）孔底应力解除法把应力解除法用到钻孔孔底就成为孔底应力解除法。由于采取岩芯较短，因此，适应性强，可用于完整岩体及较破碎岩体中。（2）孔壁应变法孔壁应变法是在钻孔壁上粘贴三向应变计，通过测量应力解除前后的应变，来推算岩体应力，利用单一钻孔可获得一点的空间应力分量。采用孔壁应变法只需打一个钻孔就可以测出一点的应力状态，测试工作量小，精度高。（3）孔径变形法孔径变形法是在岩体小钻孔中埋入变形计，测量应力接触前后的孔径变化量，来确定岩体应力的方法。其测试元件具有零点稳定性好，直线性、重复性和防水性好，适应性强，操作简便，可以重复使用。3.应力恢复法应力恢复法是用来直接测定岩体应力大小的一种测试方法仅用于岩体表层。4.声发射法如果从原岩中取回定向的岩石试件，通过对加工的不同方向的岩石试件进行加再生发射试验，测定凯泽点，即可找出每个试件以前所受的最大应力，并进而求出取样点的原始三维应力状态。八、高地应力状态由于不同岩石具有不同的弹性模量，岩石的储能性能也不同。一般来说，地区初始地应力大小与该地区岩体的变形特征有关，岩质坚硬，则储存弹性能多，地应力也大。因此高地应力是相对于围岩强度而言。当围岩内部围岩强度与最大地应力的比值达到某一水平时，才能称为高地应力。九、按弹性分析二次应力状态分布1.侧压力系数=1（1）洞周的二次应力分布特征极坐标下的切向应力随着半径r的增大而减小，径向应力r随之而增大。此外，围岩的二次应力状态，与岩体的弹性常数E，无关，也与径向夹角无关，在一个圆环上的应力是相等的。而应力的大小与洞石半径和径向距离的比值以及初始应力值p0的大小有关。（2）洞室的径向位移由于圆形洞室形状和荷载对称，使得洞石的切向位移为零。而径向位移u的表达式是由两部分组成，一部分是与开挖洞石的半径有关，而另一部分则与洞石半径无关。（3）洞周的应变圆形洞室周边岩体的应变特性由两部分组成，一部分为开挖前由于初始应力所产生的应变，另一部分由于开挖而产生的应变。切向应变与径向应变的绝对值相等，符号相反，切向应变是压应变，径向应变是拉应变，表明了在=1二次应力为弹性分布的条件下，岩体体积不发生变化的特点。（4）洞壁的稳定性评价洞壁的稳定性可以用下式进行评价：c，其中，c为岩石允许单轴抗压强度。2.侧压力系数1当=0时，其洞壁的应力分布为最不利状态。此时，洞顶的切向应力=-p0，出现拉应力；而在洞的侧壁中腰将承受最大的压应力=3p0.当=1/3时，洞顶的应力为零。可见=1/3是洞顶是否出现拉应力的临界值，若1/3，洞顶将产生压应力。十、按弹塑形与弹性分析区别1.当开挖后，洞壁的切向应力=2p0c时，洞周的岩体将产生塑形区；2.在=1的条件下，塑形区是一个圆环，塑形区内的应力p和rp将随r的增大而增大，且塑形区内的应力应该满足所假设的起诉条件，当r=Rp时，围岩处在塑形区的边界上，而塑形区边界上的径向应力将影响弹性区的应力、位移、应变的计算。3.当rRp时，围岩的应力将进入弹性区。由于塑形区的存在，将限制弹性区内的应力、位移、应变的变化。因此，与弹性二次应力状态相比，各计算式中增加了由于塑形区边界上的径向应力R0的作用所引起的增量，而分布规律与纯弹性分布大致相同。十一、围岩压力的分类1.松动压力：松动的岩体或者施工爆破所破坏的岩体等在自重的作用下，掉落在洞石上的压力称为松动压力。2.形变压力：岩体在重力和构造应力的作用下，由于洞石的开挖所产生的围岩二次应力状态。3.冲击压力：岩爆是地层压力中的一种特殊现象，有时成为冲击地压。4.膨胀压力：在粘土质页岩或凝灰岩之类的岩体中开挖洞室，无论在地层的深部或浅部，洞室四周的围岩往往产生很大的变形，围岩向洞内鼓胀，这就是膨胀现象。十二、岩石单轴抗压强度所谓岩石的单轴抗压强度是指岩石试件在无侧限条件下，守轴向力作用破坏时单位面积上所承受的载荷。即Rc=PA，其中，Rc是单轴抗压强度，有时也称作无侧限强度；P是在无侧限条件下，轴向的破坏荷载；A是试件与轴向荷载垂直的截面面积。十三、一点的应力状态过一点有无数的截面，这一点的各个截面上应力情况的集合，称为这点的应力状态。符号的假定：1）以压应力为正，拉应力为负2）剪应力使物体产生逆时针转为正，反之为负3）角度以轴正向沿逆时针方向转动所形成的夹角为正，反之为负一点应力的表示方法