给水工程讲义给排水专业课讲义考试辅导-1

第十八章 岩体力学与岩体工程 注册岩土工程师执业资格基础部分考试注册岩土工程师执业资格基础部分考试 教材与参考资料 1. 黄醒春主编，岩石力学，高等教育出版社， 2005 2. 刘佑荣，唐辉明，岩体力学，中国地质大学出 版社，1999 3. 沈明荣，岩体力学，同济大学出版社，1999 4. 中华人民共和国国家标准，工程岩体试验方法 标准（GB/T 50266-99） 5. 中华人民共和国国家标准，工程岩体分级标准 （GB 50218-94） 6. 中华人民共和国国家标准，建筑边坡工程技术 规范（GB/T 50266-99） 考试大纲主要内容考试大纲主要内容 岩石的基本物理、力学性质及其试验方 法 岩石的基本物理、力学性质及其试验方 法 工程岩体分级工程岩体分级 岩体的初始应力状态岩体的初始应力状态 岩体力学在边坡工程中的应用岩体力学在边坡工程中的应用 岩体力学在岩基工程中的应用岩体力学在岩基工程中的应用 第一节 岩石的基本物理、力学性质 及试验方法 第一节 岩石的基本物理、力学性质 及试验方法 岩石力学、岩石和岩体的概念 岩石的物理力学性能指标及其试验方法 岩石的强度特性、变形特性、强度理论 一、基本概念一、基本概念 岩石岩石 岩体岩体 结构面结构面 岩石与岩体的关系岩石与岩体的关系 岩石岩石被大量结构面所切割和包围的岩石 块体。 岩体 被大量结构面所切割和包围的岩石 块体。 岩体由结构面和结构体两种单元所组成 的复杂地质体。 岩体 由结构面和结构体两种单元所组成 的复杂地质体。 岩体 = 岩石岩石+ 不连续面不连续面+ 充填物 （ 结构体 ）（结构面） 充填物 （ 结构体 ）（结构面） 岩体的主要特点岩体的主要特点 非均质材料；非均质材料； 各向异性材料；各向异性材料； 不连续介质；不连续介质； 岩体的性质取决于岩石和结构面的性质 及结构面的分布状态。 岩体的性质取决于岩石和结构面的性质 及结构面的分布状态。 二、岩石的基本物理性质及试验方法二、岩石的基本物理性质及试验方法 （一） 岩石的质量指标（一） 岩石的质量指标 1. 岩石的密度岩石的密度 单位体积内岩石的质量。单位体积内岩石的质量。 (1) 天然密度天然密度)(g/cm 3 V m = m岩石试件总质量；岩石试件总质量； V该试件的总体积。该试件的总体积。 (2) 饱和密度饱和密度 m )(g/cm 3 V Vm wvs m + = s m v V w 孔隙的体积；孔隙的体积； 水的密度。水的密度。 岩石中固体的质量；岩石中固体的质量； （3）干密度）干密度 d )(g/cm 3 V ms d = 密度测试方法：称重法。 先测量标准试件的尺寸，然后放在感量精度为 密度测试方法：称重法。 先测量标准试件的尺寸，然后放在感量精度为0.01g 的天平上称重。 饱和密度可采用 的天平上称重。 饱和密度可采用48h浸水法或抽真空法使岩石试件饱 和。 干密度的测试方法为先把试件放入 浸水法或抽真空法使岩石试件饱 和。 干密度的测试方法为先把试件放入108烘箱中，将 岩石烘至恒重（一般约为 烘箱中，将 岩石烘至恒重（一般约为24h左右）后，再进行称重 试验。 左右）后，再进行称重 试验。 2. 岩石的容重岩石的容重 岩石单位体积（包括岩石孔隙体积在内）的重量， 称为岩石的容重。 岩石单位体积（包括岩石孔隙体积在内）的重量， 称为岩石的容重。 )(kN/m 3 V W = W岩石的重量；岩石的重量； V岩石的体积。 测定岩石的容重方法： 岩石的体积。 测定岩石的容重方法： 1）量积法（直接法）；）量积法（直接法）；2）水中秤重法；）水中秤重法；3）蜡封法）蜡封法 3. 岩石的比重岩石的比重G 岩石固体部分的重量和岩石固体部分的重量和4 时同体积纯水重量的比值。时同体积纯水重量的比值。 ws s V W G = s W s V w 绝对干燥时体积为绝对干燥时体积为V的岩石重量；的岩石重量； 岩石的实际体积（不包括孔隙体积）；岩石的实际体积（不包括孔隙体积）； 水的容重。水的容重。 岩石比重的测定方法岩石比重的测定方法比重瓶法比重瓶法 先将岩石粉碎，并使岩粉通过直径为0.16mm的筛 网筛选； 将其烘干至恒重，称出一定量的岩粉，将岩粉倒 入已注入一定量煤油（或纯水）的比重瓶内； 摇晃比重瓶将岩粉中的空气排出，静止4h后，由 于加入岩粉使液面升高，读出其刻度，即加入岩 粉后体积的增量； 测量液体的温度，修正由于液体温度的不同而造 成的误差。 （二）岩石的孔隙性（二）岩石的孔隙性 1. 岩石的孔隙比岩石的孔隙比 e 指岩石试件内各种裂隙、孔隙的体积总和与试件 内固体矿物颗粒的体积之比。 指岩石试件内各种裂隙、孔隙的体积总和与试件 内固体矿物颗粒的体积之比。 sv VVe = v V孔隙的体积；孔隙的体积； s V 固体的体积。 岩石的孔隙性是反映岩石中孔隙和裂隙发育程度 的指标。 固体的体积。 岩石的孔隙性是反映岩石中孔隙和裂隙发育程度 的指标。 2. 岩石的孔隙率岩石的孔隙率 n 指岩石试件内各种裂隙、孔隙的体积总和与岩石试 件总体积的比值。 指岩石试件内各种裂隙、孔隙的体积总和与岩石试 件总体积的比值。 %100= V V n v V 试件的总体积。 孔隙比与孔隙率的关系： 试件的总体积。 孔隙比与孔隙率的关系： n n e = 1 () wd Gn=/1或或 1. 岩石的含水量岩石的含水量 w m s m 试件孔隙中水的质量；试件孔隙中水的质量； 试件的固体质量。试件的固体质量。 （三）岩石的水理性质（三）岩石的水理性质 岩石与水相互作用时所表现出的性质称为岩石的水 理性，包括岩石的吸水性、透水性、软化性。 岩石与水相互作用时所表现出的性质称为岩石的水 理性，包括岩石的吸水性、透水性、软化性。 sw mm= （%） 2. 岩石的吸水率岩石的吸水率 指岩石在常温常压下吸入水的质量与其烘干质量之比。指岩石在常温常压下吸入水的质量与其烘干质量之比。 () sssata mmm= （%） sat m 烘干岩样浸水烘干岩样浸水48小时后的总质量小时后的总质量 3. 岩石的透水性岩石的透水性 渗透性是指岩石在一定的水压力作用下，水穿透岩石的能 力。它反映了岩石中孔隙的大小、方向及其相互连通的程度。 假设岩石的中渗流满足达西定律 渗透性是指岩石在一定的水压力作用下，水穿透岩石的能 力。它反映了岩石中孔隙的大小、方向及其相互连通的程度。 假设岩石的中渗流满足达西定律 x dh qKA dx = qx沿沿x方向水的流量；方向水的流量； h水头的高度；水头的高度； A垂直于垂直于x方向的截面面积；方向的截面面积； K岩石的岩石的渗透系数渗透系数。 渗透系数渗透系数的物理意义是介质对某种特定流体的渗透能力， 渗透系数的大小取决于岩石的物理特性和结构特征。 的物理意义是介质对某种特定流体的渗透能力， 渗透系数的大小取决于岩石的物理特性和结构特征。 4. 岩石的软化性岩石的软化性 岩石浸水后强度降低的性能称为软化性，用软化系数表示。岩石浸水后强度降低的性能称为软化性，用软化系数表示。 csatcd =软化系数软化系数 csat 岩石饱和单轴抗压强度；岩石饱和单轴抗压强度； cd 岩石干燥状态下的单轴抗压强度。岩石干燥状态下的单轴抗压强度。 0.75为软化性弱、抗水抗风化性和抗冻性强的岩石；为软化性弱、抗水抗风化性和抗冻性强的岩石； 0.75为工程地质性质较差的岩石。为工程地质性质较差的岩石。 （四）岩石的抗风化指标（四）岩石的抗风化指标 1. 岩石耐崩解性指数 ：岩石耐崩解性指数 ： 指岩石与水相互作用时失去粘结性并变成完全丧失强 度的松散物质的性能。 指岩石与水相互作用时失去粘结性并变成完全丧失强 度的松散物质的性能。 122 mmId=（%） Id2表示经两次循环试验而求得的耐崩解性指数，该 指数在 表示经两次循环试验而求得的耐崩解性指数，该 指数在0100%内变化；内变化； m1试验前试块的烘干质量；试验前试块的烘干质量； m2残留在圆筒内试块的烘干质量。残留在圆筒内试块的烘干质量。 (2) 岩石的侧向约束膨胀率岩石的侧向约束膨胀率HHV lHP /= 有侧向约束条件下所测得的轴向膨胀变形量 。有侧向约束条件下所测得的轴向膨胀变形量 。 l H HHVH/= 轴向自由膨胀率 径向自由膨胀率 轴向自由膨胀率 径向自由膨胀率DDVD/= (1) 岩石的自由膨胀率岩石的自由膨胀率 2. 岩石的膨胀性岩石的膨胀性 (3) 膨胀压力膨胀压力 指岩石试件浸水后，使试件保持原有体积所需施 加的最大压力。 指岩石试件浸水后，使试件保持原有体积所需施 加的最大压力。 三、三、岩石的力学性质及其试验方法岩石的力学性质及其试验方法 岩石常规室内力学性质试验的基本内容及要求； 岩石的单轴抗压试验； 岩石的三轴抗压试验； 其它强度试验与测试； 岩石的流变性； 影响岩石力学性质的主要因素； 岩石的强度准则。 室内力学试验的基本要求室内力学试验的基本要求 采用统一的试验规程； 采用标准试件进行试验； 试验时应保证试件内部的应力状态均匀， 并为简单应力状态； 加载速度应非常缓慢，而且应该采用等速 度加载。 标准试件尺寸的高径比标准试件尺寸的高径比H/D: 单轴压缩试验单轴压缩试验 = 2.02.5 三轴压缩试验三轴压缩试验 = 2.02.5 劈裂试验劈裂试验= 0.5 斜面剪切试验斜面剪切试验 = 1.0 试件性状和尺寸试件性状和尺寸 H D （一）岩石的单轴压缩试验（一）岩石的单轴压缩试验 普通压力机或万能材 料试验机，建议采用电 液伺服控制刚性试验机。 普通压力机或万能材 料试验机，建议采用电 液伺服控制刚性试验机。 D, H试件的直径和高度。试件的直径和高度。 体积应变：体积应变： 应力、应变的计算应力、应变的计算 轴向轴向应力应力： 轴向应变： 径向应变： 轴向应变： 径向应变： 岩石的单轴抗压强度与弹性模量岩石的单轴抗压强度与弹性模量 0 岩石的岩石的单轴抗压强度单轴抗压强度是指岩石 试件在无侧限条件下，受轴向应 力作用破坏时单位面积上所承受 的极限荷载 。 是指岩石 试件在无侧限条件下，受轴向应 力作用破坏时单位面积上所承受 的极限荷载 。 在无侧限条件下，试件破 坏时的最大轴向荷载 在无侧限条件下，试件破 坏时的最大轴向荷载 残余强度残余强度 单轴抗压强度单轴抗压强度 岩石的弹性模量、泊桑比岩石的弹性模量、泊桑比 若岩石为线弹性材料（满足虎克定律）若岩石为线弹性材料（满足虎克定律） 弹性模量 泊桑比 弹性模量 泊桑比 （1）切线模量）切线模量 0 0 （2）割线模量）割线模量 0 （3）平均模量）平均模量岩石的变形与破坏岩石的变形与破坏 岩石的全应力与应变关系曲线岩石的全应力与应变关系曲线 0 0 峰前区峰后区峰前区峰后区 全应力与应变关系曲线的意义全应力与应变关系曲线的意义 当应力超过了岩石的极限强度以后，岩石并没有完全失去 承载能力，仍然具有一定的强度，并随着塑性变形的继续 增大，强度逐渐降低，达到岩石的残余强度后便不再降低。 岩石从开始破坏到完全失去其承载能力的过程，是一个渐 进的过程，不是突如其来的过程。 岩石具有峰后强度，这是岩石的一个重要特性。 造成岩石试件爆裂的原因主要是试验机的刚度比岩石试件 的刚度相对较小所引起的。 岩石发生爆裂的原因及防止对策岩石发生爆裂的原因及防止对策 爆裂发生条件： 机器刚度 岩石试件峰后区压力位移曲 线斜率的绝对值 反之，则不会出现爆裂。 防止对策 提高试验机刚度改用刚性试验机； 改变峰值前后的加载方式； 通过伺服控制方式控制试件位移大小。 峰前区岩石的变形特征（峰前区岩石的变形特征（6种类型）种类型） 弹脆性 弹塑性塑弹性 塑弹塑性 塑弹塑性 粘弹塑性 弹脆性 弹塑性塑弹性 塑弹塑性 塑弹塑性 粘弹塑性 法默（Farmer，l968） 分类 峰值后岩石的变形与破坏特征峰值后岩石的变形与破坏特征 Wawersik（1968）通过试验发现，根据岩 石的全应力与应变关系曲线，可以把岩石的 破坏划分成两种类型。 稳定破裂型（第类岩石）； 非稳定断裂传播型（第类岩石） 第类岩石第类岩石第类岩石第类岩石 岩石全应力与应变关系曲线的类型岩石全应力与应变关系曲线的类型 循环荷载作用条件下岩石的变形特征循环荷载作用条件下岩石的变形特征 卸荷点在弹性极限点以 下的应力应变曲线 卸荷点在弹性极限点以上的应 力应变曲线 反复加荷、卸荷时的应力反复加荷、卸荷时的应力应变曲线应变曲线 反复加荷、卸荷时的应力反复加荷、卸荷时的应力应变曲线应变曲线 逐级一次循环加载条件下，其应力与应变曲线的 外包线与连续加载条件下的曲线基本一致。说明 加、卸荷过程并未改变岩石变形的基本习性，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位下反复加荷、 卸荷时，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。 反复加荷、卸荷时的应力反复加荷、卸荷时的应力应变曲线应变曲线 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。 循环加、卸荷试验过程中岩石破坏时的应 力称为疲劳强度疲劳强度。它是一个比岩石单轴抗 压强度低且与循环持续时间等因素有关的 值。 柱状劈裂破坏圆锥形破坏柱状劈裂破坏圆锥形破坏 单向受压时试件的破坏形态单向受压时试件的破坏形态扩容（剪胀）扩容（剪胀） 受压时岩石体积增大的现象，一般都认为这是岩石 内部微裂隙开始出现或迅速扩展的标志，它是岩石 材料的特有属性。 是由于随着压应力的增大，岩石内部开始出现微 裂纹以及微裂纹张开、贯通的结果。 扩容产生的原因：扩容产生的原因： （二）（二）岩石的三向压缩试验岩石的三向压缩试验 三轴压缩试验的目的三轴压缩试验的目的 研究岩石在三向压应力作用下的变形规律；研究岩石在三向压应力作用下的变形规律； 确定岩石在三向压应力作用下的破坏规律与强度；确定岩石在三向压应力作用下的破坏规律与强度； 确定岩石的抗压强度，建立岩石的强度准则。确定岩石的抗压强度，建立岩石的强度准则。 三轴试验加载方式三轴试验加载方式 真三轴试验常规三轴试验（假三轴）真三轴试验常规三轴试验（假三轴） 常围压下的岩石三轴压缩试验常围压下的岩石三轴压缩试验 1. 试验装置与应力状态试验装置与应力状态 试件内的应力状态为试件内的应力状态为 大理岩的应力与应变关系曲线大理岩的应力与应变关系曲线 2. 三向受压时岩石的变形三向受压时岩石的变形 (1)围压接近零时，岩石的破坏一般为脆性破坏。 (2)随着围压的增大，岩石在破坏以前的总应变量也随之增大， 主要是塑性变形的变形量增大。当围压增大到一定范围以 后，岩石变形就成为典型的塑性流动。表明岩石的变形和 破坏的性质会随着应力状态的变化而变化。 三向压应力作用下岩石的变形特性三向压应力作用下岩石的变形特性 (3)围压较小时，岩石的体积变形与单向压缩条件下的变形规 律相似，即，先缩后胀；扩容现象将随着围压的增大而逐 渐减弱，但当围压超过了某个值以后，扩容现象将会完全 消失。这是由于围压限制了试件的横向膨胀。 (4) 随着围压的提高，岩石将由脆性材料逐渐变为延性材料， 并象金属材料一样，表现出明显的塑性流动特征。 (5) 岩石由脆性转化为延性的临界围压称为转化压力。岩石越 坚硬，转化压力越大，反之亦然。 三向压应力作用下岩石的变形特性三向压应力作用下岩石的变形特性 （二）岩石的三轴抗压强度（二）岩石的三轴抗压强度 岩石在三向压缩荷载作用下，达到破坏时所能承受的最 大应力成为岩石的三轴抗压强度(triaxial compressive strength)。 岩石的三轴抗压强度会随着围压的提高而明显增大。 当围压增大到一定程度以后，在应力与应变关系曲线上 已没有明显的峰值。 如果继续增大围压，岩石的强度将接近无限大。 （三） 岩石的其它强度试验与测试方法（三） 岩石的其它强度试验与测试方法 抗拉强度的测试 （ 抗拉强度的测试 （1）单轴拉伸试验）单轴拉伸试验 岩石的单轴抗拉强度：岩石的单轴抗拉强度： 试件被拉断时的最大荷载；试件被拉断时的最大荷载； A 试件的横截面面积。试件的横截面面积。 Pmax （2）劈裂试验（巴西试验）劈裂试验（巴西试验） 1 承压板，承压板，2 试件，试件，3 钢丝钢丝 岩石的抗拉强度：岩石的抗拉强度： D，l 试件的直径和厚度；试件的直径和厚度； P 劈裂时的最大荷载。劈裂时的最大荷载。 当当 ， 压缩拉伸 圆盘中心线 压缩拉伸 圆盘中心线 破裂面上为拉破裂面上为拉压 应力状态，试件的 破坏属于压应力作 用下的拉裂破坏。 压 应力状态，试件的 破坏属于压应力作 用下的拉裂破坏。 劈裂试验求出的抗拉强度劈裂试验求出的抗拉强度 单轴抗拉强度单轴抗拉强度 劈裂面上的应力分布劈裂面上的应力分布 1） 斜面剪切试验） 斜面剪切试验 N 剪切面上的荷载：剪切面上的荷载： P压力机施加的总压力； 试件倾角； f 圆柱形滚子与上下盘压板之间的摩擦 系数。 剪切面上的应力：剪切面上的应力： 剪切试验剪切试验 2）其它剪切试验）其它剪切试验 弹性波传播速度测试弹性波传播速度测试 纵波纵波 Vp 横波（剪切波）横波（剪切波） Vs 动泊桑比 动弹性模量 动泊桑比 动弹性模量 （四）岩石流变性（四）岩石流变性 蠕变蠕变在恒定应力或恒定应力差的作用下，变 形随时间而增长的现象，采用 在恒定应力或恒定应力差的作用下，变 形随时间而增长的现象，采用蠕变试验蠕变试验确定。确定。 应力松弛应力松弛当应变保持恒定时，应力随着时间 的延长而降低的现象，通过 当应变保持恒定时，应力随着时间 的延长而降低的现象，通过应力松弛应力松弛试验确定。试验确定。 弹性后效弹性后效加载或卸载时，弹性变形滞后于应 力的现象。 加载或卸载时，弹性变形滞后于应 力的现象。 蠕变的类型划分蠕变的类型划分 稳定蠕变： 当作用在岩石 上的恒定荷载较小时，初始 阶段的蠕变速度极快，但随 着时间的延长，岩石的变形 趋近一稳定的极限值而不再 增长。 不稳定蠕变：当荷载超过某 一临界值时，蠕变的发展将 导致岩石的变形不断增长， 直到破坏。 不稳定蠕变的三个阶段不稳定蠕变的三个阶段 加速蠕变加速蠕变 等速蠕变等速蠕变 过渡蠕变过渡蠕变 岩石的长期强度岩石的长期强度 定义：定义：使岩石在无限长时间内因蠕变达到破坏时 的应力值。 随着恒定荷载的加大，岩石由趋稳蠕变转为非 趋于稳定蠕变，也就是说，由不破坏转变为经蠕 变而破坏。因此，在这两种情况之间，一定存在 一个临界应力值，当岩石所受的长期应力小于这 一临界应力值时，蠕变趋于稳定，岩石不会破坏。 而大于这临界应力值时，岩石经蠕变最后发展至 破坏。这一临界应力值称为极限长期强度。 岩石长期强度与瞬时强度的比值岩石长期强度与瞬时强度的比值 岩石长期强度是一个极有价值得时间效应指标。当衡量永 久性的和使用期长的岩石工程的稳定性时，不应以瞬时强度 而应以长期强度作为岩石强度的计算指标。 （五）影响岩石力学性质的主要因素（五）影响岩石力学性质的主要因素 1. 矿物成分 2. 结晶程度和颗粒大小 3. 胶结情况 4. 生成条件 5. 风化作用 6. 密度 7. 水的作用 1. 矿物成分 2. 结晶程度和颗粒大小 3. 胶结情况 4. 生成条件 5. 风化作用 6. 密度 7. 水的作用 8. 试件形状和尺寸试件形状和尺寸 9. 加载速率加载速率 10. 温 度温 度 11. 端面约束情况端面约束情况 影响岩石力学性质的主要因素影响岩石力学性质的主要因素 岩石破坏时所需满足的条件叫岩石破坏时所需满足的条件叫强度准则强度准则，或称为，或称为破坏条件破坏条件。 影响岩石强度的因素很多，如：应力、应变、温度等，通常假 设岩石的强度只是应力的函数。 影响岩石强度的因素很多，如：应力、应变、温度等，通常假 设岩石的强度只是应力的函数。 （六）岩石的强度准则（六）岩石的强度准则 强度准则的类型： 经验性准则 理论性准则 强度准则的类型： 经验性准则 理论性准则 ( )f f = 包络线 1. 莫尔准则（莫尔准则（Mohrs Hypothesis, 1900） 莫尔强度准则 破坏主要决定于最大主应力和最小主应力， 与中间主应力无关。 破坏形态和破坏面上剪应力的大小都取决 于该面上的法向应力，是法向应力的函数。 在受压区属于压剪破坏；在受拉区属于拉 剪破坏。 通常用直线、抛物线、双曲线等表示强度 包络线。 C粘聚力；粘聚力；内摩擦角内摩擦角 cotC 3 2 31 + 1 2 31 2 C cotC 3 2 31 + 1 2 31 2 C 2. 库仑准则库仑准则(Coulomb Criterion, 1773) 整理得用主应力表示的库伦准则为 由几何关系可写出 整理得用主应力表示的库伦准则为 由几何关系可写出 破裂面与最大主平面之间的夹角破裂面与最大主平面之间的夹角 由由得得 由由得得 库仑准则的缺点和局限库仑准则的缺点和局限 (1) 当围压较大时，与试验结果出入较大；当围压较大时，与试验结果出入较大； (2) 粘结力概念的物理意义不明确；粘结力概念的物理意义不明确； (3) 没有考虑中间主应力的影响；没有考虑中间主应力的影响； (4) 实际岩石的破坏并非明显的剪切破坏；实际岩石的破坏并非明显的剪切破坏； (5) 岩石受拉时不能用。岩石受拉时不能用。 莫尔莫尔库伦准则：库伦准则： 包络线为直线的莫尔准则称为莫尔包络线为直线的莫尔准则称为莫尔库仑准则。库仑准则。 3. 霍克霍克布朗（布朗（Hoek-Brown）准则）准则 破坏时的最大主应力； 作用在岩石上的最小主应力； 岩石的单轴抗压强度； 取决于岩石性质的材料常数。 4. 格里菲斯强度准则格里菲斯强度准则 二维格里菲斯二维格里菲斯(Griffith)准则准则 格理菲斯准则的特点和不足格理菲斯准则的特点和不足 不论何种应力状态，材料都是因裂纹尖端附近达 到极限拉应力而断裂，即材料的破坏机理与应力 状态无关，都是拉伸破坏； 未考虑众多微裂隙的相互作用； 未考虑微裂隙受压闭合而产生摩擦； 预测的岩石强度小于实际值； 只给出了裂隙开裂的方向，没有给出后续的扩展 方向。 第二节 岩体工程分类第二节 岩体工程分类 岩体工程分类的目的与原则 代表性分类系统简介 工程岩体分级标准 一、岩体工程分类的目的与要求一、岩体工程分类的目的与要求 一、工程岩体分类的目的与原则一、工程岩体分类的目的与原则 1 将岩体分成形态类似的组；将岩体分成形态类似的组； 2 对了解岩体特性提供可靠的依据；对了解岩体特性提供可靠的依据； 3 对解决实际工程问题，提供必要的定量数据，以便进行岩 石工程的规划和设计； 对解决实际工程问题，提供必要的定量数据，以便进行岩 石工程的规划和设计； 4 为学术交流提供有效的共同基础。为学术交流提供有效的共同基础。 基本要求：基本要求： 1 条款简单明确；条款简单明确； 2 以容易测量的实测参数为基础。以容易测量的实测参数为基础。 二、工程岩体代表性分类系统介绍二、工程岩体代表性分类系统介绍 （一）按岩石质量指标（一）按岩石质量指标RQD分类分类 %100 cm10 RQD = L l l 岩芯单节长，岩芯单节长，cm10 L同一岩层中的钻孔长度同一岩层中的钻孔长度 按按RQD大小的岩体工程分级大小的岩体工程分级 等级等级RQD (%)工程分级 工程分级 90100极好的 极好的 7590好的 好的 5075中等的 中等的 2550差的 差的 025极差的极差的 （二）节理岩体的RMR分类方法（二）节理岩体的RMR分类方法 该法是由南非的 Bieniawski 在1976年提出后经过多次 修改，逐渐趋于完善的一种综合分类方法。 该法是由南非的 Bieniawski 在1976年提出后经过多次 修改，逐渐趋于完善的一种综合分类方法。 分类依据下列参数：分类依据下列参数： (1) 完整岩石材料的强度； (2) 岩石质量指标（RQD）； (3) 节理间距； (4) 节理状况； (5) 地下水状况。 (1) 完整岩石材料的强度； (2) 岩石质量指标（RQD）； (3) 节理间距； (4) 节理状况； (5) 地下水状况。 节理岩体的RMR分类标准节理岩体的RMR分类标准 按节理产状修正评分值按节理产状修正评分值 节理走向和倾向非常有利有 利一 般不 利非常不利 评分 修正值 隧道 节理走向和倾向非常有利有 利一 般不 利非常不利 评分 修正值 隧道0-2-5-10-12 地基地基0-2-7-15-25 边坡边坡0-5-25-50-60 节理走向和倾角对隧道开挖的影响节理走向和倾角对隧道开挖的影响 倾角倾角 200 倾 角倾 角 90 45 倾 角倾 角 4520 倾 角倾 角 90 45 倾 角倾 角 45 20 倾 角倾 角 9045 倾 角倾 角 45 20 走 向 垂 直 于 隧 道 轴 线 走向平行于隧道轴线 不论什 么走向 沿 倾 向 掘 进反 倾 向 掘 进 非常有 利 有利一般不利非常有利一般不利 走 向 垂 直 于 隧 道 轴 线 走向平行于隧道轴线 不论什 么走向 沿 倾 向 掘 进反 倾 向 掘 进 非常有 利 有利一般不利非常有利一般不利 RMR岩体分类级别的含义RMR岩体分类级别的含义 分类级别 质量描述 非常好的 岩体 好岩体 一般 岩体 差岩体 非常差的 岩体 评 分 值 分类级别 质量描述 非常好的 岩体 好岩体 一般 岩体 差岩体 非常差的 岩体 评 分 值10081806160414021300200300150200100150454045354030350.750.750.550.550.350.350.15550 坚硬岩，岩体较完整； 较坚硬岩，岩体完整 坚硬岩，岩体较完整； 较坚硬岩，岩体完整 550451 坚硬岩，岩体较破碎； 较坚硬岩或软硬岩互层，岩体较完整； 较软岩，岩体完整 坚硬岩，岩体较破碎； 较坚硬岩或软硬岩互层，岩体较完整； 较软岩，岩体完整 450351 坚硬岩，岩体破碎； 较坚硬岩，岩体较破碎 坚硬岩，岩体破碎； 较坚硬岩，岩体较破碎破碎； 较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主， 岩体较完整 破碎； 较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主， 岩体较完整较破碎； 软岩，岩体完整 较破碎； 软岩，岩体完整较完整较完整 350251 较软岩，岩体破碎； 软岩，岩体较破碎 较软岩，岩体破碎； 软岩，岩体较破碎破碎； 全部极软岩及全部极破碎岩 破碎； 全部极软岩及全部极破碎岩 75 其他组合 其他组合 K20.40.600.20.20.4 地下水影响修正系数地下水影响修正系数K K1 1 BQ 地下水出水状态地下水出水状态 450450351350251550550451450351350251250 极高应力区极高应力区1.01.01.01.51.01.51.0 高应力区高应力区0.50.50.50.51.00.51.0 地下工程岩体自稳能力地下工程岩体自稳能力 岩体级别自稳能力 跨度小于 岩体级别自稳能力 跨度小于20m，可长期稳定，偶有掉块，无塌方 跨度 ，可长期稳定，偶有掉块，无塌方 跨度1020m，可基本稳定，局部可发生掉块或小塌方； 跨度小于 ，可基本稳定，局部可发生掉块或小塌方； 跨度小于10m，可长期稳定，偶有掉块 跨度 ，可长期稳定，偶有掉块 跨度1020m，可稳定数日至一个月，可发生小至中塌方； 跨度 ，可稳定数日至一个月，可发生小至中塌方； 跨度510m，可稳定数月，可发生局部块体位移及小至中 塌方； 跨度小于 ，可稳定数月，可发生局部块体位移及小至中 塌方； 跨度小于5m，可基本稳定 跨度大于 ，可基本稳定 跨度大于5m，一般无自稳能力，数日至数月内可发生松动 变形、小塌方、进而发展为中至大塌方。埋深小时，以拱 部松动破坏为主，埋深大时，有明显塑性流动变形和挤压 破坏； 跨度小于 ，一般无自稳能力，数日至数月内可发生松动 变形、小塌方、进而发展为中至大塌方。埋深小时，以拱 部松动破坏为主，埋深大时，有明显塑性流动变形和挤压 破坏； 跨度小于5m，可稳定数日至一个月 无自稳能力 ，可稳定数日至一个月 无自稳能力 第三节 岩体的初始地应力状态第三节 岩体的初始地应力状态 自重应力 构造应力 初始地应力的分布规律 初始地应力的确定方法 初始地应力的现场实测方法 原岩应力：地层未受到扰动时，存在于地层 内各点的应力称为原岩应力，或 称为初始地应力。 次生应力：地层被开挖后，存在于开挖空间 周围岩体中重新分布的应力称为 次生应力，也叫诱发应力。 原岩应力：地层未受到扰动时，存在于地层 内各点的应力称为原岩应力，或 称为初始地应力。 次生应力：地层被开挖后，存在于开挖空间 周围岩体中重新分布的应力称为 次生应力，也叫诱发应力。 一、概 述一、概 述 瑞士地质学者海姆假设 ：瑞士地质学者海姆假设 ： zyx = 金尼克假设：金尼克假设： zyx = 温度应力 封闭应力 新构造应力 古构造残余应力 构造应力 重力应力 原岩应力 原岩应力的分类原岩应力的分类 二、自重应力二、自重应力 y x x y z 11H 22H nnH x z z x z 垂直应力计算方法垂直应力计算方法 (a)单一地层单一地层(b)多层地层多层地层 H z = = = n i iiz H 1 上覆各层岩体容重上覆各层岩体容重 i 上覆岩层平均容重 垂直方向应力： 水平方向应力 上覆岩层平均容重 垂直方向应力： 水平方向应力: zyx = 侧压系数侧压系数 海姆关于自重应力的计算方法海姆关于自重应力的计算方法 上覆岩层为多层不同岩石时上覆岩层为多层不同岩石时 = 1 假定水平方向应变为零，根据胡克定律可导出下式假定水平方向应变为零，根据胡克定律可导出下式 () ()0 1 0 1 =+= =+= zxyy zyxx E E 连立求解，得连立求解，得H zyx = = 11 因此 岩石的泊桑比