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第一章绪论,岩石：由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集而形成的自然物体。,这是影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素。,构造:组成成分的空间分布及其相互间排列关系,岩石力学（RockMechanics）：研究岩体在各种不同受力状态下产生变形和破坏规律的学科。,第一节岩石与岩体,矿物：存在地壳中的具有一定化学成分和物理性质的自然元素和化合物。,结构：组成岩石的物质成分、颗粒大小和形状以及其相互结合的情况。,岩石分类,岩体=岩块+结构面,变质岩：不稳定与变质程度和原岩性质有关,岩浆岩：强度高、均质性好,沉积岩：强度不稳定，各向异性,1.2岩体力学的研究任务与内容,不连续；各向异性；不均匀性；岩块单元的可移动性；地质因子特性（水、气、热、初应力）。,（1）岩体的力学特征,（2）任务,基本原理方面（建模与参数辨别）；试验方面（试验方法）仪器、信息处理、室内、外、动、静；现场测试；实际应用,城市化：我国1989年不到20%，2000年为35.7%，2010达45%，为减少占用地面土地，发展地下空间。人口密度：拥人极限2万/km2，而上海达4万/km2(局部16万/km2)，北京达2.7万/km2。绿化指标：1990年全国城市绿化面积3.9m2/人，上海0.9m2/人（国家要求2m2/人）。联合国建议：40m2/人（莫斯科44m2/人；伦敦22.8m2/人；巴黎25m2/人）。交通方面：北京道路面积4.4m2/人；东京11.3m2/人；伦敦21.3m2/人。,(4)相关任务,1.3岩体力学的研究方法,研究方法：实验、理论分析与工程应用相结合,实验,室内野外,岩块（拉、压、剪）模拟,位移应力压力,收敛（表面位移）应变绝对位移、相对位移（内部）,理论,连介非连介数值方法,有限元离散元DDA,1.4岩体力学在其它学科中的地位,（1）1925年泰沙基（Terzaghi）建筑土力学（2）地质力学的岩石力学学派（奥地利学派（萨尔茨堡学派）缪勒）否认小岩块试件的力学试验。（3）工程岩石力学学派，法国塔洛布尔（J.Talober）1951年岩石力学最早的代表作。1963年意大利瓦依昂水库岩坡滑动1966年在里斯召开第一届国际岩石力学大会（一届/4年）全国岩石力学与工程学术会，2000年开第6届，1届/1年。全美,全欧。总之三个阶段：材料力学、连介力学、构造力学。,力学（固体力学分支）、地质学、岩土工程,1.5岩石力学的发展简史,返回,第二章岩石的基本物理力学性质,岩石的基本物理力学性质是岩体最基本、最重要的性质之一，也是岩石力学学科中研究最早、最完善的内容之一。第一节基本物理性质一、岩石的质量指标（一）密度和比重1、岩石的密度：单位体积内岩石的质量。岩石含：固相、液相、气相。三相比例不同而密度不同。,（2）饱和密度：岩石中的孔隙被水充填时的单位体积质量（水中浸48小时）,（1）天然密度：自然状态下，单位体积质量,G岩石总质量；V总体积。,VV孔隙体积,（3）干密度：岩块中的孔隙水全部蒸发后的单位体积质量（108烘24h）,2、岩石的比重：岩石固体质量（G1）与同体积水在4时的质量比VC固体积；水的比重,G1岩石固体的质量。,（KN/m3）,二、岩石的孔隙性：反映裂隙发育程度的指标,（一）孔隙比,VV孔隙体积（水银充填法求出）,（二）孔隙率,V=VC+VV,en关系,天然状态下饱和状态下,三、岩石的水理性质,（一）含水性,1、含水量：岩石孔隙中含水量GW与固体质量之比的百分数,W=GW/G1（%）,2、吸水率：岩石吸入水的质量与固体质量之比,Wd=,（%）,吸水率是一个间接反映岩石内孔隙多少的指标,（二）渗透性,在一定的水压作用下，水穿透岩石的能力。反映了岩石中裂隙向相互连通的程度，大多渗透性可用达西（Darcy）定律描述：,（m3/s）,水头变化率；,qx沿x方向水的流量；h水头高度；A垂直x方向的截面面积；k渗透系数。,四、岩石的抗风化指标（3类）,(1)软化系数（表示抗风化能力的指标）,Rcc干燥单轴抗压强度、Rcd饱和单轴抗压强度；（）越小，表示岩石受水的影响越大。,耐崩解性指数是通过对岩石试件进行烘干，浸水循环试验所得的指标。试验时，将烘干的试块，约500g，分成10份，放入带有筛孔的圆筒内，使圆筒在水槽中以20rs速度连续转10分钟，然后将留在圆筒内的石块取出烘干称重。如此反复进行两次，按下式计算耐崩解性指数：,(2)岩石耐崩解性指数,试验前的试件烘干质量；残留在筒内的试件烘干质量,1、自由膨胀率：无约束条件下，浸水后胀变形与原尺寸之比轴向自由膨胀（%）H试件高度径向自由膨胀（%）D直径,返回,（三）岩石的膨胀性,评价膨胀性岩体工程的稳定。,第三章岩石动力学基础,定义：所谓波，就是某种扰动或某种运动参数或状态参数（例如应力、变形、震动、温度、电磁场强度等）的变化在介质中的传播。应力波就是应力在固体介质中的传播。分类：(4类）弹性波:在应力应变关系服从虎克定律的介质中传播的波。,第一节岩石的波动特性,一、固体中应力波的种类,粘弹性波在非线性弹性体中传播的波，这种波，除弹性变形产生的弹性应力外，还产生又摩擦应力或粘滞应力。塑性波应力超过弹性极限的波。冲击波如果固体介质的变形性质能使大扰动的传播速度远比小扰动的传播速度大，在介质中就会形成波头陡峭的、以超声波传播的冲击波。,岩石在受到扰动时在岩体中主要传播的是弹性波，塑性波和冲击波只有在振源才可以看到。,3.在固体中可传播的弹性波可分为两类（1）体波：由岩体内部传播的波(2类）（a）纵波（又称：初至波、Primary波）质点振动的方向和传播方向一致的波它产生压缩或拉伸变形。（b）横波（又称次到波、Second波)质点振动方向和传播方向垂直的波产生剪切变形。（2）面波：仅在岩石表面传播。质点运动的轨迹为一椭圆，其长轴垂直于表面，这样的面波又称为瑞利波。面波速度小于体波，但传播距离大。,按波面形状，应力波又区分为平面波、球面波和和柱面波。波面上介质的质点具有相同的速度、加速度、位移、应力和变形。最前方的波面称为波前、波头和波阵面。二、弹性波在固体中的传播拉梅运动方程(不计体力),由上方程导出纵波在各向同性岩体中的传播速度：横波在各向同性岩体中的传播速度：将，代入上两式，得：,若已知，侧可根据上两式推出求动弹性模量和动泊松比，即：,注：若分辨不清，则可用（一般可用静泊松比代替）求，则若0.25时，1.73经过各方面试验验证，一般在1.61.7之间。,三、岩体弹性波速得测定,（一）岩块声波传播速度室内测定测定时，把声源和接收器放在岩块试件得两端，通常用超声波，其频率为1000Hz2MHz。（示波见图31）,发射传感器,耦合济,接收传感器,测出,注：由于纵波比横波较后到达，因此横波易受干扰，难于分辨，所以准确得测出横波时很重要的。中国科学院岩土力学研究所建议用下述方法：,（1）用激发横向振动的PZT型压电晶片作横波换能器（图32a）（2）利用固体与固体的自由边表面产生反射横波（图32b）（3）利用水浸法量测试件的横波（图32c）,（二）岩体声波传播速度的现场测定,岩体声波的传播速度可以在巷道帮面或平坦的岩面上测定。现场量测弹性波速度的方法如图（3-3）所示。量出声源与接收器之间的距离如图33中的D1或D2测出P波和S波传播的时间,计算弹性波速度Vp和Vs,（三）岩体弹性波测定结果,岩体中弹性波速经过室内外测定与归纳，得结果间表31。由表可见，岩体纵波波速变化范围较大，受各种因素影响。一般来说，岩块波速要大于岩体波速；新鲜完整得岩体波速大；裂隙越发育和风化破碎岩体的波速越小。,根据实验结果整理的岩体动弹性模量见表（32）,动弹性模量与静弹性模量的比值一般来说，岩体越坚硬越完整，则差值越小，否则，差值就越大。根据对比资料的统计，动弹性模量比静弹性模量高百分之几至几十倍，如图34所示。从动弹性模量的数字来看，多集中在之间。,图3-4,返回,第二节影响岩体波速的因素（5方面因素）,一、岩体弹性波速与岩体种类、岩石密度和生成年代有关1.岩石的密度和完整性越高，波速越大2.岩石密度越大，弹性波的速度也相应增加表31表示了各类岩石的弹性波速与岩石种类之间的关系。图35从实例统计的角度，表示了各类岩石的弹性波速及密度之间的关系。,二、岩体波速与岩体中裂隙或夹层的关系,弹性波在岩体中传播时，遇到裂隙，则视充填物而异。若裂隙中充填物为空气，则弹性波不能通过，而是绕过裂隙断点传播。在裂隙充水的情况下，声能有5可以通过，若充填物为其他液体或固体物质，则弹性波可部分或完全通过。弹性波跨越裂隙宽度的能力与弹性波的频率和振幅有关.1.频率越低，跨越裂隙宽度俞大，反之俞小,图3-7,2.裂隙数目越多，则纵波速度愈小,3.岩体的风化程度愈高弹性波的速度亦小,4.夹层厚度愈大弹性波纵波速度愈,三、岩体波速与岩体的有效孔隙率n及吸水率有关,一些岩浆岩，沉积岩和变质岩的纵波速度与有效孔隙率n之间的关系见图39所示。,从图中可以看出：1.随着有效孔隙率的增加，纵波波速则急剧下降,图310表示了纵波波速与吸水率之间的关系。,从图中可以看出：2.随着吸水率的增加，纵波波速急剧的下降,四、岩体波速与各向异性性质有关,岩体因成岩条件、结构面和地应力等原因而具有各向异性，因而弹性波在岩体中的传播、岩体动弹性模量等也具有各向异性。表36看出：1.平行层面纵波波速大于垂直层面波速平行层面波速/垂直岩层波速各向异性系数CC=1.08-2.28；多数：C=1.67相当一部分：c=1.10,表36,2.平行岩层面的动弹模大于垂直岩层的动弹模各向异性系数数值在1.012.72之间；绝大部分小于1.30,3.压力愈大，纵波波速各向异性系数愈小由表可见，所有系数均大于1；其最大系数在0.1MPa,五、岩体受压应力对弹性波传播的影响,（一）室内测试的结果岩石在压应力作用下，对弹性波的波速和动弹性模量有一定的影响，受力状态可分静水压缩、三向压缩和单向压缩，量测方式可分为平行或垂直于最大应力。1.加载方式对声波波速的影响在单向压缩且垂直应力方向测试岩石的波速时，所测波速有较明显的影响；其它加载方法对所测波速的影响比较小，见图311，12,均匀压缩,单向压缩,环向压缩,2.压应力愈大波速愈大从图中可以看出，随着压力的增大，纵波的波速亦随之增大。纵波增加的波速，在开始阶段较快，然后逐渐变小，最后可能不增加。3.对于层面发育的沉积岩石，当垂直于层面加载时，在低应力阶段波速急速随应力增长而增加，当波速超过平行层面方向的波以后，增长变慢。如图313所示,4.当岩石单向压缩后，量测的波速因方向的不同而不同,与压应力相同方向上的纵波波速，在低应力阶段波速急速增长，达到一定程度后增速减缓,与压应力垂直方向上的纵波波速，随应力增长而减小（波传动方向上受拉应力）,（二）现场量测的结果,在某工程中，测定了巷道两帮的应力变化对声波波速的影响可以推断松动圈的范围。工程测点布置如图316,1.在巷道壁钻孔测试声波速度在松动区内，由于岩体破碎且是低应力区，因而波速较小；高应力区，岩体完整，波速达到最大；原岩应力区，波速正常。根据波速沿测孔深度的变化曲线，确定这三个区的范围。,2.测试结果如图可见，3条测线总的趋势大约在1.5米处，波速最大，可推测松动圈范围在此处。另外，曲线1在1.5米更深处波速更大，这可能是该处巷道纵横交错，应力较复杂之故。,3.当岩石种类不同，纵波波速不同。但基本规律相同，即在低应力区纵波波速增长很快，随着应力的增大，增长减慢，趋于常值。如图318所示,返回,第四章岩体的基本力学性质,4.1岩体结构面分析一、结构面：断层、节理、褶皱统称岩体结构面影响,完整性很好连续介质力学方法非常破碎土力学方法两者之间裂隙体力学方法,岩体不连续性，各向异性反映区域性地质构造降低岩体强度,图41节理岩体的强度特征与岩石强度的区别岩石；节理化岩体：节理,岩体强度=岩块强度+节理强度,二、结构面的分类,按照工程的要求分类1绝对分类2相对分类相对工程而言的分类见表4-1。3按力学观点分类,中等结构面110m巨大结构面10m,细小结构面延长1m,破坏面破坏带行两者之间,充填非充填,见表42,表41结构面的相对分类,图42按力学观点的破坏面和破坏带分类,单节理,节理组,节理群,羽毛状节理,破碎带,无充填,有充填,有粘性充填物,三、岩体破碎程度分类,（一）裂隙度K设勘测线长度为，在上出现的节理的个数为n，则节理之间的平均间距为,裂隙度切割度,单组结构面多组结构面,10m,实例：k=4/10=0.4/md=1/k=2.5m,1.单组节理,d180cm整体结构d=30180块状结构d30破裂结构d块状（B）块状板状柱状（C）块状柱状板状（D）板状块状柱状9、不同形式的结构体对岩体稳定性的影响程度由大到小的排列次序为（）（A）聚合型结构体方形结构体菱形结构体锥形结构体（B）锥形结构体菱形结构体方形结构体聚合型结构体,（C）聚合型结构体菱形结构体文形结构体锥形结构体（D）聚合型结构体方形结构体锥形结构体菱形结构体10、岩体结构体是指由不同产状的结构面组合围限起来，将岩体分割成相对的完整坚硬的单无块体，其结构类型的划分取决于（）（A）结构面的性质（B）结构体型式（C）岩石建造的组合（D）三者都应考虑,1、A2、C3、C4、A5、D6、A7、C8、B9、A10、D,参考答案,返回,第五章工程岩体分类,第一节分类的目的与原则岩体复杂、理论不完善、靠经验。从定性和定量两个方面来评价岩体的工程性质，根据工程类型及使用目的对岩体进行分类，这也是岩体力学中最基本的研究课题。,1、分类的目的（1）为岩石工程建设的勘察、设计、施工和编制定额提供必要的基本依据。（2）便于施工方法的总结,交流,推广。（3）为便于行业内技术改革和管理。,2、分类原则,（1）有明确的类级和适用对象。（2）有定量的指标。（3）类级一般分五级为宜。（4）分类方法简单明了、数字便于记忆和应用。（5）根据适用对象，选择考虑因素。趋势：“综合特征值”分类法,3、分类的独立因素在分类中起主导和控制作用的有如下几方面因素：,（1）岩石材料的质量（强度指标）。（2）岩体的完整性，结构面产状、密度、声波等。（3）水汶状态（软化、冲蚀、弱化）（4）地应力（5）其它因素（自稳时间、位移率）其中：岩性是最重要因素,返回,第二节几种典型分类,1、按岩石的单轴抗压强度RC分类用岩块单轴抗压强度进行分类，简单、早期，因此在工程上采用了较长的时间(普氏系数)。（一）岩石单轴抗压强度分类(表5-1),由于岩石点荷载试验可在现场测定，数量多而简便，所以用点荷载强度指标分类得到重视。由伦敦地质学会与Franklin等人提出，见图5-1,（二）以点荷载强度指标分类,2、按巷道岩石稳定性分类,（一）斯梯尼(Stini)分类根据巷道围岩的稳定性进行分类，如表5-2所示。,根据岩石抗压强度、工程地质条件和开挖时岩体稳定破坏现象，分四类，并有相应的施工措施，见表5-3,（二）前苏联巴库地铁分类,3、按岩体完整性分类,（一）按岩石质量指标RQD分类（RockQualityDesignation）RQD是选用坚固完整的、其长度大于等于10mm的岩芯总长度与钻孔长度的比，百分数表示为：,工程实践说明，RQD是一种比岩芯采取率更好的指标。,例某钻孔的长度为250cm，其中岩芯采取总长度为200cm,而大于10cm的岩芯总长度为157cm(图5-2)，则岩芯采取率：200/250=80%RQD=157/250=63%,用RQD值来描述岩石的质量-分级(表5-4),（二）以弹性波（纵波）速度分类依据：弹性波变化能反映岩体结构特性和完整性。中科院地质所根据他们对岩体结构的分类，列出了弹性波在各类岩体中传播特性，如表5-5。,日本池田和彦于1969年提出了日本铁路隧道围岩强度分类。首先将岩质分六类，在根据弹性波在岩体中的速度，将围岩强度分为七类。（表5-6）,4、按岩体综合指标分类,（二）岩体的岩土力学分类由毕昂斯基(Bieniaski1974)提出“综合特征值”-RMR值分类00.04RC+0.4,代KV0.04RC+0.4b.按计算所得的Q值分级见表5-18（分为5级）,（3）结合工程情况，计算岩体基本质量指标修正值BQ，并按表5-18的指标值确定本工程的工程岩体级别。BQBQ100(K1+K2+K3)K1,K2,K3值，可分别按表5-19、5-20、5-21确定。无表中所列情况时，修正系数取零。BQ出现负值时，应按特殊问题处理。,2.工程岩体分级标准的应用(2条)（1）岩体物理力学参数的选用,工程岩体基本级别一旦确定以后，可按表5-2选用岩体的物理力学参数以及按表5-23选用岩体结构面抗剪断峰值强度参数。,（2）地下工程岩体自稳能力的确定利用标准中附录所列的地下工程自稳能力（表5-24），可以对跨度等于或小于20m的地下工程作自稳性初步评价，当实际自稳能力与表中相应级别的自稳能力不相符时，应对岩体级别作相应调整,返回,例：某地下工程岩体的勘探后得到如下资料：单轴饱和抗压强度强度；岩石较坚硬，但岩体较破碎，岩石的弹性纵波速度、岩体的弹性纵波速度；工作面潮湿，有的地方出现点滴出水状态；有一组结构面，其走向与巷道轴线夹角大约为25度、倾角为33度；没有发现极高应力现象。按我国工程岩体分级标准（GB5021894）该岩体基本质量级别和考虑工程基本情况后的级别分别确定为（）。（A）级和级（B）级和级（C）级和级（D）级和级,解：（1）计算岩体的基本质量指标,其中：,检验限制条件：,所以仍取为32.5,所以仍取为0.66,得：,（2）查表5-18（岩体基本质量分级表）该岩体基本质量级别确定为级。,（3）计算岩体的基本质量指标修正值,其中：为地下水影响修正系数，由表5-19查得0.1；为主要软弱结构面产状影响修正系数，由表5-20查得0.5；为初始应力状态影响修正系数，由表5-21查得0.5。,所以：（4）查表5-18（岩体基本质量分级表）该岩体质量级别最终确定为级。所以，本题答案选（B）。,返回,第六章岩体的初始应力状态,第一节初始应力的概念与意义,意义（1）工程稳定性分析的原始参数。（2）确定开挖方案与支护设计的必要参数。,初始应力：天然状态下岩体内的应力，又称地应力、原岩应力。因素：自重地质构造地形地貌地震力水压力地热。,返回,第二节初始应力的组成与计算1、岩体自重应力场,垂直应力：,平均密度，KN/m3,侧压力：,H总深度（m）,侧压力系数,的取值有4种可能,图6-1岩体自重垂直应力,（1）岩体假定处于弹性状态,由,推出,得：,岩体由多层不同性质岩层组成时(图6-2),第j层应力：,原始垂直应力和水平应力：,图6-2自重垂直应力分布,（2）Heim假设（塑性状态）,当原始应力超过一定的极限，岩体就会处于潜塑状态或塑性状态。,（相当于）,（3）岩体为理想松散介质（风化带、断层带）由极限平衡理得,（4）当松散介质有一定粘聚力时,注：当说明无侧压力,侧压力为：,无侧压力深度,2、岩体构造应力（判断、测试，不能计算）,当构造应力存在时。3、影响岩体初应力状态的其它因素（1）地形-自重的减小或增大,图67地形对初应力的影响,（2）地质条件对初应力的影响。,图6-8背斜褶曲对地应力的影响,图6-9断层对地应力的影响,（3）水压力、热应力,孔隙水压力、流动水压力(影响小，可不计)、静水压力（悬浮作用）热膨冷缩在岩体中产生热应力。地温升高会使岩体内地应力增加，一般地温梯度：岩体的体膨胀系数：，岩体弹模E=104MPa；地温梯度引起的温度应力约为：,z-深度/m。温度应力是同深度的垂直应力的1/9，并呈静水压力状态。,返回,第三节岩体初始应力状态的现场量测方法,一、岩体应力现场量测方法概述1.目的：（1）了解岩体中存在的应力大小和方向（2）为分析岩体的工程受力状态以及为支护及岩体加固提供依据（3）预报岩体失稳破坏以及预报岩爆的有力工具,2.方法分类(表6-1),二、水压致裂法,（一）方法原理及技术要点：通过液压泵向钻孔内拟定量测深度加液压将孔壁压裂，测定压裂过程中的各特征点压力及开裂方位，然后根据测得的压裂过程中泵压表的读数，计算测点附近岩体中地应力大小和方向。压裂点上下用止水封隔器密封，其结构如图6-10所示。水压致裂过程中泵压变化及其特征压力示于图6-11。,P0,Pb,Ps,Ps0,P0,Pb0,Ps,图6-11压裂过程泵压变化及特征压力,图6-10止水、压裂工作原理,Pb,Ps,Ps,Ps0,Pb0,P0,各特征压力的物理意义P0-岩体内孔隙水压力或地下水压力Pb-注入钻孔内液压将孔壁压裂的初始压裂压力Ps-液体进入岩体内连续的将岩体劈裂的液压，称为稳定开裂压力Ps0-关泵后压力表上保持的压力，称为关闭压力。如围岩渗透性大，该压力将逐渐衰减Pb0-停泵后重新开泵将裂缝压开的压力，称为开启压力,（二）基本理论和计算公式,当孔壁出现垂直裂缝时，设孔周边两个水平地应力分别为和，孔壁还受有水压Pb.如图6-12。,图6-12孔壁开裂力学模型,a,钻孔周围岩体内应力(Kirsch.G-基尔斯解),在孔壁上r=a，有：,当时有最大拉应力：,按最大拉应力理论，有,(6-15),(6-16),将(6-15)代入(6-16)得孔壁开裂应力条件,(6-18),即孔壁开裂在与垂直,的面上,式中：T0-岩体的抗强度,若岩体中有孔隙水压力Pw，（6-18）式变成：,(6-19),由图6-11知水泵重新加压使裂缝重新开裂的压力Pb0，则上式变成：,(6-20),19和20两式对比得：PbPb0=T0,(6-21),在关闭压力Pb0点上，孔壁已经开裂，则T0=0,稳定开裂压力由P0下降到Ps0。此时，ps0等于与裂缝垂直的应力，即：,求得主应力及岩体抗拉强度（三）根据水压致裂法试验结果计算地应力（1）一般来讲作为地主应力之一。我们可以将与作比较，若，则可以肯定此时为最小主应力；进一步将与作比较，也就可以以此确定地应力的三个主应力。,因为开裂点方位或开裂裂缝方向可以确定的方位或的方向，所以三个地主应力的方位也就可以相应确定。（2）如果，并且孔壁开裂后孔内岩体出现水平裂缝，则此时为最小地应力，与各为中间主应力及最大地主应力，垂直开裂方向即为最大地应力方向。,（四）水压致裂法的特点,设备简单操作方便测值直观适应性强受到重视和推广,缺陷：主应力方向不准,三、应力解除法,1.基本原理：当需要测定岩体中某点的应力状态时，人为的将该处岩体单元和周围的岩体分离，此时，岩体单元上所受的拉力将被解除。同时，该单元体的几何尺寸也将产生弹性恢复。应用一定的仪器，测定弹性恢复的应变值或变形值，并且认为岩体时连续、均质和各向同性的弹性体，于是就可以借助弹性理论的解答计算岩体单元所受的应力状态。,切断联系,解除应力,应变恢复,测试应变,计算应力,流程要点,2.应力解除法分类,按测试深度,表面应力解除浅孔应力解除深孔应力解除,按测试应变或变形,孔径变形测试孔壁应变测试,孔底应力解除法孔壁应力解除法,测1个平面3个方向上的应变,1平面3方向上的径位移,3平面9个方向应变,原理要点向岩体中的测点先钻进一个平底钻孔，在孔底中心处粘贴应变传感器；套孔钻出岩芯，使孔底平面完全卸载，应变传感器测得孔底平面中心恢复应变；在室内测得岩石的弹性常数；计算孔底中心处的平面应力状态。由于孔底应力解除法只需要钻进一段不长的岩芯，所以对较破碎的岩体也能应用。,（1）岩体孔底应力解除法,在孔底平面粘贴3应变片应变花,一个平面有3个独立的应力分量,工作步骤,应变观测系统,（2）套孔应力解除法,原理要点对岩体中某点进行应力量测时，先向该点钻进一定深度的超前小孔，在此小孔中埋设钻孔传感器，再通过钻取一段同心的管状岩芯而使应力解除，根据恢复应变及岩石的弹性常数，即可求得该点的应力状态。,孔径变形测试，孔壁应力解除法，均属于套孔应力解除法。前者测试套孔应力解除后的孔径变化；后者测试套孔应力解除后的孔壁应变。其操作步骤和原理基本相同,表面应力解除法,直角应变花,等边三角形应变花,应力解除槽,钻孔的深度必须超过开挖影响区，才能测到岩体内的原始应力，否则测出的是二次应力。,工作步骤,套孔应力解除工作步骤,套孔应力解除使用的传感器孔径变形测试采用位移传感器；孔壁应力解除采用应变传感器。,，,孔径变形测试传感器布置,孔壁应力解除法传感器布置,计算公式,应力解除法，由测试数据换算成应力，根据测试参数的不同可以分为两类：(1)由应变换算成应力；(2)径向位移换算成应力。换算的基本理论和方法都在弹性力学中学过，这仅以(2)为例。,由孔径变形测试换算初始应力，在大多数试验场合下，往往进行简化计算例如假定钻孔方向和一致，并认为，则,（6-24）,式中：-钻孔直径变化值-钻孔直径-量测方向和水平轴的夹角-岩石弹性模量与泊松比,在实际计算中，由于考虑到应力解除是逐步向深处进行的，实际上不是平面变形而是平面应力，则有,式中：分别为在0度，45度和90度三个方向上同时测定的孔径变化。,空间原始应力测试,测试空间原始应力，孔壁应变法只须1钻孔，孔底应变法和孔径变形法需要3个钻孔,四、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，目前此法仅用于岩体表层，应力。当己知某岩体中的主应力方向时，采用本法比较方便。如图6-18，当洞室某侧墙上的表层围岩应力的主应力方向各为垂直于水平方向时，就可用到应力恢复法测得的大小。,图6-18应力恢复法原理图,基本原理：,在侧墙上沿测点o，先沿水平方向开一个解除槽，则在槽的上下附近，围岩应力得到部分解除，应力状态重新分布。在槽的中心线OA上的应力状态，根据H.N.穆斯海里什维里理论，把槽看作一条缝，得到：,（627）,式中OA线上某点B上的应力分量B点离槽中心O的距离的倒数。,当在槽中埋设压力枕，并由压力枕对槽加压，若施加压力为p，则在OA线上B点产生的应力分量为,（628）,当压力枕所施加的力时，这时B点的总应力分量为,可见当压力枕所施加的力时，则岩体中的应力状态已完全恢复，所求的应力即由P值而得知，这就是应力恢复法的基本原理。,实验过程1.在选定的试验点上，沿解除槽的中垂线上安装好量测元件（见图6-19）,2.记录量测元件应变计的读数。3.开凿解除凿，岩体产生变形并记录应变计上的读数。4.在开挖好的解除凿中埋设压力枕，并用水泥砂浆充填空隙。5.待充填水泥浆达到一定强度后，即将压力枕联接油泵，通过压力枕对岩体施压。随着压力枕所施加的力p的增加，岩体变形逐渐恢复。逐点记录压力p与恢复变形的关系。,6.假设岩体为理想弹性体，则当应变计回复到初始读数时，此时压力枕对岩体所施加的压力p即为所求岩体的主应力。,如图6-20所示，ODE为压力枕加荷曲线，压力枕不仅加压到初始读数（D点），即恢复了弹性变形，而且继续加压到E点，得到全应变：,由应力-应变曲线求岩体应力,图6-20,由压力枕逐步卸载，得卸荷曲线EF,并得知，这样就可以求得产生全应变所相应的弹性应变与残余塑性应变之值。为了求得产生所相应的全应变量，可以作一条水平线KN与压力枕的OE和EF线相交，并使MN=,则此时KM就为残余塑性应变，相应的全应变量由就可知在OE线上求得C点，并求得与C点对应的p值，即所求的值。,返回,第四节岩体初始应力状态分布的主要规律一、垂直应力随深度的变化规律,实测垂直应力随深度的变化,垂直应力随深度线性增加。平均密度约为27KN/m3,二、水平应力随深度的变化,平均水平应力随深度而增加,三、水平应力与垂直应力的比值K在接近地表及浅层地层中，水平应力大于垂直应力。但随深度增加就会出现K=1的状况。,四、两水平应力之间的比例,返回,第五节高地应力地区的主要岩石力学问题,一、研究高地应力问题的必要性研究高地应力本事就是岩石力学的基本任务。岩体的本构关系、破坏准则以及岩体中应力传播规律都要受到地应力大小的变化而变化。随着采矿深度的增加、我国中西部的开发，尤其是水电工程建设，在高地应力地区出现特殊的地压现象，给岩体工程稳定问题提出了新课题。,二、高地应力判别准则和高地应力现象,（一）高地应力判别准则（1）目前国际国内无统一的标准。（2）国内一般岩体工程以初始地应力在20-30MPa为高地应力(大于800米深)。（3）由于不同岩石，弹性模量不同，岩石的储能性能也不同。按工程岩体分级标准（GB50218-94）：称为极高初始地应力，为高地应力。其中：为岩石单轴饱和抗压强度；双为垂直洞轴线方向地最大初始地应力。,（二）高地应力现象,（1）岩芯饼化现象。（2）岩爆。（3）探硐和地下隧道洞地洞壁产生剥离，岩体锤击为嘶哑声并有较大变形（4）岩质基坑底部隆起、剥离以及回弹错动现象.如图（6-26）,图6-25二滩引水隧洞岩爆发生部位示意图,图6-26基坑边坡回弹错动,（5）野外原位测试测得的岩体物理力学指标比实验室岩块试验结果高。,图6-27高地应力条件下岩体变形曲线,三、研究高地应力应注意的问题,（一）关于岩体的浅塑状态可以通过莫尔强度包络线来判断岩石（体）发生何种破坏及形式。若应力圆位于莫尔包络线（图6-28曲线2）以内，岩体处于,图6-28用应力圆和莫尔包络线判断岩体是否破坏或进入塑性状态,弹性状态并不发生破坏；若二者相交或是相切，则岩体出现塑性状态或断裂状态。当，应力状态所构成的应力圆只是横坐标轴上的一点，在这种应力状态下，岩体单于永远呈稳定状态，不会破坏。应力重分布：一旦岩体被开挖，开挖面附近的岩体单元由于一部分受力的岩体被挖去而产生不平衡力，岩体中的应力要重新调整，称为应力重分布。,我们把初始应力状态下岩体单元处于稳定（弹性）状态而一旦开挖就会处于塑性（破坏）状态的岩体，称为岩体浅塑状态。（二）处理高地应力的岩石力学原则（1）及早发现，及早作出对应措施和准备工作。（2）及早降低应力，释放能量。具体做法是：在开挖面上及时打超前密集小孔；或从开挖面内向内钻孔和在一定深度内放炮，在一定范围内形成破碎带，降低洞周的应力。,（3）及早采取临时性和永久性防护措施，使岩爆与施工人员一定程度隔离开来。在设计支护结构时，宜设计柔性支护。（4）工程中设计一定的应力降低措施：切割应力释放槽，尽量避免引起应力集中的开挖形态，避免不必要的小型叉洞和形状突变的洞形。,返回,第六章习题,选择题1、初始地应力主要包括（）。（A）自重应力（B）构造应力（C）自重应力和构造应力（D）残余应力2、初始地应力是指（）。（A）未受开挖影响的原始地应力（B）未支护时的围岩应力（C）开挖后岩体中的应力（D）支护完成后围岩中的应力,3、构造应力的作用方向为（）。A、铅垂方向B、近水平方向C、断层的走向方向D、倾斜方向4、下列关于岩石初始应力的描述中，哪个是正确的？（）。（A）垂直应力一定大于水平应力（B）构造应力以水平应力为主（C）自重应力以压应力为主（D）自重应力和构造应力分布范围基本一致,5、如果不时行测量而想估计岩体的初始应力状态，则一般假设侧压力系数为下列哪一个值比较好？（）（A）0.5（B）1.0（C）16、测定岩体的初始应力时，最普遍采用的方法是（）（A）应力恢复（B）应力解除法（C）弹性波法（D）模拟试验,答案,1.某工点岩体主要是白云质灰岩，实验室测得岩块单轴抗压强度，纵波波速，现场测得纵波波速为。求现场岩体的单轴抗压强度。2.由某工程采集的岩样进行常规三轴抗压试验，结果如下表,已测得岩体强度折减系数，求岩体单轴抗压强度和围压为3.15Mpa时的抗压强度和抗剪强度。3.现场测得岩体纵波波速，岩体密度。室内测得岩块试件纵波。求这种岩体的静力弹性模量.4.某工程用孔径变形法测岩体地应力，3个直径方向的测点U1U2U3互成。其中U1和水平方向x的夹角为。已测得,按平面应力作，.求测点处与孔轴线垂直的平面内的应力、。,参考答案,1、C2、A3、B4、B5、B6、B,返回,第七章岩体力学在洞室工程中的应用,第一节岩体二次应力状态的基本概念围岩：由于人工开挖使岩体的应力状态发生了变化，应力状态被改变了的岩体叫围岩。二次应力状态：开挖后，无支护时，调整后的应力状态（原始应力，又称一次应力状态）。求二次应力状态时，要给出的基本条件：原始应力本构关系岩体性质参数,二次应力状态主要特征状态二次应力为弹性分布（岩体坚硬，原岩应力小，不要支护）。二次应力为弹塑分布围岩分两部：弹性区、塑性区结构面的处理方法大结构面单独处理；小密集结构面用包容方法处理。,地下工程稳定稳定定义：地下工程工作期限内，安全和所需最小断面得以保证，称为稳定。稳定条件：,地下工程岩体或支护体中危险点的应力和位移；岩体或支护材料的强度极限和位移极限。,地下工程稳定性可分为两类,自稳：不需要支护围岩自身能保持长期稳定,人工稳定：需要支护才能保持围岩稳定,稳定性问题的力学本质,自稳,不自稳,围岩内危险点的应力和位移,计算围岩压力,支护中危险点的应力或位移,大于支护极限,小于支护极限,人工稳定,改革支护,深埋地下工程,地下工程自身影响达不到地表的，称为深埋。反之浅埋,（2）当埋深等于或大于巷道半径R0或其宽、高之半的20倍以上时，巷道影响范围（35R0）以内的岩体自重可以忽略不计；原岩水平应力可以简化为均匀分布，通常误差不大（10以下）；,深埋地下工程的特点为：,（1）可视为无限体中的孔洞问题，孔洞各方向无穷远处，仍为原岩应力；,（3）深埋的水平巷道长度较大时，可作为平面应变问题处理。其它类型巷道，或作为空间问题，或作为全平面应变问题处理。,解析方法数值方法试验方法,地下工程稳定性分析途径,本章主要内容,弹性弹-塑性松散,围岩应力、支护上的压力,深埋地下工程力学模型,返回,第二节深埋圆形洞室二次应力状态的弹性分布,一、侧压力系数,（1）计算模型,（2）应力和位移,（79）,平面应力时,（710）,平面应变时,圆形洞室二次应力分布,（3）洞室的径向位移（平面应变时）,轴对称、切向位移：V=0径向位移：开挖前，岩体产生的位移（ra=0）由上式得：,（712）,由于开挖引起的位移,（4）洞周的应变,开挖前，岩体已完成应变,开挖引起的应变：,可见，说明时，岩体的体积不发生变化的特点。,ra=0代入（7-10）式得：,（5）洞壁的稳定性评,弹塑破碎,弹塑破,稳定条件,围岩可能出现的情况,塑,破碎,洞室周边，处于单向应力状态，最容易破坏。周边最大切应力：,二、时，二次应力状态,(1)计算模型,I轴对称,II反对称,（2）应力位移分析,I,II,加,二次应力埸,等于,(7-15),(7-16),有工程应用价值的位移是由于开挖引起的位移，可用类似方法求出：,（3）洞室周边应力,洞室周边，处于单向应力状态，最容易破坏。代入(7-15)得洞室周边应力：,可见洞室周边只有切向应力：,式中：K-围岩内的总应力集中系数Kz、Kx-分别为垂直和水平应力集中系数,洞室周边应力集中系数与侧压力系数有关见图(7-5),（3）洞室周边位移,将r=ra代入式(7-16)，得由于开挖引起的洞室周边位移：,影响洞壁位移的因素很多，有岩体性质、初始应力、开挖半径、位移与径向夹角等。径向位移比切向位移稍大些，因此，径向位移，对围岩稳定性起主导作用。,径向位移便于测量与控制!,三、深埋椭圆洞室的二次应力状态,图7-6椭圆洞室单向受力计算简图,(1)计算模型,(2)洞壁应力计算公式,可能出现拉应力的（0，b）（0，-b），顶底板中点，即,(3)洞壁应力分布特点,最大压应力点（a，0）（-a，0）两帮中点，,即,若ab，最大压应力点为：,选择3个关键点（）代入（7-20）式得，3个关键点，在不同侧压力系数下的应力。,见表7-1,(3)最佳轴比（谐洞）最有利于巷道围岩稳定的巷道断面尺寸，可用它的高跨比表征（轴比），称为最佳轴比或诣洞。最佳轴比应满足如下三个条件：,-最大拉应力点为：,巷道周边应力对称均匀分布；巷道周边不出现拉应力；应力值是各种截面中的最小值。当时，满足此条件故为数佳轴比。此时（与无关）当时，K=1，圆形最优。,四、深埋矩形洞室的二次应力状态,用复变函数方法求解。孔边应力分布：Kx，Kz-分别为水平、垂直方向的应力集中系数表7-2。时，由表可见多点出现拉应力。,返回,当时，矩形洞室周边均为压应力,当时，洞室周边