岩体力学复习资料版

1、立身以立学为先，立学以读书为本图24石岩石的與型应 力.应变全过程曲嶷1. 岩石：是组成地壳的基本物质，它是由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律凝聚而成的自然地质体。一般认为它是均质的和连续的。岩体：是地质历史过程中形成的，由岩块和结构面网络 组成的具有一定结构并赋存于一定的天然应力状态和 地下水等地质环境中的地质体。（区别是岩体包含若干 不连续面。）结构面：岩体内具有一定方向、延展较大、厚度较小的 面状地质界面，包括物质的分界面和不连续面，它是在 地质发展历史中，尤其是在地质构造变形过程中形成 的。结构体：被结构面分割而形成的岩块，四周均被结构面 所包围，这种由不同产状的结构面组合切割而形成的

2、单 元体成为结构体。2. 岩体结构分为六类：块状结构、镶嵌、层状、碎裂、层状碎裂、松散结构3. 风化作用：岩石长期暴露在地表之后， 经受太阳辐射 热、大气、水及生物等作用，使岩石结构逐渐破碎、疏 松，或矿物成分发生次生变化，称为风化。衡量岩石（块）风化程度的指标：（1）定性指标：颜色、 矿物蚀变程度、破碎程度及开挖锤击技术特征等。 （2） 定量指标：风化空隙率指标Iw、波速比指标kv和风化 系数kf 8等。岩石风化分级：未微中等强全4. 相对密度G:岩石的干重量W（KN除以岩石的实体3积Vs （m）（不包括岩石中孔隙体积）所得的量与 1个 大气压下4C时纯水的重度（y w）的比值。G=W /

3、（V s Y ”）。相对相对密度是一个无量纲量，其值可用比重瓶 法测定，试验时先将岩石研磨成粉末并烘干；然后用量 杯量取相同体积的纯水和岩石粉末并分别称重，其比值即为岩石的相对密度。岩石的相对密度取决于组成岩石 的矿物相对密度，岩石中重矿物含量越多其相对密度越 大，大部分岩石的相对密度介于 2.502.80之间。5. 孔隙率n：岩石试样中孔隙体积 Vv与岩样总体积V之比。孔隙比e：指孔隙的体积VV与固体的体积Vs的比值。6. 含水率w天然状态下岩石中水的重量 W与岩石烘干重量 W的百分比。w=WW/ W s x 100%吸水率W:指干燥岩石试样在一个大气压和室温条件下吸入水的重量W与岩样干重量

4、W的百分率。w=WW/ W=（W/WS） / Ws x 100%7. 渗透性：指在水压力作用下，岩石的孔隙和裂隙透过水的能力。渗透系数的量纲与速度的量纲相同。（渗透 系数的大小取决于岩石的物理特性和结构特性流体的物理化学特性）8. 膨胀性：指岩石浸水后体积增大的性质。岩石膨胀性 一般用膨胀力和膨胀率两项指标表示。膨胀力Pe：指原状岩（土）样在体积不变时，由浸水膨胀而 产生的最大内应力。（常用平衡加压法测定）。膨胀率8 ep （%）:在一定压力下，试样浸水膨胀后的高度增量与原高度之比，用百分数表示。9. 崩解性：是指岩石与水作用时失去黏结性并变成完全丧失强度的松散物质的性能。这种现象是由于水化作

5、用削弱了岩石内部的结构联结而造成的。10. 软化性：指岩石与水相互作用时强度降低的特性。 影响因素：矿物成分（亲水性可溶性）、粒间联结方式（结晶联结胶结联结）、孔隙率、微裂隙发育程度等。岩石的软化性一般用软化系数表示，软化系数是岩样饱 水状态下的抗压强度 RCw与干燥状态的抗压强度 RC的比 值。n°=Rw/Rc，软化系数总是小于1的。11. 岩石的抗冻性：指岩石抵抗冻融破坏的性能。抗冻系数Cf:指岩样在土 25C的温度区间内，经多次“降温、冻结、升温、融解”循环后，岩样抗压强度下降量与冻融前的抗压强度的比值，用百分率表示。岩石在反复冻融后其强度降低的主要原因：一是构成岩石的各种矿物

6、的膨胀系数不同，当温度变化时由于矿物 的胀缩不均而导致岩石结构的破坏；二是当温度降低到0° C以下时，岩石孔隙中的水将结冰，其体积增大约9%会产生很大的膨胀压力，使岩石的结构发生改变， 直至破坏。12. 岩石强度：指岩石在荷载作用下破坏时所承受的最大荷载应力。有抗压强度（单轴、三轴）、抗剪强度、 抗拉强度。影响因素：岩石特性（矿物组成、结构特征、风化程度各向异性）环境条件（水、温度） 试验条件（围岩大小、端部效应、试件形状和尺寸、加载 速率）13. 端部效应：加压板与试件端部存在摩擦力，约束试 件端部的侧向变形，导致端部应力状态不是非限制性的 而出现复杂应力状态。减小“端部效应”：将

7、试件端部磨平，并抹上润滑剂， 或加橡胶垫层等。使试件长度达到规定要求， 以保证在 试件中部出现均匀应力状态。14. 高径比h/D = 22.5为宜。15. 加载速率影响：加载速率增加，强度和弹性模量增加，峰值应力越明显。16. 围压影响：岩石抗压强度随围压增加而提高。通常岩石类脆性材料随围压的增加而具有延性。17. 确定岩石抗剪强度的方法：直接剪切试验楔形剪切试验三轴压缩试验18. 库仑准则：若用。和t代表受力单元体某一平面上的正应力和剪应力，则当T达到如下大小时，该单元就 会沿此平面发生剪切破坏，即式中：c黏聚力；f 内摩擦系数。引入内摩擦角，并定义f=tan ©，这个准则在T b

8、平面上是一条直线。若将T和b 用主应力b 1和b 3表示（这里b 1> b 3），则：式中：0剪切面法线方向与最大主应力b 1的夹角。（库仑准则不适合b 3<0和高围压的情况。）19. 岩石典型应力-应变曲线：OA段：曲线稍微向上 弯曲，属于压 密阶段，这期 间岩石中初始 的微裂隙受压 闭合；AB段: 接近于直线， 近似于线弹性 工作阶段；BC段：曲线向下弯曲，属于非弹性阶段，主要是在 平行于荷载方向开始逐渐生成新的微裂隙以及裂隙的 不稳定，B点是岩石从弹性转变为非弹性的转折点；CD段：为破坏阶段，C点的纵坐标就是单轴抗压强度RC20. 弹性变形：能恢复的变形。 塑性变形：不可恢

9、复的变形。 变形模量：在应力-应变曲线上的任何点 与坐标原点相连的割线的斜率。残余强度：破坏后的 岩石仍可能具有一定的强度，从而也具有一定的承载能 力。21. a.流变性：岩石在力的作用下发生与时间相关的变 形的性质。b.蠕变：指在应力为恒定的情况下岩石变形 随时间发展的现 象；c.松弛指在应 变保持恒定的情 况下岩石的应力 随时间而减少的 现象。d.弹性后效 指在卸载过程中 弹性应变滞后于 应力的现象。22. 蠕变：第I阶段：称为初始蠕变段。在此阶段的应 变一时间曲线向下弯曲；应变与时间大致呈对数关系，即& Eog仁第n阶段：称为等速蠕变段或稳定蠕变段。在此阶段内变形缓慢，应变与时间

10、近于线性关系。第皿阶段：称为加速蠕变段。此阶段内呈加速蠕变，将导致 岩石的迅速破坏。23. 蠕变模型：a.弹性单元、b.塑性单元、c.粘性单元24. 马克斯威尔模型用弹性单元和粘性单元串联而成。本构方程喘d49或計=福（2-50）25. 岩石的强度是随外荷载作用时间的延长而降低的， 通常把作用时间t 的强度S称为岩石的长期强度。26. 软弱夹层：指在坚硬岩层中夹有力学强度低、泥质 或炭质含量高、遇水易软化、延伸较长和厚度较薄的软 弱岩层。27. 结构面的几何形态：平直型、波浪型、锯齿型、台 阶型 研究结构面的形态，主要是研究其凹凸度与强度的关系。20. 结构面的延展性：是指结构面在某一方向上的

11、连续 性或结构面连续段长短的程度。按结构面的延展特性， 可分为三种型式：非贯通性的、半贯通性的及贯通性的 结构面。21. 切割度：假设有一平直的断面，它与考虑的结构面 重叠而且完全地横贯所考虑的岩体，令其面积为A，则 结构面的面积a与它之间的比 率，即为切割度Xeo结构面的线密 度K （裂隙度） 指同一组结构 面沿着法线方向单位长度上结构面的数目结构面间距：结构面间距是指同一组结构面在法线方向上，该组结构面的平均间距。结构面的张开度：是指结构面裂口开口处张开的程度。22. 剪胀：在剪应力作用下，模型上半部沿凸台斜面滑 动，除有切向运动外，还产生向上的移动。这种剪切过 程中产生的法向移动分量称之

12、“剪胀”。23. 工程岩体：指岩石工程影响范围内的岩体。工程岩体分类：是通过岩体的一些简单和容易实测的指 标，把地质条件和岩体力学性质参数联系起来，并借鉴已建工程设计、施工和处理等成功与失败方面的经验教 训，对岩体进行归类的一种工作方法。 其目的是通过分 类，概括地反映各类岩体的质量好坏，预测可能出现的 岩体力学问题，为工程设计、支护衬砌、建筑选型和施 工方法选择等提供参数和依据。24. 岩石质量指标（RQD分类法：岩石质量指标 RQD是 指钻探时岩芯的复原率，或称岩芯采取率。RQD定义为： 单位长度的钻孔中10cm以上的岩芯占有的比例。即：RQDLp（ 10cm的岩芯断块累计长度）/ Lt（

13、岩芯进尺总长度）X 100%根据RQD®的大小将岩体质量划分为 5类。25很差25-50 差 50-75 一般 75-90 好90 很好评述：RQD法是一种单因素分类法。RQD法的不足： RQD忽略了节理方位、节理连续性的影响。 RQD不能 反映节理间的软弱充填物的情况。25. 岩体质量指标RMR分类法：由南非人宾尼亚斯基提出。五项参数：岩块强度、RQD1、节理间距、节理条 件、地下水。得到的总分RMR勺初值，根据节理裂隙的 产状变化对RMR的初值加以修正，修正的目的是在于进 一步强调节理裂隙对岩体的稳定产生的不利影响，最后用修正的总分既可以求得所研究岩体类别及相应的无 支护地下工程

14、的自稳时间和岩体强度指标值。26. 节理面稳定判别（图解法）节理面的抗剪强度一般总是低于岩石的抗剪强度，如图3-17所示（直线2低于直线 1）O但这并不 意味着破坏 总是沿节理判斷节理血稳定情况的图羽牌禅面发生，有以下几种情况：应力圆与直线2相切或相割，但低于直线1:若应力 点在直线2之下，则节理岩体稳定；若应力点在直线 2 之上，则节理面不稳定。应力圆与直线1相切或相割：节理应力点在直线2之 下，则节理面稳定，节理岩体不稳定，破裂面与节理面 不重合；节理应力点在直线 2之上，则节理面不稳定。 直线2以上的应力圆弧不能作为判别岩块是否稳定的依据，因为此时岩体已沿节理面发生破坏。变形模量Emn为

15、：27.破坏水压力：若结构面在无水状态下是稳定的，若=6* 假设岩块本身是各向同性的，n方向加荷时-，由）t方向给结构面充水，当水压力达到 Pw时，结构面开始破坏，则Pw称为破坏水压力。28. Hoek-Brown 经验方程：G mR；3 sRc2（3-41）令"=0,得岩体单轴抗压强度 Rmc：= Rmc VsRc（3-42）对于完整岩石，s=1，则Rmc=R，即为岩块抗压强度。对于裂隙岩石，SV 1o抗拉强度：将b 1=0代入方程（3-41 ）中，并对b 3求解所得的二次方程，可解得岩体的单轴抗拉强度为RmlRc m m24s（3-43）剪切强度：式（3-43 ）的剪应力表达式为

16、巴 T、i=ARc.|T（3-44）1_尺-式中：T 岩体的剪切强度；b岩体法向应力；A，B常数，查表 3-21求得；T=1 m j：；m2 * 4s，查表 321 求得。29. 层状岩体变形参数估算：层状岩体可概化地质力学 模型。假设各岩层厚度相等为 S，且性质相同，层面的 张开度可忽略不计。根据室内试验成果，设岩块的弹性 模量为E,泊松比为g，剪切模量为G,层面的法向刚 度为Kn,切向刚度为Kso取n-t坐标系，n垂直层面， t平行层面。在以上假定条件下取一由岩块和层面组成 的单元体（图3-32b ）来考察岩体的变形。讨论以下几种受载情况下的岩体变形参数估算：A.法向应力t n作用下的岩体

17、参数：沿 n方向加荷时，在b n 作用下，岩块产生的法向变形 Vr和层面产生的法向 变形 Vj分别为：则岩体的总变形 Vn为： 简化后得层状岩体垂直层面方向的的应变可求出岩体的泊松比 g nt为：沿t方向时，岩体的变形主要是岩块引起的，因此岩体的变形模量 Emr和泊松比g tn为：Emr =E ， g tn = gB.剪应力作用下的岩体变形参数：对岩体施加剪应力T时，则岩体剪切变形由沿层面滑动变形 u和岩块的 剪切变形Aur组成，分别为：岩体的剪切变形 uj为：简化后得岩体的剪切模量Gmr为： 可求出表征层状岩体变形性质的 5个参数。法向应力垂 直于层面时的变形模量 Emn和泊松比g nt ；

18、法向应力平 行于层面时的变形模量 Emr泊松比g tn ；剪应力作用下 的剪切模量Gmo30. 纵波速度Vp和横波速度Vs（km/s）可表示为:Vs(3-62)(3 - 61)式中：Ed动弹性模量；g d动泊松比；p 介 质密度。岩石质量密度 y （kg/m3） = p g31. 结构面对弹性波的传播：起隔波或导波作用，致使沿结构面传播速度大于垂直结构面传播的速度，造成波速及波动特性的各向异性。32. 结构效应：结构面的影响包括结构面方位、密度、 充填特征及其组合关系等方面的影响。结构面方位的影 响主要表现在岩体变形随结构面及应力作用方向间夹角的不同而不同，即导致岩体变形的各向异性。另外， 岩

19、体的变形模量也具有明显的各向异性。结构面密度的影响主要表现在随结构面密度增大，岩体完整性变差， 变形增大，变形模量减小。结构面的张开度及充填特征对岩体的变形也有明显的 影响。一般来说，张开度较大且无充填或充填较薄时， 岩体变形较大，变形模量较小；反之，则岩体变形较小， 变形模量较大。33. 地应力：是存在于地层中的未受工程扰动的天然应 力。当工程开挖后，应力受到开挖扰动的影响而重新分 布，重分布后形成的应力则称为二次应力或诱导应力。34.海姆假定地应力是一种静水应力状态，即地壳中任 意一点的应力在各个方向上均相等，且等于单位面积上 覆岩层的重量，即b h=b v= y H,式中：r h、r v

20、-分别 为水平和垂直应力；y -上覆岩层重力密度；H-深度。 金尼克假说他认为地壳中各点的垂直应力等于上覆岩 层的重量tv=y H，而侧向应力（水平应力）是泊松效L1应的结果，即：；-_式中：g -1 卩上覆岩层的泊松比。上式中彊=二1称为侧压力系数。35.地应力场的组成：1大陆板块边界受压引起的应力 场2地幔热对流引起的应力场 3由地心引力引起的应力 场4岩浆侵入引起的应力场5地温梯度引起的应力场6 地表剥蚀产生的应力场。自重应力场和构造应力场叠加起来构成岩体中初始的应力场的主体。36. 高地应力判别准则：高地应力是一个相对的概念。 不同的岩石具有不同的弹模，因而其储能性能也不同。一般来说，

21、地区初始地应力大小与该地区岩体的变形特 性有关，岩质坚硬，则储存弹性能多，地应力也大。因 此，高地应力是相对围岩强度而言的。即应以围岩内部 的最大地应力与围岩强度（Rb的比值（围岩强度比=Rb / T maX来判别是否是咼地应力。37. 直接测量法是由测量仪器直接测量和记录各种应力 的量，如补偿应力、恢复应力、平衡应力，并由这些应 力量和原岩应力的相互关系，通过计算获得原岩应力值。在计算过程中并不涉及不同物理量的换算，不需要知道岩石的物理力学性质和应力应变关系。间接测量法是借助某些传感元件或某些介质，测量和记 录岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化。然后由测得的间接物理量的变化，通过已知的公

22、式计算岩体中 的应力值。为了计算应力值，首先必须确定岩体的某些 物理力学性质以及所测物理量和应力的相互关系。前者水压致裂法，后者套孔应力解除法。38. 水压致裂法：是一种将钻孔的某一段的两端封堵起来，然后对封堵段注入高压水，使钻孔孔壁破裂从而测 定地应力的方法。从弹性力学理论可知，当一个位于无 限体中的钻孔受到无穷远处二维应力场（r1，t2）的作用时，离开钻孔端部一定距离的部位处于平面应变状态。在这些部位，钻孔周边的应力为t 9 = b1+ b 2-2（b 1- b 2） cos2 9 ， b r=0 式中 b 9、b r钻孔周边的切向应力和径向应力； 9 周边一点与b 1轴 的夹角。当9 =0°时，b 9取得极小值，此时b 9 =3 b 2- b 1。如果采用水压致裂系统将钻孔某段封隔起来，并向该段 钻孔注入高压水。当水压超过 3b 2- b1和岩石抗拉强 度Rt之和后，在9 =0°处，也即b 1所在方位将发生 孔壁开裂。设钻孔壁发生初始开裂时的水压为 Pi,则有Pi = 3 b 2- b 1+ Rt。如果继续向封隔段注入高压水使 裂隙进一步扩展，当裂隙深度达到3倍钻孔直径时，此处已接近原岩应力状态， 停止加压，保持压力恒定， 将该恒定压力记为Ps,则Ps应和原岩应力b2相平衡，