巖石力學課程(2012版本).ppt

課程名稱：巖石力學,授課教師：何江達 四川大學水利水電學院,第一章 緒論,一.巖石力學研究的對象及特點 1、對象：巖石對象巖石材料地殼中堅硬的部分； 方法：力學的觀點、理論、方法 綜合：巖石力學用力學的理論，觀點和方法去研 究巖石材料的力學行為及其工程應用的學科。 2、特點 1）研究的廣泛性 a、既古老，又年輕古老：舊石器時期，利用石器生活；年輕：從20世紀40年代開始（美國，法國，意大利、中國修建了大量的工程）,喜馬拉雅山形成、演變（古埃及金字塔、我國的萬里長城、都江堰工程、魚嘴、飛沙堰、寶瓶口）。 海洋底部的板塊形成運動 b、跨行業(yè)： 水電三峽、二灘、溪洛渡、錦屏、龍灘 鐵道長隧道、大型橋梁、邊坡 公路隧道、路堤等 冶金礦山開采 建筑大跨度地下商業(yè)中心，建筑物基 礎(chǔ)，城市地鐵。,三峽水利樞紐工程,金沙江溪洛渡水電站,錦屏一級水電站,錦屏一級水電站地下廠房1,錦屏一級水電站地下廠房2,錦屏二級水電站超長引水隧洞,錦屏二級水電站,錦屏水電站世界級高邊坡工程,龍灘水電站,返回,2）研究對象的復雜性 a、組成 巖石地質(zhì)體（單獨的力學性質(zhì)+偶合效應）；巖塊、結(jié)構(gòu)面組合形成；塊狀結(jié)構(gòu)、破碎結(jié)構(gòu)、離散結(jié)構(gòu) b、背景 地質(zhì)力學環(huán)境的復雜性（地應力、地下水、物理、化學作用等） 3）工程應用性（實踐性）非常強 4）社會經(jīng)濟效益顯著（如：二灘壩基節(jié)約7000多萬）,二、巖石力學的基本內(nèi)容 基本理論 巖體地應力 材料實驗 三大部分 巖體的強度 工程應用 巖體的變形 裂隙水力學 工程應用：水電中的三大應用：邊坡工程（天然、工程開挖）、地下洞室、壩基穩(wěn)定。 三、研究方法 物理模擬巖石物理力學性質(zhì)常規(guī)實驗，地質(zhì)力學模型試驗 數(shù)學模型如有限元等數(shù)值模擬 理論分析用新的力學分支，理論研究巖石力學問題,第二章 巖石的物理性狀（性質(zhì)）,2.1 巖體的結(jié)構(gòu)特性 巖石根據(jù)成因，可分為： 巖漿巖（火成巖）巖漿噴發(fā)、堅硬、均一； 沉積巖海洋沉積形成特點：層狀，同一時期 性質(zhì)相近； 變質(zhì)巖在已有巖石的基礎(chǔ)上，經(jīng)過變質(zhì)混合作用后 形成的； 淤積地質(zhì)體（巖體）：結(jié)構(gòu)面、結(jié)構(gòu)體 相對組合關(guān)系劃分巖體的結(jié)構(gòu) 如：結(jié)構(gòu)面少，連續(xù)性差，閉合原型塊狀 結(jié)構(gòu)面較發(fā)育 塊狀結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)面極發(fā)育 破裂（散體）結(jié)構(gòu),2.2巖石的不連續(xù)性、不均勻性及各向異性 由于巖石中存在各種規(guī)模的結(jié)構(gòu)面（斷裂帶、斷層、節(jié)理、裂隙）致使巖石的物理力學性質(zhì)不連續(xù)、不均勻、各向異性因此，有必要引入刻劃不均一程度的參數(shù)。 一。巖石的裂隙性 通常采用裂隙率作為定量評價（描述）裂隙切割的程度； 1.單向裂隙：,a)沿一組裂隙面法向統(tǒng)計： n1=nd單位長度上裂隙條數(shù)（條m） 顯然：n1巖體切割越破碎 b）沿裂隙面方向（連通率） n2=aa+b (a裂隙面長度，b巖橋長度),2.平面裂隙率 概念 指巖石單位面積上各類裂隙面積所占比重。 (li、ti第i條裂隙長度、寬度) 無裂隙 全部被裂隙充滿 二、各向異性 指巖石的強度、變形指標（力學性質(zhì)）隨空間方位不同而異的特性。 1.正交各向異性（三個材料主軸、定義材料參數(shù)） 三個材料主軸方向力學性質(zhì)不同 2.橫觀各向同性層狀 層面內(nèi) 力學性質(zhì)相同（多向同性面） 層 間 力學性質(zhì)差異 五個參數(shù):E、u、 E 、u 、G,2.3巖石的物理性質(zhì)指標 在前面說到，巖石力學問題的研究首先應從巖石的基本物理力學性質(zhì)研究入手，本節(jié)介紹巖石（塊）的基本物理性質(zhì)的主要指標及測試方法。 1.巖石的容重（r） 指單位體積巖石的重量。 由于巖樣中含有水分，根據(jù)“w”的不同含義，可分為 干容重：（烘干狀態(tài)） （v :標準件直接量A、H 非標準件用阿基米德原理） 天然容重 天然狀態(tài)（大氣壓力室溫條件下含水量） 飽和容重 煮沸或抽真空充分飽和稱重wd,2.比重（Gs） 指巖石干重量除以巖石的實體積（不含孔隙體積）的干容重與4c水的容重的比值。 3孔隙率（n%） 指巖石內(nèi)孔隙體積與總體積之比。 4.天然含水量 指天然狀態(tài)下，巖石的含水量與巖石干重比值的百分比。,5.吸水率：指巖石在常溫條件下浸水48小時后，巖石內(nèi)的含水量與巖石干容重的比值。 6.飽和含水率：指巖樣在強制狀態(tài)（真空、煮沸或高壓）下，巖樣最大吸水量與巖石干重量比值。 7.飽水分數(shù)：指巖石吸水率與飽水率的比值百分率。 試驗證明：當kw91%，可避免冰凍破壞,8.抗凍系數(shù)： 巖石經(jīng)過反復凍結(jié)與融解，會使強度降低，甚至可能引起破壞。 （原因：巖樣中各種礦物成分膨脹系數(shù)不同變形壓力、結(jié)冰時形成的膨脹壓力） 抗凍指標用經(jīng)過反復降溫、凍結(jié)、融解、升溫測定抗壓強度的下降值,9.軟化系數(shù)：指巖石飽和狀態(tài)的抗壓強度與干燥狀態(tài)抗壓強度之比值。 10.滲透系數(shù)K和呂容系數(shù)Lu 受承壓水作用的巖體，在裂隙節(jié)理等結(jié)構(gòu)面內(nèi)將產(chǎn)生滲流，其滲透性大小，工程上一般以滲透系數(shù)K表征（ms或cms）防滲帷幕布置深度的依據(jù)。 呂容系數(shù)：1Lu=110cms,滲透系數(shù)室內(nèi)測定方法,2.4 巖體的工程分類,一 .巖體質(zhì)量指標RQD(Rock Quality Designation)分類 RQD根據(jù)修正的巖心采取率計算，涉及概念：,顯然：RQD值的大小，反映了巖體完整程度巖體分類 如： RQD(%) 巖石質(zhì)量描述 等級 90100 極好 I 7590 好 II 025 極劣 注意：具體質(zhì)量不僅涉及RQD，還涉及譬如節(jié)理數(shù)組、粗糙程度、地下水發(fā)育程度等。,二、根據(jù)RMR分類方法 計入因素：1、節(jié)理間距 2、R Q D值 3、節(jié)理狀態(tài)（粗糙程度、連通情況等） 4、地下水狀態(tài) 5、等軸抗壓強度 逐次計分累計，進行分類 （27頁表2、102 、12 ） 三、其他分類方法 各國學者提出的分類方法不下數(shù)十種，如水工隧洞設(shè)計規(guī)范鐵路隧道設(shè)計規(guī)范等，均有系統(tǒng)的分類體系。 重要的大型水電工程（如二灘、官地、錦屏、溪洛渡等），也有獨立的分類體系（巖體結(jié)構(gòu)特征，風化卸荷，地下水等 ）,第三章.巖石的強度 3.1概述 一.重要性（工程安全、經(jīng)濟效益） 巖體邊坡穩(wěn)定性評價 ，加固處理（錨固、澆注、抗滑樁設(shè)計） 地下洞室 開挖和運行過程中的圍巖穩(wěn)定 壩基穩(wěn)定（拱壩壩肩、重力壩壩基） 二.復雜性 巖石的強度包括巖塊的強度和結(jié)構(gòu)面的強度，以及耦合效益地質(zhì)環(huán)境因素影響（地應力、地下水等）,3.2巖石的破壞形式 大量實踐和試驗觀察證明，巖石的破壞形式概括起來： 1、脆性破壞 ： 巖石發(fā)生破壞時，變形很小，明顯聲響，一般發(fā)生在單軸或低圍壓堅硬巖石。 2、塑性破壞 ： 破壞時，變形較大，有明顯的“剪脹”效應，一般發(fā)生在較軟弱巖石或高圍壓堅硬巖石 3、沿軟弱結(jié)構(gòu)面（原生）剪切破壞,3.3 巖石的單軸抗壓強度 一。單軸壓縮實驗裝置 1.普通巖石三軸壓力機 長江500型 最大軸壓500T，圍壓1250K/cm,2.剛性壓力機,上壓板,巖樣,承壓平臺,二.單軸抗壓強度,破裂角 影響因素：礦物質(zhì)成分、顆粒大小、結(jié)晶程度、風化卸荷程度、含水率、加荷速度、層面方向，賦存環(huán)境（埋深、孔隙率等）。,3.4巖石的抗拉強度 一.實驗方法,3.5巖石的抗剪強度 一.基本概念 1.抗剪斷強度：完整巖塊、巖石被剪斷時，表現(xiàn)出的“抵抗剪切破壞”的強度。 2.抗剪強度 ： 巖石沿原生結(jié)構(gòu)面或已被剪斷的破裂面，剪切滑動時的“摩擦阻力” 3.工程上三種實驗 1）巖石實體抗剪斷 2）巖體中軟弱結(jié)構(gòu)面抗剪 3）砼與基巖膠結(jié)面抗剪強度（砼壩建基面）,三.室內(nèi)試驗方法,一）直剪試驗,二）楔形剪切（交角剪）試驗,三）三軸壓縮試驗,三.現(xiàn)場強度試驗,3.6巖石的強度理論(破壞準則) 一、Coulomb準則 1.基本觀點：認為巖石屬于剪切破壞，剪切面上抗剪強度,二.格里菲斯（Griffith）強度理論 莫爾庫侖準則將巖石視為連續(xù)均勻介質(zhì)宏觀強度理論 相反，Griffith基本觀點：巖石中存在許多空隙、裂縫等在外部應力作用下 縫端產(chǎn)生應力集中縫端擴展（破裂）串通形成宏觀破壞,一）推導思路,圖示,二.主要推導過程,6.Griffith強度準則圖示,三.修正格氏強度理論 當裂紋受壓閉合，可傳遞正應力、剪應力 假定e為裂紋閉合應力,3.7巖石中水對強度的影響 在前面已經(jīng)談及，水工建設(shè)中巖體不可避免會遇到水，例如 水的影響：改變巖石的物理力學性質(zhì)（膠結(jié)構(gòu)被破壞，化學溶蝕等） 滲透壓力 “空隙壓力” 降低有效應力 強度降低,一.對強度的影響,二、對破壞形態(tài)影響：,三、工程問題：,3.8 巖體強度分析 巖體的強度分析包括結(jié)構(gòu)體強度分析和結(jié)構(gòu)面強度分析。 一.結(jié)構(gòu)體（均質(zhì)巖體）條件 按莫爾庫侖條件：,二、結(jié)構(gòu)面的強度分析,3.9結(jié)構(gòu)面方位對強度的影響,分析,3.10 結(jié)構(gòu)面粗糙度對強度的影響 一.概念 巖體中結(jié)構(gòu)面凹凸不平：其起伏程度，工程上一般用粗糙度稱之。,二.分析方法 由于實際工程中，巖體結(jié)構(gòu)面中i不易測定，且一條結(jié)構(gòu)面上i多變 困難，工程上一般采用巴頓（Barton）公式計算，形式：,式中：,三.水對強度的影響,第四章 巖石的變形 4.1概述 巖石變形的概念 巖石變形指多種地質(zhì)力學環(huán)境因素（如河谷下切、地應力釋放、工程開挖等）和工程荷載（如水庫蓄水、隧洞充水的水荷載）共同作用巖石形狀與大小發(fā)生變化。 二、研究變形穩(wěn)定 巖體作為建筑物的基礎(chǔ)，其變形與上部結(jié)構(gòu)的變形相互協(xié)調(diào) 影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力 因此，巖體的變形量常作為工程設(shè)計的控制標準之一。,如： 1.拱壩 空間殼體將上游水載傳遞給壩肩巖體，而壩肩巖體的變形一方面要影響壩體的變形、應力，另一方面庫水放空 壩體回彈（大），巖體回彈（小）（差異） 拱端接觸面“脫開” 開裂，如錦屏一級拱壩。,2.重力壩：右江 h=130m 蓄水 壩基不均勻變形影響 庫空 是否向上游傾斜研究巖體變形的重要性,三、巖石變形的特點 1、彈性變形：荷載卸去后，變形可恢復。包括線性和非線性（彈性后效，粘彈性） 2、塑性變形：荷載卸去后，變形不能全部恢復，殘留一部分永久變形。 3、蠕變：荷載一定，變形隨t增加而增加。 四、線彈性變形的本構(gòu)關(guān)系,4.2 巖石室內(nèi)試驗 一.單軸壓縮試驗,二、三軸壓縮試驗,圖示,4.3巖石的變形性質(zhì),一.巖石全過程曲線,可分為四個階段：,二、反復加載與卸載條件下的變形特性,3、反復加載（多次加載卸載加載）,三、巖石在三軸荷載條件下的變形特性,四、巖體各向異性,各個方向反映變形的參數(shù)（E, ）不同,工程中，常見的宏觀各向同性 需要5個獨立參數(shù)描述：,XOY面內(nèi)：E,1,XOY面內(nèi)：E ,2,剪切模量,“七五”攻關(guān)：石膏材料,一、意義 1.現(xiàn)場試驗亦稱原位試驗 意義：反映天然巖體的性質(zhì)地質(zhì)力學環(huán)境代表性好 二、主要現(xiàn)場變形試驗方法 一）承壓板法,4.5 現(xiàn)場變形試驗,程序：在平硐或壩基（反力結(jié)構(gòu)）選點 清除破碎巖石平整安裝千斤頂 加載 量測變形 整理ps曲線 加載 卸載 加載 分級 利用彈性理論 式中：p作用在巖體上的壓力（MPa） S巖面的平均變形 D承壓板直徑或方形邊長 與承壓板的剛度和形狀有關(guān)的系數(shù)。剛性圓形板取0.79，方形板取0.88，柔性圓板按中心計算取1.0,二）狹縫試驗法,程序： 在選定的具有代表性的試驗點開一條狹縫 通過埋設(shè)在狹縫的鋼枕（旁千頂）對狹縫兩側(cè)加壓 測量變形 按代有狹縫的理想彈性板平面應力問題計算巖體的變形 具體： 量測A點絕對變形 按絕對變形： (4-18),量測A1、A2點相對變形 按A1、A2點相對變形 （419） 式中 為A1、A2點相對位移 特點：開槽對巖體擾動小，加壓方向隨意，但計算方法不嚴謹（槽面釋放應力，不屬于平面問題 ）,三）環(huán)形加載 在隧洞內(nèi) 選?。?3）D洞段 沿徑向加載(封閉端頭 (水壓) 用千斤頂) 量測洞徑變化 由彈性厚壁圓筒公式 四）巖石反力（抗力）系數(shù)的測定 是地下洞室（隧洞設(shè)計）中非常重要的參數(shù) 1、反力（彈性抗力）的概念 指巖石受到擠壓時，對襯砌或上部建 筑產(chǎn)生的反作用力 抗力 （注意：只存在于壓力區(qū)） 若抗力與變形成正比 稱之為彈性抗力 即： 其中p抗力；k抗力系數(shù)； y變形 對圓形隧洞： r半徑,2、隧洞單位彈性抗力系數(shù) 指D=1.0m直徑產(chǎn)生單位位移 所需的壓力 單位彈抗系數(shù) 當：隧洞有襯砌： 其中：b襯砌；y徑向變形； 砼彈模； 水壓； r隧洞半徑 計入隧洞破損區(qū)： 圍巖抗拉強度,4.6巖石彈性常數(shù)的動力測試方法 一、基本原理： 通過激振（地震波、聲波等）巖石的方式 測定彈性介質(zhì)（巖體中）的波速 換算巖體E和 ，分為室內(nèi)和現(xiàn)場兩種，常用地震波法。 二、地震法的測試方法： 在洞壁上打兩個試驗鉆孔 激振（引爆炸藥） 由地震儀記錄地震波,根據(jù)彈性介質(zhì)中縱波（壓縮波）、橫波（剪切波）速計算公式： （縱波） （橫波） 聯(lián)立求解 三、特點 1、 綜合反映巖體質(zhì)量（完整程度，巖塊E，(E , )） 2、 （1.02.56） ，一般， 1.3 錦屏一級,4.7破碎巖石的變形性質(zhì) 一.定義 所謂破碎巖石-巖石內(nèi)節(jié)理、裂隙非常發(fā)育-強風化、強卸荷巖體。 二.特點： 1.相對完整巖塊變形量非常大，且永久變形顯著 2.加卸載過程存在明顯的滯回環(huán) 3. /E比值可高達13.0，E/ 可達4.5以上 加載卸載（重新加載） 4.對動力法中高頻彈性波丟失嚴重 5.E 取值 用重復加載斜率 同時： （巖體質(zhì)量評分RMR55）,4.8 巖石的蠕變 一.巖石蠕變的概念 巖石蠕變指巖石在應力恒定情況下，應變 隨時間增長的特性。 巖石的松弛指巖石在應變恒定情況下，應力隨時間降低的特性。（應力松弛） 工程實例：深埋洞室圍巖蠕變支護變形（新奧法機理）與壓力隨時間變化,二.巖石蠕變特性 大量試驗表明：巖石變形瞬彈變形+蠕變（與時間有關(guān)） 1.巖性針對不同巖石，彈性變形與蠕變對比存在差異（第93頁 圖4-35） 2.應力水平影響蠕變量大小 ，蠕變速率（P93，圖4-47） 3.蠕變試驗得到典型蠕變曲線分為三段： AB初期蠕變， 蠕變速率遞減 卸載（ ） 瞬彈PQ+粘彈QR（全部恢復） BC恒速蠕變， 恒定， （單位時間增加相同） 瞬彈 +粘彈UV+不可恢復uv 隨時間延續(xù) 變形破壞 CD加速蠕變 不斷增大 變形破壞,三.蠕變與工程關(guān)系： 由巖石蠕變試驗： a）對工程影響不大； b）、c）可能導致變形破壞（軟弱夾層浸水）,四.巖石蠕變模型 前面已介紹：巖石變形分為瞬彈和粘彈(蠕變)， 其中：瞬彈 “彈性元件”（模型）表示： 本構(gòu)關(guān)系： （剪應力剪應變虎克定律) （體積應力體積應變）； 粘性（蠕變） 粘性模型： 本構(gòu)關(guān)系： （ 粘滯系數(shù)， 應變率） 因此，巖石的變形可以通過彈性+粘性元件不同組合 模型（反映）,常用的幾種模型： 1、馬克斯威爾模型 彈性元件+粘性元件 串聯(lián) （4-37）（剪應力每個截面均相等） （4-38）（剪應變單個元件剪應變之和） 其中： 將（4-38）兩端 代入上式 變形,反映（剪應力剪應變）關(guān)系的微分方程 本構(gòu)關(guān)系的微分形式 例：設(shè)單軸實驗：t0時，1=0 突然增加至1 （以1代，1代 ）求解 分析可知： t0， 常量 突然增至1時 瞬彈變形 呈線性關(guān)系 恒速，且與1，有關(guān),2、凱爾文模型： 彈性元件、粘性元件并聯(lián)。 特征： （4-43）（剪應力） （4-44）（剪應變相等） 由 代入（4-43） 變形： 微分關(guān)系（本構(gòu)關(guān)系微分形式） 假設(shè)：單軸壓縮，t0，10突然增加至1條件，求解,分析： t0 t 任意時刻：呈指數(shù)遞增 t 由彈性+粘性元件 其他組合 可構(gòu)成眾多的蠕變模型。 作業(yè)：4-1，4-3,第五章 巖體天然應力與洞室圍巖的應力分布 5.1概述 一、天然應力（地應力） 1、概念：指巖體在天然狀態(tài)下所賦存（工程興建前）的應力，又稱“地應力”，“初始地應力” 2、形成因素：巖體自重（地心引力）+地質(zhì)構(gòu)造運動+地溫梯度+滲流等 二、二次應力 由于人類活動（工程開挖，修建建筑物）影響一定范圍的天然應力 這種巖體被撓動后的應力稱為“重分布應力”或“二次應力” 地下洞室二次應力天然應力+開挖附加應力,三、研究巖體天然應力的意義 一）意義：在巖土工程中 1.邊坡開挖 坡面回彈變形 坡體二次應力地應力+開挖效應 釋放荷載 坡體穩(wěn)定性評價：剛體質(zhì)量消失 基于應力的強度分析 2.壩基：二次應力場地應力+開挖效應+建筑物附加應力場 3.地下洞室：地應力 圍巖穩(wěn)定分析（圍巖的變形、穩(wěn)定）的基本荷載（力源）， 二次應力初始地應力+開挖效應附加應力場,二）、地應力與地下洞室的關(guān)系 1、縱軸線與1近于平行（二灘尾水洞崩塌?。└拭C金川隧洞 2、水平應力與垂直應力比值與體形關(guān)系 1 2高度小寬度大，近似橢圓形 2 1高度大寬度小，近似橢圓形 三）、地應力對工程的影響 我國二灘（玄武巖），美國大古星（花崗巖）壩基開挖 像剝洋蔥頭一樣，剝了一層又一層。處理方法：迅速澆注砼，高壓固結(jié)灌漿 巖爆：在高地應力區(qū) 洞室開挖 彈性能釋放 大的巖塊墜落，小巖塊彈射太平驛,5.2 巖體中的地應力分布 一、地應力分布規(guī)律 1、三向不等壓的空間地應力場，其大小和方向隨時間和空間變化 2、垂直與水平應力的關(guān)系 1）垂直應力z，主要受上覆巖體自重形成： ， （ ） 2）水平應力h,a:水平巖層： b：河谷（4個分區(qū)：應力松弛區(qū)，過渡區(qū)，平穩(wěn)區(qū)，集中區(qū)） 岸坡：1/坡岸， 3岸坡 谷底：1水平，1= h z （應力集中） c：水平向地質(zhì)構(gòu)造+自重 1 /主要構(gòu)造方向，且1 z ， d: 若0.5 k0=1 h=z 靜水壓力 海姆假設(shè)”,5.3 巖體地應力的量測 量測分為現(xiàn)場量測和室內(nèi)量測，現(xiàn)場量測可反映巖體性質(zhì)，成本高，周期長，室內(nèi)量測時間短，經(jīng)費省。 應力間接物理量；變形、應變直接物理量 一、現(xiàn)場量測 一）、應力解除法 具體有：孔徑變形法，孔底應變法，孔壁應變法 基本原理：（共同點）通過解除巖體中應力 量測孔徑（孔底、孔壁）變形（應變） 利用彈性理論 反求外部釋放應力（地應力）,1、孔徑變形法 1）假定鉆孔方向/3 程序：a：用130mm鉆頭鉆孔至預定深度； b：用36mm小鉆頭鉆孔h2630cm，孔底磨平； c：安裝孔徑變形儀； d：安裝130mm空心鉆頭套鉆 e：折斷巖芯 （平面應力） 平面應變以 置換 測三個孔徑變形量 代入：,2）若鉆孔方向不平行于 采用三孔交匯方法：每個孔（與鉆孔軸線垂直平面內(nèi)）： 兩個正應力，一個剪應力（三個分量） 三個孔：33 九個方程聯(lián)立求空間主應力（6個獨立未知量）,2.孔底應變法 量測a、b面內(nèi)，在套鉆過程中產(chǎn)生的應變 孔底主應變 主應力 （5-6） 空間主應力 采用三孔交匯方法進行。,3.孔壁應變法 特點：單孔 可以量測空間地應力，方便!（需套鉆 解 除應力 測孔壁應變（初） 推算P釋放應力 鉆孔前：孔壁（r=r0）上，應力：z，z 外部應力： ， ， ， ， ， 二者關(guān)系： （5-8） 由孔壁：一個測點三個方向（切向+軸向+450方向）應變 ， ， ， 由三個測點 可建立九個方程 解出地應力 ， ， ， ， ，,二）、應力恢復法 a)在量測部位 磨平 貼應力片 初始讀數(shù) b)開挖（沿與待測主應力垂直方向開槽） 地應力釋放 應變增加 c)利用扁千斤頂反向加壓（應力恢復） 使應變讀數(shù)恢復至初始讀數(shù) 地應力反向油壓 特點：適合淺表部，當非主應力面（存在影響）和加載與卸載不同時，誤差！ 二、地應力室內(nèi)量測 AE法AE500B “凱塞效應”,5.4水平洞室圍巖的應力計算 在前面介紹了巖體地應力的形成與量測方法 工程應用：關(guān)心的洞室的二次應力（重分布應力）初始應力+洞室的開挖附加應力 洞室強度復核 圍巖是否穩(wěn)定 一、圓形洞室,初始地應力：z，n，其中： (K00， ，1.0不計水平構(gòu)造作用) 當洞室埋深H30，近似認為洞頂洞底z近似相等，側(cè)壓為均布，對于圓形洞室可簡化“無限平板中含圓孔+外部均布面力”。借用彈性理論： (4-15),討論： 10 洞頂，洞底受拉， ， 兩側(cè)受壓， 隨r分布 見p112，圖5-9。,20 K0=1( )則： 當 時, , （與無關(guān)，即洞周 ） 隨 分布見P113 圖5-10 另外：從5-15式中，若取 則： 非常接近原巖應力 30 最好直接由（5-14）計算 或查有關(guān)手冊、圖表。,二、橢圓洞室 設(shè)橢圓長半軸 ，短半軸 ， -橢圓偏心角 由彈性理論推導出橢圓上P點切向應力。,論證： 1）令 （洞頂） 若 0 受拉 受壓 2)令 若 =0 受拉 受壓 3)若 由 （即長短軸 與成反比），滿足此條件 設(shè)計中可以根據(jù) 通過調(diào)整 使切向均勻變壓！,三、矩形洞室 其中根據(jù) ， 查表計算（ 還與部位有關(guān)）。 四、復式洞室,第六章 山巖壓力與圍巖穩(wěn)定性 第一節(jié) 概述 山巖壓力的概念 地下洞室開挖引起圍巖變形，應力重分布二次應力達到圍巖強度破壞，坍落防止坍落，保持圍巖穩(wěn)定支護 支護的作用：1 承擔坍落巖塊的重量（松動壓力）； 2 限制圍巖變形（形變壓力） 所以：山巖壓力：指由于地下洞室開挖形成的圍巖變形或破壞，且作用于襯砌（支護）上的壓力，包括松動和形變壓力。,第二節(jié) 山巖壓力的影響因素 一、支護（襯砌）的作用 1、圍巖質(zhì)量優(yōu)良（完整、強度等）-地下洞室開挖后，圍巖僅產(chǎn)生彈性回彈，二次應力小于圍巖強度，圍巖整體穩(wěn)定，支護（水工隧洞，較小糙率） 防止表層巖石風化及局部剝落。 2、中等質(zhì)量巖石-地下洞室開挖后，圍巖產(chǎn)生彈性、塑性變形。一般具有粘性（變形隨時間發(fā)展），但圍巖整體穩(wěn)定，作用于支護上形變壓力。 3、質(zhì)量較差圍巖（破碎、軟弱巖體） -洞室開挖，塑性+粘彈性變形較大，二次應力超過強度，局部圍巖不穩(wěn)定，形成松動+形變壓力，由支護承擔。,二、影響山巖壓力的因素 1、初始地應力-釋放荷載-二次應力 松動+變形 大小 2、洞室的形狀及大小-洞室形狀，大小 影響二次應力 一般而言，圓形、橢圓、拱形 優(yōu)于其他洞形 圍巖壓力跨度近似成正比。 3、巖體質(zhì)量 巖石的強度，節(jié)理裂隙發(fā)育程度，節(jié)理的方向。 4、支護剛度與時間 剛度 約束變形能力 圍巖壓力 圍巖變位u隨t發(fā)展 最佳支護時間。 5、施工方法-開挖爆破形式：鉆爆法，全斷面掘進機 6、洞室埋深-淺埋洞室 承擔洞頂巖體重量。深埋：承擔壓力拱至洞頂之間巖體重量。 圍巖彈性變形 彈性回彈 圍巖壓力與埋深有關(guān) 圍巖塑性變形 與（埋深有關(guān)，涉及1，3大小影響變形量大小）,第三節(jié) 堅硬巖體的應力和穩(wěn)定驗算 根據(jù)前面介紹：地應力特征（ ， 分布）+洞形、尺寸計算洞壁周邊切向 及 然后，分布及進行圍巖的強度校核： 1） ，取值注意圍巖質(zhì)量； 2） ，取值0.5Rc0.6Rc 不會產(chǎn)生強度破壞。,第四節(jié) 壓力拱理論 （研究破碎巖石的松動壓力山巖壓力） 一、垂直山巖壓力 洞頂：洞室 （拉應力）隨r 過渡壓力應力。從巖體強度看： 很低 洞壁開裂 形成松動區(qū) 垂直山巖壓力， 很高 圍巖穩(wěn)定。 確定垂直山巖壓力 關(guān)鍵在于松動區(qū)的體形（壓力拱形狀） 1、巖石堅固系數(shù)概念 由M-h: ,變形 ，要求 。 代入： 其中： -巖石的堅固系數(shù)，當c0， （松散介質(zhì)） 一般地應力根據(jù)圍巖質(zhì)量分類確定,2、壓力拱的形狀 根據(jù)普氏理論，-比較破碎巖體，地下洞室開挖： 側(cè)墻：剪切破裂+頂拱“壓力拱” 壓力頂拱跨度：,確定破碎巖石頂拱以上圍巖不抗拉 頂拱切開面：T為壓力 對任意截面彎矩0 將A點：x=b2,y=h代入： 所求T：由 ， 及 ， 為保持A點穩(wěn)定：TF,取 （安全） 代入： 拋物線 （頂拱x=0,y=0） , 任意點：,二、側(cè)向壓力 利用主動朗肯土壓力公式： 洞頂： 洞底： 總壓力： 三、壓力拱理論適用條件 條件：頂拱以上要能形成壓力拱， 要求：埋深 ，明挖， （粉砂土、淤泥等）,四、不能形成壓力拱（淺埋洞室）山巖壓力計算 洞室開挖： 側(cè)墻破裂面BE,DE(通頂) 頂拱以上：EEEE下沉 頂拱山巖壓力 EEEE巖體重量EE兩側(cè)摩擦力 即,頂拱單位長度壓力： 適用條件： 由 取極大值 當 取極大值 ,當 , 方法適用條件: 結(jié)論:1）偏于安全，可直接按 計（不計兩側(cè)摩擦力） 2）有地下水作用， ，加上水壓力,第五節(jié) 太沙基理論 太沙基理論是將地層看作松散體（淺埋洞室），從應力傳遞概念出發(fā)推出作用于襯砌上的垂直壓力。 取 原理，平衡條件： 變形: (6-17) 邊界條件： ， 求解上述微分方程,討論：10當z=H時，支護壓力q: 20進一步 (深埋洞室) 與 無關(guān) 30若側(cè)面巖石不穩(wěn)定，沿 滑裂面滑移，則洞頂垂直壓力 的計算： 只以 代入即可 側(cè)壓仍按朗肯主動土壓力公式計算！,第六節(jié) 彈塑性理論 一、概述： 在前面介紹，山巖壓力分為松動壓力： 圍巖質(zhì)量和自承能力較差 普氏、太沙基理論等，變形壓力 圍巖質(zhì)量和自承能力較強 彈塑性理論 芬納公式 二、芬納公式 一）、洞室開挖后圍巖應力重分布（ ） 區(qū)：應力松弛區(qū)（松動區(qū)）， 區(qū)：應力增高區(qū)，二者都是應力重分布區(qū) 塑性區(qū)半徑 ， 區(qū)：彈性區(qū),二）、變形壓力公式推導： 沿垂直洞軸線切取單位 厚度 平面問題。 在塑性區(qū)內(nèi)取微分體 （切向 ，徑向 ） 平衡條件（方程） 很小， 代入 （6-20） 在塑性取內(nèi)， ， 除滿足平衡條件外，還應滿足塑性屈服條件（MohrZ準則） 此處： , 代入 （6-26）,由(6-24)+(6-26)聯(lián)立，消去 得 (6-27) 求解（6-27）微分方程，并注意邊界條件 (6-28) 其中 以r0為內(nèi)徑，為外半徑厚壁圓筒彈性公式 當 時， 取 導出 處（洞壁處）支護力： (6-21),討論： 10 （開挖洞徑）成正比， 成反比（即塑性區(qū) 適度） 20 處初始地應力 (洞中處) 30 涉及塑性區(qū)巖體 ， 值，一般選用殘余值（爆破松動） 40從（6-29）式可得塑性區(qū)半徑： 當 =0（不支護時） 50若前面微分體推導中計入c值 類似推導 修正芬納公式,三卡柯公式 在芬納公式推導中： 1）未計塑性區(qū)體力 2）塑性區(qū)與彈性區(qū)位移、應力連續(xù)、實際洞頂“脫開” 引入后可導出卡柯公式： （6-47） 計算 時，需已知 （可通過聲波測試） “洞底未脫開” 與芬納公式較吻合 “洞頂可能脫開” 與卡柯公式協(xié)調(diào),第七節(jié) 地質(zhì)分析法計算山巖壓力 前面介紹的山巖壓力（普氏理論，太沙基，彈塑性理論）分析方法圍巖均質(zhì)，沒有考慮軟弱結(jié)構(gòu)面切割的影響，而實際工程，由于軟弱結(jié)構(gòu)切割形成的塊體穩(wěn)定性非常關(guān)鍵 重點分析！例如：ABC不穩(wěn)定 需要支護 “ABC”體重量 形成山巖壓力！ 具體分析： 一、洞頂“懸空體” 山巖壓力： 關(guān)鍵確定懸空體的體形！! 二、洞頂分離體沿某一軟面滑動 由AC,CD,BD節(jié)理面切割 “ABCD”塊體 AC面+CD面拉裂 沿BD面滑動 山巖壓力： 方向沿 :弧AB段山巖壓力：,三、洞側(cè)壁分離體沿某一軟弱面滑動 “ABC”沿AC面滑動，(Q向AC面投影) 山巖壓力： （Q下滑力）,校核： 洞頂：沿節(jié)理是否產(chǎn)生滑動； 側(cè)墻：沿節(jié)理是否產(chǎn)生滑動 確定支護力 假設(shè)洞壁（ ），節(jié)理面 由（ ） 節(jié)理（ ） 由 ，由第三章（3-97）p63 (6-53) 不穩(wěn)定 分析：1、側(cè)壁上： 直墻 ， 圓形 ， 代入： 若上式存在，天然條件不穩(wěn)定 離場加支護（提供 支護力） 并使 令 式中 由洞形+ 、 +部位計算（5-4節(jié)）,2、洞頂： ， 代入，類似推導： 不穩(wěn)定條件： 支護力： 3、對洞壁任意點p 求任意點p，切向應力： ， 計算 ， +結(jié)合洞形計算。 任意點： 由應力轉(zhuǎn)軸或M-h圖推求 頂層面法向應力： 切向應力： 代入 （6-67）,第八節(jié) 噴錨支護原理和設(shè)計原則 一、噴錨支護原理： 1、原理 地下洞室開挖 圍巖變形 發(fā)展 不變約束（支護） 充分發(fā)展 破壞 形成松動壓力 適度發(fā)展 施加約束（支護） 承擔 變形壓力 從前面芬納公式推導結(jié)果 支護力： 成反比 關(guān)系 見右圖 （ 洞壁變位 ）,A、支護時間 由圖可見， 而 注意：點： （ ）過大 塑性破壞 松動壓力 反而加大 假設(shè)洞室開挖 后，支護。洞室變位：支護前： ;支護后（支護與圍巖共同變位） 至A點平衡。 顯然： 愈小 愈小， 愈大 支護力 即 說明在圍巖保護圍巖條件下（不出現(xiàn)松動破壞），支護前圍巖變形愈充分則 愈小。 B、支護剛度影響 1)由平衡 支護剛度相同， 的影響 2） 不平衡，支護剛度影響,2、噴錨支護的特點： 在洞室開挖后及時向圍巖表面噴一層砼，必要時增設(shè)部分錨筋，從而及時有效地控制和調(diào)整圍巖變形和應力重分布范圍，充分發(fā)揮圍巖的自承能力，達到安全和經(jīng)濟的支護目的。 特點：1、及時、緊貼、柔性 較小變形壓力 2、支護與圍巖共同作用（與傳統(tǒng)剛性支護（松動壓力）山巖壓力 設(shè)計支護觀點相反，維持穩(wěn)定） 二、噴錨支護的設(shè)計原則 根據(jù)圍巖分類和地質(zhì)分析，借用 工程類比和計算確定噴錨支護系數(shù) 一）、整體圍巖 圍巖特點：巖塊強度高， 節(jié)理裂隙不發(fā)育，整體性良好,噴錨支護：巖壁表層噴薄層砼 防止風化（巖體出現(xiàn)破碎） 在主應力區(qū) 布置預應力錨桿 以減小拉應力水平，或轉(zhuǎn)化為壓應力 錨桿長度 穿過拉應力區(qū)，錨固至壓力區(qū)(天生橋二級調(diào)壓井事故)！ 二）、塊狀圍巖 圍巖特點：節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖切剖成塊狀，其中巖塊強度較高，結(jié)構(gòu)面錯動 控制巖塊穩(wěn)定 關(guān)鍵塊體 關(guān)鍵塊 控制 重點加固（錨桿、噴砼）,1、錨桿加固關(guān)鍵塊體（危石） 取危石ABC 重量G，沿錨桿EF的分力T，沿破裂面AB的分力Q 錨桿的拉力 剪力： 確定錨桿的截面積 2、錨桿加固圍巖裂隙面 洞頂裂隙面AB，水平向壓力P，錨桿預應力T 要求校核沿AB面是否滑動，挽救，保護穩(wěn)定 計算所需T 沿AB面法向力： 抗滑力： 沿AB面滑動力 由 3、噴砼層支護危石 1）按“沖切型”破壞驗算噴層厚度 設(shè)危石重G,底面周邊長 ,噴層厚度h，砼抗拉強度 不發(fā)生“沖切型”破壞條件 (穿透噴層),2）按“撕開型”驗算噴層厚度 驗算巖面與砼噴層之間的粘結(jié)力是否滿足強度要求 根據(jù)彈性地基梁理論推導：（設(shè)噴層與巖面間的粘結(jié)強度 ） 巖面與噴層間最大拉應力 其中 砼彈模 巖體彈性抗力系數(shù)（抗拉） 危石的底面周長 噴層厚度 強度條件： （面上） -砼巖石之間的粘結(jié)強度 由 中取最大值！,三)層狀巖石 洞室開挖后由層面粘結(jié)強度很低，洞頂塌落 工程上：一般采用錨桿形成“組合梁”保持穩(wěn)定 錨桿的作用：增加層間握裹力，切向摩擦力 四）軟弱圍巖 特點：圍巖強度很低（ ） 節(jié)理裂隙極度發(fā)育切割成散離體 1、由砼噴層支護可能產(chǎn)生的破壞模式： 在壓應力集中區(qū)，發(fā)生剪切破壞 取圓形 ，砼抗剪強度 設(shè)計要求：噴層保 持圍巖穩(wěn)定！ 根據(jù)噴層 的受力情況，寫出水平向 平衡方程： 式中： 圍巖變形壓力 可采用芬納公式計算 由經(jīng)驗：,2、由徑向錨桿形成承載環(huán)支護 設(shè)由徑向錨桿，形成厚度t的承載環(huán)， 由預應力錨桿提供徑向應力 其中 -每根錨桿預應力， -縱向間距， -橫向周邊間距 未支護時： 發(fā)生塑性破壞： （單軸抗壓強度） 支護后： ， 產(chǎn)生破壞所需的切 向應力（巖體切向應力） 根據(jù)洞形+外部地應力計算 根據(jù) T(b,a擬定)或擬定T 確定b,a,第八章 巖基的應力與穩(wěn)定分析 第一節(jié) 概述 巖體的強度 基本理論 巖體的變形 地應力 巖石力學 地下洞室應力重分布（二次應力） 山巖壓力、噴錨支護等 工程應用 壩基穩(wěn)定 邊坡穩(wěn)定 建基面不均勻沉降 本章主要壩基穩(wěn)定 建基面及壩基應力的強度復核承載能力復核 重力壩基 壩基穩(wěn)定重點 拱壩，壩肩（基）穩(wěn)定,第二節(jié) 重力壩壩基抗滑穩(wěn)定 大量工程實踐 大壩巖基建基面滑動（表層滑動） 表明，壩基穩(wěn)定 壩基（含軟弱結(jié)構(gòu)面，節(jié)理裂隙）深沉滑動 一、表層滑動穩(wěn)定性計算 設(shè)壩體重V，水平推力 壩基揚壓力：V 砼巖石間 1.抗剪公式： （要求 ） 2.抗剪斷公式： （要求 ）,二.深沉滑動穩(wěn)定性計算 壩基下巖體中結(jié)構(gòu)構(gòu)成多不相同，深沉滑動穩(wěn)定復核首先應根據(jù)壩基下巖體的結(jié)構(gòu)面位置，產(chǎn)狀，以及壩基巖體受力特點，確定壩基可能產(chǎn)生的塊體，然后分析塊體的受力條件 確定塊體的抗滑安全系數(shù) 1.滑動塊體的擬定（破壞機理） 2.最危險滑塊的搜索 一）滑動面傾向上游的情況 破壞模式：CB 拉裂面 塊體CBA 沿BA面滑動 抗滑力： 滑動力：,二）滑動面傾向下游情況 破壞模式：塊體ABD沿AB面滑動 推塊體BCD 剪斷BC面 滑出 分析： ABD滑移體 BCD抗力體 2.由力平衡條件，分別建立ABD，BCD平衡方程 3.將1.2塊聯(lián)合起來,根據(jù)1.2塊聯(lián)合的方式工程上分為三種方法： 1.拉力體極限平衡法 基本觀點：假定BCD抗力體處于極限平衡（ ）由滑移體ABD阻滑力與滑動力 確定整體 1）由BCD處于極限平衡條件（假定 ） 抗滑力 滑動力= 由：抗滑力=滑動力 （814） 2）分析ABD塊體 抗滑力= 滑動力= （815）,3）注意問題 a.AB面用 面用抗剪斷 b.實際工程中：B點位置， 角須要實驗加以確定 搜索最危險滑塊 c.若BC為一軟弱面（即壩基下雙軟弱面切割形滑塊） d. （含間斷裂隙面） 層理，節(jié)理，裂隙 則： 面 面類似處理 2.等 法（即假定滑動塊ABD+抗力體BCD抗滑K相等） 1）分析滑動塊ABD 抗滑力= 滑動力= （816）,2）分析抗力體BCD 抗滑力= 滑動力= （817） 由 代入（816）或（817）可確定 分析同樣存在上述四個應注意問題 3.不平衡推力法 基本觀點：1.滑動塊ABC抗滑力小于滑動力 剩余滑動力 作用于抗力體BCD 2.分析BCD抗力體在剩余推力及自重荷載作用下的K 具體： 1）分析滑力體ABD 滑動力= 抗滑力=,剩余滑動力 2）分析抗力體BCD 注意三種分析方法的不同物理意義！,第三節(jié) 拱壩壩肩穩(wěn)定性分析 分析方法與重力壩基穩(wěn)定性分析類似，關(guān)鍵： 1.確定可能滑動的塊體 2.分析作用于塊體上的抗滑力及滑動力 一壩肩抗力體中存在垂直與水平滑移面 滑動塊體受力 拱壩力P分析： 與面1垂直水平分量H 與面2垂直鉛垂分量V 滑動力：Q（水平向指向坡外） 抗滑力 下滑力=Q,二、壩肩抗力體滑塊由傾斜側(cè)側(cè)面+緩傾底滑面+上抗裂面構(gòu)成 分析：將H，V，W分別向n1,n2方向投影 由 則：,第九章 巖坡穩(wěn)定分析 第一節(jié) 概述 邊坡：