巖體力學復習資料版

1、立身以立學為先，立學以讀書為本圖24石巖石的與型應 力.應變全過程曲嶷1. 巖石：是組成地殼的基本物質，它是由礦物或巖屑在地質作用下按一定規(guī)律凝聚而成的自然地質體。一般認為它是均質的和連續(xù)的。巖體：是地質歷史過程中形成的，由巖塊和結構面網絡 組成的具有一定結構并賦存于一定的天然應力狀態(tài)和 地下水等地質環(huán)境中的地質體。（區(qū)別是巖體包含若干 不連續(xù)面。）結構面：巖體內具有一定方向、延展較大、厚度較小的 面狀地質界面，包括物質的分界面和不連續(xù)面，它是在 地質發(fā)展歷史中，尤其是在地質構造變形過程中形成 的。結構體：被結構面分割而形成的巖塊，四周均被結構面 所包圍，這種由不同產狀的結構面組合切割而形成的

2、單 元體成為結構體。2. 巖體結構分為六類：塊狀結構、鑲嵌、層狀、碎裂、層狀碎裂、松散結構3. 風化作用：巖石長期暴露在地表之后， 經受太陽輻射 熱、大氣、水及生物等作用，使巖石結構逐漸破碎、疏 松，或礦物成分發(fā)生次生變化，稱為風化。衡量巖石（塊）風化程度的指標：（1）定性指標：顏色、 礦物蝕變程度、破碎程度及開挖錘擊技術特征等。 （2） 定量指標：風化空隙率指標Iw、波速比指標kv和風化 系數kf 8等。巖石風化分級：未微中等強全4. 相對密度G:巖石的干重量W（KN除以巖石的實體3積Vs （m）（不包括巖石中孔隙體積）所得的量與 1個 大氣壓下4C時純水的重度（y w）的比值。G=W /

3、（V s Y ”）。相對相對密度是一個無量綱量，其值可用比重瓶 法測定，試驗時先將巖石研磨成粉末并烘干；然后用量 杯量取相同體積的純水和巖石粉末并分別稱重，其比值即為巖石的相對密度。巖石的相對密度取決于組成巖石 的礦物相對密度，巖石中重礦物含量越多其相對密度越 大，大部分巖石的相對密度介于 2.502.80之間。5. 孔隙率n：巖石試樣中孔隙體積 Vv與巖樣總體積V之比?？紫侗萫：指孔隙的體積VV與固體的體積Vs的比值。6. 含水率w天然狀態(tài)下巖石中水的重量 W與巖石烘干重量 W的百分比。w=WW/ W s x 100%吸水率W:指干燥巖石試樣在一個大氣壓和室溫條件下吸入水的重量W與巖樣干重量

4、W的百分率。w=WW/ W=（W/WS） / Ws x 100%7. 滲透性：指在水壓力作用下，巖石的孔隙和裂隙透過水的能力。滲透系數的量綱與速度的量綱相同。（滲透 系數的大小取決于巖石的物理特性和結構特性流體的物理化學特性）8. 膨脹性：指巖石浸水后體積增大的性質。巖石膨脹性 一般用膨脹力和膨脹率兩項指標表示。膨脹力Pe：指原狀巖（土）樣在體積不變時，由浸水膨脹而 產生的最大內應力。（常用平衡加壓法測定）。膨脹率8 ep （%）:在一定壓力下，試樣浸水膨脹后的高度增量與原高度之比，用百分數表示。9. 崩解性：是指巖石與水作用時失去黏結性并變成完全喪失強度的松散物質的性能。這種現象是由于水化作

5、用削弱了巖石內部的結構聯(lián)結而造成的。10. 軟化性：指巖石與水相互作用時強度降低的特性。 影響因素：礦物成分（親水性可溶性）、粒間聯(lián)結方式（結晶聯(lián)結膠結聯(lián)結）、孔隙率、微裂隙發(fā)育程度等。巖石的軟化性一般用軟化系數表示，軟化系數是巖樣飽 水狀態(tài)下的抗壓強度 RCw與干燥狀態(tài)的抗壓強度 RC的比 值。n°=Rw/Rc，軟化系數總是小于1的。11. 巖石的抗凍性：指巖石抵抗凍融破壞的性能?？箖鱿禂礐f:指巖樣在土 25C的溫度區(qū)間內，經多次“降溫、凍結、升溫、融解”循環(huán)后，巖樣抗壓強度下降量與凍融前的抗壓強度的比值，用百分率表示。巖石在反復凍融后其強度降低的主要原因：一是構成巖石的各種礦物

6、的膨脹系數不同，當溫度變化時由于礦物 的脹縮不均而導致巖石結構的破壞；二是當溫度降低到0° C以下時，巖石孔隙中的水將結冰，其體積增大約9%會產生很大的膨脹壓力，使巖石的結構發(fā)生改變， 直至破壞。12. 巖石強度：指巖石在荷載作用下破壞時所承受的最大荷載應力。有抗壓強度（單軸、三軸）、抗剪強度、 抗拉強度。影響因素：巖石特性（礦物組成、結構特征、風化程度各向異性）環(huán)境條件（水、溫度） 試驗條件（圍巖大小、端部效應、試件形狀和尺寸、加載 速率）13. 端部效應：加壓板與試件端部存在摩擦力，約束試 件端部的側向變形，導致端部應力狀態(tài)不是非限制性的 而出現復雜應力狀態(tài)。減小“端部效應”：將

7、試件端部磨平，并抹上潤滑劑， 或加橡膠墊層等。使試件長度達到規(guī)定要求， 以保證在 試件中部出現均勻應力狀態(tài)。14. 高徑比h/D = 22.5為宜。15. 加載速率影響：加載速率增加，強度和彈性模量增加，峰值應力越明顯。16. 圍壓影響：巖石抗壓強度隨圍壓增加而提高。通常巖石類脆性材料隨圍壓的增加而具有延性。17. 確定巖石抗剪強度的方法：直接剪切試驗楔形剪切試驗三軸壓縮試驗18. 庫侖準則：若用。和t代表受力單元體某一平面上的正應力和剪應力，則當T達到如下大小時，該單元就 會沿此平面發(fā)生剪切破壞，即式中：c黏聚力；f 內摩擦系數。引入內摩擦角，并定義f=tan ©，這個準則在T b

8、平面上是一條直線。若將T和b 用主應力b 1和b 3表示（這里b 1> b 3），則：式中：0剪切面法線方向與最大主應力b 1的夾角。（庫侖準則不適合b 3<0和高圍壓的情況。）19. 巖石典型應力-應變曲線：OA段：曲線稍微向上 彎曲，屬于壓 密階段，這期 間巖石中初始 的微裂隙受壓 閉合；AB段: 接近于直線， 近似于線彈性 工作階段；BC段：曲線向下彎曲，屬于非彈性階段，主要是在 平行于荷載方向開始逐漸生成新的微裂隙以及裂隙的 不穩(wěn)定，B點是巖石從彈性轉變?yōu)榉菑椥缘霓D折點；CD段：為破壞階段，C點的縱坐標就是單軸抗壓強度RC20. 彈性變形：能恢復的變形。 塑性變形：不可恢

9、復的變形。 變形模量：在應力-應變曲線上的任何點 與坐標原點相連的割線的斜率。殘余強度：破壞后的 巖石仍可能具有一定的強度，從而也具有一定的承載能 力。21. a.流變性：巖石在力的作用下發(fā)生與時間相關的變 形的性質。b.蠕變：指在應力為恒定的情況下巖石變形 隨時間發(fā)展的現 象；c.松弛指在應 變保持恒定的情 況下巖石的應力 隨時間而減少的 現象。d.彈性后效 指在卸載過程中 彈性應變滯后于 應力的現象。22. 蠕變：第I階段：稱為初始蠕變段。在此階段的應 變一時間曲線向下彎曲；應變與時間大致呈對數關系，即& Eog仁第n階段：稱為等速蠕變段或穩(wěn)定蠕變段。在此階段內變形緩慢，應變與時間

10、近于線性關系。第皿階段：稱為加速蠕變段。此階段內呈加速蠕變，將導致 巖石的迅速破壞。23. 蠕變模型：a.彈性單元、b.塑性單元、c.粘性單元24. 馬克斯威爾模型用彈性單元和粘性單元串聯(lián)而成。本構方程喘d49或計=福（2-50）25. 巖石的強度是隨外荷載作用時間的延長而降低的， 通常把作用時間t 的強度S稱為巖石的長期強度。26. 軟弱夾層：指在堅硬巖層中夾有力學強度低、泥質 或炭質含量高、遇水易軟化、延伸較長和厚度較薄的軟 弱巖層。27. 結構面的幾何形態(tài)：平直型、波浪型、鋸齒型、臺 階型 研究結構面的形態(tài)，主要是研究其凹凸度與強度的關系。20. 結構面的延展性：是指結構面在某一方向上的

11、連續(xù) 性或結構面連續(xù)段長短的程度。按結構面的延展特性， 可分為三種型式：非貫通性的、半貫通性的及貫通性的 結構面。21. 切割度：假設有一平直的斷面，它與考慮的結構面 重疊而且完全地橫貫所考慮的巖體，令其面積為A，則 結構面的面積a與它之間的比 率，即為切割度Xeo結構面的線密 度K （裂隙度） 指同一組結構 面沿著法線方向單位長度上結構面的數目結構面間距：結構面間距是指同一組結構面在法線方向上，該組結構面的平均間距。結構面的張開度：是指結構面裂口開口處張開的程度。22. 剪脹：在剪應力作用下，模型上半部沿凸臺斜面滑 動，除有切向運動外，還產生向上的移動。這種剪切過 程中產生的法向移動分量稱之

12、“剪脹”。23. 工程巖體：指巖石工程影響范圍內的巖體。工程巖體分類：是通過巖體的一些簡單和容易實測的指 標，把地質條件和巖體力學性質參數聯(lián)系起來，并借鑒已建工程設計、施工和處理等成功與失敗方面的經驗教 訓，對巖體進行歸類的一種工作方法。 其目的是通過分 類，概括地反映各類巖體的質量好壞，預測可能出現的 巖體力學問題，為工程設計、支護襯砌、建筑選型和施 工方法選擇等提供參數和依據。24. 巖石質量指標（RQD分類法：巖石質量指標 RQD是 指鉆探時巖芯的復原率，或稱巖芯采取率。RQD定義為： 單位長度的鉆孔中10cm以上的巖芯占有的比例。即：RQDLp（ 10cm的巖芯斷塊累計長度）/ Lt（

13、巖芯進尺總長度）X 100%根據RQD®的大小將巖體質量劃分為 5類。25很差25-50 差 50-75 一般 75-90 好90 很好評述：RQD法是一種單因素分類法。RQD法的不足： RQD忽略了節(jié)理方位、節(jié)理連續(xù)性的影響。 RQD不能 反映節(jié)理間的軟弱充填物的情況。25. 巖體質量指標RMR分類法：由南非人賓尼亞斯基提出。五項參數：巖塊強度、RQD1、節(jié)理間距、節(jié)理條 件、地下水。得到的總分RMR勺初值，根據節(jié)理裂隙的 產狀變化對RMR的初值加以修正，修正的目的是在于進 一步強調節(jié)理裂隙對巖體的穩(wěn)定產生的不利影響，最后用修正的總分既可以求得所研究巖體類別及相應的無 支護地下工程

14、的自穩(wěn)時間和巖體強度指標值。26. 節(jié)理面穩(wěn)定判別（圖解法）節(jié)理面的抗剪強度一般總是低于巖石的抗剪強度，如圖3-17所示（直線2低于直線 1）O但這并不 意味著破壞 總是沿節(jié)理判斷節(jié)理血穩(wěn)定情況的圖羽牌禪面發(fā)生，有以下幾種情況：應力圓與直線2相切或相割，但低于直線1:若應力 點在直線2之下，則節(jié)理巖體穩(wěn)定；若應力點在直線 2 之上，則節(jié)理面不穩(wěn)定。應力圓與直線1相切或相割：節(jié)理應力點在直線2之 下，則節(jié)理面穩(wěn)定，節(jié)理巖體不穩(wěn)定，破裂面與節(jié)理面 不重合；節(jié)理應力點在直線 2之上，則節(jié)理面不穩(wěn)定。 直線2以上的應力圓弧不能作為判別巖塊是否穩(wěn)定的依據，因為此時巖體已沿節(jié)理面發(fā)生破壞。變形模量Emn為

15、：27.破壞水壓力：若結構面在無水狀態(tài)下是穩(wěn)定的，若=6* 假設巖塊本身是各向同性的，n方向加荷時-，由）t方向給結構面充水，當水壓力達到 Pw時，結構面開始破壞，則Pw稱為破壞水壓力。28. Hoek-Brown 經驗方程：G mR；3 sRc2（3-41）令"=0,得巖體單軸抗壓強度 Rmc：= Rmc VsRc（3-42）對于完整巖石，s=1，則Rmc=R，即為巖塊抗壓強度。對于裂隙巖石，SV 1o抗拉強度：將b 1=0代入方程（3-41 ）中，并對b 3求解所得的二次方程，可解得巖體的單軸抗拉強度為RmlRc m m24s（3-43）剪切強度：式（3-43 ）的剪應力表達式為

16、巴 T、i=ARc.|T（3-44）1_尺-式中：T 巖體的剪切強度；b巖體法向應力；A，B常數，查表 3-21求得；T=1 m j：；m2 * 4s，查表 321 求得。29. 層狀巖體變形參數估算：層狀巖體可概化地質力學 模型。假設各巖層厚度相等為 S，且性質相同，層面的 張開度可忽略不計。根據室內試驗成果，設巖塊的彈性 模量為E,泊松比為g，剪切模量為G,層面的法向剛 度為Kn,切向剛度為Kso取n-t坐標系，n垂直層面， t平行層面。在以上假定條件下取一由巖塊和層面組成 的單元體（圖3-32b ）來考察巖體的變形。討論以下幾種受載情況下的巖體變形參數估算：A.法向應力t n作用下的巖體

17、參數：沿 n方向加荷時，在b n 作用下，巖塊產生的法向變形 Vr和層面產生的法向 變形 Vj分別為：則巖體的總變形 Vn為： 簡化后得層狀巖體垂直層面方向的的應變可求出巖體的泊松比 g nt為：沿t方向時，巖體的變形主要是巖塊引起的，因此巖體的變形模量 Emr和泊松比g tn為：Emr =E ， g tn = gB.剪應力作用下的巖體變形參數：對巖體施加剪應力T時，則巖體剪切變形由沿層面滑動變形 u和巖塊的 剪切變形Aur組成，分別為：巖體的剪切變形 uj為：簡化后得巖體的剪切模量Gmr為： 可求出表征層狀巖體變形性質的 5個參數。法向應力垂 直于層面時的變形模量 Emn和泊松比g nt ；

18、法向應力平 行于層面時的變形模量 Emr泊松比g tn ；剪應力作用下 的剪切模量Gmo30. 縱波速度Vp和橫波速度Vs（km/s）可表示為:Vs(3-62)(3 - 61)式中：Ed動彈性模量；g d動泊松比；p 介 質密度。巖石質量密度 y （kg/m3） = p g31. 結構面對彈性波的傳播：起隔波或導波作用，致使沿結構面?zhèn)鞑ニ俣却笥诖怪苯Y構面?zhèn)鞑サ乃俣?，造成波速及波動特性的各向異性?2. 結構效應：結構面的影響包括結構面方位、密度、 充填特征及其組合關系等方面的影響。結構面方位的影 響主要表現在巖體變形隨結構面及應力作用方向間夾角的不同而不同，即導致巖體變形的各向異性。另外， 巖

19、體的變形模量也具有明顯的各向異性。結構面密度的影響主要表現在隨結構面密度增大，巖體完整性變差， 變形增大，變形模量減小。結構面的張開度及充填特征對巖體的變形也有明顯的 影響。一般來說，張開度較大且無充填或充填較薄時， 巖體變形較大，變形模量較小；反之，則巖體變形較小， 變形模量較大。33. 地應力：是存在于地層中的未受工程擾動的天然應 力。當工程開挖后，應力受到開挖擾動的影響而重新分 布，重分布后形成的應力則稱為二次應力或誘導應力。34.海姆假定地應力是一種靜水應力狀態(tài)，即地殼中任 意一點的應力在各個方向上均相等，且等于單位面積上 覆巖層的重量，即b h=b v= y H,式中：r h、r v

20、-分別 為水平和垂直應力；y -上覆巖層重力密度；H-深度。 金尼克假說他認為地殼中各點的垂直應力等于上覆巖 層的重量tv=y H，而側向應力（水平應力）是泊松效L1應的結果，即：；-_式中：g -1 卩上覆巖層的泊松比。上式中彊=二1稱為側壓力系數。35.地應力場的組成：1大陸板塊邊界受壓引起的應力 場2地幔熱對流引起的應力場 3由地心引力引起的應力 場4巖漿侵入引起的應力場5地溫梯度引起的應力場6 地表剝蝕產生的應力場。自重應力場和構造應力場疊加起來構成巖體中初始的應力場的主體。36. 高地應力判別準則：高地應力是一個相對的概念。 不同的巖石具有不同的彈模，因而其儲能性能也不同。一般來說，

21、地區(qū)初始地應力大小與該地區(qū)巖體的變形特 性有關，巖質堅硬，則儲存彈性能多，地應力也大。因 此，高地應力是相對圍巖強度而言的。即應以圍巖內部 的最大地應力與圍巖強度（Rb的比值（圍巖強度比=Rb / T maX來判別是否是咼地應力。37. 直接測量法是由測量儀器直接測量和記錄各種應力 的量，如補償應力、恢復應力、平衡應力，并由這些應 力量和原巖應力的相互關系，通過計算獲得原巖應力值。在計算過程中并不涉及不同物理量的換算，不需要知道巖石的物理力學性質和應力應變關系。間接測量法是借助某些傳感元件或某些介質，測量和記 錄巖體中某些與應力有關的間接物理量的變化。然后由測得的間接物理量的變化，通過已知的公

22、式計算巖體中 的應力值。為了計算應力值，首先必須確定巖體的某些 物理力學性質以及所測物理量和應力的相互關系。前者水壓致裂法，后者套孔應力解除法。38. 水壓致裂法：是一種將鉆孔的某一段的兩端封堵起來，然后對封堵段注入高壓水，使鉆孔孔壁破裂從而測 定地應力的方法。從彈性力學理論可知，當一個位于無 限體中的鉆孔受到無窮遠處二維應力場（r1，t2）的作用時，離開鉆孔端部一定距離的部位處于平面應變狀態(tài)。在這些部位，鉆孔周邊的應力為t 9 = b1+ b 2-2（b 1- b 2） cos2 9 ， b r=0 式中 b 9、b r鉆孔周邊的切向應力和徑向應力； 9 周邊一點與b 1軸 的夾角。當9 =0°時，b 9取得極小值，此時b 9 =3 b 2- b 1。如果采用水壓致裂系統(tǒng)將鉆孔某段封隔起來，并向該段 鉆孔注入高壓水。當水壓超過 3b 2- b1和巖石抗拉強 度Rt之和后，在9 =0°處，也即b 1所在方位將發(fā)生 孔壁開裂。設鉆孔壁發(fā)生初始開裂時的水壓為 Pi,則有Pi = 3 b 2- b 1+ Rt。如果繼續(xù)向封隔段注入高壓水使 裂隙進一步擴展，當裂隙深度達到3倍鉆孔直徑時，此處已接近原巖應力狀態(tài)， 停止加壓，保持壓力恒定， 將該恒定壓力記為Ps,則Ps應和原巖應力b2相平衡，