長安大學隧道專業(yè)入學考試之巖體力學

1、巖石由礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按一定規(guī)律聚集而成的自然物體。巖體由巖塊和結(jié)構(gòu)面共同組成的具有一定結(jié)構(gòu)并賦存于一定地質(zhì)環(huán)境中的地質(zhì)體。結(jié)構(gòu)面巖體內(nèi)具有一定方向、延展較大、厚度較小的面狀地質(zhì)界面。結(jié)構(gòu)體由不同產(chǎn)狀的結(jié)構(gòu)面組合切割而形成的單元體。巖體結(jié)構(gòu)1.結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度及其組合關(guān)系。2.結(jié)構(gòu)體的規(guī)模、形態(tài)及其排列形式所表現(xiàn)的空間形態(tài)。巖石的物理力學參數(shù)1.密度指標：巖石的顆粒密度、天然密度、干密度、飽和密度。2.孔隙性：孔隙比、孔隙率。3.水理性質(zhì)：含水率、自由吸水率、飽和吸水率、滲透系數(shù)K。4.抗風化特性：軟化系數(shù)、耐崩解性指數(shù)、自由膨脹率、側(cè)向約束膨脹率、膨脹壓力。5.抗凍性：抗凍性系數(shù)。剛性

2、試驗機工作原理 當試驗機剛度Km大于巖石剛度Ks時，在相同的條件下，試驗機附加給巖石的能量比巖石所能承受的能量小，要巖石繼續(xù)產(chǎn)生應變必須依靠外荷載的加載做功才能實現(xiàn)。因此，當試驗機剛度大于巖石剛度時，才能記錄下巖石峰值強度后的應力-應變曲線。曲線形態(tài)巖石特性代表巖石直線型（彈脆性）具有很明顯的彈性特性的巖石石英巖 玄武巖下凹型（彈塑性）具有明顯的塑形變形的巖石石灰?guī)r 粉砂巖上凹型（塑彈性）具有較大的孔隙但較為堅硬的巖石片麻巖S型（塑彈塑型）多孔且具有明顯塑性的巖石大理石巖石應力應變?nèi)^程曲線：指在剛性試驗機上進行試驗所獲得的包括巖石達到峰值應力之后的應力應變曲線。壓密階段：巖石內(nèi)的微裂隙在外力

3、作用下發(fā)生閉合，巖石壓密。曲線上凹，應變率隨應力增加而減小，為不可恢復的塑性變形。彈性階段：初期裂隙壓密后，巖石強度暫趨穩(wěn)定。曲線近似呈直線，彈性模量為常熟，很大程度上為可恢復的彈性變形。（彈性模量 泊松比）塑性階段：曲線呈下凹狀，有應變軟化現(xiàn)象；塑性變形，變形不可恢復。應變軟化階段：曲線斜率為負，軟化現(xiàn)象顯著，試件承載力隨變形的增大而迅速下降。摩擦階段：僅表現(xiàn)了巖石產(chǎn)生宏觀的斷裂面后，斷裂面的摩擦所具有的抵抗外力的能力。巖石強度巖石在荷載作用下破壞時所承受的最大荷載應力分類抗壓強度（單軸、三軸）、抗剪強度、抗拉強度影響因素1.承壓板端部的摩擦力及其剛度2.試件尺寸及形狀：形狀：圓形試件不易產(chǎn)

4、生應力集中，且易達到有關(guān)加工精度要求。尺寸：試件強度常隨其尺寸的增大而減?。ǔ叽缧?宜取4-6cm且大于礦物顆粒直徑10倍以上；高徑比：取(23)時強度趨于穩(wěn)定。3.加載速率：加載速率越大，表現(xiàn)強度越高。4.含水量：含水量越大強度越低，巖石越軟越明顯。5.溫度：180以下不明顯，大于180濕度越高強度越小。假三軸試驗（圍壓相等）巖石變形特性：1.巖石的屈服應力隨圍壓的增加而提高。2.彈性模量變化不大，有隨圍壓增加而增大的趨勢。3.隨著圍壓的增加，峰值應力所對應的應變值有所增大。巖石變形特性明顯地由低圍壓下的脆性特性轉(zhuǎn)向高圍壓下的塑性特性。巖體的力學特征不連續(xù)性 巖體受結(jié)構(gòu)面的隔斷，多為不連

5、續(xù)介質(zhì)，但巖塊本身可作為連續(xù)介質(zhì)看待。各向異性 結(jié)構(gòu)面有優(yōu)先位向排列的趨勢，隨著受力巖體的結(jié)構(gòu)取向不同力學性質(zhì)也各異。不均勻性 結(jié)構(gòu)面的方向、分布、密度及結(jié)構(gòu)體的大小、形狀和鑲嵌狀況等在各部位都很不一致，造成巖體的不均勻性。賦存地質(zhì)因子 在一定的地質(zhì)環(huán)境中，巖體賦存有不同于自重應力場的地應力場、水、氣、溫度以及地質(zhì)歷史遺留的形跡等。流變性：巖石在外部條件不變的條件下，應力或應變隨時間而變化的性質(zhì)。包含：蠕（徐）變巖石在恒定外力作用下，應變隨時間推移而增長的特性。應力松弛在應變保持不變的情況下，應力隨時間的推移而減小的特性。長期強度在長期荷載的作用下巖石的強度。典型蠕變曲線瞬態(tài)蠕變階段（AB）加

6、載一定時間后巖石產(chǎn)生蠕變，蠕變曲線下凹，應變率隨時間增長而減?。蝗粜遁d，瞬時彈性應變恢復，之后出現(xiàn)彈性后效。穩(wěn)定蠕變階段（BC）加載應變與時間呈直線變化，應變速率為常數(shù)；若卸載，有瞬時彈性應變恢復，有彈性后效，有部分不可恢復的永變應變。非穩(wěn)態(tài)蠕變階段（C以后）應變速率劇烈增加，曲線上凹，經(jīng)過短暫的時間后試件將發(fā)生破壞。影響巖石蠕變的因素1.巖石礦物成分2.應力水平（低應力只產(chǎn)生前兩個階段，試件不破壞，變形趨于穩(wěn)定值。高應力第二階段較短暫，迅速進入第三階段直至破壞。中等應力才能產(chǎn)生完整蠕變曲線）3.溫度與濕度基本力學介質(zhì)模型表征彈性具有一定剛度的彈簧塑性一滑塊置于粗糙平面上（摩擦器）粘性粘壺常用

7、巖石介質(zhì)模型表述彈塑性彈簧與摩擦器 串聯(lián)粘彈性馬克斯韋爾彈簧與粘壺 串聯(lián)凱爾文彈簧與粘壺 并聯(lián)庫侖巖石破壞為剪切破壞；抵抗剪切破壞的能力：內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦力莫爾不論巖石處于何種應力狀態(tài)，破壞均為剪切破壞；在破壞面上，剪切破壞力的一部分用來克服粘結(jié)力，使材料顆粒間相脫離；另一部分用來克服與正應力成正比的摩擦力，使面間發(fā)生錯動而最終破壞。格里菲斯不論巖石受力狀態(tài)如何，最終在本質(zhì)上都是拉伸應力引起巖石破壞。評價庫侖強度理論是莫爾強度理論的直線形式。莫爾強度理論使用方便，物理意義明確，但忽視了中間應力的作用。格氏理論推導巖石抗壓強度為抗拉強度的8倍，反映了巖石的真實情況，較好證明了巖石在任何應力狀態(tài)下都

8、是由于拉伸引起破壞。莫爾理論適用于塑性巖石，及脆性巖石的剪切破壞。格氏理論適用于脆性巖石及材料破壞。格里菲斯強度理論 的基本思路及其使用條 脆性材料的內(nèi)部存在著許多裂紋，在外力作用下，微裂紋的尖端附近產(chǎn)生很大的應力集中，當作用在裂紋尖端處的有效應力達到形成新裂紋所需的能量時，裂紋沿著與最大拉應力成直角的方向擴展，繼而產(chǎn)生連接、貫通，最終導致宏觀破裂。格里菲斯強度理論適用于脆性巖石的拉破壞情況。擴容:巖石受外力作用后，發(fā)生的不可逆的非線性的體積膨脹。原因:巖石試件在不斷加載過程中，由于試件中微裂紋的張開、擴展、貫通等現(xiàn)象的出現(xiàn)，巖石內(nèi)的孔隙不斷增大，促使其在宏觀上表現(xiàn)體積增大。巖體結(jié)構(gòu)基本類型塊

9、狀（節(jié)理少，層厚）；鑲嵌（結(jié)構(gòu)面較多，由斜交結(jié)構(gòu)面）；碎裂（碎塊狀）；層狀（板狀）；層狀碎裂（小碎塊體）；散體（顆粒狀，碎屑狀）結(jié)構(gòu)面定量描述參數(shù)產(chǎn)狀（結(jié)構(gòu)面的空間分布狀態(tài)）走向，傾向，傾角間距（同組相鄰結(jié)構(gòu)面法線方向上該組結(jié)構(gòu)面的平均距離）延展性（在一個暴露面上能看見的結(jié)構(gòu)面跡線的長度）粗糙度和起伏度（相對于結(jié)構(gòu)面的平均平面的不平整度）面壁抗壓強度（結(jié)構(gòu)面兩側(cè)巖壁的等效抗壓強度）開度與充填物（結(jié)構(gòu)面兩面壁間的垂直距離，處在結(jié)構(gòu)面縫隙中的物質(zhì)）滲透性（結(jié)構(gòu)面中是否存在滲流及滲流量）流速，流量結(jié)構(gòu)面組數(shù)與巖塊尺寸結(jié)構(gòu)面的存在構(gòu)成了對巖體的切割，影響了巖體的完整性。（巖體破碎程度）裂隙度：沿著某個

10、取樣線方向，單位長度上節(jié)理的數(shù)量。切割度：單位面積巖體中結(jié)構(gòu)面面積所占比例。結(jié)構(gòu)面法向變形（法向閉合變形法向彈性變形）結(jié)構(gòu)面剪切位移（剪切位移曲線）有充填結(jié)平面接觸無充填齒狀接觸部分充填齒狀接觸軟弱式接觸 有充填結(jié)平面接觸。結(jié)構(gòu)面之間被膠結(jié)物質(zhì)充填，初始抗剪強度較大，充填物被剪壞后，接觸面變?yōu)槠矫娼佑|，抗剪強度迅速下降至殘余強度。此時，初始強度即為最大強度，由充填物質(zhì)的抗剪強度決定，而殘余強度受充填物質(zhì)的顆粒級配、結(jié)構(gòu)壁的強度和形態(tài)等因素的影響。 無充填齒狀接觸。隨著剪應力的增加，上下接觸面逐漸進入起伏齒接觸，結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)向上（剪脹）或向下（剪縮）的位移，當部分起伏齒被剪壞時，達到初始強度。隨著

11、位移的增加，起伏齒被剪壞的面積逐漸增大，受剪面積逐漸減小并產(chǎn)生應力集中，直至剪切面縮小至足以使起伏齒全部被剪壞，達到最大強度，結(jié)構(gòu)面變成平面接觸進入殘余變形階段。 部分充填齒狀接觸。結(jié)構(gòu)面內(nèi)有部分充填物質(zhì)，當充填物質(zhì)被剪壞時，結(jié)構(gòu)面達到初始強度并開始進入齒狀接觸，以后的變形同無充填齒狀接觸，并出現(xiàn)二次強化現(xiàn)象。 軟弱式接觸。結(jié)構(gòu)面兩壁巖石比較軟弱，沒有起伏齒狀剪壞現(xiàn)象，但顯示出明顯的塑性變形，并伴隨強化現(xiàn)象。其強度隨位移增加而增加，直至塑性破壞。結(jié)構(gòu)面的剪切強度1.面摩擦2.楔效應摩擦3.轉(zhuǎn)動摩擦4.滾動摩擦摩擦系數(shù)影響因素 結(jié)構(gòu)面的性質(zhì) 接觸面的光滑程度 結(jié)構(gòu)面的濕度 結(jié)構(gòu)面中充填物的粘結(jié)度

12、 滑移速度 溫度 振動狀態(tài)巖體的應力應變曲線 巖石受到壓縮荷載后，開始是彈性變形，隨著荷載的增加，彈性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄巫冃?，但塑形變形一般很小，故可認為巖石材料的破壞屬脆性破壞。 巖體中存在節(jié)理，當巖體受到壓縮荷載時，會產(chǎn)生節(jié)理的閉合或節(jié)理中充填物的變形。這些變形有些是可恢復的，有些不可恢復。1.曲線上凹，節(jié)理閉合或節(jié)理中充填物變形，不屬于線彈性。2.直線關(guān)系，屬于線彈性階段，大部分變形可逆，主要表現(xiàn)為充填物的變形。3.曲線下凹，開始塑性變形或開始破裂，伴有結(jié)構(gòu)面剪切滑移變形。節(jié)理閉合后巖體變形曲線分類 直線型：反映巖體加壓過程中變形隨壓力成正比增加。 A-1型：曲線斜率陡，呈直線，巖體剛度大，退壓

13、后巖體變形幾乎恢復到原點，以彈性變形為主。 A-2型：曲線斜率緩，呈直線，巖體剛度低，退壓后巖體變形只能部分恢復，有明顯的不可恢復變形和回滯環(huán)，巖體變形不是彈性的。 B-1型：每次加壓曲線的斜率隨著加壓退壓循環(huán)次數(shù)增加逐漸變大，即巖體剛度增大，各退壓曲線較緩且相互近于平行，變形系數(shù)隨壓力增加而減小，巖體彈性變形逐漸增大。 B-2型：加壓曲線斜率隨壓力增大而逐漸變大，即巖體剛度增大，各卸荷曲線很陡，在卸荷后，變形大部分不可恢復。 下凹型：每次加壓曲線在應力較小時近于平行，而有應力較大時逐漸變緩，變形系數(shù)隨壓力增加而增加。 復合型：巖體受壓時的力學行為復雜，同時巖體受壓的邊界條件又隨壓力的增大而改

14、變。巖體變形模量按 應力應變曲線 求變形模量：壓應力 p為永久應變 e為彈性應變按 現(xiàn)場巖體變形機理 求變形模量按 等價的連續(xù)巖體模型 求變形模量巖體與巖石的變形巖體的變形包括體積變形、形狀變形、位置變形，總體而言分為： 結(jié)構(gòu)體變形（包括材料的彈性、塑性和粘性以及結(jié)構(gòu)體的滾動和轉(zhuǎn)動變形） 結(jié)構(gòu)面變形（包括壓縮閉合或擠出變形、錯動或滑動流動變形等）巖石由于整體比較完整不存在結(jié)構(gòu)面，故巖石的變形主要是結(jié)構(gòu)體的變形而沒有結(jié)構(gòu)面的變形。工程巖體分類的目的和原則 從工程實際需求出發(fā)，對工程建筑物基礎(chǔ)或圍巖的巖體進行分類，并根據(jù)其好壞，進行相應的試驗，賦予它必不可少的計算指標參數(shù)，以便于合理地設計和采取相

15、應的工程措施，達到經(jīng)濟，合理，安全的目的。有明確的類級和適用對象；有定量的指標；類級一般分五級為宜；分類方法簡單明了，數(shù)字便于記憶和應用；根據(jù)適用對象，選擇考慮因素。影響巖體分類的主要因素（1）巖石材料的質(zhì)量。主要表現(xiàn)在巖石的強度和變形性質(zhì)方面。（2）巖體的完整性。（3）水的影響。使巖石及結(jié)構(gòu)面充填物的物理力學性質(zhì)劣化 沿巖體結(jié)構(gòu)面形成滲透，影響巖體的穩(wěn)定性。（4）地應力。對地下工程的穩(wěn)定性影響非常大。巖石質(zhì)量指標RQD（修正的巖芯采取率）：采取巖芯總長度（10cm）與鉆孔在巖層中的長度之比。0-25% 極差25%-50% 差50%-75% 中等75%-90% 好90%-100% 極好巴頓隧道

16、工程的Q分類 巖體的質(zhì)量指標RQD節(jié)理組數(shù)系數(shù)節(jié)理粗糙度系數(shù)節(jié)理蝕變系數(shù)地下水影響系數(shù)應力折減系數(shù)SRF我國工程巖體分級標準定量指標1.巖石堅硬程度（巖石單軸飽和抗壓強度）2.巖體完整程度（巖體完整性指數(shù)）巖體（石）彈性縱波速度比定性確定依然采用上述兩參數(shù)，但主要靠人對工程巖體進行實際觀察。巖體基本質(zhì)量指標（BQ）： 時取時取工程巖體質(zhì)量指標修正值【BQ】= BQ-100（K1+K2+K3）地下水影響主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響初始應力狀態(tài)影響巖體的初始應力（地應力）：巖體在天然狀態(tài)下所存在的內(nèi)在應力。 【由巖體的自重和地質(zhì)構(gòu)造運動所引起】初始應力場：自重應力場和構(gòu)造應力場自重應力: 側(cè)壓力系數(shù) 上

17、覆巖體重度影響初始應力狀態(tài)的因素：地質(zhì)構(gòu)造，自重應力。地形，地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)，巖體力學性質(zhì)，水，溫度。巖體初始應力場的分布規(guī)律1.巖體初始應力場是一個非穩(wěn)定應力場。 絕大部分是以水平應力為主的三向不等壓空間應力場，三個主應力大小和方向隨時間和空間變化而變化。2.實測垂直應力基本上等于上覆巖體重量。v=0.027H3.水平應力普遍大于垂直應力。4.平均水平應力與垂直應力的比值（側(cè)壓力系數(shù)）隨深度增加而減小。5.水平主應力隨深度呈線性增長關(guān)系。6.兩個水平主應力一般相差較大，顯示出很強的方向性。比值通常為0.20.8測量方法：水壓致裂，應力接觸，應力恢復，聲發(fā)射等圍巖：由于人工開挖使巖體的應力狀態(tài)發(fā)生

18、了變化，應力狀態(tài)被改變了的巖體。二次應力狀態(tài)：應力重分布后，無支護狀態(tài)下巖體的應力狀態(tài)。圍巖壓力：（狹義）圍巖和支護為兩個獨立體系，圍巖作用于支護上的壓力稱為圍巖壓力。（廣義）支護與圍巖是一個共同體，二次應力的全部作用力視為圍巖壓力。圍巖壓力分類：松動壓力，形變壓力，沖擊壓力，膨脹壓力松動壓力：部分巖體的重量直接作用在支護結(jié)構(gòu)上的壓力。形變壓力：圍巖緩慢的塑性變形作用在支護上形成的壓力。沖擊壓力：由于巖爆現(xiàn)象而產(chǎn)生的壓力。 圍巖處于高應力場條件下所產(chǎn)生的巖片（快）飛射拋散，以及洞壁片狀剝落等現(xiàn)象。 破裂松脫，爆裂彈射，爆炸拋射。膨脹壓力：由于洞室膨脹而產(chǎn)生的壓力。 圍巖常常發(fā)生不失去整體性的膨

19、脹變形和位移，表現(xiàn)在頂板下沉、地板隆起和兩幫擠出，并在支護結(jié)構(gòu)上形成形變壓力的現(xiàn)象。影響圍巖壓力的主要因素地質(zhì)因素：（1）巖體完整性或破碎程度（2）巖體的性質(zhì)和強度（3）地下的活動狀況（4）結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、分布密度、力學性質(zhì)、充填物性質(zhì)及其充填狀態(tài)工程因素：（1）洞室的形狀和尺寸（2）支護結(jié)構(gòu)的形式和剛度 （3）洞室的埋置深度或覆蓋層厚度（4）施工中的技術(shù)措施洞室工程支護作用：1.在松動壓力作用下，支護承受松動或塌落巖體的自重，起承載結(jié)構(gòu)作用。 2.在塑性形變壓力下，支護用來限制圍巖變形，起維持圍巖穩(wěn)定的作用。形式：1.外部支護：襯砌 2.內(nèi)（自）承支護：通過化學或水泥灌漿、錨桿、噴射混凝土等方

20、式加固圍巖，增強圍巖的自承能力，從而增強圍巖的穩(wěn)定性?，F(xiàn)場監(jiān)測內(nèi)容：1.洞室內(nèi)壁的收斂位移 2.支護與圍巖交界面的壓力3.錨桿所受的應力 4.洞周巖體的各點位移新奧法定義： 以維護和利用圍巖的自承能力為基點，采用錨桿和噴射混凝土為主要支護手段，及時進行支護，控制圍巖的變形和松弛，使圍巖成為支護體系的組成部分，并通過對圍巖和支護的量測、監(jiān)控來指導隧道施工和地下工程設計施工的方法和原則。新奧法精髓：1.提出“二次應力作用”和“結(jié)構(gòu)面切割”是巖體失穩(wěn)的主要因素。2.洞室開挖后產(chǎn)生的圍巖壓力由“巖體與支護結(jié)構(gòu)”共同承擔。新奧法要點：1.開挖作業(yè)盡量采用大斷面開挖，以減少對圍巖的擾動。2.開挖后盡量利用

21、圍巖的自承能力，充分發(fā)揮圍巖自身的支護作用。3.盡量使斷面周邊輪廓圓順，避免棱角突變處出現(xiàn)應力集中。4.支護剛度不必很大，當支護做完后使之能與巖體一起產(chǎn)生少量位移，釋放掉部分能量，但支護又能控制巖體的位移，使支護足以保持巖體穩(wěn)定。（柔性支護）5.盡早進行支護，以防止巖體過分地松動和風化。（早期支護）6.通過施工中對圍巖和支護的動態(tài)觀察、測量，合理安排施工程序，進行設計變更及日常的施工管理。支護-圍巖共同作用 圍巖既是生產(chǎn)支護荷載的主體，又是承受巖層荷載的結(jié)構(gòu)，支護-圍巖作為整體相互作用，共同承擔圍巖壓力。圍巖壓力是變形壓力和松動壓力的組合，大部分壓力(特別是變形壓力)由圍巖自身承擔，只有少部分

22、轉(zhuǎn)移到支護結(jié)構(gòu)上；支護荷載既取決于圍巖的性質(zhì)，又取決于支護結(jié)構(gòu)的剛度和支護時間；圍巖的松動區(qū)和圍巖內(nèi)的二次應力狀態(tài)又與支護結(jié)構(gòu)的性質(zhì)和支護時間有關(guān)。影響邊坡穩(wěn)定性的因素巖體自然因素：巖性、結(jié)構(gòu)、地應力、地形地貌擾動因素：水的作用、風化作用、地震人為因素：邊坡不合理的開挖設計及爆破、加載等邊坡巖體的變形1.卸荷回彈：成坡前邊坡巖體在初始應力作用下早已固結(jié)，成坡過程中，由于荷載不斷減少，邊坡巖體在減荷方向（臨空面）必然產(chǎn)生伸長變形，即卸荷回彈。2.蠕變：邊坡巖體在自重應力為主的坡體應力長期作用下，向臨空面方向緩慢而持續(xù)的變形，即邊坡蠕變。邊坡巖體的破壞崩塌。塊狀巖體與巖坡分離，并向前翻滾而下。滑坡。巖體在重力作用下沿坡內(nèi)軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生的整體滑動。巖塊流動。巖塊流動起因是巖體內(nèi)部的脆性破壞，常發(fā)生在均質(zhì)堅硬巖層中，沒有明顯的滑動扇形體，破壞面極不規(guī)則，沒有一定的形狀。巖層曲折。當巖層成層狀沿坡面分布時，由于巖層本身的重力作用，或由于裂隙水的冰脹作用，增加了巖