巖石力學(xué)考試復(fù)習(xí)資料

1、巖石力學(xué)是研究巖石的力學(xué)性質(zhì)的一門理論與應(yīng)用科學(xué)；它是力學(xué)的一個(gè)分支；它探討巖石對(duì)其周圍物理環(huán)境中力場(chǎng)的反應(yīng)。巖石力學(xué)的幾個(gè)特點(diǎn)：天然材料；非連續(xù)介質(zhì)；釋放載荷；工程巖石力學(xué)為各類建筑工程及采礦工程等服務(wù)的巖石力學(xué)，重點(diǎn)是研究工程活動(dòng)引起的巖體重分布應(yīng)力以及在這種應(yīng)力場(chǎng)作用下工程巖體（如地下工程、邊坡工程、巖基工程等）的變形和穩(wěn)定性。構(gòu)造巖石力學(xué)為構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、找礦及地震預(yù)報(bào)等服務(wù)的巖石力學(xué)，重點(diǎn)是探索地殼深部巖體的變形與斷裂機(jī)理，為此需研究高溫高壓下巖石的變形與破壞規(guī)律以及與時(shí)間效應(yīng)有關(guān)的流變特征。破碎巖石力學(xué)為掘進(jìn)、鉆井及爆破工程服務(wù)的巖石力學(xué)，主要是研究巖石的切割和破碎理論以及巖體動(dòng)力學(xué)特

2、性。研究方法：工程地質(zhì)研究方法、科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法、數(shù)學(xué)力學(xué)分析方法、整體綜合分析方法。地下工程的特點(diǎn)：巖石在結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)上與其他材料不同，如巖石具有節(jié)理和塑性段的擴(kuò)容（剪脹）現(xiàn)象等；地下工程是先受力（原巖應(yīng)力），后挖洞（開(kāi)巷）；深埋巷道屬于無(wú)限域問(wèn)題，影響圈內(nèi)自重可以忽略；大部分較長(zhǎng)巷道可作為平面應(yīng)變問(wèn)題處理；圍巖與支護(hù)相互作用，共同決定著圍巖的變形及支護(hù)所受的荷載與位移；地下工程結(jié)構(gòu)容許超負(fù)荷時(shí)具有可縮性；地下工程結(jié)構(gòu)在一定條件下出現(xiàn)圍巖抗力；幾何不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)在地下可以是穩(wěn)定的。巖塊：是指不含顯著結(jié)構(gòu)面的巖石塊體，是構(gòu)成巖體的最小巖石單元體。巖體：是指地質(zhì)歷史過(guò)程中形成的，由巖塊和結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)組成

3、的，具有一定的結(jié)構(gòu)并賦存于一定的天然應(yīng)力狀態(tài)和地下水等地質(zhì)環(huán)境中的地質(zhì)體。內(nèi)力地質(zhì)作用：動(dòng)力來(lái)自地球本身，并主要發(fā)生在地球內(nèi)部，按其作用方式可分為四種：構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、巖漿作用、變質(zhì)作用、地震。外力地質(zhì)作用：風(fēng)化作用、剝蝕作用、搬運(yùn)作用、沉積作用、 固結(jié)成巖作用。巖石的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量等力學(xué)參數(shù)取決于巖石的組成結(jié)構(gòu)、礦物顆粒性質(zhì)以及微觀裂隙等。影響因素：壓力試驗(yàn)機(jī)的剛性；承壓板與試件端面的摩擦；試件幾何形態(tài)（形狀、高徑比和尺寸）；加載速度。巖石試件單軸受壓時(shí)，由于受到多種因素的干擾，真實(shí)的破裂形式不大明確，常常觀察到的是剪切破壞、錐形破壞和劈裂破壞，對(duì)試件破壞形態(tài)影響最大的是端面摩擦約束效應(yīng)，

4、對(duì)于比較堅(jiān)硬的脆性巖石，當(dāng)采取減少端面摩擦約束的措施時(shí)，出現(xiàn)縱向劈裂破壞。承壓板變形對(duì)試件端面周邊的約束。由于試驗(yàn)機(jī)承壓板大于試件端面，加載時(shí)承壓板因受力而變形，對(duì)試件的周邊產(chǎn)生橫向約束；同時(shí)承壓板的變形還會(huì)改變對(duì)試件作用的縱向應(yīng)力分布。端面摩擦。試件發(fā)生橫向變形時(shí)，承壓板對(duì)試件端面產(chǎn)生摩擦力，從而影響試件的應(yīng)力分布。減少試件端面摩擦的方法：1、可選用與試件端面相同、側(cè)面膨脹相同(即泊松比/彈模E值相等)的金屬塊加于試件兩端，以消除端面效應(yīng)，那么在彈性階段端部效應(yīng)就不出現(xiàn)。多數(shù)巖石都可找到適當(dāng)?shù)慕饘佟?、在試件端面與承壓板之間嵌放適宜的薄層材料，如二硫化鉬，附加有滑石的硬酯酸、聚四氯乙烯、硬紙

5、板、金屬薄板等。巴西法(即劈裂法)簡(jiǎn)單易行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果最接近直接法而獲得廣泛應(yīng)用。為保證巴西試驗(yàn)的正確性，要求圓盤(pán)的破壞從試件中心開(kāi)始,并沿加載方向發(fā)展，即破裂面平行于加載方向。根據(jù)格林菲斯理論分析巴西法試驗(yàn)得出如下結(jié)論：加荷墊條角度（或?qū)挾龋┹^小時(shí)，計(jì)算公式為： 式中：F荷載； r0 、t 圓盤(pán)半徑與厚度。抗剪強(qiáng)度的概念有四種：純剪應(yīng)力狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度、在垂直破壞面的正應(yīng)力等于零的條件下破壞時(shí)的剪應(yīng)力、固體力學(xué)中取決于施加應(yīng)力的剪力圖解、摩爾應(yīng)力包絡(luò)線。抗壓強(qiáng)度 、抗拉強(qiáng)度 、抗剪強(qiáng)度 和粘結(jié)力 的相關(guān)關(guān)系如下： ( 的系數(shù)變化范圍為620) ( 的系數(shù)變化范圍為2.57.5) ( 的系數(shù)變化

6、范圍為0.31.1)圍壓效應(yīng)可以總結(jié)如下：1、隨圍壓的增加，巖石強(qiáng)度增大。2、巖石隨圍壓的增加，延性變形逐漸增大，當(dāng)圍壓達(dá)到一定值后，巖石由線彈性材料轉(zhuǎn)變?yōu)閺椝苄圆牧稀?、巖石越堅(jiān)硬，則脆性延性轉(zhuǎn)變所需的圍壓值越高。4、巖石試件的破壞形態(tài)，由圍壓為零時(shí)的劈裂破壞，隨圍壓的增大而逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐约羟忻嫘问降募羟衅茐?、以剪切帶形式的剪切破壞，以至演變?yōu)檠有宰冃巍?、微觀觀測(cè)以及聲發(fā)射和彈性波速等測(cè)試表明，在脆性延性轉(zhuǎn)變前后，巖石都有微破裂發(fā)生。中間主應(yīng)力2對(duì)最大主應(yīng)力1極限荷載的影響：在應(yīng)力空間中巖石強(qiáng)度極限構(gòu)成一個(gè)曲面，曲面上每一點(diǎn)都代表巖石發(fā)生破壞時(shí)的一種應(yīng)力組合。許多試驗(yàn)設(shè)計(jì)都是給最小主應(yīng)力3一

7、個(gè)定值，測(cè)試不同的2值時(shí)的最大主應(yīng)力1的極限荷載。由圖可以看出：在3一定的條件下， 1c2曲線類似于拋物線，曲線前段1c隨2 的增大而增大， 1c取得極大值后，在曲線的后段1c隨2的增大而減小。根據(jù)表可以得出如下結(jié)論：各種巖石都存在中間主應(yīng)力效應(yīng)。根據(jù)所收集的資料，花崗巖中間主應(yīng)力效應(yīng)最大。中間主應(yīng)力影響系數(shù)一般為0.20.5。根據(jù)已有資料，的平均值為0.30（不計(jì)表中的最大值0.75， 該值偏差過(guò)大），即中間主應(yīng)力可使1c增大30%。對(duì)于同一種巖石， 值與3有比較明顯的相關(guān)關(guān)系。如：根據(jù)紅砂巖實(shí)驗(yàn)資料，當(dāng)3/0分別為0，0.08，0.06時(shí), 值則分別為0.38，0.34，0.25。2荷載的

8、加載鋼塊(或鋼板)與試件端面的摩擦力是影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最主要因素。巖石流變?cè)囼?yàn)巖石試件破壞形態(tài)：巖石試件的最終破壞面方位介于劈裂破壞和剪切破壞之間。從破壞過(guò)程看，最終破壞之前出現(xiàn)的宏觀裂紋基本上都是縱向裂紋，應(yīng)屬劈裂破壞。一段時(shí)間之后發(fā)生的宏觀破裂面有所傾斜，且在破壞時(shí)產(chǎn)生有大量的石粉，表明破壞時(shí)發(fā)生了劇烈的剪切摩擦，這可能是由于試件的受力不均勻而導(dǎo)致的承壓板滾動(dòng)造成的。宏觀破裂面的各局部仍然是劈裂形態(tài)。因此，單軸壓縮荷載下的蠕變破壞為劈裂破壞。巖石的全應(yīng)力應(yīng)變曲線：應(yīng)力應(yīng)變曲線可以分為四個(gè)階段： 原生裂隙的壓縮閉合階段； 線彈性變形階段； 裂隙穩(wěn)定擴(kuò)展階段(穩(wěn)定破裂階段)； 裂隙非穩(wěn)定擴(kuò)展階段

9、(不穩(wěn)定破壞階段)。 擴(kuò)容是指巖石在應(yīng)力作用下，形變過(guò)程中體積的非線性增長(zhǎng)。擴(kuò)容是巖石內(nèi)部微裂隙擴(kuò)展的結(jié)果，是巖石破壞的一種前兆現(xiàn)象。對(duì)于擴(kuò)容有不同的定義。有人把某一給定的平均應(yīng)力下測(cè)出的體積應(yīng)變與相應(yīng)的靜水壓力下的體積應(yīng)變之差值，確定為擴(kuò)容。還有人把瞬時(shí)泊松比超過(guò)0.5規(guī)定為擴(kuò)容。擴(kuò)容是指巖石在應(yīng)力作用下，形變過(guò)程中體積的非線性增長(zhǎng)。巖石的擴(kuò)容是由于微裂隙的擴(kuò)展造成的。而微裂隙的萌生與擴(kuò)展又是局部拉應(yīng)力引起的，局部拉應(yīng)力的成因是巖石的非均質(zhì)性。所以，從根本上說(shuō)巖石的擴(kuò)容是由巖石非均質(zhì)性造成的。單軸壓縮應(yīng)力狀態(tài)下巖石破壞過(guò)程的微觀觀測(cè)：還有人把瞬時(shí)泊松比超過(guò)0.5規(guī)定為擴(kuò)容。壓縮應(yīng)力狀態(tài)下，巖

10、石的破壞是內(nèi)部微裂隙擴(kuò)展的結(jié)果。為深入探討巖石破壞的微觀機(jī)理，許多學(xué)者運(yùn)用各種方法對(duì)巖石的微裂隙發(fā)展過(guò)程進(jìn)行了觀測(cè)。Tapponnier和Brace在掃描電子顯微鏡的觀察中，詳細(xì)揭示出在受力狀態(tài)下，花崗巖微破裂發(fā)展和各個(gè)變形階段 。觀測(cè)是在小圍壓下進(jìn)行的，隨軸向壓力的增大，最初的變化是：原有長(zhǎng)裂隙的橋結(jié)斷裂形成新的長(zhǎng)裂隙；已完全合攏的長(zhǎng)裂隙再次張開(kāi)； 在微斜長(zhǎng)石中見(jiàn)有少數(shù)新裂隙出現(xiàn)。根據(jù)微裂隙觀測(cè)，Paterson指出：與應(yīng)力峰值相關(guān)聯(lián)的破壞，首先是通過(guò)局部裂隙分布的發(fā)展使試件普遍弱化 ，而不是宏觀破裂的發(fā)生。從微觀上看 ，只是通過(guò)峰值以后，局部剪切破壞才變得明顯。巖漿巖的結(jié)構(gòu)是指礦物的結(jié)晶程

11、度和顆粒大小，構(gòu)造指的是不同礦物的排列與充填方式所反映出來(lái)的巖石外貌特征。變質(zhì)巖的結(jié)構(gòu)指的是礦物重結(jié)晶的程度，而構(gòu)造指的是礦物顆粒在排列方式上的定向性。沉積巖的結(jié)構(gòu)可分為碎屑的、泥質(zhì)的、化學(xué)的和生物的，而層理構(gòu)造則是其最顯著的特點(diǎn)。細(xì)觀力學(xué)，就是借助連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法，研究考慮細(xì)觀尺度的變形過(guò)程的固體的本構(gòu)關(guān)系，并把各種材料在破壞過(guò)程中的不均勻性作為研究的重點(diǎn)。首先，對(duì)于巖石的基本單元礦物顆粒，可以應(yīng)用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的分析計(jì)算方法。 進(jìn)而可以分析巖石的組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造對(duì)其力學(xué)性質(zhì)的影響。其中，重點(diǎn)是巖石的非均質(zhì)性。劈裂破壞是指在單軸壓應(yīng)力狀態(tài)下，巖石沿平行于壓力軸方向的裂開(kāi)。圍壓效應(yīng)圍壓效應(yīng)主要

12、包含三個(gè)方面：隨圍壓的增加，發(fā)生脆性韌性轉(zhuǎn)變；隨圍壓的增加，巖石強(qiáng)度1c增大；隨圍壓增加，剪切破壞面與軸向應(yīng)力1方向的夾角由小變大. 相對(duì)于單向壓應(yīng)力狀態(tài)，圍壓的施加，減小或完全抵消了由于巖石非均質(zhì)性形成的橫向張應(yīng)力。隨圍壓增大，巖石各點(diǎn)橫向均處于壓應(yīng)力狀態(tài)。因而，巖石形成軸向張裂紋的可能性逐漸減小，取而代之的是在巖石破壞前，巖石中形成兩組共軛的剪斷性微裂紋，所以，發(fā)生脆性韌性轉(zhuǎn)變。而巖石強(qiáng)度的增加和破裂角的增大，則可應(yīng)用摩爾庫(kù)侖強(qiáng)度理論來(lái)解釋。庫(kù)侖準(zhǔn)則的適用條件：1、 由于庫(kù)侖準(zhǔn)則是壓剪破壞準(zhǔn)則，所以適用于3 0時(shí)的壓剪破壞。而在簡(jiǎn)單應(yīng)力狀態(tài)下如單軸拉伸、單軸壓縮、純剪應(yīng)力，巖石的破壞分別為

13、拉伸破壞、劈裂破壞和壓拉破壞，所以應(yīng)該分別使用單軸抗拉強(qiáng)度、單軸抗壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度值作為其強(qiáng)度判據(jù)。2、另一方面，庫(kù)侖準(zhǔn)則是線性準(zhǔn)則，因而更適用于3 較小時(shí)的情形。如果3 較大，則可考慮應(yīng)用下述的摩爾準(zhǔn)則。3、再就是庫(kù)侖準(zhǔn)則沒(méi)有考慮中間主應(yīng)力2 的作用。摩爾強(qiáng)度準(zhǔn)則：反應(yīng)了應(yīng)力應(yīng)變間的非線性關(guān)系，但是忽略了中間主應(yīng)力的影響，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的出入。另外，該判據(jù)只適用于剪破壞，受拉區(qū)的適用性需進(jìn)一步探討，并且不適用于膨脹或蠕變破壞。規(guī)范化處理，在這里就是把各種巖石的真三軸壓力試驗(yàn)中三個(gè)主應(yīng)力，都除以其巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，使其變成無(wú)量綱值。裂紋的基本類型：第一種稱為張開(kāi)型或拉伸型，簡(jiǎn)稱型， 其裂紋

14、面的位移方向是使裂紋張 開(kāi)的裂紋面法線方向(y方向)。第二種裂紋型稱為同平面剪切型或者滑移型，簡(jiǎn)稱型，裂紋上下表面的位移方向剛好相反，但一個(gè)向正x方向，一個(gè)向負(fù)x方向。與裂紋擴(kuò)展方向平行。第三種稱為反平面剪切型，簡(jiǎn)稱型，其裂紋面法向?yàn)閥軸向，裂紋面擴(kuò)展方向?yàn)閤軸向，其裂紋面的位移方向分別是正、負(fù)z方向。與裂紋擴(kuò)展方向垂直。巖石斷裂力學(xué)問(wèn)題主要表現(xiàn)為如下幾個(gè)方面：壓剪應(yīng)力狀態(tài)下閉合裂紋的擴(kuò)展判據(jù)；多裂紋條件下裂紋擴(kuò)展與巖體工程穩(wěn)定性的關(guān)系；巖石斷裂韌度測(cè)試方法。損傷，是指材料在一定應(yīng)力狀態(tài)下，其力學(xué)性能的劣化。損傷力學(xué)與斷裂力學(xué)、疲勞分析理論全都屬于破壞力學(xué)，是研究物質(zhì)不可逆的破壞過(guò)程的科學(xué)。從

15、狹義上說(shuō)，可以認(rèn)為損傷力學(xué)是使用宏觀理論解決的微觀斷裂力學(xué)，也就是利用宏觀理論分析與解決在宏觀裂紋出現(xiàn)以前微觀缺陷、微裂紋、微孔穴的發(fā)生與發(fā)展過(guò)程的科學(xué)。換句話說(shuō)，損傷力學(xué)研究的是由原始材料或構(gòu)件存在的微觀缺陷發(fā)展到出現(xiàn)宏觀裂紋的一段過(guò)程。將損傷理論應(yīng)用于巖體力學(xué)，主要需解決如下幾個(gè)方面的問(wèn)題 ：(1) 巖體節(jié)理裂隙的統(tǒng)計(jì)； (2) 壓、剪應(yīng)力狀態(tài)下，節(jié)理面閉合和摩擦作用對(duì)損傷變量的影響；(3) 如何確定損傷演變方程。巖石變形全應(yīng)力應(yīng)變曲線的基本特征：1、巖石的全應(yīng)力應(yīng)變曲線具有非線性，可以劃分為四個(gè)不同性質(zhì)的階段。2、巖石的變形在彈性極限之前，可以近似簡(jiǎn)化為線彈性。3、巖石的變形在彈性極限之

16、后，如果卸載，則顯出不可恢復(fù)的永久性變形，即存在塑性變形。4、在單軸壓縮條件下，巖石塑性變形的本質(zhì)是巖石細(xì)觀裂隙的發(fā)育、擴(kuò)展、材料破壞；在三軸壓縮條件下，巖石的塑性變形本質(zhì)是巖石礦物微觀結(jié)晶的晶格滑移。應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線中的非線性：1、向下彎的曲線（類型II）和S形曲線在高應(yīng)力時(shí)出現(xiàn)的下彎段，是由于高壓力作用下巖石內(nèi)部形成細(xì)微裂隙和局部破壞的緣故；2、而向上彎曲的曲線（類型III）以及S形曲線在低壓時(shí)出現(xiàn)的向上彎曲段，是由于巖石在壓力作用下其張開(kāi)裂隙或微裂隙閉合的結(jié)果。由于張開(kāi)裂隙或微裂隙閉合而引起的巖石變形是不可恢復(fù)的，這屬于塑性變形的性質(zhì)。3、此外，在裂隙兩側(cè)面上一般并不光滑平整，而總是在裂

17、隙面上有高低不平的“丘狀”部分。裂隙閉合過(guò)程中，裂隙面上的“丘狀”部分先接觸，這些“丘狀”部分就產(chǎn)生彈性變形。隨著荷載的增加，這些“丘狀”部分接觸處的總面積也就增大，而“丘狀”部分的高度減小，這就決定著應(yīng)力應(yīng)變曲線的非線性性質(zhì)（非線性彈性）。這一部分曲線的長(zhǎng)度根據(jù)巖石裂隙性的狀態(tài)和性質(zhì)而定。4、在無(wú)裂隙的完整巖石中，一般實(shí)際上不出現(xiàn)這種性質(zhì)（類型I）。在應(yīng)力空間中，由不同的應(yīng)力途徑，材料從彈性狀態(tài)進(jìn)入屈服狀態(tài)。在應(yīng)力空間中，將這些屈服點(diǎn)連接起來(lái)，就形成一個(gè)區(qū)分彈性和塑性的分界面，稱為屈服面。描述這個(gè)屈服面的數(shù)學(xué)表達(dá)式稱為屈服函數(shù)，或稱為屈服條件。當(dāng) 時(shí)，材料處于彈性狀態(tài)，當(dāng) 時(shí)，材料處于塑性狀

18、態(tài)，這時(shí)材料對(duì)外部作用的反應(yīng)是彈塑性的，其具體情況很復(fù)雜。而 的狀態(tài)是不存在的。材料從自然狀態(tài)開(kāi)始第一次屈服的屈服條件叫初始屈服條件。因這時(shí)的內(nèi)變量 ，所以初始屈服條件不含內(nèi)變量，即： 當(dāng)產(chǎn)生了塑性變形，隨內(nèi)變量的增長(zhǎng)屈服條件的形式發(fā)生了變化，這時(shí)的屈服條件叫后繼屈服條件。屈服函數(shù)在幾何上可以看做是一族九維應(yīng)力空間中的超曲面。隨著內(nèi)變量的出現(xiàn)和發(fā)展，屈服面大小和形狀不發(fā)生變化的材料叫做理想塑性材料。對(duì)于大多數(shù)巖石材料來(lái)說(shuō)，屈服面的大小和形狀由于內(nèi)變量的出現(xiàn)和發(fā)展而變化。屈服面的這種變化規(guī)律叫硬化規(guī)律。流變：是指物體在外部條件不變的情況下，變形和應(yīng)力隨時(shí)間緩慢變化的物理現(xiàn)象。流變學(xué)的基本概念有：

19、1、蠕變：在應(yīng)力不變的條件下，應(yīng)變隨時(shí)間t逐漸增長(zhǎng)的現(xiàn)象。2、應(yīng)力松弛：在應(yīng)變不變的條件下，應(yīng)力隨時(shí)間t逐漸減小的現(xiàn)象。3、長(zhǎng)期強(qiáng)度：巖石所能承受的長(zhǎng)期持續(xù)荷載。4、彈性后效：在加載或卸載后，彈性應(yīng)變不是瞬時(shí)增減，而是逐漸增減(有一個(gè)時(shí)間過(guò)程)的力學(xué)現(xiàn)象。5、粘性流動(dòng)：蠕變一段時(shí)間后卸載，部分應(yīng)變永不恢復(fù)的力學(xué)現(xiàn)象。蠕變?nèi)A段：蠕變?nèi)A段即初始蠕變階段、第二蠕變階段和加速蠕變階。1、在初始蠕變階段，蠕變曲線的曲率小于0，開(kāi)始時(shí)蠕變速率較大，而后逐漸減小并趨向某一常數(shù)。2、在第二蠕變階段，蠕變速率為唯一常數(shù)。3、在加速蠕變階段，蠕變曲線的曲率大于0，蠕變速率不斷增大。蠕變?nèi)剑簬r石在不同級(jí)別(

20、大小)的長(zhǎng)期荷載作用下，其蠕變曲線具有不同的形態(tài)。應(yīng)力水平愈高，蠕變變形愈大。1、當(dāng)應(yīng)力水平較低，低于巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度時(shí)，巖石只出現(xiàn)初期蠕變，隨后蠕變不再增加，蠕變值穩(wěn)定為常數(shù)。2、當(dāng)應(yīng)力水平高于巖石長(zhǎng)期強(qiáng)度，但不是太大時(shí)，巖石不僅會(huì)出現(xiàn)初期蠕變，隨后蠕變還會(huì)出現(xiàn)第二蠕變階段，以某一速率持續(xù)發(fā)展，直至卸載或材料蠕變破壞。3、當(dāng)應(yīng)力水平更高時(shí)，巖石會(huì)出現(xiàn)加速蠕變階段巖體結(jié)構(gòu)面是在巖體生成過(guò)程中，以及生成后若干地質(zhì)年代中，受地質(zhì)構(gòu)造作用而形成的。巖體結(jié)構(gòu)面包括：微裂隙、片理、頁(yè)理、節(jié)理、層面、軟弱夾層、斷層及斷裂破碎帶等。在工程地質(zhì)中，把結(jié)構(gòu)面劃分為面、縫、層和帶。1、面是指巖塊間剛性接觸，無(wú)任何充

21、填的劈理、節(jié)理、層面和片理等；2、縫是指有充填物，而且具有一定厚度的裂縫；3、層是指巖層中相對(duì)的軟弱夾層，不僅是由不同物質(zhì)所組成，而且明顯存在上、下兩個(gè)層面，具有一定的厚度；4、帶是指具有一定寬度的構(gòu)造破碎帶、接觸破碎帶等。巖體的變形和強(qiáng)度，取決于構(gòu)成巖體的巖石力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)面力學(xué)性能。由于結(jié)構(gòu)面往往是巖體弱面，所以在一些巖體工程中，結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性能決定了工程的穩(wěn)定性，如邊坡的層面，大壩壩基中軟弱夾層，井巷工程中的斷裂破碎帶等。結(jié)構(gòu)面弱化了巖體的力學(xué)性能，決定了巖體工程的穩(wěn)定性，導(dǎo)致巖體的各向異性，成為巖體滲流的主要通道?？娎瞻吹刭|(zhì)破壞程度與結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)，把結(jié)構(gòu)面分成五大類型，即單個(gè)節(jié)理、節(jié)理

22、組、節(jié)理群、節(jié)理帶以及破壞帶或糜棱巖。在此大類型的基礎(chǔ)上，按充填節(jié)理中的材料性質(zhì)和程度以及糜棱巖化程度，將每種類型分成三個(gè)細(xì)類，分別為節(jié)理、風(fēng)化物充填節(jié)理、粘土充填節(jié)理。按結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)分類：按照結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)，結(jié)構(gòu)面可分為硬性結(jié)構(gòu)面(弱面)和軟弱結(jié)構(gòu)面(弱夾層)兩類。它們之間的區(qū)別在于：(1) 硬性結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度與兩側(cè)巖體的強(qiáng)度相差較小；而軟弱結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度則遠(yuǎn)小于兩側(cè)巖體；(2) 硬性結(jié)構(gòu)面的厚度很小，一般可以不計(jì)，如節(jié)理面、片理面、層理面屬于硬性結(jié)構(gòu)面；而軟弱結(jié)構(gòu)面是充填有一定厚度的軟、散、碎物質(zhì)的結(jié)構(gòu)面，軟弱夾層、斷層、層間錯(cuò)動(dòng)、破碎帶屬于軟弱結(jié)構(gòu)面。硬性結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)

23、在：改變巖體的應(yīng)力分布狀態(tài)和削弱巖體的力學(xué)性質(zhì)。尤其是成組的硬性結(jié)構(gòu)面，能使巖體的應(yīng)力、變形和強(qiáng)度顯示出各向異性。軟弱結(jié)構(gòu)面的力學(xué)特征與結(jié)構(gòu)面的形態(tài)和充填物的厚度有很大關(guān)系，粗糙起伏的結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度高，平直光滑的結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度低。充填物厚度很小時(shí)，結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度由充填面和結(jié)構(gòu)面壁兩者的力學(xué)性質(zhì)共同決定；而當(dāng)充填物厚度較大時(shí)，其力學(xué)性質(zhì)主要決定于充填物的性質(zhì)。描述巖體結(jié)構(gòu)面的幾何參量主要有：巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面的分布： 組數(shù)， 密度；單個(gè)結(jié)構(gòu)面的幾何形態(tài)： 傾向， 傾角， 延展長(zhǎng)度， 張開(kāi)度；結(jié)構(gòu)面內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀況： 充填物， 粗糙度， 起伏度。巖體結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)，是指結(jié)構(gòu)面在一定應(yīng)力狀態(tài)作用下的變形與強(qiáng)度

24、特性。首先，與巖石試件不同，巖體結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度是相互聯(lián)系的，共同反映在結(jié)構(gòu)面的變形過(guò)程中 ； 其次，在不同的應(yīng)力狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)面具有不同的力學(xué)特性，結(jié)構(gòu)面不具有抗拉能力，壓剪應(yīng)力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)面的變形性質(zhì)是其最重要的力學(xué)特征。再就是，巖體結(jié)構(gòu)面具有各種不同的結(jié)構(gòu)類型，其變形特性也就不同，應(yīng)分別計(jì)算分析。假設(shè)節(jié)理厚度為e，法向允許最大壓縮量(閉合量)為Vmc<e，節(jié)理面初始法向應(yīng)力為。在法向壓應(yīng)力作用下，壓縮量V與法向壓應(yīng)力具有如下函數(shù)關(guān)系： 其中，A和t是取決于節(jié)理面力學(xué)性能的力學(xué)參數(shù)。 當(dāng)A=t=1時(shí)，式(5-11)成為雙曲線形式。當(dāng)A1, t1時(shí)，則V 與 可成為各種形式的曲線類型，A

25、與t的值應(yīng)由實(shí)驗(yàn)曲線求得。裂隙介質(zhì)巖體的破壞方式與巖體的工程類型有關(guān)。與井巷、隧道和峒室有關(guān)的裂隙介質(zhì)巖體的破壞方式有：剪切破壞、劈裂破壞、撓曲破壞、坍塌破壞。與邊坡穩(wěn)定性相關(guān)的有：沿?cái)鄬用婊?、沿沉積層面滑坡、節(jié)理裂隙面貫通型滑坡。裂隙介質(zhì)巖體的強(qiáng)度介于巖石強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度之間。決定裂隙巖體強(qiáng)度的基本因素是巖石的強(qiáng)度，對(duì)巖體強(qiáng)度影響最大的因素是結(jié)構(gòu)面的特征(大小、密度、方向和性質(zhì)等)，另外就是環(huán)境因素如地應(yīng)力、水、溫度等。1、結(jié)構(gòu)面的方向與應(yīng)力場(chǎng)的相對(duì)關(guān)系：當(dāng)結(jié)構(gòu)面方向與巖體最大剪應(yīng)力方向的夾角較小時(shí)，巖體更易于破壞。2、圍壓的作用：當(dāng)有較大的圍巖時(shí)，裂隙巖體的力學(xué)性質(zhì)和力學(xué)參數(shù)會(huì)向完整巖體

26、方向轉(zhuǎn)化，圍巖可降低裂隙面的力學(xué)效應(yīng)。 3、地下水的作用，裂隙介質(zhì)巖體有利于地下水的貯存和滲流，水會(huì)降低裂隙面的摩擦角，當(dāng)有水壓時(shí)，水壓會(huì)促使巖體更易于破壞。 Brown根據(jù)巖石和巖體力學(xué)實(shí)驗(yàn)成果，采用公式擬合的方法，導(dǎo)出了巖石破壞時(shí)主應(yīng)力之間的關(guān)系式，即： 式中，1 破壞時(shí)的最大主應(yīng)力；3 作用在巖石試件上的最小主應(yīng)力；c 完整巖石試件的單軸抗壓強(qiáng)度；m 、s 常數(shù)，取決于巖石性質(zhì)以及在達(dá)到應(yīng)力1 和3之前巖石的破壞程度。當(dāng)3 =0時(shí)，可得試件的單軸抗壓強(qiáng)度為 對(duì)于完整巖石 cs=c，S=1。對(duì)于節(jié)理裂隙巖石 S<1。 當(dāng)巖體含有多組不連續(xù)面時(shí)，根據(jù)其強(qiáng)度特性和變形特性，可將其性能視為

27、各向同性。對(duì)于這種裂隙巖體，可以應(yīng)用式(5-27)的強(qiáng)度判據(jù)，應(yīng)用這一公式的關(guān)鍵是正確確定c 、 m和S等材料參數(shù)值。如果有巖體或大塊裂隙巖塊的三軸試驗(yàn)成果，那么可應(yīng)用回歸分析的方法，求出m和S值。在缺少實(shí)驗(yàn)資料的情況下，可以采用巖體分類的辦法，求出m、S的近似值。工程巖體分類，所依據(jù)的巖體力學(xué)參數(shù)與巖體結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有：巖石的強(qiáng)度、巖層的結(jié)構(gòu)、巖體結(jié)構(gòu)面的分布、巖石風(fēng)化程度、地下水的作用、地應(yīng)力、工程規(guī)模。我國(guó)工程巖體分級(jí)具體分三步進(jìn)行。首先，根據(jù)巖石的單軸抗壓強(qiáng)度值Rc和巖體的節(jié)理裂隙發(fā)育狀況，確定巖體的基本質(zhì)量；然后求出巖體基本質(zhì)量指標(biāo)值BQ并進(jìn)行分級(jí)；最后考慮地下水軟弱結(jié)構(gòu)面和初始地應(yīng)力

28、狀態(tài)的影響，對(duì)巖體基本質(zhì)量指標(biāo)予以修正。 RQD是以修正的巖芯采取率來(lái)確定的。巖芯采取率就是采取巖芯總長(zhǎng)度與鉆孔長(zhǎng)度之比。而RQD，即修正的巖芯采取率是選用堅(jiān)固完整的、其長(zhǎng)度等于或大于10cm的巖芯總長(zhǎng)度與鉆孔長(zhǎng)度之比，并用百分?jǐn)?shù)表示。一種是根據(jù)巖石的單軸抗壓強(qiáng)度 ，把 20MPa的巖層稱為軟巖；或者根據(jù)單軸抗壓強(qiáng)度與垂向地應(yīng)力的比值，即 2的巖層稱為軟巖。軟弱巖層是指強(qiáng)度低、孔隙度差、膠結(jié)程度大、受結(jié)構(gòu)面切割及風(fēng)化影響顯著或含有大量膨脹性粘土礦物的松、散、軟、弱巖層。軟巖的工程力學(xué)特性還有兩個(gè)重要特點(diǎn)，即吸水軟化和膨脹。軟巖親水性強(qiáng)，遇水強(qiáng)度顯著下降，有的巖石甚至碎裂、崩解。巖石干燥強(qiáng)度與飽

29、水強(qiáng)度的此值稱為軟化系數(shù)。沖擊地壓的特征：共有特征：突發(fā)性、瞬時(shí)震動(dòng)性、破壞性。我國(guó)煤礦沖擊地壓突出特點(diǎn)。多類型、條件復(fù)雜、隨采深增加發(fā)展趨勢(shì)嚴(yán)重等。誘發(fā)因素：如放炮、頂板來(lái)壓期間、回柱（移架）等。沖擊地壓發(fā)生的地點(diǎn)及其主要特征：1）與地質(zhì)構(gòu)造有密切關(guān)系，往往發(fā)生在褶皺、斷層及煤層變異性出的部位，主要受構(gòu)造應(yīng)力的控制；2）具有堅(jiān)硬的巖層的煤層頂板，該巖層聚集高強(qiáng)度的變形能；3）發(fā)生在超前巷道的沖擊地壓，以巷道兩幫煤體拋出為主要特征；4）發(fā)生在工作面的沖擊地壓，一般表現(xiàn)為大面積沖擊現(xiàn)象；5）在留有底煤的采場(chǎng)發(fā)生時(shí)，以底臌和煤巖壓入采場(chǎng)空間為主要顯現(xiàn)特征。 地應(yīng)力：系指天然環(huán)境下地殼巖土體內(nèi)某一點(diǎn)

30、所固有的應(yīng)力狀態(tài)，即未受人工開(kāi)挖擾動(dòng)的應(yīng)力，稱為地應(yīng)力或原巖應(yīng)力；次生應(yīng)力：受開(kāi)挖、手動(dòng)影響，在影響范圍以內(nèi)的原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞后的應(yīng)力稱為次生應(yīng)力或誘發(fā)應(yīng)力；應(yīng)力重分布：原巖應(yīng)力到次生應(yīng)力的轉(zhuǎn)換過(guò)程。海姆認(rèn)為：原巖應(yīng)力各向等壓，即凈水壓力狀態(tài)。他認(rèn)為，鉛重應(yīng)力以上覆巖體的重量，歷經(jīng)漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代后，由于材料的蠕變性及地下水平方向的約束條件，導(dǎo)致水平應(yīng)力最終與鉛重應(yīng)力相均衡。金尼克假說(shuō)：根據(jù)彈性力學(xué)理論，假定巖體是均勻的、連續(xù)的彈性介質(zhì)體，得出水平應(yīng)力總歸小于鉛重應(yīng)力的結(jié)論。 一般巖體的泊松比 為0.20.35，故側(cè)壓系數(shù) 通常都小于1，因此在巖體自重應(yīng)力場(chǎng)中，垂直應(yīng)力 和水平應(yīng)力 ， 都

31、是主應(yīng)力， 約為 的25%54%。只有巖石處于塑性狀態(tài)時(shí)， 值才增大。當(dāng) =0.5時(shí)， =1，它表示側(cè)向水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力相等（ ），即所謂的靜水應(yīng)力狀態(tài)（海姆假說(shuō)）。地殼形成之后，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代，在歷次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)下，有的地方隆起，有的地方下沉。這說(shuō)明在地殼中長(zhǎng)期存在著一種促使構(gòu)造運(yùn)動(dòng)發(fā)生和發(fā)展的內(nèi)在力量，這就是構(gòu)造應(yīng)力。構(gòu)造應(yīng)力在空間有規(guī)律的分布狀態(tài)稱為構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。地應(yīng)力的主要分布規(guī)律：1、地應(yīng)力是個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的非穩(wěn)定應(yīng)力場(chǎng)，它是時(shí)間和空間的函數(shù)；2、 實(shí)測(cè)鉛垂應(yīng)力基本等于上覆巖層重量；3、水平應(yīng)力普遍大于鉛垂應(yīng)力；4、平均水平應(yīng)力與鉛垂應(yīng)力的比值隨深度增加而減小，但在不同地區(qū)，變化的速度很不

32、相同；5、最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力也隨深度呈線性增長(zhǎng)關(guān)系；6、最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力之值一般相差較大，顯示出很強(qiáng)的方向性；7、地應(yīng)力的上述分布規(guī)律還會(huì)受到地形、地表剝蝕、風(fēng)化、巖體結(jié)構(gòu)特征、巖體力學(xué)性質(zhì)、溫度、地下水等因素的影響，特別是地形和斷層的擾動(dòng)影響最大。當(dāng)圍巖內(nèi)部的最大地應(yīng)力與圍巖強(qiáng)度的比值達(dá)到某一水平時(shí)，才能稱為高地應(yīng)力或極高地應(yīng)力。（圍巖強(qiáng)度比）圍巖處于高應(yīng)力場(chǎng)條件下所產(chǎn)生的巖片（塊）飛射拋撒，以及洞壁片狀剝落等現(xiàn)象叫巖爆。高地應(yīng)力現(xiàn)象：1）巖芯餅化現(xiàn)象；2）巖爆；3）探洞和地下隧洞的洞壁產(chǎn)生剝離；4）巖質(zhì)基坑底部隆起、剝離以及回彈錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象；5）野外原位測(cè)試測(cè)得的巖體物理力學(xué)指標(biāo)比實(shí)驗(yàn)室?guī)r塊試驗(yàn)結(jié)果高。1、原位測(cè)量是目前取得工程需要的不同深度原巖應(yīng)力可靠資料的唯一方法；2、實(shí)測(cè)方法因其所用傳感器原理和結(jié)構(gòu)的不同而有許多種：孔徑變形法、水壓致裂法、孔壁應(yīng)變法、空心包體應(yīng)變法。其中，前二種是二維應(yīng)力測(cè)量，可以測(cè)量與鉆孔軸線垂直截面上的原巖應(yīng)力分量；后二種是三維應(yīng)力測(cè)量，可以一次測(cè)得全部六個(gè)應(yīng)力分量； 3、原巖應(yīng)力是巖體內(nèi)一點(diǎn)各個(gè)方向的應(yīng)力分量總體的度量； 4、任何一種實(shí)測(cè)方法都需要通過(guò)擾動(dòng)（通常是打鉆孔），打破原有狀態(tài)，在從一種平衡狀態(tài)到新的平衡狀態(tài)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)力或應(yīng)力的效應(yīng)的間接測(cè)定來(lái)實(shí)現(xiàn)； 5