巖體力學格式

巖體力學格式第1頁/共481頁1.2巖體力學的研究任務與內(nèi)容

①不連續(xù)；②各向異性；③不均勻性；④巖塊單元的可移動性；⑤地質(zhì)因子特性（水、氣、熱、初應力）。（1）巖體的力學特征（2）任務①基本原理方面（建模與參數(shù)辨別）；

②試驗方面（試驗方法）儀器、信息處理、室內(nèi)、外、動、靜；③現(xiàn)場測試；④實際應用第2頁/共481頁城市化：我國1989年不到20%，2000年為35.7%，2010達45%，為減少占用地面土地，發(fā)展地下空間。人口密度：擁人極限2萬/km2，而上海達4萬/km2(局部16萬/km2)，北京達2.7萬/km2。綠化指標：1990年全國城市綠化面積3.9m2/人，上海0.9m2/人（國家要求2m2/人）。聯(lián)合國建議：40m2/人（莫斯科44m2/人；倫敦22.8m2/人；巴黎25m2/人）。交通方面：北京道路面積4.4m2/人；東京11.3m2/人；倫敦21.3m2/人。

(4)相關(guān)任務第3頁/共481頁1.3巖體力學的研究方法

研究方法：實驗、理論分析與工程應用相結(jié)合實驗室內(nèi)野外巖塊（拉、壓、剪…）模擬位移應力壓力收斂（表面位移）應變絕對位移、相對位移（內(nèi)部）理論連介非連介數(shù)值方法有限元離散元DDA第4頁/共481頁地質(zhì)調(diào)查工程地質(zhì)分區(qū)巖體結(jié)構(gòu)劃分巖石巖體力學性質(zhì)試驗巖體賦存條件分析初始應力結(jié)構(gòu)面幾何特征介質(zhì)的模型化物理數(shù)學計算經(jīng)典解析法數(shù)值計算法正反分析分類確定巖體的質(zhì)量等級模擬試驗物理模擬相似材料經(jīng)驗判據(jù)巖體工程設計加固措施施工長期監(jiān)測反饋分析圖1-1巖石力學研究步驟的框圖第5頁/共481頁1.4巖體力學在其它學科中的地位

（1）1925年泰沙基（Terzaghi）《建筑土力學》（2）地質(zhì)力學的巖石力學學派（奧地利學派（薩爾茨堡學派）繆勒<L.Miiller>）否認小巖塊試件的力學試驗。（3）工程巖石力學學派，法國塔洛布爾（J.Talober）1951年《巖石力學》——最早的代表作。1963年意大利瓦依昂水庫巖坡滑動1966年在里斯召開第一屆國際巖石力學大會（一屆/4年）全國巖石力學與工程學術(shù)會，2000年開第6屆，1屆/1年。全美,全歐?？傊齻€階段：材料力學、連介力學、構(gòu)造力學。力學（固體力學分支）、地質(zhì)學、巖土工程1.5巖石力學的發(fā)展簡史返回第6頁/共481頁第二章巖石的基本物理力學性質(zhì)

巖石的基本物理力學性質(zhì)是巖體最基本、最重要的性質(zhì)之一，也是巖石力學學科中研究最早、最完善的內(nèi)容之一。

第一節(jié)基本物理性質(zhì)

一、巖石的質(zhì)量指標（一）密度和比重1、巖石的密度：單位體積內(nèi)巖石的質(zhì)量。巖石含：固相、液相、氣相。三相比例不同而密度不同。第7頁/共481頁（2）飽和密度：巖石中的孔隙被水充填時的單位體積質(zhì)量（水中浸48小時）

（1）天然密度：自然狀態(tài)下，單位體積質(zhì)量

G——巖石總質(zhì)量；V——總體積。VV——孔隙體積第8頁/共481頁（3）干密度：巖塊中的孔隙水全部蒸發(fā)后的單位體積質(zhì)量（108℃烘24h）

2、巖石的比重：巖石固體質(zhì)量（G1）與同體積水在4℃時的質(zhì)量比VC——固體積；——水的比重

G1——巖石固體的質(zhì)量。（KN/m3）第9頁/共481頁二、巖石的孔隙性：反映裂隙發(fā)育程度的指標（一）孔隙比VV——孔隙體積（水銀充填法求出）（二）孔隙率V=VC+VVe~n關(guān)系第10頁/共481頁天然狀態(tài)下飽和狀態(tài)下三、巖石的水理性質(zhì)（一）含水性1、含水量：巖石孔隙中含水量GW與固體質(zhì)量之比的百分數(shù)W=GW/G1（%）2、吸水率：巖石吸入水的質(zhì)量與固體質(zhì)量之比Wd=

（%）吸水率是一個間接反映巖石內(nèi)孔隙多少的指標第11頁/共481頁

（二）滲透性在一定的水壓作用下，水穿透巖石的能力。反映了巖石中裂隙向相互連通的程度，大多滲透性可用達西（Darcy）定律描述：（m3/s）——水頭變化率；qx——沿x方向水的流量；h——水頭高度；A——垂直x方向的截面面積；k——滲透系數(shù)。第12頁/共481頁

四、巖石的抗風化指標（3類）(1)軟化系數(shù)（表示抗風化能力的指標）Rcc——干燥單軸抗壓強度、Rcd——飽和單軸抗壓強度；（）越小，表示巖石受水的影響越大。耐崩解性指數(shù)是通過對巖石試件進行烘干，浸水循環(huán)試驗所得的指標。試驗時，將烘干的試塊，約500g，分成10份，放入帶有篩孔的圓筒內(nèi)，使圓筒在水槽中以20r／s速度連續(xù)轉(zhuǎn)10分鐘，然后將留在圓筒內(nèi)的石塊取出烘干稱重。如此反復進行兩次，按下式計算耐崩解性指數(shù)：(2)巖石耐崩解性指數(shù)試驗前的試件烘干質(zhì)量；殘留在筒內(nèi)的試件烘干質(zhì)量第13頁/共481頁

1、自由膨脹率：無約束條件下，浸水后脹變形與原尺寸之比軸向自由膨脹（%）H——試件高度徑向自由膨脹（%）D——直徑返回（三）巖石的膨脹性評價膨脹性巖體工程的穩(wěn)定。第14頁/共481頁

第三章巖石動力學基礎定義：所謂波，就是某種擾動或某種運動參數(shù)或狀態(tài)參數(shù)（例如應力、變形、震動、溫度、電磁場強度等）的變化在介質(zhì)中的傳播。應力波就是應力在固體介質(zhì)中的傳播。分類：(4類）彈性波:在應力應變關(guān)系服從虎克定律的介質(zhì)中傳播的波。第一節(jié)巖石的波動特性一、固體中應力波的種類第15頁/共481頁粘彈性波在非線性彈性體中傳播的波，這種波，除彈性變形產(chǎn)生的彈性應力外，還產(chǎn)生又摩擦應力或粘滯應力。塑性波應力超過彈性極限的波。沖擊波如果固體介質(zhì)的變形性質(zhì)能使大擾動的傳播速度遠比小擾動的傳播速度大，在介質(zhì)中就會形成波頭陡峭的、以超聲波傳播的沖擊波。

巖石在受到擾動時在巖體中主要傳播的是彈性波，塑性波和沖擊波只有在振源才可以看到。第16頁/共481頁3.在固體中可傳播的彈性波可分為兩類（1）體波：由巖體內(nèi)部傳播的波(2類）（a）縱波（又稱：初至波、Primary波）質(zhì)點振動的方向和傳播方向一致的波它產(chǎn)生壓縮或拉伸變形。（b）橫波（又稱次到波、Second波)質(zhì)點振動方向和傳播方向垂直的波產(chǎn)生剪切變形。（2）面波：僅在巖石表面?zhèn)鞑?。質(zhì)點運動的軌跡為一橢圓，其長軸垂直于表面，這樣的面波又稱為瑞利波。面波速度小于體波，但傳播距離大。第17頁/共481頁按波面形狀，應力波又區(qū)分為平面波、球面波和和柱面波。波面上介質(zhì)的質(zhì)點具有相同的速度、加速度、位移、應力和變形。最前方的波面稱為波前、波頭和波陣面。二、彈性波在固體中的傳播拉梅運動方程(不計體力)

第18頁/共481頁由上方程導出縱波在各向同性巖體中的傳播速度：

橫波在各向同性巖體中的傳播速度：

將，代入上兩式，得：第19頁/共481頁若已知，側(cè)可根據(jù)上兩式推出求動彈性模量和動泊松比，即：

第20頁/共481頁注：若分辨不清，則可用（一般可用靜泊松比代替）求，則

若＝0.25時，＝1.73經(jīng)過各方面試驗驗證，一般在1.6～1.7之間。第21頁/共481頁三、巖體彈性波速得測定（一）巖塊聲波傳播速度室內(nèi)測定

測定時，把聲源和接收器放在巖塊試件得兩端，通常用超聲波，其頻率為1000Hz－2MHz。（示波見圖3－1）聲波儀巖石試件發(fā)射傳感器耦合濟接收傳感器測出第22頁/共481頁第23頁/共481頁注：由于縱波比橫波較后到達，因此橫波易受干擾，難于分辨，所以準確得測出橫波時很重要的。中國科學院巖土力學研究所建議用下述方法：（1）用激發(fā)橫向振動的PZT型壓電晶片作橫波換能器（圖3－2a）

（2）利用固體與固體的自由邊表面產(chǎn)生反射橫波（圖3－2b）

（3）利用水浸法量測試件的橫波（圖3－2c）第24頁/共481頁第25頁/共481頁（二）巖體聲波傳播速度的現(xiàn)場測定

巖體聲波的傳播速度可以在巷道幫面或平坦的巖面上測定?，F(xiàn)場量測彈性波速度的方法如圖（3-3）所示。量出聲源與接收器之間的距離如圖3－3中的D1或D2測出P波和S波傳播的時間計算彈性波速度Vp和Vs第26頁/共481頁第27頁/共481頁（三）巖體彈性波測定結(jié)果巖體中彈性波速經(jīng)過室內(nèi)外測定與歸納，得結(jié)果間表3－1。由表可見，巖體縱波波速變化范圍較大，受各種因素影響。一般來說，巖塊波速要大于巖體波速；新鮮完整得巖體波速大；裂隙越發(fā)育和風化破碎巖體的波速越小。第28頁/共481頁第29頁/共481頁根據(jù)實驗結(jié)果整理的巖體動彈性模量見表（3－2）第30頁/共481頁

動彈性模量與靜彈性模量的比值一般來說，巖體越堅硬越完整，則差值越小，否則，差值就越大。根據(jù)對比資料的統(tǒng)計，動彈性模量比靜彈性模量高百分之幾至幾十倍，如圖3－4所示。從動彈性模量的數(shù)字來看，多集中在之間。

第31頁/共481頁圖3-4返回第32頁/共481頁第二節(jié)影響巖體波速的因素（5方面因素）一、巖體彈性波速與巖體種類、巖石密度和生成年代有關(guān)1.巖石的密度和完整性越高，波速越大2.巖石密度越大，彈性波的速度也相應增加表3－1表示了各類巖石的彈性波速與巖石種類之間的關(guān)系。圖3－5從實例統(tǒng)計的角度，表示了各類巖石的彈性波速及密度之間的關(guān)系。第33頁/共481頁第34頁/共481頁二、巖體波速與巖體中裂隙或夾層的關(guān)系

彈性波在巖體中傳播時，遇到裂隙，則視充填物而異。若裂隙中充填物為空氣，則彈性波不能通過，而是繞過裂隙斷點傳播。在裂隙充水的情況下，聲能有5％可以通過，若充填物為其他液體或固體物質(zhì)，則彈性波可部分或完全通過。彈性波跨越裂隙寬度的能力與彈性波的頻率和振幅有關(guān).1.頻率越低，跨越裂隙寬度俞大，反之俞小第35頁/共481頁圖3-7第36頁/共481頁2.裂隙數(shù)目越多，則縱波速度愈小第37頁/共481頁3.巖體的風化程度愈高彈性波的速度亦小第38頁/共481頁4.夾層厚度愈大彈性波縱波速度愈

第39頁/共481頁三、巖體波速與巖體的有效孔隙率n及吸水率有關(guān)

一些巖漿巖，沉積巖和變質(zhì)巖的縱波速度與有效孔隙率n之間的關(guān)系見圖3－9所示。從圖中可以看出：1.隨著有效孔隙率的增加，縱波波速則急劇下降第40頁/共481頁圖3－10表示了縱波波速與吸水率之間的關(guān)系。從圖中可以看出：

2.隨著吸水率的增加，縱波波速急劇的下降第41頁/共481頁四、巖體波速與各向異性性質(zhì)有關(guān)

巖體因成巖條件、結(jié)構(gòu)面和地應力等原因而具有各向異性，因而彈性波在巖體中的傳播、巖體動彈性模量等也具有各向異性。表3－6看出：1.平行層面縱波波速大于垂直層面波速平行層面波速/垂直巖層波速＝各向異性系數(shù)CC=1.08-2.28；多數(shù)：C=1.67相當一部分：c=1.10

第42頁/共481頁表3－6第43頁/共481頁2.平行巖層面的動彈模大于垂直巖層的動彈模

各向異性系數(shù)數(shù)值在1.01－2.72之間；絕大部分小于1.30第44頁/共481頁3.壓力愈大，縱波波速各向異性系數(shù)愈小

由表可見，所有系數(shù)均大于1；其最大系數(shù)在0.1MPa第45頁/共481頁五、巖體受壓應力對彈性波傳播的影響（一）室內(nèi)測試的結(jié)果巖石在壓應力作用下，對彈性波的波速和動彈性模量有一定的影響，受力狀態(tài)可分靜水壓縮、三向壓縮和單向壓縮，量測方式可分為平行或垂直于最大應力。1.加載方式對聲波波速的影響在單向壓縮且垂直應力方向測試巖石的波速時，所測波速有較明顯的影響；其它加載方法對所測波速的影響比較小，見圖3－11，12第46頁/共481頁第47頁/共481頁均勻壓縮單向壓縮環(huán)向壓縮第48頁/共481頁2.壓應力愈大波速愈大從圖中可以看出，隨著壓力的增大，縱波的波速亦隨之增大?？v波增加的波速，在開始階段較快，然后逐漸變小，最后可能不增加。3.對于層面發(fā)育的沉積巖石，當垂直于層面加載時，在低應力階段波速急速隨應力增長而增加，當波速超過平行層面方向的波以后，增長變慢。

如圖3－13所示第49頁/共481頁第50頁/共481頁4.當巖石單向壓縮后，量測的波速因方向的不同而不同與壓應力相同方向上的縱波波速，在低應力階段波速急速增長，達到一定程度后增速減緩第51頁/共481頁與壓應力垂直方向上的縱波波速，隨應力增長而減?。ú▊鲃臃较蛏鲜芾瓚Γ┑?2頁/共481頁（二）現(xiàn)場量測的結(jié)果

在某工程中，測定了巷道兩幫的應力變化對聲波波速的影響可以推斷松動圈的范圍。工程測點布置如圖3－16第53頁/共481頁1.在巷道壁鉆孔測試聲波速度在松動區(qū)內(nèi)，由于巖體破碎且是低應力區(qū)，因而波速較??；高應力區(qū)，巖體完整，波速達到最大；原巖應力區(qū)，波速正常。根據(jù)波速沿測孔深度的變化曲線，確定這三個區(qū)的范圍。第54頁/共481頁2.測試結(jié)果

如圖可見，3條測線總的趨勢大約在1.5米處，波速最大，可推測松動圈范圍在此處。

另外，曲線1在1.5米更深處波速更大，這可能是該處巷道縱橫交錯，應力較復雜之故。第55頁/共481頁3.當巖石種類不同，縱波波速不同。但基本規(guī)律相同，即在低應力區(qū)縱波波速增長很快，隨著應力的增大，增長減慢，趨于常值。如圖3－18所示返回第56頁/共481頁第四章巖體的基本力學性質(zhì)

4.1巖體結(jié)構(gòu)面分析一、結(jié)構(gòu)面：斷層、節(jié)理、褶皺……統(tǒng)稱

巖體

結(jié)構(gòu)面影響完整性很好——連續(xù)介質(zhì)力學方法非常破碎——土力學方法兩者之間——裂隙體力學方法巖體不連續(xù)性，各向異性反映區(qū)域性地質(zhì)構(gòu)造降低巖體強度第57頁/共481頁

圖4－1節(jié)理巖體的強度特征與巖石強度的區(qū)別Ⅰ－巖石；Ⅱ－節(jié)理化巖體：Ⅲ－節(jié)理

巖體強度=巖塊強度+節(jié)理強度

第58頁/共481頁二、結(jié)構(gòu)面的分類

按照工程的要求分類1．絕對分類2．相對分類——相對工程而言的分類見表4-1。

3．按力學觀點分類中等結(jié)構(gòu)面

≤1～10m巨大結(jié)構(gòu)面≥10m

細小結(jié)構(gòu)面延長≤1m破壞面破壞帶行兩者之間

充填非充填

見表4－2第59頁/共481頁表4－1結(jié)構(gòu)面的相對分類第60頁/共481頁圖4－2按力學觀點的破壞面和破壞帶分類單節(jié)理節(jié)理組節(jié)理群羽毛狀節(jié)理破碎帶無充填有充填有粘性充填物第61頁/共481頁三、巖體破碎程度分類

（一）裂隙度K

設勘測線長度為，在上出現(xiàn)的節(jié)理的個數(shù)為n，

則

節(jié)理之間的平均間距為裂隙度切割度單組結(jié)構(gòu)面多組結(jié)構(gòu)面10m實例：k=4/10=0.4/md=1/k=2.5m1.單組節(jié)理第62頁/共481頁d>180cm整體結(jié)構(gòu)d=30~180塊狀結(jié)構(gòu)d<30破裂結(jié)構(gòu)d<6.5極破裂結(jié)構(gòu)

K=0~1/m疏節(jié)理K=1~10/m密節(jié)理K=10~100/m很密節(jié)理K=100~1000/m糜棱節(jié)理

2.多組節(jié)理

按間距分類按裂隙度分類

第63頁/共481頁圖4－3兩組節(jié)理的裂隙度計算圖第64頁/共481頁（二）切割度

節(jié)理并非在巖體內(nèi)全部貫通，用“切割度”來描述節(jié)理貫通度，在巖體中取一平直斷面，總截面積為A，其中被節(jié)理面切割的面積為a；則切割度為

多處不連續(xù)切割疊加：實例第65頁/共481頁

式中：－巖體體積內(nèi)部被某組節(jié)理切割的程度，單位m2/m3.表4-2按切割度分類切割度與裂隙度的關(guān)系第66頁/共481頁（三）巖體破碎程度分類（表4-3）

第67頁/共481頁四、結(jié)構(gòu)面的幾何特征

1．走向例如：N30oE

2．傾斜3．連續(xù)性4．粗糙度：節(jié)理表面粗糙程度5．起伏度

傾向傾角

沿走向沿傾角（切割度為依據(jù)）

幅度a長度反映節(jié)理的外貌—幾何要素第68頁/共481頁圖4－5節(jié)理面的起伏度與粗糙度A↑和↓的節(jié)理表面起伏越急峻。返回第69頁/共481頁第二節(jié)結(jié)構(gòu)面的變形特性

一、節(jié)理的法向變形（一）節(jié)理彈性變形（齒狀接觸）式中:d-為塊體的邊長;n-為接觸面的個數(shù);-為每個接觸面的面積;-為泊松比；E-為彈性模量。法向切向

按彈性力學Boussinesq公式計算齒狀節(jié)理接觸面彈性變形引起的閉合變形第70頁/共481頁（二）節(jié)理的閉合變形齒狀接觸，開始是齒頂?shù)膲嚎s→壓碎→閉合。下面介紹Goodman方法：①張開節(jié)理無抗拉強度②結(jié)構(gòu)面在壓應力下存在極限閉合量且＜e（節(jié)理的厚度）（1）基本假設（2）狀態(tài)方程－原位應力A，t－回歸參數(shù)第71頁/共481頁（3）狀態(tài)方程的幾何表示當t=tA=1時，有最大閉合第72頁/共481頁(4)試驗方法（VmC的確定）步驟：（1）備制試件；（2）作σ-ε曲線（a）；（3）將試件切開，并配稱接觸再作曲線（b）；（4）非配稱接觸，作曲線（c）;（5）兩種節(jié)理的可壓縮性配稱節(jié)理的壓縮量：非配稱節(jié)理的壓縮量：

a.無節(jié)理b.徑向劈裂d.非配稱接觸c.配稱接觸第73頁/共481頁圖4－7一條張開裂縫的壓縮變形曲線第74頁/共481頁二、節(jié)理的切向變形

（一）節(jié)理強度與剪切變形的關(guān)系

節(jié)理“

”曲線分為4類。見下圖強度準則：

抗剪強度節(jié)理變形擴容現(xiàn)象

第75頁/共481頁圖4－8四種典型的節(jié)理強度和位移關(guān)系曲線a-充填節(jié)理b-齒狀節(jié)理c-充填齒狀節(jié)理d-復位式第76頁/共481頁（二）節(jié)理抗剪強度和擴容分析

基本理論：庫侖準則類型：面接觸、齒狀接觸1．面接觸

滾動摩擦轉(zhuǎn)動摩擦

第77頁/共481頁正好破壞時：

①破壞面與的夾角=②剪應變③內(nèi)摩擦角（當=常量，節(jié)理面最大主應力）極限：④靜摩擦系數(shù)fs與靜摩擦角令節(jié)理剪切破壞的剪應力和正應力為：

對邊/斜邊對邊/鄰邊第78頁/共481頁則

⑤動摩擦系數(shù)fk與動摩擦角的關(guān)系2．齒接觸摩擦①準則：總剪切方向：AB每個齒在爬坡，與AB成角上坡；齒面上的剪切力和正應壓力為，。

（1）規(guī)則（2）不規(guī)則見圖4－12摩擦角與位移的關(guān)系靜摩擦角動摩擦角第79頁/共481頁圖4－12齒狀剪切面模型第80頁/共481頁設斜坡上的摩擦角為則

展開

＝第81頁/共481頁與平面接觸比較可見，齒的作用提高了摩擦角，也就提高摩擦系數(shù)。稱為滑升角。當T的方向是下坡方向時，內(nèi)摩擦角變成

規(guī)則齒強度準則

升角取“+”降角取“－”第82頁/共481頁

②規(guī)則齒剪切擴容（剪脹）③殘余內(nèi)摩擦角

設滑動前的內(nèi)摩摩擦角為

則滑動后的內(nèi)摩摩擦角為

—無齒時的殘余內(nèi)摩擦角

－無齒（平面接觸）時的內(nèi)摩擦角

第83頁/共481頁圖4－13契效應的擴容曲線第84頁/共481頁（2）不規(guī)則齒接觸

（1977N·Barton）經(jīng)驗公式：JRC為節(jié)理粗糙系數(shù)JCS為節(jié)理壁抗壓強度第85頁/共481頁3、轉(zhuǎn)動摩擦（1）基本假設在張開節(jié)理中，經(jīng)常有塊狀充填物，或節(jié)理切割成碎塊。當剪切時，可使充填物或碎塊發(fā)生轉(zhuǎn)動。設轉(zhuǎn)動的碎塊為平行六面體，其模型見圖。假設模型受法向力N；剪切力T。（2）穩(wěn)定性分析設平行六面體寬為a、高為b。可得。當六面體受力后，其一邊作軸轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)角為?？赡苡?種情況：第86頁/共481頁當時，則六面體發(fā)生翻倒，故稱為翻倒角。當時，六面體不會翻倒；當時，六面體處于極限狀態(tài)。（3）應變分析（參見圖）一旦轉(zhuǎn)動，平行六面體受到剪應變和線應變。剪應變：線應變：六面體（）作圓弧轉(zhuǎn)動的方程為：由此解出：第87頁/共481頁應變：（5）內(nèi)摩擦角的變化（見圖4.16）

六面體轉(zhuǎn)動時其傾斜角為:

破壞時傾角等于內(nèi)摩擦角：（4）節(jié)理面的位移圖中底部的位移：頂部的位移：第88頁/共481頁第89頁/共481頁在初始狀態(tài)下，內(nèi)摩擦角最大，等于翻倒角：當時擴容最大，當開始轉(zhuǎn)動破壞時，碎塊間的內(nèi)摩擦角為第90頁/共481頁第91頁/共481頁4、滾動摩擦

當碎塊的翻倒角減少時，其內(nèi)摩擦角也將減小。當碎塊剖面為n個邊的規(guī)則多角形時，其翻倒角為：當碎塊的邊數(shù)不斷增加，則碎塊趨向圓球，。其抗翻倒阻力就是它的滾動摩力，其摩擦系數(shù)為鋼圓柱滾動其摩擦系數(shù)為返回第92頁/共481頁

4.3結(jié)構(gòu)面的力學效應

一、單節(jié)理和多節(jié)理的力學效應（一）單節(jié)理的力學效應設結(jié)構(gòu)面的強度條件設節(jié)理的方向角為節(jié)面上的應力(圖4.19）

第93頁/共481頁圖4－19結(jié)構(gòu)面的力學效應第94頁/共481頁所以，強度準則：

令則①當

（節(jié)理的存在不影響巖體的強度）②當

可見③對

求一階導數(shù)，并含其為零得

此時節(jié)理面對巖體的強度削弱最大，巖體有最小強度

第95頁/共481頁④巖體的最大強度，節(jié)理面的存在不削弱巖塊強度⑤圖解法(見圖4－19）⑥對巖體強度有影響的節(jié)理方位角：直接在圖4－19量取，也可以由正弦定律推出：第96頁/共481頁對巖體強度有影響的節(jié)理方位角：第97頁/共481頁幾點討論

巖石節(jié)理同時破壞，巖體強度等于巖塊強度巖塊先破壞，巖體強度等于巖塊強度或節(jié)理先破壞，巖體強度小于巖塊強度

或

第98頁/共481頁（二）多節(jié)理的力學效應（疊加）

兩組以上的節(jié)理同樣處理，不過巖體總是沿一組最有利破壞的節(jié)理首先破壞。圖4－21兩組節(jié)理力學模型圖4－20σ1與β的關(guān)系曲線第99頁/共481頁二、當C=0時節(jié)理面的力學效應這時庫侖準則由（4-51）式推導得：，此時巖體的強度只靠碎塊之間的摩擦力來提供，已知由此式可計算出維持巖體極限穩(wěn)定的側(cè)向擠壓力。巖體所需的最小支護力返回第100頁/共481頁第四節(jié)碎塊巖體的破壞被結(jié)構(gòu)面切割的巖體，視為巖塊的集合體。變形明顯變大，且是永久變形。裂隙巖體的破壞類型可分三種：沿節(jié)理破壞（常見）巖體實體部分破壞（少數(shù)）巖塊與節(jié)理面同時破壞（較常見）一、沿節(jié)理面產(chǎn)生破壞

1、破壞類型（分三類）第101頁/共481頁齒狀剪切破壞斜面，個別塊體發(fā)生轉(zhuǎn)動剪切破壞帶，一列內(nèi)轉(zhuǎn)動的塊體有2塊扭結(jié)破壞帶，巖塊砌疊列排列，扭結(jié)在一起而整轉(zhuǎn)動，一列內(nèi)轉(zhuǎn)動的塊體大于2塊第102頁/共481頁2、L-A方程（Ladanyi和Archambault）（1）設（2）由平衡條件及功能原理，得峰值抗剪強度①節(jié)理破壞面為規(guī)則齒狀（圖4-24）②外力作用下，齒面產(chǎn)生相對水平位移和垂直位移增量（擴容）③齒受力后，若荷載過大，部分齒剪壞（4-61）--剪斷齒端的面積與剪切面積之比；

--峰值抗剪強度時的擴容比；--巖塊的抗剪強度；--節(jié)理面的內(nèi)摩擦角。第103頁/共481頁鋸齒狀剪壞面模型擴容與應力的關(guān)系齒根剪斷部分齒根全部剪斷，擴容為0擴容擴容最大第104頁/共481頁（3）退化討論①當as=0(被剪斷的面積為零)，適用于低正應力狀態(tài)，為滑升角

②當as=1和V’=0(齒根全部剪斷，擴容為0)，抗剪強度為

--巖石殘余內(nèi)摩擦角。--節(jié)理面抗剪強度；適用于高正應力--推動力，等于巖石的單向抗壓強度第105頁/共481頁佩頓雙線性強度準則第106頁/共481頁節(jié)理峰值抗剪強度線節(jié)理峰值抗剪強度巖石包絡線第107頁/共481頁（4）峰值抗剪強度的經(jīng)驗參數(shù)當σ<σT（齒沒有全部剪切時），Adany建議：（4-64）(4-65)(4-66)n—巖石的抗壓強度與抗拉強度之比第108頁/共481頁(4－67)在剪切破壞帶或扭壞帶內(nèi)，即當每轉(zhuǎn)動巖塊的塊數(shù)＝2－5時，則從試驗得到Adany公式中的參數(shù)：破壞類型剪壞面剪壞帶紐壞帶0231.5456第109頁/共481頁二、巖塊－節(jié)理破壞、巖塊剪切破壞面mn，圖4.27巖塊－節(jié)理模型的剪切破壞求：塊體沿mn和Ml發(fā)生破壞所需要的最小推力及該類巖體的擴容條件。第110頁/共481頁①設巖塊抗剪強度，②設mn方向位移1單位，則水平位移：垂直位移：

合剪力：合正應力：水平推力：H內(nèi)、外力作功相等：代入以上結(jié)果，并得mnHa1u位移方向單元受力圖1.塊體沿mn發(fā)生破壞所需要的最小推力H第111頁/共481頁

式中：－節(jié)理的摩擦系數(shù)

因為塊體朝需要推力最小的方向位移，

3.該類巖體的擴容條件2.塊體沿ml發(fā)生破壞所需要的最小推力H返回第112頁/共481頁第五節(jié)巖體的應力—應變分析一、巖體的曲線巖石和巖體的σ－ε曲線對比示意圖1.巖石和巖體應力－應變曲線差別巖石巖體第113頁/共481頁2.巖體變形曲線類型彈性線性巖體內(nèi)部破裂或結(jié)構(gòu)面局部剪切破壞。雙線性彈—塑性變形非線性出現(xiàn)2個破壞點多線性第114頁/共481頁二、巖體變形模量

確定方法1.由應力-應變曲線確定

2.巖塊與節(jié)理面變形疊加求模量3.“等價”模型確定4.現(xiàn)場實測方法1.由應力-應變曲線確定

變形模量彈性模量第115頁/共481頁2.巖塊變形與節(jié)理面變形疊加求模量依據(jù)：巖體的位移=巖塊的位移+節(jié)理的位移巖塊的位移：節(jié)理的位移：巖體的位移：(a)巖體有效變形模量:(b)第116頁/共481頁(a)式=(b)式：由于故：注：實際工程中，E由室內(nèi)巖塊試驗確定d為節(jié)理的間距，可由地質(zhì)測繪確定;可由現(xiàn)場巖體變形試驗求出。故可由此式來求出nh第117頁/共481頁4.現(xiàn)場實測方法（4.6講）3.“等價”模型求模量設巖體內(nèi)存在單獨一組有規(guī)律的節(jié)理，可用“等價”連續(xù)介質(zhì)模型來代替這個不連續(xù)巖體等價原理：保證模型和原型中的總應力和位移相等；但原型和模型中的變形不同“等價”模型變形=巖塊變形+節(jié)理法向變形既：巖體的變形模量節(jié)理的法向剛度系數(shù)E巖塊彈性模量返回第118頁/共481頁第六節(jié)巖體力學性能的現(xiàn)場測試

由于室內(nèi)的巖樣存在體積小、脫離巖體的地質(zhì)力學性能的全貌等缺點，因而不能充分反映巖體的力學性能。而巖體的野外現(xiàn)場測試就較為全面的反映巖體力學性能的全貌，這是室內(nèi)試驗所不及的。本節(jié)我們討論巖體的變形性能和強度特性的現(xiàn)場試驗。

一、巖體的變形試驗

巖體的變形試驗有靜力法和動力法兩種。第119頁/共481頁

靜力法是指巖體現(xiàn)場變形試驗時以靜力荷載進行加載。動力法是指施加于巖體上的荷載為動力荷載。動力法的現(xiàn)場測定在第三章已介紹，這里介紹靜力法求現(xiàn)場巖體的變形模量。常用的靜力法有千斤頂法荷載試驗（或稱平板荷載法）、徑向荷載試驗（如雙筒法）和水壓法。通常求算巖體的彈性模量及變形模量用千斤頂法，求巖石的彈性抗力系數(shù)采用雙筒法。第120頁/共481頁1.定義：用千斤頂加荷于墊板上，使荷載傳到巖體中，也稱千斤頂法。2.設備裝置的主要組成（圖4－32)：（1）墊板（承壓板);一般為方形或圓形，面積為0.25-1.20mm2、材料彈性也可為剛性。（2）加荷裝置（千斤頂或壓力枕）;加荷為500kN-3000kN，加荷方法有小循環(huán)和大循環(huán)兩種。小循環(huán)分為多次循環(huán)和單次循環(huán),見圖4-33。多次小循環(huán)加載比相同荷載下常規(guī)加載巖體產(chǎn)生的總變形大(蠕變現(xiàn)象)

（3）傳力裝置（傳力支柱、傳力柱墊板）;

（4）變形量測裝置（測微計）;（一）千斤頂法荷載試驗第121頁/共481頁頂、底板加載邊墻加載第122頁/共481頁圖4-33巖體現(xiàn)場變形試驗加荷過程示意圖3.測試巖體的變形可在墊板下面測定，也可在通過墊板中心的軸線上距墊板一定距離處量測單次小循環(huán)大循環(huán)多次小循環(huán)P-壓力T-時間第123頁/共481頁4.算式(測出壓力和位移，由下列公式計算巖體的變形模量E)把巖體看作一個彈性半無限空間，用布辛涅斯克方程求得巖體表面的垂直向位移。(1)墊板為柔性墊板(3種位移)a.巖體表面上墊板的中點處垂直位移（4-80）式中：p-荷載;r-墊板的半徑;μ-巖體的泊松比;E——巖體的彈性模量第124頁/共481頁b.墊板的平均位移（4－81）式中，A-受荷表面的面積；m-系數(shù)它取決于墊板的形狀、剛度以及荷載分布等情況，其m值可見表4－5第125頁/共481頁c.帶孔柔性墊板(中心有孔的壓力枕)中心點的垂直位移（4－83)注：在圓形板下不同荷載類型時，其相應的m值可見表4－6第126頁/共481頁（2）墊板為剛性墊板時（4－82）式中：a和b為墊板的邊長（二）徑向荷載試驗（求抗力系數(shù)K和彈模E）要點：在巖體中開挖一個圓筒形洞室，然后在這個洞室的某一段長度上施加垂直于巖體表面的均勻壓力。水施加壓力的為水壓法；用壓力枕施加壓的為壓力枕法(又稱奧地利荷載試驗)第127頁/共481頁圖4-35所示試驗是靠一鋼支承圓筒的四周的壓力枕同步對巖體施加荷載，造成洞中一定長度內(nèi)的巖體產(chǎn)生徑向壓縮，巖體變形控制在彈性階段。變形模量可按彈性厚壁圓筒理論（圖4－36）求得：式中--半徑為巖體內(nèi)的徑向位移

第128頁/共481頁AA-AA第129頁/共481頁推算彈性抗力系數(shù)K定義：洞室表面產(chǎn)生單位位移的應力利用彈性厚壁圓筒理論推出：注：K隨洞的半徑的大小而變化，一般，半徑越大K值越小。K愈大巖體彈性抗力愈大，愈有利于襯砌的穩(wěn)定。既第130頁/共481頁（三）狹縫壓力枕荷載試驗(2種)

方法1要點：將巖體切割成槽，把壓力枕埋于槽內(nèi)，并用水泥砂漿澆注，使壓力枕的兩個面皆能很好地與槽的兩側(cè)巖面接觸（圖4-37）。變形模量為式中：p-壓力枕給巖面的總荷載；A-圓形加載面的半徑；Vs-巖面的平均位移第131頁/共481頁方法2要點：在垂直巖壁上刻槽布置，圖4－38。則巖體的變形模量E可按布辛涅斯克的彈性理論求得。當實測位移已知時，變形模量為：式中：p-壓力枕施加的單位壓力（MPa）—直槽寬度（近似用壓力枕的寬度代替）(cm)y-x軸到測點的距離(cm）—-測點的位移（cm）第132頁/共481頁1.要點：可按施加的推力與剪切面之間的夾角的大小而采用不同的加荷方法。雙千斤頂試驗中，一組試驗不少于五塊試件。

二、現(xiàn)場巖體直剪試驗(2種)（一）雙千斤頂法第133頁/共481頁

p—垂直千斤頂壓力表讀數(shù)（MPa）

t—橫向千斤頂壓力表讀數(shù)（MPa）

F1—垂直千斤頂活塞面積(若為壓力枕，應乘以出力系數(shù))（cm2）2.在不同p力作用下剪切面上的正應力和剪應力F2-橫向千斤頂活塞面積(若為壓力枕，應乘以出力系數(shù))（cm2）F-試件剪切面面積（cm2）α—橫向推力與剪切面的夾角（通常取150)式中：第134頁/共481頁

注1

當剪切面上存在裂隙、節(jié)理等滑面時，抗剪面積將分為剪斷破壞和滑動破壞兩部分，而把剪斷破壞當作有效抗剪面積Fa，滑動破壞時的滑動面積為Fb。3.繪制應力與位移特性曲線和剪應力與正應力強度曲線有效抗剪面積正壓力仍由全部面積承擔總面積：第135頁/共481頁（二）單千斤頂法1、要點：單千斤頂法是現(xiàn)場無法施加垂直應力的情況下采用的。在山坡上或平洞內(nèi)的預定剪切面上挖成各種主應力方向與固定剪切面成不同傾角的試件（通常剪切面傾角為150-350）注2施加于試件剪切面上的壓力應該包括千斤頂施加的荷重、設備和試件的重量。注3在計算剪應力時，應扣除由于垂直壓力而產(chǎn)生的滾軸滾動摩擦力。注4如果剪切面為傾斜面時，上述破壞面上的正、剪應力的計算公式還應根據(jù)傾角的大小進行修正。第136頁/共481頁2.破壞面上的正、剪應力計算(如圖4－42)

而故3.繪制巖體正-剪應力強度曲線第137頁/共481頁三、現(xiàn)場三軸強度試驗在一個隨機性節(jié)理的巖體中，破壞面位置的預定是有困難的，用三軸試驗可以量測巖體的抗剪強度和破壞面的位置及形態(tài)，這時，破壞面會沿最弱的面破壞。1.試件矩形塊體，在試洞底板或洞壁的試驗位置上，經(jīng)過仔細鑿刻和整平而成的，此矩形試件三邊脫離原地巖體，而僅一邊與巖體相連。目前，試件的大小可達2.80m×1.40m×2.80m,試件的基底與巖體相連的面積為2.80m×1.40m.（圖4－43）第138頁/共481頁2.加載與測試試件準備好后，把壓力枕埋置在刻槽內(nèi)，以便施加σ2和σ3，而σ1是通過垂直千斤頂或壓力枕施加的。在試驗中量測和記錄試件的位移。3.繪制巖體試驗應力圓包絡線、強度曲線和巖體特征曲線第139頁/共481頁從而測定應力－位移關(guān)系曲線。確定應力的比例極限、屈服極限和破壞極限。關(guān)于不同應力狀態(tài)下，現(xiàn)場三軸試驗成果的計算分述如下：1.三軸應力在狀態(tài)下應力滿足：上式中，L,M,N分別是某平面的法向方向余弦。令L,M,N＝0，則在τ－σ平面坐標內(nèi)表示為三個應力圓（圖4－44）。第140頁/共481頁2.三軸應力在狀態(tài)下應力滿足：(圖4－45)上式在τ－σ平面坐標內(nèi)表示為一個應力圓。3.三軸應力在狀態(tài)下應力滿足：返回第141頁/共481頁第四章習題選擇題1、巖體的強度小于巖石的強度主要是由于（）。（A）巖體中含有大量的不連續(xù)面（B）巖體中含有水（C）巖體為非均質(zhì)材料（D）巖石的彈性模量比巖體的大2、巖體的尺寸效應是指（）。（A）巖體的力學參數(shù)與試件的尺寸沒有什么關(guān)系（B）巖體的力學參數(shù)隨試件的增大而增大的現(xiàn)象（C）巖體的力學參數(shù)隨試件的增大而減少的現(xiàn)象（D）巖體的強度比巖石的小第142頁/共481頁3、影響巖體質(zhì)量的主要因素為（）。（A）巖石類型、埋深（B）巖石類型、含水量、溫度（C）巖體的完整性和巖石的強度（D）巖體的完整性、巖石強度、裂隙密度、埋深4、我國工程巖體分級標準中巖石的堅硬程序確定是按照（）。（A）巖石的飽和單軸抗壓強度（B）巖石的抗拉強度（C）巖石的變形模量（D）巖石的粘結(jié)力第143頁/共481頁5、下列形態(tài)的結(jié)構(gòu)體中，哪一種具有較好的穩(wěn)定性？（）（A）錐形（B）菱形（C）楔形（D）方形6、沉積巖中的沉積間斷面屬于哪一種類型的結(jié)構(gòu)面？（）（A）原生結(jié)構(gòu)面（B）構(gòu)造結(jié)構(gòu)面（C）次生結(jié)構(gòu)面7、巖體的變形和破壞主要發(fā)生在（）（A）劈理面（B）解理面（C）結(jié)構(gòu)（D）晶面第144頁/共481頁8、同一形式的結(jié)構(gòu)體，其穩(wěn)定性由大到小排列次序正確的是（）（A）柱狀>板狀>塊狀（B）塊狀>板狀>柱狀（C）塊狀>柱狀>板狀（D）板狀>塊狀>柱狀9、不同形式的結(jié)構(gòu)體對巖體穩(wěn)定性的影響程度由大到小的排列次序為（）（A）聚合型結(jié)構(gòu)體>方形結(jié)構(gòu)體>菱形結(jié)構(gòu)體>錐形結(jié)構(gòu)體（B）錐形結(jié)構(gòu)體>菱形結(jié)構(gòu)體>方形結(jié)構(gòu)體>聚合型結(jié)構(gòu)體第145頁/共481頁（C）聚合型結(jié)構(gòu)體>菱形結(jié)構(gòu)體>文形結(jié)構(gòu)體>錐形結(jié)構(gòu)體（D）聚合型結(jié)構(gòu)體>方形結(jié)構(gòu)體>錐形結(jié)構(gòu)體>菱形結(jié)構(gòu)體10、巖體結(jié)構(gòu)體是指由不同產(chǎn)狀的結(jié)構(gòu)面組合圍限起來，將巖體分割成相對的完整堅硬的單無塊體，其結(jié)構(gòu)類型的劃分取決于（）（A）結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)（B）結(jié)構(gòu)體型式（C）巖石建造的組合（D）三者都應考慮

第146頁/共481頁1、A2、C3、C4、A5、D6、A7、C8、B9、A10、D參考答案返回第147頁/共481頁

第五章工程巖體分類

第一節(jié)分類的目的與原則巖體復雜、理論不完善、靠經(jīng)驗。從定性和定量兩個方面來評價巖體的工程性質(zhì)，根據(jù)工程類型及使用目的對巖體進行分類，這也是巖體力學中最基本的研究課題。1、分類的目的（1）為巖石工程建設的勘察、設計、施工和編制定額提供必要的基本依據(jù)。（2）便于施工方法的總結(jié),交流,推廣。（3）為便于行業(yè)內(nèi)技術(shù)改革和管理。第148頁/共481頁2、分類原則

（1）有明確的類級和適用對象。（2）有定量的指標。（3）類級一般分五級為宜。（4）分類方法簡單明了、數(shù)字便于記憶和應用。（5）根據(jù)適用對象，選擇考慮因素。趨勢：“綜合特征值”分類法第149頁/共481頁3、分類的獨立因素

在分類中起主導和控制作用的有如下幾方

面因素：

（1）巖石材料的質(zhì)量（強度指標）。（2）巖體的完整性，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、密度、聲波等。（3）水汶狀態(tài)（軟化、沖蝕、弱化）（4）地應力（5）其它因素（自穩(wěn)時間、位移率）

其中：巖性是最重要因素返回第150頁/共481頁第二節(jié)幾種典型分類

1、按巖石的單軸抗壓強度RC分類

用巖塊單軸抗壓強度進行分類，簡單、早期，因此在工程上采用了較長的時間(普氏系數(shù))。（一）巖石單軸抗壓強度分類(表5-1)第151頁/共481頁由于巖石點荷載試驗可在現(xiàn)場測定，數(shù)量多而簡便，所以用點荷載強度指標分類得到重視。由倫敦地質(zhì)學會與Franklin等人提出，見圖5-1（二）以點荷載強度指標分類第152頁/共481頁2、按巷道巖石穩(wěn)定性分類

（一）斯梯尼(Stini)分類

根據(jù)巷道圍巖的穩(wěn)定性進行分類，如表5-2所示。第153頁/共481頁

根據(jù)巖石抗壓強度、工程地質(zhì)條件和開挖時巖體穩(wěn)定破壞現(xiàn)象，分四類，并有相應的施工措施，見表5-3（二）前蘇聯(lián)巴庫地鐵分類第154頁/共481頁3、按巖體完整性分類（一）按巖石質(zhì)量指標RQD分類（RockQualityDesignation）RQD是選用堅固完整的、其長度大于等于10mm的巖芯總長度與鉆孔長度的比，百分數(shù)表示為：

工程實踐說明，RQD是一種比巖芯采取率更好的指標。第155頁/共481頁例某鉆孔的長度為250cm，其中巖芯采取總長度為200cm,而大于10cm的巖芯總長度為157cm(圖5-2)，則巖芯采取率：200/250=80%RQD=157/250=63%第156頁/共481頁用RQD值來描述巖石的質(zhì)量--分級(表5-4)第157頁/共481頁（二）以彈性波（縱波）速度分類依據(jù)：彈性波變化能反映巖體結(jié)構(gòu)特性和完整性。

中科院地質(zhì)所根據(jù)他們對巖體結(jié)構(gòu)的分類，列出了彈性波在各類巖體中傳播特性，如表5-5。第158頁/共481頁

日本池田和彥于1969年提出了日本鐵路隧道圍巖強度分類。首先將巖質(zhì)分六類，在根據(jù)彈性波在巖體中的速度，將圍巖強度分為七類。（表5-6）第159頁/共481頁4、按巖體綜合指標分類

第160頁/共481頁（二）巖體的巖土力學分類由畢昂斯基(Bieniaski1974)提出“綜合特征值”-RMR值分類0<RMR<100（在歐美流行）

式中的6個指標的相關(guān)因素分別為：R1-巖石抗壓強度R2-RQDR3-節(jié)理間距R4-節(jié)理狀態(tài)R5-地下水狀態(tài)R6-修正系數(shù)，節(jié)理的方向?qū)こ痰挠绊戇@6個指標分別由如下各表來確定。第161頁/共481頁（1）與巖石強度相關(guān)的巖體評分值R1可以用標準試件進行單軸壓縮來確定，也可由點荷載試驗確定。表5-7巖石抗壓強度與巖體評分值R1的對應關(guān)系第162頁/共481頁（2）巖石質(zhì)量指標RQD由修正的巖芯采取率確定表5-8對應于RQD的巖體評分值R2（3）對應于節(jié)理組間距的巖石評分值R3，表5-9第163頁/共481頁（4）與節(jié)理狀態(tài)相關(guān)的巖體評分值R4，見表5-10（5）與地下水狀態(tài)相關(guān)的巖體評分值R5見表5-11第164頁/共481頁（6）巖體工程的穩(wěn)定性與節(jié)理方向是否有利關(guān)系很大，所以最后提出了表5-12，來考慮節(jié)理方向?qū)こ淌欠裼欣麃硇拚拔鍌€評分之和。(R6)

第165頁/共481頁根據(jù)以上六個參數(shù)之和RMR值，把巖體的質(zhì)量劃分為五類，見表5-13第166頁/共481頁

本分類還給出了對巖體穩(wěn)定性（隧洞巖體自穩(wěn)時間）以及對應的巖體c,φ值，建議值見表5-14。返回第167頁/共481頁第三節(jié)我國工程巖體分級標準（GB50218-94）

1、工程巖體分級的基本方法（1）確定巖體基本質(zhì)量按定性、定量相協(xié)調(diào)的要求，最終確定巖石的堅硬程度與巖體完整性指數(shù)。

a.巖石堅硬程度的確定

巖石堅硬程度采用巖石單軸飽和抗壓強（RC）第168頁/共481頁表5-15RC與定性劃分的巖石堅硬程度的關(guān)系b.巖體完整性指數(shù)（Kv）的確定。①用彈性波測試。見第三章②選擇有代表性露頭或開挖面，對不同的工程地質(zhì)巖組進行節(jié)理裂隙統(tǒng)計，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果計算單位巖體體積的節(jié)理數(shù)（Jv）(條/m3)第169頁/共481頁表5-16Jv與

Kv的對照關(guān)系表5-17Kv與巖體完整性程度定性劃分的對應關(guān)系第170頁/共481頁（2）基本質(zhì)量分級a.巖體基本質(zhì)量指標（BQ）按下式計算BQ=90+3RC+250KV式中：RC－巖石單軸飽和抗壓強度的兆帕數(shù)值

KV－巖體完整性指數(shù)值注：①當RC>90KV+30,代RC＝90KV+30②當KV>0.04RC+0.4,代KV＝0.04RC+0.4b.按計算所得的Q值分級見表5-18（分為5級）

第171頁/共481頁第172頁/共481頁（3）結(jié)合工程情況，計算巖體基本質(zhì)量指標修正值[BQ]，并按表5-18的指標值確定本工程的工程巖體級別。[BQ]＝BQ－100(K1+K2+K3)

K1,K2,K3值，可分別按表5-19、5-20、5-21確定。無表中所列情況時，修正系數(shù)取零。[BQ]出現(xiàn)負值時，應按特殊問題處理。第173頁/共481頁第174頁/共481頁第175頁/共481頁2.工程巖體分級標準的應用(2條)（1）巖體物理力學參數(shù)的選用第176頁/共481頁

工程巖體基本級別一旦確定以后，可按表5-2選用巖體的物理力學參數(shù)以及按表5-23選用巖體結(jié)構(gòu)面抗剪斷峰值強度參數(shù)。第177頁/共481頁第178頁/共481頁（2）地下工程巖體自穩(wěn)能力的確定

利用標準中附錄所列的地下工程自穩(wěn)能力（表5-24），可以對跨度等于或小于20m的地下工程作自穩(wěn)性初步評價，當實際自穩(wěn)能力與表中相應級別的自穩(wěn)能力不相符時，應對巖體級別作相應調(diào)整第179頁/共481頁返回第180頁/共481頁例：某地下工程巖體的勘探后得到如下資料：單軸飽和抗壓強度強度；巖石較堅硬，但巖體較破碎，巖石的彈性縱波速度、巖體的彈性縱波速度；工作面潮濕，有的地方出現(xiàn)點滴出水狀態(tài)；有一組結(jié)構(gòu)面，其走向與巷道軸線夾角大約為25度、傾角為33度；沒有發(fā)現(xiàn)極高應力現(xiàn)象。按我國工程巖體分級標準（GB50218－94）該巖體基本質(zhì)量級別和考慮工程基本情況后的級別分別確定為（）。（A）Ⅲ級和Ⅲ級（B）Ⅲ級和Ⅳ級（C）Ⅳ級和Ⅳ級（D）Ⅳ級和Ⅳ級

解：（1）計算巖體的基本質(zhì)量指標

其中：第181頁/共481頁檢驗限制條件：

所以仍取為32.5

所以仍取為0.66得：

（2）查表5-18（巖體基本質(zhì)量分級表）該巖體基本質(zhì)量級別確定為Ⅲ級。

第182頁/共481頁（3）計算巖體的基本質(zhì)量指標修正值其中：為地下水影響修正系數(shù)，由表5-19查得＝0.1；為主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)，由表5-20查得＝0.5；為初始應力狀態(tài)影響修正系數(shù)，由表5-21查得＝0.5。所以：（4）查表5-18（巖體基本質(zhì)量分級表）該巖體質(zhì)量級別最終確定為Ⅳ級。所以，本題答案選（B）。返回第183頁/共481頁第六章巖體的初始應力狀態(tài)

第一節(jié)初始應力的概念與意義意義（1）工程穩(wěn)定性分析的原始參數(shù)。（2）確定開挖方案與支護設計的必要參數(shù)。初始應力：天然狀態(tài)下巖體內(nèi)的應力，又稱地應力、原巖應力。因素：自重地質(zhì)構(gòu)造地形地貌地震力水壓力地熱。返回第184頁/共481頁第二節(jié)初始應力的組成與計算

1、巖體自重應力場垂直應力：—平均密度，KN/m3側(cè)壓力：H—總深度（m）—側(cè)壓力系數(shù)的取值有4種可能圖6-1巖體自重垂直應力第185頁/共481頁（1）巖體假定處于彈性狀態(tài)

由推出得：巖體由多層不同性質(zhì)巖層組成時(圖6-2)第j層應力：原始垂直應力和水平應力：第186頁/共481頁圖6-2自重垂直應力分布第187頁/共481頁（2）Heim假設（塑性狀態(tài)）當原始應力超過一定的極限，巖體就會處于潛塑狀態(tài)或塑性狀態(tài)。（相當于）（3）巖體為理想松散介質(zhì)（風化帶、斷層帶）由極限平衡理得第188頁/共481頁第189頁/共481頁（4）當松散介質(zhì)有一定粘聚力時

注：當說明無側(cè)壓力

側(cè)壓力為：無側(cè)壓力深度第190頁/共481頁第191頁/共481頁2、巖體構(gòu)造應力（判斷、測試，不能計算）

當構(gòu)造應力存在時。

3、影響巖體初應力狀態(tài)的其它因素（1）地形-自重的減小或增大圖6－7地形對初應力的影響第192頁/共481頁（2）地質(zhì)條件對初應力的影響。

圖6-8背斜褶曲對地應力的影響圖6-9斷層對地應力的影響第193頁/共481頁（3）水壓力、熱應力

孔隙水壓力、流動水壓力(影響小，可不計)、靜水壓力（懸浮作用）熱膨冷縮在巖體中產(chǎn)生熱應力。地溫升高會使巖體內(nèi)地應力增加，一般地溫梯度：巖體的體膨脹系數(shù)：，巖體彈模E=104MPa；地溫梯度引起的溫度應力約為：

z--深度/m。溫度應力是同深度的垂直應力的1/9，并呈靜水壓力狀態(tài)。返回第194頁/共481頁第三節(jié)巖體初始應力狀態(tài)的現(xiàn)場量測方法一、巖體應力現(xiàn)場量測方法概述1.目的：（1）了解巖體中存在的應力大小和方向（2）為分析巖體的工程受力狀態(tài)以及為支護及巖體加固提供依據(jù)（3）預報巖體失穩(wěn)破壞以及預報巖爆的有力工具第195頁/共481頁2.方法分類(表6-1)第196頁/共481頁二、水壓致裂法（一）方法原理及技術(shù)要點：通過液壓泵向鉆孔內(nèi)擬定量測深度加液壓將孔壁壓裂，測定壓裂過程中的各特征點壓力及開裂方位，然后根據(jù)測得的壓裂過程中泵壓表的讀數(shù)，計算測點附近巖體中地應力大小和方向。壓裂點上下用止水封隔器密封，其結(jié)構(gòu)如圖6-10所示。水壓致裂過程中泵壓變化及其特征壓力示于圖6-11。第197頁/共481頁P0PbPsPs0P0Pb0Ps圖6-11壓裂過程泵壓變化及特征壓力圖6-10止水、壓裂工作原理PbPsPsPs0Pb0P0第198頁/共481頁各特征壓力的物理意義①P0-巖體內(nèi)孔隙水壓力或地下水壓力②Pb-注入鉆孔內(nèi)液壓將孔壁壓裂的初始壓裂壓力③Ps-液體進入巖體內(nèi)連續(xù)的將巖體劈裂的液壓，稱為穩(wěn)定開裂壓力④Ps0-關(guān)泵后壓力表上保持的壓力，稱為關(guān)閉壓力。如圍巖滲透性大，該壓力將逐漸衰減⑤Pb0-停泵后重新開泵將裂縫壓開的壓力，稱為開啟壓力第199頁/共481頁（二）基本理論和計算公式當孔壁出現(xiàn)垂直裂縫時，設孔周邊兩個水平地應力分別為和，孔壁還受有水壓Pb.如圖6-12。圖6-12孔壁開裂力學模型a第200頁/共481頁鉆孔周圍巖體內(nèi)應力

(Kirsch.G-基爾斯解)第201頁/共481頁在孔壁上r=a，有：當時有最大拉應力：按最大拉應力理論，有(6-15)(6-16)將(6-15)代入(6-16)得孔壁開裂應力條件(6-18)即孔壁開裂在與垂直,的面上式中：T0-巖體的抗強度第202頁/共481頁若巖體中有孔隙水壓力Pw，（6-18）式變成：(6-19)由圖6-11知水泵重新加壓使裂縫重新開裂的壓力Pb0，則上式變成：(6-20)19和20兩式對比得：Pb–Pb0=T0(6-21)在關(guān)閉壓力Pb0點上，孔壁已經(jīng)開裂，則T0=0,穩(wěn)定開裂壓力由P0下降到Ps0。此時，ps0等于與裂縫垂直的應力，即：第203頁/共481頁求得主應力及巖體抗拉強度（三）根據(jù)水壓致裂法試驗結(jié)果計算地應力（1）一般來講作為地主應力之一。我們可以將與作比較，若，則可以肯定此時為最小主應力；進一步將與作比較，也就可以以此確定地應力的三個主應力。第204頁/共481頁因為開裂點方位或開裂裂縫方向可以確定的方位或的方向，所以三個地主應力的方位也就可以相應確定。（2）如果，并且孔壁開裂后孔內(nèi)巖體出現(xiàn)水平裂縫，則此時為最小地應力，與各為中間主應力及最大地主應力，垂直開裂方向即為最大地應力方向。（四）水壓致裂法的特點設備簡單操作方便測值直觀適應性強

受到重視和推廣缺陷：主應力方向不準第205頁/共481頁三、應力解除法

1.基本原理：當需要測定巖體中某點的應力狀態(tài)時，人為的將該處巖體單元和周圍的巖體分離，此時，巖體單元上所受的拉力將被解除。同時，該單元體的幾何尺寸也將產(chǎn)生彈性恢復。應用一定的儀器，測定彈性恢復的應變值或變形值，并且認為巖體時連續(xù)、均質(zhì)和各向同性的彈性體，于是就可以借助彈性理論的解答計算巖體單元所受的應力狀態(tài)。切斷聯(lián)系解除應力應變恢復測試應變計算應力流程要點第206頁/共481頁2.應力解除法分類按測試深度表面應力解除淺孔應力解除深孔應力解除按測試應變或變形孔徑變形測試孔壁應變測試孔底應力解除法孔壁應力解除法測1個平面3個方向上的應變1平面3方向上的徑位移3平面9個方向應變第207頁/共481頁原理要點向巖體中的測點先鉆進一個平底鉆孔，在孔底中心處粘貼應變傳感器；套孔鉆出巖芯，使孔底平面完全卸載，應變傳感器測得孔底平面中心恢復應變；在室內(nèi)測得巖石的彈性常數(shù)；計算孔底中心處的平面應力狀態(tài)。由于孔底應力解除法只需要鉆進一段不長的巖芯，所以對較破碎的巖體也能應用。（1）巖體孔底應力解除法在孔底平面粘貼3應變片應變花一個平面有3個獨立的應力分量第208頁/共481頁工作步驟應變觀測系統(tǒng)第209頁/共481頁（2）套孔應力解除法原理要點對巖體中某點進行應力量測時，先向該點鉆進一定深度的超前小孔，在此小孔中埋設鉆孔傳感器，