长安大学隧道专业入学考试之岩体力学

1、岩石由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集而成的自然物体。岩体由岩块和结构面共同组成的具有一定结构并赋存于一定地质环境中的地质体。结构面岩体内具有一定方向、延展较大、厚度较小的面状地质界面。结构体由不同产状的结构面组合切割而形成的单元体。岩体结构1.结构面的发育程度及其组合关系。2.结构体的规模、形态及其排列形式所表现的空间形态。岩石的物理力学参数1.密度指标：岩石的颗粒密度、天然密度、干密度、饱和密度。2.孔隙性：孔隙比、孔隙率。3.水理性质：含水率、自由吸水率、饱和吸水率、渗透系数K。4.抗风化特性：软化系数、耐崩解性指数、自由膨胀率、侧向约束膨胀率、膨胀压力。5.抗冻性：抗冻性系数。刚性

2、试验机工作原理 当试验机刚度Km大于岩石刚度Ks时，在相同的条件下，试验机附加给岩石的能量比岩石所能承受的能量小，要岩石继续产生应变必须依靠外荷载的加载做功才能实现。因此，当试验机刚度大于岩石刚度时，才能记录下岩石峰值强度后的应力-应变曲线。曲线形态岩石特性代表岩石直线型（弹脆性）具有很明显的弹性特性的岩石石英岩 玄武岩下凹型（弹塑性）具有明显的塑形变形的岩石石灰岩 粉砂岩上凹型（塑弹性）具有较大的孔隙但较为坚硬的岩石片麻岩S型（塑弹塑型）多孔且具有明显塑性的岩石大理石岩石应力应变全过程曲线：指在刚性试验机上进行试验所获得的包括岩石达到峰值应力之后的应力应变曲线。压密阶段：岩石内的微裂隙在外力

3、作用下发生闭合，岩石压密。曲线上凹，应变率随应力增加而减小，为不可恢复的塑性变形。弹性阶段：初期裂隙压密后，岩石强度暂趋稳定。曲线近似呈直线，弹性模量为常熟，很大程度上为可恢复的弹性变形。（弹性模量 泊松比）塑性阶段：曲线呈下凹状，有应变软化现象；塑性变形，变形不可恢复。应变软化阶段：曲线斜率为负，软化现象显著，试件承载力随变形的增大而迅速下降。摩擦阶段：仅表现了岩石产生宏观的断裂面后，断裂面的摩擦所具有的抵抗外力的能力。岩石强度岩石在荷载作用下破坏时所承受的最大荷载应力分类抗压强度（单轴、三轴）、抗剪强度、抗拉强度影响因素1.承压板端部的摩擦力及其刚度2.试件尺寸及形状：形状：圆形试件不易产

4、生应力集中，且易达到有关加工精度要求。尺寸：试件强度常随其尺寸的增大而减小（尺寸效应） 宜取4-6cm且大于矿物颗粒直径10倍以上；高径比：取(23)时强度趋于稳定。3.加载速率：加载速率越大，表现强度越高。4.含水量：含水量越大强度越低，岩石越软越明显。5.温度：180以下不明显，大于180湿度越高强度越小。假三轴试验（围压相等）岩石变形特性：1.岩石的屈服应力随围压的增加而提高。2.弹性模量变化不大，有随围压增加而增大的趋势。3.随着围压的增加，峰值应力所对应的应变值有所增大。岩石变形特性明显地由低围压下的脆性特性转向高围压下的塑性特性。岩体的力学特征不连续性 岩体受结构面的隔断，多为不连

5、续介质，但岩块本身可作为连续介质看待。各向异性 结构面有优先位向排列的趋势，随着受力岩体的结构取向不同力学性质也各异。不均匀性 结构面的方向、分布、密度及结构体的大小、形状和镶嵌状况等在各部位都很不一致，造成岩体的不均匀性。赋存地质因子 在一定的地质环境中，岩体赋存有不同于自重应力场的地应力场、水、气、温度以及地质历史遗留的形迹等。流变性：岩石在外部条件不变的条件下，应力或应变随时间而变化的性质。包含：蠕（徐）变岩石在恒定外力作用下，应变随时间推移而增长的特性。应力松弛在应变保持不变的情况下，应力随时间的推移而减小的特性。长期强度在长期荷载的作用下岩石的强度。典型蠕变曲线瞬态蠕变阶段（AB）加

6、载一定时间后岩石产生蠕变，蠕变曲线下凹，应变率随时间增长而减小；若卸载，瞬时弹性应变恢复，之后出现弹性后效。稳定蠕变阶段（BC）加载应变与时间呈直线变化，应变速率为常数；若卸载，有瞬时弹性应变恢复，有弹性后效，有部分不可恢复的永变应变。非稳态蠕变阶段（C以后）应变速率剧烈增加，曲线上凹，经过短暂的时间后试件将发生破坏。影响岩石蠕变的因素1.岩石矿物成分2.应力水平（低应力只产生前两个阶段，试件不破坏，变形趋于稳定值。高应力第二阶段较短暂，迅速进入第三阶段直至破坏。中等应力才能产生完整蠕变曲线）3.温度与湿度基本力学介质模型表征弹性具有一定刚度的弹簧塑性一滑块置于粗糙平面上（摩擦器）粘性粘壶常用

7、岩石介质模型表述弹塑性弹簧与摩擦器 串联粘弹性马克斯韦尔弹簧与粘壶 串联凯尔文弹簧与粘壶 并联库仑岩石破坏为剪切破坏；抵抗剪切破坏的能力：内聚力、内摩擦力莫尔不论岩石处于何种应力状态，破坏均为剪切破坏；在破坏面上，剪切破坏力的一部分用来克服粘结力，使材料颗粒间相脱离；另一部分用来克服与正应力成正比的摩擦力，使面间发生错动而最终破坏。格里菲斯不论岩石受力状态如何，最终在本质上都是拉伸应力引起岩石破坏。评价库仑强度理论是莫尔强度理论的直线形式。莫尔强度理论使用方便，物理意义明确，但忽视了中间应力的作用。格氏理论推导岩石抗压强度为抗拉强度的8倍，反映了岩石的真实情况，较好证明了岩石在任何应力状态下都

8、是由于拉伸引起破坏。莫尔理论适用于塑性岩石，及脆性岩石的剪切破坏。格氏理论适用于脆性岩石及材料破坏。格里菲斯强度理论 的基本思路及其使用条 脆性材料的内部存在着许多裂纹，在外力作用下，微裂纹的尖端附近产生很大的应力集中，当作用在裂纹尖端处的有效应力达到形成新裂纹所需的能量时，裂纹沿着与最大拉应力成直角的方向扩展，继而产生连接、贯通，最终导致宏观破裂。格里菲斯强度理论适用于脆性岩石的拉破坏情况。扩容:岩石受外力作用后，发生的不可逆的非线性的体积膨胀。原因:岩石试件在不断加载过程中，由于试件中微裂纹的张开、扩展、贯通等现象的出现，岩石内的孔隙不断增大，促使其在宏观上表现体积增大。岩体结构基本类型块

9、状（节理少，层厚）；镶嵌（结构面较多，由斜交结构面）；碎裂（碎块状）；层状（板状）；层状碎裂（小碎块体）；散体（颗粒状，碎屑状）结构面定量描述参数产状（结构面的空间分布状态）走向，倾向，倾角间距（同组相邻结构面法线方向上该组结构面的平均距离）延展性（在一个暴露面上能看见的结构面迹线的长度）粗糙度和起伏度（相对于结构面的平均平面的不平整度）面壁抗压强度（结构面两侧岩壁的等效抗压强度）开度与充填物（结构面两面壁间的垂直距离，处在结构面缝隙中的物质）渗透性（结构面中是否存在渗流及渗流量）流速，流量结构面组数与岩块尺寸结构面的存在构成了对岩体的切割，影响了岩体的完整性。（岩体破碎程度）裂隙度：沿着某个

10、取样线方向，单位长度上节理的数量。切割度：单位面积岩体中结构面面积所占比例。结构面法向变形（法向闭合变形法向弹性变形）结构面剪切位移（剪切位移曲线）有充填结平面接触无充填齿状接触部分充填齿状接触软弱式接触 有充填结平面接触。结构面之间被胶结物质充填，初始抗剪强度较大，充填物被剪坏后，接触面变为平面接触，抗剪强度迅速下降至残余强度。此时，初始强度即为最大强度，由充填物质的抗剪强度决定，而残余强度受充填物质的颗粒级配、结构壁的强度和形态等因素的影响。 无充填齿状接触。随着剪应力的增加，上下接触面逐渐进入起伏齿接触，结构面出现向上（剪胀）或向下（剪缩）的位移，当部分起伏齿被剪坏时，达到初始强度。随着

11、位移的增加，起伏齿被剪坏的面积逐渐增大，受剪面积逐渐减小并产生应力集中，直至剪切面缩小至足以使起伏齿全部被剪坏，达到最大强度，结构面变成平面接触进入残余变形阶段。 部分充填齿状接触。结构面内有部分充填物质，当充填物质被剪坏时，结构面达到初始强度并开始进入齿状接触，以后的变形同无充填齿状接触，并出现二次强化现象。 软弱式接触。结构面两壁岩石比较软弱，没有起伏齿状剪坏现象，但显示出明显的塑性变形，并伴随强化现象。其强度随位移增加而增加，直至塑性破坏。结构面的剪切强度1.面摩擦2.楔效应摩擦3.转动摩擦4.滚动摩擦摩擦系数影响因素 结构面的性质 接触面的光滑程度 结构面的湿度 结构面中充填物的粘结度

12、 滑移速度 温度 振动状态岩体的应力应变曲线 岩石受到压缩荷载后，开始是弹性变形，随着荷载的增加，弹性转变为塑形变形，但塑形变形一般很小，故可认为岩石材料的破坏属脆性破坏。 岩体中存在节理，当岩体受到压缩荷载时，会产生节理的闭合或节理中充填物的变形。这些变形有些是可恢复的，有些不可恢复。1.曲线上凹，节理闭合或节理中充填物变形，不属于线弹性。2.直线关系，属于线弹性阶段，大部分变形可逆，主要表现为充填物的变形。3.曲线下凹，开始塑性变形或开始破裂，伴有结构面剪切滑移变形。节理闭合后岩体变形曲线分类 直线型：反映岩体加压过程中变形随压力成正比增加。 A-1型：曲线斜率陡，呈直线，岩体刚度大，退压

13、后岩体变形几乎恢复到原点，以弹性变形为主。 A-2型：曲线斜率缓，呈直线，岩体刚度低，退压后岩体变形只能部分恢复，有明显的不可恢复变形和回滞环，岩体变形不是弹性的。 B-1型：每次加压曲线的斜率随着加压退压循环次数增加逐渐变大，即岩体刚度增大，各退压曲线较缓且相互近于平行，变形系数随压力增加而减小，岩体弹性变形逐渐增大。 B-2型：加压曲线斜率随压力增大而逐渐变大，即岩体刚度增大，各卸荷曲线很陡，在卸荷后，变形大部分不可恢复。 下凹型：每次加压曲线在应力较小时近于平行，而有应力较大时逐渐变缓，变形系数随压力增加而增加。 复合型：岩体受压时的力学行为复杂，同时岩体受压的边界条件又随压力的增大而改

14、变。岩体变形模量按 应力应变曲线 求变形模量：压应力 p为永久应变 e为弹性应变按 现场岩体变形机理 求变形模量按 等价的连续岩体模型 求变形模量岩体与岩石的变形岩体的变形包括体积变形、形状变形、位置变形，总体而言分为： 结构体变形（包括材料的弹性、塑性和粘性以及结构体的滚动和转动变形） 结构面变形（包括压缩闭合或挤出变形、错动或滑动流动变形等）岩石由于整体比较完整不存在结构面，故岩石的变形主要是结构体的变形而没有结构面的变形。工程岩体分类的目的和原则 从工程实际需求出发，对工程建筑物基础或围岩的岩体进行分类，并根据其好坏，进行相应的试验，赋予它必不可少的计算指标参数，以便于合理地设计和采取相

15、应的工程措施，达到经济，合理，安全的目的。有明确的类级和适用对象；有定量的指标；类级一般分五级为宜；分类方法简单明了，数字便于记忆和应用；根据适用对象，选择考虑因素。影响岩体分类的主要因素（1）岩石材料的质量。主要表现在岩石的强度和变形性质方面。（2）岩体的完整性。（3）水的影响。使岩石及结构面充填物的物理力学性质劣化 沿岩体结构面形成渗透，影响岩体的稳定性。（4）地应力。对地下工程的稳定性影响非常大。岩石质量指标RQD（修正的岩芯采取率）：采取岩芯总长度（10cm）与钻孔在岩层中的长度之比。0-25% 极差25%-50% 差50%-75% 中等75%-90% 好90%-100% 极好巴顿隧道

16、工程的Q分类 岩体的质量指标RQD节理组数系数节理粗糙度系数节理蚀变系数地下水影响系数应力折减系数SRF我国工程岩体分级标准定量指标1.岩石坚硬程度（岩石单轴饱和抗压强度）2.岩体完整程度（岩体完整性指数）岩体（石）弹性纵波速度比定性确定依然采用上述两参数，但主要靠人对工程岩体进行实际观察。岩体基本质量指标（BQ）： 时取时取工程岩体质量指标修正值【BQ】= BQ-100（K1+K2+K3）地下水影响主要软弱结构面产状影响初始应力状态影响岩体的初始应力（地应力）：岩体在天然状态下所存在的内在应力。 【由岩体的自重和地质构造运动所引起】初始应力场：自重应力场和构造应力场自重应力: 侧压力系数 上

17、覆岩体重度影响初始应力状态的因素：地质构造，自重应力。地形，地质构造形态，岩体力学性质，水，温度。岩体初始应力场的分布规律1.岩体初始应力场是一个非稳定应力场。 绝大部分是以水平应力为主的三向不等压空间应力场，三个主应力大小和方向随时间和空间变化而变化。2.实测垂直应力基本上等于上覆岩体重量。v=0.027H3.水平应力普遍大于垂直应力。4.平均水平应力与垂直应力的比值（侧压力系数）随深度增加而减小。5.水平主应力随深度呈线性增长关系。6.两个水平主应力一般相差较大，显示出很强的方向性。比值通常为0.20.8测量方法：水压致裂，应力接触，应力恢复，声发射等围岩：由于人工开挖使岩体的应力状态发生

18、了变化，应力状态被改变了的岩体。二次应力状态：应力重分布后，无支护状态下岩体的应力状态。围岩压力：（狭义）围岩和支护为两个独立体系，围岩作用于支护上的压力称为围岩压力。（广义）支护与围岩是一个共同体，二次应力的全部作用力视为围岩压力。围岩压力分类：松动压力，形变压力，冲击压力，膨胀压力松动压力：部分岩体的重量直接作用在支护结构上的压力。形变压力：围岩缓慢的塑性变形作用在支护上形成的压力。冲击压力：由于岩爆现象而产生的压力。 围岩处于高应力场条件下所产生的岩片（快）飞射抛散，以及洞壁片状剥落等现象。 破裂松脱，爆裂弹射，爆炸抛射。膨胀压力：由于洞室膨胀而产生的压力。 围岩常常发生不失去整体性的膨

19、胀变形和位移，表现在顶板下沉、地板隆起和两帮挤出，并在支护结构上形成形变压力的现象。影响围岩压力的主要因素地质因素：（1）岩体完整性或破碎程度（2）岩体的性质和强度（3）地下的活动状况（4）结构面的产状、分布密度、力学性质、充填物性质及其充填状态工程因素：（1）洞室的形状和尺寸（2）支护结构的形式和刚度 （3）洞室的埋置深度或覆盖层厚度（4）施工中的技术措施洞室工程支护作用：1.在松动压力作用下，支护承受松动或塌落岩体的自重，起承载结构作用。 2.在塑性形变压力下，支护用来限制围岩变形，起维持围岩稳定的作用。形式：1.外部支护：衬砌 2.内（自）承支护：通过化学或水泥灌浆、锚杆、喷射混凝土等方

20、式加固围岩，增强围岩的自承能力，从而增强围岩的稳定性。现场监测内容：1.洞室内壁的收敛位移 2.支护与围岩交界面的压力3.锚杆所受的应力 4.洞周岩体的各点位移新奥法定义： 以维护和利用围岩的自承能力为基点，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时进行支护，控制围岩的变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，并通过对围岩和支护的量测、监控来指导隧道施工和地下工程设计施工的方法和原则。新奥法精髓：1.提出“二次应力作用”和“结构面切割”是岩体失稳的主要因素。2.洞室开挖后产生的围岩压力由“岩体与支护结构”共同承担。新奥法要点：1.开挖作业尽量采用大断面开挖，以减少对围岩的扰动。2.开挖后尽量利用

21、围岩的自承能力，充分发挥围岩自身的支护作用。3.尽量使断面周边轮廓圆顺，避免棱角突变处出现应力集中。4.支护刚度不必很大，当支护做完后使之能与岩体一起产生少量位移，释放掉部分能量，但支护又能控制岩体的位移，使支护足以保持岩体稳定。（柔性支护）5.尽早进行支护，以防止岩体过分地松动和风化。（早期支护）6.通过施工中对围岩和支护的动态观察、测量，合理安排施工程序，进行设计变更及日常的施工管理。支护-围岩共同作用 围岩既是生产支护荷载的主体，又是承受岩层荷载的结构，支护-围岩作为整体相互作用，共同承担围岩压力。围岩压力是变形压力和松动压力的组合，大部分压力(特别是变形压力)由围岩自身承担，只有少部分

22、转移到支护结构上；支护荷载既取决于围岩的性质，又取决于支护结构的刚度和支护时间；围岩的松动区和围岩内的二次应力状态又与支护结构的性质和支护时间有关。影响边坡稳定性的因素岩体自然因素：岩性、结构、地应力、地形地貌扰动因素：水的作用、风化作用、地震人为因素：边坡不合理的开挖设计及爆破、加载等边坡岩体的变形1.卸荷回弹：成坡前边坡岩体在初始应力作用下早已固结，成坡过程中，由于荷载不断减少，边坡岩体在减荷方向（临空面）必然产生伸长变形，即卸荷回弹。2.蠕变：边坡岩体在自重应力为主的坡体应力长期作用下，向临空面方向缓慢而持续的变形，即边坡蠕变。边坡岩体的破坏崩塌。块状岩体与岩坡分离，并向前翻滚而下。滑坡。岩体在重力作用下沿坡内软弱结构面产生的整体滑动。岩块流动。岩块流动起因是岩体内部的脆性破坏，常发生在均质坚硬岩层中，没有明显的滑动扇形体，破坏面极不规则，没有一定的形状。岩层曲折。当岩层成层状沿坡面分布时，由于岩层本身的重力作用，或由于裂隙水的冰胀