岩石力学重点

岩石岩体：岩石是自然界中各种矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集而形成的自然物体。岩体是由岩石结构体和结构面组成的地质体。岩石是岩体的基本组成部分。岩石的力学性质对岩体的力学性质有很大影响，在某种情况下，岩石对岩体力学性质和力学作用具有控制作用。在岩石强度很高时，主要结构面的力学性质决定了岩体的力学性质。岩石力学：岩石力学是以工程地质研究为基础，运用工程力学的知识解决地质工程问题。岩石水理性岩石遇水后会引起某些物理、化学和力学性质的改变，岩石的这种性质称为岩石的水理性。软化性吸水性渗透性抗冻性变形参数初始模量反映了岩石中微裂隙的多少，切线模量反映了岩石的弹性变形特征，割线模量反映了岩石的总体变形特征；变形弹性变形、塑性变形与时间无尖，只从变形能否恢复的角度。粘性流动与变形速率有尖，与时间有尖流变现象：材料应力-应变尖系与时间因素有尖的性质，称为流变性。材料变形过程中具有时间效应的现象，称为流变现象。蠕变应力不变，应变随时间增加而增长松弛应变不变，应力随时间增加而减小弹性后效加载或卸载时，弹性应变滞后于应力的现象莫尔强度包络线：指各极限应力的破坏点所组成的轨迹线。Tf二f（（T）在TfC坐标中是一条曲线，称为莫尔包络线，表示材料受到不同应力作用达到极限状态时，滑动面上的法向应力T与剪应力Tf的尖系。极限应力「.上的某点与强度包络线相切，即表示在该应力状态下材料发生破坏。强度理论研究岩体破坏原因和破坏条件的理论。强度准则在外荷载作用下岩石发生破坏时，其应力（应变）所必须满足的条件。强度准则也称破坏准则或破坏判据。应力Mohr1773年库伦提出了一个重要的准则（“摩擦”准则）。库伦认为，材料的破坏主要是剪切破坏，当材料某一斜面上的剪应力达到或超过该破坏面上的粘结力和摩擦阻力之和，应力Mohr是一种用作图法来理解岩石破坏准则的直观方法。岩石内部一点的应/员\,JPW曰，l_JZ<_Ji|LU7lJToSU/乂尸I、状态。应力圆与直线相交时岩石破坏，应力圆未与直线相交、相切时，岩石没有破格里菲斯强度理论在脆性材料内部存在着许多杂乱无章的扁平微小张开裂纹。在外力作用下，这些裂纹尖端附近产生很大的拉应力集中，导致新裂纹产生，原有裂纹扩展、贯通，从而使材料产生宏观破坏。影响岩石强度的主要因素：不良成分越多，强度硬度越低矿物成分与构造试件的尺寸效应与形状含水率及水的作用结合水(连结、润滑、水楔作用)自由水(孔隙压力、溶蚀及潜蚀作用)。温度的影响一般而言，随着温度的增高，岩石的延性加大，屈服点降低，强度也降低。结构面定义岩体内具有一定方向、延展较大、厚度较小的面状地质界面。它包括物质的分界面和不连续面。岩体强度很高时，结构面的力学性质控制了岩体的力学性质，岩体中的结构面，变化非常复杂。结构面的存在，使岩体造成在构造上不连续和不均质，以及T生质上的不连续和各向异T生。原生结构面构造结构面次生结构面节理：岩体沿断裂面没有明显位移或仅有微量位移的断裂构造称为节理。断层：岩体沿破裂面两侧发生了明显位移或较大错动的断裂结构称为断层。层理构造：层理是沉积岩在形成过程中，由于沉积环境的改变所引起沉积物质的成分、颗粒大小、形状或颜色沿垂直方向发生变化而显示出成层的现象。层：连续不断沉积形成的单元岩层简称为层层面：相邻两个层之间的界面称为层面。结构面的空间分布包括四个方面：结构面的产状(即方位)及其变化结构面与水平面相交线的方向称为走向；结构面的延展性；结构面在某一方向上的连续性或结构面连续段长短的程度。结构面密集的程度结构面空间组合尖系。分类：方法：通过岩体的一些简单和容易实测的指标，把工程地质条件和岩体力学性质参数联系起来，并借鉴已建工程设计、施工和处理等方面成功与失败的经验教训，对岩体进行

个宇工'IF灼不。目的：通过分类，概括地反映各类工程岩体的质量好坏，预测可能出现的岩体力学问题。为工程设计、支护衬砌、建筑物选型和施工方法选择等提供参数和依据。1、岩石的质量。主要表现在岩石的强度和变形性质方面。2、岩体的完整性。岩体完整性取决于不连续面的组数和密度。3、结构面条件。包括结构面产状、粗糙度和充填情况。4、岩体及结构面的风化程度。5、地下水的影响。渗流，软化，膨胀，崩解，水压力等。6、地应力。地应力难于测定，它对工程的影响程度也难于确定，因此，其影响一般在综合因素中反映。1、普氏分类法以岩石试件的单轴抗压强度作为分类依据，根据普氏坚固性系数f将岩石分为十级。f值越大，岩体越稳定。式中：R岩石单轴抗压强度，Mpaf〉20为1级，最坚固；f<0.3为第10级，最软弱。优点：形式简单，使用方便。缺点：未考虑岩体的完整性、岩体结构特征对稳定性影响，故不能准确评价岩体的稳定性。2简易分类任现场凭经验和观察就可以确定的，大致可以分为三类。3按岩体完整性系数Kv(龟裂系数)分类0.72.豹#*.154、按岩芯质量指标0.72.豹#*.15笛尔(Deere,1968)提出根据钻探时岩芯完好程度来判断岩体的质量，对岩体分类。人呀争骼宫叩dig医NfM屏那I曲鸟礁L」ii3岳的虽忆呛“■*11nmiIVV«3Ff5宾尼奥夫斯基(1976)提出的分类指标RMR(RockMassRating)，由下列6岩块强度(R1)(2)RQDS(R2)节理间距(R3)(4)节理条件(R4)地下水(R5)节理方向对工程的影响的修正参数(R6)U、巴顿石体质量IQ分类挪威巴顿等人提出一个用6个参数表达的岩体质量指标Q按照国家《工程岩体分级标准》(GB50218-94)的方法，工程岩体分级分两步进行。首先从定性判别与定量测试两个方面分别确定岩石的坚硬程度和岩体的完整性，并计算出岩体基本质量指标BQ;然后结合工程特点，考虑地下水、初始应力场以及软弱结构面走向与工程轴线的尖系等因素，对岩体基本质量指标BQ加以修正，以修正后的岩体基本质量BQ作为划分工程岩体级别的依据。'射嘲呼测训妾呛僧T:礼雅弹氐管忤抚"前〉戌■叫丫、VnrtW样和样ft^械讹帽1时巾Jft1:门ft,nyn„I:划L>a.04K**fl.^皿治R.,*0.4仪扎上虚计•wlft：■»原岩：未经工程开挖而又不受开挖影响仍处于自然平衡状态的岩体，称为原岩。围岩：受工程开挖影响应力发生重新分布的岩体，称为围岩。原岩应力：原岩中天然赋存的应力称为原岩应力，又称为地应力。原岩应力场：原岩应力在岩体空间有规律的分布状态称为原岩应力场，又称为地应力场。即未经采动的岩体在天然状态下所具有的应力状态。自重应力：地壳上部各种岩体由于受到地心引力的作用而产生的应力。它是由岩体自重引起的。自重应力场：自重应力在空间有规律的分布状态称为自重应力场。构造应力：由地质构造作用产生的应力称为构造应力。或地壳中长期存在着一种促使构造运动发生和发展的内在力量，这就是构造应力。构造应力场：构造应力在空间有规律的分布状态称为构造应力场。二次应力：岩体开挖扰动了原岩的自然平衡状态，使一定范围内的原岩应力发生变化，变化后的应力称为诱导应力或二次应力。地应力的成因大陆板块边界受压引起的应力场地幔热对流引起的应力场引引也场（4）岩浆侵入引起的应力场（5）地温梯度引起的应力场（6）地表剥蚀产生的应力场岩体构造应力一般可分为以下三种情况：（1）原始构造应力。每一次构造运动都在地壳中留下构造行迹，如结构面，有的地点构造应力在这些行迹附近表现强烈，且密切尖系。（2）残余构造应力。有的地区虽然有构造运动形迹，但是构造应力不明显或不存在，原岩应力基本包括在重力应力之中。（3）现代构造应力。许多实测资料表明，有的地区构造应力不是与构造形迹有尖，而是与现代构造运动密切相尖。原岩的构造应力场分布特点为：应力有压应力，亦可能有拉应力；以水平应力为主时，一般水平应力比垂直应力大；构造应力分布很不均匀，通常以地壳浅部为主；褶皱、断层和节理等各种构造行迹是相伴而生，共同形成一个构造体系原岩应力测量方法以钻孔应力解除法为主：孔底应力解除法和钻孔套孔应力解除法应即：等角变花、直角应变花。水压致裂法借助于封隔器在垂直钻孔中测点处封隔一段，作为压裂段，然后将压裂液送入压裂段，通过加压泵对压裂段施加水压力，使孔壁岩石破裂，然后用印模器印出压裂裂缝，确定压裂裂缝的方向，并根据压裂时的水压力计算岩体初始应力。围岩应力的弹性分布岩体经人工开挖碉室之后，洞壁的部分应力被释放，使碉室周围的岩体进行应力重新调整。由于岩体自身强度比较高或者作用于岩体的初始应力比较低，使得碉室周边的应力状态处于弹性应力状态。因此，这样的围岩应力状态被称作弹性分布。这种类型的碉室不必进行支护即可保持稳定。围岩应力状态为弹、塑性分布由于作用在岩体上的初始应力较大或者岩体自身的强度比较低，碉室开挖后，洞壁的部分岩体应力超出了岩体的屈服应力，使岩体进入了塑性状态。随着与碉室的距离增大，最小主应力也随之增大，进而提高了岩体的强度，并使岩体的应力转为弹性状态。因此，这种弹、塑性应力并存的状态被称为围岩应力的弹、塑性分布，处于弹、塑性分布中的碉室，必须进行支护，否则洞周的岩体将产生失稳，影响碉室的正常使用。洞室围岩分布的共同特点（1）无论洞室断面形状如何，周边附近应力集中系数最大，远离周边，应力集中程度逐渐减小，在距巷道中心为3-5倍坑道半径处，围岩应力趋近于与原岩应力相等。迥至由匀山力受'I灿立力系数入、小妲时血干BAN影U|qj,四又说来，小妲时面长轴平行于原岩最大主应力方向时，能获得较好的围岩应力分布；而当洞室断面长轴与短轴之比等于长轴方向原岩最大主应力与短轴方向原岩应力之比时，坑道围岩应力分布最理想。这时在巷道顶底板中点和两帮中点处切向应力相等，并且不出现拉应力。（3）洞室断面形状影响围岩应力分布的均匀性。通常平直边容易出现拉应力，转角处产生较大剪应力集中，都不利于坑道的稳定。（4）洞室影响区随坑道半径的增大而增大，相应地应力集中区也随洞室半径增大而增大。如果应力很高，在周边附近应力超过岩体承载能力而产生的塑性区（破裂区）半径也将较大。（5）上述特征都是在假定洞室周边围岩完整的情况下才具备的。在采用爆破方法开挖的坑道中，由于爆破的松动和破坏作用，洞室周边往往不是应力集中区，而是应力降低区，此区域又叫爆破松动区。该区域的范围一般在0.5m左右。地下工程开挖常能使围岩的性状发生很大变化，如果围岩体承受不了回弹应力或重分布应力的作用，围岩即将发生塑性变形或破坏。围岩的破坏方式是计算作用在支护结构上压力和支护设计的依据。地下开挖体的变形和破坏，除与岩体内的初始应力状态和洞形有尖外，主要取决于围岩的岩性和结构。开挖碉室后围岩应力重分布，使得围岩部分区域应力增高。如果围岩应力状态小于围岩的强度，则围岩只产生弹性变形或微小的塑性变形，岩体不发生破坏，也就是说，围岩自身作为支护结构能够承受地层压力，这种状态称为碉室稳定状态。反之，当围岩应力超过岩体的强度，则围岩产生较大的塑性或发生脆性破坏，这种状态称为碉室处于不稳定状态。这时，如果在无支护的情况下围岩将破碎塌落；在有支护的情况下围岩将以一定的压力挤压支护结构。由此可见，围岩处于稳定状态或不稳定状态，都是围岩应力和岩体强度之间矛盾表现的不同形式。碉室围岩的主要破坏形式碉室围岩整体稳定，但可能有局部岩块掉落现象。碉室围岩发生脆性断裂破坏围岩的拉断破坏一般出现在碉室顶部，因顶部岩石容易出现拉应力。在松散、破碎和完整性很差的岩层中可能由于顶部拉裂而发生严重冒顶现象，直至最后形成一个相应的拱形而暂时稳定下来。在坚硬岩层中，如果层理、节理裂隙切割具有不利的组合，这将使碉室顶拱部分岩体破裂。围岩塑性剪切破坏围岩压力分为如下四种：松动压力、塑性形变压力、冲击压力和膨胀压力。1松动压力松动的岩体或者施工爆破所破坏的岩体等作用在碉室上的压力称为松动压力。实际上，松动压力就是部分岩石的重量直接作用的支护结构上的压力，所以松动压力本质上应视作荷载（松动荷载）。因此洞顶上的压力特别大，而两侧稍小，底部一般没有。产生松动压力的原因有地质因素和施工因素两方面。松动压力在各种地层中都可能出现。2塑性形变压力由于岩体重力和构造运动的作用所引起的围岩应力状态，才是产生塑

T主B又H知口丫原因。当围岩应力超过岩体的强度极限时，碉室周围出现了塑性区域或破坏区域，产生塑性变形。为了正确理解塑性形变压力，必须克服过去将围岩压力只作为荷载理解的传统观念。塑性形变压力的分布情况，取决于侧压力系数的数值。3冲击压力岩爆是地层压力中的一种特殊现象，有时称为冲击地压。这个现象的发生通常是这样解释的：当岩石内部积聚了很大的弹性应变能，一旦遇到机械的扰动时，突然猛烈地释放出来，形成岩爆现象。随着巨大的响声，岩片以极快的速度向碉室内飞散开来，岩片成透镜状或叶片状，其边缘像刀刃一样锐利。因此，岩爆就是岩石被挤压到超过其弹性限度岩体内积聚的能量突然释放所造成的岩石破坏现象。岩爆的发生常常造成矿井或坑道的破坏，并严重威胁着工人的安全。4膨胀压力在粘土质页岩或凝灰岩之类的岩石中开挖碉室，无论在地层的深部或浅部，碉室四周的围岩往往产生很大的变形，向洞内鼓胀，但不失其整体性，因而表现为顶板悬垂、两帮突出以及底板隆起，这就是膨胀现象。膨胀现象中最常见的是底鼓。现代支护理论认为，地下工程支护设计的主要目的在于发挥岩体的自承能力。(1)新奥法简介20世纪60年代，奥地利工程师在总结前人经验的基础上，提出了一种新的隧道设计施工方法，称为新奥地利隧道施工方法，简称新奥法(NATM)。1980年，奥地利土木工程学会地下空间分会把新奥法定义为“在岩体或土体中设置的以使地下空间的周围岩体形成一个中空筒状支撑环结构为目的的设计施工方法”。新奥法的核心是利用围岩的自承作用来支撑隧道，促使围岩本身变为支护结构的重要组成部分，使围岩与构筑的支护结构共同形成坚固的自承环。新奥法是应用岩体力学原理，以维护和利用围岩的自稳能力为基点，将锚杆和喷射混凝土作为主要支护手段，及时进行支护，以便控制围岩的变形与松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，形成了以锚杆、喷射混凝土和隧道围岩为三位一体的承载结构，共同支承岩体压力。通过对围岩与支护的现场量测，及时反馈围岩和支护复合体的力学动态及其变化状况，为二次支护提供合理的架设时机；通过监控量测及时反馈的信息来指导隧道和地下工程的设计与施工。喷锚支护特点：喷射混凝土支护与锚杆支护的联合支护，其特点是通过加固围岩，提高围岩的