地铁盾构施工岩石力学知识

地铁盾构施工岩石力学知识地铁盾构施工岩石力学研究对象岩石力学：研究岩石、岩体在各种不同受力状态下产生变形和破坏规律的学科。岩石：由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集而形成的自然物体。

矿物：存在地壳中的具有一定化学成分和物理性质的自然元素和化合物。结构：组成岩石的物质成分、颗粒大小和形状以及其相互结合的情况。构造:组成成分的空间分布及其相互间排列关系。

地铁盾构施工岩石力学研究对象岩石分类岩浆岩：强度高、均质性好沉积岩：强度不稳定,

各向异性变质岩：不稳定与变质程度

和原岩性质有关

岩体=岩块+结构面不连续面：包括节理、裂隙、孔隙、断面、孔洞、层面。

岩体地铁盾构施工岩石力学研究对象结构面岩块地铁盾构施工岩石力学研究对象岩体的力学特征：不连续；各向异性；不均匀性；岩块单元的可移动性；地质因子特性（水、气、热、初应力）。强度单向抗压强度单向抗拉强度剪切强度三轴压缩真三轴假三轴地铁盾构施工岩石力学岩石的强度特性工程师对材料提出两个问题最大承载力——许用应力[]？最大允许变形－－许用应变[]？强度：材料受力时抵抗破坏的能力。岩石的单轴抗压强度：指岩石试件在无侧限的条件下，受轴向压力作用破坏时单位面积上承受的荷载。式中：P—无侧限的条件下的轴向破坏荷载;A—试件界面积。

试件标准：圆柱形试件：φ4.8－5.2cm，高H=（2－2.5)φ

长方体试件：边长L=4.8－5.2cm,高H=（2－2.5)L

试件两端不平度0.5mm；尺寸误差±0.3mm;

两端面垂直于轴线±0.25o

地铁盾构施工岩石力学岩石的强度特性地铁盾构施工岩石力学岩石的强度特性单向压缩试件的破坏形态圆锥形破坏

原因：压板两端存在摩擦力，箍作用（又称端部效应），在工程中也会出现。柱状劈裂破坏

张拉破坏（岩石的抗拉强度远小于抗压强度）是岩石单向压缩破坏的真实反映（消除了端部效应）消除试件端部约束的方法润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部）加长试件地铁盾构施工岩石力学岩石的强度特性单轴压缩荷载作用下试件的破坏形态(a)圆锥形破坏；(b)柱形劈裂破坏；(c)圆锥形破坏应力分布承压板端部的摩擦力及其刚度（加垫块的依据）。试件的形状和尺寸：形状：圆形试件不易产生应力集中，好加工；高径比：h/d≥(2~3)较合理。加载速度：加载速度越大，表现强度越高。环境

含水量：含水量越大强度越低；岩石越软越明显，对泥岩、粘土等软

弱岩体，干燥强度是饱和强度的2~3倍；温度/湿度：180℃以下部明显：大于180℃，湿度越高强度越小。地铁盾构施工岩石力学岩石的强度特性影响单轴抗压强度的主要因素关键技术①试件和夹具之间的连接②加力P与试件同心地铁盾构施工岩石力学岩石的强度特性岩石的抗拉强度：岩石试件在受到轴向拉应力后其试件发生破坏时的单位面积上所受的拉力。由于试件不易加工，除研究直接的拉伸的夹具外，研究了大量的间接试验方法。直接拉伸法地铁盾构施工岩石力学岩石的强度特性拉伸试验加载和试件示意图①岩石是各向同性的线弹性材料②满足平面假设的对称面内弯曲适用条件：间接法：抗弯法（梁的三点弯曲试验）——三点弯曲梁内的最大拉应力；梁发生破坏时的就是；M——作用在试件上的最大弯矩；C——梁边缘到中性轴的距离；I——梁截面绕中性轴的惯性矩；

地铁盾构施工岩石力学岩石的强度特性试件：实心圆柱φ50mm；δ25mm试验：径向压缩破坏（张开）计算公式：式中：——试验中心的最大拉应力，即p——试验中破坏时的压力D——试件的直径t——试件的厚度δ地铁盾构施工岩石力学岩石的强度特性劈裂法（巴西法）地铁盾构施工岩石力学岩石的强度特性劈裂试验加载和应力分布示意图试件：任何形状，尺寸大致5cm，不做任何加工。试验：在直接带到现场的点荷载仪上，加载劈裂破坏。优点：是一种简易、快速、价廉的测定岩石单轴抗拉和抗压强度的试验方法；试件可以用不规则岩块。缺点：试件结果的离散性较大。地铁盾构施工岩石力学岩石的强度特性

式中：P——试件破坏时的极限D——加载点试件的厚度点荷载试验

地铁盾构施工岩石力学岩石的强度特性点荷载试验地铁盾构施工岩石力学岩石的强度特性岩石的三种受剪方式示意图岩石的抗剪强度：指一定的应力条件下（主要指压应力），所能抵抗的最大剪应力。

类型：抗剪断试验、抗切断试验、弱面抗剪试验。三向压缩试验简介

（1）真三轴（2）假三轴地铁盾构施工岩石力学岩石的强度特性岩石三轴压缩强度：指在不同三向压缩应力作用下岩石抵抗外荷载的最大应力。地铁盾构施工岩石力学岩石的强度特性三轴试验加载示意图地铁盾构施工岩石力学岩石的强度特性岩石的强度理论研究岩石在各种应力状态下的强度准则的理论；一般为或；它不仅要能解释岩石破坏的原因、破坏的形态，而且要能确定岩石破坏时应力状态和变形状态。强度准则与本构方程不同本构方程：一般是指受力过程的“应力—应变”关系；强度准则：在极限状态下的“应力—应力”关系；或“应变—应变”关系。地铁盾构施工岩石力学岩石的强度特性任何材料（包括岩石）的破坏机理：拉坏和剪坏的两种形式。主要强度理论：莫尔—库仑准则（常用）Drucker-Prager准则（常用）格里菲斯准则实验强度准则突变强度准则地铁盾构施工岩石力学岩石的变形特性岩石变形三种性质弹性：物体在受外力作用的瞬间即产生全部变形，而去除外力（卸载）后又能立即恢复其原有形状和尺寸的性质称为弹性；塑性：物体受力后产生变形，在外力去除（卸载）后变形不能完全恢复的性质；粘性：物体受力后变形不能在瞬间完成，且应变速率随应力增加而增加的性质。地铁盾构施工岩石力学岩石的变形特性页岩全应力应变曲线与软钢应力应变曲线图单轴压缩条件下岩石的变形特性连续加载条件下的变形特性地铁盾构施工岩石力学岩石的变形特性岩石全应力应变曲线特征表应力应变关系地铁盾构施工岩石力学岩石的变形特性岩石弹性变形的类型地铁盾构施工岩石力学岩石的变形特性弹性模量初始模量：过原点的切线斜率；

切线弹模：过任意点P的切线斜率；

割线弹模：任意点P的纵横坐标之比；岩石的弹模，一般为20~50GPa。

地铁盾构施工岩石力学岩石的变形特性泊松比岩石的横向应变与纵向应变之比值；岩石在弹性范围内，一般为常数，超过弹性范围，将随应力的增大而增大，直到为止。地铁盾构施工岩石力学岩石的变形特性体积模量平均正应力与单位体积变形之比，即式中，—体积变形模量，Pa；

—单位体积变形，量纲为1；

（横向应变均为负值）剪切模量完整性很好——连续介质力学方法非常破碎——土力学方法两者之间——裂隙体力学方法岩体不连续性，各向异性反映区域性地质构造降低岩体强度地铁盾构施工岩石力学岩体的基本力学性质结构面：断层、节理、褶皱……

岩体

结构面影响节理岩体的强度特征与岩石强度的区别Ⅰ－岩石；Ⅱ－节理化岩体：Ⅲ－节理岩体强度=岩块强度+节理强度地铁盾构施工岩石力学岩体的基本力学性质

裂隙度K：单组、多组结构面设勘测线长度为，在上出现的节理个数为n，则节理之间的平均间距为实例：k=4/10=0.4/md=1/k=2.5m单组节理10m地铁盾构施工岩石力学岩体的基本力学性质岩体破碎程度分类：裂隙度、切割度。多组节理地铁盾构施工岩石力学岩体的基本力学性质两组节理的裂隙度计算图

节理并非在岩体内全部贯通，用“切割度”来描述节理贯通度，在岩体中取一平直断面，总截面积为A，其中被节理面切割的面积为a，则切割度为

地铁盾构施工岩石力学岩体的基本力学性质切割度式中：－岩体体积内部被某组节理切割的程度，单位m2/m切割度与裂隙度的关系地铁盾构施工岩石力学岩体的基本力学性质地铁盾构施工岩石力学岩体的基本力学性质岩体破碎程度分类1．走向：例如：N30oE2．倾斜连续性4．粗糙度：节理表面粗糙程度5．起伏度倾向倾角沿走向沿倾角（切割度为依据）幅度a长度地铁盾构施工岩石力学岩体的基本力学性质结构面的几何特征：反映节理的外貌地铁盾构施工岩石力学岩石的时间效应与流变效应时间效应广义的时间效应：加载速率效应、流变现象；加载速率效应快：弹模高，峰值强度大，韧性低；快速加载达到破坏时的应力，称为瞬时强度；慢：弹模低，峰值强度低，韧性高；极慢：产生流变现象；经过较长时间加载达到破坏时的应力，称为长时强度。地铁盾构施工岩石力学岩石的时间效应与流变效应流变蠕变——即应力保持不变，应变随时间t延长而增加的现象；松驰——即应变保持不变，应力随时间t延长而减小的现象；弹性后效——即加载(或卸载)后经过一段时间应变才增加(或减小)到一定数值的现象；粘性流动——即蠕变一段时间后卸载，部分应变永久不恢复的现象。蠕变三水平蠕变三阶段地铁盾构施工岩石力学岩石的时间效应与流变效应蠕变中硬以下岩石及软岩中开挖的地下工程，大都需要经过半个月甚至半年时间变形才能稳定；或处于无休止的变形状态，直至破坏失稳。解决地下工程的设计和维护问题。地铁盾构施工岩石力学岩石的时间效应与流变效应说明I阶段—初期蠕变；II阶段—稳定蠕变；III阶段—加速蠕变；应力水平越高，蠕变变形越大；长时强度起重要作用应力水平低于长时强度，岩石不破裂，蠕变过程只包含前两个阶段；应力水平高于长时强度，则经过成长或短的时间，最终必将导致岩石破裂；蠕变三水平和三阶段，是金属、岩石和其他材料的通性，非岩石特有。地铁盾构施工岩石力学岩石的时间效应与流变效应岩石的长时