第二章巖體力學(xué)

1、第二章 巖體力學(xué)第一節(jié) 巖石的工程地質(zhì)性質(zhì) 幾個概念： 巖石：是由具有一定結(jié)構(gòu)構(gòu)造的礦物（含結(jié)晶和非結(jié)晶）集合體組成。 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：由巖塊和結(jié)構(gòu)面組成。 巖石與土的主要區(qū)別：1.巖石礦物顆粒間具有更為牢固的連接；2. 巖體存在結(jié)構(gòu)面；3.巖體具有高地應(yīng)力。巖石的物理性質(zhì) 巖石的密度：顆粒密度塊體密度：干密度、天然密度和飽和密度。 空隙性：巖石孔隙性和裂隙性的統(tǒng)稱，用空隙率表示?？偪障堵省⒖傞_空隙率、大開空隙率、小開空隙率和閉空隙率。 巖石的吸水性：巖石在一定試驗條件下吸收水分的能力。 巖石的吸水率：指巖石試件在一個大氣壓和室溫條件下自

2、由吸入水的質(zhì)量與試件干質(zhì)量之比。 巖石的飽和吸水率：是指巖石試件在高壓（一般為15MPa）或真空條件下吸入水的質(zhì)量與巖樣干質(zhì)量之比。 飽水系數(shù)：吸水率與飽和吸水率之比。反映巖石中大、小空隙的相對比例關(guān)系。 巖石的軟化性：巖石浸水后強度降低的性質(zhì)。巖石的軟化性取決于它的礦物組成及空隙性。 軟化系數(shù)為飽和抗壓強度與干燥抗壓強度之比。當(dāng)軟化系數(shù)大于0.75時，軟化性弱，同時也說明巖石的抗凍性和抗風(fēng)化能力強；反之亦反。 巖石的抗凍性：巖石抵抗凍融破壞的性質(zhì)。 巖石的抗凍性常用抗凍系數(shù)和質(zhì)量損失率兩個指標(biāo)表示。 抗凍系數(shù)是指巖石凍融實驗后干抗壓強度與凍融前抗壓強度之比，以百分?jǐn)?shù)表示。 質(zhì)量損失率是指凍融

3、前后巖樣干質(zhì)量之差與凍融前干質(zhì)量之比，以百分?jǐn)?shù)表示。 當(dāng)抗凍系數(shù)大于75%，質(zhì)量損失率小于2%時，認為巖石抗凍性好；吸水率小于5%，軟化系數(shù)大于0.75以及飽水系數(shù)小于0.8的巖石，具有足夠的抗凍能力。 巖石的透水性：巖石能被水透過的性質(zhì)，用滲透系數(shù)表示。它的大小取決于空隙的數(shù)量、大小、方向和連通情況。巖石的力學(xué)性質(zhì) 巖石在外力作用下所變現(xiàn)出來的性質(zhì)，這里主要研究變形、破壞及其強度。單軸受壓下巖石的變形與強度L巖石單軸受壓應(yīng)力應(yīng)變曲線dV孔隙裂隙壓密階段；微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段；破壞后階段彈性變形；非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段；根據(jù)美國學(xué)者米勒（1965）對28種巖石的試驗成果，可以將巖塊峰值前應(yīng)力-軸向應(yīng)

4、變曲線分為6類。玄武巖鹽巖片巖片麻巖花崗巖灰?guī)r巖石的變形參數(shù) 變形模量：指巖石在單向受壓時，軸向壓力與軸向應(yīng)變之比，當(dāng)巖石變形為彈性變形時，應(yīng)力應(yīng)變曲線為一直線，該模量為彈性模量，數(shù)值等于直線斜率。初始模量切線模量割線模量 泊松比：巖石單向受壓時，橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變之比。在實際工作中常采用抗壓強度50%處的橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變之比計算泊松比。 巖石的變形模量和泊松比往往具有各向異性，當(dāng)平行于微結(jié)構(gòu)面加載時，變形模量最大；當(dāng)垂直于微結(jié)構(gòu)面的變形模量最小。循環(huán)荷載條件下巖石變形特征在彈性極限以內(nèi)卸荷在彈性極限以外卸荷反復(fù)加載卸載應(yīng)力應(yīng)變曲線單向受力條件下的巖石強度 巖石的強度主要包括抗壓、抗拉和剪切

5、強度。 抗壓強度：巖石單向受壓時，能夠承受的最大壓應(yīng)力，稱為單軸抗壓強度，簡稱抗壓強度。 影響巖石抗壓強度的因素： 1. 巖石本身的因素，如礦物組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、風(fēng)化程度及含水狀態(tài)等； 2. 試驗條件，如試件形狀、大小、高徑比及加工精度、加荷速率等。 抗拉強度：巖石試件單向受拉時，能承受的最大拉應(yīng)力，稱為巖石的抗拉強度。 影響巖石抗拉強度的因素與抗壓強度影響因素相同，但其控制作用的因素是巖石的結(jié)構(gòu)，特別是空隙性的影響尤為嚴(yán)重。 巖石的抗拉強度遠小于其抗壓強度。 巖石的剪切強度：受剪力作用時抵抗剪切破壞的最大剪應(yīng)力，稱為剪切強度。 抗剪斷強度：指在一定的法向應(yīng)力作用下，沿預(yù)定剪切面剪斷時的最大剪應(yīng)

6、力。它反映了巖石的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦阻力。 抗剪強度：指在一定的法向應(yīng)力作用下，沿已有破裂面再次剪壞時的最大剪應(yīng)力。它反映了巖石中微結(jié)構(gòu)面（裂隙、層理等）或人工破裂面上的摩擦阻力。 抗切強度：指法向應(yīng)力為零時，沿預(yù)定剪切面剪斷時的最大剪應(yīng)力。它反映了巖石的內(nèi)聚力。三向應(yīng)力下巖石的變形與強度三軸應(yīng)力下巖石的變形與強度測試：真三軸或不等壓三軸： 0123假三軸： = 0321 三軸壓縮試驗可以得出：（1）不同圍壓 下三軸壓縮強度 ；（2）強度包絡(luò)線及剪切強度參數(shù)；（3）壓力差（ ）-軸向應(yīng)變 曲線和變形模量。根據(jù)這些成果可以分析巖塊在三軸壓縮條件下的變形與強度性質(zhì)。m1331三軸壓縮強度：試件在三向壓

7、力下能抵抗的最大軸向應(yīng)力，稱為巖塊的三軸壓縮強度。通過三軸壓縮試驗可以得到相應(yīng)圍壓的三軸壓縮強度、剪切強度參數(shù)、單軸抗拉強度。Apmm1cot2/ )(2/ )(sin3131Cmmsin1sin12sin1sin131Cm)245tan(2 Cc)2-(45tan2ct2tcC 圍壓對巖塊變形破壞的影響： 巖石破壞前的應(yīng)變隨圍壓增大而增加； 巖石逐漸由脆性轉(zhuǎn)為延性； 對變形模量的影響；總體說來，變形模量和泊松比隨著圍壓增大都有一定程度的增加。圍壓對巖石強度的影響 巖石的三軸壓縮強度 均隨圍壓 的增加而增大，但是 的增加速率小于 的增加速率，即兩者呈非線性關(guān)系。 當(dāng)圍壓為零或者很低時，應(yīng)力達到

8、峰值后曲線迅速下降至接近零，巖塊殘余強度很低，隨著圍壓增大，其殘余強度也逐漸增大，直到產(chǎn)生應(yīng)變硬化。 m13m13巖石的蠕變特性 巖石的蠕變：巖石在大小和方向不變的外力作用下，變形量隨時間延續(xù)而不斷增長的現(xiàn)象。巖石的典型蠕變曲線頁巖、砂巖和花崗巖在10MPa壓力下蠕變曲線第二節(jié) 巖體的工程地質(zhì)性質(zhì)及巖體工程分類 巖體包括結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體兩個部分。 結(jié)構(gòu)面的類型：原生結(jié)構(gòu)面、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面和次生結(jié)構(gòu)面。不同的結(jié)構(gòu)面成因不同，工程地質(zhì)特性也不相同。 結(jié)構(gòu)面特征及其對巖體力學(xué)性質(zhì)的影響： 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀； 結(jié)構(gòu)面連續(xù)性； 結(jié)構(gòu)面密度； 結(jié)構(gòu)面形態(tài)； 結(jié)構(gòu)面張開度； 結(jié)構(gòu)面沖填膠結(jié)程度； 結(jié)構(gòu)面的規(guī)模及分級；結(jié)

9、構(gòu)面分級及特征按結(jié)構(gòu)面的延伸長度、切割深度、破碎帶寬度及其力學(xué)效應(yīng)，將其分為5級：I級：指大斷層或區(qū)域性斷層，一般延伸約數(shù)公里至數(shù)十公里以上，破碎帶寬度約數(shù)米至數(shù)百米以上。如郯廬大斷裂。級：指延伸長而寬度不大的區(qū)域性地質(zhì)界面，如較大的斷層、層間錯動、不整合面及原生軟弱夾層等。長度一般數(shù)百米至數(shù)千米，破碎帶寬度數(shù)十厘米至數(shù)米。如西南區(qū)煤系地層。級：指長度數(shù)十米至數(shù)百米的斷層、區(qū)域性節(jié)理、延伸較好的層面及層間錯動等。寬度一般數(shù)厘米至1米。如房山巖體區(qū)域性節(jié)理。級：指延展性較差的節(jié)理、層面、次生裂隙、小斷層及較發(fā)育的片理、劈理面等。一般長度為數(shù)十厘米至20-30米，寬度數(shù)厘米至十幾厘米。如卸荷裂隙。

10、級：微結(jié)構(gòu)面。指隱節(jié)理、微層面、微裂隙及不發(fā)育的片理、劈理等。結(jié)構(gòu)體：被結(jié)構(gòu)面切割成的巖石塊體。 結(jié)構(gòu)體分級，可以分為4級，不同級別的結(jié)構(gòu)面所切割圍限的巖石塊體（結(jié)構(gòu)體）的規(guī)模是不同的。結(jié)構(gòu)體一般分為4級。 級結(jié)構(gòu)面切割的結(jié)構(gòu)體稱為巖塊，其內(nèi)部還有微裂隙、隱節(jié)理等級結(jié)構(gòu)面。 巖體結(jié)構(gòu)：巖體中結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的成因、特征、及其排列組合關(guān)系。巖體結(jié)構(gòu)類型巖體結(jié)構(gòu)控制論 巖體的應(yīng)力傳播、變形破壞以及巖體力學(xué)介質(zhì)屬性無不受控于巖體結(jié)構(gòu)。巖體結(jié)構(gòu)對工程巖體的控制作用主要表現(xiàn)在三方面： 應(yīng)力傳播特征 巖體的變形與破壞特征 工程巖體的穩(wěn)定性不同結(jié)構(gòu)巖體的變形破壞方式結(jié)構(gòu)面的變形與強度性質(zhì) 結(jié)構(gòu)面的法向變形特征

11、 法向剛度：法向應(yīng)力作用下，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生單位法向變形所需要的應(yīng)力，數(shù)值上等于 某一點的切線斜率。jnV切向變形特征：結(jié)構(gòu)面切向剛度 結(jié)構(gòu)面的強度，這里重點研究其抗剪強度。 結(jié)構(gòu)面的抗剪強度主要受結(jié)構(gòu)面的形態(tài)、連續(xù)性、膠結(jié)填充特征、壁巖性質(zhì)、次生變化和受力歷史等因素的影響。 根據(jù)結(jié)構(gòu)面的形態(tài)、填充情況及連續(xù)性特征，將其劃分為：平直無填充的結(jié)構(gòu)面、粗糙起伏無填充的結(jié)構(gòu)面、非貫通連續(xù)的結(jié)構(gòu)面和具有填充物的軟弱結(jié)構(gòu)面。 平直無填充的結(jié)構(gòu)面：特點是面平直、光滑，只有微弱的風(fēng)化。jtan 粗糙起伏無填充的結(jié)構(gòu)面：具有明顯的粗糙度，是影響結(jié)構(gòu)面剪切強度的一個重要因素。)(itgi當(dāng)法向應(yīng)力較低：當(dāng)法向應(yīng)力足夠

12、大時：Ctan規(guī)則鋸齒形結(jié)構(gòu)面)lgtan(uJCSJRC不規(guī)則起伏結(jié)構(gòu)面JRC-結(jié)構(gòu)面的粗糙度系數(shù)；JCS-結(jié)構(gòu)面的壁巖強度； - 結(jié)構(gòu)面的基本摩擦角，等于結(jié)構(gòu)面 壁巖平直表面的摩擦角u 非連續(xù)貫通的結(jié)構(gòu)面jCtan)1 (tan)1 (1111KKCKCKjjj裂隙面的粘聚力和摩擦角；C巖石粘聚力和摩擦角；1K結(jié)構(gòu)面的線連續(xù)性系數(shù)。baaK1 具有填充物的軟弱結(jié)構(gòu)面曲線為粘粒含量較高的泥化夾層的剪切曲線，而曲線-的粗碎屑成分逐漸增加。巖體的變形研究巖體變形的意義：1. 防止巖體各部分形變差過大而在建筑物結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生附加應(yīng)力；2.巖體形變量過大導(dǎo)致建筑物形變量過大。巖體的形變是巖塊材料變形和結(jié)

13、構(gòu)變形的總和，而結(jié)構(gòu)變形通常包括結(jié)構(gòu)面閉合、填充物壓密、結(jié)構(gòu)體轉(zhuǎn)動和滑動等變形，一般情況下，巖體的結(jié)構(gòu)變形起著控制作用。 巖體變形參數(shù)的測定方法： 一般采用原位測試：承壓板法、鉆孔變形法、狹縫法、聲波法和地震波法。 節(jié)理化巖體變形參數(shù)的估算： 比尼衛(wèi)斯基：1002RMREm401010RMRmESerafim 和Pereira：RMR55RMR55巖體的強度性質(zhì) 巖體的剪切強度 原位巖體剪切試驗巖體的壓縮強度估算：利用單結(jié)構(gòu)面理論估算巖體強度：1. Hoek和Brown根據(jù)巖體性質(zhì)的理論與實踐經(jīng)驗，依據(jù)試驗資料導(dǎo)出了裂隙巖體的強度方程。2sin)cottan1 ()tan(2331jjjC23

14、31ccSm第三節(jié) 巖體的工程分類 巖體的工程分類是工程地質(zhì)學(xué)中一個重要的研究課題。它是通過巖體一些簡單和易實測的指標(biāo)，把工程地質(zhì)條件與巖體力學(xué)性質(zhì)聯(lián)系起來進行歸類。并對各類巖體質(zhì)量、工程建筑條件予以定性或定量的評價，給人們質(zhì)量好壞的改良，為工程設(shè)計和施工提供地質(zhì)依據(jù)。 RQD分類 RQD值：大于10cm的巖芯累計長度與鉆孔進尺長度之比的百分?jǐn)?shù)。 RQD分類沒有考慮巖體中結(jié)構(gòu)面性質(zhì)的影響，也沒有考慮巖塊性質(zhì)的影響及這些因素的綜合效應(yīng)。 RMR分類 由巖塊強度、RQD值、節(jié)理間距、節(jié)理條件及地下水5類參數(shù)組成。 Q分類 式中6個參數(shù)的組合，反映了巖體質(zhì)量的3個方面，即巖體的完整性；結(jié)構(gòu)面（節(jié)理）

15、的形態(tài)、填充物特征及其次生變化程度；水與其他應(yīng)力存在時對巖體質(zhì)量的影響。SRFJJJJRQDQwarn BQ法 國標(biāo)工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)（GB50218-94）提出二級分級法，先按巖體的基本質(zhì)量指標(biāo)BQ進行初步分級；然后考慮其他影響因素對BQ進行修正，再按修正后的BQ進行詳細分級。vcwKBQ2503902)(rpmpvvvK )(100321KKKBQBQ工程巖體分類的具體應(yīng)用 工程巖體分類廣泛應(yīng)用于巖體參數(shù)估算、穩(wěn)定性評價及其加固與支護。例子：某隧道位于地下200m處的泥巖中，巖體內(nèi)發(fā)育有3組主要結(jié)構(gòu)面：第一組結(jié)構(gòu)面為層面，其特點為強風(fēng)化，表面較為粗糙，產(chǎn)狀為18010，該組節(jié)理條件評分為15；第二組結(jié)構(gòu)面為節(jié)面，其特點為中等風(fēng)化，表面較粗糙，產(chǎn)狀為185 75，該組節(jié)理條件評分為21，第三組結(jié)構(gòu)面為節(jié)理面，其特點為為中等風(fēng)化，表面較為粗糙，產(chǎn)狀為90 80，該組節(jié)理條件評分為21；巖石抗壓強度為55MPa，RQD值為60%，平均裂隙寬度為0.4m。試采用RMR系統(tǒng)對該巖體進行分類，估算巖體力學(xué)參數(shù)，評估由東向西開挖10m隧道的穩(wěn)定性。RMR評分與巖體質(zhì)量分級一般巖體，巖體內(nèi)聚力200300KPa，內(nèi)摩擦角為2535，5m直徑的隧道自穩(wěn)時間為一周，如果修建10m的隧道，圍巖發(fā)生失穩(wěn)的可能性較大，