天津大學(xué)年《巖體力學(xué)》知識(shí)點(diǎn)匯總

1、巖體力學(xué)知識(shí)點(diǎn)一、巖體與巖石區(qū)別與聯(lián)系巖石是由礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按一定的規(guī)律聚集而形成的自然物體。巖體是由巖石塊與各種各樣的結(jié)構(gòu)面共同組成的綜合體。結(jié)構(gòu)面是指具有極低的或沒(méi)有抗拉強(qiáng)度的不連續(xù)面。巖體與巖石的主要聯(lián)系是巖體由巖石與結(jié)構(gòu)面組成，他們的區(qū)別是巖體中結(jié)構(gòu)面的存在使巖體具有不連續(xù)性，巖體的不連續(xù)性主要受結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體結(jié)構(gòu)的隔斷性質(zhì)所控制，因而巖體多數(shù)是屬不連續(xù)介質(zhì)，而巖石塊本身則可作為連續(xù)介質(zhì)看待。同時(shí)，結(jié)構(gòu)面還降低了巖體的力學(xué)強(qiáng)度和穩(wěn)定性能，使得巖體強(qiáng)度遠(yuǎn)低于巖石強(qiáng)度。二、巖石基本物理性質(zhì)的指標(biāo)計(jì)算1.巖石的密度指標(biāo)（1）巖石的密度天然密度（天然密度是指巖石在自然條件下，單位體積的質(zhì)

2、量）：=mV(g/cm3)其中，m是巖石試件的總質(zhì)量，V是該試件的總體積。飽和密度（飽和密度是指巖石中的孔隙都被水充填時(shí)單位體積的質(zhì)量）：sa=ms+VVwV其中，ms是巖石中固體的質(zhì)量，VV是孔隙的體積，w是水的密度。干密度（干密度是指巖石孔隙中的液體全部被蒸發(fā)，試件中僅有固體和氣體的狀態(tài)下，其單位體積的質(zhì)量）：d=msV（g/cm3）重力密度（重力密度是指單位體積中巖石的重量）：通常由密度乘上重力加速度而得，單位是kN/m3（2）巖石的顆粒密度（巖石的顆粒密度是指巖石固體物質(zhì)的質(zhì)量與固體體積之比）：s=msVs2.巖石的孔隙性（1）巖石的孔隙比（巖石的孔隙比是指孔隙的體積與固體體積之比）：

3、e=VVVs（2）巖石的孔隙率（孔隙率是指孔隙的體積與試件總體積的比值百分?jǐn)?shù)）：n=VVV100（%根據(jù)試件中三相體的相互關(guān)系，孔隙比e與孔隙率n存在著如下關(guān)系式：e=n1-n；n=1-ds3.巖石的水理性質(zhì)（1）巖石的含水性質(zhì)巖石的含水率（巖石的含水率是指巖石孔隙中含水的質(zhì)量與固體質(zhì)量之比百分?jǐn)?shù)）：=mwms100（%）巖石的吸水率（巖石的吸水率是指巖石吸入水的質(zhì)量與試件固體的質(zhì)量之比）：自由吸水率：a=m0-msms100（%） 飽和吸水率：sa=mP-msms100（%）其中，m0是試件浸水48h的質(zhì)量，mP是試件經(jīng)煮沸或真空抽氣飽和后的質(zhì)量。（2）巖石的滲透性（巖石的滲透性是指巖石在一

4、定的水力梯度作用下，水穿透巖石的能力）：達(dá)西定律：qx=AKdhdx（m3/s）其中，qx是沿x方向水的流量，h是水頭的高度，A是垂直于x方向的截面積，K是巖石沿x方向的滲透系數(shù)。4.巖石的抗風(fēng)化指標(biāo)（1）軟化系數(shù)（軟化系數(shù)是指巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度與干燥狀態(tài)下的單軸抗壓強(qiáng)度的比值）：=RccRcd軟化系數(shù)是一個(gè)小于等于1的系數(shù)，該值越小，則巖石受水影響越大。（2）巖石的耐崩解性指數(shù)：Id2=mrms100（%）其中，Id2是經(jīng)兩次循環(huán)實(shí)驗(yàn)所求的的耐崩解性指數(shù)，ms是試驗(yàn)前試塊的烘干質(zhì)量，mr是兩次循環(huán)試驗(yàn)后，殘留在圓筒內(nèi)的石塊的烘干質(zhì)量。（3）巖石的膨脹性巖石的自由膨脹率（巖石的自由膨脹率是指

5、巖石試件在無(wú)任何約束的條件下浸水后所產(chǎn)生膨脹變形與試件原尺寸的比值）：徑向自由膨脹率：VH=HH100（%） 軸向自由膨脹率：VD=DD100(%)其中，H，D分別為浸水后巖石試件軸向、徑向膨脹變形量，H，D分別是巖石試件實(shí)驗(yàn)前的高度、直徑。巖石的側(cè)向約束膨脹率：VHP=HHPH100（%）其中，HHP為有側(cè)向約束條件下所測(cè)得的軸向膨脹變形量。膨脹壓力：膨脹壓力是指巖石試件浸水后，使試件保持原有體積所施加的最大壓力。5.巖石的其他特性巖石的抗凍性：Kf=RfRa其中，Rf是巖石凍融后的飽和單軸抗壓強(qiáng)度，Ra是巖石凍融前的飽和單軸抗壓強(qiáng)度，抗凍性越大，影響變化越大。三、巖體結(jié)構(gòu)面的基本參數(shù)1.產(chǎn)

6、狀：產(chǎn)狀是指結(jié)構(gòu)面在空間的分布狀態(tài)，由走向、傾向、傾角所組成的三要素來(lái)描述。2. 間距：結(jié)構(gòu)面的間距是指同組相鄰結(jié)構(gòu)面的垂直距離。通常采用同組結(jié)構(gòu)面的平均間距。間距的大小反應(yīng)了巖體的完整程度。3.延展性：延展性指在一個(gè)巖體的露頭上所見(jiàn)到的結(jié)構(gòu)面跡線的長(zhǎng)度。該參數(shù)反映了該組結(jié)構(gòu)面的規(guī)模大小。4. 粗糙度和起伏度：反映了相對(duì)于結(jié)構(gòu)面平均平面的表面不平整度。起伏度較大可能影響結(jié)構(gòu)面的局部產(chǎn)狀，結(jié)構(gòu)面越粗糙其抗剪強(qiáng)度也會(huì)越高。5.結(jié)構(gòu)面面壁強(qiáng)度：結(jié)構(gòu)面是由兩個(gè)表面組成。當(dāng)結(jié)構(gòu)面的面壁風(fēng)化程度與母巖很接近，則其強(qiáng)度與母巖一致。6.結(jié)構(gòu)面的開(kāi)度與充填物：結(jié)構(gòu)面兩個(gè)面壁之間的垂直距離稱作結(jié)構(gòu)面的開(kāi)度。處在結(jié)

7、構(gòu)面縫隙中的物質(zhì)被稱作充填物。7.結(jié)構(gòu)面的滲透性：在單個(gè)結(jié)構(gòu)面或者整個(gè)巖體中所見(jiàn)到的水流和水量的狀態(tài)。8.結(jié)構(gòu)面的組數(shù)和巖塊的尺寸：巖體中結(jié)構(gòu)面的組數(shù)反映了結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度，而結(jié)構(gòu)面組數(shù)的多少，又可反映巖體被結(jié)構(gòu)面切割所形成的巖塊的大小。四、結(jié)構(gòu)面的分類1.按結(jié)構(gòu)面成因分類（1）原生節(jié)理：通常指在成巖過(guò)程中所形成的結(jié)構(gòu)面。（2）構(gòu)造節(jié)理：由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所形成的結(jié)構(gòu)面。（3）次生節(jié)理：成巖后期由于風(fēng)化作用而形成的結(jié)構(gòu)面。2.結(jié)構(gòu)面的絕對(duì)分類和相對(duì)分類（1）絕對(duì)分類：該分類是建立于結(jié)構(gòu)面的延展長(zhǎng)度基礎(chǔ)上的。一般將結(jié)構(gòu)面分為：細(xì)小的結(jié)構(gòu)面，其延長(zhǎng)小于1m；中等的結(jié)構(gòu)面，其延長(zhǎng)為1-10m；巨大的結(jié)垢面

8、，其延長(zhǎng)大雨10m。（2）相對(duì)分類：按工程結(jié)構(gòu)類型和其規(guī)模大小將結(jié)構(gòu)面分為細(xì)小的、中等的及大型的等不同類型。3.按地質(zhì)力學(xué)觀點(diǎn)進(jìn)行的結(jié)構(gòu)面分類按地質(zhì)力學(xué)觀點(diǎn)可將巖體的地質(zhì)破壞分為三大種：第一種為破壞面，它屬于大面積的破壞，一般認(rèn)為這種破壞是由緩慢地質(zhì)作用形成的。第二種是破壞帶，屬于小面積的密集的破壞，一般認(rèn)為是由快速的地質(zhì)作用所形成。第三種為破壞面與破壞帶的過(guò)渡類型，它同時(shí)具有破壞面和破壞帶的力學(xué)特點(diǎn)，并表現(xiàn)為介于這二者之間的破壞特征。五、工程巖體分類1.RQD：是以修正的巖心采取率來(lái)確定的。巖心采取率是指采取巖心總長(zhǎng)度與鉆孔在巖層中的長(zhǎng)度之比，RQD是選用堅(jiān)固完整的、其長(zhǎng)度等于或大于10cm

9、的巖心總長(zhǎng)度與鉆孔在巖層中的長(zhǎng)度之比，并用百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。2.按巖體綜合指標(biāo)分類：（1）RMR：巖體的RMR取決于五個(gè)通用參數(shù)和一個(gè)修正參數(shù)，五個(gè)通用參數(shù)為巖石抗壓強(qiáng)度、巖石質(zhì)量指標(biāo)、節(jié)理間距、節(jié)理狀態(tài)和地下水狀態(tài)，修正參數(shù)取決于節(jié)理方向?qū)こ痰挠绊?。把上述各個(gè)參數(shù)的巖體評(píng)分值相加起來(lái)就得到巖體的RMR值。巖石的抗壓強(qiáng)度可以用標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行單軸壓縮來(lái)確定；巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD由修正的巖心采取率確定。節(jié)理間距可以由現(xiàn)場(chǎng)露頭統(tǒng)計(jì)測(cè)定，通常是指對(duì)工程穩(wěn)定性最起關(guān)鍵作用的那一組的節(jié)理間距；對(duì)于對(duì)于節(jié)理狀態(tài)主要考慮節(jié)理面的粗糙度、張開(kāi)度、充填物狀態(tài)以及節(jié)理延伸長(zhǎng)度等因素。；地下水狀態(tài)由地下水的總狀態(tài)確定；修正

10、參數(shù)值采用扣除分值的形式。（2）Q分類：該分類根據(jù)隧道工程巖體的特點(diǎn)，采用六個(gè)參數(shù)，即巖體的質(zhì)量指標(biāo)RQD、節(jié)理的組數(shù)系數(shù)jn、節(jié)理的粗糙度系數(shù)jr、節(jié)理的噬變系數(shù)ja、地下水的影響系數(shù)jw、應(yīng)力折減系數(shù)SRF。Q=RQDjnjrjajwSRF六、巖體初始應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律1.巖體初始應(yīng)力場(chǎng)是時(shí)間和空間的函數(shù)巖體初始應(yīng)力在絕大部分地區(qū)是以水平應(yīng)力為主的三向不等壓應(yīng)力場(chǎng)。三個(gè)主應(yīng)力的大小和方向是隨著空間和時(shí)間的變化而變化的，因而它是個(gè)非穩(wěn)定的應(yīng)力場(chǎng)。2.實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力基本等于上覆巖層的重量3.水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力在幾乎所有地區(qū)均有兩個(gè)主應(yīng)力位于水平或接近水平的平面內(nèi)，其與水平面的夾角一般不大于3

11、0o4.平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值隨深度增加而減小5.水平主應(yīng)力隨深度呈現(xiàn)性增長(zhǎng)關(guān)系6.兩個(gè)水平主應(yīng)力一般相差較大七、巖體初始應(yīng)力量測(cè)方法1.水壓致裂法水壓致裂法是通過(guò)液壓泵向鉆孔內(nèi)擬定測(cè)量深度處加液壓將孔壁壓裂，測(cè)定壓裂過(guò)程中的各特征點(diǎn)壓力及開(kāi)裂方位，以此計(jì)算測(cè)點(diǎn)附近巖體中初始應(yīng)力大小和方向。其測(cè)量結(jié)果只能確定垂直于鉆孔平面內(nèi)的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的大小和方向，是一種二位應(yīng)力測(cè)量方法。2.應(yīng)力解除法（1）孔底應(yīng)力解除法把應(yīng)力解除法用到鉆孔孔底就成為孔底應(yīng)力解除法。由于采取巖芯較短，因此，適應(yīng)性強(qiáng)，可用于完整巖體及較破碎巖體中。（2）孔壁應(yīng)變法孔壁應(yīng)變法是在鉆孔壁上粘貼三向應(yīng)變計(jì)，通過(guò)測(cè)量

12、應(yīng)力解除前后的應(yīng)變，來(lái)推算巖體應(yīng)力，利用單一鉆孔可獲得一點(diǎn)的空間應(yīng)力分量。采用孔壁應(yīng)變法只需打一個(gè)鉆孔就可以測(cè)出一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，測(cè)試工作量小，精度高。（3）孔徑變形法孔徑變形法是在巖體小鉆孔中埋入變形計(jì)，測(cè)量應(yīng)力接觸前后的孔徑變化量，來(lái)確定巖體應(yīng)力的方法。其測(cè)試元件具有零點(diǎn)穩(wěn)定性好，直線性、重復(fù)性和防水性好，適應(yīng)性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)便，可以重復(fù)使用。3.應(yīng)力恢復(fù)法應(yīng)力恢復(fù)法是用來(lái)直接測(cè)定巖體應(yīng)力大小的一種測(cè)試方法僅用于巖體表層。4.聲發(fā)射法如果從原巖中取回定向的巖石試件，通過(guò)對(duì)加工的不同方向的巖石試件進(jìn)行加再生發(fā)射試驗(yàn)，測(cè)定凱澤點(diǎn)，即可找出每個(gè)試件以前所受的最大應(yīng)力，并進(jìn)而求出取樣點(diǎn)的原始三維應(yīng)力狀態(tài)

13、。八、高地應(yīng)力狀態(tài)由于不同巖石具有不同的彈性模量，巖石的儲(chǔ)能性能也不同。一般來(lái)說(shuō)，地區(qū)初始地應(yīng)力大小與該地區(qū)巖體的變形特征有關(guān)，巖質(zhì)堅(jiān)硬，則儲(chǔ)存彈性能多，地應(yīng)力也大。因此高地應(yīng)力是相對(duì)于圍巖強(qiáng)度而言。當(dāng)圍巖內(nèi)部圍巖強(qiáng)度與最大地應(yīng)力的比值達(dá)到某一水平時(shí)，才能稱為高地應(yīng)力。九、按彈性分析二次應(yīng)力狀態(tài)分布1.側(cè)壓力系數(shù)=1（1）洞周的二次應(yīng)力分布特征極坐標(biāo)下的切向應(yīng)力隨著半徑r的增大而減小，徑向應(yīng)力r隨之而增大。此外，圍巖的二次應(yīng)力狀態(tài)，與巖體的彈性常數(shù)E，無(wú)關(guān)，也與徑向夾角無(wú)關(guān)，在一個(gè)圓環(huán)上的應(yīng)力是相等的。而應(yīng)力的大小與洞石半徑和徑向距離的比值以及初始應(yīng)力值p0的大小有關(guān)。（2）洞室的徑向位移由于

14、圓形洞室形狀和荷載對(duì)稱，使得洞石的切向位移為零。而徑向位移u的表達(dá)式是由兩部分組成，一部分是與開(kāi)挖洞石的半徑有關(guān)，而另一部分則與洞石半徑無(wú)關(guān)。（3）洞周的應(yīng)變圓形洞室周邊巖體的應(yīng)變特性由兩部分組成，一部分為開(kāi)挖前由于初始應(yīng)力所產(chǎn)生的應(yīng)變，另一部分由于開(kāi)挖而產(chǎn)生的應(yīng)變。切向應(yīng)變與徑向應(yīng)變的絕對(duì)值相等，符號(hào)相反，切向應(yīng)變是壓應(yīng)變，徑向應(yīng)變是拉應(yīng)變，表明了在=1二次應(yīng)力為彈性分布的條件下，巖體體積不發(fā)生變化的特點(diǎn)。（4）洞壁的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)洞壁的穩(wěn)定性可以用下式進(jìn)行評(píng)價(jià)：c，其中，c為巖石允許單軸抗壓強(qiáng)度。2.側(cè)壓力系數(shù)1當(dāng)=0時(shí)，其洞壁的應(yīng)力分布為最不利狀態(tài)。此時(shí)，洞頂?shù)那邢驊?yīng)力=-p0，出現(xiàn)拉應(yīng)力；

15、而在洞的側(cè)壁中腰將承受最大的壓應(yīng)力=3p0.當(dāng)=1/3時(shí)，洞頂?shù)膽?yīng)力為零?？梢?jiàn)=1/3是洞頂是否出現(xiàn)拉應(yīng)力的臨界值，若1/3，洞頂將產(chǎn)生壓應(yīng)力。十、按彈塑形與彈性分析區(qū)別1.當(dāng)開(kāi)挖后，洞壁的切向應(yīng)力=2p0c時(shí)，洞周的巖體將產(chǎn)生塑形區(qū)；2.在=1的條件下，塑形區(qū)是一個(gè)圓環(huán)，塑形區(qū)內(nèi)的應(yīng)力p和rp將隨r的增大而增大，且塑形區(qū)內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)該滿足所假設(shè)的起訴條件，當(dāng)r=Rp時(shí)，圍巖處在塑形區(qū)的邊界上，而塑形區(qū)邊界上的徑向應(yīng)力將影響彈性區(qū)的應(yīng)力、位移、應(yīng)變的計(jì)算。3.當(dāng)rRp時(shí)，圍巖的應(yīng)力將進(jìn)入彈性區(qū)。由于塑形區(qū)的存在，將限制彈性區(qū)內(nèi)的應(yīng)力、位移、應(yīng)變的變化。因此，與彈性二次應(yīng)力狀態(tài)相比，各計(jì)算式中增加

16、了由于塑形區(qū)邊界上的徑向應(yīng)力R0的作用所引起的增量，而分布規(guī)律與純彈性分布大致相同。十一、圍巖壓力的分類1.松動(dòng)壓力：松動(dòng)的巖體或者施工爆破所破壞的巖體等在自重的作用下，掉落在洞石上的壓力稱為松動(dòng)壓力。2.形變壓力：巖體在重力和構(gòu)造應(yīng)力的作用下，由于洞石的開(kāi)挖所產(chǎn)生的圍巖二次應(yīng)力狀態(tài)。3.沖擊壓力：巖爆是地層壓力中的一種特殊現(xiàn)象，有時(shí)成為沖擊地壓。4.膨脹壓力：在粘土質(zhì)頁(yè)巖或凝灰?guī)r之類的巖體中開(kāi)挖洞室，無(wú)論在地層的深部或淺部，洞室四周的圍巖往往產(chǎn)生很大的變形，圍巖向洞內(nèi)鼓脹，這就是膨脹現(xiàn)象。十二、巖石單軸抗壓強(qiáng)度所謂巖石的單軸抗壓強(qiáng)度是指巖石試件在無(wú)側(cè)限條件下，守軸向力作用破壞時(shí)單位面積上所承受的載荷。即Rc=PA，其中，Rc是單軸抗壓強(qiáng)度，有時(shí)也稱作無(wú)側(cè)限強(qiáng)度；P是在無(wú)側(cè)限條件下，軸向的破壞荷載；A是試件與軸向荷載垂直的截面面積。十三、一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)過(guò)一點(diǎn)有無(wú)數(shù)的截面，這一點(diǎn)的各個(gè)截面上應(yīng)力情況的集合，稱為這點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。符號(hào)的假定：1）以壓應(yīng)力為正，拉應(yīng)力為負(fù)2）剪應(yīng)力使物體產(chǎn)生逆時(shí)針轉(zhuǎn)為正，反之為負(fù)3）角度以軸正向沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)所形成的夾角為正，反之為負(fù)一點(diǎn)應(yīng)力的表示方法