岩体力学结课报告--郭九明

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1、岩体力学结课报告 院 系：理学院专业：工程力学 班级：12-1 姓名： 郭九明 学 号： 07摘要：岩体力学是一门新兴的,与有关学科相互交叉的工程学科,需要应用数学、固体力学、流体力学、地质学、土力学、土木工程学等知识，并与这些学科相互渗透。 研究内容 岩体力学的内容分为基础理论和工程应用两个方面。土力学，研究土体在力的作用下的应力-应变或应力应变-时间关系和强度的应用学科。工程力学的一个分支。为工程地质学研究土体中可能发生的地质作用提供定量研究的理论基础和方法。引言：地下洞室围岩稳定性的研究是岩体力学的重要应用课题之一。由于该课题是一个较为复杂的非线性力学问题，通常伴随着变形非均匀性、非连续

2、性和大位移等特点。而且影响洞室稳定的因素很多，要建立一种能适应各种条件的理论，随时得到定量的解答，几乎是不可能的。因而，使其到目前为止还缺乏比较成熟的理论和方法。但是，近年来，随着岩体力学理论和测试技术的发展，电子计算机和有限元的推广与应用，以及广大的科研工作者的不懈努力，不断涌现出新的研究方法，在研究岩体的构造和力学特性、地下工程围岩失稳机理和支护结构的受力机理、探讨新的设计理论和方法等方面取得了许多成果，为围岩稳定性评价方法提供更多的选择和改进。为了正确的指导实践，有必要对目前地下洞室稳定分析方法进行总结，了解其优点和不足。迄今对该问题的评判方法主要可以总结为以下几类：力学分析方法（弹性力

3、学理论、塑性力学理论等）、围岩分类方法（RQD、R MR分类等) 、数值计算方法（限差分法、 有限元法、离散元法等）、块体平衡理论法等。为了使问题的解答更精确，现阶段比较合理方法是将问题分类解决。每种特征不同的课题，突出主要矛盾，将问题适当简化，使之得到近似的解答。在不能严格定量的情况下，至少得到定性或半定量的结果，特别是对工程设计能提出科学的指导原则。一、 影响洞室围岩稳定性因素影响洞室围岩稳定性因素比较多，这里着重阐述其中主要几中。（1）岩石性质及岩体地质结构围岩的岩石性质和岩体结构通过围岩的强度来影响围岩的稳定性,是影响围岩稳定性的基本因素。从岩性的角度,粘土质岩石、破碎松散岩石以及吸水

4、易膨胀的岩石对隧道围岩的稳定最为不利；脆性围岩,由于这类岩石本身的强度远高于结构面岩石的强度,故这类围岩的强度主要取决于岩体的结构,岩性本身的影响不是很显著。从岩体的结构角度,可将岩体结构划分为整体块状结构(整体结构和块状结构) 、层状结构(薄层状结构和厚层状结构) 、碎裂结构(构镶嵌结构和层状碎裂结构) 、散体结构(破碎结构和松散结构) 。松散结构及破碎结构岩体的稳定性最差；薄层状结构岩体次之；厚层状块体最好。对于脆性的厚层状和块状岩体,其强度主要受软弱结构面的分布特点和较弱夹层的物质成分所控制,结构面对围岩的影响,不仅取决于结构面的本身特征,还与结构面的组合关系及这种组合与临空面的交切关系

5、密切相关。（2）岩体的天然应力状态岩体的天然应力是岩体的自重应力、构造应力、变异及残余应力在某一个具体地区以特定方式作用的结果。已经有大量的实践资料证明,大多数地区的岩体的天然应力状态是以水平方向为主的即水平应力通常大于垂直应力。一般情况下,洞室轴向与水平主应力垂直,以改善隧道周边的应力状态。但水平应力很大时,则洞室轴向最好与之平行以保证边墙的稳定性。然而,岩体的天然应力对隧道的影响主要取决于垂直于隧道轴向水平应力的大小与天然应力的比值,它们是围岩内应力重分布状态的主要因素。（3）地质构造褶曲和断裂破坏了岩层的完整性降低了岩体的力学强度,一般来说,岩体经受的构造变动的次数愈多,愈强烈,岩层的节

6、理裂隙就愈发育,岩体的稳定性也就愈差。特别是那些出现频度较多,延展较长，贯通性较好的节理组,极大的破坏了岩体的完整性。因此,可以把构造强烈的程度作为衡量围岩稳定性状况的一个基本因素。（4）地下水围岩岩体中地下水赋存条件与活动状况,既影响围岩的应力状态又影响围岩的强度,进而影响围岩的稳定。围岩中地下水状态一般可以分三级,即干燥、有渗水、潮湿。实践证明,只要隧道围岩是干燥的,即便是通过软弱的或破碎的岩层时,围岩的稳定性总是较好的或危害比较微弱,并且易于克服。当隧道处于含水层中或隧道的围岩透水性较强即隧道围岩中的地下水状态为有渗水或潮湿时,地下水对隧道围岩稳定性的影响比较明显,主要表现在静水压力作用

7、、动水压力作用、软化作用和溶解作用、对可溶岩体的溶蚀作用及对滑动面的润滑作用等。另外一方面,静水压力能够使岩体的结构面张开,减少了滑动摩擦力,从而增加了围岩的坍塌和滑落的可能性。动水压力的作用促使岩块沿着水流方向移动的同时也冲刷和带走岩石裂隙中的细少的矿物颗粒,从而增加了围岩的破坏的程度。另外,地下水对岩石的溶解作用和软化作用也有一定的影响。二、地下洞室围岩稳定性分析方法由于开挖形成了地下空间，破坏了岩体原有的相对平衡状态，因而将产生一系列复杂的岩体力学作用，这些作用可归纳为：(1)地下开挖破坏了岩体天然应力的相对平衡状态，洞室周边岩体将向开挖空间松胀变形，使围岩中的应力产生重分布作用，形成新

8、的应力状态，称为重分布应力状态。(2)在重分布应力作用下，洞室围岩将向洞内变形位移。如果围岩重分布应力超过了岩体的承受能力，围岩将产生破坏。(3)围岩变形破坏将给地下洞室的稳定性带来危害，因而，需对围岩进行支护衬砌，变形破坏的围岩将对支衬结构施加一定的荷载，称为围岩压力(或称山岩压力、地压等)。地下洞室围岩稳定性分析，实质上是研究地下开挖后上述几种力学作用的形成机理和计算方法。洞室围岩稳定性分析目前并没有形成统一的理论。对围岩稳定性作出的评价，大多仍停留在定性的或经验性的水平。所以，有必要对目前地下洞室稳定分析方法进行总结，了解其优点和不足， 有助于在工程实践中做出正确的判断。1.力学分析方法

9、人类对松散地层 ( 主要是土层) 围岩稳定和围岩压力理论进行研究开始到现在，围岩力理论主要经历了古典压力理论、 散体压力理论及现在广泛应用的弹性力学理论、塑性力学理论等。本文主要阐述弹性力学理论、塑性力学理论对洞室围岩稳定性评价方法。（1）弹性围岩重分布应力 假设岩体均质、各向同性、连续且弹性岩体中的水平圆形洞室其半径相对于洞长很小时，可按平面问题考虑。利用柯西课题概化模型（如图1所示）求解其重分布应力。设无限大弹性薄板，在边界上受有沿x方向的外力p作用，薄板中有一半径为R0的小圆孔，按平面问题考虑，不计体力，M点的各应力分量为： 图1 柯西课题分析示意图上式的边界条件为： (3)为了求解微分

10、方程（1），设满足该方程的应力函数为： 将（3）式代入（1），并考虑边界条件（2）式，可求的各常数。最后得出其表达式为：将（4）式代入（1）式，就可得到各应力分量：同理可得有竖向荷载作用下的各应力分量：若水平和铅直天然应力都是主应力，则洞室开完前的天然应力为： （7）将（7）式分别代入（5）式和（6）式并相加，即可得到圆形洞室围岩重分布应力计算公式【3】为：有（8）式可知洞壁上应力重分布特征为：（1）洞壁上的，为单向应力状态且大小与无关。(2)当（天然应力比值系数）1/3时，洞顶底将出现拉应力；当1/33时，为压应力且分布较均匀；当3时，洞壁两侧出现拉应力，洞顶底出现较高的压应力集中。当在特殊

11、天然应力场（）中时，围岩内重分布应力与角无关，仅与和有关，随着r的增大增大、减小，都渐趋于天然应力值（如图2示）。 图2 、随r增大的变化曲线 （2）塑性围岩重分布应力由弹性围岩重分布应力特点可知，地下开挖后洞壁的应力集中最大。当洞壁重分布应力超过围岩屈服极限时，洞壁围岩就由弹性状态转化为塑性状态，并在围岩中形成一个塑性松动圈。但是，这种塑性圈不会无限扩大。当某点的应力状态小于其强度极限时就转化为弹性状态。为了求解塑性圈内的重分布应力，仍假设岩体均质、各向同性、连续的；开挖后形成的塑性松动圈半径为，岩体中的天然应力为，圈内岩体强度服从莫尔直线强度条件,塑性圈以外围岩体仍处于弹性状态。在塑性圈内

12、取一微小单元体abdc,其受力如右图示。当当微小单元体处于极限平衡状态时，则作用在单元体上的全部力在径向r上的投影之和为零，即Fr0。 图3塑性圈围岩应力分析图 取投影后的方向向外为正，则得平衡方程为： （9）当很小时， 。将上式展开，略去高阶微量整理后得： （10）因塑性圈内的和是主应力，设岩体满足如下的塑性条件： （11）联立（10）、（11）及边界条件: ，(洞壁内的支护力)得，塑性围岩重分布应力公式【3】： (12)式中：，为塑性圈岩体的内聚力和内摩擦角；r为向径；为洞壁支护力；为洞半径。地下洞室围岩稳定性分析，实质上是研究地下开挖后重分布应力形成机理和计算方法。所谓围岩稳定性是一个相

13、对的概念，它主要研究围岩重分布应力与围岩强度间的相对比例关系。一般来说，当围岩内一点的应力达到并超过了相应围岩的强度时，就认为该处围岩已破坏；否则就不破坏，也就是说该处围岩是稳定的。因此，地下洞室围岩稳定性分析，首先应根据工程所在的岩体天然应力状态确定洞室开挖后围岩中重分布应力的大小和特点；进而研究围岩应力与围岩变形及强度之间的对比关系，进行稳定性评价。 综上述计算和分析可知，解析法虽然不能准确地描述围岩的失稳、 破坏过程， 但大致上仍能对成洞条件作出评价， 对各种洞型方案及处理措施进行对比分析。另外， 解析法具有精度高、分析速度快和宜于进行规律性研究等优点，所以在工程实践中仍不失为一种基本的围岩稳 定分析方法。但在岩体的应力、应变超过峰值应力 和极限应变，围岩进入全应力、应变曲线峰后段的刚体滑移和张裂状态时，解析法便不再适宜了。另外，由于解析法在研究洞室稳定性问题时所作的种种假设，与工程实际中经常遇到的多孔、不均质及各向异性等相矛盾。之外还有，解析法分析围岩应力和变形目前多限于深埋地下工程,对于受地表边界和地面荷载影响的浅埋隧道围岩分析在数学处理上存在一定的困难。总而言之， 解析分析法可以解决的实际工程问题比较有限。