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1、岩石力学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
2、反映了岩石的总体变形特征;变形弹性变形、塑性变形 与时间无关，只从变形能否恢复的角度。粘性流动与变 形速率有关，与时间有关流变现象： 材料应力-应变关系与时间因素有关的性质，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：指各极限应力圆的破坏点所组成的轨迹线。T f =f(b)在Tf b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。与剪应力T f的关系。极限应力圆上的某点与强度包络线相 切，即表示在该
3、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。1773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，便会造成材料沿该斜面产生剪切滑移破坏。应力Mohr圆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 的应力状态可用应力Mohr圆表示，当它与抗剪强度直线相切时，岩石处于临界 剪切破坏状态。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， 岩石没有破坏。
4、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，
5、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，以及性质上的不连续和各向异性。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：（1）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
6、；（2）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。（3）结构面密集的程度（4）结构面空间组合关系。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，对岩体进行归类的一种工作方法。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
7、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：Rc 岩石单轴抗压强度，Mpa f 20为1级，最坚固；f 0.75Q.7MJ.5511-55-4*350J5ML15城赤Aft4、按岩芯质量指标(RQD)分类笛尔(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。iVH *1 FSr ifci is：i
8、ef srafii fcrtE：；L-WIt.-S的竝阳吐mRQD *0-i525-505D-75W-ICO|nIIIIVV1小4W .5宾尼奥夫斯基(1976)提出的分类指标RMR(Rock Mass Rating),由下列6 种指标组成：打分法(1)岩块强度(R1)(2)RQD 值(R2)(3)节理间距(R3)(4)节理条件(R4)(5) 地下水(R5)(6) 节理方向对工程的影响的修正参数(R6)6、巴顿岩体质量(Q)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
9、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 线的关系等因素，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。代札BQ皆休晦粗腫hl折昭一出后胞别羊抽杭压肚AH耐;一一岩障左蹩性耒数.成叩匹Vi fifPh 連惟 观，注盘I昔帖 9MZW 比-9MU+M牝入上代计KKHit省氐 0.0WW；1比.却4时卜应规氐旳朝兀.*0舅供人上戎计LI5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
10、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
11、后的应力称为诱导应力或二次应力。地应力的成因(1) 大陆板块边界受压引起的应力场(2) 地幔热对流引起的应力场(3) 由地心引力引起的应力场(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，且密切关系。(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关，而是与现代构 造运动密切
12、相关。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。即：等角应变花、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硐室之后，洞壁的部分应力被
13、释放，使硐室周围的岩体进行 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 得硐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。这种类型的硐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，硐室开挖后， 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。随着与硐 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、塑性分布中的硐室，必须进行支护，否则洞周的岩体将产
14、生失 稳，影响硐室的正常使用。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 35倍坑道半径处，围岩应力趋近于与 原岩应力相等。(2) 洞室围岩应力受侧应力系数久、坑道断面轴比的影响，一般说来，坑道断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
15、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
