岩体力学复习讲解

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1、1. 岩体力学：是力学的一个分支学科，是研究岩体在各种力场作用下变形与破 坏规律的理论及其实际应用的科学，是一门应用型基础学科。2. 岩体力学的研究方法：工程地质研究法、试验法、数学力学分析法、综合分 析法3. 岩体: 是指在地质历史过程中形成的，由岩块和结构面网络组成的，具有一 定的结构并赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。4. 结构面： 指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长 度，厚度相对较小的地质界面或带。5. 岩块的结构：岩石内矿物颗粒的大小、形状、排列方式及微结构面发育情况 与粒间连结方式等反映在岩块构成上的特征。6. 岩块的构造：是指矿物集合体

2、之间及其与其他组分之间的排列组合方式。7. 结构面迹长：是指结构面与露头面交线的长度。8. 岩体质量指标RQD：长度大于10cm的岩心长度之和与钻孔总进尺的百分比。9. 岩石的吸水性：岩石在一定的试验条件下吸收水分的能力，称为岩石的吸水 性。10. 岩石的软化性：岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性11. 蠕变：是指岩石在恒定的荷载作用下，变形随时间逐渐增大的性质。12. 影响单轴抗压强度的因素：岩块的抗压强度受一系列因素影响和控制，主要 包括两个方面：一是岩石本身性质方面的因素，如矿物组成、结构构造（颗粒 大小、连结及微结构发育特征等）、密度及风化程度等等；二是试验条件方面 的因素（试件

3、的几何形状及加工精度、加载速率、端面条件、湿度和温度、 层理结构）13. 剪切强度：在剪切荷载作用下，岩块抵抗剪切破坏的最大剪应力，称为剪切 强度14. 岩石的破坏判据：一、库仑-纳维尔判据适用条件：低应力或坚硬、较坚硬 的岩石的剪切破坏.二、莫尔判据1. 斜直线型：同库仑 - 纳维尔判据2. 二次抛物线型：适用条件：高应力或软弱、较软弱岩石的剪切破坏3. 双曲线型：适用条件：中等应力或较坚硬岩的剪切破坏。三、格里菲斯判据适用条件：非常适用于脆性岩石的拉破坏。四、八面体强度判据该判据适用于以延性破坏为主的岩石。15. 应力 - 变形关系曲线特征 开始时随着法向应力增加，结构面闭合变形迅速增长，

4、a n- V及o n- V j曲线均呈上凹型。当O n增到一定值时，a n- V t曲线变陡，并与a n- V r 曲线大致平行。说明结构面已基本上完全闭合，其变形主要是岩块变形贡献的。 这时AV j则趋于结构面最大闭合量Vm 初始压缩阶段，含结构面的岩块变形 V t主要是由结构面的闭合造成的。 试验表明，当a n=l MPa时， Vt/AVr可达530,说明AV t占了很大一部 分。 法向应力a n大约从a c/3处开始，含结构面的岩块变形由以结构面的闭合 为主转为以岩块的弹性变形为主。 结构面的a n- A Vj曲线大致为以A Vj=Vm为渐近线的非线性曲线。可用 初始法向刚度及最大闭合量

5、来确定，与结构面的类型及壁岩性质无关 。 结构面的最大闭合量始终小于结构面的张开度(e)。这是因为结构面是凹凸 不平的，两壁面间无论如何也不可能达到 100的接触。结构面的初始法向刚度是一个与结构面在地质历史时期的受力历史及初始应力(a i )有关的量，其定义为a n-V j曲线原点处的切线斜率，即：16. 法向刚度：是指在法向应力作用下，结构面产生单位法向变形所需要的应力,在数值上等于a n-Vj曲线上一点的切线斜率。17. 剪切刚度KS：是反映结构面剪切变形性质的重要参数，其数值等于峰值前T -u曲线上任一点的切线斜率18. 原位岩体变形试验方法及其原理静力法的基本原理：在选定的岩体表面、

6、槽壁或钻孔壁面上施加法向荷载， 并测定其岩体的变形值；然后绘制出压力-变形关系曲线，计算出岩体的变形参 数。动力法的基本原理：用人工方法对岩体发射 (或激发)弹性波(声波或地震波)，并测定其在岩体中的传播速度，然后根据波动理论求岩体的变形参数。19. 法向变形曲线(1) 直线型(2) 上凹型(3) 上凸型(4) 复合型20. 影响弹性波在岩体中的传播速度的因素： 不同岩性岩体中弹性波速度不同，岩体愈致密坚硬，波速愈大，反之，则愈小。 沿结构面传播的速度大于垂直结构面传播的速度。 在压应力作用下，波速随应力增加而增加，波幅衰减少；反之，在拉应力作用 下，则波速降低，衰减增大。 随岩体中含水量的增

7、加导致弹性波速增加。 岩体处于正温时，波速随温度增高而降低，处于负温时则相反。21. 岩体与岩块本质的区别是什么？ 岩体中存在有各种各样的结构面； 不同于自重应力(场)的天然应力场和地下水。22. 岩石和岩体区别岩石岩体-无结构面-有结构面-强度较大-强度较小-连续介质-非连续介质-室内试验-现场试验- 各向同性- 各向异性岩石与岩体的重要区别就是岩体包含若干不连续面。 由于不连续面的存在，岩体的强度远低于岩石强度。 联系 广义的岩石即为岩体，岩石是构成岩体的基本组成单元 都是岩石力学的基本研究对象。23. 结构面成因类型 一)地质成因类型 原生结构面 构造结构面 次生结构面(二)力学成因类型

8、张性结构面 剪性结构面 24单轴压缩条件下的岩块变形弹性变形阶段(AB)B 点:弹性极限微裂隙稳定发展阶段(BC)C 点 : 屈服强度非稳定破裂发展阶段(CD)D 点 : 峰值强度 破坏后阶段(DE)全过程曲线前过程曲线25岩石蠕变曲线的特征（1）AB 段-初始蠕变阶段或称减速蠕变阶段。本阶段内，曲线呈下凹型，特点 是应变最初随时间增大较快，但其应变率随时间迅速递减，到 B 点达到最 小值。若在本阶段中某一点P卸载，则应变沿PQR下降至零。其中PQ段 为瞬时应变的恢复曲线，而 QR 段表示应变随时间逐渐恢复至零。由于卸 荷后应力立即消失，而应变则随时间逐渐恢复，二者恢复不同步。应变恢 复总是落

9、后于应力，这种现象称为弹性后效（2）BC 段-等速蠕变阶段或称稳定蠕变阶段。本阶段内，曲线呈近似直线，即 应变随时间近似等速增加，直到C点。若在本阶段内某点T卸载，贝V应变 将沿TUV线恢复，最后保留一永久应变 p（3）CD 段-加速蠕变阶段。曲线呈上凹型，应变率随时间迅速增加，应变随时 间增长越来越大，其蠕变加速发展直至岩块破坏（D点）。26. 工程岩体分类一般遵循如下步骤：确定岩体分类系统的最终目的；确定 所用参数的范围与标准；确定岩体指标所用的数学方法；为最终的目的校核 岩体指标值。27. 隧道围岩分类指标：岩体结构、结构面发育特征、岩石强度、岩体声波速度 指标及岩体强度应力比28. 天

10、然应力：人类工程活动之前存在于岩体中的应力，称为天然应力或地应力29. 重分布应力：人类在岩体表面或岩体中进行工程活动的结果，必将引起一定 范围内岩体中天然应力的改变。岩体中这种由于工程活动改变后的应力，称为重 分布应力30. 天然应力的测量方法：应力恢复法、水压致裂法、套芯应力解除法31. 应力恢复法是用扁千斤顶使已解除了应力的岩石恢复到初始应力状态。具体 步骤是：在地下巷道洞壁上布置一对或若干对测点，每对测点间的距离d0视 所采用的引伸仪尺寸而定。一般d015cm；在两测点之间的中线处，用金钢 石锯切割一道狭缝槽。由于洞壁岩体受到环向压应力O 8的作用，所以，在狭缝 槽切割后，两测点间的距

11、离就会从初始值d0减小到d,即两点间距产生相对缩 短位移; 把扁千斤顶塞入狭缝槽内，并用混凝土充填狭缝槽，使扁千斤顶与洞壁岩体紧 密胶结在一起; 对扁千斤顶泵入高压油，通过扁千斤顶对狭缝两壁岩体加压。使岩壁上两测点 的间距缓缓地由d恢复到dO。这时扁千斤顶对岩壁施加的压力Pc,即为所要测 定的洞壁岩体的环应力值o 0 ；32. 地区高天然应力常与如下现象相关联：（1）岩芯饼化现象 饼状岩芯即钻探时取得的岩芯呈压缩饼干状，一片片地破坏。 一般来说，岩芯饼化主要与地应力差有关，垂直于钻进方向的应力差越大，饼化 就越严重。（2）地下硐室施工过程中出现岩爆，剥离 由于高地应力的存在，在地下硐室开 挖过

12、程中，会出现岩石的脆性破裂。积聚在岩石中的应变能由于突然释放而产生 岩爆或剥离，特别是垂直最大水平主应力开挖的硐室，更容易产生岩爆现象。（3）隧洞、巷道、钻孔的缩颈现象 该现象是洞（孔）壁应力超过岩石强度所致， 是软岩产生流变或柔性剪切破坏的结果。（4）边坡上出现错动台阶 葛洲坝厂房基坑开挖时，软弱层上面的岩层出现回弹 36 cm（图6-14）,这是由于地应力卸载后，发生沿软弱面的岩层错动，如果地 应力卸载出现的回弹变形是连续的，如图 6-15 所示，则人们不宜觉察与观测到。33. 边坡应力分布特征：（1）边坡面附近的主应力迹线发生偏转。最大主应力与坡面近于平行，最小 主应力与坡面近于正交，向

13、坡体内逐渐恢复初始应力状态。（2）坡面上径向应力为零，为双向应力状态，向坡内逐渐转为三向应力状态。（3）由于应力的重分布，坡面附近产生应力集中带。在坡脚附近，最大剪应 力增高，最易发生剪切破坏。在坡肩附近，常形成拉应力带。边坡愈陡，则此带 范围愈大，因此，坡肩附近最易拉裂破坏。（4）由于主应力偏转，最大剪应力迹线由原来的直线变为凹向坡面的弧线。34. 块体极限平衡法步骤：可能滑动岩体几何边界条件的分析受力条件分析 确定计算参数计算稳定性系数确定安全系数进行稳定性评价35. 不同形状洞室洞壁上的重分布应力特点： 椭圆形洞室长轴两端点应力集中最大，易引起压碎破坏；短轴两端易拉应力集 中，不利于围岩

14、稳定 各种形状洞室的角点或急拐弯处应力集中最大，如正方形或矩形洞室角点等。 长方形短边中点应力集中大于长边中点，而角点处应力集中最大，围岩最易失 稳。 当岩体中天然应力O h和o v相差不大时，以圆形洞室围岩应力分布最均匀， 围岩稳定性最好。 当岩体中天然应力O h和o v相差较大时，则应尽量使洞室长轴平行于最大天 然应力的作用方向。 在天然应力很大的岩体中，洞室断面应尽量采用曲线形，以避免角点上过大的 应力集中。36. 围岩压力：地下洞室围岩在重分布应力作用下产生过量的塑性变形或松动破 坏，进而引起施加于支护衬砌上的压力，称为围岩压力 37：岩爆：围岩处于高应力场条件下所产生的岩片（块）飞射

15、抛撒，以及洞壁片 状剥落等现象。它是岩石被挤压到弹性限度，岩体内积聚的能量突然释放所造成的一种岩石破坏现象。 38：围岩抗力系数：是表征围岩抵抗衬砌向围岩方向变形能力的指标，定义为使 洞壁围岩产生一个单位径向变形所需要的内水压力。【习题】2Cj sinacos0j某岩体边坡中存在一组与坡面倾向相同，倾角为 30的结构面，结构面的剪切 强度：Cj=0.1MPa,屮j=28，边坡倾角为60，岩体平均密度p =2.5g/cm3, 求该边坡的极限坡高Hcr器sin(Q - fl) sin(/?-叭)某岩体，在深度100m内，密度为2.54g/cm3，在深度100200m内，密度为 2.71g/cm3,

16、天然应力比值系数为1.89，试按自重应力理论计算深度50m、150m 处的天然应力大小？将某一岩石试件进行单轴压缩实验，其压应力达到28.0MPa时发生破坏。破坏面 与水平面的夹角为60，设其抗剪强度为直线型。试求：（1）该岩石的c,屮值；（2）破坏面上的正应力和剪应力；（3）在正应力为零的面上的抗剪强度；（4）在与最大主应力作用面成30的面上的抗剪强度。sin片（听-込）/2_（巧 + 巧）/2+rrcot0或硏=馮 tan2 (45+/2)+2 tan(45 + / /2)解答：（1）由题意2a = x（1）由题意2）由题意2c cos tp1 sin 0练习题：已知砂岩的试验指标为岩石容重Y =17 KN/m3,相对密度Gs=2.72和吸水率Wa=10%，绘出三相图，并用定义求孔隙比e的数值。