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1、岩石力学课程岩石力学课程20122012版本版本第一章第一章 绪论绪论一一.岩石力学研究的对象及特点岩石力学研究的对象及特点1 1、对象：、对象：岩石岩石对象对象岩石材料岩石材料地壳中坚硬的部地壳中坚硬的部分；分；方法方法：力学的观点、理论、方法：力学的观点、理论、方法综合：岩石力学综合：岩石力学用力学的理论，观点和方法去研用力学的理论，观点和方法去研 究岩石材料的力学行为及其工程应用的学科。究岩石材料的力学行为及其工程应用的学科。2 2、特点、特点1 1）研究的广泛性）研究的广泛性a a、既古老，又年轻、既古老，又年轻古老：旧石器时期，利用石古老：旧石器时期，利用石器生活；年轻：从器生活；年
2、轻：从2020世纪世纪4040年代开始（美国，法国，年代开始（美国，法国，意大利、中国修建了大量的工程）意大利、中国修建了大量的工程）11/9/2022岩石力学锦屏二级水电站超长引水隧洞锦屏二级水电站超长引水隧洞11/9/2022岩石力学锦屏二级水电站锦屏二级水电站11/9/2022岩石力学锦屏水电站世界级高边坡工程锦屏水电站世界级高边坡工程11/9/2022岩石力学龙滩水电站龙滩水电站返回返回11/9/2022岩石力学2 2）研究对象的复杂性）研究对象的复杂性a a、组成、组成岩岩石石地地质质体体（单单独独的的力力学学性性质质+偶偶合合效效应应）；岩岩块块、结结构构面面组组合合形形成成；块块
3、状状结结构构、破破碎碎结结构构、离散结构离散结构b b、背景、背景 地地质质力力学学环环境境的的复复杂杂性性（地地应应力力、地地下下水水、物物理、化学作用等）理、化学作用等）3 3）工程应用性（实践性）非常强）工程应用性（实践性）非常强4 4）社社会会经经济济效效益益显显著著（如如：二二滩滩坝坝基基节节约约70007000多万）多万）11/9/2022岩石力学二、岩石力学的基本内容二、岩石力学的基本内容 基本理论基本理论 岩体地应力岩体地应力 材料实验材料实验 三大部分三大部分 岩体的强度岩体的强度 工程应用工程应用 岩体的变形岩体的变形 裂隙水力学裂隙水力学工程应用：水电中的三大应用：边坡工
4、程（天然、工程应用：水电中的三大应用：边坡工程（天然、工程开挖）、地下洞室、坝基稳定。工程开挖）、地下洞室、坝基稳定。三、研究方法三、研究方法 物理模拟物理模拟岩石物理力学性质常规实验，地岩石物理力学性质常规实验，地质力学模型试验质力学模型试验 数学模型数学模型如有限元等数值模拟如有限元等数值模拟 理论分析理论分析用新的力学分支，理论研究岩石用新的力学分支，理论研究岩石力学问题力学问题11/9/2022岩石力学第二章第二章 岩石的物理性状（性质）岩石的物理性状（性质）2.1 2.1 岩体的结构特性岩体的结构特性岩石岩石根据成因，可分为：根据成因，可分为：岩浆岩岩浆岩（火成岩）（火成岩）岩浆喷发
5、、坚硬、均一；岩浆喷发、坚硬、均一；沉积岩沉积岩海洋沉积形成海洋沉积形成特点：层状，同一时期特点：层状，同一时期 性质相近；性质相近；变质岩变质岩在已有岩石的基础上，经过变质混合作用后在已有岩石的基础上，经过变质混合作用后 形成的；形成的；淤积淤积地质体（岩体）：结构面、结构体地质体（岩体）：结构面、结构体 相对组合相对组合关系关系划分岩体的结构划分岩体的结构如：结构面少，连续性差，闭合如：结构面少，连续性差，闭合原型块状原型块状 结构面较发育结构面较发育 块状结构块状结构 结构面极发育结构面极发育 破裂（散体）结构破裂（散体）结构11/9/2022岩石力学2.22.2岩石的不连续性、不均匀性
6、及各向异性岩石的不连续性、不均匀性及各向异性由于岩石中存在各种规模的结构面（断裂带、断层、节理、由于岩石中存在各种规模的结构面（断裂带、断层、节理、裂隙）裂隙）致使岩石的物理力学性质致使岩石的物理力学性质不连续、不均匀、各向不连续、不均匀、各向异性异性因此，有必要引入刻划不均一程度的参数。因此，有必要引入刻划不均一程度的参数。一。岩石的裂隙性一。岩石的裂隙性通常采用裂隙率作为定量评价（描述）裂隙切割的程度；通常采用裂隙率作为定量评价（描述）裂隙切割的程度；1.1.单向裂隙单向裂隙：a)a)沿一组裂隙面法向统计：沿一组裂隙面法向统计：n1=n n1=nd d单位长度上裂隙条单位长度上裂隙条数（条
7、数（条m m）显然：显然：n1n1岩体切割越破碎岩体切割越破碎b b）沿裂隙面方向）沿裂隙面方向（连通率）（连通率）n2=a n2=aa+ba+b(a(a裂隙面长度，裂隙面长度，b b岩桥长度岩桥长度)11/9/2022岩石力学2.2.平面裂隙率平面裂隙率概念概念 指岩石单位面积上各类裂隙面积所占比重。指岩石单位面积上各类裂隙面积所占比重。(l(li i、t ti i第第i i条裂隙长度、宽度条裂隙长度、宽度)无裂隙无裂隙 全部被裂隙充满全部被裂隙充满二、各向异性二、各向异性指岩石的强度、变形指标（力学性质）随空间方位不指岩石的强度、变形指标（力学性质）随空间方位不同而异的特性。同而异的特性。
8、1.1.正交各向异性正交各向异性（三个材料主轴、定义材料参数）（三个材料主轴、定义材料参数）三个材料主轴方向三个材料主轴方向力学性质不同力学性质不同2.2.横观各向同性横观各向同性层状层状 层面内层面内 力学性质相同（多向同性面）力学性质相同（多向同性面）层层 间间 力学性质差异力学性质差异五个参数五个参数:E:E、u u、E E 、u u 、G G11/9/2022岩石力学2.32.3岩石的物理性质指标岩石的物理性质指标 在前面说到，岩石力学问题的研究首先应从岩石的基本物理在前面说到，岩石力学问题的研究首先应从岩石的基本物理力学性质研究入手，本节介绍岩石（块）的基本物理性质的主要力学性质研究
9、入手，本节介绍岩石（块）的基本物理性质的主要指标及测试方法。指标及测试方法。1.1.岩石的容重（岩石的容重（r r）指单位体积岩石的重量。指单位体积岩石的重量。由于岩样中含有水分，根据由于岩样中含有水分，根据“w”w”的不同含义，可分为的不同含义，可分为干容重：（烘干状态）干容重：（烘干状态）（v:v:标准件标准件直接量直接量A A、H H 非标准件非标准件用阿基米德原理）用阿基米德原理）天然容重天然容重 天然状态（大气压力室温条件下含水量）天然状态（大气压力室温条件下含水量）饱和容重饱和容重 煮沸或抽真空煮沸或抽真空充分饱和充分饱和称重称重w wd d11/9/2022岩石力学2.2.比重（
10、比重（GsGs）指岩石干重量除以岩石的实体积（不含孔隙体积）的干指岩石干重量除以岩石的实体积（不含孔隙体积）的干容重与容重与4 4c c水的容重的比值。水的容重的比值。3 3孔隙率（孔隙率（n%n%）指岩石内孔隙体积与总体积之比。指岩石内孔隙体积与总体积之比。4.4.天然含水量天然含水量 指天然状态下，岩石的含水量与岩石干重比值的百分比。指天然状态下，岩石的含水量与岩石干重比值的百分比。11/9/2022岩石力学5.5.吸吸水水率率：指指岩岩石石在在常常温温条条件件下下浸浸水水4848小小时时后后，岩岩石石内内的的含水量与岩石干容重的比值。含水量与岩石干容重的比值。6.6.饱饱和和含含水水率率
11、：指指岩岩样样在在强强制制状状态态（真真空空、煮煮沸沸或或高高压压）下下，岩岩样样最最大大吸吸水水量量与与岩岩石石干重量比值。干重量比值。7.7.饱饱水水分分数数：指指岩岩石石吸吸水水率率与与饱水率的比值百分率。饱水率的比值百分率。试试验验证证明明：当当k kw w91%2002006060200200202060606 620206 6评分评分2020151510108 85 54 4节理状态节理状态裂开面很裂开面很粗糙节理粗糙节理不连通，不连通，未张开，未张开，两壁岩石两壁岩石未风化未风化裂开面稍裂开面稍粗糙裂开粗糙裂开宽度宽度1mm1mm两壁轻度两壁轻度风化风化裂开面稍裂开面稍粗糙裂开粗
12、糙裂开宽度宽度1mm1mm两壁高度两壁高度风化风化裂开面夹泥裂开面夹泥厚度小于厚度小于5mm5mm或裂开宽度或裂开宽度1 15mm5mm，节理，节理连通连通裂开面夹泥厚度大裂开面夹泥厚度大于于5mm5mm或裂开宽度大或裂开宽度大于于5mm5mm，节理连通，节理连通评分评分30302525202010100 05 5地下水地下水状况状况隧洞中每隧洞中每10m10m长段涌水长段涌水量（量（L/minL/min）0 01010101025252525125125125125节理水压力节理水压力/大主应力大主应力0 00.00.00.10.1 0.10.10.20.20.20.20.50.50.50.
13、5隧洞干燥程度隧洞干燥程度干燥干燥稍潮湿稍潮湿潮湿潮湿滴水滴水涌水涌水评分评分151510107 74 40 011/9/2022岩石力学按节理方向的修正评分值按节理方向的修正评分值节理走向和倾角节理走向和倾角非常有利非常有利有利有利一般一般不利不利非常不利非常不利评分值评分值隧洞隧洞0 0-2-2-5-5-10-10-12-12地基地基0 0-2-2-7-7-15-15-25-25边坡边坡0 0-5-5-25-25-50-50-60-60按总评分确定的岩体类按总评分确定的岩体类别别评评分分值值1001008 81 180806 61 160604 41 140402 21 12020分分类类
14、级级质质量量描描述述很好很好的的岩岩体体好好岩岩体体中中等等岩岩体体差差的的岩岩体体很差很差的的岩岩体体11/9/2022岩石力学第三章.岩石的强度3.13.1概述概述一一.重要性重要性（工程安全、经济效益）（工程安全、经济效益）岩岩体体边边坡坡稳稳定定性性评评价价 ，加加固固处处理理（锚锚固固、浇注、抗滑桩设计）浇注、抗滑桩设计）地下洞室地下洞室 开挖和运行过程中的围岩稳定开挖和运行过程中的围岩稳定坝基稳定（拱坝坝肩、重力坝坝基）坝基稳定（拱坝坝肩、重力坝坝基）二二.复杂性复杂性 岩岩石石的的强强度度包包括括岩岩块块的的强强度度和和结结构构面面的的强强度度，以以及及耦耦合合效效益益地地质质环
15、环境境因因素素影影响响（地地应力、地下水等）应力、地下水等）11/9/2022岩石力学3.23.2岩石的破坏形式岩石的破坏形式 大量实践和试验观察证明，岩石的破坏形式概括起来：大量实践和试验观察证明，岩石的破坏形式概括起来：1 1、脆脆性性破破坏坏 ：岩岩石石发发生生破破坏坏时时，变变形形很很小小，明明显显声声响响，一般发生在单轴或低围压坚硬岩石。一般发生在单轴或低围压坚硬岩石。2 2、塑塑性性破破坏坏 ：破破坏坏时时，变变形形较较大大，有有明明显显的的“剪剪胀胀”效应，一般发生在较软弱岩石或高围压坚硬岩石效应，一般发生在较软弱岩石或高围压坚硬岩石3 3、沿软弱结构面（原生）、沿软弱结构面（原
16、生）剪切破坏剪切破坏11/9/2022岩石力学3.3 3.3 岩石的单轴抗压强度岩石的单轴抗压强度一。单轴压缩实验装置一。单轴压缩实验装置1.1.普通岩石三轴压力机普通岩石三轴压力机 长江长江500500型型 最大轴压最大轴压500T500T，围压，围压1250K/cm1250K/cm 2.2.刚性压力机刚性压力机上压板上压板岩岩样样承压平台承压平台11/9/2022岩石力学二二.单轴抗压强度单轴抗压强度破破裂裂角角 影影响响因因素素：矿矿物物质质成成分分、颗颗粒粒大大小小、结结晶晶程程度度、风风化化卸卸荷荷程程度度、含含水水率率、加加荷荷速速度度、层面方向，赋存环境（埋深、孔隙率等）。层面方
17、向，赋存环境（埋深、孔隙率等）。11/9/2022岩石力学3.43.4岩石的抗拉强度岩石的抗拉强度一一.实验方法实验方法 11/9/2022岩石力学11/9/2022岩石力学3.53.5岩石的抗剪强度岩石的抗剪强度一一.基本概念基本概念1.1.抗剪断强度抗剪断强度：完整岩块、岩石被剪断时，表现出：完整岩块、岩石被剪断时，表现出的的“抵抗剪切破坏抵抗剪切破坏”的强度。的强度。2.2.抗剪强度抗剪强度 ：岩石沿原生结构面或已被剪断的破岩石沿原生结构面或已被剪断的破裂面，剪切滑动时的裂面，剪切滑动时的“摩擦阻力摩擦阻力”3.3.工程上三种实验工程上三种实验1 1）岩石实体抗剪断）岩石实体抗剪断 2
18、2）岩体中软弱结构面抗剪）岩体中软弱结构面抗剪 3 3）砼与基岩胶结面抗剪强度（）砼与基岩胶结面抗剪强度（砼坝建基面砼坝建基面）11/9/2022岩石力学三三.室内试验方法室内试验方法一）直剪试验一）直剪试验11/9/2022岩石力学二）楔形剪切（交角剪）试验二）楔形剪切（交角剪）试验11/9/2022岩石力学三）三轴压缩试验三）三轴压缩试验11/9/2022岩石力学11/9/2022岩石力学三三.现场强度试验现场强度试验11/9/2022岩石力学3.63.6岩石的强度理论岩石的强度理论(破坏准则破坏准则)一、一、CoulombCoulomb准则准则1.1.基本观点：认为岩石属于剪切破坏，剪切
19、面上抗剪强度基本观点：认为岩石属于剪切破坏，剪切面上抗剪强度11/9/2022岩石力学11/9/2022岩石力学11/9/2022岩石力学二二.格里菲斯（格里菲斯（GriffithGriffith）强度理论）强度理论莫尔库仑准则莫尔库仑准则将岩石视为连续均匀将岩石视为连续均匀介质介质宏观强度理论宏观强度理论相反，相反，GriffithGriffith基本观点：岩石中存在基本观点：岩石中存在许多空隙、裂缝等许多空隙、裂缝等在外部应力作用下在外部应力作用下 缝端产生应力集中缝端产生应力集中缝端扩展缝端扩展（破裂）（破裂）串通串通形成宏观破坏形成宏观破坏11/9/2022岩石力学一）推导思路一）推导
20、思路图示图示11/9/2022岩石力学二二.主要推导过程主要推导过程11/9/2022岩石力学11/9/2022岩石力学11/9/2022岩石力学11/9/2022岩石力学11/9/2022岩石力学11/9/2022岩石力学11/9/2022岩石力学6.Griffith强度准则图示11/9/2022岩石力学11/9/2022岩石力学三三.修正格氏强度理论修正格氏强度理论 当裂纹受压闭合，可传递正应力、剪应力当裂纹受压闭合，可传递正应力、剪应力 假定假定e e为裂纹闭合应力为裂纹闭合应力11/9/2022岩石力学3.73.7岩石中水对强度的影响岩石中水对强度的影响在前面已经谈及，水工建设中岩体不
21、可避免会在前面已经谈及，水工建设中岩体不可避免会遇到水，例如遇到水，例如 水的影响：改变岩石的物理力学性质（胶结构水的影响：改变岩石的物理力学性质（胶结构被破坏，化学溶蚀等）被破坏，化学溶蚀等）渗透压力渗透压力 “空隙压力空隙压力”降低有效应力降低有效应力 强度降低强度降低11/9/2022岩石力学一.对强度的影响11/9/2022岩石力学11/9/2022岩石力学二、对破坏形态影响：二、对破坏形态影响：三、工程问题：三、工程问题：11/9/2022岩石力学3.8 3.8 岩体强度分析岩体强度分析 岩体的强度分析包括结构体强度分析和结构面强度分析。岩体的强度分析包括结构体强度分析和结构面强度分
22、析。一一.结构体（均质岩体）条件结构体（均质岩体）条件 按莫尔库仑条件：按莫尔库仑条件：11/9/2022岩石力学11/9/2022岩石力学二、结构面的强度分析二、结构面的强度分析11/9/2022岩石力学11/9/2022岩石力学11/9/2022岩石力学11/9/2022岩石力学11/9/2022岩石力学3.93.9结构面方位对强度的影响结构面方位对强度的影响11/9/2022岩石力学分析分析11/9/2022岩石力学3.10 3.10 结构面粗糙度对强度的影响结构面粗糙度对强度的影响一一.概念概念 岩体中结构面凹凸不平：其起伏程度，工程上岩体中结构面凹凸不平：其起伏程度，工程上一般用粗糙
23、度称之。一般用粗糙度称之。11/9/2022岩石力学11/9/2022岩石力学二二.分析方法分析方法 由于实际工程中，岩体结构面中由于实际工程中，岩体结构面中i i不易测定，不易测定，且一条结构面上且一条结构面上i i多变多变 困难，工程上一般采用巴顿困难，工程上一般采用巴顿（BartonBarton）公式计算，形式：）公式计算，形式：式中：式中：11/9/2022岩石力学三三.水对强度的影响水对强度的影响 11/9/2022岩石力学第四章第四章 岩石的变形岩石的变形4.14.1概述概述岩石变形的概念岩石变形的概念岩石变形岩石变形指多种地质力学环境因素（如河谷指多种地质力学环境因素（如河谷下切
24、、地应力释放、工程开挖等）和工程荷载下切、地应力释放、工程开挖等）和工程荷载（如水库蓄水、隧洞充水的水荷载）共同作用岩（如水库蓄水、隧洞充水的水荷载）共同作用岩石形状与大小发生变化。石形状与大小发生变化。二、研究变形稳定二、研究变形稳定 岩体作为建筑物的基础，其变形与上部结构岩体作为建筑物的基础，其变形与上部结构的变形相互协调的变形相互协调 影响结构内力影响结构内力 因此，岩体的变形量常作为工程设计的控制因此，岩体的变形量常作为工程设计的控制标准之一。标准之一。11/9/2022岩石力学如：如：1.1.拱拱坝坝 空空间间壳壳体体将将上上游游水水载载传传递递给给坝坝肩肩岩岩体体，而而坝坝肩肩岩岩
25、体体的的变变形形一一方方面面要要影影响响坝坝体体的的变变形形、应应力力，另另一一方方面面库库水水放放空空 坝坝体体回回弹弹（大大），岩岩体体回回弹弹（小小）（差差异异）拱拱端端接接触触面面“脱脱开开”开裂，如锦屏一级拱坝。开裂，如锦屏一级拱坝。11/9/2022岩石力学2.2.重力坝：右江重力坝：右江 h=130mh=130m蓄水蓄水 坝基不均匀变形影响坝基不均匀变形影响库空库空 是否向上游倾斜是否向上游倾斜研究岩体变形的重要性研究岩体变形的重要性11/9/2022岩石力学三、岩石变形的特点三、岩石变形的特点1 1、弹性变形：荷载卸去后，变形可恢复。包括线、弹性变形：荷载卸去后，变形可恢复。包
26、括线性和非线性（弹性后效，粘弹性）性和非线性（弹性后效，粘弹性）2 2、塑性变形：荷载卸去后，变形不能全部恢复，、塑性变形：荷载卸去后，变形不能全部恢复，残留一部分永久变形。残留一部分永久变形。3 3、蠕变：荷载一定，变形随、蠕变：荷载一定，变形随t t增加而增加。增加而增加。四、线弹性变形的本构关系四、线弹性变形的本构关系11/9/2022岩石力学4.2 4.2 岩石室内试验岩石室内试验一一.单轴压缩试验单轴压缩试验11/9/2022岩石力学11/9/2022岩石力学二、三轴压缩试验二、三轴压缩试验图示图示11/9/2022岩石力学4.34.3岩石的变形性质岩石的变形性质一一.岩石岩石全过程
27、曲线全过程曲线 11/9/2022岩石力学可分为四个阶段：可分为四个阶段：11/9/2022岩石力学二、反复加载与卸载条件下的变形特性二、反复加载与卸载条件下的变形特性 11/9/2022岩石力学11/9/2022岩石力学3 3、反复加载（多次加载卸载加载）、反复加载（多次加载卸载加载）三、岩石在三轴荷载条件下的变形特性三、岩石在三轴荷载条件下的变形特性11/9/2022岩石力学11/9/2022岩石力学11/9/2022岩石力学11/9/2022岩石力学四、岩体各向异性四、岩体各向异性各个方向反映变形的参数（各个方向反映变形的参数（E,）不同）不同工程中，常见的宏观各向同性工程中，常见的宏观
28、各向同性 需要需要5个独立参数描述：个独立参数描述：XOY面内：面内：E,1 XOY面内：面内：E ,2剪切模量剪切模量“七五七五”攻关：石膏材料攻关：石膏材料11/9/2022岩石力学一、意义一、意义 1.1.现场试验现场试验亦亦称称原位原位试验试验意义：反映天然岩体的性质地质力学环境意义：反映天然岩体的性质地质力学环境代表性好代表性好二、主要现场变形试验方法二、主要现场变形试验方法 一）承压板法一）承压板法4.5 现场变形试验现场变形试验11/9/2022岩石力学程序：在平硐或坝基（反力结构）选点程序：在平硐或坝基（反力结构）选点清除破碎岩石平整安装千斤顶清除破碎岩石平整安装千斤顶 加载加
29、载 量测变形量测变形 整理整理p ps s曲线曲线加载加载 卸载卸载 加载加载 分级分级 利用弹性理论利用弹性理论 式中：式中：p p作用在岩体上的压力（作用在岩体上的压力（MPaMPa）S S岩面的平均变形岩面的平均变形 D D承压板直径或方形边长承压板直径或方形边长 与承压板的刚度和形状有关的系数。刚性圆形板取与承压板的刚度和形状有关的系数。刚性圆形板取0.790.79，方，方形板取形板取0.880.88，柔性圆板按中心计算取，柔性圆板按中心计算取1.01.0 11/9/2022岩石力学二）狭缝试验法二）狭缝试验法11/9/2022岩石力学程序：程序：在选定的具有代表性的试验点开一条狭缝在
30、选定的具有代表性的试验点开一条狭缝 通过埋设在狭缝的钢枕（旁千顶）对狭缝两侧加压通过埋设在狭缝的钢枕（旁千顶）对狭缝两侧加压 测量变形测量变形 按代有狭缝的理想弹性板平面应力问题计算岩体的变形按代有狭缝的理想弹性板平面应力问题计算岩体的变形具体：具体：量测量测A A点绝对变形点绝对变形 按绝对变形：按绝对变形：(4-18)(4-18)11/9/2022岩石力学量测量测A1A1、A2A2点相对变形点相对变形 按按A1A1、A2A2点相对变形点相对变形 （4 41919）式中式中 为为A1A1、A2A2点相对位移点相对位移特点：开槽对岩体扰动小，加压方向随意，但计算方法特点：开槽对岩体扰动小，加压
31、方向随意，但计算方法不严谨（槽面释放应力，不属于平面问题不严谨（槽面释放应力，不属于平面问题 ）11/9/2022岩石力学三）环形加载三）环形加载在隧洞内在隧洞内 选取（选取（2 23 3）D D洞段洞段 沿径向加载沿径向加载(封闭端头封闭端头 (水压水压)用千斤顶用千斤顶)量测洞径变化量测洞径变化 由弹性厚壁圆筒公式由弹性厚壁圆筒公式四）岩石反力（抗力）系数的测定四）岩石反力（抗力）系数的测定 是地下洞室（隧洞设计）中非常重要的参数是地下洞室（隧洞设计）中非常重要的参数1 1、反力（弹性抗力）的概念、反力（弹性抗力）的概念 指岩石受到挤压时，对衬砌或上部建指岩石受到挤压时，对衬砌或上部建 筑
32、产生的反作用力筑产生的反作用力 抗力抗力 （注意：只存在于压力区）（注意：只存在于压力区）若抗力与变形成正比若抗力与变形成正比 称之为弹性抗力称之为弹性抗力 即：即：其中其中p p抗力；抗力；k k抗力系数；抗力系数；y y变形变形 对圆形隧洞：对圆形隧洞：r r半径半径11/9/2022岩石力学2 2、隧洞单位弹性抗力系数、隧洞单位弹性抗力系数 指指D=1.0mD=1.0m直径产生单位位移直径产生单位位移 所需的压力所需的压力 单位弹抗系数单位弹抗系数当：当：隧洞有衬砌：隧洞有衬砌：其中：其中：b b衬砌；衬砌；y y径向变形；径向变形；砼弹模；砼弹模；水压；水压；r r隧洞半径隧洞半径 计
33、入隧洞破损区：计入隧洞破损区：围岩抗拉强度围岩抗拉强度11/9/2022岩石力学4.64.6岩石弹性常数的动力测试方法岩石弹性常数的动力测试方法一、基本原理：一、基本原理：通过激振（地震波、声波等）岩石的方式通过激振（地震波、声波等）岩石的方式 测定弹性介质测定弹性介质（岩体中）的波速（岩体中）的波速 换算岩体换算岩体E E和和 ，分为室内和现场两种，分为室内和现场两种，常用地震波法。常用地震波法。二、地震法的测试方法：二、地震法的测试方法：在洞壁上打两个试验钻在洞壁上打两个试验钻孔孔 激振（引爆炸药）激振（引爆炸药）由地震仪记录地震波由地震仪记录地震波 11/9/2022岩石力学根据弹性介质
34、中纵波（压缩波）、横波（剪切波）速计算公式：根据弹性介质中纵波（压缩波）、横波（剪切波）速计算公式：（纵波）（纵波）（横波）（横波）联立求解联立求解 三、特点三、特点1 1、综合反映岩体质量（完整程度，岩块综合反映岩体质量（完整程度，岩块E E，(E ,)(E ,)）2 2、（1.01.02.562.56），一般，一般，1.3 1.3 锦屏一级锦屏一级11/9/2022岩石力学4.74.7破碎岩石的变形性质破碎岩石的变形性质一一.定义定义 所谓破碎岩石所谓破碎岩石-岩石内节理、裂隙非常发育岩石内节理、裂隙非常发育-强风化、强风化、强卸荷岩体。强卸荷岩体。二二.特点：特点：1.1.相相对对完整岩
35、完整岩块变块变形量非常大，且永久形量非常大，且永久变变形形显显著著2.2.加卸加卸载过载过程存在明程存在明显显的的滞滞回回环环3./E3./E比比值值可高可高达达13.013.0，E/E/可可达达4.54.5以上以上加加载载卸卸载载（重新加（重新加载载）4.4.对动对动力法中高力法中高频弹频弹性波性波丢丢失失严严重重5.E 5.E 取取值值 用重用重复复加加载载斜率斜率同同时时：（岩体（岩体质质量量评评分分RMR55RMR55）11/9/2022岩石力学4.8 4.8 岩石的蠕变岩石的蠕变一一.岩石蠕变的概念岩石蠕变的概念 岩石蠕变岩石蠕变指岩石在应力恒定情况下，应变指岩石在应力恒定情况下，应
36、变 随时间增随时间增长的特性。长的特性。岩石的松弛岩石的松弛指岩石在应变恒定情况下，应力指岩石在应变恒定情况下，应力随时间随时间降低的特性。（应力松弛）降低的特性。（应力松弛）工程实例：深埋洞室围岩蠕变支护变形（新奥法机理）与压力工程实例：深埋洞室围岩蠕变支护变形（新奥法机理）与压力随时间变化随时间变化11/9/2022岩石力学二二.岩石蠕变特性岩石蠕变特性大量试验表明：岩石变形瞬弹变形大量试验表明：岩石变形瞬弹变形+蠕变（与时间有关）蠕变（与时间有关）1.1.岩性针对不同岩石，弹性变形与蠕变对比存在差异（第岩性针对不同岩石，弹性变形与蠕变对比存在差异（第9393页页 图图4-354-35）2
37、.2.应力水平影响蠕变量大小应力水平影响蠕变量大小 ，蠕变速率（，蠕变速率（P93P93，图，图4-474-47）3.3.蠕变试验得到典型蠕变曲线分为三段：蠕变试验得到典型蠕变曲线分为三段：ABAB初期蠕变，初期蠕变，蠕变速率蠕变速率递减递减 卸载（卸载（）瞬弹瞬弹PQ+PQ+粘弹粘弹QRQR（全部恢复）（全部恢复）BCBC恒速蠕变，恒速蠕变，恒定，恒定，（单位时间增加（单位时间增加 相同）相同）瞬弹瞬弹 +粘弹粘弹UV+UV+不可恢复不可恢复uv uv 随时间延续随时间延续 变形破坏变形破坏CDCD加速蠕变加速蠕变 不断增大不断增大 变形破坏变形破坏11/9/2022岩石力学三三.蠕变与工程
38、关系：蠕变与工程关系：由岩石蠕变试验：由岩石蠕变试验：a a）对工程影响不大；）对工程影响不大；b b）、）、c c）可能导致变形破坏（软弱夹层浸水）可能导致变形破坏（软弱夹层浸水）11/9/2022岩石力学四四.岩石蠕变模型岩石蠕变模型前面已介绍：岩石变形分为瞬弹和粘弹前面已介绍：岩石变形分为瞬弹和粘弹(蠕变蠕变)，其中：瞬弹其中：瞬弹 “弹性元件弹性元件”（模型）表示：（模型）表示：本构关系：本构关系：（剪应力剪应变虎克定律（剪应力剪应变虎克定律)（体积应力体积应变）；（体积应力体积应变）；粘性（蠕变）粘性（蠕变）粘性模型：粘性模型：本构关系：本构关系：（粘滞系数，粘滞系数，应变率）应变率
39、）因此，岩石的变形可以通过弹性因此，岩石的变形可以通过弹性+粘性元件不同组合粘性元件不同组合 模型（反映）模型（反映）11/9/2022岩石力学常用的几种模型：常用的几种模型：1 1、马克斯威尔模型、马克斯威尔模型弹性元件弹性元件+粘性元件粘性元件 串联串联 （4-374-37）（剪应力每个截面均相等）（剪应力每个截面均相等）（4-384-38）（剪应变单个元件剪应变之和）（剪应变单个元件剪应变之和）其中：其中：将（将（4-384-38）两端）两端 代入上式代入上式 变形变形11/9/2022岩石力学反映反映 （剪应力剪应变）关系的微分方程（剪应力剪应变）关系的微分方程 本构关系的微分形式本构
40、关系的微分形式例：设单轴实验：例：设单轴实验：t t0 0时，时，1 1=0 =0 突然增加至突然增加至 1 1（以（以 1 1代代，1 1代）求解代）求解 分析可知：分析可知：t t0 0，常量常量 突然增至突然增至 1 1时时 瞬弹变形瞬弹变形 呈线性关系呈线性关系 恒速，且与恒速，且与 1 1，有关有关11/9/2022岩石力学2 2、凯尔文模型：、凯尔文模型：弹性元件、粘性元件并联。弹性元件、粘性元件并联。特征：特征：（4-434-43）（剪应力）（剪应力）（4-444-44）（剪应变相等）（剪应变相等）由由 代入（代入（4-434-43）变形：变形：微分关系（本构关系微分形式）微分关
41、系（本构关系微分形式）假设：单轴压缩，假设：单轴压缩，t t0 0，1 10 0突然增加至突然增加至1 1条件，求解条件，求解11/9/2022岩石力学分析：t0 t 任意时刻：呈指数递增 t由弹性+粘性元件 其他组合 可构成众多的蠕变模型。作业：4-1，4-311/9/2022岩石力学第五章 岩体天然应力与洞室围岩的应力分布5.15.1概述概述一、天然应力（地应力）一、天然应力（地应力）1 1、概念：指岩体在天然状态下所赋存（工程兴建前）的应力，、概念：指岩体在天然状态下所赋存（工程兴建前）的应力，又称又称“地应力地应力”，“初始地应力初始地应力”2 2、形成因素：岩体自重（地心引力）、形成
42、因素：岩体自重（地心引力）+地质构造运动地质构造运动+地温梯地温梯度度+渗流等渗流等二、二次应力二、二次应力 由于人类活动（工程开挖，修建建筑物）影响一定范围的由于人类活动（工程开挖，修建建筑物）影响一定范围的天然应力天然应力 这种岩体被挠动后的应力称为这种岩体被挠动后的应力称为“重分布应力重分布应力”或或“二次应力二次应力”地下洞室二次应力天然应力地下洞室二次应力天然应力+开挖附加应力开挖附加应力11/9/2022岩石力学三、研究岩体天然应力的意义三、研究岩体天然应力的意义一）意义：在岩土工程中一）意义：在岩土工程中1.1.边坡开挖边坡开挖 坡面回弹变形坡面回弹变形 坡体二次应力地应力坡体二
43、次应力地应力+开挖效应开挖效应 释放荷载释放荷载 坡体稳定性评价：刚体质量消失坡体稳定性评价：刚体质量消失 基于应力的强度分析基于应力的强度分析2.2.坝基：二次应力场地应力坝基：二次应力场地应力+开挖效应开挖效应+建筑物附加应力场建筑物附加应力场3.3.地下洞室：地应力地下洞室：地应力 围岩稳定分析（围岩的变形、稳定）围岩稳定分析（围岩的变形、稳定）的基本荷载（力源），的基本荷载（力源），二次应力初始地应力二次应力初始地应力+开挖效应附加应力场开挖效应附加应力场11/9/2022岩石力学二）、地应力与地下洞室的关系二）、地应力与地下洞室的关系1 1、纵轴线与、纵轴线与1 1近于平行近于平行（
44、二滩尾水洞崩塌！）甘肃金川隧洞（二滩尾水洞崩塌！）甘肃金川隧洞2 2、水平应力与垂直应力比值与体形关系、水平应力与垂直应力比值与体形关系 1 1 2 2高度小宽度大，近似椭圆形高度小宽度大，近似椭圆形 2 2 1 1高度大宽度小，近似椭圆形高度大宽度小，近似椭圆形三）、地应力对工程的影响三）、地应力对工程的影响我国二滩（玄武岩），美国大古星（花岗岩）坝基开挖我国二滩（玄武岩），美国大古星（花岗岩）坝基开挖 像像剥洋葱头一样，剥了一层又一层。处理方法：迅速浇注砼，高剥洋葱头一样，剥了一层又一层。处理方法：迅速浇注砼，高压固结灌浆压固结灌浆岩爆：在高地应力区岩爆：在高地应力区 洞室开挖洞室开挖 弹
45、性能释放弹性能释放 大大的岩块坠落，小岩块弹射的岩块坠落，小岩块弹射太平驿太平驿11/9/2022岩石力学5.2 5.2 岩体中的地应力分布岩体中的地应力分布一、地应力分布规律一、地应力分布规律1 1、三向不等压的空间地应力场，其大小和方向随时间和空间变、三向不等压的空间地应力场，其大小和方向随时间和空间变化化2 2、垂直与水平应力的关系、垂直与水平应力的关系1 1）垂直应力）垂直应力z，主要受上覆岩体自重形成：，主要受上覆岩体自重形成：，（）2 2）水平应力）水平应力h 11/9/2022岩石力学a:a:水平岩层：水平岩层：b b：河谷（：河谷（4 4个分区：应力松弛区，过渡区，平稳区，集中
46、区）个分区：应力松弛区，过渡区，平稳区，集中区）岸坡：岸坡：1 1/坡岸，坡岸，3 3岸坡岸坡谷底：谷底：1 1水平，水平，1 1=h h z z （应力集中）（应力集中）c c：水平向地质构造：水平向地质构造+自重自重 1 1 /主要构造方向，且主要构造方向，且1 1 z z ，d:d:若若0.5 k0.5 k0 0=1 =1 h h=z z 静水压力静水压力 海姆假设海姆假设”11/9/2022岩石力学5.3 5.3 岩体地应力的量测岩体地应力的量测 量测分为现场量测和室内量测，现场量测可反映岩体性质，量测分为现场量测和室内量测，现场量测可反映岩体性质，成本高，周期长，室内量测时间短，经费
47、省。成本高，周期长，室内量测时间短，经费省。应力应力间接物理量；变形、应变间接物理量；变形、应变直接物理量直接物理量一、现场量测一、现场量测一）、应力解除法一）、应力解除法 具体有：孔径变形法，孔底应变法，孔壁应变法具体有：孔径变形法，孔底应变法，孔壁应变法 基本原理：（共同点）通过解除岩体中应力基本原理：（共同点）通过解除岩体中应力 量测孔量测孔径（孔底、孔壁）变形（应变）径（孔底、孔壁）变形（应变）利用弹性理论利用弹性理论 反求外部释放应力（地应力）反求外部释放应力（地应力）11/9/2022岩石力学1 1、孔径变形法、孔径变形法 1 1）假定钻孔方向）假定钻孔方向/3 3 程序：程序：a
48、 a：用：用130mm130mm钻头钻孔至预定深度；钻头钻孔至预定深度；b b：用：用36mm36mm小钻头钻孔小钻头钻孔h h262630cm30cm，孔底磨平；，孔底磨平；c c：安装孔径变形仪；：安装孔径变形仪；d d：安装：安装130mm130mm空心钻头套钻空心钻头套钻 e e：折断岩芯：折断岩芯 （平面应力）（平面应力）平面应变以平面应变以 置换置换测三个孔径变形量测三个孔径变形量 代入：代入：11/9/2022岩石力学2 2）若钻孔方向不平行于）若钻孔方向不平行于 采用三孔交汇方法：每个孔（与钻孔轴线垂直平面内）：采用三孔交汇方法：每个孔（与钻孔轴线垂直平面内）：两个正应力，一个
49、剪应力（三个分量）两个正应力，一个剪应力（三个分量）三个孔：三个孔：33 33 九个方程联立求空间主应力（九个方程联立求空间主应力（6 6个独立未知个独立未知量）量）11/9/2022岩石力学2.2.孔底应变法孔底应变法量测量测a a、b b面内，在套钻过程中产生的应变面内，在套钻过程中产生的应变 孔底主应孔底主应变变 主应力主应力 （5-65-6）空间主应力空间主应力 采用三孔交汇方法进行。采用三孔交汇方法进行。11/9/2022岩石力学3.3.孔壁应变法孔壁应变法特点：单孔特点：单孔 可以量测空间地应力，方便可以量测空间地应力，方便!（需套钻（需套钻 解解 除应除应力力 测孔壁应变（初）测
50、孔壁应变（初）推算推算P P释放应力释放应力钻孔前：孔壁（钻孔前：孔壁（r=rr=r0 0）上，应力：）上，应力：z z，zz外部应力：外部应力：，二者关系：二者关系：（5-85-8）由孔壁：一个测点三个方向（切向由孔壁：一个测点三个方向（切向+轴向轴向+45+450 0方向）应变方向）应变 ，由三个测点由三个测点 可建立九个方程可建立九个方程 解出地应力解出地应力 ，11/9/2022岩石力学二）、应力恢复法二）、应力恢复法 a)a)在量测部位在量测部位 磨平磨平 贴应力片贴应力片 初始读数初始读数 b)b)开挖（沿与待测主应力垂直方向开槽）开挖（沿与待测主应力垂直方向开槽）地应力释放地应力