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1、隧道设计理论隧道设计理论张学富张学富重庆交通大学土木建筑学院重庆交通大学土木建筑学院二、岩体力学基础二、岩体力学基础岩石物理性质岩石物理性质岩体的形成岩体的形成岩体的结构岩体的结构岩石的力学行为特性岩石的力学行为特性岩体变形及强度岩体变形及强度岩体强度理论岩体强度理论 二、岩体力学基础二、岩体力学基础岩石物理性质岩石物理性质岩石的基本物理性质指标岩石的基本物理性质指标l容重（干容重、湿容重和饱和容重）：岩石单位体积（含空隙体积）容重（干容重、湿容重和饱和容重）：岩石单位体积（含空隙体积）的重量。的重量。l密度：颗粒密度（不含空隙流体）和块体密度（含空隙流体）。密度：颗粒密度（不含空隙流体）和块
2、体密度（含空隙流体）。l空隙率：岩石中空隙体积与总体积之比。空隙率越大力学性质越差。空隙率：岩石中空隙体积与总体积之比。空隙率越大力学性质越差。l吸水率：岩石自由吸收水分的质量与岩石干质量之比。吸水率：岩石自由吸收水分的质量与岩石干质量之比。岩石的水理性岩石的水理性 l渗透性：指水在岩石空隙中透过的能力，存在一定渗透性：指水在岩石空隙中透过的能力，存在一定水压作用。水压作用。l膨胀性：一些粘土矿物有强亲水性，使岩石中颗粒膨胀性：一些粘土矿物有强亲水性，使岩石中颗粒间水膜增厚，引起膨胀。间水膜增厚，引起膨胀。l软化性：岩石浸水后导致强度降低的性能。软化性：岩石浸水后导致强度降低的性能。岩石的热理
3、性岩石的热理性l线胀系数和体胀系数线胀系数和体胀系数l热导率：取决于岩石矿物组成、结构构造及赋存环境等热导率：取决于岩石矿物组成、结构构造及赋存环境等l地温梯度：指深度每增加地温梯度：指深度每增加100100米时地温上升的度数米时地温上升的度数l热流密度：地温梯度与岩石热导率的乘积。热流密度：地温梯度与岩石热导率的乘积。岩石的导电性和磁性岩石的导电性和磁性l导电性：主要取决于岩石矿物成分，主要造岩矿物导电性：主要取决于岩石矿物成分，主要造岩矿物（石英、长石、辉岩、云母）导电性相当差。（石英、长石、辉岩、云母）导电性相当差。l磁性：岩石属于磁性介质磁性：岩石属于磁性介质岩体的形成岩体的形成岩体形
4、成的岩体形成的建造过程建造过程：长期而复杂的地质：长期而复杂的地质作用过程，如岩浆作用、变质作用、风化作用过程，如岩浆作用、变质作用、风化作用、沉积作用等。作用、沉积作用等。岩体形成的岩体形成的改造过程改造过程：在建造过程中形成的：在建造过程中形成的岩体由于赋存环境变化、构造变形的叠加，岩体由于赋存环境变化、构造变形的叠加，使岩石成分与结构发生不同程度的变化。使岩石成分与结构发生不同程度的变化。岩体岩体赋存环境条件赋存环境条件：包括地应力、地下水和：包括地应力、地下水和地热三种易变的活性因素，直接影响和制约地热三种易变的活性因素，直接影响和制约岩体力学性质。岩体力学性质。l地应力：地应力：成因
5、认识、分布规律、高地应力区地质标志（岩暴、饼状成因认识、分布规律、高地应力区地质标志（岩暴、饼状岩心、孔径收缩、斜坡错动台阶，现场力学指标比室内的高）、岩心、孔径收缩、斜坡错动台阶，现场力学指标比室内的高）、测量方法（应力解除法、水力压裂法、超声波法、应力恢复法、钻测量方法（应力解除法、水力压裂法、超声波法、应力恢复法、钻孔法）、模拟分析。孔法）、模拟分析。l地下水：地下水：类型及作用（吸着水和重力水）、属性（赋存条件和组成类型及作用（吸着水和重力水）、属性（赋存条件和组成成分双重属性）、分布规律及活动特征（取决于岩体结构和地应力）成分双重属性）、分布规律及活动特征（取决于岩体结构和地应力）、
6、运动规律（符合达西定律）、测试（渗透系数是核心参数）。、运动规律（符合达西定律）、测试（渗透系数是核心参数）。l地热：地热：促使岩体风化及力学性质蜕化、引起岩体发生热应力变化。促使岩体风化及力学性质蜕化、引起岩体发生热应力变化。岩体的结构岩体的结构结构面结构面l软弱夹层软弱夹层l层间滑动面层间滑动面l结构面等级划分为四个等级：结构面等级划分为四个等级：（I I级延长至几公级延长至几公里到几十公里；里到几十公里；IIII级一般为几公里；级一般为几公里；IIIIII级延长至几米到几级延长至几米到几十米，内无破碎带；十米，内无破碎带；IVIV级为断续小节理、隐节理等，属硬级为断续小节理、隐节理等，属
7、硬性结构面，容易形成应力集中）性结构面，容易形成应力集中）结构体结构体l板状板状l柱状柱状l四面体四面体l六面体状结构体六面体状结构体 岩体结构类型岩体结构类型l整体块状结构整体块状结构l层状结构：层状结构：结构间距结构间距30503050厘米，薄层结构小于厘米，薄层结构小于3030厘米厘米l碎裂结构：碎裂结构：镶嵌结构、层状碎裂结构和碎裂结构镶嵌结构、层状碎裂结构和碎裂结构l散体结构：散体结构：断层破碎带、强风化破碎带断层破碎带、强风化破碎带岩体地质模型岩体地质模型l水平层状岩体水平层状岩体l倾斜层状岩体：倾角倾斜层状岩体：倾角585585度之间度之间l直立层状岩体：大于直立层状岩体：大于8
8、585度度l弯曲层状岩体：褶皱变形所致弯曲层状岩体：褶皱变形所致l完整岩体完整岩体l块状岩体块状岩体l碎裂岩体碎裂岩体岩石的力学行为特性岩石的力学行为特性岩石的变形性质及破坏形式岩石的变形性质及破坏形式l岩石变形性质：弹性变形、塑性变形、岩石变形性质：弹性变形、塑性变形、粘性变形粘性变形l岩石破坏形式：脆性破坏、延性破坏岩石破坏形式：脆性破坏、延性破坏岩石的变形性质及破坏形式岩石的变形性质及破坏形式岩石抗压强度岩石抗压强度岩石抗拉强度岩石抗拉强度岩石抗剪强度岩石抗剪强度岩石在单轴压力下的变形特征岩石在单轴压力下的变形特征岩石在单轴拉力下的变形特征岩石在单轴拉力下的变形特征岩石在三轴应力下的变形
9、和强度岩石在三轴应力下的变形和强度l岩石在等围压下的变形与强度岩石在等围压下的变形与强度l岩石在三轴不等压力下的变形与强度岩石在三轴不等压力下的变形与强度l应力途径对岩石变形和强度的影响应力途径对岩石变形和强度的影响l温度对岩石变形和强度的影响温度对岩石变形和强度的影响岩石变形时间效应岩石变形时间效应 岩体变形及强度岩体变形及强度岩体破坏形式岩体破坏形式l挠曲挠曲l剪切剪切l拉伸拉伸l压缩压缩 岩体变形特征岩体变形特征l挠曲挠曲l岩体变形曲线及变形指标：塑性变形与总变形之比等岩体变形曲线及变形指标：塑性变形与总变形之比等l岩体变形曲线类型：直线型、上凹型、下凹型、复合型岩体变形曲线类型：直线型
10、、上凹型、下凹型、复合型l岩体变形结构效应：产状效应、性质效应、密度效应、组合效应岩体变形结构效应：产状效应、性质效应、密度效应、组合效应l岩体变形时间效应及变形本构方程岩体变形时间效应及变形本构方程 结构面力学性质结构面力学性质l结构面力学性质基本特点结构面力学性质基本特点l平直光滑无充填物硬性结构面平直光滑无充填物硬性结构面l起伏粗糙无充填物硬性结构面起伏粗糙无充填物硬性结构面l断续结构面断续结构面l具有充填物软弱结构面具有充填物软弱结构面岩体强度岩体强度l均质岩体强度均质岩体强度l非均质岩体强度非均质岩体强度l结构面产状强度效应结构面产状强度效应l结构面密度强度效应结构面密度强度效应l试件尺寸强度效应试件尺寸强度效应l环境围压强度效应环境围压强度效应l孔隙水压强度效应：孔隙水压强度效应：岩体强度理论岩体强度理论强度理论（破坏准则）：岩石破坏时的应强度理论（破坏准则）：岩石破坏时的应力状态所满足的关系。力状态所满足的关系。Mohr-CoulombMohr-Coulomb强度理论：强度理论：Drucker-PragerDrucker-Prager强度理论：强度理论：GriffithGriffith强度理论：强度理论：HoekHoek-Brown-Brown经验准则：经验准则：