岩体力学复习重点资料

岩体复杂性表现在以下几个方面：

（1）不连续性

（2）非均质性

（3）各向异性

（4）岩体中存在不同于自重应力场的天然应力场

（5）岩体赋存于一定地质环境之中，岩体中的水、温度、应力场，对岩体性质有较大的影响。

第二章：岩石和岩体的地质特征

岩石：矿物，岩屑的集合体。是指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元体。

结构面：是指地质发展过程中，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。

岩体：指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。

岩石风化指标：定性指标：颜色，矿物蚀变程度，破碎程度及开挖锤击技术特征等。定量指标：风化孔隙率指标和波速指标等。

风化系数;

结构面规模：

（1）Ⅰ级指大断层或区域性断层，一般延伸约数公里至数十公里以上，破碎带宽约数米至数十米乃至几百米以上。

（2）Ⅱ级指延伸长而宽度不大的区域性地质界面，百米至千米单位。

（3）Ⅲ级指长度数十米至数百米的断层、区域性节理、延伸较好的层面及层间错动等。

（4）Ⅳ级指延伸较差的节理、层面、次生裂隙、小断层及较发育的片理、劈理面等。是构成岩块的边界面，破坏岩体的完整性，影响岩体的物理力学性质及应力分布状态。(数十厘米-米)

（5）Ⅴ级又称微结构面。常包含在岩块内，主要影响岩块的物理力学性质，控制岩块的力学性质。

结构面线密度和间距：1、线密度(Kd)是指结构面法线方向单位测线长度

上交切结构面的条数(条／m)。

2、间距(d)则是指同一组结构面法线方向上两相邻结构面的平均距离。

RQD:岩体质量指标RQD：是长度大于10cm的岩心累计长度与回次进尺的比值。

RQD与方向有关，按地质分层计算RQD值大于20厘米为长柱状；10—20厘米为短柱状；小于1厘米为扁柱状；大于5厘米为块状；2---5厘米为碎块状；小于2厘米为碎屑状、粉末状。

岩体5种结构类型：1.整体状结构 2.块状结构 3.层状结构 4.碎裂状结构 5.散体状结构

岩体工程分类的目的：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提供参数和依据。

岩体完整性系数Kv：

第3章：岩石的物理水理热血性质

岩石的空隙性:一般来说，空隙率愈大，岩块的强度愈小、塑性变形和渗透性愈大，反之强度愈大，塑性变形和渗透性愈小。岩石的空隙性指标一般不能实测，只能通过

密度与吸水性等指标换算求得。

饱水系数:岩石的吸水率(Wa)与饱和吸水率(Wp)之比，称为饱水系数。它反映了岩石中大、小开空隙的相对比例关系。

软化系数(KR)为岩石试件的饱和抗压强度(σcw)与干抗压强度(σc)的比值

第4章岩块的变形与强度性质

刚度指某种构件或结构抵抗变形的能力，即引起单位变形时所需要的应力。一般是针对构件或结构而言的。它的大小不仅与材料本身的性质有关，而且与构件或结构的截面和形状有关。

单轴压缩条件下的岩块变形全过程曲线：

1、变形阶段

•空隙压密阶段(OA)

•弹性变形阶段(AB)

B点:弹性极限•微破裂稳定发展阶段(BC)

C点:屈服强度•非稳定破裂发展阶段(CD)（累进性破裂阶段）

D点:峰值强度（单轴抗压强度）

•破坏后阶段(DE)宏观断裂面、沿断裂面滑移、残余强度

变形模量是指单轴压缩条件下，轴向压应力与轴向应变之比。具有各向异性当垂直于层理、片理等微结构面方向加荷时，变形模量最小，而平行微结构面加荷时，其变形模量最大。两者的比值，沉积岩一般为1.08～2.05；变质岩为2.0左右。

三轴压缩成果：①不同围压σ3下的三轴压缩强度σ1m。②强度包络线及剪切强度参数c，φ值。③应力差(σ1-σ3)-轴向应变(ε)曲线和变形模量。

围压对变形破坏的影响

1、岩石破坏前应变随s3增大而增大

2、岩石的峰值强度随s3增大而增大

3、随s3增大岩石变形模量增大，软岩增大明显，致密的硬岩增大不明显

4、随s3增大，岩石的塑性不断增大，随s3增大到一定值时，岩石由弹脆性转变为塑性。这时，s3的大小称为“转化压力” 。

5、随s3的增大，岩块从脆性劈裂破坏逐渐向塑性剪切及塑性流动破坏方式过渡。

流变在外部条件不变的情况下，岩石的变形或应力随时间而变

化的现象叫流变，主要包括蠕变、松弛和弹性后效。

蠕变(creep)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。

1.蠕变曲线特征（三个阶段）

AB段-初始蠕变阶段

BC段-等速蠕变阶段

CD段-加速蠕变阶段

Maxwall 模型：模拟软硬相间岩体，垂直层面加载

Kelvin 模型：模拟软硬相间岩体，平行层面加载

点荷载试验是将试件放在点荷载仪中的球面压头间，加压至试件破坏，利用破坏荷载求

岩块的点荷载强度。

岩石的破坏判据：岩石中任一点的应力、应变增长到某一极限时，该点就要发生破坏，用以表征岩石破坏条件的应力状态与岩石强度参数间的函数关系，称为破坏判据或称强度准则、强度判据

库仑-纳维尔判据评价：①是最简单的强度准则，是莫尔强度理论的一个特例。② 不仅适用于岩石压剪破坏，也适用于结构面压剪破坏。③不适用于受拉破坏。

库仑-纳维尔判据适用于坚硬、较坚硬的脆性岩石产生剪切破坏的情况，而不适用于拉破坏的情况,该判据没有考虑中间主应力σ2的影响

莫尔判据:对莫尔强度理论的评价：

• 优点：①适用于塑性岩石，也适用于脆性岩石的剪切破坏；

• ②较好解释了岩石抗拉强度远远低于抗压强度特征；

• ③解释了三向等拉时破坏，三向等压时不破坏现象；

•

• 不足：①忽视了σ2的作用，误差：±10％；

• ②没有考虑结构面的影响；

• ③不适用于拉断破坏；

• ④不适用于膨胀、蠕变破坏。

格里菲斯判据强度准则评价：

优点：

①岩石抗压强度为抗拉强度的8倍，反映了岩石的真实情况；

②证明了岩石在任何应力状态下都是由于拉伸引起破坏；

③指出微裂隙延展方向最终与最大主应力方向一致。

不足：

①仅适用于脆性岩石，对一般岩石莫尔强度准则适用性远大于

Griffith准则。

②对裂隙被压闭合，抗剪强度增高解释不够。

③Griffith准则是岩石微裂隙扩展的条件，并非宏观破坏。

第5章结构面的变形与强度性质

法向刚度Ｋn（normal stiffness）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σn- DVｊ曲线上一点的切线斜率。

剪切刚度KS（shear stiffness）

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τ-Du曲线上任一点的切线斜率。

粗糙起伏无充填的结构面剪切特点：

• ①当σ较小时，上盘岩块上下运动，产生爬坡效应(剪胀)，增

大了τ

• ②当σ较大时，将剪断凸起而运动，也增大了τ（啃断效应）

粗糙起伏无充填结构面在干燥状态下的摩擦角一般为40°～

48°，粘聚力在0.1～0.55MPa之间

第6章岩体的力学性质

动弹性模量与静弹性模量的关系

1 岩体与岩块的动弹性模量都普遍大于静弹性模量

2坚硬完整岩体Ed/Eme约为1.2～2.0

3 风化、裂隙发育的岩体和软弱岩体Ed/Eme约为

1.5～10.0左右，大者可超过20.0

n 原因：

①静力法采用的最大应力大部分在1.0 ～

10.0MPa，少数则更大，变形量常以mm计，而动

力法的作用应力约为10－4MPa量级，引起的变形

量很微小。因此静力法会测得较大的不可逆变

形，而动力法则测不到这种变形。

②静力法持续的时间较长。

③静力法扰动了岩体的天然结构和应力状态。

第7章岩体中的天然应力

天然应力(地应力、初始应力initial stress等）人类工程活动之前存在于岩体中的应力。

重分布应力（二次分布应力、附加应力等）由于工程活动改变了的岩体中的应力。

铅直应力(1)上覆岩体自重sV » 2.7gh    ( 2)sV多为压应力   (3)sV多为最小主应力，少数为中间主应力与最大主应力

水平应力1岩体中天然应力常以水平应力为主，即>，特别是max> ,据统计资料： sh/sv≈0.8-3.0 ，说明岩体中水平天然应力主要受地区现代构造应力场的控制;

2 水平应力具有强烈的各向异性，即sh1≠

sh2 ，我国华北shmin/ shmax≈0.2-0.8，华南shmin/ shmax≈0.3-0.75 。原因：a.岩体各向异性;b.构造运动的方向性;

3水平天然应力以压应力为主，仅在一些裂谷区、地堑区出现拉应力

天然应力比值系数 与深度z 的关系定义：天然水平应力与铅直应力的比值为天然应力比值系数(l)，它随深度增加而减小。绝大多数情况下 为1.5～10.6范围内。

高天然应力

标志

–开挖洞室时，常产生岩爆、剥离；

–收敛变形大，使开挖断面变小；

–软弱夹层内的物质被挤出，节理闭合；

–饼状岩心；

–水下开挖无水渗出。

岩体自重应力的特点：

（1）水平应力σx、σy小于垂直应力σz ；

（2）σx、σy、σz均为压应力；

（3）σz只与岩体密度和深度有关，而σx、σy还同时与岩体弹性常数E、μ有关；

（4）结构面影响岩体自重应力分布。

水压致裂法

优点：

1、能测量深部岩体应（5000m）；

2、可以使用各种尺寸的勘探钻孔，在勘探阶段便可测定；

3、不须对钻孔进行应力解除，不须精密的仪器；

4、不需要岩体弹性参数。

缺点

1、假定钻孔方向为主应力方法，因此，实测的三维主应力

是近似的。

2、设备笨重，钻孔封隔加压技术较复杂；

第8章地下硐室围岩稳定性分析

围岩压力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)。

围岩抗力在有压洞室中，作用有很高的内水压力，并通过衬砌或洞壁传递给围岩，这时围岩将产生一个反力，称为围岩抗力。

围岩把重分布应力影响范围内的岩体称为围岩。

计算圆形硐室洞壁上重分布应力

围岩内重分布应力与θ角无关，

仅与R0和σ0有关

（1）由于τrθ=0，则σr，σθ均为主应力，且σθ恒为最大主应力，σr恒为最小主应力

（2）当r ＝ R0(洞壁)时，σr=0 ，σθ=2σ0，可知洞壁上的应力差最大，且处于单向受力状态，说明洞壁最易发生破坏

（3）r增大，σr增大，σθ减小，都渐趋于σ0值。

（4）在理论上，σr，σθ要在r→∞处才达到σ0值，但实际上σr，σθ趋近于σ0的速度很快，当r=6R0时，σr和σθ与σ0接近。

（5）一般认为，地下洞室开挖引起的围岩分布应力范围为6R0。

洞壁两侧不出现拉应力的条件：

当λ＜1/3时，洞顶底将出现拉应力

当1/3＜λ＜3时，σθ全为压应力且分布较均匀

当λ＞3时，洞壁两侧出现拉应力，洞顶底出现较高的压应力集中

软弱结构面对围岩重分布应力的影响

1)围岩中有一条垂直于σv、沿水平直径与洞壁相交的软弱结构面n对于θ＝0，沿水平直方向上所有的点τrθ均为0。因此，沿结构面各点的σθ和σr均为主应力，结构面上无剪应

力作用。所以不会沿结构面产生滑动，结构面存在对围岩重分布应力的弹性分析无影响。

2)围岩中存在一平行于σv、沿铅直方向直径与洞壁相交的软弱结构面

1结构面上无剪应力作用τrθ=0 ，不会因结构面存在而改变围岩中弹性应力分布情况。

2 当λ＜1/3时，在洞顶底将产生拉应力，结构面将被拉开，并在顶底形成一个椭圆形应力降低区。

3椭圆短轴与洞室水平直径一致，为2R0，长轴平行于结构面，为2R0＋2Δh

内水压力引起的附加应力值

1内水压力使围岩产生负的环向应力，即拉应力。当这个环向应力很大时，则常使围岩产生放射状裂隙。

2内水压力使围岩产生附加应力的影响范围大致也为6倍洞半径。

围岩压力有那三种：

1、形变围岩压力

2、松动围岩压力

3、松动围岩压力

松动围岩压力可采用松散体极限平衡或块体极限平衡理论进行分析计算。

平衡拱理论按普氏地压理论计算的竖向压力，对于软土质地层偏小，对于硬土质

和坚硬质地层则偏大。一般在松散，破碎围岩中较为适用。普氏平衡拱理论适用于深埋洞室。

太沙基理论对于软弱破碎岩体或土体，在巷道浅埋的情况下，可以采用太沙基理论计算围岩压力。

岩爆高天然应力的弹脆性岩体------地下开挖工程--开挖卸荷及特殊的地质构造作用--周边岩体中应力高度集中，积聚于较高的弹性应变能--当开挖体围岩中应力超过岩体的容许极限状态

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。

围岩压力与塑性圈半径的关系

第9章边坡岩体稳定性分析

稳定性系数则是反映滑动面上抗滑力与滑动力的比例关系，用以说明边坡岩体的稳定程度。

安全系数，允许的稳定性系数值，安全系数的大小是根据各种影响因素人为规定的。

影响岩体边坡变形破坏的因素

岩性，岩体结构，水的作用，风化作用，地震，天然应力，地形地貌及人为因素等

边坡与岩层走向关系分类

1）顺向边坡：岩层倾向与坡面倾向一致或岩层走向与边坡走向夹角小于15°。

2）斜向边坡：岩层走向与边坡走向夹角15°～30°。

3）横向边坡：岩层走向与边坡走向夹角30°～90°

4）反向边坡：岩层倾向与坡面倾向相反。

赤平投影稳定性判别方法：

一组软弱面控制

基本稳定-欠稳 稳定或基本稳定 

稳定或基本稳定-不稳定      稳定

由两组软弱面控制1以上三种的稳定需要计算

由两组软弱面控制2

    基本稳定            稳定

单平面滑动

1、仅有重力作用时

滑动面上的抗滑力

Fs=Gcosβtgφj+CjL

滑动力

Fr＝Gsinβ

稳定性系数

有水压力作用与地震作用

边坡岩层曲折分析及计算

要点当边坡坡面有顺向的岩层分布，而且岩层厚度不大时，如果沿着岩层有垂直节理切割，也就是使岩层成为长细柱体结构沿着坡面分布，在沿坡面倾向的重力分量作用下，导致岩层弯曲破坏。一般情况下，发生岩层曲折时，岩层的倾向与倾角皆与边坡的表面相同。