岩石力学---第八章 岩体力学新进展

岩⽯⼒学重点提⽰3第⼋章岩体⼒学在边坡⼯程中的应⽤（⼀）岩质边坡的应⼒分布特征由有限元法分析的结果知，形成边坡后，岩体中的应⼒有如下变化特性：1.由于应⼒重新分布，边坡周围的主应⼒迹线发⽣明显偏转，其总的特征为愈靠近临空⾯，最⼤主应⼒（1σ）愈接近平⾏临空⾯。

2.坡脚附近最⼤主应⼒（相当于临空⾯的切向应⼒）显著增⾼，且愈近表⾯愈⾼；最⼩主应⼒则显著降低，于表⾯处降为零，甚⾄转为拉应⼒。

3.坡缘（坡⾯与坡顶的交线）附近，在⼀定的条件下，坡⾯的径向应⼒和坡顶的切向应⼒可转化为拉应⼒，形成张⼒带。

4.坡体内最⼤剪应⼒迹线由原来的直线变为近似圆弧形，弧的凹⾯朝向临空⽅向。

5.坡⾯处于单向应⼒状态（不考虑坡⾯⾛向⽅向的2σ）向内渐变为两向（若考虑2σ则是三向）应⼒状态。

另外，应注意到，以上特征只能使⽤于均质各向同性的岩体中，如果边坡内存在⼤的断层或层状岩体，则应⼒分布必有较⼤的差异。

影响应⼒分布的主要因素有：原岩应⼒状态、岩坡形态、岩体的变形特征和结构特征等。

其中，以原岩应⼒状态的影响最为显著。

（⼆）岩质边坡的变形和破坏特征岩质边坡中未出现贯通性破裂⾯之前，坡体的变化特征属变形特征；出现贯通性破裂⾯后的坡体特征属破坏特征。

其发展过程是：坡⾯及附近岩体松动（⼜称松弛张裂）－岩体蠕动－加速蠕动－破坏。

其中，前三步的特征均属变形特征，最后⼀步的特征才是破坏特征。

1.变形特征在边坡形成的初始阶段，由于卸荷作⽤，岩体内的应⼒重新分布，使边坡表⾯及其附近岩体发⽣松动，形成表⾯张开裂隙，包括：回弹裂隙，坡⾯、坡顶张裂带裂隙，坡脚应⼒集中带的张开裂隙。

岩坡发⽣松动后，降低了岩体的强度，在外⼒（主要是⾃重）作⽤下，岩体向⾃由⾯⽅向缓慢变形，称之为岩坡的蠕动。

如果坡体中的应⼒⼩于岩体的长期强度，坡体的蠕动逐渐减速，最后趋于稳定；反之，坡体蠕动加速，最终导致破坏。

2.破坏特征由于边坡的破坏有各种各样的原因，⽽产⽣破坏后的形态和作⽤也极不⼀致，因⽽岩坡破坏形式的分类也是各种各样的。

1.岩体力学的定义：岩体力学主要是研究岩石和岩体力学性能的一门学科。

是探讨岩石和岩体在其周围物理环境（力场、温度场、地下水等）发生变化后，作出响应的一门力学分支。

2.岩石的定义：岩石是矿物或岩屑地质作用下按一定的规律聚集而形成的自然物体。

3.岩体的定义：在岩体力学中，通常将在一定工程范围内的自然地质体称为岩体。

4.结构面的定义：所谓结构面，是指具有极低的或没有抗体强度的不连续面5.岩石的力学特征：1.不连续性.2.各向异性.3.不均匀性.4.赋存地质因子的特性.6.学派：1.地质力学的岩石力学派。

2.工程岩石力学派。

第二章1.岩石的基本物理性质：1.岩石的密度指标。

2.岩石的孔隙性。

3.岩石的水理性质。

4.岩石的抗风化指标。

5.岩石的其他特性。

2.岩石的强度特性：所谓强度，是指材料在荷载作用下，所能承受的最大的单位面积上的力。

通常研究岩石的单轴抗压强度（无侧限压缩强度）、抗拉强度、剪切强度、三轴压缩强度等。

在单向压缩荷载作用下试件的破坏形态：1.圆锥形破坏。

2.柱状劈裂破坏。

3.四种强度特性：1.岩石的单轴抗压强度。

2.岩石的抗拉强度。

3.岩石的抗剪强度。

4.岩石在三向压缩应力作用下的强度。

4.岩石三向压缩强度的影响因素：1.侧向压力的影响。

2.试件尺寸与加载速率的影响。

3.加载路径对岩石三向压缩强度的影响。

4.孔隙压力对岩石三向压缩强度的影响。

5.岩石应力应变全过程曲线（略）6.岩石的流变性包含着三部分的内容：岩石的蠕变、岩石的应力松弛、岩石的长期强度。

7.所谓的蠕变是指岩石在恒定的外力作用下，应变随时间的增长而增长的特性，也称作徐变。

8.典型蠕变曲线（略）。

9.影响岩石蠕变的主要因素：1.应力水平对蠕变的影响。

（不能太大也不能太小，中等应力水平（60%-90%）峰值）2.温度、湿度对蠕变的影响。

10.岩石介质力学模型：1.基本力学介质模型：弹性介质模型、塑性介质模型、粘性介质模型。

2.常用的岩石介质模型：弹塑性介质模型、粘弹性介质模型：马克斯韦尔模型、凯尔文模型。

一、岩石和岩体岩石⑴自然形成的产物；⑵由一种或几种矿物组成的具有一定结构构造的固体集合体。

岩体：地质历史过程中形成的，由岩块和结构面组成的，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。

岩体就是岩石和结构面的统一体。

结构面: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。

（如节理、裂隙、褶皱等结构面。

）二、岩体的特征1、岩体是非均质各向异性的材料。

2、岩体内存在着原始应力场。

3、岩体内存在着一个裂隙系统4岩体既不是理想的弹性体，也不是典型的塑性体，既不是连续介质，又不是松散介质，而是一种特殊的复杂的地质体，这就造成了研究它的困难性和复杂性岩体力学研究的主要对象是岩体，研究岩体在力场作用下，所发生的变形、破坏和移动规律的理论及其实际应用的科学，是一门应用型基础学科。

岩石的强度：岩石抵抗外力作用的能力，岩石破坏时能够承受的最大应力。

a.单向抗压强度b.单向抗拉强度c.剪切强度d.三轴抗压强度岩石的变形：岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变化。

a.单向压缩变形b.反复加载变形c.三轴压缩变形d.剪切变形岩石单轴抗压强度1）定义：岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所能承受的最大压应力称为岩石的单轴抗压强度计算公式：σc=P/A5)水对单轴抗压强度的影响－软化系数：岩石的软化系数：饱和岩石抗压强度σb与干燥岩石抗压强度σc之比η=σb/ σc≤11.2岩石单轴抗拉强度定义：岩石在单轴拉伸荷载作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力称为岩石的单轴抗拉强度。

试件在拉伸荷载作用下的破坏通常是沿其横截面的断裂破坏，岩石的拉伸破坏试验分直接试验和间接试验两类抗剪切强度定义：岩石在剪切荷载作用下达到破坏前所能承受的最大剪应力称为岩石的抗剪切强度剪切强度试验分为非限制性剪切强度试验和限制性剪切强度试验二类。

非限制性剪切试验在剪切面上只有剪应力存在，没有正应力存在；限制性剪切试验在剪切面上除了存在剪应力外，还存在正应力。

岩石力学岩石力学是一门认识和控制岩石系统的力学行为和工程功能的科学。

岩石力学是伴随着采矿、土木、水利、交通等岩石工程的建设和数学、力学等学科的进步而逐步发展形成的一门新兴学科，按其发展进程可划分四个阶段：（1）初始阶段（19 世纪末～20 世纪初）这是岩石力学的萌芽时期，产生了初步理论以解决岩体开挖的力学计算问题。

例如，1912 年海姆（A．Heim）提出了静水压力的理论。

他认为地下岩石处于一种静水压力状态，作用在地下岩石工程上的垂直压力和水平压力相等，均等于单位面积上覆岩层的重量，γH。

朗即金（W．J．M．Rankine）和金尼克也提出了相似的理论，但他们认为只有垂直压力等于γH，而水平压力应为γH 乘一个侧压系数，即λγH。

朗金根据松散理论认为；而金尼克根据弹性理论的泊松效应认为。

其中，λ、υ、φ分别为上覆岩层容重，泊松比和内摩擦角，H 为地下岩石工程所在深度。

由于当时地下岩石工程埋藏深度不大，因而曾一度认为这些理论是正确的。

但随着开挖深度的增加，越来越多的人认识到上述理论是不准确的。

（2）经验理论阶段（20 世纪初～20 世纪30 年代）该阶段出现了根据生产经验提出的地压理论，并开始用材料力学和结构力学的方法分析地下工程的支护问题。

最有代表性的理论就是普罗托吉雅柯诺夫提出的自然平衡拱学说，即普氏理论。

该理论认为，围岩开挖后自然塌落成抛物线拱形，作用在支架上的压力等于冒落拱内岩石的重量，仅是上覆岩石重量的一部分。

于是，确定支护结构上的荷载大小和分布方式成了地下岩石工程支护设计的前提条件。

太沙基（K．Terzahi）也提出相同的理论，只是他认为塌落拱的形状是矩形，而不是抛物线型。

普氏理论是相应于当时的支护型式和施工水平发展起来的。

由于当时的掘进和支护所需的时间较长，支护和围岩不能及时紧密相贴，致使围岩最终往往有一部分破坏、塌落。

但事实上，围岩的塌落并不是形成围岩压力的惟一来源，也不是所有的地下空间都存在塌落拱。