岩体力学

三轴压缩条件下的破坏形式:脆性劈裂、剪切、塑性流动 流变： 在外部条件不变的情况下， 岩石的变形或应力随时间的变化而变化的现象。 流变包括：蠕变、松弛和弹性后效。 蠕变曲线 三个阶段：初始蠕变阶段；等速蠕变阶段；加速蠕变阶段
蠕变性质的影响因素：岩性；应力；温度、湿度 弹性原件：由一个弹簧组成。 粘性原件：由一个带孔活塞和充满粘性液体的圆筒组成，又称阻尼器。 塑性原件：由摩擦片组成。 Maxwall 模型（M 体或应力松弛模型） ： 由一个弹性元件和粘性元件串联组成 用以模拟软硬相间的层状岩体垂直层面加荷时的本构规律
按洞壁受压情况分：有压洞室、无压洞室 按断面形状分：圆形、矩形、城门洞形、椭圆形 按与水平面关系分：水平洞室、斜洞、垂直洞室（井） 按介质类型分：岩石洞室、土洞 按应力情况分：单式洞室、群洞 重分布应力： 地下开挖扰动后在围岩中形成的新的应力。 重分布应力与围岩性质、 洞形、洞室受外力状态有关。 围岩应力重分布作用：地下洞室开挖后围岩中原有应力大小、方向和性质改变的 作用。 应力集中系数： 地下洞室开挖后洞壁上一点的应力与开挖前洞壁处该点天然应力 的比值。 塑性松动圈的出现，使圈内一定范围内的应力因释放而明显降低，而最大应力集 中由原来的洞壁移至塑、弹圈交界处，使弹性区的应力明显升高。
σ 1 = σ 3 + mσ cσ 3 + Sσ c2
令σ 令σ
3
=0 =0
可得岩体的单轴抗压强 度： 可得岩体的单轴抗拉强 度：
2 (τ −
σ mc = S σ
1
σ mt =
σ c (m − m 2 + 4 S )
σ τ = Aσ c ( − T ) B σc
岩体的剪切强度 )
岩体中的弹性波的传播 传播规律： 一般地，岩体愈致密坚硬，波速愈大，反之，愈小； 弹性波穿过结构面时，波动能量消耗； 产生能量弥散现象； 岩体中弹性波速的测定：声波法、地震法 岩体水力学性质：指岩体与水共同作用所表现出来的力学性质。包括两个方面： 1.水对岩石物理化学作用——软化系数； 2.水与岩体相互耦合作用下的力学效应，包括空隙水压力与渗流动水压力等的 力学效应。 第七章 地应力（或天然应力） ：人类工程之前存在于岩体中的应力。 岩体中铅直天然应力；岩体中水平天然应力 1.水平天然应力以压应力为主，仅在局部出现拉应力； 2.大部分岩体中的水平应力大于铅直应力； 3. 岩体中的两个水平应力σmax 和σmin 通常不相等； 4.在单薄岩体、谷坡附近及未受构造变动的岩体中，水平应力小于铅直应力。 λ表示天然应力比值系数，一般在 1.5~10.6 之间。 岩体天然应力的量测 一. 水压致裂法 二. 扁千斤顶法 三. 钻孔套心应力解除法 水压致裂法基本方法：将钻孔中的一段加以封闭，向其中注入压力水，使孔壁破 裂，通过控制压力求得岩体应力分量。 水压致裂法优点：不需要套心，不受量测深度的限制；不需要使用应变计、应力 计或变形计； 套心法基本原理：在钻孔中安装变形或应变量测元件（位移传感器或应变计） ， 通过量测套心应力解除前后， 钻孔孔径变化或孔底应变变化或孔壁表面应变变化 值来确定天然应力的大小和方向。 套心法基本方法：用一个较测量孔径更大的岩心钻，对测量孔进行同心套钻，把 安装有传感器元件的孔段岩体与周围岩体隔离开来，以解除其天然应力状态。 套心法的种类：钻孔位移法----钻孔变形计(孔径变化) 钻孔应力法——钻孔应力计(变形计压力变化) 钻孔应变法——钻孔应变计(孔底或孔壁壁面的应变变化) 套心法的缺点(了解) 测量深度受套心技术的限制，最大 30m，一般测深 7~12m，在巷道中应大于巷道 宽度的 2~3 倍； 计算结果受岩体弹性参数的精度影响，而精确测定岩体弹性参数一般较困难 第八章 地下洞室(underground cavity)是指人 工开挖或天然存在于岩 土体中作为 各种 用途的构筑物。 地下洞室的分类 按用途分：矿山巷道（井） 、交通隧道、水工隧道、地下厂房（仓库） 、地下军 事工程
格里菲斯强度理论： 格里菲斯强度理论：
第五章 法向刚度（单位：MPa/cm） ：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。 JRC----结构面的粗糙系数（对比法） ；JCS-----结构面岩壁强度（L 型回弹仪） 剪切刚度 Ks：峰值前τ- △u 曲线上任一点的斜率. 强度的影响因素：粗糙系数（JRC） 、壁岩强度（JCS） 、基本摩擦角（φu） 、正 应力（σn） 具有充填物的软弱结构面 这类结构面包括泥化夹层和各种类型的夹泥层， 其形成多与水的作用和各种滑错 作用有关。 结构面的抗剪强度随粘粒含量增加而降低，随粗碎屑含量增多而增大的规律。 第六章 岩体变形试验 静力法：承压板法；钻孔变形法；水压洞室法；单（双）轴压缩法 动力法：声波法；地震波法 岩体变形曲线类型及其特征 法向变形曲线（p-W 曲线）1.直线型 2.上凹型 3.上凸型 4.复合型 剪切变形曲线（τ-u 曲线） 1.沿软弱结构面剪切 2.沿粗糙结构面、软弱岩体及剧烈风化岩体剪切 3.剪断坚硬岩体 岩体强度：岩体抵抗外力破坏的能力 岩体的抗剪强度：岩体内任一方向剪切面，在法向应力作用下所能抵抗的最大剪 应力，称为岩体的抗剪强度。 HoekHoek-Brown 经验方程
冲击围岩压力：是由岩爆形成的一种特殊围岩压力。 岩爆的产生条件 1)围岩应力条件 2)岩性条件 影响岩爆的因素 1)地质构造 1)地质构造 1.实践表明，岩爆大都发生在褶皱构造中。 2.岩爆与断层、节理构造也有密切的关系。调查表明，当掌子面与断裂或节理走 向平行时，将触发岩爆。 3.岩体中节理密度和张开度对岩爆也有明显的影响。据南非金矿观测表明，节理 间距小于 40cm，且张开的岩体中，一般不发生岩爆。掌子面岩体中有大量岩脉 穿插时，也将发生岩爆。 2)洞室埋深 2)洞室埋深 随着洞室埋深增加，岩爆次数增多，强度也增大。 围岩抗力：或称弹性抗力，洞室由于存在很高的内水压力作用，迫使衬砌向围岩 方向变形，围岩被迫后退时，将产生一个反力来阻止衬砌的变形。围岩对衬砌的 反力称为围岩抗力，或称弹性抗力。 围岩极限承载力：是表征围岩承担内水压力能力的指标。它主要与围岩的强度性 质及天然应力状态有关。 第九章 天然斜坡(简称斜坡） ：是指自然地质作用形成未经人工改造的斜坡。 人工边坡(简称边坡） ：是指经人工开挖或改造形成的斜坡。 影响边坡应力分布的因素 (1)天然应力 水平天然应力使坡体应力重分布作用加剧。 (2)坡形、坡高、坡角及坡底宽度 (3)岩体性质 (4)结构面 边坡岩体变形的基本类型 1、卸荷回弹 2、蠕变变形 边坡破坏的基本类型
塑性：物体受外力作用产生全部变形，而去除外力后不能完全恢复原状的性质。 粘性：物体受力后不能瞬时完成，且 应变速率随应力的增加而增加的性质。 脆性：物体受力后，变形很小时就发生破裂的性质。 延性：物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力的性质。 单轴压缩条件下岩块的变形性质 第一阶段：压密阶段；第二阶段：弹性变形阶段； 第三阶段：塑性变形阶段； 第四阶段：破坏后阶段。
地下开挖后自由变形空间松胀变形等变形现象； 如果这种变形超过了围岩本身所能承受的能力，则围岩就要发生破坏：坍塌、滑 动或岩爆等现象。 围岩变形破坏形式取决于围岩应力状态、岩体结构及洞室断面形状等因素 岩爆：是高地应力地区，由于洞壁围岩中应力高度集中，使围岩产生突发性变形 破坏的现象。 块体滑移： 是以结构面切割而成的不稳定块体滑出的形式出现。其破坏规模与形 块体滑移： 态受结构面的分布、组合形式及其与开挖面的相对关系控制。 层状岩体围岩：变形破坏主要受岩层产状及岩层组合等控制，破坏形式主要有： 沿层面张裂、折断塌落、弯曲内鼓等。 碎裂状岩体围岩变形破坏形式常表现为塌方和滑动。 散体状岩体围岩：围岩结构均匀时，以拱顶冒落为主。当围岩结构不均匀或松动 岩体仅构成局部围岩时，常表现为局部塌方、塑性挤入及滑动等变形破坏形式。 围岩压力(peripheral rock pressure)：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。 按围岩压力的形成机理，划分为：形变围岩压力;松动围岩压力;冲击围岩压力。 形变围岩压力：是由于围岩塑性变形如塑性挤入、膨胀内鼓、弯折内鼓等形成的 挤压力。 松动围岩压力：是由于围岩拉裂塌落、块体滑移及重力坍塌等破坏引起的压力， 这是一种有限范围内脱落岩体重力施加于支护衬砌上的压力。 松动围岩压力：是指松动塌落岩体重量所引起的作用在支护衬砌上的压力。
变形模量：指单轴压缩条件下，轴向压应力与轴向应=
σ 2 − σ1 ε 2 − ε1
Es =
σ 50 ε 50
µ=
εd −εL
峰值后岩块的变形特征
Ⅰ型———稳定破裂传播型 ——只有外力持续对试件做功才能进一步破坏 Ⅱ型———非稳定破裂传播型 ——试件本身所储存的能量是破裂继续扩展，出现非可控性变形破坏。 疲劳破坏：在循环荷载下，岩石会在比峰值应力低的应力水平下破坏。 疲劳强度：使岩石发生疲劳破坏时循环荷载的应力水平。
Kelvin 模型（K 体或延迟模型） ： 由一个弹性元件和粘性元件并联组成 用以模拟软硬相间的层状岩体平行层面加荷时的本构规律
根据岩石破坏时的应力类型，破坏类型包括：拉破；剪切破坏；流动破坏 岩石强度：岩石抵抗外力破坏的能力。 单轴抗压强度（Rc） ： 在单轴压缩条件下，岩石能承受的最大压应力。
试件破坏后的形态：圆锥形破坏；柱状劈裂破坏 端面效应：端面条件对岩石强度的影响 温度和湿度： 随往温度的升高，岩石的脆性降低，粘性增强，岩块强度降低。 水对岩石强度的降低取决于岩石的空隙性、矿物的亲水性、吸水性和水的物理化 学特征等因素。 三轴压缩强度：试件在三向压力作用下能抵抗的最大轴向应力，称为三轴压缩强 度。 单轴抗拉强度：试件在单向拉伸时能承受的最大拉应力。 剪切强度：在剪切荷载下，岩块抵抗剪切破坏的的最大剪应力。 抗剪断强度：指试件在一定法向应力作用下，沿着预定的剪切面剪断的最大剪应 力。反映了岩块的内聚力和内摩擦阻力。 抗切强度： 指当试件上的法向应力为零时， 沿着预定剪切面剪断时的最大剪应力。 取决于内聚力。 摩擦强度：指试件在一定法向应力作用下，沿已有破裂面再次剪切破坏时的最大 剪应力。 岩石的强度理论 莫尔强度理论的基本思想：物体是在正应力和剪应力组合作用下产生破坏的；与 中间主应力无关；莫尔包络线：极限应力圆上破坏点的轨迹线 库伦库伦-莫尔强度理论优点： 莫尔强度理论优点：