下载文档原格式
岩体结构面强度特性及地下水影响肖桃李;艾明;路亚妮【摘要】结构面强度是岩体重要的力学特征之一,它控制着岩体的强度及变形;通过对结构面强度理论的分析和总结,从理论上验证了压应力状态下节理岩体的2种破坏形式,即结构面的剪切破坏和岩石的剪切破坏;考虑地下水的影响,引入有效应力原理,建立了饱和岩体结构面剪切破坏的强度准则.该准则对于深部岩体强度的研究具有重要的理论意义.【期刊名称】《河北大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(033)006【总页数】6页(P572-577)【关键词】岩体结构面;抗剪强度;地下水;强度准则;有效应力原理【作者】肖桃李;艾明;路亚妮【作者单位】长江大学城市建设学院,湖北荆州 434023;武汉理工大学道路桥梁与结构工程重点实验室,湖北武汉430070;长江大学城市建设学院,湖北荆州 434023;武汉理工大学道路桥梁与结构工程重点实验室,湖北武汉430070【正文语种】中文【中图分类】TU45近10年来，随着国民经济的迅猛发展，基本建设的规模日益扩大，基础建设在向空间发展的同时，地下资源的开发和利用也在不断走向深部.越来越多的水利、交通、军事和能源工程都不可避免地建设在含结构面的岩体地区.岩体中包含有从微观、细观到宏观缺陷的各种结构面，大量的研究及实践表明，岩体的失稳与破坏总是伴随着原生结构面的起裂、扩展和贯通，且与原生结构面的裂隙形态、分布形式及地下水因素紧密相关.结构面强度特性的研究是结构面研究领域的重要课题之一，国外Lemaitre［1］、Swoboda［2］和Kyoya［3］等学者把岩体中的结构面看作岩体自身的损伤，用损伤力学的观点、理论和方法获得岩体及结构面的力学特性；国内学者周维恒［4］、李新平［5］等学者亦从损伤断裂角度出发研究结构面岩体取得了丰硕成果；在地下水对结构面岩体影响研究方面，渗流理论与有效应力原理是研究的切入点，国外Witherspoon［6］、Louis［7］和国内朱珍德［8］、翟淑花［9］等学者在这方面进行了深入研究.近几年频发的矿难、围岩塌陷、地质滑坡等灾害性事故，大多与结构面有关，因此，对岩体结构面强度特性进行系统分析与研究具有重要的理论价值及现实指导意义.1 岩体结构面分类岩体结构面的分类方法众多.从工程地质学的角度而言，结构面可以划分为：原生节理、构造节理和次生节理；按地质力学观点，结构面分为：单节理、节理组、节理群、节理带和破坏带；按结构面的充填状态，可以将其划分为：平直无充填的结构面、粗糙起伏无充填的结构面、非贯通断续结构面及有充填的软弱结构面；从地质构造学的角度，结构面又可以分为：压性结构面、张性结构面、扭性结构面、压扭性结构面及张扭性结构面［10］；同时，很多学者在进行结构面的实验研究中，对结构面的众多特性进行了简化，而重点探求某一特性对结构面的影响，结构面也被分为了满足研究需要的多种类型，如光滑结构面、规则齿状结构面、硬性结构面、软弱结构面等.2 结构面的抗剪强度特性2.1 结构面的抗剪强度不同地质构造下的结构面实际上是凹凸不平、不规则的，不连续和起伏性是实际结构面的主要特点.2.1.1 平直光滑无充填结构面限于研究手段及理论落后等原因，在研究岩体结构面时，一些专家和学者把其假设为表面平整、规则，充填物单一的理想结构面.该类结构面的抗剪强度主要以结构面的微咬合和胶结作用为主，同时也与结构面表面的岩性及其平直、光滑度相关.其抗剪强度参照人工磨制面的强度计算，即式中，τ为平直光滑无充填结构面的抗剪强度；σ为结构面的法向应力；φj，cj分别为结构面摩擦角与黏聚力.对于光滑面的岩体结构面，日本学者吉中龙之庆和Barton等人的研究表明，湿润时的峰值抗剪强度比干燥时大且发生了剧烈的黏滑；1995年，贺建明选取泥岩和灰岩为岩样，用80＃金刚砂对岩样表面进行打磨制作成光滑的结构面，研究结果则正好与日本学者的结论相反［11］.2.1.2 规则齿形结构面1966年，Patton［12］引入结构面起伏角i来描述结构面的表面形态，并假设结构面沿齿面滑动时的黏聚力Cb为0，当法向应力较低时，Patton推导出的抗剪强度表达式为式中，φb为齿形结构面的摩擦角；σT为齿形剪断时的临界应力值.当法向应力较高，且超过齿形剪断时的临界应力时，外力所做的功超过剪断齿形所需的功，结构面齿形凸起部分被剪断，此时的结构面抗剪强度可表示为式中，φ为岩体结构面表面的内摩擦角，c为岩体结构面表面的黏聚力.在Patton等人的研究基础上，孙广忠［13］对规则齿形结构面进行了更加深入的研究，把有起伏度的结构面细分为台阶型、锯齿型和波浪型，详细研究了各种结构面的抗剪强度特性及理论推导，获得了较丰富的成果.在规则齿形结构面抗剪性能研究方面，同济大学的沈明荣［14－15］教授进行了比较深入的研究工作，认为规则齿形结构面的抗剪强度参数与爬坡角关系密切，并通过模型实验方法验证了随着爬坡角增加，结构面抗剪强度参数亦逐渐增大.同时，文献［14－15］采用规则齿形结构面的水泥砂浆试件，在不同应力状态下进行常规剪切实验和卸载剪切实验研究，总结出规则齿形结构面的抗剪强度公式：式中，β为结构面的爬坡角；φj0为结构面的基本内摩擦角；kβ，kβ′分别为加载和卸载时结构面的综合内摩擦角修正系数；kc，kc′分别为加载和卸载时结构面的综合黏聚力修正系数.2.1.3 不规则起伏结构面与理想中的规则齿形结构面相反，工程岩体中绝大部分结构面的起伏形态是不规则的，不仅起伏角度和高度不易量测，而且起伏形态也无规律性，该种结构面的特点以随机而离散分布为主.Ladanyi和Archambault［16］自1970年开始，通过在岩体中人工制作大量的粗糙结构面开展剪切实验，对结构面从剪胀到剪断全过程进行了全面分析与研究，获得了如下的抗剪强度公式：式中，αs为结构面剪断率，指被剪断的凸起部分的面积与整个剪切面积的比值；n 为剪胀率，指剪切时的垂直位移与水平位移的比值；τr为凸起体岩石的抗剪强度；φu为结构面的基本摩擦角.Barton［17］对8种不同粗糙起伏的结构面进行了实验研究，提出了剪胀角的概念，并用以代替起伏角，剪胀角定义为剪切时剪切位移的轨迹线与水平线的夹角.Barton通过对大量的实验资料的统计发现，结构面的峰值剪胀角不仅与凸起高度有关，而且与作用于结构面的方向应力σ、结构面的抗剪强度τ及壁岩强度JCS 之间也存在良好的统计关系，在此基础上，Barton推导出结构面抗剪强度公式式中，JRC表示粗糙度系数；JCS表示结构面抗压强度；φu为结构面的基本摩擦角.张林洪［18］通过对岩体进行回弹实验，使用摄影测量方法进行结构面粗糙度测量，建立了一套用回弹试验、摄影测量及由实验结果建立的公式确定结构面抗剪强度的方法：式中，N为结构面面壁上的回弹值；SF为面壁的形貌参数；Rn为结构面面壁单轴抗压强度平均值.2008年，童志怡，陈从新等［19］尝试引入摩擦学中的黏着磨擦理论对结构面的摩擦过程进行分析，根据结构面剪切过程中实际接触面积的变化规律，建立了结构面抗剪强度选取的新方法：式中，Ar为直剪过程中结构面的实际接触面积；s为实际剪切位移量.2.2 结构面的强度准则大量研究表明，均质岩体内岩体破坏面与主应力面总是成一定的角度关系.当剪切受力时，破裂面总是与大主应力面法线方向成α＝45°＋φ／2夹角；当受拉伸应力时，破裂面就是主应力面.而一旦岩体中存在软弱结构面，剪切受力时，其破裂面可能是α＝45°＋φ／2的面，但绝大多数情况下，破裂面就是软弱结构面，即破裂面与主应力的夹角就是软弱结构面与主应力的夹角.图1为含结构面岩体受力图，σ1、σ3为岩体所处的应力状态，结构面方向与σ1面的夹角为β.根据该处岩体的应力状态绘制的应力圆和强度包络线如图2所示，图2中CD为岩体的强度包络线（c和φ分别为岩体的黏聚力和内摩擦角），AB为软弱结构面的强度包络线（cj和φj分别为结构面的黏聚力和内摩擦角），M点为软弱结构面的应力状态点，根据莫尔－库伦准则，如果M点位于AB之间，说明岩体结构面剪切应力大于结构面的抗剪强度，结构面以滑动破坏为主；如果M位于AB下方，说明岩体结构面的剪应力小于结构面的抗剪强度，结构面是稳定的.因此，岩体是否沿结构面滑动破坏的判定条件与角度β1和β2相关.图1 受力的岩体单元Fig.1 Rockmass unit under loads图2 结构面的应力状态Fig.2 Stress condition of structural surface设则式（10），（11）给出了角度β1和β2的计算式，如前分析，当结构面倾角β1＜β＜β2，岩体破坏特征为沿结构面的剪切破坏；当β＜β1或β＜β2时，则岩体的破坏特征与结构面的存在无关，属于岩体自身的剪切破坏；当β等于β1或β2，岩体的破坏介于沿结构面破坏或岩体自身破坏的临界状态.3 地下水对结构面强度的影响水对岩体的影响主要包括2个方面：一是水对岩石的软化作用，水的存在使得岩体的力学性能降低，黏聚力和内摩擦角减小；二是水与岩体相互耦合作用下的力学效应，一旦饱和岩石在荷载作用下不易排水或不能排水，则岩体孔隙或裂隙中产生孔隙水压力（图3），相应的岩石颗粒所承受的压力减小，强度降低.根据莫尔－库仑准则，则有图3 理想结构面饱水受力Fig.3 Stress condition of saturated ideal structuralsurface图4 含水结构面与岩体接触关系Fig.4 Contact retation between rockmass and structural surface of water－bearing式中，τn为岩体的抗剪强度；c为岩体的凝聚力；φ为岩体的内摩擦角；σ为结构面上覆岩体作用在结构面上的正应力；p为结构面上的孔隙水压力；σe为作用在结构面上的有效应力.式（3）表明，岩体中结构面由于孔隙水的存在，使有结构面受到的有效应力σe 降低，岩体产生剪切破坏的极限应力τn也降低，因此，岩体沿结构面的剪切滑动破坏更容易发生.图3为理想结构面的饱水受力状态，结构面上下岩体为光滑面，但自然界中的岩体结构面往往是随机而无规律可循的，因此，结构面中孔隙水压的作用仅产生于接触面孔洞部位（图4）.事实上，结构面与岩壁的接触面由于孔隙水压力和裂隙水化的双重作用，其力学性质与理想的塑性变形相当［14］，因此式中，A0为结构面上、下表面岩体的实际接触面积；σ0为岩体塑性屈服应力；W为结构面上覆岩体的重量；p为结构面内孔隙水压力；A为结构面表面积.变换（13）可得假设结构面与岩体之间的有效接触为弹性接触，其有效接触面积为A0，则作用在结构面上的有效应力σe为令λ＝A0／A，则将式（16）代入式（12），得式（17）即为考虑岩体结构面中孔隙水压和水化双重作用影响后的岩体破坏的莫尔－库仑破裂准则.假设结构面与岩体的夹角为θ，则倾斜结构面在自重应力作用下滑动的临界角满足方程将式（17）代入式（19），得上式可以看出，λ越小，表明结构面与岩体的有效接触面积A0越小，则θ越小，说明岩体滑动所需的临界角就越小；对于孔隙水压力p而言，有效应力减小，则有效接触面积A0减小，因此当结构面中存在孔隙水压力时，结构面与岩体的夹角即使较小，也较容易发生剪切滑动破坏.因此，工程岩体中赋存的地下水能加速岩体沿结构面的剪切滑移破坏.4 结论通过对岩体结构面强度理论的分析与总结，可以得出以下结论：1）压应力状态下的节理岩体的破坏分为2种情况，一种是岩体沿着结构面的剪切滑移破坏，另一种是岩体自身的剪切破坏，岩体的破坏形式判断可以用结构面的倾角表示，当β1＜β＜β2时，岩体沿结构面剪切破坏，当β＜β1或β＞β2时，则岩体的破坏是岩石的剪切破坏；2）岩体结构面内充填的地下水能够承担及传递压力，因此地下水对岩体结构面强度具有弱化作用；当岩体沿结构面剪切破坏时，地下水的作用能加速剪切破坏的发生.参考文献：［1] LEMAITRE J.How to use damage mechanics［J］.Nuclear Engineeringand Design.1984，80：233－245.［2] SWOBODA H，YANG Q.Damage propagation model and its application to rock engineering problem［A］.In：Int Cong Rock mechanics proceeding［C］.Tokyo：［s.n.］，1995：159－163.［3] KAWAMOTO T，ICHILAWA Y，KYOYA T.Deformation and fracturing behavior of discontinuous rock mass and damage mechanics theory ［J］.Int J Num Analy Geo，1998，12：1－30.［4] 周维恒，杨若琼，吴澎.节理岩体的损伤力学模型［M］.中国岩石力学与工程学会教育工作委员会.岩石力学新进展.沈阳：东北工学院出版社，1989.［5] 李新平，朱维申.多裂隙岩体的损伤断裂分析与工程应用［J］.岩体工程学报，1992，14（4）：1－7.LI Xinping，ZHU Weishen.The damage－fracture analysis of jointed rock mass and its application in engineering［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1992，14（4）：1－7. ［6] WITHERSPOON A.New approaches of fluid flow in fractured rock masses［J］.Proc US Symp Rock Mech，1981，22：1－20.［7] WALSH C B.Effect of pore pressure and confining pressure on fracture permeability［J］.Int J Rock Mech and Min Sci，1981，18：429－435. ［8] 朱珍德，郭海庆.裂隙岩体水力学基础［M］.北京：科学出版社，2007. ［9] 翟淑花，李文秀，高谦，等.基于遗传规划的岩石流变模型辨识［J］.河北大学学报：自然科学版，2008，28（6）：578－582.ZHAI Shuhua，LI Wenxiu，GAO Qian，et al.Identification of rheological constitutive model of rock based on genetic programming［J］.Journal of Hebei University：Natural Science Edition，2008，28（6）：578－582.［10] 韩丛发.煤矿生产中常见的结构面及其力学性质鉴定［J］.煤炭技术，2003，22（7）：91－92.HAN Congfa.The familiar parting plane in mine production and the determination of its mechanic property［J］.Coal Technology，2003，22（7）：91－92.［11] 贺建民.对光滑结构面所具特性的一些新认识［J］.力学与实践，1995，17（2）：30－32.HE Jianmin.Some new understanding about the smooth structure surface features［J］.Mechanics in Engineering，1995，17（2）：30－32.［12] PATTON F D.Multiple modes of shear failure in rock［Z］.The Ist Congress of International Society of Rak Mechanics，Lisbon，1966.［13] 孙广忠.岩体结构力学［M］.北京：科学出版社，1988.［14] 张清照，沈明荣，张龙波.结构面在卸载条件下的力学研究［J］.地下空间与工程学报，2009，5（6）：1126－1130.ZHANG Qingzhao，SHEN Mingrong，ZHANG Longbo.Study on the mechanical properties of rock discontinuity under unloading［J］.Chinese Journal of underground Space and Engineering，2009（6）：1126－1130.［15] 沈明荣，张清照.岩体结构面的剪切试验研究［J］.地下空间与工程学报，2010，6（1）：38－43.SHEN Mingrong，ZHANG Qingzhao.Study on shearing test of rock mass discontinuity［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2010，6（1）：38－43.［16] LADANYI B，ARCHAMBULT G.Simulation of shear behavior of ajointed rock mass［C］／／SOMERTON W H.Proc 11th Symp on Rock Mechanics.［s.l.］：1970：105－125.［17] BARTON N R.The shear strength of rock and rock joints［J］.Int J Rock Mech Min Sci＆Geomech Abstr，1976，13：255－279.［18] 张林洪.结构面抗剪强度的一种确定方法［J］.岩石力学与工程学报，2001，20（1）：114－117.ZHANG Linhong.A determination method of joint shear strength［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2001，20（1）：114－117.［19] 温诗铸，黄平.摩擦学原理［M］.2版.北京：清华大学出版社，2002. ［20] 童志怡，陈从新，徐健，等.基于黏着摩擦理论的结构面抗剪强度选取方法［J］.岩土工程学报，2008，30（9）：1367－1371.TONG Zhiyi，CHEN Congxin，XU Jian，et al.Selection of shear strength of structural plane based on adhesion friction theory［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2008，30（9）：1367－1371.。
岩石应力松弛特性研究现状与展望于怀昌;史广诚;刘汉东;赵阳【摘要】介绍了岩石应力松弛与岩石工程长期稳定的相关性,分析了单轴压缩、多轴压缩和剪切应力条件下岩石的应力松弛研究现状,在此基础上,探讨了目前研究中存在的不足之处,提出了岩石应力松弛研究的方向.【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2016(042)036【总页数】3页(P63-65)【关键词】岩石;应力松弛;单轴压缩;多轴压缩【作者】于怀昌;史广诚;刘汉东;赵阳【作者单位】华北水利水电大学资源与环境学院,河南郑州450011;华北水利水电大学资源与环境学院,河南郑州450011;华北水利水电大学资源与环境学院,河南郑州450011;华北水利水电大学资源与环境学院,河南郑州450011【正文语种】中文【中图分类】TU452岩石的蠕变和应力松弛直接与岩石的长期强度以及工程的长期稳定性相关，因此，它们一直是岩石流变力学特性研究的两个重要方面。
恒定应力作用下，变形随时间增大而增大的现象称为蠕变，恒定应变作用下，应力随时间增大而减少的现象称为应力松弛，如图1所示。
工程实践表明，在地下洞室、巷道、边坡工程中应力松弛现象普遍存在，工程往往由于岩石的应力松弛而导致变形、破坏［1］。
因此，对于工程的长期稳定和安全来说，岩石的抗松弛性能同样具有重要的影响作用。
尽管研究人员已认识到研究岩石应力松弛特性的重要性，但由于要求试验仪器能够长时间保持应变恒定，因此，岩石应力松弛试验技术难度较大。
目前，与岩石蠕变试验成果相比，岩石应力松弛试验研究成果还相对较少。
下面分别就单轴、多轴、剪切等不同应力条件下，对国内外开展的岩石应力松弛特性研究现状进行阐述。
1.1 单轴压缩应力松弛特性研究周德培［2］进行了中粒石英砂岩单轴压缩应力松弛试验，分析了岩石的应力松弛特征。
基于试验数据，采用双指数函数经验模型描述了岩石的应力松弛行为。
李永盛［3］分别对大理岩、粉砂岩、红砂岩以及泥岩进行了单轴压缩应力松弛试验，分析了四种岩石的应力松弛规律，得出了存在连续型和阶梯型两种常见岩石应力松弛曲线形态的结论。
岩体力学复习重点名词解释：1、软化性：软化性是指岩石浸水饱和后强度降低的性质;2、软化系数：是指岩石时间的饱和抗压强度于干燥状态下的抗压强度的比值;3、形状效应：在岩石试验中,由于岩石试件形状的不同,得到的岩石强度指标也就有所差异;这种由于形状的不同而影响其强度的现象称为“形状效应”;4、尺寸效应：岩石试件的尺寸愈大,则强度愈低,反之愈高,这一现象称为“尺寸效应”;5、延性度：指岩石在达到破坏前的全应变或永久应变;6、流变性：指在应力不变的情况下,岩石的应变或应力随时间而变化的性质;7、应力松弛：是指当应力不变时,岩石的应力随时间增加而不断减小的现象;8、弹性后效：是指在加荷或卸荷条件下,弹性应变滞后于应力的现象;9、峰值强度:若岩石应力--应变曲线上出现峰值,峰值最高点的应力称为峰值强度.10、扩容:在岩石的单轴压缩试验中,当压力达到一定程度以后,岩石中的破列或微裂纹继续发生和扩展,岩石的体积应变增量有由压缩转为膨胀的力学过程,称之为扩容.11、应变硬化:在屈服点以后在塑性变形区,岩石材料的应力—应变曲线呈上升直线,如果要使之继续变形,需要相应的增加应力,这种现象称之为应变硬化.12、延性流动:是指当应力增大到一定程度后,应力增大很小或保持不变时,应变持续增长而不出现破裂,也即是有屈服而无破裂的延性流动.13、强度准则:表征岩石破坏时的应力状态和岩石强度参数之间的关系,一般可以表示为极限应力状态下的主应力间的关系方程: σ1=fσ2,σ3或τ=fσ.14、结构面: ①指在地质历史发展过程中,岩体内形成的具有一定得延伸方向和长度,厚度相对较小的宏观地质界面或带. ②又称若面或地质界面,是指存在于岩体内部的各种地质界面,包括物质分异面和不连续面,如假整合,不整合,褶皱,断层,层面,节理和片理等.15、原生结构面:在成岩阶段形成的结构面.16、次生结构面:指在地表条件下,由于外力的作用而形成的各种界面.17、结构体:结构面依其本身的产状,彼此组合将岩体切割成形态不一,大小不等以及成分各异的岩石块体,被各种结构面切割而成的岩石块体称为结构体.18、结构效应：岩体中结构的方向性质密度和组合方式对岩体变形的影响;19、剪胀角：岩体结构面在剪切变形过程中所发生的法向位移与切向位移之比的反正切值;20、岩体基本质量：岩体所固有的影响工程掩体稳定性的最基本属性,岩体基本质量由岩石坚硬程度和岩石完整程度决定;21、自稳能力：在不支护条件下,地下工程岩体不产生任何形式的能力;22、地应力：自然状态下在原岩岩体中存在的由于岩石自重和构造应力形成的分布应力,也称天然应力23、原岩应力：在工程中指天然存在于岩体中而与任何认为因素无关的应力;24、残余应力：没有外力作用时在岩体内部由于某种原因在整个岩体内的不均匀的变形而引起的应力25、初始地应力：岩体中存在的未受工程扰动的原始应力状态下的应力26、自重应力：由于岩体自重而产生的天然应力27、构造应力：由于地质构造活动在岩体中引起的应力场,这种应力与一定范围地质构造有关,其主要特点是水平应力大于覆岩垂直应力分量;这一作用可以持续到底层深处;28、应力重分布：岩体受到工程活动扰动,引起岩体中初始应力的转移变化形成的新的应力场状态;29、二次应力：相对于初始应力而言,岩体上或岩体内部受到工程活动扰动,引起初始应力自然平衡状态的改变,使一定范围内的原始应力重分布形成的新的应力为二次应力,或称次生应力,直接与工程稳定性有关;30、岩爆：是地下洞室开挖过程中围岩发生突然脆性破坏的现象;一般在地应力较大部位,岩石被挤压超过其弹性限度,聚集的能量会突然释放出来,伴随有声音、碎石飞散、坠落等现象;31、构造线：指区域性挤压应力所形成的构造形迹,也就是指与产生地质构造运动的压应力方向相垂直的平面和地面的交线;32、围岩：指由于人工开挖使岩体的应力状态发生了变化,而这部分被改变了应力状态的岩体称为围岩;地下工程开挖过程中,在发生应力重分布的那一部分工程岩体称为围岩;33、围岩压力：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;作用在支护物上的围岩的变形挤压力或塌坍岩体的重力称为围岩压力;34、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;35、静水应力状态：在岩石力学中,地下深部岩体在自重作用下,岩体中的水平应力和垂直应力相等的应力状态;36、形变围岩压力：指围岩在二次应力作用下局部进入塑性,缓慢的塑性变形作用在支护上形成的压力,或者是有明显流变性能的围岩的粘弹性或者粘弹—粘塑性变形形成的支护压力;一般发生在塑性或者流变性较显着的地层中;37、松动围岩压力：指因围岩应力重分布引起的或施工开挖引起的松动岩体作用在隧道或坑道井巷等地下工程支护结构上的作用压力;一般是由于破碎的、松散的、分离成块的或被破坏的岩体坍滑运动造成的;38、冲击围岩压力：1是地下洞室开挖过程中,在超过围岩弹性限度的压力作用下,围岩产生内破坏,发生突然脆性破坏并涌向开挖采掘空间的一种动力现象;2强度较高且完整的弹脆性岩体过渡受力后突然发生岩石弹射变形所引起的围岩压力;39、膨胀围岩压力：在遇到水分的条件下围岩常常发生不失去整体性的膨胀变形和位移,表现在顶板下沉、地板隆起和两帮挤出,并在支护结构上形成形变压力的现象;40、应力集中：受力物体或构件在其形状或尺寸突然改变之处引起应力在局部范围内显着增大的现象;41、应力集中系数：指岩体中二次应力与原始应力的比值,也可用井巷开挖后围岩中应力与开挖前应力的比值来表示;42、围岩弹性抗力系数：促使隧洞洞壁围岩产生单位径向位移所需要的内水压力值:K=P/Δα,P：隧洞受到来自隧洞内部的压力,洞壁围岩向外产生一定的位移Δα;43、单位抗力系数：在工程上规定洞径为200cm时隧洞围岩的抗力系数定义为单位抗力系数;44、岩体力学研究方法：工程地质研究法,试验法,数学力学分析法,综合分析法45、岩块：不含显着结构面的岩石块体,是构成岩体的最小岩石单元体;46、岩块构造：岩石内矿物颗粒的大小、形状、排列方式及微结构面发育情况与粒间连结的方式等反映在岩块构成上的特征;47、粒间连结方式：结晶连结、胶结连结硅质胶结的强度>铁质、钙质>泥质；基底式胶结>孔隙式>接触式;48、岩块构造：矿物集合体间及其与其他组分之间的排列组合方式;49、剪胀效应爬坡效应：当法向应力较小时,在剪切过程中,上盘岩体主要是沿结构面产生滑动破坏;50、啃断效应：当法向应力达到一定值后,破坏沿结构面滑动转化为剪断凸起而破坏;51、法向刚度：在法向应力的作用下,结构面产生单位法向变形所需要的应力;填空：1、影响蠕变性质的因素：岩性、应力、温湿度;2、岩石的块体密度可采用规则试件的量积法 ,不规则试件的蜡封法测定;3、岩石的颗粒密度属于实测指标,常用比重瓶法进行测量;4、岩石的弹性变形特性常用弹性模量和泊松比两个常数来表示;当这两个常数为已知时,就可用三维应力条件下的广义胡克定律计算出给定应力状态下的变形;5、岩石的变形性质按卸荷后变形是否可以恢复可分为弹性变形和塑性变形两类;6、岩石的破坏是指岩石材料的应力超过了岩石的极限或者变形超过了岩石的使用限制;7、岩石的力学性质可分为变形性质和强度性质两类,变形性质主要通过本构关系来反映,强度性质主要通过强度理论来反映;8、岩石的流变主要包括蠕变、松弛和弹性后效;9、根据变形速率的不同特点,软弱岩石的典型流变曲线可以划分为瞬时蠕变阶段、初始蠕变阶段、等速蠕变阶段和加速蠕变阶段三个阶段;10、在岩石的流变试验中,可以根据作用在岩石试件上应力或荷载大小的不同,将岩石蠕变曲线分为稳定蠕变曲线和加速发展蠕变曲线两类;11、研究岩石变形的时间效应,一般而言采用两种方法寻找其蠕变规律,即经验方法和蠕变模型方法;12、对于初始蠕变和等速蠕变,目前的经验方程主要有三种,即幂函数、对数函数和指数函数;13、岩石流变的Maxwall模型是由弹性体和粘性体串联而成,其能反应岩石的弹—粘弹性特征;14、对于常见的岩石而言,当围压一定时,随着温度的升高,岩石的延性将增加 ,并且将会出现屈服现象,同时其强度降低 ;15、根据延性度的不同,岩石的破坏可分为脆性破坏、延性破坏和过渡性破坏;16、按照岩石在变形过程中所表现出来的应力—应变—时间关系的不同,可以将岩石的变形划分为弹性变形、塑性变形和粘性变形三种形式各异的基本变性作用;17、大量的实验和观察证明,就破坏形式而言,岩石的破坏主要有脆性破坏、延性破坏和弱面剪性破坏;18、在岩石室内压缩试验中,岩石峰值后的荷载—位移曲线,实质上是岩石的破坏过程曲线;19、目前,实验室抗拉强度的测定常采用劈裂法进行,当用长度为L,直径为D的圆形试件进行试验时,在压力P max作用下,岩石发生了破坏,则此岩石试件的抗拉强度为2P max/πLD；如采用边长为a的立方块,则其抗拉强度为Pt=2P max/πa2 ;20、岩石的室内剪切试验常用的仪器有直剪仪、变角板剪力仪和岩石三轴试验机 ;21、岩体是指经历过多次地质作用,经历过变形,遭受过破坏,形成了一定的岩石成分和结构,赋存于一定地地质环境中的地质体;因此,岩体力学性质与岩体中的结构面、结构体岩块以及赋存条件环境密切相关;22、在工程岩体范围内,结构面按贯通情况可分为贯通性、半贯通性以及非贯通性三种类型;23、岩体抵抗外力作用的能力称为岩体的力学性质;它包括岩体的稳定特征、变性特征和强度特征等;24、岩体结构面的剪切变形与岩石的强度、结构面的粗糙程度和法向应力有关;25、岩体结构面的几何特性是反映节理的外貌,它的组成要素包括：走向、倾向、连续性、粗糙度以及起伏度和组合关系;26、岩体的力学性质不仅取决于岩石本身及结构面的力学性质,也与结构面的空间组合密切相关;27、岩体的强度不仅与组成岩体的岩石的性质有关,而且与岩体内的软弱结构面有关,此外还与岩体所受的应力状态有关;28、岩体中存在各种结构面,结构面的变形大小主要由结构面和结构面填充物控制的;29、大量的岩体实验表明,岩体的压力——变形曲线可以化分为四种类型,即：直线型、上凹型和下凹型、复合型;30、岩体变形的结构效应是指岩体结构对其变形性质的影响与控制作用,包括结构面、结构体以及两者的组合关系三个方面,其结构面对岩体变形的作用效应尤为突出;31、粗糙起伏无充填的规则锯齿状结构面的剪切机制一方面是爬坡摩擦效应；另一方面是凸起体剪切;32、岩体基本质量应由受岩石的坚硬程度和岩石的完整性程度两个因素确定;33、国际工程岩体分级标准规定,对岩石坚硬程度和岩体完整程度应采用定性划分和定量指标两种方法确定;34、当人类还不能对原岩应力进行测量之前,认为原岩应力是由岩土自重引起的,因此把原岩应力单纯的看成自重应力;35、近期地质力学的观点认为,从全球范围来看,构造应力的总规律是以水平应力为主;根据地质构造运动的发展阶段,一般可把构造应力分为以下三种阶段原始构造应力,残余构造应力,现代构造应力;36、影响原岩应力分布的因素有地形,岩体结构面,岩体力学性质,剥蚀作用,37、重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因,其中尤以水平方向的构造运动对地应力的形成影响最大;38、岩体天然应力测量方法主要包括：水压致裂法,扁千斤顶法和钻孔套心应力解除法;39、地质构造运动的结果,使构造应力的特点主要表现在具有强烈方向性,数值较大的水平应力,从而形成构造区域水平应力大于垂直应力的情况;、40、原岩应力主要由自重应力和构造应力组成;41、研究岩石应力状态的目的在于正确认识岩石的力学性能,阐述围岩的破坏机制,充分利用和发挥围岩的自承能力,是工程设计更加合理安全和经济;42、岩体变形的不均匀导致围岩局部破裂的原因是应力分布的不均匀性和强度不均匀性;43、岩石在三轴压缩时,随着侧向应力σ3和σ1—σ3的增加,岩石强度也随之增大：岩石发生破坏后,仍保留一定的承载能力;44、隧洞根据其内部的受力情况可分为有压洞室和无压洞室两大类;45、对于无衬砌有压洞室,洞内水压力P在围岩中所产生的径向和切向应力随隧洞半径r的增大而迅速降低,在6r处该应力基本可以忽略不计,在有些有压隧洞中常见到新形成的,平行于洞轴线的放射状张裂隙,这主要是由于内水压力使围岩产生的应力抵消了围岩的压应力,并超过了岩体的抗拉强度所致;46、围岩在不产生破坏的条件下,当岩石性质由硬岩,中硬岩,到软岩的变化过程中,对于同一种支护形式而言,围岩位移增长会越来越大,相应要求支护结构所承担的压力会越来越大,对于同一种岩石来说,随围岩的不断变化要求支护结构所承担的压力会越来越小;解答：1、在三轴试验中,围压对岩石的力学性质有什么影响1破坏前岩块的总应变随围压增大而增加2随围压增大,岩块的塑性也不断增大,且由脆性破坏逐渐转化为延性破坏3随围压的增大,岩块三轴极限强度明显增大4随围压增大,弹性模量和泊松比不同程度的提高5当围压达到一定值时,出现应变硬化现象2、结构面的成因类型与分类结构面的成因分为两类：地质成因和力学分类：1地质成因类型包括原生结构面沉积结构面、岩浆结构面、变质结构面构造结构面断层、节理、劈理和层间错动面次生结构面卸荷裂隙、风化裂隙、次生夹泄层、泥化夹层2力学成因类型有剪性结构面逆断层、平移断层、多数正断层张性结构面羽状张裂面、纵张及横张破裂面和岩浆岩中的冷凝节理3、结构面的分级：由结构面的伸长度、切割深度、破碎带宽度及其力学效应可分为5级：1级指大断层或区域性断层,延伸数公里至数十公里以上破碎宽约数米至几百米以上；2级指延伸长、宽度不大数百米至数千米,宽数十厘米至数米；3级长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,宽数厘米至一米左右；4级延伸较差的节理、层面等长一般10mm~30mm,宽数厘米；5级微结构面有隐节理、微层面等;规模小、连续性差、常包含在岩块内;4、结构面特征及其影响：产状结构面与最大主应力间的关系控制着岩体的破坏机制与强度、连续性对岩体的变形、变形破坏机理、强度及渗透性都有很大影响、密度控制着岩体的完整性和岩块的块度,密度越大,岩体完整性越差,块度越小,导致岩体力学性质变差,渗透性增强、张开度、形态对岩体的力学性质及水力学性质存在明显影响、充填胶结特征经胶结的结构面力学性质改善,未胶结的力学性质取决于充填物成分、厚度、含水性和壁岩性质等、结构面的组合关系控制着可能滑移岩体的几何边界条件、形态、规模、滑动方向及滑移破坏类型;5、岩块的力学属性：弹性、塑性、粘性、脆性、延性;1弹性：在一定应力范围内,物体受外力作用产生全部变形,而去除外力后能立即恢复其原有形状和尺寸大小的性质;2塑性：物体受力后产生变形,外力去除后不能完全恢复的性质;不能恢复的那部分变形称为塑性变形或永久变形或残余变形;3粘性：物体受力后,变形不能瞬时完成,且变形速率随应力增加而增加的性质;4脆性：物体受力后,变形很小时就发生破裂的性质;5延性：物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力的性质;6、单轴压缩应力-应变曲线：εv=εl+εd阶段：Ⅰ：孔隙裂隙压密阶段：原有张开性结构面或微裂隙逐渐闭合,岩石被压密,早期非线性变形,呈上凹形,斜率随应力增大而增大,微裂隙的闭合在开始较快随后逐渐下降;Ⅱ：弹性变形至为微破裂稳定发展阶段：近似直线,开始为直线,应力增加,变为曲线,出现弹性极限,之后为塑性变形,出现新裂隙和微破裂,随着应力发展而发展,达到屈服极限;Ⅲ：非稳定破裂发展阶段：破裂不断发展,薄弱部位首先破坏,应力重分布,次薄弱部位破坏,体积压缩转为扩容,达到峰值强度或单轴抗压强度;Ⅳ：破坏后阶段：裂隙快速发展,交叉且联合成宏观断裂面,岩块沿其滑移,试件承载力迅速下降但不为0;7、变形参数：变形模量弹性模量：单轴压缩条件下,轴向压应力与轴向压应变之比;E=σ/ε初始模量：曲线原点处的切线斜率,Ei=σi/εi切线模量：曲线上任一点处的切线斜率,Et=σ2-σ1/ ε1-ε2割线模量：曲线上某特定点原点连线的斜率,通常取σc/2处的点与原点连线的斜率,Es=σ50/ε50泊松比：单轴压缩条件下,横向应变与轴向应变之比,μ=-εd/εl8、结构面的强度性质分类：平直无充填的结构面、粗糙起伏无充填~、非贯通断续~、有充填的软弱结构面;9、岩体中天然应力的分布特征1重力应力场与构造应力场的分布特点①重力应力场：以垂直应力为主,垂直应力大于水平应力；应力为压应力；应力随深度增加而增加；②构造应力场：应力有压应力,也可有拉应力；以水平应力为主,水平应力大于垂直应力；分布很不均匀,通常以地壳浅部为主;2地壳浅部3km原岩应力的规律：原岩应力是非稳定的应力场,其大小和方向随空间和时间而变化；实测垂直应力基本上等于上覆岩体的重力；水平应力普遍大于垂直应力;10、各类结构围岩的变形破坏特点1整体状和块状岩体围岩：破坏形式主要有岩爆、脆性开裂及块体滑移等;2层状岩体围岩：破坏形式主要有：沿层面张裂、折断塌落、弯折内鼓等;3碎裂状岩体围岩：变形破坏形式常表现为塌方和滑动;4散体状岩体围岩：其变形破坏形式以拱形冒落为主;11、岩爆的产生条件1围岩应力条件;判断岩爆发生的应力条件有两种方法：一是用洞壁的最大环向应力σθ与围岩单轴抗压强度σc之比作为岩爆产生的应力条件；另一种是用天然应力中的最大主应力σ1与岩块单轴抗压强度σc之比进行判断;σθ≤σc时,洞壁不出现岩爆；σc＜σθ≤~σc时,洞壁围岩出现岩射和剥落；σθ＞σc时,洞壁出现岩爆和猛烈岩射;另外,根据我国已产生岩爆的地下洞室资料统计,得出当岩体中最大天然主应力σ1与σc达到σ1≥~σc时,将产生岩爆;2岩性条件;当弹性变形能系数ω＞70%时,会产生岩爆,ω越大发生岩爆的可能性越大;12、影响岩爆的因素1地质构造;岩爆大都发生在褶皱构造中,岩爆与断层、节理构造也有密切的关系;2洞室埋深;随着洞室埋深增加,岩爆次数增多,强度也增大;此外,地下开挖尺寸、开挖方法、爆破震动及天然地震等对围岩也有明显的影响;13、影响岩体边坡变形破坏的因素1岩性;这是决定岩体边坡稳定性的物质基础;一般来说,构成边坡的岩体越坚硬,又不存在产生块体滑移的几何边界条件时,边坡不易破坏,反之则容易破坏而稳定性差; 2岩体结构;岩体结构及结构面的发育特征是岩体边坡破坏的控制因素;首先,岩体结构控制边坡的破坏形式及其稳定程度,其次,结构面的发育程度及其组合关系往往是边坡块体滑移破坏的几何边界条件;3水的作用;水的渗入使岩土的质量增大,进而使滑动面的滑动力增大；其次,在水的作用下岩土被软化而抗剪强度降低；另外,地下水的渗入对岩体产生动水压力和静水压力,这些都对岩体边坡的稳定性产生不利影响;4风化作用;风化作用使岩体内裂隙增多、扩大,透水性增强,抗剪强度降低;5地形地貌;边坡的坡形、坡高及坡度直接影响边坡内的应力分布特征,进而影响边坡的变形破坏形式及边坡的稳定性;6地震;因地震波的传播而产生的地震惯性力直接作用于边坡岩体,加速边坡破坏;7天然应力;影响边坡拉应力及剪应力的分布范围与大小;在天然应力大的地区开挖边坡时,由于拉应力及剪应力的作用,常直接引起边坡变形破坏;8人为因素;边坡的不合理设计、爆破、开挖和加载,大量生产生活用水的渗入等都造成边坡变形破坏,甚至整体失稳;。
思考题1.何谓岩体力学? 它的研究任务和对象是什么?岩体力学是力学的分支学科，是研究岩体在各种力场作用下变形与破坏规律的理论及其实际应用的科学，是一门应用型基础学科。
研究对象是各类岩体。
2.岩体力学采用的研究方法是什么?工程地质研究法，试验法，数学力学分析法，综合分析法。
3.何谓岩块，岩体? 试比较岩块与岩体,岩体与土有何异同点?岩块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。
岩体是指在地质历史中形成的，有岩块和结构面网组成的，具有一定结构并赋存在一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体，是岩体力学研究的对象。
4.岩石的矿物组成是怎样影响岩块的力学性质的?一般来说，含硬度大的粒柱状矿物（如石英、长石、角闪石、辉石等）越多时，岩块强度越高；含硬度小的片状矿物（如云母、绿泥石、蒙脱石、高岭石等）越多时，岩块的强度越低。
5.何谓岩块结构? 它是怎样影响岩块的力学性质的?岩块的结构是指岩石内矿物颗粒的大小、形状、排列方式和颗粒间连接方式以及微结构面发育情况等反映在岩块构成上的特征。
一般来说，结晶越细、越均匀，非晶质成分越少，岩块强度越高。
6.岩体力学研究岩块有何实际意义7.何谓结构面?从地质成因和力学成因上各自分为哪几类? 各自什么特点?结构面是指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定延伸方向和长度，厚度相对较小的地址界面或带。
地质成因类型分类：●原生结构面（沉积结构面、岩浆结构面、变质结构面）：原生结构面中，除部分经风化卸载作用裂开者外，多具有不同程度的联结力和较高的强度；●构造结构面：工程地质性质很差，其强度接近于岩体的残余强度，主要影响岩体的完整性和力学性质；●次生结构面：包括卸荷裂隙（具有张特性）、风化裂隙、次生夹泥层和泥化夹层（性质差，属于软弱结构面）等。
力学成因类型分类：●张性结构面：张开度大、连续性差、形态不规则、面粗糙、起伏大及破碎带较宽等，构造岩多为角砾岩，因此含水丰富，导水性强；●剪性结构面：连续性好，面较平直，延伸较长并有擦痕、镜面等现象发育。
《岩石力学》复习资料1.1 简述岩石与岩体的区别与联系。
答:岩石是由矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集而形成的自然物体,力学性质可在实验室测得；岩体是指由背诸如节理、裂隙、层理和断层等地质结构面切割的岩块组成的集合体，力学性质一般在野外现场进行测定，因此更接近岩体的实际情况，反映岩体的实际强度。
1.2 岩体的力学特征是什么？答：（1)不连续性：岩体受结构面的隔断,多为不连续介质，但岩块本身可作为连续介质看待；（2)各向异性：结构面有优先排列位向的趋势,随着受力岩体的结构趋向不同力学性质也各异；(3）不均匀性：结构面的方向、分布、密度及岩块的大小、形状和镶嵌状况等在各部位都很不一致，造成岩体的不均匀性；（4)岩块单元的可移动性：岩体的变形破坏往往取决于组成岩体的岩石块单元体的移动,这与岩石块本身的变形破坏共同组成岩体的变形破坏；（5）力学性质受赋存条件的影响：在一定的地质环境中，岩体赋存有不同于自重应力场的地应力场、水、气、温度以及地质历史遗留的形迹等。
1.3 岩石可分为哪三大类?它们各自的基本特点是什么?答：（1）岩浆岩：由岩浆冷凝形成的岩石，强度高、均匀性好；（2）沉积岩：由母岩在地表经风化剥蚀后产生，后经搬运、沉积和结硬成岩作用而形成的岩石,具有层理构造，强度不稳定，且具有各向异性；（3）变质岩：由岩浆岩、沉积岩或变质岩在地壳中受高温、高压及化学活动性流体的影响发生变质而形成的岩石.力学性质与变质作用的程度、性质以及原岩性质有关。
1.4 简述岩体力学的研究任务与研究内容。
研究任务：①建模与参数辨别;②确定试验方法、仪器与信息处理；③现场测试；④实际应用；研究内容：①岩石与岩体的物理力学性质(岩石的物质组成和结构特征，岩石的物理、水理性质，岩块在不同应力状态作用下的变形和强度特征,结构面的变性特征和强度参数的确定等）;②岩石和岩体的本构关系(岩块的本构关系，岩体结构面分类和典型结构面本构关系,岩体的本构关系）；③工程岩体的应力、变形和强度理论（岩体初始应力测量及分布规律，岩体中应力、应变和位移计算，岩体破坏机理、强度理论和工程稳定性维护与评价）：④岩石(岩块）室内实验（室内实验是岩石力学研究的基本手段）;⑤岩体测试和工程稳定监测（岩体原位力学实验原理和方法，岩体结构面分布规律的统计测试,岩体的应力、应变、位移检测方法及测试数据的分析利用,工程稳定准则和安全预测理论与方法)。
露天矿山边坡稳定性研究摘要：随着我国基础建设的大力发展，水泥及砂石料的需求量一路攀升，市场竞争日趋激烈的今天，为实现资源的充分利用，矿山边坡问题日益突出。
边坡稳定性不仅影响矿山的自身稳定和安全，而且直接影响开采成本。
因此，对边坡稳定性的分析就显得格外重要，它为矿山的安全开采、资源充分利用提供科学的依据。
关键词：露天；矿山；稳定性；分析前言石灰石矿山普遍为露天矿开采，共性的问题是随着深度的加深和开采范围的扩大，加上复杂的工程地质条件、水文地质条件及爆破的影响，必然引起边坡的位移，位移的大小直接反映了边坡的稳定程度。
露天矿边坡在其服务年限内的稳定性，-直是矿业生产部门及地质人员最为关心的课题。
因为它不仅直接关系到作业人员及设备的安全，同时也影响着生产的顺利进行。
为此，对边坡进行破坏模式和边坡稳定性计算分析，确定边坡角的推荐值成为矿山开采工作的首要任务。
云南永保特种水泥有限责任公司金山分公司石灰石矿山，许可开采标高介于2500~2916m，高差为416m，为高边坡，边坡的危害等级为Ⅲ级，边坡安全等级为Ⅱ级。
稳定性分析采用收集资料、工程地质测绘、工程地质钻探、原位测试、三维地形测量等手段，通过不平衡推力传递系数法校核萨尔玛法得到的边坡稳定系数，按正交试验法进行边坡最优边坡角的选取。
1项目概况矿山位于丽江古城西南水泥有限公司厂区北侧，地理坐标北纬26°58′02″～26°58′34″、东经100°20′32″～100°21′01″。
开采方式为露天开采，采矿方法采用浅孔爆破。
依据设计，台阶高度15m，最小工作平盘宽度45m、最小工作线长度90m、台阶坡面角50°、55°、60°、采场内运输平台宽度9.5m、安全平台宽度4.0m，清扫平台宽度6m。
2勘察方法及手段云南永保特种水泥有限责任公司金山分公司石灰石矿山边坡勘察工作主要采取了如下的勘察方法及勘察手段：2.1收集资料搜集和研究了场地区域地质、地震资料及场地已有的工程勘察、设计技术资料。
