巖石力學(xué)性質(zhì)和測量精品課程

1、巖石力學(xué)性質(zhì)和測量精品課程二、巖石力學(xué)學(xué)科的形成及定義 1951年，J. Stini 和 L. Mller等在 Salzburg發(fā)起和舉行了以巖體力學(xué)為主題的第一次國際巖石力學(xué)討論會(huì)，為把工程地質(zhì)與力學(xué)相結(jié)合、為建立巖石力學(xué)這門邊緣學(xué)科跨出了重要的一步，并創(chuàng)辦了Geologie und Bauwesen，1962年改名為Rock Mechanics & Rock Engineering1956年4月，在美國的科羅拉多礦業(yè)學(xué)院舉行的一次專業(yè)會(huì)議上，開始使用“巖石力學(xué)”這一名詞，并由該學(xué)院匯編了“巖石力學(xué)論文集”。在論文集的序言中說：“它是與過去作為一門學(xué)科而發(fā)展起來的土力學(xué)，有著相似的概念的一門

2、學(xué)科，對這種有關(guān)巖石的力學(xué)方面的學(xué)科，現(xiàn)取名為巖石力學(xué)”。1957年在巴黎出版的塔洛布爾（J. Talobre）的專著“巖石力學(xué)”是這方面較早的一本較系統(tǒng)的著作。其后，開始形成了不同的巖石力學(xué)學(xué)派（如法國學(xué)派，偏重于從彈塑性理論方面來研究；奧地利學(xué)派，偏重于地質(zhì)構(gòu)造方面來研究）。 37年，首部巖石力學(xué)專著 (秦巴列維奇)巖石力學(xué)具體而言，研究巖石在荷載作用下的應(yīng)力、變形和破壞規(guī)律以及工程穩(wěn)定性等問題。上述定義是把“巖石”看成固體力學(xué)中的一種材料，然而巖石材料不同于一般的人工制造的固體材料，它是一種典型的“連續(xù)介質(zhì)”，具有復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造和賦存條件的天然地質(zhì)體。巖石力學(xué)的定義（Rock Mecha

3、nics)1964年5月美國地質(zhì)學(xué)會(huì)巖石力學(xué)專業(yè)委員會(huì)所下的定義為：“巖石力學(xué)是研究巖石的力學(xué)性狀（behavior）的一門理論和應(yīng)用的科學(xué)，它是固體力學(xué)的一個(gè)分支，是探討巖石對其周圍物理環(huán)境中力場反應(yīng)的學(xué)科?！比?、巖石力學(xué)理論的發(fā)展簡史初始階段(19世紀(jì)末20世紀(jì)初) 巖石力學(xué)的萌芽時(shí)期A. Heim(1912)提出了靜水壓力的理論W. J. M. Rankine（朗肯）和A.H.(金尼克)地層壓力的修正理論，即經(jīng)驗(yàn)理論階段(20世紀(jì)初20世紀(jì)30年代) 該階段根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)提出了經(jīng)典的地壓理論，具有代表性的理論有：普羅托吉雅柯諾夫提出的自然平衡拱學(xué)說，即普氏理論 圍巖開挖后自然塌落成拋物線拱

4、形，作用在支架上的壓力等于冒落拱內(nèi)巖石的重量，僅是上覆巖石重量的一部分太沙基(KTerzahi)理論 圍巖塌落成矩形，而不是拋物線型優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn) 上述理論在一定歷史時(shí)期和一定條件下還是發(fā)揮了一定作用的，但是圍巖的塌落并不是形成圍巖壓力的惟一來源，也不是所有的地下空間都存在塌落拱圍巖和支護(hù)之間并不完全是荷載和結(jié)構(gòu)的關(guān)系問題，在很多情況下圍巖和支護(hù)形成一個(gè)共同承載系統(tǒng)，而且維持巖石工程的穩(wěn)定最根本的還是要發(fā)揮圍巖的作用經(jīng)典理論階段(20世紀(jì)30年代20世紀(jì)60年代)巖石力學(xué)學(xué)科形成的重要階段彈性、塑性力學(xué)被引入，提出一些經(jīng)典的解析計(jì)算公式重視結(jié)構(gòu)面對巖體力學(xué)性質(zhì)的影響形成圍巖與支護(hù)共同作用理論實(shí)驗(yàn)方

5、法的完善一系列巖石力學(xué)文獻(xiàn)和專著的出版 巖體工程問題的解決形成了“連續(xù)介質(zhì)理論”和“地質(zhì)力學(xué)理論”兩大學(xué)派 連續(xù)介質(zhì)理論 特點(diǎn)：以固體力學(xué)作為基礎(chǔ)，從材料的基本力學(xué)性質(zhì)出發(fā)來認(rèn)識巖石工程的穩(wěn)定問題。30年代，薩文(P. H. )采用無限大板孔應(yīng)力集中的彈性解分析圍巖的應(yīng)力分布；50年代，彈塑性理論應(yīng)用于圍巖穩(wěn)定性研究； R. FennerJ. Talobre公式和 H. Kastner 公式；應(yīng)用流變理論對隧洞圍巖的進(jìn)行粘彈性分析； S. Serta公式 不足：解析方法僅適合平面的圓形巷道，不能模擬開挖過程；由于巖體中節(jié)理、裂隙的存在，圍巖力學(xué)性質(zhì)參數(shù)和準(zhǔn)確的本構(gòu)關(guān)系難以確定。 地質(zhì)力學(xué)理論

6、特點(diǎn)：，強(qiáng)調(diào)對巖體節(jié)理、裂隙的研究，重視巖體結(jié)構(gòu)面對巖石工程穩(wěn)定性的影響和控制作用。20年代，由德國人 H. Cloos 創(chuàng)立51年，J. Stini 和 L. Mller 創(chuàng)立了“奧地利學(xué)派”：在理論方面，指出工程圍巖穩(wěn)定性與原巖應(yīng)力和開挖后巖體的力學(xué)強(qiáng)度變化密切相關(guān)，重視巖石工程施工過程中應(yīng)力、位移和穩(wěn)定性狀態(tài)的監(jiān)測，重視支護(hù)與圍巖的共同作用，特別重視利用圍巖自身的強(qiáng)度維持巖石工程的穩(wěn)定性在施工方面，提出了“新奧法”，符合現(xiàn)代巖石力學(xué)理論 不足：過分強(qiáng)調(diào)節(jié)理、裂隙的作用，過分依賴經(jīng)驗(yàn)，而忽視理論的指導(dǎo)作用現(xiàn)代發(fā)展階段(20世紀(jì)60年代現(xiàn)在) 特點(diǎn)：用更為復(fù)雜多樣的力學(xué)模型分析巖石力學(xué)問題；

7、把物理學(xué)、力學(xué)、系統(tǒng)工程、現(xiàn)代數(shù)理科學(xué)、現(xiàn)代信息技術(shù)等最新成果引入了巖石力學(xué)； 電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用為流變學(xué)、斷裂力學(xué)、非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、數(shù)值方法、灰色理論、人工智能、非線性理論等在巖石力學(xué)與工程中的應(yīng)用提供了可能從“材料”概念到“不連續(xù)介質(zhì)概念”是現(xiàn)代巖石力學(xué)的第一步突破；進(jìn)入計(jì)算力學(xué)階段是第二步突破； 有限元、邊界元、離散元、位移非連續(xù)法（DDA)和流行法非線性理論、不確定性理論和系統(tǒng)科學(xué)理論進(jìn)入實(shí)用階段，則是巖石力學(xué)理論研究及工程應(yīng)用的第三步意義更為重大的突破 耗散結(jié)構(gòu)論、協(xié)同學(xué)、分叉和混沌理論，模糊數(shù)學(xué)、人工智能、灰色理論 四、巖石力學(xué)中的幾個(gè)基本概念 巖石 (Rock) 定義：巖石是組

8、成地殼的基本物質(zhì)，它是由礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按一定規(guī)律凝聚而成的天然地質(zhì)體。 巖石按照其成因可分為三類：巖漿巖，沉積巖和變質(zhì)巖，不同成因類型的巖石具有不同的物理力學(xué)性質(zhì)（自學(xué)、了解）。巖塊 自然地質(zhì)體的小塊巖石稱為巖塊。我們平時(shí)所稱的巖石，在一定程度上都是指巖塊。 實(shí)驗(yàn)室通常用的巖石試件是由鉆孔獲取巖芯或在工程范圍內(nèi)用爆破或其他方法獲得的巖石碎塊加工而成。 巖石試件通常是不包含有顯著弱面的、較均質(zhì)的巖石塊體，可看作連續(xù)介質(zhì)及均質(zhì)體。巖體 (Rock Mass) 巖體是指在一定地質(zhì)條件下，含有諸如節(jié)理、斷層、裂隙、層理、劈理等不連續(xù)結(jié)構(gòu)面的復(fù)雜地質(zhì)體。 巖石和巖體的重要區(qū)別就是巖體包含若干不連

9、續(xù)面。由于不連續(xù)面的存在，巖體的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于巖石的強(qiáng)度。斷層 （Fault） 褶皺 (Drape) 層理 (Lamina) 巖體結(jié)構(gòu)巖體結(jié)構(gòu)：包括結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體兩個(gè)基本要素。結(jié)構(gòu)面：巖體內(nèi)具有一定方向、延展較大、厚度較小的面狀地質(zhì)界面，包括物質(zhì)的分界面和不連續(xù)面。結(jié)構(gòu)體：被結(jié)構(gòu)面所包圍的完整巖石或隱蔽裂隙的巖石，由不同產(chǎn)狀的結(jié)構(gòu)面組合切割而形成的巖石塊體。結(jié)構(gòu)面對巖體結(jié)構(gòu)類型的劃分常起著主導(dǎo)作用。在研究結(jié)構(gòu)面時(shí)，一方面要注意結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度、密度及其延展性，另一方面還需注意結(jié)構(gòu)面的規(guī)模大小和它們之間的組合關(guān)系。中國科學(xué)院地質(zhì)研究所從巖體結(jié)構(gòu)角度提出了巖體結(jié)構(gòu)分類(P3,表1-1)。我國還有不少專門為

10、工程目的的巖體分類。例如為建造地下隧道和洞室的圍巖分類(鐵路隧道規(guī)范分類、巖石地下建筑技術(shù)措施分類等)，都是以巖體結(jié)構(gòu)分類為基礎(chǔ)。 巖體結(jié)構(gòu)：由結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度和組合關(guān)系或結(jié)構(gòu)體的規(guī)模及排列形式?jīng)Q定的。巖體結(jié)構(gòu)類型的劃分反映出巖體的不連續(xù)性和不均一性特征。五、巖石力學(xué)的基本研究內(nèi)容(1) 巖石、巖體的地質(zhì)特征 物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征 結(jié)構(gòu)面特征及其對巖體力學(xué)性質(zhì)的影響 巖體結(jié)構(gòu)及其力學(xué)特性 巖體工程分類(2) 巖石的物理、水理與熱力學(xué)性質(zhì)(3) 巖石的基本力學(xué)性質(zhì) 變形、強(qiáng)度特征及力學(xué)指標(biāo)參數(shù) 主要影響因素，包括加載條件、溫度、濕度等 變形破壞機(jī)理及其破壞判據(jù) (4) 結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)(5) 巖體力

11、學(xué)性質(zhì) 巖體的變形、強(qiáng)度特征及其原位測試技術(shù) 巖體力學(xué)參數(shù)的弱化處理與經(jīng)驗(yàn)估計(jì) 主要因素影響 巖體中地下水賦存、運(yùn)移規(guī)律及巖體的水力學(xué)特征(6) 原巖應(yīng)力分布規(guī)律及其測量理論與方法 結(jié)構(gòu)面在法向壓應(yīng)力及剪應(yīng)力作用 下的變形特征及參數(shù)確定 結(jié)構(gòu)面剪切強(qiáng)度特征及其測試技術(shù)和方法(7) 工程巖體的穩(wěn)定性(8) 巖石工程穩(wěn)定性維護(hù)技術(shù) 包括巖體性質(zhì)的改善與加固技術(shù)等(9) 新技術(shù)、新方法和新理論在巖石力學(xué)中的應(yīng)用(10) 工程巖體的模型、模擬試驗(yàn)及原位監(jiān)測技術(shù) 數(shù)值模型模擬 物理模型模擬 原位監(jiān)測可檢驗(yàn)巖體變形與穩(wěn)定性分析成果的正確性在開挖作用下的應(yīng)力和位移分布特 征、變形破壞特征、穩(wěn)定性分析與評價(jià)六

12、、巖石力學(xué)的研究方法(1) 工程地質(zhì)研究方法 巖礦鑒定方法 構(gòu)造地質(zhì)學(xué)及工程勘察方法 水文地質(zhì)學(xué)方法(2) 科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法（科學(xué)實(shí)驗(yàn)是巖石力學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)）實(shí)驗(yàn)室?guī)r石力學(xué)參數(shù)測試、模型試驗(yàn)、現(xiàn)場巖體原位試驗(yàn)及監(jiān)測技術(shù)、地應(yīng)力的測量和巖體構(gòu)造的測定等地質(zhì)構(gòu)造的勘測、大地層的力學(xué)測定 新實(shí)驗(yàn)技術(shù)：遙感技術(shù)、激光散斑和切層掃描技術(shù)、三維地震勘測成象和三維CT成象技術(shù)、微震技術(shù)等（3）數(shù)學(xué)力學(xué)分析方法 力學(xué)模型：剛體、彈性、塑性、流變、細(xì)觀、損傷、斷裂、塊體力學(xué) 數(shù)值分析：有限差分法、有限元法、邊界元法、離散元法、無單元法、流形元法、不連續(xù)變形分析、和反演分析法等 模糊聚類和概率分析：隨機(jī)分析、可靠度分析

13、、靈敏度分析、趨勢分析、時(shí)間序列分析和灰色系統(tǒng)分析等 模擬分析：光彈應(yīng)力分析、相似材料模型試驗(yàn)、離心模型試驗(yàn)(4) 整體綜合分析方法 將實(shí)驗(yàn)、理論和工程監(jiān)測以及經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，利用信息、系統(tǒng)科學(xué)理論進(jìn)行計(jì)算機(jī)科學(xué)決策七、巖石力學(xué)的應(yīng)用范圍(1) 水利水電工程 壩基及壩肩穩(wěn)定性、防滲加固理論和技術(shù) 有壓和無壓引水隧道設(shè)計(jì)、施工及加固理論技術(shù) 大跨度高邊墻地下廠房的圍巖穩(wěn)定及加固技術(shù) 高速水流沖刷的巖石力學(xué)問題 水庫誘發(fā)地震的預(yù)報(bào)問題 庫岸穩(wěn)定及加固方法(2) 采礦工程 露天采礦邊坡設(shè)計(jì)及穩(wěn)定加固技術(shù) 井下開采中巷道和采場圍巖穩(wěn)定性問題，特別是軟巖巷道和深部開采地壓控制問題 礦柱穩(wěn)定性及開采優(yōu)化設(shè)計(jì)問

14、題(采場結(jié)構(gòu)、開采順序、開挖步驟等)設(shè)計(jì)問題 礦井突水預(yù)測、預(yù)報(bào)及預(yù)處理理論和技術(shù) 巖爆、煤與瓦斯突出及預(yù)處理理論和技術(shù) 采空區(qū)處理及地面沉降問題 巖石破碎問題(3) 鐵道和公路建設(shè)工程線路邊坡穩(wěn)定性分析隧道設(shè)計(jì)和施工技術(shù)隧道施工中的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)及處理隧道入口施工技術(shù)及洞臉邊坡角的確定和加固措施地鐵及過江隧道施工技術(shù)(4) 土木建筑工程高層建筑地基處理與加固技術(shù)大型地下硐室與建筑空間設(shè)計(jì)、施工與加固地面建筑物沉降、傾斜和糾偏技術(shù)山坡及臨坡建筑物基礎(chǔ)滑坡監(jiān)測預(yù)報(bào)與防治技術(shù)(5) 石油工程(6) 海洋勘探與開發(fā)工程(7) 核電站建設(shè)中核廢料處理技術(shù)(8) 地層熱能資源開發(fā)技術(shù)問題(9) 地震預(yù)報(bào)中

15、的巖石力學(xué)問題(10) 地下軍事工程及防護(hù)問題巖石應(yīng)力與滲透性及采油技術(shù)石油、天然氣運(yùn)輸與儲(chǔ)存工程對環(huán)境的影響巖石力學(xué)與地球物理勘探綜合研究鉆探技術(shù)與井壁穩(wěn)定性2022/8/2324第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)本章內(nèi)容巖石的基本物理性質(zhì)；巖石的強(qiáng)度特性；巖石的變形特性；巖石的強(qiáng)度理論?；疽笳莆諑r石的基本物理性質(zhì)，理解巖石的變形性質(zhì)；掌握巖石的強(qiáng)度特性；掌握莫爾強(qiáng)度理論、庫倫莫爾強(qiáng)度理論；了解格里菲斯理論；2022/8/2325第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)第一節(jié) 基本物理性質(zhì)第二節(jié) 巖石的強(qiáng)度特性第三節(jié) 巖石的變形特性第四節(jié) 巖石的強(qiáng)度理論主要內(nèi)容2022/8/2326基本物理性質(zhì)一、巖

16、石的孔隙性二、巖石的水理性三、巖石的抗凍性四、巖石的質(zhì)量指標(biāo)返回巖石含：固相、液相、氣相（孔隙）。 三相比例不同，物理性質(zhì)指標(biāo)也有所不同。聯(lián)系2022/8/2327巖石的強(qiáng)度性質(zhì)一、巖石的單軸抗壓強(qiáng)度二、巖石的三軸抗壓強(qiáng)度三、巖石的抗剪強(qiáng)度四、巖石的抗拉強(qiáng)度返回巖石強(qiáng)度: 巖石材料受力破壞時(shí)所能承受的最大荷載應(yīng)力本節(jié)討論問題工程師對材料提出兩個(gè)問題 1. 最大承載力許用應(yīng)力 ？ 2. 最大允許變形 許用應(yīng)變？試驗(yàn)方法2022/8/2328巖石的變形特性（彈，塑，粘）一、巖石在單軸壓縮作用下的變形特性 （1）普通試驗(yàn)機(jī)下的變形特性 （2）剛性試驗(yàn)機(jī)下的單向壓縮的變形特性二 巖石在三軸壓應(yīng)力下的變

17、形特性三、巖石的流變特性返回2022/8/2329一、巖石的孔隙性：（一）孔隙比VV孔隙體積(m3) Vs 巖石固體的體積(m3)（二）孔隙率V=VV+Vs返回反映孔隙發(fā)育程度的指標(biāo)V包含孔隙在內(nèi)的巖石體積(m3)2022/8/2330二、巖石的水理性質(zhì)（一）含水性1、含水量：巖石孔隙中含水量(WW)與巖石烘干重量(Ws)比值的百分率w=Ww/Ws1002、吸水率：干燥巖石試樣在一個(gè)大氣壓和室溫條件下吸入水的重量與巖石烘干重量之比吸水率是一個(gè)間接反映巖石內(nèi)孔隙多少的指標(biāo)W0烘干巖樣浸水48h后的濕重(kN)含水性 膨脹性 軟化性滲透性 耐崩解性Ws：在105-110C溫度下烘干24小時(shí)的重量(

18、kN) 2022/8/2331（二）滲透性滲透性：在一定的水壓作用下，巖石的孔隙和裂隙透過 水的能力，可用滲透系數(shù)來衡量。滲透系數(shù)是介質(zhì)對某種特定流體的滲透能力，取決于巖體物理特性和結(jié)構(gòu)特征，如孔隙和裂隙大小，開閉程度以及連通情況等大多滲透性可用達(dá)西（Darcy）定律描述：水頭變化率；qx沿x方向水的流量，m3/s ；h水頭高度，m； A垂直x方向的截面面積，m2；k滲透系數(shù)，m/s。2022/8/2332(四) 軟化系數(shù)Rcw飽和單軸抗壓強(qiáng)度； Rc干燥單軸抗壓強(qiáng)度； （1）越小，表示巖石受水的影響越大(見表2-2）。軸向自由膨脹 （%） H試件高度 徑向自由膨脹 （%） D直徑 （三）巖石

19、的膨脹性自由膨脹率：無約束條件下，浸水后膨脹變形與原尺寸之比2022/8/2333342022/8/23(五) 耐崩解性 試驗(yàn)時(shí)，將烘干的試塊，約500g，分成10份，放入帶有篩孔(2mm)的圓筒內(nèi)，使圓筒在水槽中以20rmin速度連續(xù)轉(zhuǎn)10分鐘，然后將留在圓筒內(nèi)的石塊取出烘干稱重。如此反復(fù)進(jìn)行兩次，按下式計(jì)算耐崩解性指數(shù)：殘留在筒內(nèi)的試件烘干質(zhì)量mR試驗(yàn)前的試件烘干質(zhì)量(mS)耐崩解性指數(shù)是通過對巖石試件進(jìn)行烘干，浸水循環(huán)試驗(yàn)所得的指標(biāo)。返回352022/8/23三、巖石的抗凍性抗凍性: 巖石抵抗凍（脹）融破壞的性能， 通常用抗凍系數(shù)表示。返回巖石的抗凍系數(shù)是指巖樣在25的溫度區(qū)間內(nèi)，反復(fù)降

20、溫、凍結(jié)、升溫、融解，其抗壓強(qiáng)度有所下降，巖樣抗壓強(qiáng)度的下降值與凍融前的抗壓強(qiáng)度之比：Cf巖石的抗凍系數(shù)；Rcf巖石凍融后的抗壓強(qiáng)度(kPa)2022/8/2336密度比重1、巖石的密度：單位體積內(nèi)巖石的質(zhì)量。四、巖石的質(zhì)量指標(biāo)（1）天然密度：自然狀態(tài)下，單位體積質(zhì)量 M巖石總質(zhì)量，kg；V總體積，m3。（2）干密度：巖塊中的孔隙水全部蒸發(fā)后的單位體積質(zhì)量（108烘24h） Ms巖石烘干后的質(zhì)量，kg。2022/8/23372、巖石的比重：巖石固體烘干重量（WS）與4時(shí)同體積純水的重量比 VC巖石實(shí)體部分(不包含孔隙）的體積； 一個(gè)大氣壓下4時(shí)水的重度返回（3）飽和密度：巖石中的孔隙被水充填時(shí)

21、的單 位體積質(zhì)量（水中浸48小時(shí)） VV孔隙體積 W:一個(gè)大氣壓下4時(shí)水的密度(kg/m3)測定方法及適用條件：量積法、水中稱重法、蠟封法。2022/8/2338一 巖石的單軸抗壓強(qiáng)度1. 定義：指巖石試件在單軸壓力作用下（無圍壓，只受軸向壓力）所能承受的最大壓應(yīng)力，也即是巖石在達(dá)到破壞時(shí)承受的最大軸向荷載P除以試件的橫截面積A。 2.試驗(yàn)方法： 圓柱形試件： 4.85.2cm ，高H=（22.5) 長方體試件：邊長L= 4.85.2cm , 高H=（22.5)L 兩端面垂直于軸線o 試件兩端不平度0.05mm； 試件標(biāo)準(zhǔn)：試驗(yàn)裝置：2022/8/23392022/8/23403.單向壓縮試件

22、的常見破壞形態(tài)（1）單斜面剪切破壞：最常見的破壞方式（2）圓錐形破壞 原因：壓板兩端存在摩擦力，箍作用（又稱端部效應(yīng)）， 在工程中也會(huì)出現(xiàn)。（3）柱狀劈裂破壞 巖石單向壓縮破壞的真實(shí)反映（消除了端部效應(yīng)） 產(chǎn)生的是張拉破壞（巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度） 消除端部約束方法： 磨平端部、潤滑試件端部（如墊云母片；涂黃油在端部）、加長試件2022/8/23414. 單軸抗壓強(qiáng)度的主要影響因素巖石自身的因素： 礦物成分、結(jié)晶程度、顆粒大小及膠結(jié)情況、 風(fēng)化程度、含水情況和周圍環(huán)境（溫度、濕度） 層理和裂隙的特性和方向等； 含水量：含水量越大強(qiáng)度越低，巖石越軟越明顯； 溫 度：180以下不明顯；大于1

23、80，溫度越高強(qiáng)度越小。 （跟巖性有關(guān)，深部巖體力學(xué)）2022/8/2342（1）試件 形狀：圓形試件不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，好加工 尺寸：寬度 大于礦物顆粒的10倍（50的依據(jù)）， 長度 不宜太長或太短，高徑比 h/d(22.5)較合理(受力均勻）（2）承壓板 端部摩擦力 試驗(yàn)機(jī) 剛度（3）加載速率 加載速率越大，表現(xiàn)強(qiáng)度越高(見圖25)(機(jī)理研究熱點(diǎn)） MPa/s實(shí)驗(yàn)方法上的因素：2022/8/2343返回2022/8/2344二 巖石的三軸抗壓強(qiáng)度 指在三向壓縮荷載作用下巖石所能承受的最大壓應(yīng)力。 2. 三向壓縮試驗(yàn)簡介 （1）真三軸 （2）常規(guī)三軸 1.定義2022/8/23452022/8

24、/23462022/8/2347具體破壞形式的多樣化2022/8/2348（1）側(cè)壓力的影響 圍壓越大，軸向壓力越大2022/8/2349（2）加載途徑對巖石三向壓縮強(qiáng)度影響 A、B、C三條虛線是三個(gè)不同的加載途徑，加載途徑對巖石的最終三軸壓縮強(qiáng)度影響不大（？）。2022/8/2350（3）孔隙水壓力對巖石三向壓縮強(qiáng)度的影響 孔隙水壓力使有效應(yīng)力（圍壓）減小 強(qiáng)度降低返回2022/8/2351三 巖石的抗剪強(qiáng)度1. 定義 在剪切荷載作用下達(dá)到破壞前所能承受的最大剪應(yīng)力2. 常用試驗(yàn)方法直接剪切試驗(yàn)角模壓剪試驗(yàn)522022/8/23 直接剪切試驗(yàn)A試樣的剪切面面積。 給定不同的(或P）進(jìn)行多次試

25、驗(yàn)，求出不同的，近似直線得： tan巖石抗剪切內(nèi)摩擦系數(shù)；（ 內(nèi)摩擦角） c 巖石的粘聚力1.2.2022/8/2353 角模壓剪試驗(yàn)fPQNQNP其中，P壓力機(jī)的總壓力 試件傾角 f 圓柱形滾子與上下壓板的摩擦系數(shù) 試驗(yàn)裝置:楔形剪切儀荷載計(jì)算公式 剪切破壞面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力：其中，A 剪切面面積2022/8/2354巖石的抗剪斷曲線（強(qiáng)度曲線） tan巖石抗剪切內(nèi)摩擦系數(shù) c 巖石的粘聚力返回做一組（大于5次）不同的試驗(yàn)，記錄所得的,值；由該組值作曲線,近似直線得方程改變夾具傾角：30度70度2022/8/2355四 巖石的抗拉強(qiáng)度定義：在單軸拉力作用下巖石試件抵抗破壞的極限能力，在數(shù)值

26、上等于破壞時(shí)的最大拉應(yīng)力。直接拉伸法間接拉伸法2. 拉伸試驗(yàn)方法拉伸試驗(yàn)方法巴西劈裂法點(diǎn) 荷 載 法計(jì)算公式不同（不易成功）2022/8/2356 直接拉伸試驗(yàn)方法應(yīng)力集中兩端破壞（強(qiáng)度)夾持力，聯(lián)結(jié)力不足從中拔出應(yīng)力集中兩者變形？高強(qiáng)度水泥高強(qiáng)度樹脂兩者膠結(jié)力變形是否協(xié)調(diào)2022/8/2357巴西劈裂法（對稱徑向壓裂法） 由巴西人Hondros提出實(shí)驗(yàn)思想：徑向壓縮導(dǎo)致劈裂,注意： 接觸并非單線接觸，有一定接觸面積（弧高1/20D）試件：實(shí)心圓柱50mm;25mm換圖蔡拉伸破壞研究熱點(diǎn)：平臺加載 加載速度 t:試件中心的最大 拉應(yīng)力，即 Rt D: 試件的直徑 t: 試件的厚度試驗(yàn)要求:沿平

27、行于軸線的一條邊緣線均勻加載破壞面必須通過試件直徑2022/8/2358點(diǎn)荷載試驗(yàn)法 是上世紀(jì)發(fā)展起來的一種簡便的現(xiàn)場試驗(yàn)方法。試件：任何形狀（優(yōu)點(diǎn)），尺寸大致50mm，不做任何加工。試驗(yàn)：直接放到現(xiàn)場的點(diǎn)荷載儀上，加載劈裂破壞。計(jì)算：I 點(diǎn)荷載強(qiáng)度指標(biāo)P 試件破壞時(shí)的極限荷載y 加載點(diǎn)試件的厚度統(tǒng)計(jì)公式：要求:由于離散性大，每組15個(gè)，取均值建議：用50mm的鉆孔巖芯為試件。返回592022/8/23第三節(jié) 巖石的變形特性彈性：物體受外力作用瞬間即產(chǎn)生全部變形，卸載后立即恢復(fù)原有形狀和尺寸的性質(zhì)塑性：物體受力后產(chǎn)生變形，在卸載后變形不能完全恢復(fù)的性質(zhì)粘性：物體受力后變形不能瞬時(shí)完成，且應(yīng)變速

28、率隨應(yīng)力增加而增加的性質(zhì)，又稱為流變性（蠕變，松弛，彈性后效）。屈服極限1.基本概念 ：粘性系數(shù)2022/8/23602. 基本力學(xué)模型 ： 1、彈性模型 2、理想塑性 3、粘性模型 粘性系數(shù)（S/m2）變形與時(shí)間無關(guān)卸載后是否有殘余變形變形與時(shí)間有關(guān)無有變形特性( 0 ：屈服應(yīng)力 )2022/8/23613. 基本元件2022/8/23622022/8/2363牛頓粘性系數(shù)；單位: 泊。s/m2返回2022/8/2364一、巖石在單軸壓應(yīng)力作用下的變形特性1、典型的巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線（一）普通試驗(yàn)機(jī)下的變形特性特點(diǎn)： 11 曲線 ，應(yīng)變率隨應(yīng)力增加而減?。凰苄宰冃危ㄗ冃尾豢苫謴?fù)）原因：微裂隙

29、閉合（壓密）a.分三個(gè)階段:1）原生微裂隙壓密階段（OA）特點(diǎn)： 11 曲線是直線； 彈性模量，E為常數(shù)（變形可恢復(fù)）原因：巖石固體部分變形，B點(diǎn)開始屈服，B點(diǎn)對應(yīng)的B應(yīng)力為屈服極限，超過B點(diǎn)卸載有塑性變形。2）彈性變形階段（AB）3）彈塑性（非線性）變形階段（BC）特點(diǎn)： 11 曲線 ； 有塑性變形產(chǎn)生，變形不可恢復(fù)； 應(yīng)變速率不斷增大。原因：新裂紋產(chǎn)生，原生裂隙擴(kuò)展。脆性：應(yīng)力超出屈服應(yīng)力后，并不呈現(xiàn)出明顯的塑性變形而破壞，即為脆性破壞。 巖石越硬，BC段越短，脆性行為越明顯。注意：半程壓縮曲線2022/8/23651. 直線或近似直線（彈性體）2. 曲線向下彎曲（彈塑性體）3. 初向上彎

30、曲后直線（塑-彈性體）4. 曲線似S型（塑-彈-塑性體）5. 初小段直線后進(jìn)入非彈性的曲線部分（彈-粘性體）b.實(shí)際應(yīng)力-應(yīng)變曲線可分成五類:2022/8/2366c.彈性常數(shù)的確定彈性模量國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)（ISRM）建議三種方法 切線模量 ( ) 割線模量 ( ) 變形模量 ( ) 2022/8/23672、巖石加、卸載特性2022/8/23683、循環(huán)加卸載曲線特點(diǎn)： 多次反復(fù)加、卸載，變形曲線與單調(diào)加載曲線上升總趨勢保持一致（巖石的“變形記憶功能”）。 卸載應(yīng)力(超過屈服點(diǎn)）越大，塑性滯回環(huán)越大（原因：裂隙的擴(kuò)大，能量的消耗）；2022/8/2369等荷載循環(huán)加、卸載時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特

31、點(diǎn)： 隨著循環(huán)次數(shù)增多，塑性滯回環(huán)愈來愈窄，直到?jīng)]有塑性變形為止。當(dāng)循環(huán)應(yīng)力峰值低于某一臨界應(yīng)力時(shí)，多次循環(huán)不會(huì)導(dǎo)致試件破壞；當(dāng)超過臨界應(yīng)力時(shí)，會(huì)發(fā)生疲勞破壞。（疲勞強(qiáng)度）返回702022/8/231）剛性試驗(yàn)機(jī)工作原理壓力機(jī)加壓（貯存彈性能）巖石試件達(dá)峰值強(qiáng)度（釋放應(yīng)變能）導(dǎo)致試件崩潰。AAO2O1面積峰值點(diǎn)后，巖塊產(chǎn)生微小位移所需的能。ABO2O1峰值點(diǎn)后，普通機(jī)釋放的能（貯存的能）。ACO2O1面積峰值點(diǎn)后，剛體機(jī)釋放的能（貯存的能）。（二）剛性試驗(yàn)機(jī)下巖石單向壓縮變形特性普通試驗(yàn)機(jī)得到峰值前的變形特性，多數(shù)巖石在峰值后工作。712022/8/232）應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線形態(tài)分四個(gè)階段：前

32、3階段同普通試驗(yàn)機(jī)，第4階段為應(yīng)變軟化階段 第4階段特點(diǎn)： CD段：破裂巖塊相互咬合成整體狀而承載，原生和新生裂隙相互交叉、聯(lián)合形成宏觀斷裂面，承載力隨應(yīng)變增加而減少（軟化現(xiàn)象）。 到達(dá)D點(diǎn)以后，靠碎塊間的摩擦力承載， 稱為殘余應(yīng)力。全程壓縮曲線2022/8/2372 C點(diǎn)后有殘余應(yīng)變，反復(fù)加卸載時(shí)，隨變形增加，塑性滯環(huán)的斜率降低。 C點(diǎn)后，可能會(huì)出現(xiàn)壓應(yīng)力下的體積增大現(xiàn)象，稱此為擴(kuò)容現(xiàn)象.2022/8/2373 巖石的體積應(yīng)變特性 在壓力作用下，巖石發(fā)生非線性體積變形可分為三個(gè)階段：1 體積減小階段：彈性階段內(nèi)，體積變形呈線性變化。2 體積不變階段：巖石體積雖有變形，但應(yīng)變增量接近于零，即巖

33、石體積大小幾乎沒變化。3 擴(kuò)容階段：在塑性段及峰后區(qū)，主要是由于裂隙產(chǎn)生、貫穿、滑移、錯(cuò)動(dòng)、甚至張開造成。一般巖石：，當(dāng)時(shí)，就是擴(kuò)容。2022/8/2374獲取全程試驗(yàn)曲線的處理方法 增加試驗(yàn)機(jī)剛度 使用剛性試驗(yàn)機(jī)，就沒有大量的應(yīng)變能貯存在試驗(yàn)機(jī)內(nèi)，巖石在超過峰值強(qiáng)度破壞后就不會(huì)產(chǎn)生突發(fā)性破壞，這樣就能獲得峰后的變形、強(qiáng)度特征 為了減少在試驗(yàn)過程中軟性(soft)試驗(yàn)機(jī)的彈性變形及貯存在其中的變形能，就必須增加試驗(yàn)機(jī)（鋼構(gòu)件、液壓柱）的剛度，為此出現(xiàn)了剛性試驗(yàn)機(jī)(stiff testing machine) 2022/8/2375 采用液壓伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)能根據(jù)巖石破壞和變形情況控制變形速度

34、，使變形速度保持為恒定值。伺服系統(tǒng)有一個(gè)反饋信號系統(tǒng)：檢查當(dāng)前施加的荷載是否保持事先確定的變形速度，否則會(huì)自動(dòng)地調(diào)整施加的荷載，以保持變形速度的恒定。反饋信號響應(yīng)的時(shí)間為2-3s,這個(gè)速度遠(yuǎn)大于裂隙傳播速度，因而即使出現(xiàn)過量荷載，裂隙還未來得及傳播，荷載就被減小了，巖石破壞得到有效控制。注意： 對于特別堅(jiān)硬的巖石，除采用帶有伺服系統(tǒng)的剛性試驗(yàn)機(jī)外，施加一定的圍壓是必要的，可以使破壞后的巖石變形得到有效控制。2022/8/2376（1） 巖石的屈服應(yīng)力、抗壓強(qiáng)度、峰值時(shí)的極限應(yīng)變量、殘余強(qiáng)度值顯著增大；（2）隨圍壓增大，巖石的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)變：彈脆性彈塑性應(yīng)變硬化（見下頁）；二、巖石在三向壓應(yīng)力

35、下的變形特性 常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)表明：有圍壓作用時(shí)，巖石的變形性質(zhì)與單軸壓縮時(shí)不盡相同。在三軸壓縮下，隨著圍壓的提高：2022/8/23771）圍壓為零或較低：脆性狀態(tài)2）圍壓50MPa：塑性狀態(tài)3)圍壓塑性流動(dòng)4）圍壓165MPa 應(yīng)變硬化現(xiàn)象實(shí) 例2022/8/2378三、巖石的流變特性 蠕變：應(yīng)力恒定，巖石應(yīng)變隨時(shí)間增大所發(fā)生的變 形（又稱為流變）。松馳：應(yīng)變恒定，巖石中的應(yīng)力隨時(shí)間減少，這種 現(xiàn)象稱“松馳”。彈性后效：卸載時(shí)彈性應(yīng)變滯后于應(yīng)力的現(xiàn)象。巖石變形蠕變松弛彈性（可恢復(fù)） 塑性（不可恢復(fù)）與時(shí)間無關(guān) 與時(shí)間有關(guān) 流變2022/8/2379特點(diǎn)：應(yīng)變率 為常量； 卸載：有瞬時(shí)彈性恢

36、復(fù)，彈后，有不可恢復(fù)的永久變形。特點(diǎn)： 劇烈增加； 曲線；一般此階段比較短暫。、初始蠕變階段（ AB減速蠕變階段）、穩(wěn)定蠕變階段（BC等速蠕變階段）、非穩(wěn)定蠕變階段（蠕變破壞階段）特點(diǎn)： 有瞬時(shí)應(yīng)變 （OA）； ， 隨時(shí)間增長而減小；卸載后，有部分瞬時(shí)彈性變形（PQ）恢復(fù)，接著產(chǎn)生彈性后效，變形逐漸恢復(fù)。（一）巖石的蠕變性質(zhì)1、典型的蠕變曲線（分三階段）2022/8/23802、長期強(qiáng)度的的確定方法(,t)方法二方法一巖石強(qiáng)度隨外荷載作用時(shí)間延長而降低(相對于瞬時(shí)強(qiáng)度)，通常把作用時(shí)間t的強(qiáng)度稱為巖石的長期強(qiáng)度長期強(qiáng)度的確定方法 由破壞-t關(guān)系曲線的水平漸近線獲t的強(qiáng)度 由蠕變試驗(yàn)作等時(shí)(-)

37、 曲線獲t的強(qiáng)度長時(shí)恒載蠕變破壞試驗(yàn)曲線2022/8/2381(1)立即松弛變形保持恒定后，應(yīng)力立即消失到零，這時(shí)松弛曲線與軸重合，如曲線6。(2)完全松弛變形保持恒定后，應(yīng)力逐漸消失，直到應(yīng)力為零，如曲線5、 4 。(3)不完全松弛變形保持恒定后，應(yīng)力逐漸松弛，但最終不能完全消失，而趨于某一定值，如曲線3、 2。(4) 此外，還有一種極端情況：變形保持恒定后應(yīng)力始終不變，即不松弛，松弛曲線平行于t軸，如曲線1。（二）巖石的松弛性質(zhì)松弛特性可劃分為三種類型：返回2022/8/2382 第四節(jié) 巖石的強(qiáng)度理論一、莫爾強(qiáng)度理論（Mohr 1900年提出，莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則）（一）基本思想以脆性材料（ 鑄

38、鐵） 試驗(yàn)數(shù)據(jù)（單、三）統(tǒng)計(jì)分析為基礎(chǔ) 由于剪應(yīng)力達(dá)到f（取決于正應(yīng)力和材料特性）使巖石產(chǎn)生剪切破壞 莫爾極限應(yīng)力圓包絡(luò)線 （二）強(qiáng)度曲線莫爾包絡(luò)線表達(dá)式：132022/8/2383材料破壞判別 用莫爾包絡(luò)線判別材料的破壞2022/8/2384莫爾包絡(luò)線向應(yīng)力增大的方向開放，說明三向等壓應(yīng)力狀態(tài)下巖石不破壞；受拉區(qū)閉合，說明受三向等拉應(yīng)力時(shí)巖石破壞；單向抗拉區(qū)小于單向抗壓區(qū)；特點(diǎn)莫爾包絡(luò)線（多種形式） 沒有考慮中間主應(yīng)力2對巖石強(qiáng)度的影響；2022/8/2385（2）破壞機(jī)理：（基本思想不一樣）材料屬于壓剪破壞，剪切破壞力的一部分用來克服與正應(yīng)力無關(guān)的粘聚力，使材料顆粒間脫離聯(lián)系；另一部分剪切

39、破壞力用來克服與正應(yīng)力成正比的摩擦力，使面內(nèi)錯(cuò)動(dòng)而最終破壞。（3）數(shù)學(xué)表達(dá)式： 內(nèi)摩擦系數(shù)（1）實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)：巖土材料壓剪或三軸試驗(yàn)。c粘聚力（三）庫倫莫爾強(qiáng)度理論（ CACoulomb準(zhǔn)則,1773年）庫侖莫爾強(qiáng)度條件是莫爾準(zhǔn)則的一特例（擬合成直線）簡潔、應(yīng)用簡便intrinsic2022/8/2386破壞方向角破壞判定： 11n力的分解22022/8/2387（4）主應(yīng)力表示（2-42） 由式（2-42）推出：（2-43）令稱為塑性指數(shù) ；當(dāng)時(shí)，；（5）缺點(diǎn)： 忽略了中間主應(yīng)力的影響 （中主應(yīng)力對強(qiáng)度影響在15%左右）所以則2022/8/2388三、格里菲斯準(zhǔn)則（Griffth 1921）斷裂

40、力學(xué)21年提出，70年代應(yīng)用于巖石力學(xué)領(lǐng)域（1）實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)：玻璃材料中的微裂紋張拉擴(kuò)展，連接，貫通，最后導(dǎo)致材料破壞試驗(yàn)。（2）基本思想：在脆性材料的內(nèi)部存在許多隨機(jī)分布的裂紋，在外力作用下，裂紋周圍、特別是裂紋尖端會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，其中有一個(gè)方向最有利于裂紋擴(kuò)展，當(dāng)超過材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂紋首先在該方向產(chǎn)生張拉擴(kuò)展。2022/8/2389兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：1.最大應(yīng)力集中點(diǎn)（危險(xiǎn)點(diǎn)）；2.最容易破壞的裂隙方向。在壓應(yīng)力條件下裂隙開裂及擴(kuò)展方向帶橢圓孔薄板的孔邊應(yīng)力集中問題示意圖2022/8/2390數(shù)學(xué)式 Griffth準(zhǔn)則幾何表示 最有利破裂的方向角（3）Griffth（張拉）準(zhǔn)則在 坐標(biāo)下 當(dāng)

41、 時(shí)， ，即壓拉強(qiáng)度比為8。 2022/8/2391Griffh準(zhǔn)則是針對玻璃等脆性材料提出來的，材料的破壞機(jī)理是拉伸破壞，因而只適用于脆性巖石的破壞，對于一般巖石材料，莫爾庫侖準(zhǔn)則更適用。另外，在巖石力學(xué)中，還會(huì)遇到Drucker-Prager準(zhǔn)則、Hoek-Brown準(zhǔn)則和Mises準(zhǔn)則。返回第三章 巖體的力學(xué)特性本章內(nèi)容3.1 概述3.2 巖體結(jié)構(gòu)基本類型；3.3 巖體的結(jié)構(gòu)面及其自然特征；3.4 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)3.5 巖體的變形性質(zhì)3.6 巖體的強(qiáng)度特性3.7 巖體的水力學(xué)性質(zhì)3.8 巖體質(zhì)量評價(jià)及其分類基本要求了解巖體結(jié)構(gòu)的基本類型，理解巖體結(jié)構(gòu)面特征；掌握結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)及巖體的

42、變形性質(zhì)；理解巖體的強(qiáng)度特性，了解巖體的水力學(xué)性質(zhì)；掌握巖體質(zhì)量評價(jià)及其分類方法；第三章 巖體的力學(xué)性質(zhì)第一節(jié) 概述第二節(jié) 巖體結(jié)構(gòu)的基本類型第三節(jié) 巖體的結(jié)構(gòu)面及其自然特征第四節(jié) 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)第五節(jié) 巖體的變形性質(zhì)第六節(jié) 巖體的強(qiáng)度特性第七節(jié) 巖體的水力學(xué)性質(zhì) 第八節(jié) 巖體質(zhì)量評價(jià)及其分類主要內(nèi)容 巖體=結(jié)構(gòu)面（弱面）+結(jié)構(gòu)體（巖石塊體） 結(jié)構(gòu)面：斷層、褶皺、節(jié)理統(tǒng)稱影響巖體力學(xué)性質(zhì)的基本因素： 結(jié)構(gòu)體(巖石)力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)和環(huán)境因素(特別是水和地應(yīng)力的作用)3.1 概述巖體中的結(jié)構(gòu)面及自然特征次生結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)面類型（自學(xué)、了解、提問）火成結(jié)構(gòu)面沉積結(jié)構(gòu)面變質(zhì)結(jié)

43、構(gòu)面成因及類型原生結(jié)構(gòu)面構(gòu)造結(jié)構(gòu)面斷層節(jié)理劈理結(jié)構(gòu)面的自然特征1. 充填膠結(jié)特征幾何形態(tài)特征有充填無充填薄膜充填（2mm以下）斷續(xù)充填連續(xù)充填厚層充填（數(shù)十厘米至數(shù)米）平直型波浪型鋸齒型臺階型 凹凸度（量化指標(biāo)）起伏度（起伏角i)粗糙度(五級）2.3. 空間分布特征 產(chǎn)狀（即方位）及其變化延展性密集程度組合關(guān)系 結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀及其變化：結(jié)構(gòu)面的走向與傾向及其變化 結(jié)構(gòu)面的延展性：結(jié)構(gòu)面在某一方向上的連續(xù)性或結(jié)構(gòu)面連續(xù)段長短的程度。 分為非貫通性的、半貫通性及貫通性的結(jié)構(gòu)面 結(jié)構(gòu)面的密集程度 設(shè)取樣線長度為l ，在l上出現(xiàn)的節(jié)理?xiàng)l數(shù)為n，則 節(jié)理之間的平均間距為裂隙度 K切割度 Xe20m實(shí)例：d

44、=1/k=5ma.單組節(jié)理(具有同一走向）（1）裂隙度K :同一組結(jié)構(gòu)面沿法線方向單位長度上的節(jié)理數(shù)量l d180cm 整體結(jié)構(gòu) d=30180 塊狀結(jié)構(gòu) d30 破裂結(jié)構(gòu) d1， 平均水平應(yīng)力系數(shù)多為， 深部趨近1。地應(yīng)力主要成分4.3 地應(yīng)力的分布規(guī)律1地應(yīng)力是一個(gè)具有相對穩(wěn)定性的非穩(wěn)定應(yīng)力場，它是時(shí)間和空間的函數(shù)。2實(shí)測垂直應(yīng)力基本等于上覆巖層的重量。3水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力。4平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值隨深度增加而減小，但在不同地區(qū)，變化的速度很不相同。5最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力隨深度呈線性增長關(guān)系（實(shí)測）。6 最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力之值一般相差較大，顯示出很強(qiáng)的方向

45、性。7. 地應(yīng)力的上述分布規(guī)律還會(huì)受到地形、地表剝蝕、風(fēng)化、巖體結(jié)構(gòu)特征、巖體力學(xué)性質(zhì)、溫度、地下水等因素的影響，特別是地形和斷層的擾動(dòng)影響最大。 4.4 地應(yīng)力的測量方法直接測量法間接測量法直接測量法：由測量儀器直接測量和記錄各種應(yīng)力量，如補(bǔ)償應(yīng)力、恢復(fù)應(yīng)力、平衡應(yīng)力，并由這些應(yīng)力量和原巖應(yīng)力的相互關(guān)系，通過計(jì)算獲得原巖應(yīng)力值。 扁千斤頂法、水壓致裂法、剛性包體應(yīng)力計(jì)法和聲發(fā)射法均屬直接測量法。間接測量法：借助某些傳感元件或某些介質(zhì)，測量和記錄巖體中某些與應(yīng)力有關(guān)的間接物理量的變化，然后通過已知的換算公式計(jì)算巖體中的應(yīng)力值。因此，在計(jì)算應(yīng)力時(shí)，必須首先確定巖體的某些物理力學(xué)性質(zhì)以及所測物理量

46、和應(yīng)力的相互關(guān)系。 套孔應(yīng)力解除法和其他的應(yīng)力或應(yīng)變解除方法以及地球物理方法等都是常用的間接測量法，其中套孔應(yīng)力解除法應(yīng)用最為普遍且發(fā)展較為成熟。 1 水壓致裂法（1）測量原理由彈性力學(xué)可知：無限體中的一個(gè)圓形鉆孔受到無窮遠(yuǎn)處二維應(yīng)力場(1， 2) ，其鉆孔周邊的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力r為：周邊一點(diǎn)與1軸的夾角當(dāng)0時(shí)， 取得極小值， 3 2 1當(dāng)水壓達(dá)到孔壁發(fā)生初始開裂當(dāng)繼續(xù)注水使裂隙深度擴(kuò)展至3倍鉆孔直徑時(shí)，此處已接近原巖應(yīng)力狀態(tài)停止加壓，保持壓力恒定，記此時(shí)壓力為Ps(A)無限體圓形鉆孔平面應(yīng)變受力狀態(tài)32-1+T-p0232-1-p0假設(shè)鉆孔中存在壓力P0的裂隙水時(shí)，則初始開裂壓力Pi在初始

47、裂隙產(chǎn)生后，將水壓卸除，使裂隙閉合，然后重新注水加壓，使裂隙重新打開，記裂隙重開的壓力為 Pr(B)(2) 測量步驟1）打鉆孔到準(zhǔn)備測量應(yīng)力的部位，用封閉器封閉待加壓段。2）向封閉段注水加壓，記錄初始開裂壓力Pi；繼續(xù)加壓注水，使裂隙擴(kuò)張至3倍鉆孔直徑，關(guān)閉高壓系統(tǒng)，保持水壓恒定，記錄此時(shí)關(guān)閉壓力Ps；最后卸壓，使裂隙閉合。3）重新向封閉段注水加壓，記錄裂隙重新打開的壓力Pr和隨后的恒定關(guān)閉壓力PS；重復(fù)此加壓卸壓的過程23次。4）完全卸壓，取出全部設(shè)備。5）采用印模器等設(shè)備測量水壓致裂裂隙的位置、方向和大小。點(diǎn)評（直接法）優(yōu)點(diǎn)：(1)設(shè)備簡單。只需用普通鉆探方法打鉆孔，用雙止水裝置密封，用液

48、壓泵通過壓裂裝置壓裂巖體，不需要復(fù)雜的電磁測量設(shè)備。(2)操作方便 只通過液壓泵向鉆孔內(nèi)注液以壓裂巖體，觀測壓裂過程中泵壓、液量即可。(3)測值直觀。它可根據(jù)壓裂時(shí)泵壓(初始開裂泵壓、穩(wěn)定開裂泵壓、關(guān)閉壓力、開啟壓力)計(jì)算出地應(yīng)力值，不需要復(fù)雜的換算及輔助測試，同時(shí)還可求得巖體抗拉強(qiáng)度。(4)測值代表性大。所測得的地應(yīng)力值及巖體抗拉強(qiáng)度是代表較大范圍內(nèi)的平均值，有較好的代表性。(5)適應(yīng)性強(qiáng)。這一方法不需要電磁測量元件，不怕潮濕，可在干孔及孔中有水條件下作試驗(yàn)，不怕電磁干擾，不怕震動(dòng)。 因此，這一方法越來越受到重視和推廣。缺點(diǎn)： (1) 準(zhǔn)確的說，是一個(gè)二維地應(yīng)力測量方法，它是假定鉆孔方向是一

49、個(gè)主應(yīng)力方向，因?yàn)橐话愦怪钡貞?yīng)力是一個(gè)主應(yīng)力，所以可以測另兩個(gè)（原巖）主應(yīng)力； (2) 主應(yīng)力方向定得不準(zhǔn)，適用于完整脆性巖體二維地應(yīng)力測量（P145蔡）（3）水壓致裂法的優(yōu)缺點(diǎn)2 聲發(fā)射法（1）測試原理 材料在受到外荷載作用發(fā)生破壞時(shí)，其內(nèi)部貯存的應(yīng)變能快速釋放產(chǎn)生彈性波，從而發(fā)出聲響，稱為 。1950年，德國人凱澤(JKaiser)發(fā)現(xiàn)多晶金屬的應(yīng)力從其歷史最高水平釋放后，再重新加載，當(dāng)應(yīng)力未達(dá)到先前最大應(yīng)力值時(shí)，很少有聲發(fā)射產(chǎn)生，而當(dāng)應(yīng)力達(dá)到和超過歷史最高水平后，則大量產(chǎn)生聲發(fā)射，這一現(xiàn)象叫做 。從很少產(chǎn)生聲發(fā)射到大量產(chǎn)生聲發(fā)射的轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱為 ，該點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力即為材料先前受到的最大應(yīng)力。

50、后來國外許多學(xué)者證實(shí)了在巖石壓縮試驗(yàn)中也存在凱澤效應(yīng)，許多巖石如花崗巖、大理巖、石英巖、砂巖、輝長巖、閃長巖、片麻巖、輝綠巖、灰?guī)r、礫巖等也具有顯著的凱澤效應(yīng)，從而為應(yīng)用這一技術(shù)測定巖體初始應(yīng)力奠定了基礎(chǔ)。 凱澤效應(yīng)為測量巖石應(yīng)力提供了一個(gè)途徑，即如果從原巖中取回定向的巖石試件，通過 進(jìn)行加載聲發(fā)射試驗(yàn)， ，即可找出每個(gè)試件以前所受的最大應(yīng)力，并進(jìn)而求出取樣點(diǎn)的原始(歷史)三維應(yīng)力狀態(tài)。 聲發(fā)射 凱澤效應(yīng)凱澤點(diǎn)加工不同方向的巖石試件測定凱澤點(diǎn)(2)測試步驟1）試樣制備 現(xiàn)場鉆孔提取巖樣，巖樣在原環(huán)境中的方向必須確定。將巖樣加工成圓柱體試件，高徑比為2：1-3：1。沿測點(diǎn)的六個(gè)不同方向制備試件。

51、為了獲得測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，每個(gè)方向的試件為15-25塊。 為了消除由于試件端部與壓力試驗(yàn)機(jī)上、下壓頭之間摩擦所產(chǎn)生的噪聲和試件端部應(yīng)力集中，試件兩端可澆鑄由環(huán)氧樹脂或其他復(fù)合材料制成的端帽。 2) 聲發(fā)射測試加壓試件并同時(shí)監(jiān)測產(chǎn)生的聲發(fā)射現(xiàn)象。 附圖421(3)計(jì)算地應(yīng)力 由每次試驗(yàn)得到的凱澤點(diǎn)可以確定該試件軸線方向先前受到的最大應(yīng)力值。 1525個(gè)試件獲得一個(gè)方向的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，六個(gè)方向的應(yīng)力值即可確定取樣點(diǎn)的歷史最大三維應(yīng)力大小和方向。注意： 高強(qiáng)度的脆性巖石具有較明顯的聲發(fā)射凱澤效應(yīng)，而多孔隙低強(qiáng)度及塑性巖體的凱澤效應(yīng)不明顯，不能用聲發(fā)射法測定比較軟弱疏松巖體中的應(yīng)力?；驹恚喝藶榈貙⑿?/p>

52、要測定巖體地應(yīng)力狀態(tài)處的巖體單元與周圍巖體分離，此時(shí)巖體單元上所受的應(yīng)力被解除，將產(chǎn)生彈性恢復(fù)。應(yīng)用一定的儀器測定彈性恢復(fù)的應(yīng)變值或變形值，根據(jù)連續(xù)、均質(zhì)和各向同性的線彈性理論的解答來計(jì)算巖體單元所受的應(yīng)力狀態(tài)。3 應(yīng)力解除法巖體應(yīng)力測量中應(yīng)用較廣的方法適用條件：各種巖體條件，包括較為破碎的巖體。 其測量和計(jì)算都較復(fù)雜。（略）(一）孔底應(yīng)力解除法（自學(xué)，P109圖4-13）(1)測量原理: 進(jìn)行巖體中某點(diǎn)應(yīng)力量測時(shí)，先向該點(diǎn)鉆進(jìn)一定深度的超前小孔，在此小鉆孔中埋設(shè)鉆孔傳感器，再通過鉆取一段同心的管狀巖芯而使應(yīng)力解除，根據(jù)恢復(fù)應(yīng)變及巖石的彈性常數(shù)，即可求得該點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。（二）套孔應(yīng)力解除法發(fā)展

53、時(shí)間最長，技術(shù)比較成熟；在適用性和可靠性方面，目前還沒哪種方法可以和應(yīng)力解除法相比。(2)測量步驟：附圖3-12 P149蔡1）打大孔：從巖體表面打大孔至巖體應(yīng)力測量部位，磨平孔底，清洗鉆孔； 大孔直徑一般為130150mm，大孔深度為巷道跨度的倍以上， 一定的同心度；2）打小孔并放水沖洗鉆孔： 小孔直徑由選用探頭直徑?jīng)Q定，一般為3638mm，小孔深度一般 為孔徑的10倍左右。3）安裝測量探頭至小孔中央部位：4）巖石打孔，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力解除： 通過量測系統(tǒng)（測量探頭等）測得的小孔變形或應(yīng)變，根據(jù)有關(guān)計(jì) 算公式求出小孔周圍原巖應(yīng)力。 (3) 適用范圍： 因?yàn)樵摲椒ㄒ笕〕鲎銐蜷L的完整巖芯，一方面是保障

54、直徑變化測量的可靠性，確保處于彈性狀態(tài)，彈性理論才是適用的；另一方面要用它測定巖石的彈性模量。 該方法要求在取得完整巖芯的巖體中進(jìn)行，一般至少要能取出達(dá)到大孔直徑2倍長度的巖芯，因此在破碎和弱面多的巖體中，或在極高的原巖應(yīng)力區(qū)巖芯發(fā)生“餅狀”斷裂的情況下不宜使用。1）剛性測量探頭不適于應(yīng)力接觸測量，因?yàn)樗鼘?yīng)力解除過程種的小孔變形或應(yīng)變有限制或約束，影響套孔巖芯種的應(yīng)力釋放。2）要得到巖體全應(yīng)力的六個(gè)獨(dú)立的應(yīng)力分量，需要有三個(gè)不用方向的鉆孔進(jìn)行測量。(4)注意：4 應(yīng)力恢復(fù)法（直接法，與應(yīng)力解除法區(qū)別）(1) 適用范圍：僅用于巖體表層，當(dāng)已知某巖體中的主應(yīng)力方向時(shí)，采用本方法較為方便。(2)基

55、本原理：在與所測應(yīng)力1垂直方向上開應(yīng)力解除槽，槽上下附近周圍應(yīng)力得到部分解除，重新分布。若把槽看作一條縫，根據(jù)穆斯海里什維理論，則槽中垂線OA上的應(yīng)力狀態(tài)為：1x,1y：OA線上某點(diǎn)B的應(yīng)力分量 ：B點(diǎn)離槽中心O距離的倒數(shù)。在槽中埋設(shè)壓力枕，通過壓力枕對槽加壓，如施加壓力為p，則在OA直線上某點(diǎn)B的應(yīng)力分量為：x=1x+2x=2y=1y+2y=1當(dāng)壓力枕所施加的力p=1時(shí)，這時(shí)B點(diǎn)的總應(yīng)力分量為：(3)測試步驟：2) 記錄量測元件應(yīng)變計(jì)的初始讀數(shù)。3) 開鑿解除槽，記錄應(yīng)變計(jì)讀數(shù)。4) 埋設(shè)壓力枕，并用水泥砂漿充填空隙。5) 達(dá)到一定強(qiáng)度以后，連接油泵，施壓。隨著加壓p的增加，巖體變形 逐步恢

56、復(fù)。逐點(diǎn)記錄壓力p與恢復(fù)變形(應(yīng)變)的關(guān)系。6) 假設(shè)巖體為理想彈性體，當(dāng)應(yīng)變計(jì)恢復(fù)到初始讀數(shù)時(shí)，此時(shí)施加的壓 力p即為所求巖體的主應(yīng)力。1) 選定試驗(yàn)點(diǎn)，在預(yù)開解除槽（寬B, 深B2 )的中垂線上安裝測量元件（B3 ）。測量元件可以是千分表、鋼弦應(yīng)變計(jì)或電阻應(yīng)變片等。掌握次生應(yīng)力的概念了解深埋圓形洞室二次應(yīng)力狀態(tài)的彈性分布了解橢圓形及矩形巷道周邊應(yīng)力狀態(tài)了解古典和現(xiàn)代地壓理論掌握圍巖與支護(hù)共同作用原理掌握維護(hù)地下工程穩(wěn)定的基本原則 了解地下工程的監(jiān)測第五章 巖石地下工程本章主要內(nèi)容及要求：具有一定斷面和尺寸，在地應(yīng)力條件下構(gòu)筑的洞室；地下工程結(jié)構(gòu)載荷不確定性；受開挖影響，原巖應(yīng)力重新分布（次

57、生應(yīng)力場）；地下工程周圍巖體(圍巖)的穩(wěn)定性決定著地下工程的安全和正常使用 。 概述1 地下工程定義： 巖石地下工程是指在地下巖石中開挖并臨時(shí)或永久修建的各種工程，（如地下井巷、隧道、地下倉庫，地下發(fā)電廠，地下飛機(jī)等）。2 地下工程特點(diǎn)： （P117，表5-1)與地面工程所處環(huán)境條件截然不同圍巖：應(yīng)力重分布影響范圍的巖石穩(wěn)定：在服務(wù)年限內(nèi)，安全所需最小斷面得以保證地下工程自身影響達(dá)不到地表的，稱為深埋。反之淺埋 當(dāng)埋深大于或等于巷道半徑R0(或其寬、高) 的20倍以上時(shí)，巷道影響范圍（35 R0 ）以內(nèi)的巖體自重可以忽略不計(jì)；原巖水平應(yīng)力可以簡化為均勻分布，通常誤差不大（10以下）； 深埋地下

58、工程的特點(diǎn)為： 可視為無限體中的孔洞問題，孔洞各方向無窮遠(yuǎn)處，仍為原巖應(yīng)力；3 地下工程分類3.1 按地下工程影響范圍分類 深埋的水平巷道長度較大時(shí)，可作為平面應(yīng)變問題處理。3.2 地下工程穩(wěn)定性分類自穩(wěn)：不需要支護(hù)圍巖自身能保持長期穩(wěn)定人工穩(wěn)定：需要支護(hù)才能保持圍巖穩(wěn)定地下工程開挖打破平衡尋求平衡（應(yīng)力重分布）(人工穩(wěn)定)自穩(wěn)不自穩(wěn)圍巖內(nèi)危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力和位移計(jì)算圍巖壓力穩(wěn)定問題4 地下工程的實(shí)質(zhì)： 在巷道側(cè)幫，愈接近自由表面，徑向應(yīng)力越小，至洞壁處變?yōu)榱?；切向?yīng)力愈大，至洞壁處達(dá)最高值，即產(chǎn)生所謂壓應(yīng)力集中。 在巷道頂部，愈接近自由表面，切向應(yīng)力愈低，有時(shí)甚至于在洞壁附近出現(xiàn)拉應(yīng)力，產(chǎn)生所謂拉

59、應(yīng)力集中。理論與實(shí)驗(yàn)表明：地下洞室開挖，洞壁處的應(yīng)力集中現(xiàn)象最明顯；地下工程圍巖應(yīng)力重分布特點(diǎn)主要取決于地下工程的形狀和巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)。圍巖應(yīng)力重分布主要特征 (圓形巷道）：=0.25=0.25 R0P0 P0在應(yīng)用解析方法時(shí)，對于不同的物理狀態(tài)應(yīng)選用不同的物理關(guān)系式： 對于地下工程圍巖能夠自穩(wěn)，圍巖狀態(tài)一般處于全應(yīng)力應(yīng)變曲線的峰前段，可采用變形體力學(xué)方法。(當(dāng)巖體的應(yīng)力不超過彈性范圍時(shí)，最適宜用彈性力學(xué)方法；否則宜采用彈塑性力學(xué)或損傷力學(xué)方法。) 當(dāng)圍巖應(yīng)力進(jìn)入峰后段，巖體可能發(fā)生剛體滑移或者張裂狀態(tài)，變形體方法不適宜，宜采用塊體力學(xué)或一些初等力學(xué)方法。5.3 地下工程圍巖應(yīng)力分析1 彈

60、性應(yīng)力分析2 彈塑性應(yīng)力分析（軸對稱圓巷）5.3 地下工程圍巖應(yīng)力分析軸對稱圓形巷道問題 一般圓巷道彈性應(yīng)力分析 橢圓巷道彈性應(yīng)力分析 矩形和其它形狀巷道周邊彈性應(yīng)力1 彈性應(yīng)力分析 R0 p0 p0 軸對稱圓形巷道問題 基本假設(shè) 1) 軸對稱條件： 圓形巷道，地應(yīng)力呈靜水壓力分布 2) 線彈性平面問題條件 均質(zhì)各向同性、線彈性巖體 長巷道（平面應(yīng)變） 3) 無限體問題條件(深埋, Z20R0)彈性力學(xué)：軸對稱平面應(yīng)變圓孔問題1) 通解：r/ = A B/r22) 邊界條件： 基本方法： 彈性力學(xué)問題 通解+定值(邊界)條件基本方程：平衡方程：幾何方程：本構(gòu)方程（平面應(yīng)變）：待求：r，r=p0