巖土力學(xué)課件

巖體力學(xué)簡(jiǎn)介巖體力學(xué)是工程力學(xué)與工程地質(zhì)學(xué)相互滲透的邊緣學(xué)科。主要研究一定地質(zhì)環(huán)境中的巖石和巖體的強(qiáng)度、變形破壞、破碎等規(guī)律，合理利用巖體，避免不利因素，并制定巖體改造方案和技術(shù)措施。巖體力學(xué)是一門十分年輕的學(xué)科。第二次世界大戰(zhàn)以后，土木工程建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，高壩，深埋長(zhǎng)隧道、大跨度高邊墻地下建筑相繼出現(xiàn)，對(duì)巖體力學(xué)理論和技術(shù)的需求日益迫切，巖體力學(xué)工作逐步發(fā)展起來(lái)。1951年，在奧地利的薩爾茨堡組織了第一個(gè)地區(qū)性巖石力學(xué)協(xié)會(huì)。1962年，在該協(xié)會(huì)倡議下成立了國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)，并于1966～1983年間召開(kāi)了五次國(guó)際巖石力學(xué)討論會(huì)，對(duì)巖體力學(xué)發(fā)展起了推動(dòng)作用。中國(guó)在1949年以后，在水利水電建設(shè)過(guò)程中形成自己的巖體力學(xué)勘測(cè)試驗(yàn)隊(duì)伍，成立了中國(guó)科學(xué)院巖體土力學(xué)研究所、長(zhǎng)江水利水電科學(xué)院巖基研究室等研究機(jī)構(gòu)，促進(jìn)了中國(guó)巖體力學(xué)的發(fā)展。二十世紀(jì)70年代以來(lái)，在一些高等院校中建立了巖體力學(xué)教研室，開(kāi)設(shè)了巖體力學(xué)課；在一些工程勘察設(shè)計(jì)院中建立了巖體力學(xué)試驗(yàn)研究隊(duì)伍。開(kāi)始了對(duì)高壩壩基，大跨度高邊墻地下洞室圍巖穩(wěn)定性，及高達(dá)300米以上的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題，以及對(duì)巖石流變、巖石斷裂及巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)等理論開(kāi)展了研究。巖體力學(xué)主要研究巖體上各種工程地基的變形、破壞；巖體邊坡的變形、破壞。地下工程的圍巖變形、破壞、開(kāi)挖和支護(hù)；巖體改造方案及技術(shù)。必須研究的基本問(wèn)題有：巖體結(jié)構(gòu)，特別是結(jié)構(gòu)面的地質(zhì)規(guī)律；巖體中應(yīng)力，包括地應(yīng)力及工程建設(shè)引起的二次應(yīng)力；巖體變形規(guī)律；巖體破壞機(jī)制及強(qiáng)度理論；巖體水力學(xué)理論。巖體力學(xué)的基本理論主要有巖體地質(zhì)研究、巖體力學(xué)試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)、巖體的力學(xué)分析和巖體改造方案及技術(shù)措施研究。這四部分研究工作與巖體工程研究的階段相對(duì)應(yīng)，逐步地開(kāi)展和應(yīng)用。巖體力學(xué)的應(yīng)用主要是與巖體工程階段結(jié)合分為三類：巖體力學(xué)特性普查、專門巖體力學(xué)問(wèn)題研究和巖體變形觀測(cè)監(jiān)測(cè)及反分析。概述巖石是自然界中各種礦物的集合體，是天然地質(zhì)作用的產(chǎn)物，一般而言，大部分新鮮巖石質(zhì)地均堅(jiān)硬致密，空隙小而少，抗水性強(qiáng)，透水性弱，力學(xué)強(qiáng)度高。巖石是構(gòu)成巖體的基本組成單元。相對(duì)于巖體而言，巖石可看作是連續(xù)的、均質(zhì)的、各向同性的介質(zhì)。巖石中的微結(jié)構(gòu)面巖石中的微結(jié)構(gòu)面對(duì)巖石工程性質(zhì)的影響很大，其主要影響為：首先，微結(jié)構(gòu)面的存在將大大降低巖石（特別是脆性巖石）的強(qiáng)度。其次，由于微結(jié)構(gòu)面在巖石中常具有方向性，如裂隙等，因此它們的存在常導(dǎo)致巖石的各向異性。此外，缺陷能增大巖石的變形，在循環(huán)加荷時(shí)引起滯后現(xiàn)象，還能改變巖石的彈性波波速，改變巖石的電阻率和熱傳導(dǎo)率等等。巖石的地質(zhì)成因分類自然界中有各種各樣的巖石，不同成因的巖石具有不同的力學(xué)特性，因此有必要根據(jù)不同成因?qū)r石進(jìn)行分類。根據(jù)地質(zhì)學(xué)的巖石成因分類可把巖石分為巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖三大類。

A、巖漿巖

B、沉積巖

C、變質(zhì)巖B、沉積巖是由風(fēng)化剝蝕作用或火山作用形成的物質(zhì)，在原地或被外力搬運(yùn)，在適當(dāng)條件下沉積下來(lái)，經(jīng)膠結(jié)和成巖作用而形成的，具層理構(gòu)造。巖石的物理性質(zhì)是指由巖石固有的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征所決定的比重、容重、孔隙率等基本屬性。巖石力學(xué)計(jì)算及工程設(shè)計(jì)中常用到巖石容重。根據(jù)巖石的含水狀況，將容重分為：天然容重干容重飽和容重二、巖石的比重

巖石的比重是巖石固體部分的重量和4時(shí)同體積純水重量的比值，即

巖石的比重，在數(shù)值上等于其密度，它取決于組成巖石的礦物比重及其在巖石中的相對(duì)含量。成巖礦物的比重愈大，則巖石的比重愈大。反之，則巖石的比重愈小。三、巖石的孔隙性

巖石的孔隙率n是指巖石孔隙的體積與巖石總體積的比值，以百分?jǐn)?shù)表示。

巖石的孔隙比ee=Vp/Vs=n/(1-n)

四、巖石的水理性巖石與水相互作用時(shí)所表現(xiàn)的性質(zhì)稱為巖石的水理性。包括巖石的吸水性、透水性、軟化性和抗凍性。A、巖石的吸水性巖石在一定條件下吸收水分的性能稱為巖石的吸水性。它取決于巖石的孔隙的數(shù)量、大小、開(kāi)閉程度和分布情況。

吸水率w=Gw/Gs×100%Gw：在大氣壓力和室溫條件下自由吸入水的重量Gs：巖樣干重C、巖石的軟化性巖石浸水后強(qiáng)度降低的性能稱為巖石的軟化性。巖石的軟化性常用軟化系數(shù)KR來(lái)衡量。軟化系數(shù)是巖樣飽水狀態(tài)的抗壓強(qiáng)度與自然風(fēng)干狀態(tài)抗壓強(qiáng)度的比值，用小數(shù)表示，即KR=Rw/Rd式中Rw為飽水巖樣的抗壓強(qiáng)度（kPa）；Rd為自然風(fēng)干巖樣的抗壓強(qiáng)度（kPa）.巖石的變形

孔隙裂隙壓密階段（OA段），彈性變形至微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段（AC段），非穩(wěn)定破裂穩(wěn)定發(fā)展階段（CD段），破壞后階段（D點(diǎn)以后段）。

峰值后巖石的變形

單調(diào)加載－加載逐漸增加，直至破壞εσεσ峰值后巖石的變形循環(huán)加載－試樣在破壞前歷經(jīng)卸載再加載的過(guò)程疲勞破壞—巖土因重復(fù)荷載作用而引起的破壞。疲勞強(qiáng)度—在無(wú)限多次交變載荷作用下而不破壞的最大應(yīng)力。三軸壓縮條件下的巖石變形巖石的變形參數(shù)及其確定—變形模量、泊松比2.若其應(yīng)力-應(yīng)變曲線非直線剪切模量—在彈性變形階段內(nèi)，剪應(yīng)力和對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)變的比值。拉梅常數(shù)—表示材料的壓縮性。體積模量—在三向應(yīng)力作用下，平均正應(yīng)力與相應(yīng)的體積應(yīng)變之比。巖石的蠕變(Creep)蠕變：在恒定應(yīng)力的作用下，應(yīng)變隨時(shí)間增加而增加的現(xiàn)象εt穩(wěn)定型蠕變不穩(wěn)定型蠕變穩(wěn)定型蠕變當(dāng)巖石在較小的應(yīng)力作用下，應(yīng)變隨時(shí)間增加而增加至某一值后，趨于穩(wěn)定不穩(wěn)定型蠕變當(dāng)巖石所受應(yīng)力超過(guò)某一值時(shí)，應(yīng)變隨時(shí)間增加而增加，直至破壞典型蠕變曲線的三個(gè)階段OA段：瞬時(shí)變形初期蠕變I(AB段)應(yīng)力卸載至0，則應(yīng)變會(huì)慢慢恢復(fù)至0，沒(méi)有永久變形(彈性后效)，又稱暫時(shí)蠕變等速蠕變II(BC段)應(yīng)變隨時(shí)間約等速增加，應(yīng)力卸載至0，會(huì)殘留永久變形加速蠕變III(CD段)應(yīng)變速率會(huì)加快，直至破壞εtIIIIIIABCDO影響巖石蠕變的因素巖石的主要破壞形式拉伸破壞劈裂破壞剪切破壞延性破壞巖石材料的試驗(yàn)機(jī)剛性機(jī)非剛性機(jī)巖石的強(qiáng)度巖石的強(qiáng)度——表示巖石抵抗外力破壞能力的大小峰值強(qiáng)度——在臨近破壞時(shí)具有的最大承載能力。殘余強(qiáng)度——在發(fā)生破壞后仍然具有的承載能力。巖石的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度——巖石在壓縮、剪切或拉伸應(yīng)力作用下的抗破壞能力各不相同，與之相對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度值分別為抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。巖石的單壓強(qiáng)度指巖石試樣在無(wú)側(cè)限的條件下，受單軸壓力作用下，發(fā)生破壞時(shí)，試樣單位面積上所承受的荷載影響單壓強(qiáng)度的主要因素巖石本身性質(zhì)：礦物成分，膠結(jié)情況，風(fēng)化作用，密度試驗(yàn)條件：加載速率（大），形狀效應(yīng)（圓形），尺寸效應(yīng)（小），端面效應(yīng)（減少承壓端鈑與試樣間的摩擦力），水的作用（?。?，高徑比（?。r石的抗拉強(qiáng)度指巖石試樣在單向拉伸時(shí)所能承受的最大拉應(yīng)力方法：直接拉伸法、劈裂法、抗彎法巖石的抗拉強(qiáng)度－直接拉伸法直接拉伸法(DirectTensileTest)(1)裁切試樣，高徑比約2(2)將試樣中央段(L/3)磨成細(xì)頸形，成為骨頭狀試樣(3)夾住試樣兩端，并利用試驗(yàn)機(jī)將試樣拉斷，則抗拉強(qiáng)度夾具1.5~2cm5cm(斷面積A)試樣試樣軸線PPP:試樣破壞時(shí)的極限拉力關(guān)鍵技術(shù)①試件和夾具之間的連接②加力P與試件同心巖石的抗拉強(qiáng)度－劈裂法基本原理為圓盤受徑向壓縮的彈性理論解要求：厚徑比約0.5(如直徑D=5cm，則厚度t=2.5cm)抗拉強(qiáng)度為①荷載沿軸向均勻分布②破壞面必須通過(guò)試件的直徑要求點(diǎn)荷載試驗(yàn)－單壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度求取的簡(jiǎn)易方法試驗(yàn)儀器攜帶方便，適合現(xiàn)地試驗(yàn)可用來(lái)推估巖石的單壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度以點(diǎn)荷載儀的兩個(gè)圓錐，來(lái)夾破巖石試樣試件：任何形狀，尺寸大致5cm，不做任何加工。

試驗(yàn)：在直接帶到現(xiàn)場(chǎng)的點(diǎn)荷載儀上，加載劈裂破壞。計(jì)算：式中：P——試件破壞時(shí)的極限D(zhuǎn)——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，即建議：用φ5cm的鉆孔巖芯為試件。巖石的抗剪強(qiáng)度直剪試驗(yàn)試驗(yàn)儀類似于土的直剪儀，原理則相同對(duì)不規(guī)則試樣則用水泥砂漿澆制一起剪切三軸試驗(yàn)試驗(yàn)設(shè)備類似于土的三軸儀，但體積較大，而原理則相同所施加的垂直壓力和圍壓較土的大許多，且壓力通常利用油壓施加直剪儀和三軸儀1.定義

指一定的應(yīng)力條件下（主要指壓應(yīng)力），所能抵抗的最大剪應(yīng)力常用τ表示2.類型：a.抗剪斷試驗(yàn)b.抗切斷試驗(yàn)c.弱面抗剪試驗(yàn)室內(nèi)試驗(yàn)（抗切斷試驗(yàn)）

①試驗(yàn)楔形剪切儀，加載裝置②計(jì)算公式式中：p——壓力機(jī)的總壓力

α——試件傾角f——圓柱形滾子與上下壓板的摩擦系數(shù)抗剪斷儀QQNNPPfαα剪切破壞面上的正應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ為：巖石的抗剪斷σ－τ曲線（強(qiáng)度曲線）

改變夾具傾角α；α在30度到70度之間做一組（大于5次）不同α的試驗(yàn)，記錄所得的σ，τ值；由該組值作曲線近似直線得方程

式中tanφ－巖石抗剪切內(nèi)摩擦系數(shù)c－巖石的粘結(jié)力（內(nèi)聚力）巖石在三向壓縮應(yīng)力作用下的強(qiáng)度1.定義指在不同三向壓縮應(yīng)力作用下巖石抵抗外荷載的最大應(yīng)力

2.三向壓縮試驗(yàn)簡(jiǎn)介（1）真三軸見(jiàn)圖（2）假三軸見(jiàn)圖4.巖石三向壓縮強(qiáng)度的影響因素（1）側(cè)壓力的影響

圍壓越大，軸向壓力越大（2）加載途徑對(duì)巖石三向壓縮強(qiáng)度影響（圖2-13）

A、B、C三條虛線是三個(gè)不同的加載途徑，加載途徑對(duì)巖的最終三向壓縮強(qiáng)度影響不大。（3）孔隙水壓力對(duì)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)度降低巖石的破壞準(zhǔn)則對(duì)低圍壓和常溫下的堅(jiān)硬巖石，多屬脆性破壞；對(duì)高圍壓、高溫和軟巖而言，常為塑性破壞或稱延性破壞用來(lái)判斷材料的破壞條件之方程式，稱為破壞準(zhǔn)則或強(qiáng)度準(zhǔn)則；而探討材料破壞的原因、過(guò)程或條件的理論，稱為破壞理論或強(qiáng)度理論常用的巖石強(qiáng)度理論有：Mohr強(qiáng)度理論、Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論、Griffith脆性破壞理論Mohr強(qiáng)度理論Mohr強(qiáng)度理論——當(dāng)材料達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，材料某一平面的剪應(yīng)力會(huì)超過(guò)該平面上的抗剪強(qiáng)度而破壞，而此抗剪強(qiáng)度τf為該平面法線方向正應(yīng)力σ的函數(shù)，即此函數(shù)在σ-τ坐標(biāo)軸中為一曲線，為巖石試樣在單拉、單壓和不同圍壓的三軸試驗(yàn)所求得的各極限應(yīng)力狀態(tài)下的Mohr圓的包絡(luò)線(破壞包絡(luò)線)Mohr強(qiáng)度理論破壞包絡(luò)線三軸壓縮試驗(yàn)單壓試驗(yàn)劈裂試驗(yàn)單拉試驗(yàn)常見(jiàn)的Mohr破壞包絡(luò)線的曲線形狀有：(1)拋物線；(2)雙曲線；(3)直線(Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則)Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論若工程的應(yīng)力變化范圍不大，則土或巖石材料可采用直線的破壞包絡(luò)線以方便應(yīng)用，此直線型破壞包絡(luò)線采用Coulomb抗剪強(qiáng)度公式，故稱為Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，即或Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論Griffith強(qiáng)度理論1921年針對(duì)脆性材料的破壞研究結(jié)果指出：脆性材料的破壞是由于材料內(nèi)部已存在的裂隙尖端所產(chǎn)生的應(yīng)力集中超過(guò)材料強(qiáng)度時(shí)，使得裂縫延伸并發(fā)展的結(jié)果其破壞準(zhǔn)則是通過(guò)裂縫尖端的應(yīng)力場(chǎng)與材料抗拉強(qiáng)度的比較推導(dǎo)而得Griffith首開(kāi)研究破裂力學(xué)的先河，對(duì)巖石破壞準(zhǔn)則的研究發(fā)展貢獻(xiàn)很大Griffith強(qiáng)度理論基本假設(shè)

(1)巖體內(nèi)的裂隙形狀是扁平的橢圓形(2)相鄰的裂隙不會(huì)互相影響(3)材料特性(如強(qiáng)度)的局部變化可以忽略(4)橢圓裂縫及其周圍材料上的應(yīng)力系統(tǒng)可作為二維問(wèn)題處理βGriffith強(qiáng)度理論由橢圓壁上任意點(diǎn)的切向應(yīng)力公式和單軸拉伸試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度的結(jié)果，可推導(dǎo)得Griffith破壞準(zhǔn)則，即且最危險(xiǎn)角β為：抗拉強(qiáng)度，為負(fù)值βGriffith強(qiáng)度理論Griffith破壞準(zhǔn)則(σ1

-σ3

空間)此時(shí)最危險(xiǎn)角β為(1)(2)此時(shí)最危險(xiǎn)角β為巖體1）巖體結(jié)構(gòu)要素

結(jié)構(gòu)體

結(jié)構(gòu)面

軟弱結(jié)構(gòu)面（夾泥的，水，泥）

堅(jiān)硬結(jié)構(gòu)面（干凈的，水，氣）

板狀結(jié)構(gòu)體（長(zhǎng)厚>15）

塊狀結(jié)構(gòu)體（短軸的）

2）巖體力學(xué)性質(zhì)

穩(wěn)定特征

強(qiáng)度特征

變形特征

巖體抵抗外作用的能力

3）影響巖體力學(xué)性質(zhì)因素

環(huán)境因素（地應(yīng)力的作用、水的作用……）結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)

巖體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性質(zhì)（空間組合、與工程關(guān)系）

結(jié)構(gòu)體（巖石）力學(xué)分析

結(jié)構(gòu)面巖體是由結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體兩部分組成的。結(jié)構(gòu)面也稱不連續(xù)面，切割巖體的各種地質(zhì)界面統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)面。它們是一些具有一定方向、延展較廣、厚度較薄的二維地質(zhì)界面，如層面、沉積間斷面、節(jié)理、斷層等，也包括厚度較薄的軟弱夾層。結(jié)構(gòu)面在空間按不同組合，可將巖體切割成不同形狀和大小的塊體，這些被結(jié)構(gòu)面所圍限的巖塊稱為結(jié)構(gòu)體。巖體的結(jié)構(gòu)特征，就是指巖體中結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的形狀、規(guī)模、性質(zhì)及其組合關(guān)系的特征。

結(jié)構(gòu)面的成因類型1)原生結(jié)構(gòu)面

(1)沉積結(jié)構(gòu)面沉積巖的層理、層面、沉積間斷面及沉積軟弱夾層等都屬于沉積結(jié)構(gòu)面。(2)火成結(jié)構(gòu)面巖漿侵入、噴溢及冷凝過(guò)程中形成的結(jié)構(gòu)面，如流層、冷凝節(jié)理、侵入體與圍巖的接觸面及巖漿間歇噴溢所形成的軟弱接觸面等。(3)變質(zhì)結(jié)構(gòu)面變質(zhì)結(jié)構(gòu)面可分為殘留的變余結(jié)構(gòu)面和變成的重結(jié)晶結(jié)構(gòu)面兩種。沉積巖的層間裂隙

2)構(gòu)造結(jié)構(gòu)面包括節(jié)理、劈理、斷層、層間剪切帶等，也稱構(gòu)造結(jié)構(gòu)面。3)次生結(jié)構(gòu)面主要是由風(fēng)化作用、卸荷及人類活動(dòng)所形成的結(jié)構(gòu)面，其共同特點(diǎn)是只分布在地表或地表以下數(shù)十米的范圍內(nèi)。巖體結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)構(gòu)面狀態(tài)產(chǎn)狀：傾向、傾角、走向（與工程關(guān)系）形態(tài)：起伏度、粗造度（影響抗滑力）延展度：相對(duì)工程巖體范圍內(nèi)