岩体力学考试专用复习资料

岩体：是指在地质历史过程中形成的，由岩块和结构面网络组成的，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。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的延伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面或带。结构面的成因类型：（一）地质成因类型：1、原生结构面2、构造结构面3、次生结构面；（二）力学成因类型：1、张性结构面2、剪性结构面岩石的吸水性指标：1、吸水率：是指岩石试件在大气压力和室温条件下自由吸入水的质量mw1与岩样干质量ms之比。2、饱和吸水率：是指岩石试件在高压（一般压力为15MP）或真空条件下吸入水的质量mw2与岩样干质量ms之比。3、饱水系数：岩石的吸水率Wa与饱和吸水率Wp之比。岩石的软化性指标：软化系数（KR）：岩石试件的饱和抗压强度与干抗压强度的比值。软化系数是评价岩石力学性质的重要指标。当软化系数KR＞0.75时，软化性弱，抗冻性和抗风化能力强；当软化系数KR＜0.75时，软化性较强，工程地质性质差。岩石的抗冻性指标：1、抗冻系数（Rd）：是指岩石试件经反复冻融后的干抗压强度与冻融前干抗压强度之比。2、质量损失率（Km）：是指冻融试验前、后干质量只差（ms2-ms1）与试验前干质量ms1之比。岩石单轴抗压强度，实验方法：（1）抗压实验——完整（2）点荷载实验——分散岩石的三轴压缩强度单轴抗拉强度：岩块试件在单向拉伸时能承受的最大拉应力。岩石单轴抗拉强度的确定：岩块的抗拉强度是通过室内试验测定的，其方法包括直接拉伸法和间接法两种。在间接法中，又有劈裂法、抗弯法及点载荷法等。其中以劈裂法和点载荷法最常用。剪切强度：1、抗剪断强度：是指试件在一定的法向应力作用下，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力。2、抗切强度：是指试件上的法向应力为零时，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力。3、摩擦强度：是指试件在一定的法向应力作用下，沿已有破裂面（层面、节理等）再次剪切破坏是的最大剪应力。结构面的变形与强度性质：1、法向刚度：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，数值上等于σn-Vｊ曲线上一点的切线斜率。是反映结构面法向变形性质的重要参数。2、剪切刚度：是反映结构面剪切变形性质的重要参数，其数值等于峰值前τ-u曲线上任一点的切线斜率。3、①②③（剪断凸起条件）)2/45()2/45(2sin1sin122octoctgCtgC)tan(ibCtantan)tan(1iCb图：1、2、3、测算岩体的变形试验：1、承压板法2、钻孔变形法3、狭缝法岩体的剪切强度：1、抗剪断强度2、抗剪强度3、抗切强度RQD：大于10cm的岩芯累计长度与钻孔进尺长度之比的百分数。RMR分类：1、根据各类参数的实测资料，按岩块强度、RQD值、节理间距、节理条件及地下水条件评分。2、将给类参数的评分值相加得岩体质量总分RMR值，并依节理方位对岩体稳定是否有利作适当的修正。3、用修正后的岩体质量总分RMR值，查得岩体类别及相应的不支护地下开挖的自稳时间和岩体强度指标（C、Ф）。BQ法分类：1、按岩体的基本质量指标BQ=90+3σcw+250Kv进行初步分级。•当σcw＞90Kv＋30时，以σcw＝90Kv＋30和Kv代入上式计算BQ值；•当Kv＞0.04σcw＋0.4时，以Kv＝0.04σcw＋0.4和σcw代入上式计算BQ值。•σcw为岩块饱和单轴抗压强度Kv为岩体的完整性系数2、针对各类工程岩体的特点，考虑其他影响因素对BQ进行修正［BQ］＝BQ－100(K1＋K2＋K3)K1-地下水影响修正系数；K2-主要软弱面产状影响修正系数；K3-天然应力影响修正系数。3、按修正后的［BQ］进行详细分级天然应力：人类工程活动之前存在于岩体中的应力重分布应力：人类在岩体表面或岩体中进行工程活动的结果，必将引起一定范围内岩体中天然应力的改变。岩体中这种由于工程活动改变后的应力。岩体中天然应力分布的规律：1、地壳中主应力一压应力为主，方向基本上是垂直和水平的2、天然应力场是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，是时间和空间的函数2rpmpvVVK3、垂直天然应力随深度呈线性增长4、水平天然应力分布比较复杂5、天然水平应力与垂直应力的比值——天然应力比值系数6、一个相当大的区域内，最大主应力方向是相对稳定的7、区域构造场常常决定局部点的主应力8、天然应力状态——三维应力状态岩体天然应力测量：1、应力恢复法2、套心法3、水压致裂法岩石的强度理论：1、库伦强度准则：（1）式子：剪切式三向应力式单向应力式（2）应用：①判断岩石在某一应力状态下是否破坏（用应力圆）②预测破坏面的方向③进行岩石强度计算（3）原理：岩石的破坏主要是剪切破坏，岩石的强度，及抗摩擦强度等于岩石本身抗剪切摩擦的粘结力和剪切面上法向力产生的摩擦力。边坡岩体应力的分布规律：1、无论在什么样的天然应力场下，边坡面附近的主应力迹线均明显偏转，表现为最大主应力与坡面近于平行，最小主应力与坡面近于正交，向坡体内逐渐恢复初始应力状态。2、由于应力的重分布，在坡面附近产生应力集中带，不同部位其应力状态是不同的。在坡脚附近，平行坡面的切向应力显著升高，而垂直坡面的径向应力显著降低，由于应力差大，于是就形成了最大剪切应力增高带，最易发生剪切破坏。在坡肩附近，在一定条件下坡面径向应力和坡顶切向应力可转化为拉应力，形成一拉应力带。边坡越陡，则带范围越大，因此，坡肩附近最易拉裂破坏。3、在坡面上各处的径向应力为零，因此坡面岩体仅处于双向应力状态，向破内逐渐转为三向应力状态。4、由于主应力偏转，坡体内的最大剪应力迹线也发生变化，由原来的直线变为凹向坡面的弧线。稳定性计算方法：围岩应力重分布作用：地下开挖后围岩中应力应变调整而引起围岩中原有应力大小、方向和性质改变的作用。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。31sin1sin1sin1sin12ctanc)sin(sinsin2gHCtgtgjj)]sin()[sin(cossin2jjjcrgCH2sin231212cos31211212cos43121121220440440220220440220rRrRrRrRrRrRrRvvvrr计算题：1.如图2，岩块试件受双向应力状态，其应力量:σx=12Mpa,σy=20Mpa,τxy=-8Mpa，求：(1)绘出代表应力状态的摩尔应力圆，并根据图形确定其主应力的大小与方向(σ1与X轴的夹角）(2)用解析法和图解法求图中斜面上的正应力σn和剪应力τn，并进行对比。（1）（2）解析法：图解法：2sin23122cos312122cos431212220440440220220440220rRrRrRrRrRrRrRVhVhVhVhVhrr02cos)1(212cos)(20rVVhVhrmmmmimmmctgCpctgCRRsin2sin1001)sin1)((mm11001sin11sin1,)1()1(12iccpRR1σ3στσ2σyxσo221223oo12522722tan22231.72,:x9058.28xyxyxyxyxyxyxyxyMPaMPa＝则与轴的夹角为－＝cos2sin210.8222sin2cos27.282xyxynxyxynxyMPaMPa220220cos180222210.08sin1802227.46xyxynxyxynxyMpaMpaoσxyσστσ3σ1o2.假定岩石中一点的应力为：σ1=61.2Mpa，σ3=-11.4Mpa室内实验测得的岩石单轴抗拉强度σt=-8.7Mpa，剪切强度参数C=30Mpa,tgΦ=1.54,试用格里菲斯判据和库仑—纳维尔判据分别判断该岩块是否破坏，并讨论结果。解：原因:•格里菲斯判据是在微裂纹控制破坏和渐进破坏理论的基础上提出来的,认为老裂纹在拉应力作用下,在尖端处产生新裂纹,联合产生破坏,它适用于脆性岩石产生拉破坏的情况•库仑-纳维尔判据是在库仑最大剪应力理论的基础上提出来的,它适用于坚硬的脆性岩石产生剪切破坏的情况,不适用于张破坏3.某岩石通过三轴试验，求得其剪切强度为：C=10Mpa、φ=45°，试计算该岩石的单轴抗压强度和单轴抗拉强度？解：由4.试述岩块的单轴抗拉强度(σt)比抗压强度(σc)小得多的原因是什么？答:(1)岩块中包含有大量的微裂隙和孔隙，岩块抗拉强度受其影响很大，直接削弱了岩块的抗拉强度。(2)抗拉强度对裂隙的敏感性要强于抗压强度;(3)拉应力具有弱化强度效应.5.有一节理面的起伏角i=20°，基本摩擦角φb=35°，两壁岩石的内摩擦角φ=40°，C=10Mpa,作出节理面的剪切强度曲线。解：13132213132131361.2,11.4361.2311.427061.211.4()105.861.211.4888.769.6()8,ttMPaMPaMPa由知所以，据格里菲斯判据此点破坏。3122322231230,tan1.54,11.4,61.22(1)23011.4(11.541.54)111.541.5472.62(1)1,,.CMPafMPaMPaCffffMPaCffff又即所以据库仑纳维尔判据此点不发生破坏21sin22tan(45/2)48.3(434)1sintan(45/2)8.3(435)ocotcCCMPaMPaI(1)tan()(2)tanC16.98tantanbbbiiCCMPai当较小时：为齿面摩擦角；为结构面的起伏角。当较大时：、为结构面壁面的内摩擦角和内聚力。由上述两等式可以求得：φb+iφστ6．在图中,坡高滑面AC上的粘结力，内摩擦角岩体容重，求此边坡的稳定系数。7．拟在地表以下1500米处开挖一水平圆形洞室，已知岩体的单轴抗压强度σc=100Mpa，岩体天然密度ρ=2.75g/cm3，岩体中天然应力比值系数λ=1，试评价该地下洞室开挖后的稳定性。解：8.在地表以下200米深度处的岩体中开挖一洞径2R0=2米的水平圆形隧洞，假定岩体的天然应力为静水压力状态(即λ=1)，岩体的天然密度ρ=2.7g/cm，试求：(1)洞壁、2倍洞半径、3倍洞半径处的重分布应力；(2)根据以上计算结果说明围岩中重分布应力的分布特征；(3)若围岩的抗剪强度Cm=0.4，φm=30°，试评价该洞室的稳定性；(4)洞室若不稳定，试求其塑性变形区的最大半径（R1）解：（1）地表下200m处岩体的铅直应力：=5.290MPa岩体处于静水压力状态，λ=1，=5.290Mpa根据重分布应力公式：洞壁处=0Mpa=（3-）σV=10.584Mpa=0Mpa2倍洞径处=3.969Mpa=6.