隧道力学第4讲

•岩石的基本力学性质•岩石的流变特性•岩石的强度理论•岩体的基本力学性质第二章围岩的基本力学性质第四节岩石的强度理论一、单元应力状态•空间问题9个应力分量中只有6个相互独立•两种平面问题（平面应力状态、平面应变状态）•平面问题中独立应力分量只有3个•基本应力公式2cos2sin22sin2cos22xyyxnxyyxyxn2231)2(2xyyxyx2sin22cos22313131nn23122312)2(nn二、莫尔强度理论1、基本思想•以（脆性材料、铸铁）试验数据统计分析为基础；•不考虑中间主应力对岩石强度的影响；•由正应力和剪应力组合作用使岩石产生破坏（受拉破坏、拉剪破坏，压剪破坏）2、强度曲线——莫尔包络线)(f由于岩石的力学性质所致，莫尔包线向应力增大的方向开放，单向抗拉强度小于单向抗压强度；单向抗拉区小于单向抗压区。三、莫尔库伦强度理论tanc•极限应力圆与强度线相切；•破坏面的角度是一个定值，与应力状态无关，破坏角为；•强度线在轴上的截距为，并不是岩石的抗拉强度。cot22cot2sin31313131ccc31•莫尔强度理论使用方便、物理意义明确；•不能从岩石的破坏机理上解释其破坏的特征；•忽略了中间主应力的影响，是值得商榷的问题。四、格里菲斯强度理论断裂力学1921年提出，70年代岩石力学领域（1）实验基础：玻璃材料中的微裂纹张拉扩展，连接，贯通，导致材料破坏。（2）基本思想：在脆性材料的内部存在许多随机分布的裂纹，其中有一个方向的裂纹最有利于破裂，在外力作用下，首先在该方向裂纹的尖端张拉扩展。两个关键点：1.最容易破坏的裂隙方向；2.最大应力集中点（危险点）。在压应力条件下裂隙开列及扩展方向带椭圆孔薄板的孔边应力集中问题表达式：tt8)(03033123131331时时)(2arccos213121最有利破裂的方向角：Griffth准则几何表示：在坐标下，当，时，即压拉强度比为8。3103t81五、经验强度理论——Hoek-Brown强度理论2331ccsmm，s——根据岩石性质所确定的常数，与达到峰值应力前岩石的破损程度有关。•讨论当时：032cscs对于完整岩石，s=1，则ccs；对于破损的岩石，sl。01t3当时：代入公式中可得：smmct4212•说明虽然这是一个经验的强度公式，但是它的作用与莫尔强度很接近，能够用曲线来表示岩石的强度是它的最大优点，只是表达式稍显复杂。第五节岩体的基本力学性质一、岩体与岩石的区别1、结构方面(1)岩块含岩石材料及微小节理；(2)岩体含岩块及较大的多组节理（结构面）。2、力学性质方面(1)岩体的力学性质更取决于结构面的力学性质。(2)岩体与岩块相比，弹模小、峰值强度低、残余强度低(图2-5-1)、变形大、泊松比大、各向异性。(3)岩体是一种多介质的裂隙体。在自然界中岩体有时表现为散体状，有时表现为碎裂状或整体状。(4)岩体位于一定的物理环境中，赋存环境不仅影响岩体的力学性质，而且是工程岩体不稳定的重要因素。二、岩体力学试验方法“三大”：试件大、设备大、代价大1、岩体单轴抗压强度的测定图2-5-2岩体抗压强度试验1—水泥砂浆；2—垫层；3—压力枕2、岩体抗剪强度的测定ABABFPPFpsincos2123、岩体变形模量的测定图2-5-5垫板法1—钢板；2—传力柱；3—千斤顶；4—承压板；5—千分表(1)垫板为柔性圆形垫板2021/spEr(2)带孔柔性垫板2021psbaE式中：a为中心孔的半径；b为圆形垫板的半径。(3)垫板为刚性垫板时2222201lnlnpbabaabsababEab式中：a和b为垫板的边长三、岩体的变形性质•压密阶段•弹性阶段•塑性阶段•破裂与破坏阶段四、岩体的强度性质•尺寸效应明显•围压量级影响较大•强度的各向异性•地下水的影响岩体强度的经验评定：bcMRKR岩体构造消弱系数Kc可以根据岩体的节理组数和间距确定，也可通过岩体质量系数和弹性波测试来确定。五、围岩的工程性质•始终处于一定的天然应力作用之下•物理力学性质的不均匀性•由结构面分割的多裂隙体•各向异性•可变性