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岩体力学期末复习资料
1.岩体:
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。
2.岩块:
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。
3.结构面:
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。
4.结构面类型:
(1)地质成因类型:
①原生结构面:
岩体在成岩过程中形成的结构面。
a.沉积构造面:
沉积岩在沉积和成岩过程中形成的,包括层理面、软弱夹层、沉积间断面和不整合面等。
b.岩浆结构面:
岩浆侵入及冷凝过程中形成的结构面,包括岩浆体与围岩的接触面、各期岩浆岩之间的接触面和原生冷凝节理等。
c.变质结构面:
可分为残留结构面和重结晶结构面。
残留结构面主要是沉积岩经变质后,在层面上组云母、绿泥石等鳞片状矿物富集并呈定向排列而形成的结构面,如千校 枚理面和板岁的板理面等。
重结晶结构面主要有片理面和片麻理面等,它是岩石发生深度变质和重结晶作用下,片状矿物和柱状矿物富集并呈定向排列形成的结构面,它改变了原岩的面貌,对岩体的物理力学性质常起控制性作用。
②构造结构面:
岩体形成后在构造应力作用下形成的各种破裂面,包括断层、节理、劈理和层间错动面等。
③次生结构面:
岩体形成后在外营力作用下产生的结构面,包括卸荷裂隙、风化裂隙、次生夹泥层和泥化夹层等。
(2)力学成因类型
①张性结构面:
由拉应力形成的。
特点:
张开度大、连续性差、形态不规则、面粗糙,起伏度大及破碎带较宽等特征。
②剪性结构面:
由剪应力形成的,破裂面两侧岩体产生相对滑移。
特点:
连续性好、面比较平直、延伸较长并有擦痕、镜面等现象发育。
成因类型
结构面类型
地质特征
原
生
结
构
面
沉积作用
层理面
软弱夹层
不整合、假整合面
沉积间断面
层理面、软弱夹层属层间结构面,其产状一般与岩层产状一致,一般层面平整,不整合面、假整合面及沉积间断面多为由碎屑、泥质物质构成的夹层且不整合
火山作用
侵入接触面
冷凝节理
喷出、熔流间断面
侵入接触面规模一般较大,且比较平整;冷凝节理一般为张裂面,规模较小但粗糙不平;喷出、熔流间断面状似层理面
变质作用
片理、片麻理
片状软弱夹层
结构面光滑、平直但规模一般较小,软弱夹层一般为鳞片状,而延展规模较大
次
生
结
构
面
构造作用
断层破裂面、破裂带
裂隙、劈理、节理
层间错动面
断层破裂面(带)及层间错动面一般规模较大,其他构造结构面一般延展性差。
张性结构面粗糙、不平整,且常有充填物,剪、压性结构面及层间错动面平直,但发育糜棱岩/泥化
非构造
作用
卸荷裂隙
风化裂隙
泥化夹层
延展性差,常见泥质物充填
5.评价结构面(七要素)
(1)产状(走向、倾向、倾角(破坏面与最大主平面的夹角))
(2)连续性(结构面的贯通程度)
①线连续性系数:
②应力集中出现在盐桥位置。
③研究连续性的意义:
对岩体的变形、破坏机理、强度及渗透性都有影响)
(3)密度(线密度
是指结构面法线方向单位测线长度上交切结构面的条数)(影响岩石的完整性)
(4)张开度(结构面两壁面间的垂直距离)(对岩体的渗透性有很大的影响)
(5)形态(平直的、波状的、锯齿状的、台阶状的和不规则状的)
(6)填充胶结特征(胶结后,力学性质改善)(薄膜填充、断续填充、连续填充、厚层填充)
(7)结构面组合关系(工程岩体稳定性预测与评价的基础)
6.软弱结构面:
岩体中具有一定厚度的软弱带(层),与两盘岩体相比具有高压缩和低强度的特征,在产状上多属缓倾角结构面。
软弱结构面在工程岩体稳定性中具有很重要的意义,往往控制着岩体的变形破坏机理及稳定性。
7.结构体:
被结构面切割围限的岩石块体。
8.岩体按结构类型分类
岩体结构类型
岩体地质类型
主要结构体形状
结构面发育情况
岩土工程特征
可能发生岩土工程问题
整体状结构
均质,巨块状岩浆岩、变质岩、巨厚层沉积岩、正变质岩
巨块状
以原生构造节理为主,多成闭合型,裂隙结构面间距大于1.5m,一般不超过1~2组,无危险结构面组成的落石掉块
整体性强度高,岩体稳定,可视为均质弹性各向同性体
不稳定结构体的局部滑动或坍塌,深埋洞室的岩爆
块状
结构
厚层状沉积岩、正变质岩、块状岩浆岩、变质岩
块状
柱状
只具有少量贯穿性较好的节理裂隙,裂隙结构面间距0.7~1.5m,一般为2~3组,有少量分离体
整体强度较高,结构面互相牵制,岩体基本稳定,接近弹性各向同性体
层状
结构
多韵律的薄层及中厚层状沉积岩、副变质岩
层状
板状
透镜体
有层理、片理、节理,常有层间错动面
接近均一的各向异性体,其变形及强度特征受层面及岩层组合控制,可视为弹塑性体,稳定性较差
不稳定结构体可能产生滑塌,特别是岩层的弯张破坏及软弱岩层的塑性变形
碎裂状结构
构造影响严重的破碎岩层
碎块状
断层、断层破碎带、片理、层理及层间结构面较发育,裂隙结构面间距0.25~0.5m,一般在3组以上,由许多分离体形成
完整性破坏较大,整体强度很低,并受断裂等软弱结构面控制,多呈弹塑性介质,稳定性很差
易引起规模较大的岩体失稳,地下水加剧岩体失稳
散体状结构
构造影响剧烈的断层破碎带,强风化带,全风化带
碎屑状
颗粒状
断层破碎带交叉,构造及风化裂隙密集,结构面及组合错综复杂,并多充填粘性土,形成许多大小不一的分离岩块
完整性遭到极大破坏,稳定性极差,岩体属性接近松散体介质
易引起规模较大的岩体失稳,地下水加剧岩体失稳
9.研究岩体结构的原因:
岩体结构对岩石工程稳定性的控制作用十分显著。
整体状结构的岩体,坚硬完整,受力后强度起控制作用,一般呈稳定状态,对于埋深或高应力区的底下开挖可能出现岩爆。
块状结构岩体较为完整坚硬,结构面抗剪强度高,在一般工程条件下稳定。
层状结构面一般工程条件下较稳定。
散体状结构岩体强度低,易于变形破坏,时间效应显著,在工程载荷作用下表现极不稳定。
10.岩体工程分类:
①RQD分类
a.分类指标:
岩块强度、RQD值、节理间距、节理条件、地下水。
b.RQD值的定义是大于10cm的岩芯累计长度与钻孔进尺长度之比的百分数。
C.RQD用来评价岩体质量的优劣。
②Q分类
Q值的定义:
11.岩体质量分级:
①分级指标:
基本质量指标BQ
②完整性系数:
岩体纵波速度与岩块纵波速度之比的平方,
即:
围岩岩体基本质量分级
基本
质量
级别
岩体基本质量
定性特征
岩体基本质量
指标
围岩自稳能力
Ⅰ
坚硬岩,岩体完整
>550
洞径≤20m,可长期稳定,偶有掉块,无塌方
Ⅱ
坚硬岩,岩体较完整;
较坚硬岩,岩体完整
550~451
洞径10~20m,可基本稳定,局部可发生或小塌方;
洞径<10m,可长期稳定,偶有掉块
Ⅲ
坚硬岩,岩体较破碎;
较坚硬岩或软硬岩互层,岩体较完整;
较软岩,岩体完整
450~351
洞径10~20m,可稳定数日~1个月,可发生小~中塌方;
洞径5~10m,可稳定数月,可发生局部块体位移及小~中塌方;
洞径<5m,可基本稳定
Ⅳ
坚硬岩,岩体破碎;
较坚硬岩,岩体较破碎~破碎;
较软岩或软硬岩互层,且以软岩为主;
岩体较完整~较破碎;
软岩,岩体完整~较完整
350~251
洞径>5m,一般无自稳能力,数日~数月内可发生松动变形及小塌方,进而发展为中~大塌方。
埋深小者,以拱部松动破坏为主,埋深大者,有明显塑性流动变形和挤压破坏;
洞径≤5m,可稳定数日~1个月
Ⅴ
较软岩,岩体破碎;
软岩,岩体较破碎~破碎;
全部极软岩及全部极破碎岩
≤250
无自稳能力
12.岩石的物理性质:
指岩石的三相组成相对比例不同所表现的物理状态,其由岩石的物质组成和结构决定。
与岩体工程密切相关的岩石物理性质有密度、容重和孔隙率等。
——岩石的空隙性对岩块及岩体的水理性质、热学性质及力学性质影响很大。
一般来说。
空隙率愈大、岩块的强度愈小,塑性变形和渗透性愈大;(空隙分为闭空隙、开空隙(小开空隙、大开空隙))
——岩石的空隙性指标一般不能实测,只能通过密度与吸水性等指标换算求得。
——岩石的孔隙性:
岩石的孔隙性与裂隙性的统称,用孔隙率表示,符号为n。
——孔隙率:
指岩石总孔隙的体积与各岩石总体积的比值,用百分数表示。
13.岩石的水理性质:
指岩石在水溶液作用下表现出来的性质。
主要有吸水性,软化性,渗透性和抗冻性等。
(1)a.吸水性:
指岩石在一定作用下吸收水分的能力,常用吸水率、饱和吸水率、饱水系数等来表示。
b.吸水率
;指岩石试件在大气压力和室温条件下自由吸入水的质量
与岩样干质量
之比,用百分数表示。
c.岩石的饱和吸水率
:
指岩石试件在高压(一般压力为15MPa)或真空条件下吸入水的质量
。
与岩样干质量
之比,用百分数表示。
—岩石的饱和吸水率用来判定岩石的抗风化能力和抗冻性。
d.饱水系数:
岩石的吸水率与饱和吸水率之比。
它反映岩石中大、小开空隙的相对比例关系。
一般来说,饱水系数愈大,岩石中的大开空隙相对愈多,而小开空隙相对愈少。
另外,饱水系数大,说明常压下吸水后余留的空隙就愈少,岩石愈易被冻胀破坏,因而其抗冻性差。
(2)软化性:
岩石浸水饱和后强度降低的性质,用软化系数
(定义为岩石试件的饱和抗压强度
与干抗压强度
的比值)表示。
愈小。
则岩石软化性愈强。
(3)抗冻性:
岩石抵抗冻融破坏的能力,常用抗冻系数
和质量损失
来表示。
(抗冻系数
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)
岩石在冻融作用下强度降低和破坏的原因:
一是岩石中各组成矿物的体积膨胀系数不同,以及在岩石变冷时不同层中温度的强烈不均匀性,因而产生内部应力;二是由于岩石空隙中冻结水的冻胀作用所致。
水冻结成冰时,体积增大达9%并产生膨胀压力,使岩石的结构和联结遭受破坏。
岩石的抗冻性取决于造岩矿物的热物理性质和强度、粒间连结、开空隙的发育情况以及岩石显含水事等因素。
由坚硬矿物组成,且具强的结晶连结的致密状岩石,其抗冻性较高;反之,则抗冻性低。
(4)透水性:
在一定的水力梯度或压力差作用下,岩石能被水透过的性质。
达西定律
(K为渗透系数(影响因素:
岩石中空隙的数量、规模及连通情况等))
14.岩石的热学性质
(1)热容性:
在岩石内部及其与外界进行热交替时,岩石吸收热能的能力。
—比热容:
表征岩石热容性的重要指标,其大小取决于岩石的矿物组成、有机质含量以及含水状态。
(2)热传导性:
岩石传导热量的能力,常用导热系数表示。
(3)热膨胀性:
岩石在温度升高时体积膨胀,温度降低时体积收缩的性质。
(4)温度对岩石特性的影响:
①温度对岩体力学性质的影响
②由于温度变化引起的热应力的影响。
15.应力-应变曲线
—
孔隙裂隙压密阶段(OA段)在该阶段,随着载荷的增加,试件中原有张开性结构面或微裂隙逐渐闭合,岩石被压密,形成早期的非线性变形。
微裂隙的闭合开始较快,随后逐渐减慢。
本阶段变形对裂隙化岩石来说较明显,而对坚硬少裂隙的岩石则不明显,甚至不显现。
—
弹性变形至微破裂稳定发展阶段(AC段)据其变形机理又可细分为弹性变形阶段(AB段)和微破裂稳定发展阶段(BC段)。
弹性变形阶段不仅变形随应力成比例增加,而且在很大程度上表现为可恢复的弹性变形,B点的应力可称为弹性极限。
这一阶段的上界应力(C点应力)称为屈服极限。
—
非稳定破裂发展阶段(或称累进性破裂阶段)(CD段) 进入本阶段后,微破裂的发展发生了质的变化。
由于破裂过程中所造成的应力集中效应显著,即使外载荷保持不变,破裂仍会不断发展,并在某些薄弱部位首先破坏,应力重新分布,其结果又引起次薄弱部位的破坏。
依次进行下去直至试件完全破坏。
试件由体积压缩转为扩容。
轴向应变和体积应变速率迅速增大。
试件承载能力达到最大,本阶段的上界应力称为峰值强度或单轴抗压强度。
D点为峰值强度。
—
破坏后阶段(D点以后阶段)岩块承载力达到峰值后,其内部结构完全破坏,但试件仍基本保持整体状。
到本阶段,裂隙快速发展、交叉且相互联合形成宏观断裂面。
此后,岩块变形主要表现为沿宏观断裂面的块体滑移,试件承载力随变形增大迅速下降,但并不降到零,说明破裂的岩石仍有一定的承载能力。
—
残余阶段。
16..描述弹性变形的参数;
(1)弹性模量E(变形模量):
在单轴压缩条件下,轴向应力与轴向应变之比。
(2)初始模量
:
曲线原点处的切线斜率;
(3)切线模量
:
曲线任意一点的切线斜率;
(4)割线模量
:
曲线上某特定点与原点连线的斜率。
(5)泊松比
:
在单轴压缩条件下,横向应变
与轴向应变
之比。
17.围压对岩块变形破坏的影响:
破坏前岩块的应变随围压增大而增加;随围压增大,岩块的塑性也不断增大,且由脆性逐渐转化为延性。
18.蠕变:
岩石在恒定的载荷作用下,其变形随时间而逐渐增大的性质。
(1)岩石蠕变变形曲线特征
初始蠕变阶段如图AB段,应变最初随时间增大较快,但其应变率随时间迅速递减。
到B点达到最小值。
等速蠕变阶段(或称稳定蠕变阶段)如图BC段,应变随时间近似等速增加,直到C点。
加速蠕变阶段 如图CD段,应变率随时间迅速增加,应变随时间增长越来越大,其蠕变加速发展直至岩块破坏(D点)。
19.岩石的强度性质:
(1)岩块的强度:
岩块抵抗外力破坏的能力。
a.分类:
单轴抗压强度、单轴抗拉强度、剪切强度、三轴压缩强度等。
(2)单轴抗压强度影响因素:
①岩石本身性质方面的因素。
如矿物组成、结构构造(颗粒大小、连结及微结构发有特征等)、密度及风化程度等;
②试验条件方面的因素。
a.试件几何形状及加工精度
——尺寸效应,试件尺寸越大,岩块强度越低
b.加载速率:
岩块的强度常随加载速率增大而增高。
c.端面条件:
端面条件对岩块强度的影响,称为端面效应。
其产生原因一般认为是由于试件端面与压力机压板间的摩擦作用,改变了试件内部的应力分布和破坏方式,进而影响岩块的强度。
d.湿度和温度
—湿度越高,强度越低;
—随温度升高,岩石的脆性降低,黏性增强,岩块强度也随之降低。
e.层理结构:
岩块强度因受力方向不同而有差异,具有显著层理的沉积岩,这种差异更明显。
(3)三轴压缩强度
(4)剪切强度:
在剪切作用下,岩块抵抗剪切破坏的最大剪应力。
剪切强度分类:
①抗剪断强度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抗切强度当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)再次剪切破坏时的最大剪应力。
(5)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。
20.结构面变形与强度性质的研究在工程实践中具有十分重要的实际意义,这主要有以下几方面的原因:
①大量的工程实践表明:
在工程载荷(一般小于10MPa)范围内,工程岩体的失稳破坏有相当一部分是沿软弱结构面破坏的。
这时,结构面的强度性质是评价岩体稳定性的关键。
②在工程载荷作用下,结构面及其填充物的变形是岩体变形的主要组分,控制着工程岩体的变形特性。
③结构面是岩体中渗透水流的主要通道。
在工程载荷作用下,结构面的变形又将极大地改变岩体的渗透性、应力分布及其强度。
因此,预测工程载荷作用下岩体渗透性的变化,必须研究结构面的变形性质及其本构关系。
④在工程载荷作用下,岩体中的应力分布也受结构面及其力学性质的影响。
21.软弱结构面的特点
具有填充物的软弱结构面包括泥化夹层和各种类型的夹泥层,其形成多与水的作用和各类滑错作用有关。
这类结构面的力学性质常与填充物的物质成分结构及填充程度和厚度等因素密切相关。
由图可知,黏粒含量较高的泥化夹层,其剪切变形(曲线Ⅰ)为典型的塑性变形型;特点是强度低且随位移变化小,屈服后无明显的峰值和应力降。
随着夹层中粗碎屑成分的增多,夹层的剪切变形逐渐向脆性变形型过渡(曲线Ⅰ~Ⅴ),峰值强度也遂渐增高。
至曲线Ⅴ的夹层,碎屑含量最高,峰值强度也相应最大,峰值后有明显的应力降这些说明填充物的颗粒成分对结构面的剪切变形机理及抗剪强度都有明显的影响。
表3-5也说明了结构面的抗剪强度随黏粒含量增加而降低,随粗碎屑含量增多而增大的规律。
填充物厚度对结构面抗剪强度的影响较大。
22.岩体变形试验(主要是原位试验)分类:
①静力法:
承压板法、狭缝法、钻孔变形法、水压硐室法及单(双)轴压缩试验法等。
②动力法:
用人工方法对岩体发射(或激发)弹性波(声波或地震波),并测定其在岩体中的传播速度,然后根据波动理论求岩体的变形参数。
23.岩体的剪切强度:
岩体内任一方向剪切面,在法向应力作用下所能抵抗的最大剪应力,称岩体的剪切强度。
①抗剪断强度是指在任一法向应力下,横切结构面剪切破坏时岩体能抵抗的最大剪应力;
②在任一法向应力下,岩体沿已有破裂面剪切破坏时的最大应力称为抗剪强度,
③剪切面上的法向应力为零时的抗剪断强度称为抗切强度。
24.沿结构面产生剪切破坏条件:
25.横波又称为剪切波,其传播方向与质点振动方向垂直。
纵波又称为压缩波,波的传播方向与质点振动方向一致。
26.①应力:
岩体稳定性与工程运营必须考虑的重要因素。
—应力比值系数:
μ/(1-μ),最大主应力方向为铅直方向。
②天然应力或地应力:
人类工程活动之前存在于岩体中的应力。
—天然应力的影响因素:
水、地震地质条件、人工开挖。
—天然应力测量方法:
应力恢复法、套心法、水压致裂。
③重分布应力(诱发应力):
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,岩体中由于工程活动改变后的应力成为重分布应力。
④相对于重分布应力而言,岩体中的天然应力亦可称为初始应力、绝对应力或原岩应力。
27.流变理论:
流变性质就是指材料的应力—应变关系与时间因素有关的性质,材料变形过程中具有时间效应的现象称为流变现象。
—岩体的流变包括蠕变、松弛和弹性后效。
—蠕变:
当应力不变时,变形随时间增加而增长的现象。
—松弛:
当应变不变时,应力随时间增加而减小的现象。
—弹性后效:
加载或卸载时,弹性应变滞后于应力的现象。
28.库仑强度准则:
岩石的破坏主要是剪切破坏,岩石的强度,即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。
或
(由此式可推出上式)
—莫尔强度理论:
—库仑准则是莫尔强度理论的特例。
—格里菲斯强度理论:
格里菲斯认为,诸如钢和玻璃之类的脆性材料,其断裂的原因是分布在材料中的微小裂纹(格里菲斯裂纹)尖端具有拉应力集中所致。
该原理认为,当作用力的势能始终保持不变时,裂纹扩展准则可写为:
29.边坡应力分布特征:
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,子是就形成了最大剪应力增高带,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。
边坡愈陡,则此带范围愈大,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,向坡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。
30.岩爆:
高地应力地区,由于洞壁围岩中应力高度集中,使围岩产生突变性变形破坏的现象。
31.开挖影响范围—6倍—超过不受影响。
32.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,进而引起施加与支护衬砌上的压力。
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