岩体力学与岩体工程

岩体力学与岩体工程——岩体力学又包括岩石基本性能，工程岩体分级，岩体的初始应力状态。岩体工程包括岩体力学在边坡工程的应用，岩体力学在岩基工程的应用。

岩体力学与岩体工程

岩石力学

岩石基本性能

物理性能指标

质量指标

重度

密度

天然密度

饱和密度

干密度

相对密度ds

孔隙性

孔隙率n

孔隙比e

水理性质

含水率w

w=mw/ms

吸水率wa

wa=msat-ms/ms

渗透性

达西定律

qx=kA*dh/dx

渗透系数k

k=QLγw/pA

取决于岩石的物理特性和结构特征

径向渗透试验

压力水注入外孔

受压状态

压力水注入内孔

受拉状态

k=Qγw/2πLp*LnR2/R1

渗透系数的影响因素

渗透水压强

应力状态

软化系数η

软化性

岩石浸水后强度降低的性能

亲水性和可溶性矿物溶于水导致颗粒之间的连接削弱引起强度降低，造成岩石软化

η=σcsat/σcd

不大于1，越小，受水的影响越大

η>0.75

软化性弱、抗水抗风化性和抗冻性强

η<0.75

工程地质较差的岩石

耐崩解性指数Id

Id=mr/ms

指岩石烘干——浸水循环试验所得的指数

反应了岩石在浸水和温度变化的环境下抵抗风化作用的能力

甘布尔认为

Id的影响因素

与岩石成岩的地质年代无明显关系

与密度成正比

与含水率成反比

抗风化指标

膨胀性

含有黏土矿物的岩石，遇水后会发生膨胀现象

自由膨胀率

无约束条件下浸水后所产生膨胀变形/原试件尺寸的比值

径向自由膨胀率VD

轴向自由膨胀率VH

侧向约束膨胀率Vhp

附加侧向约束

求轴向变形的膨胀率

膨胀压力

试件浸水后，使试件保持原有体积所施加的最大压力

力学性能

变形规律

岩石的力学属性

弹性变形

塑性变形

黏性流动

破坏规律

强度特征

岩石抵抗破坏的能力和破坏规律

荷载作用下开始破坏时的最大应力【强度极限】

应力与破坏之间的关系

影响因素

组成成分

结构特点

结晶程度和颗粒大小

胶结情况

试件的形状和尺寸

致密程度

密度

新鲜程度

岩石种类

生成条件

风、水作用

加载速率

温度

承压板对单轴抗压强度的影响

岩石常规力学性质试验

试验

室内

钻孔——获得岩芯

室外

在天然和人工露头【探井、探洞】处采集岩样

测定时最好采用同一岩样测完全部指标

弹性波传播速度测试

通过测量弹性波【纵波或P波、横波或s波】在岩石中的传播速度，计算岩石的动弹性变形参数【动弹性模量、动泊松比】

抗压强度

单轴抗压试验

测量岩石的应力与应变关系曲线和单轴抗压强度及残余强度，了解岩石的变形特性和强度大小，确定岩石的弹性变形参数(包括弹性模量、泊松比)

最基本、最常见的力学试验

试验设备和仪器

普通压力机

万能材料试验机

最好采用刚性试验机

实验内容

岩石受到的轴向荷载P

轴向应力σy=P/A

轴向变形H

轴向应变εx=D'/D

径向变形D

径向应变εy=H'/H

电阻应变片可直接测量

岩石力学中规定：压为正，拉为负

体积应变εv=εy-2εx

岩石的单轴抗压强度

岩石在无侧限条件下，受轴向压应力作用破坏时，单位面积上承受的荷载

σc=4Pmax/A

Pmax——破坏时最大轴向荷载

试验

试验中保持内部应力状态保持均匀的单向应力状态

加载时

机器和试件都积攒应变能

E=P^2/2K

机器的刚度不影响峰值大小，只影响峰后是否会破裂

爆裂

应变能机器的大于试件的

Em>Er

无爆裂

应变能机器的小于试件的

Em<Er

试验结果

应力应变曲线

峰前区

“爆裂”现象

原因

试验机刚度小于岩石刚度【岩石试件峰后曲线的斜率】

刚度K=P/H

H：沿P方向的位移

据虎克定律+应力应变定义

K=EA/H

试验机Km=EmAm/Hm=0.15-0.2MN/mm

岩石Kr=ErAr/Hr=0.5MN/mm

克服方法

提高试验机刚度

改变峰值前后的加载方式

通过伺服控制方式控制试件位移

电液伺服控制的刚性试验机

试件的压力值和位移值形成反馈信号

二者的差为控制信号

调整伺服阀

加大/减少油液供给

控制试件位移速度

保证试件不爆裂

系统闭环控制

试验机活塞行程up=岩石试件变形ur+机器弹性变形um

变形特征

弹脆性

直线

弹性变形、极坚硬

玄武岩

准弹性

弹塑性

下凹

坚硬有裂隙

花岗岩

塑弹性

上凹

坚硬少裂隙

石灰岩

半弹性

塑弹塑性

S形

坚硬变质岩

压缩性高

弹黏塑性

平缓型

非弹性

峰后区

峰后强度

岩石破坏后，仍然具有一定的强度

岩体工程设计：让岩石处于峰后区工作

节省资金

支护费用

工程造价

不影响稳定性

全应力-应变曲线

第一类岩石【稳定断裂传播型】

岩石破坏可以控制

峰后区斜率为负值

第二类岩石【非稳定断裂传播型】

岩石破坏不可以控制

峰后区斜率为正值

脆性较大

循环荷载作用

卸荷点P低于弹性极限A

弹性后效

卸荷点P高于弹性极限A

弹性变形+塑性变形

由应力应变曲线可知

岩石记忆

回滞环

积累变形

疲劳强度

单向压缩下破坏形态

圆锥形破坏

有摩擦

柱状劈裂破坏

无摩擦

显示岩石在此荷载作用下的自身固有特性

体积变形

先缩后胀

弹性阶段

应力增大、体积缩小

塑性变形阶段

扩容、V增大

裂隙出现/扩展的标志

岩石的特有属性

岩石变形参数

变形模量

变形模量/弹性模量

对非线弹性岩石

切线模量

割线模量

平均模量

泊松比

反应岩石变形性质的其他参数

剪切模量G

弹性抗力系数K

拉梅常数

体积模量Kv

三轴抗压试验

测量岩石在三向压应力作用下的应力与应变关系曲线和三轴抗压强度及残余强度，确定岩石的强度参数(如峰值黏聚力和内摩擦角、残余黏聚力和内摩擦角)

真三轴试验

常规三轴抗压试验/常围压下的压缩试验【假三轴试验】

变形

破坏形式

脆性劈裂

剪切

塑性流动

压缩试验标准试件——圆柱形试件，试件d=50m,高度为直径的2.0-2.5倍，试件两端面的不平整度不得大于0.5mm,在试件的高度上直径或边长的误差不得大于0.3mm,两端面垂直于试件轴线，最大偏差不得大于0.25%。

抗拉强度

单轴拉伸试验

劈裂试验/巴西试验

间接方法测量岩石的抗拉强度

标准试件

劈裂试验采用薄圆盘形试件，试件直径为50mm,厚度为直径的1/2。

剪切强度

剪切试验

标准试件

开肉斜面剪切试验采用圆柱形试件， 试件直径为50mm,高度与直径相等。

电荷载试验

标准试验件

直径d=5cm的圆柱体

强度指标Is

概要

基本要求

在同样的试验标准下，采用标准试件进行试验

岩石的性质的影响因素

试件形状

试件大小

岩石材料的尺寸效应

尺寸越大，岩石的强度会越小

标准试件由国际岩石力学与工程学会建议

试验时应保证试件内部的应力状态均匀分布，并属于简单应力状态。

加载速度应非常缓慢，而且应尽可能采用等速度加载

岩石强度特性

变形特性

流变性

试验方法

蠕变试验

稳定蠕变

不稳定蠕变

过渡蠕变过程

等速蠕变过程

加速蠕变过程

应力松弛试验

原位岩体变形试验

静力法

承压板法

刚性

柔性

径向荷载试验

钻孔变形法

狭缝压力枕荷载试验

动力法

强度理论/破坏准则

莫尔准则

莫尔强度包络线

正应力小

曲线较陡

正应力大

曲线较缓

分类

开放型

构造致密的岩石【砂岩、石灰岩、花岗岩】

收缩型

孔隙率高、疏松、压缩性大【煤、黏土页岩】

破坏

拉剪破坏

压剪破坏

库伦准则

压剪破坏

不适用与岩石受拉的场合

缺点和局限

围压较大时，与试验结果出入大

粘结力概念的物理意义不明确

没有考虑中间主应力的影响

实际岩石的破坏不是明显的剪切破坏

岩石受拉不能用

Hoek-Brown强度准则

非线性强度准则

考虑剪切破坏、拉裂破坏

可用于任何应力条件下的强度计算

吻合度最高、最符合

格里菲斯强度准则

工程岩体分级

目的

将岩石分成形态类似的组

独立因素的分析

岩石材料的质量

岩体的完整性

水的影响

地应力

其他

为了解岩体特性提供依据

为实际工程提高定量的数据

为后来的研究者提供有效的共同基础

原则

确定分级的目的和使用对象

分级应该定量

级数不能过高，一般为5级

分类方法及步骤应该简洁明了，数字便于记忆和应用

以实测数据为基础，现场要方便测量

指标量值的变化用几何级数来表示

标准GB50218-94

确定岩体基本质量

岩体完整性指数Kv

饱和岩石单轴抗压强度Rc

表示岩体坚硬程度

; Is50 为岩石点荷载强度指数

岩石体积节理数Jv

岩体基本质量分级

岩体基本质量指标BQ=100+3Rc+250Kv

550-450-350-250

特殊

地下工程岩体级别的确定

基本质量指标[BQ]=BC-100(K1+K2+K3)

修正依据

地应力大小

地下水

结构面方位

边坡工程岩体级别的确定

基本质量指标[BQ]=BC-100(K4+λK5)

修正依据

主要结构面类型

延伸性

地基工程岩体级别的确定

根据岩体基本质量级别定级

我国建筑边坡岩体分类标准

岩体的初始应力状态

初始应力基本概念

海姆（Heim）假说

岩体中有应该垂直应力和水平应力【垂直应力与上覆层重量有关】，水平应力=垂直应力➡静水压力状态

自重应力

岩体的垂直应力

金尼克理论

构造应力

古构造应力

地质史上残存的应力

新构造运动应力

正在形成某种构造体系和构造型应力，形成地震和最新地壳变形的应力

封闭应力

地质因素长期作用下残存于结构内部的应力

以水平应力为主

主要分布规律

研究原岩应力的意义

地应力的影响因素

地质构造

影响应力的分布和传递

地形地貌和剥蚀作用

地形起伏——自重应力【一定深度范围】

剥蚀作用对地应力有显著控制作用——巨大水平应力

岩石力学性质

弹性模量大——应力积累——地震、岩爆

地质条件对自重应力的影响

温度

地温梯度

岩体温度应力——压应力

岩石的局部受温

地壳浅部地应力的变化规律

地应力是一个非稳定应力场

垂直应力=上覆岩层重力

水平应力>垂直应力

原岩应力场为三向不等的压应力场

原岩应力的分析方法

结构面的力学分析法

压性、张性、扭/剪性、压性+扭性、张性+扭性

构造应力场分析法

地应力实测与地质力学综合分析法

地质构造和岩石强度理论估算分析法

安德森——垂直压力=自重应力=主应力之一

根据断层判断最大主应力方向

正断层

垂直压力=max

逆断层

垂直压力=min

平移断层

垂直应力=中间主应力

高应力区的定性观察法

岩芯薄片状——高应力

原岩应力的现场实测测量方法

岩体应力现场测量方法概述

目的

了解岩体中存在的应力大小和方向，分析岩体工程

分类

岩体初始应力量测

地下工程应力分布量侧

方法

应力解除法【最普遍】

孔径变形法

要求：完整的2D长岩芯

不用于：岩体碎裂、节理发育、高应力区饼状断裂

不受地下水影响

孔壁应变法

测量简便、成本低、工作量小、速度快、精度高

测1得6

对应变片黏贴技术要求高、有防潮要求、岩体完整、弹性体

应力恢复法

水压致裂法

测量地壳深部应力的唯一方法

使用条件

钻孔垂直、原生裂隙不发育、渗透性弱、自重应力≠min

特点

操作方便、深度不受限、直观、适用性强

岩体工程

岩体力学在边坡工程的应用

边坡

自然边坡

天然的山坡、谷坡

较大规模的破坏——滑坡

人工边坡

边坡的应力分布

在边坡形成过程中，主应力迹线发生明显偏转=【最大主应力方向∥临空面；最小主应力方向⊥临空面】

在临空面附近出现应力集中【尤其在坡脚】

临空面附近最容易出现剪切破坏，主应力转化成拉伸压力出现在拉裂破坏处

最大剪应力迹线也变成凹向临空面的弧形分布

在坡顶和坡面岩体中的主应力部分为拉应力

影响分布的因素

变形模量E

泊松比【最显著】

越大

坡顶和坡面的拉应力越大

坡底与之相反

当拉应力>抗拉强度时，发生拉裂破坏=裂隙端部会出现应力集中=最终导致形成贯通破裂面=岩体失稳

在临空面附近，岩体近似处于单轴应力状态，向内部逐渐过渡为三轴应力状态

岩体中初始地应力状态【尤其水平应力】，对边坡岩体中应力分布有很大的制约作用

坡脚应力集中区和拉应力区受影响更大

边坡边缘岩体中拉应力区的分布与水平残余应力及坡脚关系也较为密切

边坡的变形与破坏

影响因素

应力特征

应力分布差异=应力集中带

坡体抵抗变形破坏的能力

抵抗变形力弱：软弱面

边坡变形【未出现贯通性破坏面】

松弛张裂【松动】

边坡形成初期，在坡体中出现一系列与坡面近于平行的陡倾张开裂隙，使边坡岩体向临空方向张开的现象

分类

回弹裂隙

越接近顶面，张开程度越大，向深处或坡里张开程度逐渐减小

坡面、坡顶张力带裂隙

主要分布在陡坡前缘，不会深入到坡体内部

坡脚应力集中带的张裂隙

从坡面向坡体内和下方逐渐稀疏、削弱

松动带【或边坡卸荷带】

发育这几类岸边裂隙的坡体

其深度通常用坡面与卸荷带内侧界线之水平间距来表示

蠕动

松动后，边坡岩体在重力作用下向临空方向较长期的缓慢变形

机制

岩石的粒间（塑性变形）或岩石裂纹微错、或由一系列裂隙扩展所致

表层蠕动

向临空面方向的缓慢变形

其位移由坡面向内逐渐降低直至消失

蠕动非常明显==当剪应力足够产生滑动面之前，在剪变带内会缓慢发生塑性变形

岩层末端挠曲现象

坡面蠕动挠曲

常沿软弱面两侧拉开，并出现张裂，层面两侧相对滑动方向为边坡上侧向下，下侧向上滑动，挠曲分布局限一定深度

构造挠曲

区分的意义

蠕动挠曲的稳定性低

深层蠕动

主要分布在边坡下部或坡体内部

软弱基座蠕动

特征

坡体基座产状较缓，具有一定的相对软弱岩层，在坡体上覆岩层重力作用下，使基座向临空方向蠕动，并引起上覆坡体变形与解体

软弱基座呈塑性

坡脚主要表现为向临空方向的蠕动和挤出

软弱基座呈脆性

可能通过密集的张拉破裂使软弱层错位变形

变形方式都是由坡面逐渐向深处发展

上覆层：柔性

软弱层出现揉曲

上覆层：脆性

因软弱层蠕动而产生不均匀沉陷，使上覆岩体破裂解体

坡体蠕动

在卸荷裂隙较发育的具有缓倾角软弱面的坡体中比较普遍，通常在蠕滑型裂隙基础上 发育而成

形成基本条件

具有缓倾角

发育有其他陡倾裂隙

张拉羽裂将转折端切断【切角滑移阶段】——形成次一级剪切面+架空现象【次一级剪切面形成阶段】——形成连续滑面【滑面形成阶段】

一旦滑面上的下滑力超过抗滑力=导致坡体坍塌破坏

边坡破坏【出现贯通破坏】

崩塌

突然脱离，翻滚而下，撞击破碎，堆积在坡脚形成岩堆

形成机理

坡体沿陡倾软弱结构面张裂+坡脚岩体变形=上部割裂+失去支撑

发展趋势

在边坡上逐次后退

规模逐渐变小

较小的形式

剥落

组成边坡的岩石具有薄层状或页片状结构面

页岩、片岩、强烈风化的片麻岩、劈理发育的粉砂岩

滑坡

边坡上的岩土体在自然、人为因素的影响下失去稳定，沿一定的破坏面整体下滑的现象

边坡破坏类型

平面滑动

单平面滑动

双平面滑动

多平面滑动

楔形状滑动

圆弧形滑动

倾倒破坏

边坡滑动过程

蠕动变形阶段

滑动破坏阶段

逐渐稳定阶段

影响边坡稳定的主要因素

地貌条件

岩石的性质

岩体结构与地质构造

岩体结构及结构面的发育特征与坡面的关系是岩体边坡破坏的控制因素

软弱结构面

=

边坡倾向

>

坡角

软弱结构面

=-

边坡倾向

相反

<

坡角

软弱结构面

=-

边坡倾向

相反

>

坡角

风化作用

使岩体内裂隙增多、扩大，透水性增强，抗剪强度降低

水的作用

软化作用

抗剪强度降低

冲刷作用

使岩土的质量增大、滑动面的滑动力增大

浮托力

静水压力

动水压力

地震【自然应力】

人为因素

爆破作用

人为削坡

施工方法

工程作用

边坡稳定性评价的平面问题

圆弧法岩坡稳定性分析

平面滑动岩坡稳定性分析

极限平衡法

可能滑动岩体几何边界条件的分析

受力条件分析

确定计算参数

计算稳定性系数

确定安全系数，进行稳定性评价

岩坡沿着单一的平面发生滑动，一般必须满足下列4个几何条件：

（1）滑动面的走向必须与坡面平行或接近平行（约在±20°范围内）

（2）滑动面必须在边坡面露出，即滑动面的倾角β必须小于坡面的倾角i；即β＜i

（3）滑动面的倾角β必须大于该面的摩擦角φ;即β＞φ

（4）岩体中必须存在对于滑动阻力很小的分离面，以定出滑动的侧面边界

在工程实践中，主要是根据边坡破坏滑动面的形态来选择极限平衡法

平面破坏滑动的边坡，可选择平面破坏计算法

圆弧形破坏的滑坡，可选择Fellenius法或Bishop法

复合破坏滑动面的滑坡，可选择Janbu法、Morgenstern-Price法、Spencer法来计算

对于折线形破坏滑动面的滑坡，可采用传递系数法

对于楔形四面体的岩体滑坡，可以采用楔形体法

边坡治理的工程措施

原则

措施

支挡工程

边坡加固

排水

减荷反压

削坡减载

其他措施

岩体力学在岩基工程的应用

岩基基本概念

岩石作为承载上部结构荷载的地基，则地基称为岩基

岩石地基可承担较大荷载，强度较高

岩基中不连续面会削弱岩基强度。固结灌浆可以加强岩体的整体性，提高岩基的抗剪性能，达到防止或减小不均匀沉降的目的

岩基总体变形极小，但需考虑岩石变形破坏

破坏形式

1）开裂破坏

在上部荷载作用下，当岩基中应力超过其弹性极限时，岩基从基脚处开始产生裂缝，并向深部发展

2）压碎破坏

岩基发生破坏后，当荷载继续作用，岩基就进入岩体压碎破坏阶段。压碎范围随深度增加而减少【据试验观测，压碎范围近似倒三角形】

3）劈裂破坏

当岩基发生压碎破坏后，若荷载继续增大，则基底下岩体的竖向裂缝加密且出现斜裂缝，并向更深部延伸，进入劈裂破坏阶段

该阶段由于裂缝开裂使压碎岩体产生向两侧扩容的现象，基脚附近的岩体发生剪切滑移，并使基脚附近的地面破坏

4）冲切破坏

这种破坏模式多发生于多孔洞或多空隙的脆性岩体中，如钙质或石膏胶结的脆性砂岩、熔结胶结的火山岩、溶蚀严重或溶孔密布的可溶岩类等

有时在一些风化沉积岩(如石灰岩、玄武岩、砂岩等)中分布纵横密布的张开竖节理，也会产生冲切破坏

5）剪切破坏

（1）在高压缩性的黏土岩类岩基中，如页岩、泥岩等。常常在基础底面下的岩体出现压实楔，而在其两侧岩体有弧线的滑面

（2）在分布有竖向节理的风化岩基中，可产生直线剪切面

（3）当岩基内有两组近于或大于直角的节理相交，则剪切面追踪此两组节理，也可形成直线剪切滑动面，使岩基破坏

基础下岩体的应力和应变

基于弹性理论，将岩基视为半无限平面弹性体。

岩基浅基础、深基础的承载力计算

岩基荷载试验

岩基承载力特征值的确定：

荷载板：300mm的圆板，深埋时采用钢筋混凝土桩。

加载：荷载分级施加，同时量测沉降量。第一级为设计荷载的1/5，此后为1/10；加载后测度沉降量，以后每10min读一次，连续三次读数差在0.01mm，进行下一级加载

终止加载：读数不稳定，24h内沉降速率有增大趋势；压力加不上或不能保持稳定计算。

画出p-s曲线，确定比例极限和极限荷载。

岩石地基承载力的确定应符合下列规定：

对应于s曲线上起始直线段的终点为比例界限。符合终止加载条件的前一级荷载为极限荷载。将极限荷载除以3的安全系数，所得值与对应于比例界限的荷载相比较，取小值。

每个场地载荷试验的数量不应少于3个，取最小值min作为岩石地基承载力特征值

岩石地基承载力不进行基础埋深和宽度的修正。

按室内饱和单轴抗压强度计算

由岩体强度确定岩基极限承载力（理论计算）

假设在地基岩体上有一条形基础，在上部荷载qf作用下条形基础下产生岩体压碎并向两侧膨胀而诱发裂隙。由于A区压碎而膨胀变形，受到B区的约束力Ph的作用。

Ph可取B区岩体的单轴抗压强度，qf由A区岩体三轴强度给出。

可以把无侧限抗压强度取为承载力的下限。

由极限平衡理论确定岩基的极限承载力

基本假设

①破坏面由两个互相直交的平面组成

②荷载qf的作用范围很长，端面阻力忽略

③qf作用面上不存在剪力

④ 对每个楔体，采用平均体积力

评价岩体抗滑稳定，一般仍采用稳定系数分析法

岩体的基本质量取决于

岩体完整性

岩石强度

决定洞室围岩稳定性