岩体力学复习总结

绪论 1.岩体力学:是研究岩体在各种力场作用下变形和破坏规律的一门应用性学科。 2.岩体力学研究的主要内容:1)岩体的工程地质特性研究;2)岩体天然应力分布及测量理论、的研究;3)岩体物理力学性质研究;4)岩体力学分析理论及方法研究;5)地下硐室围岩稳定性研究;6)天然及人工边坡稳定性研究;7)岩基(厂基、桥基、坝基)稳定性研究;8)各种新技术、新方法在岩体力学中的应用研究 1 岩体的形成及特征 1.矿物是天然产出的均匀固体,即具有的原子构造和一定的化学成分或在规定的范围间变化的固体无机物体。 2.造岩矿物:正长石、斜长石、石英、黑云母,白云母、辉石、橄榄石、方解石、白云石、高岭石、赤铁矿等 3.地质作用:由自然动力引起使地壳组成物质,地壳构造,地表形态等不断的变化和形成的作用。 4.地质作用主要分为构造运动、岩浆活动、地震作用、变质作用、风化作用、斜坡重力作用、剥蚀作用、搬运作用、沉积作用和固结成岩作用等。大致可以归为两类: 5.内动力作用使地球内部和地壳的组成和结构复杂化,造成地表高低起伏; 外动力作用使地壳原有的组成和构造改变,夷平地表的起伏,向单一化发展。 6.岩浆岩:由来自地壳深处逐渐或迅速上升到较低温度带的天然硅酸盐熔融体或岩浆的冷凝作用和固结作用而形成的。 7.根据岩浆岩矿物成分 ①硅铝矿物:SiO2和Al2O3较高,不含FeO、MgO,包括石英类、长石类及似长石类(副长石类),由于颜色较浅,又称为浅色或淡色矿物。 ②铁镁矿物:FeO和MgO的含量较高,SiO2的含量较低,包括橄榄石类,辉石类,角闪石类及黑云母类。由于颜色较深,也称为深色矿物或暗色矿物。 暗色矿物和浅色矿物在岩浆岩中的比例,是岩浆岩鉴定和分类的重要标志之一。暗色矿物在岩浆岩中的百分含量,叫做色率。色率越高,岩浆岩越偏于基性。7.沉积岩:是在地壳表层的条件下,由母岩的风化产物、火山物质、有机物质等沉积岩的原始物质成分,经搬运作用、沉积作用以及沉积后作用而形成的一类岩石。 8.沉积岩的形成作用划分为4类 1)主要由母岩风化物质组成的沉积岩 (2)主要由火山碎屑物质组成的沉积岩 (3)主要由生物遗体组成的沉积岩, (4)主要由宇宙物质来源组成的沉积岩 9.碎屑岩填充物成分:胶结物+杂基 10.碎屑岩的结构是指构成碎屑岩的矿物和岩石颗粒大小、形状、填隙物的结构以及不同组分的空间组合关系 11.母岩(岩浆岩、沉积岩、变质岩) 在地壳中受到高温、高压及化学活动性流体的影响下发生变质而形成的岩石 12.岩体:是地质体的一部分,它位于一定的地质环境中,是在各种宏观地质界 面(软岩夹层、断层、节理、破碎带、接触带、片理等)分割下形成的有一定结构的地质体。这些宏观地质界面统称结构面或不连续面;被结构面切割成的岩石块体称为为结构体;结构面和结构体的排列组合方式称为岩体结构。 13.[地质体]:是指地壳内占有一定的空间、有其固有成分、并可以与周围物质相区别的地质作用的产物 14.地质环境主要指地应力,地下水和温度等,分别形成应力场、渗流场和温度场等,地质环境是三者的耦合场 15.岩体结构三要素为:岩体结构单元(结构面,结构体);组合(不同类型的岩体结构单元在岩体内的搭配);排列(如岩体结构单元是有序的还是无序的;是贯通的还是断续的) 16.岩体的主要工程特性:不连续性;非均质性;各向异性;赋存于一定的地质环境中,岩体中的应力、水和温度等对岩体性质有较大影响。 17.地质体形成过程中及形成以后,在内、外动力地质作用下演化发展,这就是地质体的改造作用。这里,主要介绍三个方面:构造改造,表生改造和风化作用构造运动:是由地球内力引起地壳乃至岩石圈的变位、变形以及洋底的增生、消亡的机械作用和相伴随的地震活动,岩浆活动和变质作用。 表生构造:主要指在河谷下切过程中,由于应力释放,岸坡岩体向临空面方向发生卸荷回弹,谷坡应力场产生新的调整,伴随这一过程,岩体结构所产生的一系列新的变化。 风化作用:地壳表层岩石在温度、水、各种酸的溶蚀作用、生物作用以及各种地质营力的剥蚀作用等外界因素的共同影响下,处于新的不稳定状态,逐渐遭受破坏并形成风化产物。 18.。结构面类型划分依据: (1)根据结构面成因 原生结构面,构造结构面,浅表生结构面。 (2)根据结构面接触特征 软弱结构面,坚硬结构面(硬性结构面)。 原生结构面:主要指在岩体形成过程中形成形成的结构面和构造面 构造结构面:在建造基础上,由构造运动产生的各种破裂面,如断层、节理劈理浅表生结构面(次生结构面):指在外营力作用下产生的风化裂隙及卸荷裂隙等 19.对于非贯通结构面,结构面之间的完整岩体称为岩桥。 20.米勒岩体结构类型划分: Ⅰ完整岩体 Ⅱ块裂结构岩体 Ⅲ碎裂结构岩体——节理化岩体 Ⅳ散体状结构 21.岩石质量指标(RQD)rock quality designation :用直径为75mm的金刚石钻头和双层岩芯管在岩石中钻进,连续取芯,回次钻进所取岩芯中,长度大于10cm 的岩芯段长度之和与该回次进尺的比值,以百分比表示。RQD值与方向有关。 22.单轴加载压缩试验结果表明: 峰值前曲线可以分为四种类型:直线型;下凹型;上凹型和S型; 峰值后曲线大体上可为两种类型:稳定破裂传播型(软);非稳定破裂传播型(硬)。 23.应变强化现象:峰值前,每一次的卸载曲线及重新加载的曲线都要比原先的加载曲线斜率大。峰值后,岩体具有应变软化现象。 24.回滞环:重新加载曲线与卸载曲线不在一条直线上,而形成一个封闭环。 25.岩石的“记忆”荷载回升到卸载点以后,变形曲线按初次加荷曲线上升,好像岩石具有记忆能力一样。 26.疲劳破坏:在循环加载下,岩石会在比峰值应力低的应力水平下破坏的现象。 27.极限应力水平线:当循环荷载的最大应力低于这一应力水平,应变在循环荷载作用下达一定值之后,无论循环荷载延续多长时间,应变不再增长,岩石也不发生破坏。 28.围压对岩石刚度的影响:高强度坚硬致密的岩石,其弹模并不因围压的不同有明显的变化;岩性软弱的岩石,其弹模随围压的增大而增大,围压起到压密、恢复增加刚度的作用 29.岩石的破坏方式 脆性破坏:岩石在变形很小时,由弹性变形直接发展为急剧、迅速的破坏,破坏后的应力降较大。 延性破坏和延性流动:指岩石在发生较大的永久变形后导致破坏的情况。当岩石在应力作用下应变持续不断增长而不出现破裂,即只有屈服而无破裂时,称为延性流动。 延性度:岩石在达到破坏前的全应变或永久应变. 延性度小于3%,为脆性破坏; 延性度大于5%,为延性破坏和延性流动; 延性度在3~5%之间时,为过渡类型。 围压对岩石破坏方式的影响:低围压下的脆性破坏转化为高围压下的延性破坏。 30.围压增加,岩石三轴极限强度也增加,但脆性破坏岩石增加很快,而延性破坏岩石增长缓慢 31.蠕变:恒定加载水平(应力或应力差),变形随时间增长的现象。 32.松弛:应变恒定,应力随时间逐渐减小的现象。 33.粘性:受力后变形不能在瞬间完成,且应变的速率随应力的大小而改变。 34.流变:是指物质在外部条件不变的情况下,应力或变形随时间而变化的现象。 35.长期强度:指长期荷载(应变速率小于10-6/s)作用下岩石的强度。 36.极限长期强度:趋于稳定的蠕变和非趋于稳定的蠕变蠕变间的临界荷载。 37.粘滞系数:应力—应变速率曲线上首个直线段的斜率。 38.本构关系:材料应力、应变、时间和强度之间的内在关系。它是进行材料变形及破坏问力学分析的基础。 39.长期荷载作用下,岩石蠕变变形一般包括瞬时蠕变、初始蠕变、等速蠕变和加速蠕变等阶段。 40.岩体具有弹性、塑性和粘性特性,其相应的力学模型分别是弹性固体(胡克体(Hooke)、H体),完全塑性固体(圣维南体(St.V体)和理想粘滞液体(牛顿体、N体) 41.并联采用“‖”符号表示,每个单元体模型担负的荷载之和等于总荷载,它们的位移或变形相同;串联采用“—”符号表示。每个单元体模型担负统一荷载,而它们的位移是可以相加的 42.松弛时间:在应变不变条件下,使初始应力衰减到原来的1/e时所需要的时间。 3.岩体的变形与强度 1.按照成因,可对天然应力场构成作如下分类:(1)自重应力(2)构造应力 (3)变异应力(4)残余应力(5)温度梯度引起的应力 2.自重应力是由于岩体自重所引起的应力为自重应力。它在空间有规律的分布状态称为自重应力场 构造应力场是指在一定区域内具有成生联系的各种构造形迹在不同部位应力状态的总体。构造应力以水平应力为主。最大主应力与为构造运动方向一致。 3.岩体变形是结构体变形(材料变形)和结构变形的总合,后者包括结构面闭合或张开、充填物压密、错动及结构体转动和滑动等变形。岩体的结构变形往往起控制作用 4.成生联系同一方式地壳运动所产生的地质构造在空间展布、发生发展和力学机制等方面的内在联系。 5.岩体的压力—变形曲线类型: (1)直线型—A型 ①陡直线型(A-1型):曲线斜率陡,岩体刚度大;退压后岩体变形几乎可完全恢复;表明岩体较完整、坚硬,致密均匀 ②缓直线型(A-2型):曲线斜率缓,岩体刚度很低。退压后岩体变形有明显的不可恢复变形和回滞环。表明岩体结构疏松、破碎,但裂隙分布比较均匀。(2)上凹形—B型 B-1型:①每次加压曲线的斜率随加、退压循环次数增加逐渐变大,即岩体刚度在增大;②各退压曲线比较缓,且相互近于平行,岩体弹性变形较大。 岩体特征:层状和似层状岩体。垂直层面方向加压。 B-2型:①加压曲线斜率不断变大,岩体的刚度在增加;②各退荷曲线很陡,退荷后大部分变形不可恢复。 岩体特征:节理岩体。节理面与加压方向夹角较小,结构体在压力作用下,产生楔入效应,退压后变形难以恢复。 (3)上凸形—C型 岩体特征: ①节理裂隙很发育,且具有泥质充填; ②岩石性质软弱(如泥岩、风化岩); ③岩体较深处埋藏有软弱夹层。 (4)复合型 P—W曲线为阶梯状或S型。 岩体特征:岩体中裂隙发育不均 6.剪胀:沿结构面滑动时,由于结构面起伏导致爬坡效应,使得结构面张开,岩体发生体积膨胀现象。 7.水的影响包括两个方面: (1)润滑、软化作用;冲刷或堆积,降低结构面的强度; (2)水压力,可减小结构面的正应力,从而降低岩体的强度。有效应力原理。增大水压力,减小了正应力,可能会导致结构面强度不足 8.高地应力现象 (1)岩芯饼化现象。 (2)岩爆:是岩体的一种伴有突然释放大量潜能的剧烈的脆性破坏。在地下工程中,岩爆是指处于高应力场条件下所产生的岩片(岩块)飞射抛撒,以及洞壁片状剥落等现象。 (3)探硐和地下隧道的洞壁产生剥离,岩体锤击为嘶哑声并有较大变形。 (4)岩质基坑底部隆起、剥离以及回弹错动现象。 (5)野外原位测试的岩体物理力学指标比实验室岩块试验结果高 9.名词解释 天然应力状态,剪胀和剪胀角,节理化岩体,岩体基本质量(BQ),粘滑振荡,刚性结构面、软弱结构面,工程岩体分级 4.岩石强度理论 1.最大正应变理论基本假定:材料张性破坏的原因是最大延伸应变ε达到了一定的极限应变ε0 2莫尔强度理论基本假定:材料的破坏主要取决于它的最大主应力和最小主应力,与中间主应力无关 3.剪应变能理论基本假定为:当材料剪应变能达到一定值时就引起屈服(或破裂),具体说来,即材料在三向应力作用下,单位体积的形变能V与材料单纯受拉(或受压)达到的形变能相等,材料就屈服了。 4八面体应力理论基本假定:材料的破坏是由于八面体上剪应力达到临界值引起。属于应力强度理论 5Griffith强度理论基本假定:一般呈脆性破坏的材料,其强度与强度理论存在着不同程度的离散性。 6.霍克—布朗岩石破坏经验判据原则: (1)破坏判据应与试验的强度值相吻合; (2)破坏判据的数学表达式应尽可能简单; (3)岩石的破坏判据能延伸用到节理化岩体和各向异性情况。 7本构关系:材料应力、应变、时间和强度之间的内在关系。它是进行材料变形及破坏问题力学分析的基础。 8名词解释:强度理论,最大正应变理论,摩尔强度理论,格里菲斯强度理论 5 地下硐室的围岩应力计算及应力分布 1.圆形硐室围岩应力特征: ①硐室周边全处于压应力状态; ②围岩内应力大小与弹性参数 E,μ无关; ③径向应力σr在洞壁处最小,随距洞壁越远而增加,直至等于初始应力 切向应力σθ在洞壁处最大,随距洞壁越远而减小,直至等于初始应力。 应力集中系数: 某点重分布后最大主应力与原岩最大主应力的比值。 ④径向应力和切向应力均为主应力; ⑤围岩内切向应力与径向应力之和等于2σ0。 ⑥硐周内各点应力大小与孔径有关。 2.非均布天然应力场情况:基本假定:岩体是均质各向同性的连续介质;深埋洞室。 3.椭圆形硐室围岩应力假定: 岩体为均质各向同性弹性体 4.圆形硐室围岩应力的弹塑性分析基本假定: (1)圆形硐室静水压力式均匀初始应力 (2)围岩为各向同性均匀介质; (3)围岩屈服后满足直线型摩尔—库仑强度条件;