岩体力学第六章-第一节到第六节
岩石力学 第六章 地下空间开挖围岩稳定性分析
行支护达到人工稳定； 支护和破裂岩体本应是相互影响、共同作用的，但 现在还做不到完全用共同作用理论为指导来解决支 护设计问题； 古典地压学说：1907年，普氏学说——俄罗斯学者； 1942年，太沙基学说——美国学者； 在60年代，共同作用理论提出以后的30多年，弹塑 性力学的研究方法在岩石力学研究中一直占据主导 的地位，古典地压学说则被冷落一旁；
r , r p0
解析表达式
R02 1 2 p0 r r
净水压力下围岩应力分布
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《岩石力学》
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讨论
开巷（孔）后，应力重新分布，也即次生应力场；
, 均为主应力，径向与切向平面为主平面； r
应力大小与弹性常数 周边
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c cot
《岩石力学》
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塑性区半径
( p0 c cot )(1 sin ) R p R0 P c cot 1
1sin 2 sin
讨论
R p与 R0 成正比，与 p0 成正变，与 c 、
塑性区应力与原岩应力
900 , 2700 处， p0 (3 1) ; 0 0 p0 (3 ) ; 在巷道的侧边，即 0 , 180 处，
在巷道的顶、底板，即
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应力集中系数与 , 的关系
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巷道周边位移
o
开挖后（周边）
u (1 ) p 0 R0 E
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《岩体力学》第六章岩体的力学性质
图6.1 岩体的压力--变形曲线第六章 岩体的力学性质岩体的力学性质包括岩体的变形性质、强度性质、动力学性质和水力学性质等方面。
岩体在外力作用下的力学属性表现出非均质性、非连续、各向异性和非弹性。
岩体的力学性质取决于两个方面： 1）受力条件；2）岩体的地质特征及其赋存环境条件。
其中地质特征包括岩石材料性质、结构面的发育情况及性质（影响岩体的力学性质不同于岩块的本质原因）；赋存环境条件包括天然应力和地下水。
第一节 岩体的变形性质一、 岩体变形试验及其变形参数确定变形参数包括变形模量和弹性模量。
按静力法得到静E ，动力法得到动E 。
⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧法波地震声波法动力法轴压缩试验法双单水压洞室法钻孔变形法扁千斤顶法狭缝法承压板法静力法按原理和方法分原位岩体变形试验)()()( )(1．承压板法刚性承压板法和柔性承压板法 各级压力P －W （岩体变形值）曲线 按布西涅斯克公式计算岩体的变形模量E m （Mpa ）和弹性模量E me （Mpa ）。
⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=-=e m mem m W W PD E W W PD E )1()1(22μμ式中：P —承压板单位面积上的压力（Mpa ）； D —承压板的直径或边长（cm ）；W，W e—为相应P下的总变形和弹性变形；ω—与承压板形状、刚度有关系数，圆形板ω=0.785，方形板ω=0.886。
μm—岩体的泊松比。
★定义：岩体变形模量（E m）：岩体在无侧限受压条件下的应力与总应变之比值。
岩体弹性模量（E me）：岩体在无侧限受压条件下的应力与弹性应变之比值。
图6.2 钻孔变形试验装置示意图②可以在地下水位以下笔图6.3 狭缝法试验装置如图6.3所示。
二、岩体变形参数估算现场原位试验费用昂贵，周期长，一般只在重要的或大型工程中进行，因此，岩体变形参数的很多情况下必须进行估算。
两种方法：① 现场地质调查→建立适当的岩体地质力学模型→室内小试件试验资料→进行估算； ② 岩体质量评价和大量试验资料→建立岩体分类指标与变形参数间的经验关系→进行估算。
第六章岩体的初始应力状态讲义
z z
n
z i hi i 1
若认为岩体为均质、连续且各向同性体，各岩体单 元横向变形为0，即x= y=0，则由广义胡克定律：
x
1 E
x
y z
y
1 E
y
z
x
解上式得水平应力x、 y为：
5、水压致裂法测定系统
6、应力计算
两向受不相等的均布力σ1、σ2作用时的应力分量：
1
2
2
(1
r2
2
)
1
2
2
(1
r2
2
)(1
3
r
2 2
)
cos
2
2
1
2
2
(1
r2 ) 1 2
2
2
(1
3 r 4 )cos 2 4
岩浆侵入或者随着深度的增加，温度升高，使岩 体膨胀，产生热应力，增加初始应力；
若地温梯度α=3°C/100m，岩体热膨胀系数β约 为10-5，一般岩体弹性模量E=10GPa，则地温引起的温 度应力T约为：
T =αβE Z=0.03×10-5×104 Z=0.003 Z MPa
Z为研究点处的深度，m。
x
y
1
z
z
其中λ为侧压力系数，
岩体（0.2-0.3），则（0.25-0.43）；
另外， xy yz zx 0
岩体自重应力随着深度呈线性增加，浅部处 于弹性状态；超某一临界深度（砂岩500m、花岗 岩2500m），岩体处于潜塑状态或塑性状态（开 挖前为弹性，开挖后呈塑性），此时，其近于 0.5，则近于1.0，岩体所受垂直与水平应力相 等，即静水压力状态，该现象瑞士地质学家海姆 （A.Heim）1987年在研究阿尔卑斯山深大隧道时 发现，称为海姆假说。
岩石力学优秀课件
极限应力圆与抗剪强度(shear strength )直线相切的两 点D1 、D1' 表示岩石内将出现一组共轭剪切破坏裂面的临界状态。
从图中可以看出，这一组剪切破裂面上的剪应力并非是 最大剪应力(maximum shear stress )。
f 0 f n
上式中： | f |：岩石剪切面的抗剪强度(shear strength )；
0 ：岩石固有剪切强度(inherent shear strength )，它与粘聚力
C相当；
f n ：剪切面上的摩擦阻力； n ：剪切面上的正应力；
f ：岩石内摩擦系数 f = tg 。
取、 为直角坐标系的横轴、纵轴，则上式为一直线
t
t
2
tg 1 c 3 2 t
这是双曲线型包络线形式下的剪切强度曲线方程。
第三节 软弱面或各向异性岩层 的破坏准则及稳定条件
岩石的破坏包括破裂（failure ）和摩擦滑动（slide ）两 种情况。
破裂是完整岩石中发生破坏的唯一机制。破裂的条件可以由 库 仑 准 则 给 出 。 倘 若 岩 石 中 预 先 就 存 在 着 软 弱 面 （ plane of weakness ），比如存在着断层，情况就变了，这时岩石发生破 坏的机制可能是沿断层面的摩擦滑动，也可能是穿过断层面的破 裂。究竟发生哪一种类型的破坏，要视岩石内部哪种情况首先满 足库仑准则。
图5-2 共扼剪裂面与主应力关系 图5-3 剪裂面上应力与主应力关系
三、库伦一纳维尔破坏准则的第二种表示方法
库伦一纳维尔破坏准则也可采用主应力 1 、 3 来表示，剪裂
6、岩体的初始应力状态
第六章 岩体的初始应力状态第一节 初始应力状态的概念与意义岩体的初始应力，是指岩体在天然状态下所存在的内在应力，在地质学中，通常又称它为地应力。
岩体的初始应力主要是由岩体的自重和地质构造运动所引起的。
岩体的地质构造应力是与岩体的特性(例如，岩体中的裂隙发育密度与方向，岩体的弹性、塑性、粘性等)有密切关系，也与正在发生过程中的地质构造运动以及与历次构造运动所形成的各种地质构造现象(例如，断层、褶皱等)有密切关系。
因此，岩体中每一单元的初始应力状态随该单元的位置不同而有所变化。
此外，影响岩体初始应力状态的因素还有地形、地质构造形态、水、温度等，但这些因素大多是次要的，只是在特定的情况下才需考虑。
对于岩体工程来说，主要考虑自重应力和构造应力，二者叠加起来构成岩体的初始应力场。
地面和地下工程的稳定状态与岩体的初始应力状态密切相关。
岩体的初始应力状态可以指在没有进行任何地面或地下工程之前，在岩体中各个位置及各个方向所存在的应力的空间分布状态，它是不取决于人类开挖活动的自然应力场。
在岩体中进行开挖以后，改变了岩体的初始应力状态，使岩体中的应力重新分布，引起岩体变形，甚至破坏。
在高地应力地区，开挖后常会出现岩爆、洞壁剥离、钻孔缩径等地质灾害。
对于地下洞室工程来讲，我们把与洞室本身稳定密切相关的周围岩体称为围岩。
洞室的开挖引起围岩的应力重分布和变形，这不仅会影响洞室本身的稳定状态，而且为了维持围岩的稳定，需施作一定的支护结构或衬砌。
合理地设计支护结构，确定经济合理的衬砌尺寸，是与岩体的初始应力状态紧密相关。
所以，研究岩体的初始应力状态，就是为了正确地确定开挖过程中岩体的应力变化，合理地设计岩体工程的支护结构和措施。
第二节 组成岩体初始应力状态的各种应力场及其计算一、岩体自重应力场及计算地心对岩体的引力，使原岩体处于受力状态，由此而引起的岩体应力称为重力应力。
它可以通过计算获得，其计算理论一般是建立在假定岩体为均匀连续介质的基础之上的。
(完整word版)岩石力学课本
第一章绪论第一节岩体力学与工程实践岩体力学(rockmass mechanics)是力学的一个分支学科，是研究岩体在各种力场作用下变形与破坏规律的理论及其实际应用的科学，是一门应用型基础学科。
岩体力学的研究对象是各类岩体，而服务对象则涉及到许多领域和学科。
如水利水电工程、采矿工程、道路交通工程、国防工程、海洋工程、重要工厂(如核电站、大型发电厂及大型钢铁厂等)以及地震地质学、地球物理学和构造地质学等地学学科都应用到岩体力学的理论和方法。
但不同的领域和学科对岩体力学的要求和研究重点是不同的。
概括起来，可分为三个方面：①为各类建筑工程及采矿工程等服务的岩体力学，重点是研究工程活动引起的岩体重分布应力以及在这种应力场作用下工程岩体(如边坡岩体、地基岩体和地下洞室围岩等)的变形和稳定性。
②为掘进、钻井及爆破工程服务的岩体力学，主要是研究岩石的切割和破碎理论以及岩体动力学特性。
③为构造地质学、找矿及地震预报等服务的岩体力学，重点是探索地壳深部岩体的变形与断裂机理，为此需研究高温高压下岩石的变形与破坏规律以及与时间效应有关的流变特征。
以上三方面的研究虽各有侧重点，但对岩石及岩体基本物理力学性质的研究却是共同的。
本书主要是以各类建筑工程和采矿工程为服务对象编写的，因此，也可称为工程岩体力学。
在岩体表面或其内部进行任何工程活动，都必须符合安全、经济和正常运营的原则。
以露天采矿边坡坡角选择为例，坡角选择过陡，会使边坡不稳定，无法正常采矿作业，坡角选择过缓，又会加大其剥采量，增加其采矿成本。
然而，要使岩体工程既安全稳定又经济合理，必须通过准确地预测工程岩体的变形与稳定性、正确的工程设计和良好的施工质量等来保证。
其中，准确地预测岩体在各种应力场作用下的变形与稳定性，进而从岩体力学观点出发，选择相对优良的工程场址，防止重大事故，为合理的工程设计提供岩体力学依据，是工程岩体力学研究的根本目的和任务。
岩体力学的发展是和人类工程实践分不开的。
岩石力学-第六章岩体的初始应力状态
6.5.2 高地应力的判别标准和高地应力现 象
• （3）探洞和地下隧洞的洞壁产生剥离，岩体锤击为嘶哑声并有较大变形，在中等强度 以下的岩体中，开挖探硐或隧洞，高地应力状况不会像岩爆那样剧烈，洞壁岩体产生剥 离现象，有时裂缝一直延伸到岩体浅层内部，锤击时有破哑声。在软质岩体中则产生洞 体较大的变形，位移显著，持续时间长，洞径明显缩小。
性质、温度、地下水等因素的影响，特别是地形和断层的扰动影响最大。
6.4 岩体初始应力分布的主 要规律
初始应力场是一个非稳定应力 中国大陆板块边界所受的外力分布 场
中国大陆板块受到 外部印度板块每年以5厘米 速度和太平洋板块每年以数 厘米速度的推挤，同时受到 西伯利亚板块和菲律滨板块 的约束。板块变形，形成主 应力迹线，印、太板块的移 动促成了中国山脉的形成， 控制了地震的分布。
=0.8 ＋ 0.0329H(MP a)
6.4 岩体初始应力分布的主
要规律
平均水平应力 K 垂直应力
4. 平均水平应力与垂直应
力的比值随深度增加而减
小。
K
1500 H
0.5
5. 最大水平主应力和最小 水平主应力也随深度呈线
性增长关系
6. 最大水平主应力和最小
水平主应力之值一般相差
K 100 0.3 H
极高地应力 高地应力 一般地应力
我国工程岩体分级基准
<4
4～7
>7
（GB50218-94）
法国隧道协会
<2
2～4
>4
日本新奥法指南（1996年） > 2
4～6
岩体力学各章内容要点及重点
新的课程——《岩体力学》。 岩体力学是土木工程专业的专业基础课，它是研究工程岩体在工
程建筑物荷载等外力作用下变形、破坏的理论与实际应用的一门 学科。
在工程实践中，如盖大楼、造大桥、开挖隧道、修水坝等常遇到 各种岩体力学问题，需要运用岩体力学知识来解决。
那么，岩体力学是一门怎样的科学呢？它的研究对象、研究任务 和研究内容是什么？它是怎样研究和解决岩体力学问题的呢？下 面我们将逐一介绍。
其中，岩体的变形性质和剪切强度是学习的重点，其他 内容可以一般了解。
整理ppt
16
第七章 岩体中的天然应力
人类工程活动之前存在于岩体中的应力，称为天然应力。 岩体在天然应力作用下，不是处于静力稳定，而是处于 一种动力平衡状态，一旦应力状态发生改变，这种动力 平衡条件将遭破坏，岩体也将发生这样或那样的失稳现 象。岩体中的天然应力状态，在研究区域稳定、岩体稳 定性以及在原位岩体测试工作中，均具有重要的实际意 义。
整理ppt
1
第一章 绪论
❖ 岩体力学是力学的一个分支学科，是研究岩体在各种力场作用下 变形与破坏规律的理论及其实际应用的科学，是一门应用型基础 学科。它的研究对象是各类岩体。
❖ 本章主要介绍岩体力学的定义、学科分支、研究意义、研究内容、 研究方法、岩体力学的发展历史和发展趋势。
❖ 在这一章里我们将学习以下内容： 一、岩体力学的定义 二、岩体力学的研究内容和研究方法 三、岩体力学的发展概况与动态
整理ppt
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第九章 边坡岩体稳定性分析
边坡在其形成及运营过程中，在诸如重力、工程作用 力、水压力及地震作用等力场的作用下，坡体内应力 分布发生变化，当组成边坡的岩土体强度不能适应此 应力状态时，就要产生变形破坏，引发事故或灾害， 常给人类工程活动及生命财产带来巨大的损失。
第六节 岩体力学性能的现场测试
S <1 2
时，为绝对刚性； 为绝对刚性； 时，为有限刚度； 为有限刚度； 时，为绝对柔度； 为绝对柔度；
当 1 2 ≤ S ≤ 10 当
S > 10
3.测试 3.测试岩体的变形可在垫板下面测定，也可在通过垫板 测试 中心的轴线上距垫板一定距离处量测 多次小循环
P-压力
单次小循环
大循环
T-时间
图4-33 岩体现场变形试验加荷过 程示意图
设备装置主要由四部分组成( 32) 2、设备装置主要由四部分组成(图4—32)： 垫板(承压板) 方形或圆形，面积： 25材料：弹性、刚性。 垫板(承压板)：方形或圆形，面积：0.25-1.2m2，材料：弹性、刚性。 千斤顶或压力枕) 500kN 3000kN kN— 加荷装置 (千斤顶或压力枕)： 500kN—3000kN 传力装置(传力支柱、传力柱垫板)； 变形量测装置(测微计)。 变形量测装置(测微计) 传力装置(传力支柱、传力柱垫板)
径向压缩的荷载要保持其变形在弹性范围内，径向位移的测定， 径向压缩的荷载要保持其变形在弹性范围内，径向位移的测定，不是在混凝土和岩 面衬砌的接触面上，而是在岩体内部大约15cm的深处测量。 的深处测量。 面衬砌的接触面上，而是在岩体内部大约 的深处测量 变形模量按弹性厚壁圆筒的条件计算。 变形模量按弹性厚壁圆筒的条件计算。 设岩体内任一点的位移为
2
（4-80）
式中：p-荷载; r-垫板的半径; μ-岩体的泊松比; E——岩体的 弹性模量
b.垫板的平均位移 b.垫板的平均位移
s0′ = mp (1 − µ 2 ) / E A
（4－81）
式中，A-受荷表面的面积；m-系数它取决于垫板的形状、刚 度以及荷载分布等情况，其m值可见表4－5
第六章 岩体的工程地质性质及其分类
由以上试验结果可知：
（1）岩体的变形模量比岩块的小，而且受结构面发育 程度及风化程度等因素影响十分明显。
（2）不同地质条件下的同一类型的岩体，其变形模量 相差较大。
（3）试验方法不同、压力大小不同，得到的岩体变形 模量不同。 岩体与岩块比：弹性摸量E小，峰值强度低，残余强度低， 各向异性显著，相同荷载下的变形大。
岩体的变形是岩块变形和结构变形的总和。结构变形通 常包括结构面闭合、充填物的压密及结构体转动和滑动等变 形。
岩体变形=岩块变形+结构面闭合+充填物压缩+其他变形 在一般情况下，岩体的结构变形起着控制作用。 一、岩体变形试验及其变形参数确定
岩体的变形试验包括静力法和动力法两大类：
1. 基本方法 （1）静力法
β
据单结构面理论，岩体中存在一组结构面时，岩体的 极限强度与结构面倾角β间的关系为：
由上式可知：当围压σ3不变时，岩体强度(σ1－σ3) 随结构面倾角β变化而变化。
四 连续性 结构面的连续性反映结构面的贯通程度。 1、线连续性系数：指沿结构面延伸方向，结构面各段长度 之和(Σa)与测线长度的比值。如下图所示，可按下式计算。
（1）抗剪断强度 ——是指在任一法向应力下，岩体沿新鲜岩石剪 切破坏时能抵抗的最大剪应力。 （2）抗剪强度 ——是指在任一法向应力下，岩体沿已有破裂面 剪切破坏时的最大应力。 （3）抗切强度 ——是指剪切面上的法向应力为零时的抗剪断强 度。
五 密度 结构面的密度反映结构面发育的密集程度。 1、线密度(Kd) 指结构面法线方向单位测线长度上交切结 构面的条数(条/m)。 2、间距(d) 指同一组结构面法线方向上两相邻结构面的 平均距离。
Kd与d互为倒数关系
结构面间距分级表
岩体力学 中国地质大学 贾洪彪第六章岩体的力学性质
第六章岩体的力学性质第一节概述岩体的力学性质与岩块有显著的差别。
一般情况下，岩体比岩块易于变形，其强度也显著低于岩块的强度。
造成这种差别的根本原因在于岩体中存在各种类型不同、规模不等的结构面，并受到天然应力和地下水等环境因素的影响。
正因为如此，岩体在外力的作用下其力学属性往往表现出非均质、非连续、各向异性和非弹性。
所以，无论在什么情况下，都不能把岩体和岩块两个概念等同起来。
另外，人类的工程活动都是在岩体表面或岩体内部进行的。
因此，研究岩体的力学性质比研究岩块力学性质更重要、更具有实际意义。
岩体的力学性质，一方面取决于它的受力条件，另一方面还受岩体的地质特征及其赋存环境条件的影响。
其影响因素主要包括：组成岩体的岩石材料性质；结构面的发育特征及其性质和岩体的地质环境条件，尤其是天然应力及地下水条件。
其中结构面的影响是岩体的力学性质不同于岩块力学性质的本质原因。
实践表明：研究岩体的变形与强度性质是岩体力学的根本任务之一。
因此，本章将主要讲述岩体的变形与强度性质，同时对岩体的动力学性质及水力学性质也作一简要介绍。
第二节岩体的变形性质岩体变形是评价工程岩体稳定性的重要指标，也是岩体工程设计的基本准则之一。
例如在修建拱坝和有压隧洞时，除研究岩体的强度外，还必须研究岩体的变形性能。
当岩体中各部分岩体的变形性能差别较大时，将会在建筑物结构中引起附加应力；或者虽然各部分岩体变形性质差别不大，但如果岩体软弱抗变形性能差时，将会使建筑物产生过量的变形等。
这些都会导致工程建筑物破坏或无法使用。
由于岩体中存在有大量的结构面，结构面中还往往有各种充填物。
因此，在受力条件改变时岩体的变形是岩块材料变形和结构变形的总和，而结构变形通常包括结构面闭合、充填物压密及结构体转动和滑动等变形。
在一般情况下，岩体的结构变形起着控制作用。
目前，岩体的变形性质主要通过原位岩体变形试验进行研究。
一、岩体变形试验及其变形参数确定原位岩体变形试验，按其原理和方法不同可分为静力法和动力法两种。
《岩石力学》(完整版)PPT课件
平行层面波速/垂直岩层波速＝各向异性系数C C=1.08-2.28；多数：C=1.67 相当一部分：c=1.10
.
43
表3－6
.
44
•交通方面 ：北京道路面积4.4m2/人；东京11.3m2/ 人；伦敦21.3m2/人。
.
4
1.3 岩体力学的研究方法
研究方法：实验、理论分析与工程应用相结合
实验 理论
室内
岩块（拉、压、剪…） 模拟 收敛（表面位移）
野外 位移 应力
应变 绝对位移、相对位移（内部）
压力 连介
非连介
有限元
数值方法 离散元
VP0.3 51.88
.
34
.
35
二、岩体波速与岩体中裂隙或夹层的关系
弹性波在岩体中传播时，遇到裂隙，则视
充填物而异。若裂隙中充填物为空气，则弹 性波不能通过，而是绕过裂隙断点传播。在 裂隙充水的情况下，声能有5％可以通过， 若充填物为其他液体或固体物质，则弹性波 可部分或完全通过。弹性波跨越裂隙宽度的 能力与弹性波的频率和振幅有关.
.
29
.
30
根据实验结果整理的岩体动弹性模量见表（3－2）
.
31
动弹性模量与静弹性模量的比值
• 一般来说，岩体越坚硬越完整，则差 值越小，否则，差值就越大。
• 根据对比资料的统计，动弹性模量比 静弹性模量高百分之几至几十倍，如 图3－4所示。
• 从动弹性模量的数字来看，多集中 在 1 51305 0130MP之a间。
.
12
（二）渗透性
在一定的水压作用下，水穿透岩石的能力。反映 了岩石中裂隙向相互连通的程度，大多渗透性可用达 西（Darcy）定律描述：
《岩体力学》课程教学大纲
《岩体力学》教学大纲课程编号：0801201524课程名称：岩体力学课程英文名称：Rock Mass Mechanics课程类别：必修课课程性质：专业课学时(理论+实验)：56 (48+8)学分：3开课学期：第六学期选用教材：《岩体力学》齐伟编，地质出版社，2011年7月主要参考书：1、《岩体力学》肖树芳、杨淑碧编，地质出版社。
2、《岩体力学》中国地质大学出版社。
3、《岩体力学》沈明荣主编，同济大学出版社。
4、《矿山岩体力学》郑永学主编，冶金工业出版社。
5、《岩石力学》重庆大学出版社。
6、《岩石力学》徐志英编，中国水利水电出版社。
7、《岩石力学与工程》蔡美峰主编，科学出版社。
8、《岩体力学基础》孙广忠著，地质出版社。
一、中英文课程简介：岩体力学是土木工程及勘察技术与工程专业的专业理论基础课程之一。
岩体力学是研究岩体在各种力场作用下变形及破坏规律以及强度和稳定性问题的一门应用型理论学科，它具有较完善的理论体系，同时又具有广泛的应用领域，在隧道与地下工程、边坡工程和地基工程等方面拥有广泛大量的研究课题，因此可以说该学科具有广阔的开展前景和旺盛的生命力。
岩体力学是一门正处于开展中的年轻学科，它仅有40年左右的开展历史，这说明该学科正处于快速的开展期，在人类社会高速开展以及我国经济快速开展的今天，各类岩体工程大量涌现，提出了越来越多的岩体力学问题，又由于现代科学技术的飞速开展，许多新技术和新方法不断涌现，为岩体力学注入了许多新的内容，使学科开展开辟了许多新的增长点。
岩体力学的研究内容是相当广泛的，首先，岩体力学的研究对象——岩体作为地质体的地质特征是岩体力学研究的基础内容，包括岩体的物质组成、地质体的开展演化历史、岩体中结构面及结构特征的研究，岩体赋存的地质环境特征的研究，如地应力、地下水等。
岩石及岩体力学性质的研究，包括岩石（体）的变形、破坏的规律及本质，以及强度的研究，岩石（体）强度理论的研究等。
另外，还有大量岩体力学的应用课题研究，如地下及隧道工程中围岩应力及围岩压力的研究，边坡工程中斜坡岩体的稳定性及加固技术问题研究，以及地基工程中的岩体稳定性研究等，都有大量的研究课题和内容。
第六章 岩体的工程地质性质及岩体工程分类
构造结构面——区域性活动断裂 区域性活动断裂 构造结构面
构造结构面 ——
断层
断层面
3、次生结构面（浅、表生结构面） 次生结构面（ 表生结构面）
沉积结构面：是沉积岩在沉积和成岩过程中形成的， 沉积结构面：是沉积岩在沉积和成岩过程中形成的，有层理 面、软弱夹层、沉积间断面和不整合面等。 软弱夹层、沉积间断面和不整合面等。 岩浆（火成）结构面：是岩浆侵入及冷凝过程中形成的结构 岩浆（火成）结构面： 面，包括岩浆岩体与围岩的接触面、各期岩浆 包括岩浆岩体与围岩的接触面、 岩之间的接触面和原生冷凝节理等。 岩之间的接触面和原生冷凝节理等。 变质结构面：在变质过程中形成， 变质结构面：在变质过程中形成，分为残留结构面和重结晶 结构面，像片理、片麻理。 结构面，像片理、片麻理。
Ⅳ级：指延伸较差的节理、层面、次生裂隙、小断 指延伸较差的节理、层面、次生裂隙、 层及较发育的片理、劈理面等。 层及较发育的片理、劈理面等。是构成岩块的边界 破坏岩体的完整性， 面，破坏岩体的完整性，影响岩体的物理力学性质 及应力分布状态。 及应力分布状态。 Ⅳ级结构面主要控制着岩体的结构、完整性和 级结构面主要控制着岩体的结构、 物理力学性质，数量多且具随机性， 物理力学性质，数量多且具随机性，其分布规律具 统计规律，需用统计方法进行研究。 统计方法进行研究 统计规律，需用统计方法进行研究。 又称微结构面。常包含在岩块内， Ⅴ级：又称微结构面。常包含在岩块内，主要影响 岩块的物理力学性质，控制岩块的力学性质。 岩块的物理力学性质，控制岩块的力学性质。
6 岩体的初始应力状态
三. 岩体初始应力的影响因素
（三）地形地貌 1)山坡的应力分布 2)沟谷的应力分布
应力集中
地形对初应力的影响
三. 岩体初始应力的影响因素
三. 岩体初始应力的影响因素
三. 岩体初始应力的影响因素
六.高地应力问题
天生桥二级水电站岩爆破 坏隧洞
六.高地应力问题
天生桥二级水电站岩爆破 坏隧洞
六.高地应力问题
(一) 研究高地应力问题的必要性 1. 岩体力学与其他力学学科最根本的区别在于 岩体中存在初始地应力。 2. 工程建设的需要。瑞典Victas隧洞、美国大 古力坝、二滩电站、鲁布革电站、大瑶山隧 道、拉西瓦电站、天生桥引水隧洞等等都发生 过岩爆、剥离或岩芯饼化问题。
一.初始应力的基本概念
初始应力是指岩体在天然状态下的内在应力， 在地质学中通常又称它为地应力，在岩体工程 中也叫一次应力。 初始应力是三维应力状态，一般为压应力，包 括应力大小和方向。 初始应力场受多种因素影响，一般来讲其主要 影响因素依次为埋深（自重）、构造运动、地 形地貌、地壳剥蚀程度等。在不同地方这个主 次关系可能改变。
四. 岩体初始应力的分布规律
3. 水平初始应力也随埋深而增大，且成正比， 但其变化率要小于垂直初始应力； 4. 在浅部，水平应力普遍大于垂直应力，侧压 力系数为0.5 ～5.5，大部分在1～2左右，深部 岩体逐步趋近于1； 5. 两水平应力σx、σy不相等，两者的比值为 0.2 ～0.8，大部分在0.4～0.7左右。
六.高地应力问题
(三) 高地应力判别准则 国内外尚无统一的标准。 1. 国内一般岩体工程以初始地应力20～30MPa 认为是高地应力，在这样的应力水平下易出现 高地应力现象。 2. GB50021-2001：Rc/σmax<4为极高地应力， 4<Rc/σmax<7为高地应力。其中σmax为垂直洞轴 线方向的最大初始应力。
岩体力学-第6讲-岩石边坡工程
几个概念提法
• 岩质边坡 土质边坡 • 岩石边坡 岩质边坡 • 露天矿边坡 路堑边坡 路堤边坡 坝坡 岸坡
边坡工程与经济建设
• 边坡与露天矿工程
维持边坡稳定、增大坡脚、减小采方
• 边坡与水利水电工程
近坝边坡的永久稳定性 库岸边坡的变形失稳与地质灾害
• 边坡与交通工程
路堑边坡和路堤边坡变形失稳
• 边坡与房屋建筑工程
平面滑动
平面滑动
平班水电站进 场所公路滑坡
云荞水库趾 板边坡滑坡
千将坪滑坡
洪家渡水电站进 场公路滑坡
楔体滑动
• 当两个软弱面相交，切割岩体形成四面 体时，就可能出现楔形滑动 • 如果两个结构面的交线因开挖而处于出 露状态，不需要地形上或结构上的解除 约束即可能产生滑动。
楔体滑动
青兰山边坡
锦屏库区
N1 N 2 W cos S cos sin 2
j
2 1
2
1 2
FS
sin t an j ( ) 1 t an S sin 2
FS
( N1 N 2 ) tan j W sin S
2 1
tan j sin(90 ) tan j 2 2 2 sin 1 tan S 2
边坡稳定影响因素
• 2、坡形坡率变化
• 河流、水库及湖海的冲刷及淘刷，使岸坡外形发生变 化。当侵蚀切露坡体底部的软弱结构面，使坡体处于 临空状态，或侵蚀切露坡体下伏软弱层的顶面时，使 坡体失去平衡，最后导致破坏。 • 人工削坡时未考虑岩体结构特点，切露了控制斜坡稳 定的主要软弱结构面，形成或扩大了临空面，使坡体 失去支撑，会导致斜坡的变形与破坏。
平面破坏分析
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锚杆支护、预应力锚杆支护和喷混凝土支护等方式，加
固围岩，使围岩处于稳定状态。这种支护的特点是依靠 增加围岩的自承作用来稳固洞室，一般可能比较经济。
外部支护在与岩石紧 密接合或者回填密实的情 况下，这种支护也能起到 限制围岩变形、维持围岩
稳定的作用。
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
外部支护
自承支护：特点是依靠增加围岩的自承作用来稳固 洞室，一般可能比较经济。
1)洞室的形状和大小：洞室形状对于围岩应力分布 会产生影响，同样，洞室的形状对山岩压力的大小也有 影响。
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
2)地质构造：地质构造对于围岩的稳定性及山岩压 力的大小起着重要影响。
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
地质构造简单、地层完整、无软弱结构面，围岩就 稳定，山岩压力也就小。
§6.1 概述
K0=0
§6.1 概述
§6.1 概述
从该章可知，在岩体内开挖洞室以后，岩体的原 始平衡状态被破坏，发生应力重分布。随着应力的重 分布，围岩不断变形并向洞室逐渐位移。
§6.1 概述
(1) “冒顶”等围岩破坏现象
一些强度较低的岩 石由于应力达到强度的极 限值而破坏，产生裂缝或 剪切位移，破坏了的岩石 在重力作用下甚至大量塌 落，造成所谓“冒顶”现 象。
洞室稳定性验算：验算洞室边界上的切向应力 是否超过岩体强度即可，一般不需要计算山岩压力。
§6.3 坚硬岩体的应力和稳定演算
2) 计算公式 对于洞室岩体属于整体性良好的坚硬岩体来说， 需演算：
Rc
式中 σθ——洞室边界上的切向应力(MPa)； [Rc]——岩石的许可抗压强度(MPa)。
山岩压力一般都与时间有关。
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
6)施工方法：山岩压力的大小与洞室的施工方法和 施工速率也有较大关系。 施工方法主要是指掘进的方法。在岩体较差的地层
中，如采用钻眼爆破，尤其是放大炮，或采用高强度的
炸药，都会引起围岩的破碎而增加山岩压力。用凿岩机 掘进，光面爆破，减少超挖量，采用合理的施工方法可 以降低山岩压力。
要是支承坍落岩块的重量，并阻止岩体继续变形、松动和 破坏。
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
（2）影响山岩压力的因素 主要因素：岩石的性质。 岩石的性质是判断有无山岩压力及山岩压力类型 的主要因素。 岩石的性质可以用岩体结构类型来进行分类。
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
对山岩压力的影响的其它因素主要有：
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
研究指明，当围岩处于塑性变形状态时，洞室埋置 愈深，山岩压力也就愈大。
深洞室的围岩通常处于高压塑性状态，所以它的山
岩压力随着深度的增加而增加，在这种情况下宜采用柔 性较大的支护，以发挥围岩的自承作用，降低山岩压力。
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
5)时间：由于山岩压力主要是由于岩体的变形和破坏 而造成的，而岩体的变形和破坏都有一个时间过程，所以
§6.1 概述
进行地下洞室设计和施工时，需要解决的问题： ①洞室开挖后要不要支护与衬砌？ ②如果不进行支护与衬砌，洞室是否稳定？洞室顶 部的岩石会不会坍落？洞室侧面岩石会不会倒下？ ③若需要支护与衬砌，则岩石对支护或衬砌的压力有多大？
§6.1 概述
（2）支护与衬砌的定义 衬砌指的是为防止围岩变形或坍塌，沿隧道洞身 周边用钢筋混凝土等材料修建的永久性支护结构。
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
外部支护/普通支护/老式支护 支护形式
内承支护/自承支护
外部支护的作用：作用在围岩的外部，依靠支护 结构成的承载能力来承受山岩压力。
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
外部支护/普通支护/老式支护 支护形式
内承支护/自承支护
自承支护的作用：是通过化学灌浆或水泥灌浆、
式中
[Rc]=0.6Rc [Rc]=0.5Rc
Rc——岩块单轴湿抗压强度(MPa)。
岩石的许可抗拉强度公式和上面的公式类似。
§6.3 坚硬岩体的应力和稳定演算
4) 隧道(巷道断面)分类 按构成的轮廓线分两种：
折线型：矩形、梯形、不规则形； 曲线型：直墙拱形(如三心拱形、半圆拱形、圆 弧拱形)以及封闭拱形、椭圆形、圆形等。见下图所示。
（4）山岩压力的定义
有的书上也将这种压力称为 “地层压力”，“围岩压力”， “地压”，“岩石压力”，都是与 山岩压力同一个意思。
§6.1 概述
§6.1 概述
支护的作用：1 承担坍落岩块的重量（松动压力）； 2 限制围岩变形（形变压力）
§6.1 概述
（5）山岩压力和支护与衬砌的设计 根据山岩压力的实际情况合理的设计支护和衬砌， 达到安全和合理利用资源的目的。
性变形而无塑性变形，岩石没有破坏和松动。
如果在开挖完成后进行支护或衬砌，则这时支护上没 有山岩压力。在这种岩石中的洞室支护主要用来防止岩石的
风化以及剥落碎块的掉落。
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
2）在中等质量的岩石中，洞室围岩的变形较大，不 仅有弹性变形，而且还有塑性变形，少量岩石破碎。由于
拱
边墙
仰拱
隧道衬砌结构
§6.1 概述
（3）支护与衬砌 衬砌技术通常是应用于隧道工程、水利渠道中。
§6.1 概述
（3）支护与衬砌的形式 衬砌简单说来就是内衬，常见的就是用砌块衬砌，可
以是预应力高压灌浆素混凝土衬砌。
§6.1 概述
（3）支护与衬砌的形式
二次衬砌是隧道工程施工在初期支护内侧施作的模筑混 凝土或钢筋混凝土衬砌，与初期支护共同组成复合式衬砌。
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
在易风化的岩层(例如，泥灰岩、片岩、页岩等)中， 需加快施工速度和迅速进行衬砌，以便尽可能地减少这
些地层与水的接触，减轻它们的风化过程，避免山岩压
力增长。
§6.3 坚硬岩体的应力和稳定演算
(1) 岩石的性质导致山岩压力分为三种情况 1) 在整体性良好、裂隙节理不发育的坚硬岩石中，洞室
巷道断面
§6.3 坚硬岩体的应力和稳定演算
5) 直墙拱形洞室切向应力近似计算公式 直墙拱形洞室没有现成的计算公式，当洞室的高 跨比h0/B（h0为洞的高度；B为洞的跨度）在0.67 ～1.5 范围之内时，近似为椭圆形断面计算。具体计算公式为： 拱顶的切向应力
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
目前常常采用薄层混凝土支护或具有一定柔性的外部 支护，都能够充分利用围岩的自承能力，以减少支护上山岩
压力的目的。
支护的刚度愈 大，则允许的变形就
愈小，山岩压力就愈
大；反之山岩压力愈 小。
§6.2 山岩Байду номын сангаас力的形成及其影响因素
4)洞室深度 洞室深度与山岩压力的关系目前仍有各 种说法。 一般说来，当围岩处于弹性状态时，山岩压力不应 当与洞室的埋深有关。 但当围岩中出现塑性区时，洞室的埋置深度应当 对山岩压力有影响。这是由于埋置深度对围岩的应力分 布有影响，同时对初始侧压力系数 也有影响，从而对塑 性区的形状和大小以及山岩压力的大小均有影响。
车载混凝土 输送泵在隧道内
进行二次衬砌浇 筑施工。
§6.1 概述
（3）支护与衬砌的形式
§6.1 概述
§6.1 概述
§6.1 概述
（4）山岩压力的定义 在水工建设中， 把由于洞室围岩的变形 和破坏而作用在支护或
衬砌上的压力，称为山 岩压力。 山岩压力包括松 动压力和变形压力。
§6.1 概述
§6.3 坚硬岩体的应力和稳定演算
如果洞室边界的切向应力σθ是拉应力，则在演算 时应当满足下列条件：
Rt
式中 [-Rt]——岩石的许可抗拉强度(MPa)。
§6.3 坚硬岩体的应力和稳定演算
3) 岩石的许可强度分类 考虑到长期荷载下洞室围岩的强度可能降低。因 此，岩石的许可抗压强度一般采用下列数值： 对于无裂隙的坚硬围岩 对于有裂隙的坚硬围岩
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
支护的刚度和支护时间的早晚(即洞室开挖后围岩 暴露时间的长短)都对山岩压力有较大的影响。
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
洞室开挖后，围岩就产生变形(弹性变形和塑性变 形)，根据研究，在一定的变形范围内，支护上的山岩压 力是随着支护以前围岩的变形量增加减少的。
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
3）在破碎和软弱岩石中，由于裂隙纵横切割，岩体 强度很低，围岩应力超过岩体强度很多。在这类岩石中，
坍落和松动是产生山岩压力的主要因素，而松动压力是主 要的山岩压力。
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
当没有支护或衬砌时，岩石的破坏范围可能逐渐扩大 发展，故需要立即进行支护或衬砌。支护或衬砌的作用主
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
(1) 山岩压力的形成 在不同性质的岩石中，由于它们的变形和破坏性质
不同，所以产生山岩压力的主导因素也就不同，通常可
以遇到下列三种情况。
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
1）在整体性良好、裂隙节理不发育的坚硬岩石中，洞 室围岩的应力一般总是小于岩石的强度。因此，岩石只有弹
第六章山岩压力与围岩稳定性
§6.1 概述 §6.2 山岩压力的形成及其影响因素 §6.3 坚硬岩体的应力和稳定验算
§6.4 压力拱理论
§6.5 太沙基理论 §6.6 弹塑性理论 §6.7 地质分析法计算山岩压力
§6.8 喷锚支护原理和设计原则
§6.1 概述
上一章讨论的洞室围岩压力是研究围岩稳定性和洞室 安全的基础。
洞室围岩的应力重分布需要一定的时间，所以在进行支护 或衬砌以后围岩的变形受到支护或衬砌的约束，于是就产 生山岩压力。
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素