岩体力学第6章
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
《岩石力学》
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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。
岩石力学-第六章-岩石地下工程
（2）情况Ⅱ的解：
边界条件，对于内边界，r=R0，σr=τrθ=0 对于外边界，应用莫尔圆应力关系，有
r
1
3
2
1
3
2
cos 2
r
1 3
2
sin 2
1 p 3 p
90
r 时
r p cos 2 r psin 2
外边界条件
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岩石力学
三、深埋圆形巷道一般压力下弹性分析
m 2
1
( 1) 应照顾顶点 ( 1) 应照顾两帮中点
33
岩石力学
五、非圆形巷道周边弹性应力状态
地下工程中的非圆形巷道主要有梯形、拱顶直 墙、椭圆等。
1、基本解题方法 原则上，地下工程比较常用的单孔非圆巷道围 岩的平面问题弹性应力分布，都可用弹性力学的 复变函数方法解决。
34
岩石力学
五、非圆形巷道周边弹性应力状态
次生应力或诱发应力：经应力重分布形成的新的 平衡应力。
6
岩石力学
一、基本概念
地下岩石工程稳定的条件：
max S
umax U
式中，S和U为围岩或支护体所允许的最大应力(极限强 度)和最大位移(极限位移)。
7
岩石力学
一、基本概念
岩石地下工程根据埋入的深浅： 浅埋地下工程的工程影响范围可达到地表，因而 在力学处理上要考虑地表界面的影响。 深埋地下工程可处理为无限体问题，即在远离岩 石地下工程的无穷远处，仍为原岩体。
R02 r
4(1 )(1 )
R02 r
cos 2
(1
)
R04 r3
cos
2
]
（3）其他巷道无通式。
39
岩石力学
第六章 断层
第六章断层1.什么叫断层、断层面、断层线、断盘?断层：断层是岩石受力发生破裂，两侧岩石沿破裂面发生明显位移的断裂构造。
断层面：断层的断裂滑动面，断层面可以是一个平面也可以是一个曲面，大型断层的断层面并不是一个单一的断裂面，往往是具有一定宽度的破碎带，简称断层带。
断层线：断层面与地表或地下某层面的交线称为断层线。
断盘是断层面两侧的岩层或岩体。
描述方法如：东盘、西盘；上升盘、下降盘。
2.什么是相当点、相当层?相当点：是指未断之前的一个点在断层位移后出现在两盘上的两个点。
相当层：指出现在断层两盘的同一地层。
3.断距和滑距各有哪些类型?各指什么?两相当点之间的距离是断层的真位移，称为总滑距。
总滑距的分量及再分量也都是真位移的分量，均以滑距称之。
依据相当层测算的断层位移是视位移，称为断距。
断距类型：地层断距：指断层两盘相当层层面之间的垂直距离。
铅直地层断距：指两盘相当层层面之间的铅直距离。
水平断距：指两盘相当层层面之间的水平距离。
滑距类型：水平滑距：总滑距的水平投影。
走向滑距：总滑距在断层面走向线上的分量。
倾斜滑距：总滑距在断层面倾斜线上的投影。
铅直滑距：也称断层落差，是总滑距的铅直分量。
倾向滑距：倾斜滑距的水平投影。
4.按形态、力学成因和组合关系，断层可分为哪些类型?各有何特征?1)按断层与有关构造的几何关系分类a)根据断层产状和所在岩层产状的关系分类：走向断层：断层走向与地层走向相同倾向断层：断层走向与地层倾向相同斜向断层：断层走向与地层走向斜交顺层断层：断层面与地层层面平行根据断层产状和岩层产状关系的断层分类示意图a-走向断层；b-倾向断层；c-斜向断层；d-顺层断层b)根据断层走向与褶皱轴向的关系分类：纵断层：断层走向与褶皱轴向平行横断层：断层走向与褶皱轴向垂直斜断层：断层走向与褶皱轴向斜交F 1-纵断层；F2-横断层；F3-斜断层2)按断层两盘相对运动方向分类正断层：上盘相对下盘向下滑动的断层。
岩土力学总复习
岩土力学总复习内容与要求第一部分土体力学绪论第1章土体中的应力第2章地基变形计算第3章土压力理论第4章土的抗剪强度与地基承载力第5章土坡稳定性分析第二部分岩体力学绪论第1章岩块、结构面、岩体的地质特性简介第2章岩石(块)的物理、水理与热学性质第3章岩块(石)的变形与强度第4章结构面的变形与强度第5章岩体的力学性质第6章岩体中的天然应力第7章地下洞室围岩稳定性分析第8章岩体边坡稳定性分析符号说明：◆掌握(含记住)▲理解△了解第一部分土体力学绪论◆土力学的研究对象、研究内容、研究任务及土体的工程特性(与一般连续体相比)▲土体在工程建筑中的三种用途第1章土体中的应力§1.1 概述▲地基附加应力σz是引起地基变形破坏的根源§1.2 土体的自重应力(σcz)◆σcz的概念◆σcz的计算方法(含有地下水与不透水层的情况)§1.3 基底压力(p)与基底附加压力(p 0)◆p 、p 0的概念◆影响p 的因素有哪些？◆计算、的已知斜向偏心荷载竖向偏心荷载竖向中心荷载0p p e ⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎭⎬⎫，P13式1-14要求记住。
§1.4 地基中的附加应力(σz )◆布氏解的假设前提及其适用范围◆局部荷载下σz 的影响因素◆矩形基础在⎪⎩⎪⎨⎧竖向梯形荷载竖向三角形荷载竖向均布荷载下σz 的计算其中注意B 边的取法与角点法、等效均布荷载法的应用◆条基均布荷载与三角形荷载下σz 的计算◆圆形基础均布荷载与三角形荷载下σz 的计算(前者r 范围，后者基底投影内)说明：σz 计算中，地基附加应力系数可查表！若遇到，会给出表。
◆非均质地基中的附加应力集中现象与附加应力扩散现象及其概念第2章 地基变形计算§2.1 概述◆地基变形按成因的分类◆地基变形按计算原理的主要方法§2.2 分层总与法(应力比法)◆计算原理与主要计算步骤▲具体计算方法§2.3 规范法◆计算原理与计算步骤▲具体计算方法▲平均附加应力系数的含义△规范法的优点§2.4 相邻荷载对地基变形的影响▲采用分区后叠加法§2.5 e-lg σ法(考虑应力历史法)◆正常固结土、超固结土、欠固结土变形计算中的压缩、再压缩与压缩指数(Cc)、回弹指数(Ce)的应用(公式不需死记)§2.6 弹性力学公式法(三向变形效应法)△一般了解§2.7 饱与粘性土的渗透固结▲渗透固结的影响因素及研究意义▲一维渗透固结理论的基本假设△固结方程的推导过程◆固结度的概念及其应用、固结层厚度(H)的取法第3章土压力理论§3.1 挡土墙上的土压力◆土压力的概念及其影响因素◆土压力的类型p0、p a、p p◆静止土压力的计算§3.2 朗肯土压力理论◆朗肯土压力理论的前提假设◆无粘性土、粘性土的主动土压力与被动土压力的计算方法◆填土分层、有地下水与表面有均布荷载情况下朗肯土压力的计算§3.3 库仑土压力理论◆基本假设◆无粘性土的库仑土压力计算原理△粘性土的库仑土压力计算原理◆坦墙的概念第4章土的抗剪强度与地基承载力§4.1 土的抗剪强度◆土的抗剪强度概念及剪切破坏本质与破坏条件△测定抗剪强度的常用方法◆掌握库仑公式的总应力法与有效应力法的表示方法◆莫尔-库仑强度理论的公式法与图解法◆直剪试验条件对实际排水条件的模拟△孔隙水压力系数A、B的确定方法◆应力路径的概念及正常固结土与超固结土应力路径的不同§4.2 (浅基础)地基承载力概述◆地基破坏的基本模式、阶段与界限荷载◆地基承载力与地基承载力特征值的概念§4.3 地基承载力的理论公式法◆临塑荷载公式法与临界荷载公式法的基本原理◆通过极限承载力通式分析地基承载力的组成及其影响因素§4.4 地基承载力的原位试验法与§4.5 地基承载力的经验法△一般了解第5章土坡稳定性分析§5.1 概述◆影响土坡稳定性的因素§5.2 无粘性土坡稳定性分析◆无粘性土坡稳定性分析方法§5.3 粘性土坡稳定性分析◆(瑞典)圆弧法的计算原理及确定滑弧圆心的技巧△毕肖普(圆弧)条分法的计算原理及设定圆心与分条的技巧◆掌握费伦纽斯法、毕肖普法与简化毕肖普法在计算原理上的区别△不平衡推力传递法与复合型滑面的土坡稳定性计算原理§5.4 土坡稳定性分析中的若干问题△一般了解第二部分岩体力学绪论◆岩体力学的研究对象与任务◆(工程)岩体的概念及其工程特性第1章岩块、结构面、岩体的地质特性简介§1.1 岩块的地质特性◆岩块及其结构的概念§1.2 结构面的地质特性◆结构面、软弱结构面与泥化夹层的概念▲结构面在岩体工程稳定性中的重要作用§1.3 岩体的地质特性◆岩体结构的概念及其分类方案§1.4 岩体的工程分类简介◆岩块的力学强度分类、RQD概念▲巴顿岩体质量(Q)分类中三项指标的含义第2章岩石(块)的物理、水理与热学性质§2.1 岩石的物理性质◆岩石空隙性中的n=n o+n c=(n a+ n b)+n c§2.2 岩石的水理性质◆岩石的吸水率、饱与吸水率、饱水系数、软化系数与抗冻系数的定义及其与空隙性指标的关系§2.3 岩石的热学性质(不作要求)第3章岩块(石)的变形与强度§3.1 概述△岩块力学属性的基本类型§3.2 岩石(块)的变形性质一、单轴压缩下的变形◆岩块的变形阶段、机理及特征指标◆动荷载、蠕变荷载、弹性滞后、应变强化、回滞环、岩石的“记忆”、疲劳破坏与疲劳强度等概念▲荷载条件对岩石变形的影响二、三轴压缩下的变形△一般了解三、岩石的蠕变性◆岩石的蠕变、流动、长期强度、极限长期强度的概念◆蠕变类型、蠕变阶段的划分▲M、K、Bu蠕变模型及其本构方程、本构曲线§3.3 岩石(块)的力学强度◆岩块单轴抗压强度(σc)概念及其影响因素◆岩块三轴抗压强度(σ1m)概念及其影响因素◆岩块单轴抗拉强度(σt)概念◆岩块抗剪强度(τf)概念及其按试验方法的分类§3.4 岩石(块)的破坏判据◆岩石破坏判据与强度理论的概念◆库仑—纳维尔判据与莫尔判据的基本原理◆格列菲斯判据与修正格列菲斯判据的本质及其区别第4章结构面的变形与强度§4.1 结构面的变形性◆结构面的法向刚度与剪切刚度的概念§4.2 结构面的力学强度(τf或c j、φj)△平直无充填结构面、粗糙起伏结构面、非贯通的断续结构面、具有软弱物充填的结构面4类结构面力学强度的主要特征第5章岩体的力学性质◆控制岩体力学性质的主要因素§5.1岩体的变形性质△岩体变形的主要试验△岩体变形参数(E m、E me)的静力载荷试验法的确定原理△岩体变形的组成、类型及其特征◆岩体变形结构效应的概念§5.2 岩体的强度性质◆岩体剪切强度的概念及其分类与主要影响因素◆岩体抗压强度的结构面产状效应：公式法与摩尔图解法▲约翰图解法第6章岩体中的天然应力§6.1 概述◆天然应力与重分布应力的概念▲研究岩体天然应力的意义§6.2 岩体中天然应力的分布特征△一般了解§6.3 岩体天然应力的量测▲量测原理§6.4 岩体中天然应力的估算不作要求第7章地下洞室围岩稳定性分析§7.1 概述◆围岩与围岩应力的概念§7.2 围岩应力的计算◆无压圆形洞室弹性围岩洞壁处应力计算及λ的影响◆无压圆形洞室弹性围岩λ=1.0时围岩应力计算及其分布规律△(其它洞形洞壁处的σθ计算一般了解)◆无压圆形洞室塑性围岩的应力分带及求塑性圈半径的修正芬纳-塔罗勃公式的应用◆掌握有压圆形洞室弹性围岩的应力计算§7.3 围岩的变形与破坏分析△围岩变形破坏的结构效应△弹性围岩与塑性围岩的位移计算▲围岩破坏区范围圈定的原理§7.4 围岩压力计算◆围岩压力的概念及其按形成机理的分类◆形变围岩压力、松动围岩压力、冲击围岩压力的概念◆形变围岩压力的修正芬纳-塔罗勃公式的应用◆岩爆的产生条件§7.5 围岩抗力与围岩极限承载力◆掌握围岩抗力、抗力系数、单位抗力系数与围岩极限承载力的概念第8章岩体边坡稳定性分析§8.1 概述△一般了解§8.2 岩体边坡的应力分布特征◆应力分布特征△影响因素§8.3 边坡岩体的变形与破坏分析简介(定性)▲掌握边坡岩体的变形类型与破坏类型△影响因素§8.4岩体边坡稳定性分析步骤△一般了解§8.5 平面滑动型岩体边坡稳定性计算(平面问题)◆考虑地下水与地震荷载的单滑面岩坡稳定性计算原理与方法▲同向双平面滑动稳定性计算原理(含滑体内有与无结构面的情况)§8.6 楔形体滑动型岩体边坡稳定性计算(空间问题)▲楔形体滑动的稳定性计算原理。
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。
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。
第6章岩石力学在油气田开发工程中的应用
1 6.1 地应力方向与水平井最优产能方位的选择 2 6.2 地应力场状态下注采井网模型的选择 3 6.3 地应力场状态下低渗透油田开发方案的设计原则 4 6.4 岩石力学在套损机理研究中的应用
6.1 地应力方向与水平井最优产能方位的选择
某油田岩样进行岩石力学试验结论
该地区的原地应力状态为σH＞σv＞σh，水平最大地应力接近垂向地应力。
由图1可以看出，随着井斜角 的增加，坍塌压力减小，说明地 层的稳定性变好，适合打斜井和 水平井。
由图2当井斜方位与最大水平 主 应 力 方 位 的 夹 角 接 近 60° 时 ， 坍塌压力最小，沿此方位钻进地 层最不易坍塌。
呈雁行排列的天然裂缝； ➢ 地层渗透率各向差异很大； ➢ 低渗远油藏需要进行压裂改造，水力裂缝受地层三维应力制
约； ➢ 向井筒内的泄油内径向流变为伸向油藏的水力裂缝的直线流
道等等；
➢ 与渗透率低并且各向差异很大的关系； ➢ 水力裂缝方向与油水井排空间方位的关系； ➢ 水力裂缝长度与井距的关系； ➢ 与水力裂缝形态的关系； ➢ 与天然裂缝的关系； ➢ 与射孔的关系； ➢ 油井和水井如何排布的关系等等。
井距/m 五点法
均质
0o
22.5o
45o
七点发
见水时间/年
五点法
4.17
3.62
3.05
2.89
100 七点发
3.72
2.83
2.60
2.64
反九点法
3.37
2.34
2.46
2.94
五点法
9.73
8.19
6.85
6.50
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
岩体力学复习重点资料..
第一章绪论岩体复杂性表现在以下几个方面：（1）不连续性（2）非均质性（3）各向异性（4）岩体中存在不同于自重应力场的天然应力场（5）岩体赋存于一定地质环境之中，岩体中的水、温度、应力场，对岩体性质有较大的影响。
第二章：岩石和岩体的地质特征岩石：矿物，岩屑的集合体。
是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。
结构面：是指地质发展过程中，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。
岩体：指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。
岩石风化指标：定性指标：颜色，矿物蚀变程度，破碎程度及开挖锤击技术特征等。
定量指标：风化孔隙率指标和波速指标等。
风化系数;结构面规模：（1）Ⅰ级指大断层或区域性断层，一般延伸约数公里至数十公里以上，破碎带宽约数米至数十米乃至几百米以上。
（2）Ⅱ级指延伸长而宽度不大的区域性地质界面，百米至千米单位。
（3）Ⅲ级指长度数十米至数百米的断层、区域性节理、延伸较好的层面及层间错动等。
（4）Ⅳ级指延伸较差的节理、层面、次生裂隙、小断层及较发育的片理、劈理面等。
是构成岩块的边界面，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。
(数十厘米-米)（5）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。
结构面线密度和间距： 1、线密度(Kd)是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)则是指同一组结构面法线方向上两相邻结构面的平均距离。
RQD:岩体质量指标RQD：是长度大于10cm的岩心累计长度与回次进尺的比值。
RQD与方向有关，按地质分层计算RQD值大于20厘米为长柱状；10—20厘米为短柱状；小于1厘米为扁柱状；大于5厘米为块状；2---5厘米为碎块状；小于2厘米为碎屑状、粉末状。
岩体5种结构类型：1.整体状结构 2.块状结构 3.层状结构 4.碎裂状结构 5.散体状结构岩体工程分类的目的：通过分类，概括地反映各类工程岩体的质量好坏，预测可能出现的岩体力学问题，为工程设计，支护衬砌，建筑物选型和施工方法选择提供参数和依据。
工程地质学_第6章 岩体的工程地质性质及岩体工程分类
2、结构体特征及性质
(1)特征 可用其规模、形态及其产状进行描述 a.按不同级别结构面对岩岩体的切割，可将结构体划分为 4级。 Ⅰ级结构体——地质体或称断块体 Ⅱ级结构体——岩块 Ⅲ级结构体——块体 Ⅳ级结构体——山体
b.基本形状有柱状、块状、板状、楔形、锥形、菱形等。一般 来说其稳定程度，板状结构体比柱状、块状的差。而楔状的比 菱形及锥状的差. c.产状一般用结构体表面上最大结构面的长轴方向表示，平卧 的板状结构体比竖直的板状结构体对岩体稳定性的影响要大— 些.
变质较浅的沉积岩，如千枚岩等路 堑边坡常见塌方。片岩夹层有时对 工程及地下洞体稳定也有影响
对岩体稳定影响很大．在上述许 多岩体破坏过程中．大都有构造结 构面的配合作用．此外常造成边坡 及地下工程的塌方、冒顶
在天然及人工边坡上造成危害， 有时对坝基，坝肩及浅埋隧洞等工 程亦有影响，但一般在施工中予以 清基处理
侧壁的起伏程度
结构面粗糙
结构面的粗糙度可用粗糙度系数(JRC)表示: 它可以
增加结构面的摩擦角．进而提高了岩体的强度。据结构面 的粗糙程度可将粗糙度系数（JRC）分为10级。在实际工作 中，可用剖面仪测出所研究结构面的粗糙剖面、然后与标 准剖面进行比较，即可求得结构面的粗糙度系数(JRC).
e. 结构面的张开度
层状结构 （Ⅱ1）
与围岩接触面可具 接触面延伸较 熔合及破坏两种不 远，比较稳定而 同的特征。原生节 原生节理往往短 理一般为张裂面， 小密集 较粗糙不平 结构面光滑平 片理短小，分布 直．片理在岩层深 变质 1.片理 产状与岩层或 极密．片岩软弱 部往往闭合成隐蔽 构造方向一致 夹层延展较远， 结构面，片岩、软 结构面 2.片岩软 弱夹层 具固定层次 弱夹层、岩片状矿 物．呈鳞片状 张性断裂不平整， 1.节理（X型节理， 张性断裂较短小, 常具次生充填．呈 张节理） 产状与构造线 剪切断裂延展较 锯齿状，剪切断裂 2.断层（正断层，逆 呈一定关系， 远，压性断裂规 较平直．具羽状裂 构造结构面 断层，走滑断层） 层间带动与岩 模巨大．但有时 晾，压性断层具多 3.层间错动带 层一致 为横断层切割成 种构造岩，成带状 4.羽状裂隙劈理 不连续状 分布，往往含断层 泥、糜棱岩 1.卸荷裂隙 2.风化裂隙 次生结构面 3.风化夹层 4.泥化夹层 5.次生夹泥 分布上往往呈不 连续状，透镜 受地形及原结 一般为泥质物充 体，延展性差， 构面控制 填，水理性质很差 且主要在地表风 化带内发育
岩体力学——天然应力
•其它（地温、地球化学作用等）
2.起源（主要指构造运动的起源）：
• 板块运动
• 地幔热对流
拉张区 挤压区
• 地球自转速度变化
2020/2/24
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3
❖中国板块处在四大板块环绕中，它们碰撞挤 压，形成了中国大陆岩体中的天然应力。
•西南： •印度板块向NNE挤压 （5mm/a） •东： •太平洋板块向W俯冲 （1cm/a） •南： •菲律宾板块向N俯冲 •北： •西伯利亚板块阻挡 •1迹线：N-NE-SSE
强度上：西强东弱（西高东低）
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方向上：西： NNE-SSW尚为辅网主，东：近E-W。
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以东经100～105o为界分东西 两区。
•强度上：西强东弱 •方向上：西： NNE-SSW为主，
东：近E-W。
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二、铅直应力 （V）
上覆岩体自重
V 2.7gh
R
ua ( 1 3 ) 2 ( 1 3 ) cos 2 Em
∴
ub R ( 1 3 ) 2 ( 1 3 ) sin 2
Em
u c R ( 1 3 ) 2 ( 1 3 ) cos 2
Em
⑤重复 测量另一个方向的 W ； ⑥计算天然应力；假定天然应力为水平应力场，
当测得侧壁应力R和底板应力W 时，则有：
v
3 8
w
1 8
R
h
1 8
w
3 8
R
R
v h
·
W
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第六章-5韧性剪切带
岩组成，主要构造岩是构造变形分解和变质分 异过程中形成的退变质的糜棱岩系列岩石，发 育面理和线理，并随卷入岩石的变形习性差异 和递进剪切变形的强度而分带，通过地质填图 可以把不同应变带标给出来 。
19
弱应变域主要表现为间夹
于剪切带内的各式构造岩块。在 弱应变域内，先存残余构造不同 程度得到保存，在该域可以从事 地层学或构造地层学层序研究及 叠加褶皱分析。
8
韧性剪切带
第一节 剪切带的基本类型 • 剪切带是平面状或曲面状的高剪切应变带，
其长宽比至少大于5:1。 • 剪切带是地壳和岩石圈中广泛发育的主要构
造类型之一，可以在不同层次、不同环境下发 育，其尺度可从超显微的晶格位错到造山带或 变质基底内几十公里宽和上千公里长的韧性剪 切带。 • 剪切带的研究不仅是造山带研究中的重要课 题，且在整个岩石圈构造及全球构造动力学方 面具有重要意义。
13
长宽比至少大于5 : 1的平面状或曲面状强剪应变带。
强剪应变带
14
逆冲型剪切带 15
16
• 以上三种剪切带反映了它们形成时岩 石的力学性质的差异，也反映了地壳和岩 石圈不同层次、不同物理环境和不同流变 机制条件下岩石的应变局部化特征。在空 间和时间上，它们有着紧密的联系，且可 以相互转换或过渡 (图15-3)。。
3
图7－2大型断裂带的双层结构模式
(据R.H.Sibson，1977) A.未固结断层泥及角砾发育区岩发育区；B.固结的组构紊乱的压碎
角砾碎裂岩系发育区；C.固结的、面理化糜棱岩系列及变余糜棱 岩发育区；250－350℃地温区域为脆性断裂与韧性断层过度区。 右侧为变形深度及应力差值大小曲线
4
2.韧性剪切带广泛发育
岩石力学基础教程教学课件侯公羽第6章地应力
地应力测量的原理
岩石力学性质
地应力的测量依赖于对岩石力学 性质的充分了解，包括岩石的弹 性模量、泊松比、抗剪强度等参 数。
应变平衡方程
根据岩石中的应变平衡方程，通 过测量岩石中的位移和应变，结 合岩石的力学性质，可以推算出 地应力的大小和方向。
测量误差分析
地应力的测量存在误差，包括测 量设备的误差、岩石力学性质的 误差以及数据处理和分析的误差 等，需要进行误差分析和修正。
地应力的利用
地应力用于能源开发
地应力可以用于石油、天然气的开采，通过分析地应力分布，可 以提高开采效率。
地应力用于地下工程
在地下工程中，可以利用地应力进行支护和稳定，例如隧道、矿山 的开挖。
地应力用于地质灾害防控
通过分析地应力分布，可以预测地质灾害的发生，如滑坡、泥石流 等，从而采取相应的防控措施。
要点一
边坡工程中的地应力分布
边坡工程中的地应力分布受到地形、地质构造、地下水等 因素的影响。
要点二
地应力对边坡工程稳定性的影响
地应力的大小和方向对边坡工程的稳定性有着重要影响。 在边坡工程设计和施工过程中，需要对地应力进行测量和 评估，以确保边坡的稳定性和安全性。
05 地应力在工程中的利用与 控制
地应力测量的应用
岩土工程设计
在岩土工程设计中，地应力是重 要的设计参数，通过地应力测量 可以了解工程区域的地应力状态，
为工程设计和施工提供依据。
地质灾害防治
地应力测量可以帮助了解地质灾害 发生区域的地应力状态，为地质灾 害防治提供科学依据。
矿产资源开发
在矿产资源开发中，地应力测量可 以帮助了解矿体的应力状态，为矿 产资源的开采提供技术支持。
04 地应力对工程的影响
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
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。
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图6-1 轴对称圆形硐室的计算
6.2.2 弹性条件下地下岩体工程围岩应力分布
1.轴对称圆形硐室围岩的二次应力分布 2.椭圆形硐室围岩的弹性应力状态
3.矩形硐室围岩的弹性应力状态
1.轴对称圆形硐室围岩的二次应力分布
(1)侧压力系数λ=1时的情形 当侧压力系数λ=1时，如图6-2a所示，以圆孔 中心为坐标原点，在矩形域内以rb为半径作一圆形域，当rb>>ra时，由于半 径为rb的孔边处于应力集中区域以外，其上各点的应力状态与无孔时的应 力状态相同(见图6-2b)，可认为圆形域周边上的压力等于均布压力p0，p0=γ H。 (2)侧压力系数λ为任意值时的情形 侧压力系数λ为任意值时，圆形硐室围 岩的二次应力分布计算简图如图6-4a所示，可由图6-4b、图6-4c所示两种情 形叠加得到。
6.3.1 地下岩体工程围岩的弹性位移
•岩体中圆形硐室条件下围岩变形可简化为有圆 孔矩形薄板变形问题，尽管弹性理论解不能完全 反映围岩变形的实际情况，圆孔周边变形通常可 作为硐室工程围岩稳定性与衬砌设计的参考依据。
•有圆孔矩形薄板问题的弹性变形计算，可以根 据其应力方程与几何方程求得应变，进而求得相 应的位移。
图6-11 莫尔强度包络线
1.轴对称圆形硐室围岩的弹塑性应力状态
图6-12 硐室围岩塑性圈出现前后围岩应力分布曲线
2.轴对称圆形硐室围岩塑性区半径
图6-13 塑性区半径计算简图(Ⅰ为塑性区，Ⅱ为弹性区)
6.3 地下岩体工程变形与计算
6.3.1 地下岩体工程围岩的弹性位移 6.3.2 地下岩体工程围岩的弹塑性位移
6.2 地下岩体工程的应力分布
6.2.1 地下岩体工程围岩应力重分布 6.2.2 弹性条件下地下岩体工程围岩应力分布 6.2.3 弹塑性条件下地下岩体工程围岩应力分布
6.2.1 地下岩体工程围岩应力重分布
1)围岩的二次应力状态仍保持弹性状态，除出现局部岩块松动现象外，围 岩基本稳定，弹性理论的基本定律与假设仍可适用； 2)围岩的二次应力状态若为弹、塑性分布。
图6-14 圆形硐室单轴受力状态时V=
6.3.2 地下岩体工程围岩的弹塑性位移
图６-１５ 圆形洞室洞壁位移分析简图 1—变形前洞室洞壁 2—变形后洞室洞壁 3—变形前塑性圈外界 4—变形后塑性圈外界
6.3.2 地下岩体工程围岩的弹塑性位移
图６-１６ 洞壁位移与时间关系曲线
2.椭圆形硐室围岩的弹性应力状态
图6-7 非圆形硐室围岩应力计算简图
(1)椭圆硐室洞壁应力计算公式
图6-8 椭圆硐室单向受力计算简图
(2)椭圆硐室洞壁应力分布特点
表6-3
(2)椭圆硐室洞壁应力分布特点
图6-9 椭圆硐室周壁切向正应力集中系数k分布曲线
(3)最佳椭圆截面尺寸(谐洞)
所谓硐室的最佳截面尺寸，通常应满足三个条件:首先，洞周的应力 分布应该是均匀应力，且在同一半径上其应力相等；第二，洞周的 应力应该都为压应力，在洞壁处不出现拉应力；第三，其应力值应 该是各种截面中最小的。
(2)侧压力系数λ为任意值时的情形
图6-4 任意λ值时围岩应力计算简图
图6-5 圆环外侧承受三角函数分布力的计算简图
a)
b)
表6-2 λ=0.25时圆形硐室的围岩应力
图6-6 λ=0.25时圆形硐室 围岩应力分布图
2.椭圆形硐室围岩的弹性应力状态
(1)椭圆硐室洞壁应力计算公式 图6-8是在单向应力作用时椭圆形硐室的计 算简图。 (2)椭圆硐室洞壁应力分布特点 洞壁的切向正应力σθ不仅与初始应力p0和 侧压力系数λ有关，还取决于该点与x轴的夹角θ和半轴比m的大小。 (3)最佳椭圆截面尺寸(谐洞) 所谓硐室的最佳截面尺寸，通常应满足三个 条件:首先，洞周的应力分布应该是均匀应力，且在同一半径上其应力相等； 第二，洞周的应力应该都为压应力，在洞壁处不出现拉应力；第三，其应 力值应该是各种截面中最小的。
1.轴对称圆形硐室围岩的二次应力分布
图6-2 一定埋深的圆形硐室围岩应力计算简图
(1)侧压力系数λ=1时的情形
图6-3 λ=1时圆形硐室围岩应力分布图
(1)侧压力系数λ=1时的情形
表6-1 λ=1圆形硐室围岩应力
(2)侧压力系数λ为任意值时的情形 侧压力系数λ为任意值时，圆形硐室围岩的二次应力分布计算简图 如图6-4a所示，可由图6-4b、图6-4c所示两种情形叠加得到。
第6章
6.1 概述 6.2 地下岩体工程的应力分布 6.3 地下岩体工程变形与计算 6.4 地下岩体工程围岩压力
6.1 概述
地下岩体工程通常包括在地下岩体中开挖的各种 隧道、井巷与硐室。铁路、公路、矿山、水电、 国防、城市地铁及城市建设等许多领域，都有大 量的地下岩体工程。随着科学技术及工业的发展， 地下岩体工程将会有更为广泛的新用途，如地下 油气库、地下储热库、地下储水库以及地下核废 料密闭储藏库等。
3.矩形硐室围岩的弹性应力状态
图6-10 矩形硐室(a/b=1.8)周边应力分布图
3.矩形硐室围岩的弹性应力状态
表6-4 矩形硐室周边应力的数值
6.2.3 弹塑性条件下地下岩体工程围岩应力分布
1.轴对称圆形硐室围岩的弹塑性应力状态 2.轴对称圆形硐室围岩塑性区半径
1.轴对称圆形硐室围岩的弹塑性应力状态
6.4 地下岩体工程围岩压力
6.4.1 围岩压力成因与分类 6.4.2 围岩压力计算
1.围岩压力成因 2.围岩压力分类
6.4.1 围岩压力成因与分类
1.围岩压力成因
1)对于坚硬、完整岩体，由于围岩应力一般小于岩体极限强度，所以岩体 只发生弹性变形而无塑性流动，岩体没有破坏或松动。 2)对于中等坚硬且结构面发育的岩体，即中等质量岩体，由于硐室围岩变 形较大，存在弹性变形与塑性流变，或有少量岩石破碎作用，加之围岩应 力重新分布需要一定时间，因此，硐室进行支护或设置衬砌后，围岩变形 将受到支护或衬砌的约束，围岩对支护与衬砌产生压力。 3)对于软弱、破碎岩体，由于岩体结构面极为发育、极限强度很低，硐室 开挖过程中或开挖结束后，重新分布的应力很容易超过岩体强度而引起围 岩破坏、松动与塌落。