岩体力学与特殊土笔记

岩体力学与特殊土笔记

一、岩石的抗风化指数

用三个指标来表征岩石的抗风化特性：软化系数、岩石耐崩解指数、岩石的膨胀性。 1、软化系数

饱和单轴抗压强度/干燥状态下的单轴抗压强度的比值。

反映了岩石遇水强度降低的一个参数、该值越小，表示岩石受水的影响越大。 2、耐崩解指数：两次循环后的的残留烘干质量/岩实验前的烘干质量。

甘布儿认为与岩石成岩的地质年代无明显关系。与岩石的密度成正比，与岩石的含水量成反比。

3、岩石的膨胀性：自由膨胀率、侧向约束膨胀率、膨胀压力。 （1）、自由膨胀率：径向和轴向。 （2）、侧向约束膨胀率：轴向 （3）、膨胀压力：保持体积不变所增加的压力。 二、岩石的其他特性

岩石的抗冻性：冻融后的饱和强度/冻融前的饱和抗压强度。

产生原因：各矿物的膨胀系数的不同，水在0摄氏度下结冰，体积增加。 三、岩石的强度特性。

单轴抗压、抗拉、剪切、三轴压缩。 （一）、岩石的单轴抗压

1、实验要求：加压速度，0.5-1mpa/s；直径4.8-5.4cm；高度是直径的2-2.5倍。不平整度不大于0.05mm。高度误差0.3mm；角度误差0.25°。 2、破坏状态： （1）、圆锥破坏：摩擦力，和压板接触的地方为压力，其余地方为拉力。 （2）、柱状劈裂破坏：消除摩擦，反映岩石本身的破坏形式。 3、影响因数： （1）、承压板的摩擦力。承压板刚度：刚度大为山型；刚度小为抛物线型。 （2）、岩石的形状和尺寸：方型容易产生应力集中。采用圆形。 （3）、加载速率：最好是控制岩石的变形速率。 （二）、岩石的抗拉强度

1、实验方法：直接拉伸法：夹具粘结力和轴心力。实验难度大。 抗弯法：三点或四点加载。 劈裂法（巴西法）：间接，有理论依据。 点荷载实验法：15个试样。 （三）、岩石的抗剪强度

抗剪断试验；抗切试验；弱面抗剪切试验。 （四）、岩石的三轴压缩试验 低围压：劈裂破坏。 高围压：塑性流动破坏。

三轴压缩试验的影响因数：侧向压力的压力：一般是围压增大，最大主应力也增大的意思。大理石是随着围压的增大，主应力也减少。

试件的尺寸与加载速率；加载路径对强度的基本无影响；孔隙压力对岩石的影响较大。 三、岩石的变形特征 （一）、曲线

岩土力学

1

1、OA段，压密，上凹阶段。孔隙外力作用。

2、AB段：弹性阶段，是直线阶段；弹性模量和泊松比。斜率：平均模量；初始模量：在原点的切线模量；切线模量：任意一点的模量；割线模量：任意一点到坐标原点的模量；割线模量E50，是最大模量岩石峰值模量的一半。 3、BC阶段：塑性阶段：下凹曲线；

4、应变曲线的类型：产生原因：成岩条件；矿物成分；胶结物质；后期所经历的地质作用。

（二）、曲线类型

直线型曲线：弹性；脆性；很坚硬的岩石：石英岩，玄武岩。 下凹型曲线：弹塑性，石灰岩和粉砂岩，明显的塑性变形。 上凹性曲线：较大的孔隙，但是岩石比较坚硬；片麻岩。 S型曲线：塑弹塑性。大理岩。 （三）、变形特性 1、σ2=σ3的变形 （1）、随围压的增加，岩石的屈服应力也增大。 （2）、岩石的弹性模量也增大，围压增大，有增大的趋势。 （3）、围压的增大，峰值所对应的变形有所增大，体现出低围压的脆性向高围压的塑性转变。

2、σ2≠σ3的变形

σ3为常数，在不同的σ2作用下，岩石的变形特点： （1）随着σ2的增大，岩石的屈服应力有所增大。 （2）弹性模量不受σ2的控制。

（3）随着σ2的增大，岩石由塑性往脆性变化。

σ2为常数，在不同的σ3作用下，岩石的变形特点： （1）、岩石的屈服应力不变； （2）、岩石的弹性模量不变； （3）、始终保持作塑性破坏。 （四）、岩石的流变特性

岩石的蠕变；岩石的应力松弛；岩石的长期强度。 （一）、岩石的蠕变

1、AB段：瞬时蠕变。曲线为下凹型；逐渐向直线型过度，随着时间的推迟，应变全部恢复，称为弹性后效。

2、BC阶段：稳定蠕变阶段，直线变化，和粘滞系数有关，弹性变形不能全部恢复。 3、C点以后阶段：为非稳态蠕变，变形加剧，上凹，短暂时间后试件将破坏。 岩石蠕变的影响因数：

1、应力水平：小应力只有一、二阶段；中等应力（0.6-0.9）才是产生蠕变。 2、温度：高温的应变量和斜率都比低温下的应变量低得多。 3、湿度：饱和状态的应变速率和总应变量大大大于干燥的情况。 四、岩石的强度理论 （一）、摩尔强度理论 1、计算公式：??c??tan?

2、优点：使用方便，物理意义明确；缺点：不能解释岩石的破坏机理；忽略了中间应力的影响；（15%）。

岩土力学

2

（二）格里菲斯强度理论判据

从理论上解释了岩石内部的裂纹拓展现象，并能较正确的说明岩石的破坏机理。 1、格里菲斯强度理论的基本思想： （1）、脆性材料内部有很多椭圆裂纹，尖端产生内力集中。 （2）、根据理论依据，随着外力的增大，裂纹随着与最大拉应力成直角的的方向发展，单轴压力下尖端附近。

?2?E?（3）、能量：?t?????c?2、格里菲斯强度判据：

1/2

?1??3?0,?3???t

(?1??3)2?1??3?0,?8?t

?1??3最有利于破裂的角度：

cos2???1??3

2(?1??3)3、在σ1-σ3坐标轴下强度判据的表现形式。 岩石的单轴抗压强度是抗拉强度的8倍。 五、工程岩体分类 （一）、工程岩土分类的目的

工程岩体分类：根据地质勘查和少量的岩体力学的试验结果，确定一个区分岩体质量好坏的规律，将岩体分为若干等级，对岩体的质量实施评价，确定对岩体稳定系的影响。 工程岩体分类：达到经济、安全、合理。

为工程勘察、设计、施工和编制定额提供依据。 （二）、工程岩体分类的原则

1、工程岩体的分类应该与该工程的性质，与使用对象联系在一起。 2、采用定量参数；

3、分类数量合适，4-6级。

4、分类方法步骤简单、合理；参数便于记忆。 5、考虑因素独立：岩体的性质（结构面和岩块）；风化程度；水的影响；岩体的各类力学参数；工程规模和条件。 （三）、我国的岩体分类标准 1、定性和定量 （1）、定量的确定岩体的基本质量 岩石的坚硬程度的划分：

Rc?22.82Is(50)0.75

Rc大于60，属于坚硬；60-30属于较坚硬岩；30-15较软；15-5软；5极软。 完整程度的划分：

Kv=岩体纵波速度2/岩石弹性纵波速度2. 岩体完整程度的划分：

岩土力学

3

Kv大于0.75属于完整；0.75-0.55较完整；0.55-0.35较破碎；0.35-0.15破碎； 小于0.15极破碎。

2、工程岩体基本质量分级的确定

BQ?90?3Rc?250Kv Rc??90Kv?30 Kv??0.04Rc?0.4

BQ大于550，属于Ⅰ级；451-550Ⅱ级；450-351Ⅲ级；350-251Ⅳ级；小于250属于Ⅴ级。 3、岩体修正因数：地下水影响；主要软弱结构面产状影响；初始应力状态影响。 4、岩体自稳能力的确定

适用于跨度小于等于20米的项目；

小塌方，塌方高度小于3米，体积小于30立方米； 中塌方，塌方高度为3-6米，体积为30-100立方米； 大塌方，塌方高度为大于米，体积大于100立方米； Ⅰ，跨度小于20米可长期稳定

Ⅱ，10-20米可基本稳定，局部小塌方；小于10米，无塌方。

Ⅲ，10-20米可短时间稳定，小至中塌方；5-10米数月稳定，小至中塌方。小于5米稳定。

Ⅳ，跨度大于5米，无自稳能力。小于5米，可稳定数月。 Ⅴ，无自稳能力。

六、岩体的初始应力状态 1、岩体自重应力场

?z??rh

岩体其余两个方向的变形为0.即不会产生横向变形。

?x?11[?x??(?z??y)]；?y?[?y??(?x??z)] EE?x??y?1????z

泊松比为0.2-0.3，水平应力为垂直应力的25%~43%。

岩体处于潜塑性状态或塑性状态时，泊松比接近0.5.（海姆假说）。 2、岩体的构造应力场

构造应力场：褶皱、断层和构造节理。 3、影响因数 （1）、地形：山峰处岩体初始应力低。而沟谷处初始应力高。 （2）、构造地质：背斜褶曲，两翼自重应力大，中部自重应力低。背斜褶曲，两翼自重应力小，中部自重应力大。 （3）、岩体力学性质：坚硬而完整的岩体内部可以积聚大量应变能。 （4）、水：静止水压力减轻了岩体的重量；岩体地下水的升降可以引起岩体重量的减少和增加。 （5）、温度：岩体由于受力膨胀，岩体中增加热效应。温度梯度：3摄氏度/100米；膨

岩土力学

4