【正文】 課程名稱 ： 巖石力學(xué) 授課教師：何江達(dá) 四川大學(xué)水利水電學(xué)院 第一章 緒論 一 .巖石力學(xué)研究的對象及特點(diǎn) ? 對象： 巖石 —對象 —巖石材料 —地殼中堅硬的部分； 方法 ：力學(xué)的觀點(diǎn)、理論、方法 綜合：巖石力學(xué) ——用力學(xué)的理論，觀點(diǎn)和方法去研 究巖石材料的力學(xué)行為及其工程應(yīng)用的學(xué)科。 ? 特點(diǎn) ? 1）研究的廣泛性 ? a、既古老，又年輕 ——古老：舊石器時期，利用石器生活；年輕：從 20世紀(jì) 40年代開始（美國，法國，意大利、中國修建了大量的工程） ① 喜馬拉雅山 —形成、演變（古埃及金字塔、我國的萬里長城、都江堰工程、魚嘴、飛沙堰、寶瓶口）。 ② 海洋底部的板塊形成運(yùn)動 ? b、跨行業(yè)： 水電 ——三峽、二灘、溪洛渡、錦屏、龍灘 鐵道 ——長隧道、大型橋梁、邊坡 公路 ——隧道、路堤等 冶金 ——礦山開采 建筑 ——大跨度地下商業(yè)中心，建筑物基 礎(chǔ)，城市地鐵。 三峽水利樞紐工程 金沙江溪洛渡水電站 錦屏一級水電站 錦屏一級水電站地下廠房 1 錦屏一級水電站地下廠房 2 錦屏二級水電站超長引水隧洞 錦屏二級水電站 錦屏水電站世界級高邊坡工程 龍灘水電站 返回 ? 2） 研究對象的復(fù)雜性 ? a、 組成 ? 巖石 ——地質(zhì)體 （ 單獨(dú)的力學(xué)性質(zhì) +偶合效應(yīng) ） ；巖塊 、 結(jié)構(gòu)面 → 組合形成；塊狀結(jié)構(gòu) 、 破碎結(jié)構(gòu) 、離散結(jié)構(gòu) ? b、 背景 ? 地質(zhì)力學(xué)環(huán)境的復(fù)雜性 （ 地應(yīng)力 、 地下水 、 物理 、 化學(xué)作用等 ） ? 3） 工程應(yīng)用性 （ 實(shí)踐性 ） 非常強(qiáng) ? 4） 社會經(jīng)濟(jì)效益顯著 （ 如：二灘壩基 —節(jié)約 7000多萬 ） 二、巖石力學(xué)的基本內(nèi)容 基本理論 巖體地應(yīng)力 材料實(shí)驗(yàn) ——三大部分 → 巖體的強(qiáng)度 工程應(yīng)用 巖體的變形 裂隙水力學(xué) ? 工程應(yīng)用：水電中的三大應(yīng)用：邊坡工程（天然、工程開挖）、地下洞室、壩基穩(wěn)定。 三、研究方法 ? 物理模擬 → 巖石物理力學(xué)性質(zhì)常規(guī)實(shí)驗(yàn)，地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn) ? 數(shù)學(xué)模型 → 如有限元等數(shù)值模擬 ? 理論分析 → 用新的力學(xué)分支，理論研究巖石力學(xué)問題 第二章 巖石的物理性狀（性質(zhì)） ? 巖體的結(jié)構(gòu)特性 ? 巖石 ——根據(jù)成因，可分為： 巖漿巖 （火成巖） → 巖漿噴發(fā)、堅硬、均一； 沉積巖 → 海洋沉積形成 → 特點(diǎn)：層狀，同一時期 性質(zhì)相近； 變質(zhì)巖 → 在已有巖石的基礎(chǔ)上，經(jīng)過變質(zhì)混合作用后 形成的； 淤積 → 地質(zhì)體（巖體）：結(jié)構(gòu)面、結(jié)構(gòu)體 → 相對組合關(guān)系 → 劃分巖體的結(jié)構(gòu) ? 如：結(jié)構(gòu)面少，連續(xù)性差，閉合 → 原型塊狀 結(jié)構(gòu)面較發(fā)育 → 塊狀結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)面極發(fā)育 → 破裂（散體）結(jié)構(gòu) 、不均勻性及各向異性 ? 由于巖石中存在各種規(guī)模的結(jié)構(gòu)面（斷裂帶、斷層、節(jié)理、裂隙） → 致使巖石的物理力學(xué)性質(zhì) → 不連續(xù)、不均勻、各向異性 → 因此，有必要引入刻劃不均一程度的參數(shù)。 ? 一。巖石的裂隙性 ? 通常采用裂隙率作為定量評價（描述）裂隙切割的程度； ? ： a)沿一組裂隙面法向統(tǒng)計： n1=n∕ d―― 單位長度上裂隙條數(shù)（條 ∕ m） 顯然： n1↑→ 巖體切割越破碎 b）沿裂隙面方向 → （連通率） n2=a∕ a+b (a― 裂隙面長度， b― 巖橋長度 ) a b? ? 概念 → 指巖石單位面積上各類裂隙面積所占比重。 (li、 ti??第 i條裂隙長度、寬度 ) 無裂隙 全部被裂隙充滿 ? 二、各向異性 ? 指巖石的強(qiáng)度、變形指標(biāo)（力學(xué)性質(zhì)）隨空間方位不同而異的特性。 ? （三個材料主軸、定義材料參數(shù)） 三個材料主軸方向 → 力學(xué)性質(zhì)不同 ? ― 層狀 層面內(nèi) ― 力學(xué)性質(zhì)相同（多向同性面） 層 間 ― 力學(xué)性質(zhì)差異 ? 五個參數(shù) :E∥ 、 u∥ 、 E⊥ 、 u⊥ 、 G ??n ii1AltK A11E??Ak0 ??Ak1 ? 在前面說到，巖石力學(xué)問題的研究首先應(yīng)從巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)研究入手，本節(jié)介紹巖石（塊）的基本物理性質(zhì)的主要指標(biāo)及測試方法。 ? （ r） 指單位體積巖石的重量。 ? 由于巖樣中含有水分，根據(jù) “ w”的不同含義，可分為 ?干容重：（烘干狀態(tài)） （ v :標(biāo)準(zhǔn)件 ― 直接量 A、 H 非標(biāo)準(zhǔn)件 ― 用阿基米德原理） ?天然容重 ― 天然狀態(tài)（大氣壓力室溫條件下含水量） ?飽和容重 ― 煮沸或抽真空 → 充分飽和 → 稱重 wd ? wr v? ? ss wv? ? wv? ? dd wv? （ Gs） ? 指巖石干重量除以巖石的實(shí)體積（不含孔隙體積）的干容重與 4?c水的容重的比值。 ? 3．孔隙率（ n%） 指巖石內(nèi)孔隙體積與總體積之比。 ? 指天然狀態(tài)下，巖石的含水量與巖石干重比值的百分比。 ?? ? ? ? ? ? ?()v s s0 0 00 0 0v v v vn 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0v v v??? ssswGv?? SS W SV1GW ????? ? ? ?S s s sss s svwG w w????sssvvG ???? ? ??()()s 0 0sn 1 1 0 04 c G?? ??()00sw 100w→ → → → ? ??()nsw w w?????SSSS W WWGV ： 指巖石在常溫條件下浸水 48小時后 ， 巖石內(nèi)的含水量與巖石干容重的比值 。 ： 指巖樣在強(qiáng)制狀態(tài) （ 真空 、 煮沸或高壓 ）下 ， 巖樣最大吸水量與巖石干重量比值 。 ： 指巖石吸水率與飽水率的比值百分率 。 試驗(yàn)證明：當(dāng) kw91%， 可避免冰凍破壞 ????????() s00sas100???????() a00ass 100?????()a00sak 1 0 0： 巖石經(jīng)過反復(fù)凍結(jié)與融解，會使強(qiáng)度降低，甚至可能引起破壞。 ? （原因：巖樣中各種礦物成分膨脹系數(shù)不同 → 變形壓力、結(jié)冰時形成的膨脹壓力） ? 抗凍指標(biāo) —用經(jīng)過反復(fù)降溫、凍結(jié)、融解、升溫→ 測定抗壓強(qiáng)度的下降值 ?c1 c2RR： 指巖石飽和狀態(tài)的抗壓強(qiáng)度與干燥狀態(tài)抗壓強(qiáng)度之比值。 K和呂容系數(shù) Lu ? 受承壓水作用的巖體，在裂隙節(jié)理等結(jié)構(gòu)面內(nèi)將產(chǎn)生滲流，其滲透性大小，工程上一般以滲透系數(shù) K表征（ m∕s 或 cm?s） → 防滲帷幕布臵深度的依據(jù)。 ? 呂容系數(shù)： 1Lu=1 10cm∕s 滲透系數(shù)室內(nèi)測定方法 巖體的工程分類 ? 一 .巖體質(zhì)量指標(biāo) RQD(Rock Quality Designation)分類 RQD根據(jù)修正的巖心采取率計算，涉及概念： 顯然： RQD值的大小，反映了巖體完整程度 → 巖體分類 如： RQD(%) 巖石質(zhì)量描述 等級 90~100 極好 I 75~90 好 II 0~25 極劣 Ⅴ 注意：具體質(zhì)量不僅涉及 RQD，還涉及 譬如節(jié)理數(shù)組、粗糙程度、地下水發(fā)育程度等 。 二、根據(jù) RMR分類方法 計入因素： 節(jié)理間距 R Q D值 節(jié)理狀態(tài)（粗糙程度、連通情況等） 地下水狀態(tài) 等軸抗壓強(qiáng)度 ? 逐次計分 → 累計，進(jìn)行分類 （ 27頁表 10～ 2 、 12 ） 三、其他分類方法 ? 各國學(xué)者提出的分類方法不下數(shù)十種 ， 如 《 水工隧洞設(shè)計規(guī)范 》 《 鐵路隧道設(shè)計規(guī)范 》 等 ， 均有系統(tǒng)的分類體系 。 ? 重要的大型水電工程 （ 如二灘 、 官地 、 錦屏 、 溪洛渡等 ） ， 也有獨(dú)立的分類體系 （ 巖體結(jié)構(gòu)特征 ， 風(fēng)化卸荷 ， 地下水等 ） ?巖體工程分類的參數(shù)及評價標(biāo)準(zhǔn) 1 完整巖石的強(qiáng)度(Mpa) 點(diǎn)荷載指數(shù) ＞ 10 4～ 10 2～ 4 1～ 2 此低值區(qū)最好采用 單軸抗壓強(qiáng)度 單軸抗壓強(qiáng)度 ＞ 250 100～ 250 50～ 100 25～ 50 5～ 25 1～ 5 ＜ 1 評分 15 12 7 4 2 1 0 2 RQD值 90％～100％ 75 ％ ～90％ 50％～75％ 25％～ 50％ ＜ 25％ 評分 20 17 13 8 3 3 節(jié)理間距（ cm) 200 60～ 200 20～ 60 6～ 20 ＜ 6 評分 20 15 10 8 5 4 節(jié)理狀態(tài) 裂開面很粗糙節(jié)理不連通，未張開，兩壁巖石未風(fēng)化 裂開面稍粗糙裂開寬度＜ 1mm兩壁輕度風(fēng)化 裂開面稍粗糙裂開寬度＜ 1mm兩壁高度風(fēng)化 裂開面夾泥厚度小于 5mm或裂開寬度 1～ 5mm，節(jié)理連通 裂開面夾泥厚度大于 5mm或裂開寬度大于 5mm，節(jié)理連通 評分 30 25 20 10 0 5 地下水狀況 隧洞中每 10m長段涌水量（ L/min） 0 ＜ 10 10～ 25 25～ 125 ＞ 125 節(jié)理水壓力 /大主應(yīng)力 0 ～ ～ ～ ＞ 隧洞干燥程度 干燥 稍潮濕 潮濕 滴水 涌水 評分 15 10 7 4 0 按節(jié)理方向的修正評分值 節(jié)理走向和傾角 非常有利 有利 一般 不利 非常不利 評分值 隧洞 0 2 5 10 12 地基 0 2 7 15 25 邊坡 0 5 25 50 60 按總評分確定的巖體類別 評分值 100～ 81 80～ 61 60～ 41 40～ 21 ＜ 20 分類級 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ 質(zhì)量描述 很好的巖體 好巖體 中等巖體 差的巖體 很差的巖體 第三章 .巖石的強(qiáng)度 一 .重要性 （ 工程安全 、 經(jīng)濟(jì)效益 ） ? 巖體邊坡 → 穩(wěn)定性評價 ， 加固處理 （ 錨固 、澆注 、 抗滑樁設(shè)計 ） ? 地下洞室 開挖和運(yùn)行過程中的圍巖穩(wěn)定 ? 壩基穩(wěn)定 （ 拱壩壩肩 、 重力壩壩基 ） 二 .復(fù)雜性 ? 巖石的強(qiáng)度包括巖塊的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度 ， 以及耦合效益＋地質(zhì)環(huán)境因素影響 （ 地應(yīng)力 、 地下水等 ） ? 大量實(shí)踐和試驗(yàn)觀察證明 ， 巖石的破壞形式概括起來： ? 脆性破壞 ： 巖石發(fā)生破壞時 ， 變形很小 ， 明顯聲響 ，一般發(fā)生在單軸或低圍壓堅硬巖石 。 ? 塑性破壞 ： 破壞時 ， 變形較大 ， 有明顯的 “ 剪脹 ”效應(yīng) ， 一般發(fā)生在較軟弱巖石或高圍壓堅硬巖石 ? 沿軟弱結(jié)構(gòu)面 （ 原生 ） 剪切破壞 巖石的單軸抗壓強(qiáng)度 一。單軸壓縮實(shí)驗(yàn)裝臵 ? 長江 500型 最大軸壓 500T，圍壓 1250K/cm 上壓板 巖樣 承壓平臺 二 .單軸抗壓強(qiáng)度 破裂角 影響因素： 礦物質(zhì)成分 、 顆粒大小 、結(jié)晶程度 、 風(fēng)化卸荷程度 、 含水率 、 加荷速度 、層面方向 ， 賦存環(huán)境 （ 埋深 、 孔隙率等 ） 。 一 .實(shí)驗(yàn)方法 一 .基本概念 ：完整巖塊、巖石被剪斷時，表現(xiàn)出的 “ 抵抗剪切破壞 ” 的強(qiáng)度。 ： 巖石沿原生結(jié)構(gòu)面或已被剪斷的