高等岩体力学+课程论文.docx

高等岩体力学+课程论文.docx

《高等岩体力学+课程论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高等岩体力学+课程论文.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

高等岩体力学+课程论文

专业：

学号：

姓名：

高等岩体力学浅谈

摘要：

岩体力学是一门新兴的,与有关学科相互交叉的工程学科,需要应用数学、固体力学、流体力学、地质学、土力学、土木工程学等知识，并与这些学科相互渗透。

研究内容岩体力学的内容分为基础理论和工程应用两个方面。

土力学，研究土体在力的作用下的应力-应变或应力－应变-时间关系和强度的应用学科。

工程力学的一个分支。

为工程地质学研究土体中可能发生的地质作用提供定量研究的理论基础和方法。

关键词：

岩体力学概念、研究对象、土力学、岩体力学实验、渗流、破坏、稳定

一、与土力学概念与性质的区别

1、岩体力学的概念

研究岩体在外界因素（如荷载、水流、温度变化等）作用下的应力、应变、破坏、稳定性及加固的学科。

又称岩体力学，是力学的一个分支。

研究目的在于解决水利、土木工程等建设中的岩体工程问题。

岩体力学是研究岩体的力学性态的理论和应用的科学，是探讨岩体对其周围物理环境中力场反应的学科，是一门应用型基础学科。

通过对岩体力学性态的理论和实验研究，解决岩土工程领域的破坏和稳定问题。

主要的研究方法围绕工程地质研究方法、数学和力学分析法以及综合评价法展开，衍生出各种应用手段和实验方法，较好的解决了岩土工程中所遇到的相关问题。

2、土力学的概念

土力学是研究土体在力的作用下的应力-应变或应力－应变-时间关系和强度的应用学科。

工程力学的一个分支。

为工程地质学研究土体中可能发生的地质作用提供定量研究的理论基础和方法。

主要用于土木、交通、水利等工程。

3、土力学与岩体力学的相异性

可见，土力学与岩体力学研究的根本不同在于土和岩体性质的不同。

岩石：

是经过地质作用天然形成的（一种或多种）矿物集合体；按成因可分为三类：

岩浆岩、沉积岩和变质岩。

岩体：

是指在一定地质条件下，含有裂隙、节理、层理、断层等不连续的结构面组成的现场岩体，它是一个复杂的地质体。

土体：

是岩体经过风化后的生成的堆积物。

从产生的来源上看，土与岩体有天然紧密的联系。

岩体力学是一门新兴的,与有关学科相互交叉的工程学科,需要应用数学、固体力学、流体力学、地质学、土力学、土木工程学等知识，并与这些学科相互渗透。

研究内容岩体力学的内容分为基础理论和工程应用两个方面。

土力学，研究土体在力的作用下的应力-应变或应力－应变-时间关系和强度的应用学科。

工程力学的一个分支。

为工程地质学研究土体中可能发生的地质作用提供定量研究的理论基础和方法。

二、岩体力学的基础理论

1、岩体力学的研究对象

①岩体应力，包括岩体内应力的来源、初始应力（构造应力、自重应力等）、二次应力、附加应力等。

初始应力由现场量测决定，常用钻孔应力解除法和水压致裂法，有时也用应力恢复法。

二次应力和附加应力的计算常用固体力学经典公式，复杂情况下采用数值方法。

②岩体强度，包括抗压、抗拉、抗剪（断）强度及岩体破坏、断裂的机理和强度准则。

室内用压力机、直剪仪、扭转仪及三轴仪，现场做直剪试验和三轴试验，以确定强度参数（凝聚力和内摩擦角）。

强度准则大多采用库伦－纳维准则。

这个准则假定对破坏面起作用的正应力会增加岩体的抗剪强度，其增加量与正（压）应力的大小成正比。

其次采用莫尔准则，也可采用格里菲思准则和修正的格里菲思准则。

③岩体变形，包括单向和三向条件下的变形曲线特性、弹性和塑性变形、流变（应力-应变-时间关系）和扩容。

岩体流变主要包括蠕变和松弛。

在应力不等时岩体的变形随时间不断增长的现象称为蠕变。

在应变不变时岩体中的应力随时间减少的现象称为松弛。

岩体扩容是指在偏应力作用下，当应力达到某一定值时岩体的体积随偏应力的增大而增大的现象。

研究岩体变形在室内常用单轴或三轴压缩方法、流变试验和动力试验等，多数试验往往结合强度研究进行。

为了测定岩体应力达到峰值后的应力与应变关系，必须应用伺服控制刚性压力机。

野外试验有承压板法、水压法、钻孔膨胀计法和动力法等。

根据室内外试验可获得应力与应变关系和应力-应变-时间关系以及相应的变形参数，如弹性模量、变形模量、泊松比、弹性抗力系数、流变常数等。

④岩体渗流，包括渗透性、渗流理论、渗流应力状态和渗流控制等。

对大多数岩体假定岩体中的水流为层流，流速与水力梯度呈线性关系,遵循达西定律。

岩体渗透性用渗透系数表示,该系数在室内用渗透仪测定，在野外用压水和抽水试验测定。

渗流理论借流体力学原理进行研究。

稳定渗流满足拉普拉斯方程。

多数岩体内的孔隙（裂隙）水压力可用K.泰尔扎吉有效应力定律计算。

为了减小大坝底面渗透压力、提高大坝的稳定性，应当采取渗流控制措施，如抽水、排水、设置灌浆帷幕以延长渗流途径等。

⑤岩体动力性状，研究爆炸、爆破、地震、冲击等动力作用下岩体的力学特性、应力波在岩体内的传播规律、地面振动与损害等。

动力特性在室内用动三轴试验研究，野外用地球物理性、爆炸冲击波试验等技术进行研究，波的传播规律借固体力学的理论进行研究。

2、土力学的研究对象

土力学，从研究对象上看，主要包括以下方面﹕研究土体的应力-应变和应力-应变-时间的本构关系﹐以及强度准则和理论﹔研究在均布荷载或偏心荷载以及在各种形式基础的作用下﹐基础与地基土体接触面上的和地基土体中的应力分布﹐地基的压缩变形及其与时间的关系﹐以及地基的承载能力和稳定性﹔根据极限平衡原理用稳定性系数评价天然土坡的稳定性和进行人工土坡的设计﹔计算在自重和建筑物附加荷载作用下土体的侧向压力﹐为设计挡土结构物提供依据﹔改进和研制为进行上述研究所必需的技术﹑方法和仪器设备。

3、岩体力学的工程应用

岩体力学工程应用主要研究以下五个方面：

①地上工程建筑物的岩体地基，例如研究高坝、高层建筑、核电站以及输电线路塔等地基的稳定、变形及处理的问题。

②地表挖掘的岩体工程问题，如水库边坡、高坝岸坡、渠道、运河、路堑、露天开采坑等天然和人工边坡的稳定、变形及加固问题。

③地下洞室，如研究地下电站、水工隧洞、交通隧道、采矿巷道、战备地道、石油产品库等的围岩的稳定和变形问题，地下开挖施工以及围岩的加固（如固结灌浆、锚喷、预应力锚固等）问题。

可见，岩体的研究较土的研究，更复杂得多。

土的工程研究，更多的是在地质构造简单的平原地区，而岩体的工程研究，更多的在水利工程，隧道工程，采矿工程等大型复杂工程。

三、土力学与岩体力学的研究方法

土力学和岩体力学在某些研究方法上有很相似的地方。

下面取土的边坡稳定分析和岩坡的稳定分析为例给于比较。

土边坡稳定的主要研究方法有：

1瑞典圆弧法

2瑞典条分法

3简化Bishop法

4Janbu法

岩体边坡稳定的主要研究方法：

1圆弧法岩坡稳定分析

2平面滑动岩坡稳定分析

3双平面滑动岩坡稳定分析

4力多边形岩坡稳定分析

5力的代数叠加法岩坡稳定分析

6楔形滑动岩坡稳定分析

其中瑞典条分法和圆弧法岩坡稳定性分析是最具代表性的方法

圆弧法岩坡稳定性分析

基本假定：

①破坏面是圆柱面

②作为平面问题来分析

③岩层抗剪力符合库仑理论

④破坏面上每点发挥最大抗剪力

⑤岩体分条上铅垂侧水平力不计

⑥边坡简化为如图8-12应力状态

瑞典圆弧滑动面条分法，是将假定滑动面以上的土体分成n个垂直土条，对作用于各土条上的力进行力和力矩平衡分析，求出在极限平衡状态下土体稳定的安全系数。

该法由于忽略土条之间的相互作用力的影响，是条分法中最简单的一种方法。

土力学中的瑞典条分法与岩体力学中的圆弧法岩坡稳定分析原理一致。

所谓瑞典条分法，就是将滑动土体竖直分成若干个土条，把土条看成是刚体，分别求出作用于各个土条上的力对圆心的滑动力矩和抗滑力矩，然后按公式

求土坡的稳定安全系数。

把滑动土体分成若干个土条后，土条的两个侧面分别存在着条块间的作用力（图7-7）。

作用在条块i上的力，除了重力Wi外，条块侧面ac和bd上作用有法向力Ｐi、Ｐi＋１，切向力Ｈi、Ｈi＋１，法向力的作用点至滑动弧面的距离为hi、ｈi＋１。

滑弧段cd的长度li，其上作用着法向力Ni和切向力Ti，Ti包括粘聚阻力ci·li和摩擦阻力Ni·tg

i。

考虑到条块的宽度不大，Wi和Ni可以看成是作用于cd弧段的中点。

在所有的作用力中，Pi、Ｈi在分析前一土条时已经出现，可视为已知量，因此，待定的未知量有Pi＋１、Ｈi＋１、hi＋１、Ｎi和Ｔi5个。

每个土条可以建立三个静力平衡方程，即ΣＦxi＝０，ΣＦzi＝０和ΣＭi＝０和一个极限平衡方程Ti＝（Ni·ｔｇ

i＋ｃi·ｌi）/Fs。

如果把滑动土体分成n个条块，则n个条块之间的分界面就有（n-1）个。

分界面上的未知量为3（n-1），滑动面上的未知量为2n个，还有待求的安全系数Fs，未知量总个数为（5n-2），可以建立的静力平衡方程和极限平衡方程为4n个。

待求未知量与方程数之差为（n-2）。

而一般条分法中的n在10以上。

因此，这是一个高次的超静定问题。

为使问题求解，必须进行简化计算。

瑞典条分法假定滑动面是一个圆弧面，并认为条块间的作用力对土坡的整体稳定性影响不大，故而忽略不计。

或者说，假定条块两侧的作用力大小相等，方向相反且作用于同一直线上。

图中取条块i进行分析，由于不考虑条块间的作用力，根据径向力的静力平衡条件，有：

Ni=Wicos

根据滑动弧面上的极限平衡条件，有：

Ti＝Tfi/Fs=（ci·li＋Ni·tg

i）/Fs

（1）

式中：

Tfi——条块i在滑动面上的抗剪强度；

Fs——滑动圆弧的稳定安全系数。

另外，按照滑动土体的整体力矩平衡条件，外力对圆心力矩之和为零。

在条块的三个作用力中，法向力Ni通过圆心不产生力矩。

重力Wi产生的滑动力矩为：

∑Ｗi·di＝∑Ｗi·Ｒ·sinθi

（2）

滑动面上抗滑力产生的抗滑力矩为：

（3）

滑动土体的整体力矩平衡，即∑Ｍ＝０，故有：

∑Wi·di＝∑Ti·R（4）

将式

（2）和式（3）代入式（4），并进行简化，得：

四、岩体力学的主要前沿方向和研究前景

1、边坡破坏

在很多工程建设中，会遇到岩体边坡。

如公路或铁路的路堑边坡，露天开采的矿山边坡，水利水电工程中的库岸边坡，渠道边坡，隧洞进出口边坡等等。

为某些工程边坡，边坡稳定问题是工程建设中经常遇到的问题之一。

众所周知，岩体常被各种方位的地质结构面切割成不同形状的块体。

因此，工程实践中所遇到的岩坡，多为岩块所组成。

在一般情况下，结构面的强度远低于完整岩体的强度，岩坡中结构面的规模、性质及其组合方式在很大程度上决定着岩坡失稳时的破坏形式。

结构面的形状或性质稍有改变，则岩坡的稳定性将会受到显著的影响。

岩坡的失稳情况，按其破坏方式主要可分为崩塌与滑坡两种。

1、崩塌是指块状岩体与岩坡分离向前翻滚而下，其特点是：

在崩塌过程中，岩体中无明显滑移面，同时下落岩块或未经阻挡而直接坠落于坡脚；或于斜坡上滚翻，滑移，碰撞，最后堆积于坡脚。

2、滑坡是指岩体在重力作用下，沿坡内软弱结构面产生整体滑动，其滑动面往往深入坡体内部，有时甚至延伸到坡脚以下。

边坡实际的破坏形式是很复杂的，除上述两种主要破坏形式外，还有介于崩塌与滑坡之间的坍滑以及倾倒、剥落等破坏形式，有时也可能出现以某种破坏方式为主，有其他若干破坏形式的综合破坏。

特别是含有软弱结构面的高边坡工程，其失稳是一个渐进累积到突发破坏的过程。

对岩体流变力学特性和流变模型的研究能够较好地描述岩体的粘弹塑性性质，修正从流变试验数据进行模型辩识和参数拟合的方法，并对高边坡的稳定性状况作出合理的评价。

变形稳定是岩体高边坡安全稳定的一个重要方面，了解边坡在不同时期的变形状态对于评价边坡的安全稳定性具有重要的意义。

安全监测作为正确评价边坡安全状态变化过程的手段，在岩体高边坡工程中逐步得到广泛的应用。

由于边坡问题的复杂性，深入开展对边坡安全监控理论和方法的研究，系统的分析所获得的监测信息显得十分重要。

2、地下结构

随着水电建设、交通运输、军工建设、矿工开发等的发展，地下结构工程越来越多，规模也越来越大，深入研究地下结构，并将其用于解决实际工程问题，具有重要的意义。

人类对地下结构的认识经历了一个漫长的过程，从天然洞穴，到人工地下洞室，在观察、体验和推理中，逐步加深了对地下结构工程特性的认识，随着计算机技术的发展，利用有限元等方法更为精确地模拟地下结构物以及围岩特征成为可能。

岩体地下结构即埋置于岩层内部的机构，如水工建筑物中的隧洞、铁路及公路建筑中的隧道。

修建时，首先按照要求在岩层中挖掘洞室，然后岩洞室周边修建永久性支护结构——衬砌。

衬砌主要起承重和维护两方面作用，承重，即承受围岩压力、结构自重以及其他荷载作用；维护，即防止围岩风华、崩塌，防水、防潮等。

作为地下结构，衬砌在计算理论上与一般地表结构有很大区别，围岩不仅作为何在作用在衬砌上，而且约束其变形和位移，这种约束作用对衬砌计算有很大影响。

目前工程上一般采用荷载结构法或地层结构法，且假定衬砌为线弹性体来计算内力，按规模公式计算钢筋用量和验算裂缝宽度。

然后当结构处于承载能力极限状态时，裂缝已极大地开展，刚度发生变化，由于在受力前衬砌和围岩之间往往存在缝隙，这时的衬砌受力状态与按线弹性体计算得到内力会有很大不同。

因而将衬砌假定为线弹性体计算得到的内力作为配筋依据是不合适的。

其次规范中的裂缝宽度计算公式是根据表面无约束构件的实验数据得到，其受力变形特征与衬砌结构有较大不同，应用规范公式计算得到的衬砌裂缝宽度往往会大于实际值，即应用规范公式计算衬砌裂缝宽度也是不合适的。

4、损伤力学

随着岩体力学的发展，人们逐渐认识到，岩体的物理力学性质不仅有别于其它工程材料，而且与土或混凝土材料也存在较明显的差异。

而近年来，损伤力学的发展为岩体材料的非弹性性质和破坏机理给出了一种可资借鉴的解释模式。

人们已习惯称岩体为有初始损伤的材料，并采用某些特征参数来合理地描述岩体内部缺陷的分布状态。

由于岩体材料的特殊性，即使在弹性状态下，也属于非线性问题。

很多研究表明：

岩体的非弹性变形就是由于其内部大量微裂纹的产生和发展造成的。

目前国际上已经开始从岩体的细观尺度出发来研究其宏观的损伤与断裂问题。

随着电子计算机的飞速发展和计算技术的逐步完善，对岩体强度理论和本构关系提出了更高的要求，以便更真实地描述岩体力学特征，求解复杂的工程岩体力学问题。

在水利工程中，岩体是一个复杂的地质体，它的强度不仅与组成岩体的岩体性质有关，而且与岩体内的软弱结构面（节理、裂隙、层理、断层等）有关，此外还与岩体所受应力状态有关。

软弱结构面常常是岩体最薄弱的地方，几组软弱结构面可以将岩体分割成各种形状和大小不同的岩块。

岩体的强度决定于这些岩块的强度和结构面的强度。

当然，岩块本身也有一些微结构面（细微裂隙），但这些微结构面甚小（肉眼不易觉察），一般对试件强度影响甚微。

通常所讲的岩体强度，一般是指岩体试件的强度，它实际上代表岩体内岩块的强度。

5、岩爆预防

21世纪将是人类开发利用地下空间的世纪，埋深大、地应力高的越岭、跨海工程越来越多，这为地下工程建设中经常遇到的世界性地质灾害——岩爆的发生提供了广阔的空间。

岩爆可使水电洞室、交通隧道、矿山巷道等遭受破坏，损坏生产设备，威胁工程人员的人生安全。

因此，加强对岩爆的发生机理、预测及防治的研究，不仅对地质灾害学术发展起到推动作用，而且具有较高的社会经济效益。

而预防岩爆的形成原因，就必须分析岩爆的主要影响因素、机理，提出了岩爆的数值计算方法。

进而讨论地应力、岩性、岩体结构、埋深等因素对岩爆产生概率的影响，将岩爆的影响因素归纳为岩体应力状态和岩性条件两类。

通过室内常规三轴卸荷等试验方法，分析不同卸荷方式下岩体破坏的力学特征。

最后，从数值分析角度出发，采用有限单元法进行岩爆计算的原理，提出考虑隧洞开挖卸荷作用的有限元计算方法，模拟开挖的计算更能反映实际洞周围岩的应力分布，在预测岩爆发生的烈度、深度和宽度方面，计算结果更准确。

6、温度损伤

温度作用下岩体的热力耦合效应理论研究是岩体力学研究中的新领域。

在高放射性核废料的地层深埋处置、大都市圈的大深度地下空间开发利用、深部采矿、地热资源和石油资源的开发利用等工程中经常遇到的受高温作用的岩体。

当岩体受到温度影响时，岩体受到温度应力作用引起损伤，岩体的抗压强度和变形特征将发生显著的变化，直接关系着工程的稳定性。

这类问题的解决可以运用岩体力学、损伤力学理论对试验结果进行了分析，建立热损伤演化方程和一维热力耦合损伤本构方程。

探讨岩体热—粘弹塑性流变模型。

7、岩体流变力学

岩体的变形是指岩体在任何物理因素作用下形状和大小的变化。

工程上最常研究的变形是由于荷载变化引起的。

例如在岩体上建造一座大坝（相当于对基岩加载）或在岩体中开挖（相当于对岩体局部卸载）都会引起岩体变形。

岩体的变形对工程建筑物的安全影响很大，因为当岩体产生变形时，建筑物的应力可能增加。

例如，当大坝建造在多种岩体组成的岩基上，这些岩体的变形性质不同，则由于基岩在荷载（坝体重力）作用下的不均匀变形可以使坝体内的剪应力和主拉应力增长，造成开裂错位等不良后果，如果岩基中岩体的变形性质已知并且在岩基内这些性质的变化也已确定，那么在工程设计时或在施工中可以采取相应措施防止不均匀变形。

在许多工程建设中，在设计时都要用到关于岩体变形的知识，因此，研究岩体的变形特性是岩体力学的重要研究内容之一。

岩体的变形特性常用弹性模量E和泊松比μ两个常数来表示。

如果把岩体当作弹性体，用E、μ来描述岩体的变形特性是足够的，因为根据弹性理论的知识，可以解决岩体力学的有关问题，但实际情况说明，仅仅用这些弹性常数来表征岩体的变形性质是不够的，因为许多岩体的变形是非弹性的，即荷载卸去后岩体变形并不能够完全恢复。

特别是在现场条件下岩体有裂隙、破碎层理岩，粘土夹层等，大多数岩体不是完全弹性的，对于这类岩体为了表征岩体的总的变形，常用变形模量E0和侧胀系数μ0。

岩体的变形指标及应力-应变的关系可在实验室内测定，也可在现场测定。

岩体流变力学试验不仅是了解岩体流变力学特性的最重要手段，而且是构建岩体流变本构模型的重要基础。

水利水电工程高坝坝基大多建于硬岩岩基上，高坝的建设往往伴随着岩体高陡边坡和大型地下洞室群的岩体工程问题，为了预测岩体工程的长期稳定性，硬岩的流变力学特性研究尤其是三轴流变试验研究具有重要意义。

岩体流变力学理论作为岩体力学中的前沿课题，近年来，研究工作进展较快，特别是利用实测试验资料反演流变模型参数、进而发展到对未知模型的辨识等。

但岩体流变力学理论至今还不很成熟，许多重大岩体工程的建设为岩体流变力学理论研究带来了严峻的挑战，当前岩体流变力学特性和本构模型理论的研究仍是其难点和热点问题。

此方法可以采用试验研究、理论分析和数值模拟相综合的研究方法，基于岩体的三轴流变试验，运用非线性力学与损伤力学理论探讨岩体流变力学特性，主要研究硬岩在不同围压作用下的流变力学特性，建立岩体非线性流变本构模型，并将岩体流变力学特性的研究成果应用到重大水利水电岩体工程实践中。

纵观历史，从1951年，在奥地利创建了地质力学研究组，岩体力学正式的走入了历史舞台，形成了独具一格的奥地利学派开始，到如今岩体结构与结构面的仿真模拟和岩体工程计算机辅助设计与图像自动生成处理等技术的引进，岩体力学借助更加现代化的工具和数值计算手段，得到了迅猛的长足的发展，在工程中也将得到更大程度的应用和良好的应用成果。

但是同时，反观目前岩体力学发展的现状，岩土工程的研究依然处在半理论半实践的发展阶段。

而其遗留问题的理论研究的主要增长点和突破口就是岩体力学，必将成为岩土乃至土木研究中重要的支撑和发展。