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岩体力学结课论文

岩体力学结课论文

题目：

岩体力学与工程

班级:

城市地下空间工程

姓名:

学号:

2016年6月

第一章绪论

1.1简介

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。

国际上往往把岩体力学称为岩石力学。

它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，属于应用型基础学科。

主要研究经过变形和破坏的岩体在地应力条件改变时产生再变形和再破坏的力学规律的学科。

是力学、地质学与工程学之间的一门边缘学科。

岩体力学是一门十分年轻的学科。

第二次世界大战以后，土木工程建设规模不断扩大，高坝，深埋长隧道、大跨度高边墙地下建筑相继出现，对岩体力学理论和技术的需求日益迫切，岩体力学工作逐步发展起来。

1.2形成与发展

岩体力学的形成和发展，是与岩体工程建设的发展和岩体工程事故分不开的。

岩块物理力学性质的试验，地下洞室受天然水平应力作用的研究，可以追溯到19世纪的下半叶。

20世纪初，出现了岩块三轴试验，课题内容主要集中在地下工程的围岩压力和支护方面。

1920年，瑞士联合铁路公司采用水压洞室法，在阿尔卑斯山区的阿姆斯特格隧道中，进行原位岩体力学试验，首次证明岩体具有弹性变形性质。

不久，弹性力学被引入岩体力学的研究，并成为解决岩体工程问题的重要理论基础。

1.3岩质边坡的研究背景和意义

随着国民经济的发展，矿山开采、交通运输、水利和人防等建设工程中所遇到的岩质边坡问题越来越多，这些边坡工程的稳定性及其对周边环境的影响已引起了人们的极大关注。

目前，边坡稳定已经和地震、火山并称为当今三大地质灾害源。

国家和地方已经投入了大量的人力、物力和财力来进行这方面的研究和治理。

在采矿工业中，露天采矿所占的比重迅速增加，露天矿开采深度的逐渐加大，不可避免地出现高达数百米的高边坡，如何在保证这些边坡稳定的前提下使得废石剥离量较小而矿石开采量较大，在经济性与安全性之间追求一个最优的平衡点，己成为了众多专家和学者要致力解决的问题。

很多水利水电工程也都涉及到边坡问题，特别是那些水利水电枢纽工程，形成水库的基本物质条件——山体，本身就有大量的边坡稳定性问题。

举世瞩目的长江三峡工程，其中一个关键的问题就是船闸边坡的稳定性问题。

因此岩质边坡的研究极为重要。

第二章边坡稳定性分析

2.1概述

我国是世界上自然灾害最为严重的国家之一，而且具有灾害种类多、频率高、强度大、影响广以及次生灾害多的特点。

这些灾害每年都给国家造成巨大的经济损失，同时也对人民生命财产的安全造成了巨大的威胁。

建国以来，我国因灾害死亡的人数达50多万人，直接经济损失约为25000亿元，特别是进入到20世纪90年代，灾害损失更为严重，直接经济损失每年都在1000亿元以上，占国民生产总值的5%~6%，其中，全球性三大地质灾害之一的边坡问题（与地震和火山并列）在我国也极为突出，如我国的西南、西北等多山地区就多次出现滑坡事故，很多在暴雨作用下形成了泥石流，给当地人民的生活造成了极大的影响。

2.2岩石边坡的破坏类型

岩坡的破坏类型从形态上可分为崩塌和滑坡。

所谓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。

崩塌一般发生在既高又陡的岩坡前缘地段，这时大块的岩体与岩坡分离而向前倾倒，如图2-1（a）所示；或者，坡顶岩体由于某种原因脱落翻滚而在坡脚下堆积，如图2-1（b）和（c）所示。

崩塌经常发生在坡顶裂隙发育的地方。

所谓滑坡是指岩体在重力作用下，沿坡内软弱结构面产生的整体滑动。

与崩塌相比，滑坡通常以深层破坏形式出现，其滑动面往往深入坡体内部，甚至延伸到坡脚以下，其滑动速度虽比崩塌缓慢，但不同的滑坡其滑速可以相差很大，这主要取决于滑动面本身的物理力学性质。

当滑动面通过塑性较强的岩土体时，其滑速一般比较缓慢；相反，当滑动面通过脆性岩石，如果滑面本身具有一定的抗剪强度，在构成滑面之前可承受较高的下滑力，那么一旦形成滑面即将下滑时，抗剪强度急剧下降，滑动往往是突发而迅速的。

滑坡的滑动形式可分为平面滑动、楔形滑动以及旋转滑动。

平面滑动是一部分岩体在重力作用下沿着某一软弱面（层面、断层、裂隙）的滑动，如图2-2（a）所示。

滑面的倾角必须大于滑面的内摩擦角，否则无论坡角和坡高的大小如何，边坡都不会滑动。

平面滑动不仅要求滑体克服滑面底部的阻力，而且还要克服滑面两侧的阻力。

在软岩（例如页岩）中，如果滑面倾角远大于内摩擦角，则岩石本身的破坏即可解除侧边约束，从而产生平面滑动。

而在硬岩中，如果结构面横切到坡顶，解除了两侧约束时，才可能发生平面滑动。

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（图2-2（b））。

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。

法国Malpasset坝的崩溃（1656年）就是岩基楔形滑动的结果。

旋转滑动的滑面通常呈弧形，如图2-2（c），这种滑动一般产生于非成层的均质岩体中。

图2-1岩崩类型图2-2岩滑类型

（a）倾倒破坏；（b）软硬互成坡体的局部崩塌和坠落；（a）平面破坏；（b）楔形破坏

（c）崩塌破坏1—砂岩；2—页岩（c）旋转滑动

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滑塌，以及倾倒、剥落、流动等破坏方式；有时也可能出现以某种破坏方式为主，兼有其它若干破坏形式的综合破坏。

岩坡的滑动过程有长有短，有快有慢，一般可分为三个阶段。

初期是蠕动变形阶段，这一阶段中坡面和坡顶出现张裂缝并逐渐加长和加宽；滑坡前缘有时出现挤出现象，地下水位发生变化，有时会发出响声。

第二阶段是滑动破坏阶段，此时滑坡后缘迅速下陷，岩体以极大的速度向下滑动。

这一阶段往往造成巨大的危害。

最后是逐渐稳定阶段，这一阶段中，疏松的滑体逐渐压密，滑体上的草木逐渐生长，地下水渗出由浑变清等。

2.3边坡稳定性的计算方法

边坡稳定性的计算研究可以追溯到100多年前，到目前为止，己有数十种方法，这些方法分别从应力、变形、能量或三者综合的角度对边坡的稳定性进行评价。

随着人们对边坡变形破坏规律的进一步认识和应用技术的进步，边坡稳定性的评价计算力一法还在继续发展。

但是实践和经验表明:

任何计算方法都应该结合工程实际情况来进行，计算方法的成功与否，在很大程度上处决于所采用的模型和变形破坏机理是否恰当。

下面是一些常用的边坡稳定性分析方法。

1.极限平衡法

该方法是工程实践中应用最早也是目前最普遍使用的一种定量分析方法。

极限平衡法目前已经形成了一套完整的理论体系。

目前已有了多种极限平衡分析方法，如：

Fellenius法、Bishop法、Janbu法、MorgensternPrince法、余推力法、Sarma法、楔形体极限平衡分析法等等。

其中Sarma法既可用于滑面呈圆弧形的滑体，同时也可用于滑面呈一般折线形滑面的滑体极限平衡分析；楔形体极限平衡分析则主要用于岩质边坡中由不连续面切割的各种形状楔形体的极限平衡分析。

与其他方法相比，极限平衡法的缺点是在力学上做了一些简化假设。

该方法抓住了问题的主要方面，且简易直观，并有多年的实用经验，若使用得当，将得到比较满意的结果。

它是目前应用最广泛的一种分析方法。

2.数值分析法

1）有限元法

有限元法的优点是部分考虑了边坡岩体的非均质和不连续性，可以给出岩体的应力、应变大小与分布，避免了极限平衡法中将滑体视为刚体而过于简化的缺点，能使我们近似地从应力应变去分析边坡的变形机制，分析最先、最容易发生屈服破坏的部位和需要首先进行加固的部位等。

特别是对尚未滑动的顺层边坡的应力应变分析是可行的。

但是有限元方法还不能很好地求解大变形和位移不连续等问题，对于无限域、应力集中问题等的求解还不理想。

2）有限元差分法

能更好的考虑岩土体的不连续性和大变形特征，求解速度较快。

3）离散元法

离散元法在进行计算时，首先将边坡岩体划分为若干刚性块体（目前已可以考虑块体的弹性、塑性、粘性变性），以牛顿第二运动定律为基础，它允许块体间发生平动、转动，甚至脱离母体下落，结合不同本构关系，考虑块体受力后的运动及由此导致的受力状态和块体运动随时间的变化，从而获得岩体运动破坏模式。

2.4岩石边坡的加固方法

若边坡不稳定或有潜在失稳的可能，而边坡的破坏将导致道路阻塞、建筑物破坏或其他重大损失时，一方面加强观察、检测，同时应根据岩体的工程性质、环境因素、地质条件、植被完整性、地表水汇集等因素进行综合治理，采用加固措施来改善边坡的稳定性。

对于潜在的小规模岩石滑坡，常常采用如下的方法进行岩坡加固。

1）注浆加固

对于裂隙比较发育但仍处于稳定的岩体，应对岩体裂隙进行注浆、勾缝、填塞等方法处理。

岩体内的断裂面往往就是潜在的滑裂面。

用混凝土填塞断裂部分就消除了滑动的可能。

2）锚杆或预应力锚索加固

在不安全的岩石边坡的工程地质测绘中，经常发现岩体的深部岩石较坚固，不受风化的影响，足以支持不稳定的和存在某种危险状况的表层岩石。

在这种情况下采用锚杆或预应力锚索进行岩石锚固，是一种有效的治理方法。

3）混凝土挡墙或支墩加固

在山区修建大坝、水电站、铁路和公路进行开挖时，天然或人工的边坡经常需要防护，以免岩石滑塌。

在很多情况下，不能用额外的开挖放缓边坡来防止岩石的滑动而应当采用混凝土挡墙或支墩，这样比较经济。

4）挡墙与锚杆相结合的加固

在大多数情况下采用挡墙与锚杆相结合的方法来加固岩坡。

锚杆可以是预应力的，也可以不是预应力的。

第三章初始地应力场分析

3.1概述

矿业、石油开采、地下工程、边坡工程、水利枢纽工程、地震预报、地球物理研究等方面都涉及到地应力场的问题。

在大地震之前地应力测值常会出现较长时间的趋势性异常变化,如1975年的海城7.3级大地震、1976年龙陵7.6级地震和1976年唐山7.8级地震,都发现了类似的趋势。

在岩土工程中，岩体的初始地应力常常是影响地下洞室布局的一个主要因素,如有可能,一般使洞室轴线和最大水平主应力的方向平行或成一个较小的夹角,这样在很大程度上将增加地下洞室围岩的稳定性。

岩体应力主要由自重应力、构造应力以及工程开挖引起的卸荷应力组成。

开挖引起的应力是二次应力,也是一种对初始应力场的改造,它的大小很大程度上受到初始应力场和开挖方式的影响。

边坡在开挖过程中,会因为初始地应力的存在而导致边坡岩体向临空面产生位移,而且过高的地应力加上不适当的开挖放炮方式常常导致岩石开挖过程中的岩爆、崩塌、回弹位移量过大等现象。

因此,初始地应力的大小和方位对岩质高边坡等岩土工程的设计、施工有着重要的影响,特别是在一些高地应力区域,地应力往往决定了边坡开挖顺序和开挖量,也直接影响着边坡是否采取支护及相应支护的设计。

岩性相近的岩体,如果初始地应力不同,即使开挖了坡度相同的边坡,它们的应力应变状态也不一样,甚至相差很远而导致边坡稳定性能质的变化；一种边坡稳定,而另一种边坡因不利的地应力而失稳。

所以,初始地应力的确定成为了岩土工程稳定分析的必要条件。

3.2天然应力测试方法

目前在国内外最常用的应力量测是水压致裂法、钻孔套心应力解除法、发射声法等。

1.水压致裂法

与其他方法相比，钻孔水压致裂法，具有以下特点：

（1）设备简单

（2）操作方便

（3）测值直观

（4）测量代表值大

（5）适用性强。

2.应力解除法

此法的基本原理是在钻孔中安装变形或应变测量元件，通过量测套心应力解除前后，钻孔孔径变化或空地应变变化或孔壁表面应变变化值来确定天然应力的大小和方向。

3.声发射法

声发射法的优点是简单易行，费用低廉，可以用较低的费用尽可能多地取得不同点的实测数据，更真实了解对不均匀分布的应力场的特征。

缺点是主要技术缺乏可靠的理论支持

3.3雅砻江锦屏一级水电站高地应力现象

锦屏一级水电站坝址区地处青藏高原向四川盆地过渡的斜坡地带。

青藏高原的快速隆升并向东部扩展推移，使得坝址区现今构造应力场为NW-NWW向主压应力场。

另一方面坝区谷坡高陡，相对高差达1500~2500m，坝段河谷走向约N25°E，造成NW-NWW方向谷坡及谷底自重应力集中，量值也相对较高。

上述两种应力叠加造成了坝区天然状态下的高地应力。

虽然由于河流快速下切，谷坡一定范围内地应力释放，使得卸荷带岩体松弛拉裂，地应力值较低。

卸荷带以里则出现饼状岩心、片帮等显现高地应力的现象。

第四章总结与展望

总之，到目前为止，岩体力学工作者从各个方面对岩体力学与工程进行了全面的研究，并取得了可喜的进展，为国民经济建设与学科发展作出了杰出的贡献。

但是，岩体力学还不成熟，还有许多重大问题仍在探索之中，还不能满足工程实际的需要。

因此，大力加强岩体力学理论和实际应用的研究，既是岩体力学发展的需要，更是工程实践的客观要求

当前，随着科学技术的飞速发展，各门学科都将以更快的速度向前发展，岩体力学也不例外。

而各门学科协同合作，相互渗透，不断引入相关学科的新思想、新理论和新方法是加速岩体力学发展的必要途径。

相信在各行工作者的努力下，岩体力学一定会有更辉煌的明天，与其相关的工程也会有质的飞跃。

参考文献

[1]喻军华.岩质高边坡开挖与支护过程分析.浙江：

浙江大学博士学位论文，2003

[2]谢强，赵文，程谦恭.岩体力学与工程.成都：

西南交通大学出版社，2010

[3]张永兴，贺永年，等.岩石力学（第二版）.北京：

中国建筑工业出版社

[4]伍法权，祁生文，宋胜武，等.复杂岩质高陡边坡变形与稳定性研究——以雅砻江锦屏一级水电站为例.北京：

科学出版社，2007

[5]范文，俞茂宏，李同录，等.层状岩体边坡变性破坏模式及滑坡稳定性数值分析.岩石力学与工程学报，2000,19（增刊）