岩石的强度与地下工程稳定性分析（岩土力学教学课件）

岩石的强度与地下工程稳定性分析课程大纲与学习目标课程大纲课程大纲

121.岩石力学基本概念

2.岩石强度课程大纲课程大纲

343.岩体质量

4.地下工程概论课程大纲课程大纲

565.地下工程稳定性分析

6.工程实例分析岩石力学基本概念岩石力学定义岩石力学的研究内容岩石力学是研究岩石在各种外力作用下的力学性质、变形规岩石力学主要研究岩石的物理性质、力学性质、强度、变形律和破坏特征的学科岩石力学是地下工程、采矿工程、水、破坏、稳定性等方面的规律利工程等工程建设的重要理论基础岩石的物理性质密度岩石的密度是岩石的质量与其体积之比，是岩石的重要物理性质之一孔隙度岩石的孔隙度是指岩石中孔隙体积占岩石总体积的百分比吸水率岩石的吸水率是指岩石在饱和状态下所吸收的水的质量与岩石干质量之比岩性岩石的岩性是指岩石的矿物成分、结构和构造等特征岩石的工程分类岩性分类强度分类结构分类根据岩石的矿物成分根据岩石的强度，将根据岩石的结构，将、结构和构造，将岩岩石分为软岩、中硬岩石分为块状岩石、石分为三大类岩浆岩、硬岩等类别层状岩石、碎裂岩石岩、沉积岩和变质岩等类别岩石变形的基本特征弹性变形1当外力撤销后，岩石能够恢复到原来的形状和大小的变形塑性变形2当外力撤销后，岩石不能完全恢复到原来的形状和大小的变形破坏3当岩石的变形超过其承载能力时，就会发生破坏岩石的应力应变关系-弹性阶段应力与应变成正比，岩石表现出弹性行为屈服阶段应力超过弹性极限后，岩石开始出现塑性变形强化阶段随着应力的增加，岩石的强度逐渐提高破坏阶段岩石的强度达到峰值后，开始下降，最终发生破坏弹性模量与泊松比弹性模量泊松比弹性模量是指岩石在弹性阶段，应力与应变的比值泊松比是指岩石在单轴受力时，横向应变与纵向应变的比值岩石的蠕变特性稳定阶段2岩石的蠕变速率逐渐减小，趋于稳定蠕变阶段1岩石在恒定应力作用下，随时间推移而产生的持续变形过程加速阶段岩石的蠕变速率加速增加，最终导致3破坏影响岩石强度的因素岩性不同岩性的岩石，其强度差异很大结构岩石的结构对强度有显著影响孔隙度孔隙度越高，岩石的强度越低应力状态岩石的应力状态对强度有很大影响温度高温会降低岩石的强度岩石强度的定义抗压强度1岩石在单轴压缩条件下所能承受的最大应力抗拉强度2岩石在单轴拉伸条件下所能承受的最大应力抗剪强度3岩石在剪切条件下所能承受的最大应力单轴抗压强度测试方法试样制备试验步骤强度计算按照标准尺寸制备试样，并进行表面将试样放置在试验机上，施加荷载，根据试验结果，计算岩石的单轴抗压处理直至试样破坏强度单轴抗拉强度测试方法巴西劈裂试验1利用两个集中荷载使试样产生拉伸破坏，测量抗拉强度悬臂梁试验2利用悬臂梁的弯曲破坏测试岩石的抗拉强度直接拉伸试验3利用专门的拉伸试验机进行直接拉伸测试三轴压缩试验原理32应力约束岩石同时受到三个方向上的应力作侧向压力使岩石在破坏时承受更大用的应力1模拟模拟地下深处岩石所处的三轴应力状态三轴压缩试验设备岩石的破坏准则莫尔-库仑霍克-布朗其他莫尔库仑强度准则-理论基础应用范围基于岩石的剪切强度与法向应力之间的线性关系适用于大多数脆性岩石，如花岗岩、砂岩等霍克布朗强度准则-理论基础基于岩石的非线性应力-应变关系，考虑了岩石的应变软化行为应用范围适用于具有明显应变软化特性的岩石，如泥岩、页岩等岩石的剪切强度定义1岩石在剪切条件下所能承受的最大应力影响因素2岩石的岩性、结构、孔隙度、应力状态等因素都会影响岩石的剪切强度测量方法3可以通过剪切试验或三轴压缩试验测量岩石的剪切强度岩石的抗剪强度参数内聚力岩石在无法向应力作用下，所能承受的剪切强度内摩擦角岩石在剪切时，法向应力与剪切强度之间的关系岩石不连续面的特征节理断层岩脉岩石中的裂隙，没有明显位移岩石中的裂隙，有明显位移岩石中的岩浆侵入体，形成不连续面节理的基本类型张节理剪节理层理面由拉伸应力引起，节理面较为平滑由剪切应力引起，节理面常呈锯齿状沉积岩中的沉积层理，形成不连续面节理的力学特性强度变形渗透性节理的强度远低于完整岩石的强度节理的变形主要为滑动和张开变形节理的存在会提高岩体的渗透性节理的空间分布平行节理1节理面平行或近似平行分布交叉节理2节理面相互交叉，形成网状结构放射节理3节理面从中心点向四周呈放射状分布岩体质量分级方法RMR分级系统Q系统分级方法GSI分级指标根据岩石的强度、节理间距、节理状根据岩石的强度、节理间距、节理状根据岩石的强度、节理间距、节理状况、地下水状况等指标进行分级况、地下水状况、应力状态等指标进况、应力状态等指标进行分级行分级分级系统RMR分级标准2根据岩石的强度、节理间距、节理状况、地下水状况等指标进行分级适用范围1适用于各种地下工程的岩体质量分级分级结果将岩体质量分为五级，分别代表岩体3的质量状况系统分级方法Q适用范围分级标准适用于隧道工程的岩体质量分根据岩石的强度、节理间距、级节理状况、地下水状况、应力状态等指标进行分级分级结果将岩体质量分为九级，分别代表岩体的质量状况分级指标GSI岩体结构岩体中节理的密度、间距、形状、填充物等特征岩体完整性岩石的完整性、风化程度、断层发育程度等特征应力状态岩体中应力的大小和方向岩体变形模量估算经验公式现场测试数值模拟根据岩体质量指标和通过声波测试、平板利用有限元或离散元岩石的弹性模量估算载荷试验等方法直接软件模拟岩体的变形岩体变形模量测量岩体变形模量，计算岩体变形模量地下工程概述定义1地下工程是指在地下空间进行的各种工程建设活动特点2地下工程具有隐蔽性强、施工环境复杂、安全风险高等特点应用3地下工程在交通、水利、能源、国防等领域具有广泛的应用地下工程类型隧道工程用于连接不同地段的地下通道，如铁路隧道、公路隧道、水利隧道等地下洞室工程用于储存或生产的地下空间，如地下仓库、地下车库、地下电站等地铁工程用于城市地下交通的地下通道，如地铁线路、地铁车站等隧道工程特点线型长环境复杂安全风险高隧道工程通常具有较长的线型，对施隧道施工环境往往比较恶劣，如高温隧道施工过程中存在各种安全风险，工工艺和安全管理提出更高的要求、高湿、通风不良、地质条件复杂等如塌方、涌水、瓦斯等地下洞室特点空间大荷载大环境特殊地下洞室通常具有较大的空间，对地下洞室承受着覆岩的重量和内部地下洞室环境封闭，通风不良，需支护结构和安全措施提出更高的要荷载，需要进行严格的荷载分析要进行特殊的通风和环境控制求地应力场分析初始地应力测量二次应力场计算通过现场测试或数值模拟方法确定岩体中的初始应力状态分析地下工程开挖对岩体应力场的影响，计算二次应力场初始地应力测量水压致裂法1利用高压水压裂岩体，测量岩体的弹性参数和初始应力声波法2利用声波在岩体中的传播速度，测量岩体的弹性参数和初始应力应力解除法3通过开挖或切削岩体，测量岩体中的应力解除量二次应力场计算弹性理论基于岩石的弹性力学理论，计算岩体的二次应力场塑性理论考虑岩石的塑性变形，计算岩体的二次应力场数值模拟利用有限元或离散元软件模拟岩体的变形，计算岩体的二次应力场围岩压力理论主动压力被动压力当岩体向工程开挖面移动时，作用在工程开挖面上的压力当工程开挖面阻止岩体移动时，岩体反作用于工程开挖面的压力围岩变形机理弹性变形塑性变形开挖后，岩体发生弹性变形，当应力超过岩石的屈服极限后应力集中在开挖面附近，岩体发生塑性变形，产生塑性区破坏当应力超过岩石的强度极限后，岩体发生破坏，产生塌方、涌水等灾害围岩失稳模式塌方涌水岩爆岩体沿节理面或裂隙面发生滑动，造成地下水通过节理或裂隙涌入工程开挖面高应力岩体在开挖后，突然释放能量，工程开挖面的坍塌，造成安全事故造成岩石破碎飞溅的现象支护体系设计目的1为了保证地下工程的施工安全和长期稳定性原则2支护体系的设计要与岩体质量、地应力、开挖方法等因素相匹配类型3常见的支护类型包括锚杆支护、喷射混凝土支护、衬砌结构等锚杆支护原理力学原理应用范围利用锚杆将围岩与支护结构连接起来，形成一个整体，提适用于各种地下工程的围岩支护，特别适用于节理发育、高围岩的稳定性岩体破碎的区域喷射混凝土支护作用原理应用范围利用高压喷射混凝土，快速形成一个薄壳，增强围岩的强度适用于各种地下工程的围岩支护，特别适用于软弱破碎岩体和稳定性的支护衬砌结构设计作用原理利用钢筋混凝土或其他材料，在围岩外侧建造一个坚固的衬砌结构，增强围岩的稳定性应用范围适用于各种地下工程的围岩支护，特别适用于大型地下洞室和高荷载隧道的支护稳定性分析方法极限平衡法有限元分析法离散元分析法基于静力平衡原理，将岩体划分成有限个将岩体离散成多个粒分析围岩的稳定性单元，分析围岩的力子，分析围岩的力学学行为行为极限平衡法适用范围1适用于简单的围岩稳定性分析，如滑坡、崩塌等优点2计算简单，易于操作缺点3精度有限，不能反映复杂的力学行为有限元分析法适用范围适用于各种地下工程的围岩稳定性分析优点精度较高，能够反映复杂的力学行为缺点计算量较大，需要专业软件和人员进行操作离散元分析法适用范围优点缺点适用于岩体破碎、节理发育的区域的能够模拟岩体的断裂、破碎和滑动等计算量较大，需要专业软件和人员进围岩稳定性分析现象行操作数值模拟技术有限元软件ANSYS、ABAQUS、ADINA等离散元软件UDEC、PFC等工程监测方案位移监测应力监测地下水监测监测围岩的变形和位监测围岩中的应力变监测地下水的变化移化位移监测技术水准测量1利用水准仪测量围岩的垂直位移全站仪测量2利用全站仪测量围岩的水平位移倾斜仪测量3利用倾斜仪测量围岩的倾斜变化应力监测方法应力解除法通过开挖或切削岩体，测量岩体中的应力解除量应变片法在围岩上安装应变片，测量岩体的应变变化应力计法利用应力计测量岩体中的应力变化地下水监测水位监测水质监测监测地下水位的变化，判断地下水的流动方向和水量变化监测地下水的水质变化，判断地下水的污染程度长期稳定性评估监测数据分析数值模拟预测对长期监测数据进行分析，评利用数值模拟软件预测围岩的估围岩的稳定性变化趋势长期稳定性变化专家评估组织专家对围岩的稳定性进行综合评估风化作用影响物理风化化学风化生物风化岩石在温度变化、冰岩石在水、氧气、二岩石在生物的作用下冻融化等物理作用下氧化碳等化学物质的发生的破碎和分解现发生的破碎现象作用下发生的分解现象象地下水影响分析水压力1地下水压力会增加围岩的应力，降低围岩的稳定性溶蚀作用2地下水会溶蚀岩石，造成围岩的强度下降渗透性3地下水会提高岩体的渗透性，增加涌水风险地震影响评价地震烈度震源距离岩体性质地震烈度越高，对地下工程的影响越震源距离越近，对地下工程的影响越岩体质量越好，抗震能力越强大大工程案例分析隧道工程实例地下电站实例某高速公路隧道工程，采用锚杆支护和喷射混凝土支护，有某地下电站工程，采用衬砌结构和排水系统，有效控制了地效控制了围岩的变形和失稳下水的渗漏和围岩的变形隧道工程实例工程背景工程措施工程效果某高速公路隧道工程，穿越复杂的采用锚杆支护、喷射混凝土支护和该隧道工程顺利完工，并投入使用地质条件，存在节理发育、岩体破衬砌结构，有效控制了围岩的变形，取得了良好的工程效果碎等问题和失稳地下电站实例地下洞室地下水地震地下洞室开挖尺寸大，对支护结构和安地下水渗漏是地下电站工程面临的主要地下电站工程位于地震活动区，需要进全措施提出更高的要求挑战之一行地震影响评价地下储库实例工程背景1某大型地下储库工程，用于储存战略物资，需要满足长期稳定性要求工程措施2采用衬砌结构和排水系统，有效控制了地下水的渗漏和围岩的变形工程效果3该地下储库工程顺利完工，并投入使用，取得了良好的工程效果。