新编-岩体工程与岩体力学-精品课件.ppt
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1、岩体工程与岩体力学 工程地质与岩体力学的关系工程地质:现象、原因、面岩体力学:力学、工程效应、点岩体工程:运用岩体力学,解决岩体工程问题 岩体结构不同的岩体结构类型与其对应的破坏模式整体状结构块状结构层状结构碎裂状结构散体状结构 岩块力学特征吸水性抗冻性渗透系数不等于岩体的渗透性岩石热学性质深埋岩体工程变形模量弹性模量单轴饱和抗压强度如何看待抗拉强度剪切强度与抗剪断强度 岩体结构面结构面的规模结构面产状(走向、倾向、倾角)结构面的连通率结构面密度 现场量测方法结构面的隙宽(张开度)Kn,Ks结构面强度 JRC JRS 巴顿公式 岩体质量的确定现场试验获取岩体变形模量与剪切强度方法Heok-Br
2、ownHeok-Brown强度准则强度准则现场渗透系数量测RQD、Q、RMR岩体质量分类(国外)工程岩体分级标准 地应力高地应力集中存在的常见地形特征地应力的量测方法地应力的量测方法地应力在数值分析中表达与估算5.2.1 研究围岩稳定性的意义 围岩的稳定性:隧道开挖后,在不支护条件下围岩的稳定性。问题:什么是隧道工程的头等大事?研究围岩的稳定性,如何促使围岩稳定。5.2 围岩的稳定性围岩级别的工程作用:判断围岩稳定性。判断施工难易程度,投资依据。结构分析计算的依据 地质因素客观因素 人为因素主观因素、工程因素5.2.2 影响围岩稳定性的因素1、地质因素 从5个方面来分析:岩体结构特征 结构面性
3、质和空间的组合 岩石的力学性质 地下水的影响 围岩的初始应力状态岩体结构特征 指岩体的破碎程度或完整状态。破碎程度:裂隙率、裂隙间距。裂隙是广义的:包括层理、节理、断裂及夹层等结构面。完整状态:整块状、大块状等。按这2个指标有下图:围岩岩体整体块d1.0cm 大块体 d=0.4-1.0cm 块石状d=0.2-0.4cm碎石块 d0.750.750.550.550.350.350.15 0.90.75 R 0.90.5 R 0.750.25 R 0.5R 30 硬岩 5 Rb30 软岩 Rb 5 极软岩 围岩完整程度 指标1:结构面发育程度 指标2:地质构造影响程度 由此两指标,将岩体完整程度分
4、为5个级别,见下表:完整程度结构面发育程度地质构造影响程度完整不发育轻微较完整较发育、不发育较重、轻微较破碎发育、较发育严重破碎极发育、发育极严重、严重极破碎极发育极严重等级地质构造作用特征轻微围岩地质构造变动小,无断裂(层);层状岩体一般呈单斜构造;节理不发育较重围岩地质构造变动较大;位于断裂(层)或褶曲轴的邻近地段;可有小断层,节理较发育严重围岩地质构造变动较强烈,位于褶曲轴部或断裂影响带内;软岩多见扭曲及拖拉现象;节理发育很严重位于断裂(层)破碎带内;节理很发育;岩体呈碎石、角砾状,有的呈粉末泥土状等级地质构造作用特征节理不发育 节理(裂隙)1-2组,规则,为原生型或构造型,多数的间距在
5、1.0m以上,为密闭型。岩体被切割成块状节理较发育 节理(裂隙)2-3组,呈x型,较规则,以构造型为主,多数的间距大于0.4m,多为密闭。部分微张开,少有填充物。岩体被切割成大块状节理发育 节理(裂隙)3组以上,不规则,呈x型或米字型,以构造型或风化型为主,多数间距小于0.4m,大部分微张开,部分张开,大部分为粘性土填充。岩体被切割成块、碎石状节理很发育 节理(裂隙)3组以上,杂乱,以构造型或风化型为主,多数间距小于0.2m,微张开或张开,部分为粘土充填。岩体被切割成碎石状围岩节理(裂隙)发育程度划分 特点 给出了单线隧道围岩开挖后的稳定状态。尚未考虑地下水和地应力。地下水状态的分级表级别级别
6、状态状态渗水量渗水量L/(minL/(min10m)10m)干燥或湿润干燥或湿润1010偶有渗水偶有渗水10251025经常渗水经常渗水2512525125 围岩基本分类围岩基本分类 地下水状态分级地下水状态分级 初始地 应力状态主 要 现 象评估基准(Rc/max)极高应力1.硬质岩:开挖过程中时有岩爆发生,有岩块弹出,洞壁岩体发生剥离,新生裂缝多,成洞性差1,土坡稳定;350.132结合一般35270.130.093结合差27180.090.05软弱结构面4结合很差18120.050.025结合极差(泥化层)根据地区经验确定结构面抗剪强度指标标准值注:1、无经验时取表中的低值 2、极软岩、
7、软岩取表中的较低值 3、岩体结构面连通性差取表中的高值 4、岩体结构面浸水时取表中较低值 5、临时性边坡可取表中的高值 6、表中数值已考虑结构面的时间效应结合程度结构面特征结合好张开度小于1mm,结合良好,无填充;张开度13mm,硅质或铁质胶结结合一般张开度13mm,钙质胶结;张开度大于3mm,表面粗糙,钙质胶结;结合差张开度13mm,表面平直,无胶结;张开度大于3mm,岩屑充填或岩屑夹泥质充填;结合很差、结合极差(泥化层)表面平直光滑、无胶结;泥质充填或泥夹岩屑充填,充填物厚度大于起伏差;分布连续的泥化夹层;未胶结的或强风化的小型断层破碎带;结构面的结合程度边坡岩体特性内摩擦角的折减系数裂隙
8、不发育0.900.95裂隙较发育0.850.90裂隙发育0.800.85破裂结构0.750.80边坡岩体内摩擦角折减系数边坡岩体类型等效内摩擦角()70706060505035边坡岩体等效内摩擦角标准值注:1、边坡高度较大时宜取低值,反之取高值,坚硬岩、较硬岩、较软岩 和完整性好的岩体取高值,软岩、极软岩和完整性差的岩体取低值 2、临时性边坡取表中高值 3、表中数值已考虑时间效应和工作条件等因素土坡稳定性分析方法n条分法思路两个极限平衡状态滑裂面坡体内部土条底部有效法向反力 n个安全系数 1个法向条间力 n-1个切向条间力 n-1个底部合力作用位置 n个条间合力作用位置 n-1个共计5n-2个
9、未知数水平向方程 n个垂直向方程 n个力矩方程 n个共计3n个方程高次超静定问题!假定土条极薄,合力为土条中点共计4n-2个未知数两条可能途径引入土体的应力-应变关系简化假定 减少未知数 增加方程数假定的分类:假定n-1个条间剪应力 毕肖普法 假定条间合力的方向 Spance法、Sarma法、摩根斯坦-普莱斯法 不平衡推力法 假定条间合力作用点位置 简布-普遍条分法 计算方法所满足的平衡条件滑裂面形式计算方式条间力假定整体力矩整体力平衡土条力矩垂直力水平力瑞典圆弧法圆弧直接无简化Bishop圆弧迭代“形同虚设”的假定简布法任意试算迭代*推力线的位置斯宾塞法任意试算迭代*法向条间力与切向条间力的
10、关系的固定关系摩根斯坦任意试算迭代*法向条间力与切向条间力的关系的函数关系Sarma法任意直接地震水平力不平衡推力法任意迭代推力方向条分法各类方法推导一览表n条分法计算的流程与步骤寻找滑裂面确定方法求解安全系数确定最小安全系数与相应滑裂面n条分法计算结果正确评价条分法 条间作用力的考虑对分析结果的作用 条件假定应满足的条件 计算条件与实际工作条件的差距土条界面不违反土体破坏准则土条界面不出现拉应力岩质边坡稳定性分析方法cossintansincosscLWUVFWVsinHZL12wwUZ L212wwVZ当张裂缝位于坡顶面时当张裂缝位于坡面时2211cotcot2WHZ H2211cotco
11、ttan12WHZ H平面滑动岩质边坡稳定性分析楔形滑动岩坡稳定性分析设滑动面1和2的内摩擦角分别 和 ,粘聚力分别为 和 ,其面积分别为 和 ,其倾角分别为 和 ,走向分别为 和 ,棱线的倾角为 ,走向 ,棱线的法线与滑动面之间的夹角分别为 和 ,楔形体重量为 ,两个滑面上的法向反力为 和 。121c2c1A2A1212ss12W1N2N11221122tantansinssNNc Ac AFW211212coscossincoscossinsWN121212coscossincoscossinsWN1111sinsinsinsincoscossss2222sinsinsinsincosco
12、ssss楔形体法岩石基础工程 1概述 2岩石地基工程 3岩石桩基工程 4岩石路基工程 5岩石地基的加固1 1 概述建筑物基础、路基、桥基 岩石地基经常遇到各种不良现象,从而对不良岩基上的建筑物构成直接或潜在的威胁。自然界中的岩体是岩块与各种节理,裂隙及其填充物组成的复合体。2.1 岩基的承载能力 地基承受荷载的能力称为地基承载力。地基岩体的承载力就是指作为地基的岩体受荷后不会因产生破坏而丧失稳定,其变形量亦不会超过容许值时的承载能力。地基承载力分为极限承载力和容许承载力两种。极限承载力是指地基发生强度破坏,致使丧失稳定时的最大承载能力。容许承载力是指地基发生变形破坏,致使其变形量超出容许范围内
13、时的最大承载力。2 岩石地基工程2.2 影响岩基承载能力的因素 岩体强度参数 风化程度 岩体结构 岩体性质 硬岩 软岩 地基破坏的模式2.3 岩基破坏模式p直面滑动p剪切 节理、弱软岩体(滑移体)p冲切 多孔隙岩体p劈裂 应力大p压碎 应力较大p开裂 较均质岩体、坚硬、应力水平较小开裂开裂较均质、较均质、坚硬岩体坚硬岩体应力水平较小应力水平较大应力水平大多孔隙岩体节理、弱软岩体材料压剪破坏模式楔形块体滑动破坏模式p破坏机理已知滑面滑动破坏模式2.4 岩基允许承载力的确定现场试验法材料破坏极限平衡方法楔形体破坏极限平衡方法经验规范法p极限承载力p容许承载力经验规范方法现场试验法地基的沉降计算2.
14、5 岩基中的应力分布 集中力作用下的岩基p半无限体垂直边界上作用一集中力的弹性理论解(布辛涅斯克,1886)42252525253532223sincos(1 2)(1 cos)231(1 2)2()33cos2233cos223cos2(1 2)(1 cossincos)2xzxzrPxPx zrr rzPPzzrPxPxzzrPzPx式中 P垂直于边界岩OZ轴作用的力z从半无限体界面算起的深度x所研究点到OZ轴的距离r所研究点到原点O的距离 在深度z处被角所确定的点的水平径向应力 在深度z处被角所确定的点的水平垂直应力 在垂直平面和水平面上的剪应力 最大主应力(在矢径方向)中间主应力(在水
15、平平面上)最小主应力(在通过矢径的垂直面上)zxxyrtp线荷载作用下岩基内的应力224322sincos2cos2sincos2cos0 xzxzrtPzPzPzPzp 半无限体的表面承受着面荷载 zdpprd dr则按上式得 在圆形均布荷载P作用下,岩基表面以下M点深度z处的垂直压力 。可用布辛涅斯克的解经过积分求得。这时,作用在微面积上的集中力为 5552223cos33coscos222zdpppddArddrzzz253223/20031cos(1cos)121()azprddrppazz 式中 a圆形荷载面的半径a r c t a nazp各向同性、均质、弹性地基岩体中的附加应力
16、垂直荷载情况2 cos00rrpr水平荷载情况2sin00rrQr倾斜荷载情况2 cos00rrRrp层状地基岩体中的附加应力 由于层状岩体为非均质、各向异性介质,因此外荷所引起的附加应力等值线不再为圆形,而是各种不规则形状 p倾斜层状岩体上作用有倾斜荷载R的附加应力 22222cossin(cossin)sincos00rrhXYmrmh(一)材料压剪破坏承载力 极限平衡方法(Goodman)式中:Rc-岩体无侧限抗压强度;qf-岩基承载力 均匀、各向同性不连续岩体的极限承载力约等于岩体的三轴抗压强度232452452214521oommfmomccqtgCtgRtgRN2.6 极限承载力的
17、确定方法基础脚部岩体压碎A-压碎区B-非压碎区非压碎区B岩体强度曲线压碎区A岩体强度曲线无侧限岩体抗压强度Rc岩基承载力qf 基脚下岩体出现楔形滑体,滑移面为平直面、弧面、近似看成平直面,作极限平衡分析(1)基本值设 破坏面由两个互相直交的平面组成;荷载qf的作用范围很长,可为平面应变;承载平面,即qf作用面上,剪力不存在;对每个楔体,采用平均体积力。(2)受力图 基脚岩体剪切破坏(二)楔形体滑动破坏承载力(4)求承载力qfx楔体31tanfc202013(45)(45)1/22tgC tgtgy楔体12fhqtanfc2hY楔体体积力2201(45)(45)1/222frhqtgC tgtg
18、10(4 5)2hb t g由y楔体的几何关系得:将此式和前式的代入上式得20202000.54 5(4 5)1 22(4 5)1 /0.5(4 5)22fqr b t gCt gt gt gr b t g注1:上式的最后一项和前两相比很小,可以忽略。承载力:332r hq402040(45)120.5(45)(45)2tan2fC tgqrbtgqtg注2:当在承载压面附近的表面上还有一个附加压力q时,则在x楔上的 变成:所以,岩基的极限承载力为:上式又可写成:0.5frcqqrbNC NqN注3:若考虑破坏表面的弯曲,x与y块体之间界上承受剪应力,则上式的承载力将会提高。.,rcqNNN式
19、中:称为承载能力系数,均是 的函数,即:604060tan(4 5)125 tan(4 5)2tan(4 5)2rcqNNN注5:对圆形截面注4:当 时,上述方法算出的系数较接近精确解。000 45407(4 5)2cNtg(三)固定滑面极限承载的抗滑稳定性 许多实践证明,对于大多数岩体并承受倾斜荷载的地基来说,地基的破坏往往由于岩基中存在软弱夹层,使地基中一部分的岩体沿着软弱夹层产生水平剪切滑动。例:大坝的基础下存在软弱夹层及一条大断层。当水库充水后,坝基承受倾斜荷载产生了坝基沿AC滑移,或三角形ABC部分的岩体向下游滑移的可能。p 坝基滑动破坏模式的类型滑动面的位置接触面滑动岩体内滑动混合
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