岩体力学与特殊土笔记.docx

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岩体力学与特殊土笔记

岩体力学与特殊土笔记

一、岩石的抗风化指数

用三个指标来表征岩石的抗风化特性：

软化系数、岩石耐崩解指数、岩石的膨胀性。

1、软化系数

饱和单轴抗压强度/干燥状态下的单轴抗压强度的比值。

反映了岩石遇水强度降低的一个参数、该值越小，表示岩石受水的影响越大。

2、耐崩解指数：

两次循环后的的残留烘干质量/岩实验前的烘干质量。

甘布儿认为与岩石成岩的地质年代无明显关系。

与岩石的密度成正比，与岩石的含水量成反比。

3、岩石的膨胀性：

自由膨胀率、侧向约束膨胀率、膨胀压力。

（1）、自由膨胀率：

径向和轴向。

（2）、侧向约束膨胀率：

轴向

（3）、膨胀压力：

保持体积不变所增加的压力。

二、岩石的其他特性

岩石的抗冻性：

冻融后的饱和强度/冻融前的饱和抗压强度。

产生原因：

各矿物的膨胀系数的不同，水在0摄氏度下结冰，体积增加。

三、岩石的强度特性。

单轴抗压、抗拉、剪切、三轴压缩。

（一）、岩石的单轴抗压

1、实验要求：

加压速度，0.5-1mpa/s；直径4.8-5.4cm；高度是直径的2-2.5倍。

不平整度不大于0.05mm。

高度误差0.3mm；角度误差0.25°。

2、破坏状态：

（1）、圆锥破坏：

摩擦力，和压板接触的地方为压力，其余地方为拉力。

（2）、柱状劈裂破坏：

消除摩擦，反映岩石本身的破坏形式。

3、影响因数：

（1）、承压板的摩擦力。

承压板刚度：

刚度大为山型；刚度小为抛物线型。

（2）、岩石的形状和尺寸：

方型容易产生应力集中。

采用圆形。

（3）、加载速率：

最好是控制岩石的变形速率。

（二）、岩石的抗拉强度

1、实验方法：

直接拉伸法：

夹具粘结力和轴心力。

实验难度大。

抗弯法：

三点或四点加载。

劈裂法（巴西法）：

间接，有理论依据。

点荷载实验法：

15个试样。

（三）、岩石的抗剪强度

抗剪断试验；抗切试验；弱面抗剪切试验。

（四）、岩石的三轴压缩试验

低围压：

劈裂破坏。

高围压：

塑性流动破坏。

三轴压缩试验的影响因数：

侧向压力的压力：

一般是围压增大，最大主应力也增大的意思。

大理石是随着围压的增大，主应力也减少。

试件的尺寸与加载速率；加载路径对强度的基本无影响；孔隙压力对岩石的影响较大。

三、岩石的变形特征

（一）、曲线

1、OA段，压密，上凹阶段。

孔隙外力作用。

2、AB段：

弹性阶段，是直线阶段；弹性模量和泊松比。

斜率：

平均模量；初始模量：

在原点的切线模量；切线模量：

任意一点的模量；割线模量：

任意一点到坐标原点的模量；割线模量E50，是最大模量岩石峰值模量的一半。

3、BC阶段：

塑性阶段：

下凹曲线；

4、应变曲线的类型：

产生原因：

成岩条件；矿物成分；胶结物质；后期所经历的地质作用。

（二）、曲线类型

直线型曲线：

弹性；脆性；很坚硬的岩石：

石英岩，玄武岩。

下凹型曲线：

弹塑性，石灰岩和粉砂岩，明显的塑性变形。

上凹性曲线：

较大的孔隙，但是岩石比较坚硬；片麻岩。

S型曲线：

塑弹塑性。

大理岩。

（三）、变形特性

1、σ2=σ3的变形

（1）、随围压的增加，岩石的屈服应力也增大。

（2）、岩石的弹性模量也增大，围压增大，有增大的趋势。

（3）、围压的增大，峰值所对应的变形有所增大，体现出低围压的脆性向高围压的塑性转变。

2、σ2≠σ3的变形

σ3为常数，在不同的σ2作用下，岩石的变形特点：

（1）随着σ2的增大，岩石的屈服应力有所增大。

（2）弹性模量不受σ2的控制。

（3）随着σ2的增大，岩石由塑性往脆性变化。

σ2为常数，在不同的σ3作用下，岩石的变形特点：

（1）、岩石的屈服应力不变；

（2）、岩石的弹性模量不变；

（3）、始终保持作塑性破坏。

（四）、岩石的流变特性

岩石的蠕变；岩石的应力松弛；岩石的长期强度。

（一）、岩石的蠕变

1、AB段：

瞬时蠕变。

曲线为下凹型；逐渐向直线型过度，随着时间的推迟，应变全部恢复，称为弹性后效。

2、BC阶段：

稳定蠕变阶段，直线变化，和粘滞系数有关，弹性变形不能全部恢复。

3、C点以后阶段：

为非稳态蠕变，变形加剧，上凹，短暂时间后试件将破坏。

岩石蠕变的影响因数：

1、应力水平：

小应力只有一、二阶段；中等应力（0.6-0.9）才是产生蠕变。

2、温度：

高温的应变量和斜率都比低温下的应变量低得多。

3、湿度：

饱和状态的应变速率和总应变量大大大于干燥的情况。

四、岩石的强度理论

（一）、摩尔强度理论

1、计算公式：

2、优点：

使用方便，物理意义明确；缺点：

不能解释岩石的破坏机理；忽略了中间应力的影响；（15%）。

（二）格里菲斯强度理论判据

从理论上解释了岩石内部的裂纹拓展现象，并能较正确的说明岩石的破坏机理。

1、格里菲斯强度理论的基本思想：

（1）、脆性材料内部有很多椭圆裂纹，尖端产生内力集中。

（2）、根据理论依据，随着外力的增大，裂纹随着与最大拉应力成直角的的方向发展，单轴压力下尖端附近。

（3）、能量：

2、格里菲斯强度判据：

最有利于破裂的角度：

3、在σ1-σ3坐标轴下强度判据的表现形式。

岩石的单轴抗压强度是抗拉强度的8倍。

五、工程岩体分类

（一）、工程岩土分类的目的

工程岩体分类：

根据地质勘查和少量的岩体力学的试验结果，确定一个区分岩体质量好坏的规律，将岩体分为若干等级，对岩体的质量实施评价，确定对岩体稳定系的影响。

工程岩体分类：

达到经济、安全、合理。

为工程勘察、设计、施工和编制定额提供依据。

（二）、工程岩体分类的原则

1、工程岩体的分类应该与该工程的性质，与使用对象联系在一起。

2、采用定量参数；

3、分类数量合适，4-6级。

4、分类方法步骤简单、合理；参数便于记忆。

5、考虑因素独立：

岩体的性质（结构面和岩块）；风化程度；水的影响；岩体的各类力学参数；工程规模和条件。

（三）、我国的岩体分类标准

1、定性和定量

（1）、定量的确定岩体的基本质量

岩石的坚硬程度的划分：

Rc大于60，属于坚硬；60-30属于较坚硬岩；30-15较软；15-5软；5极软。

完整程度的划分：

Kv=岩体纵波速度2/岩石弹性纵波速度2.

岩体完整程度的划分：

Kv大于0.75属于完整；0.75-0.55较完整；0.55-0.35较破碎；0.35-0.15破碎；

小于0.15极破碎。

2、工程岩体基本质量分级的确定

BQ大于550，属于Ⅰ级；451-550Ⅱ级；450-351Ⅲ级；350-251Ⅳ级；小于250属于Ⅴ级。

3、岩体修正因数：

地下水影响；主要软弱结构面产状影响；初始应力状态影响。

4、岩体自稳能力的确定

适用于跨度小于等于20米的项目；

小塌方，塌方高度小于3米，体积小于30立方米；

中塌方，塌方高度为3-6米，体积为30-100立方米；

大塌方，塌方高度为大于米，体积大于100立方米；

Ⅰ，跨度小于20米可长期稳定

Ⅱ，10-20米可基本稳定，局部小塌方；小于10米，无塌方。

Ⅲ，10-20米可短时间稳定，小至中塌方；5-10米数月稳定，小至中塌方。

小于5米稳定。

Ⅳ，跨度大于5米，无自稳能力。

小于5米，可稳定数月。

Ⅴ，无自稳能力。

六、岩体的初始应力状态

1、岩体自重应力场

岩体其余两个方向的变形为0.即不会产生横向变形。

；

泊松比为0.2-0.3，水平应力为垂直应力的25%~43%。

岩体处于潜塑性状态或塑性状态时，泊松比接近0.5.（海姆假说）。

2、岩体的构造应力场

构造应力场：

褶皱、断层和构造节理。

3、影响因数

（1）、地形：

山峰处岩体初始应力低。

而沟谷处初始应力高。

（2）、构造地质：

背斜褶曲，两翼自重应力大，中部自重应力低。

背斜褶曲，两翼自重应力小，中部自重应力大。

（3）、岩体力学性质：

坚硬而完整的岩体内部可以积聚大量应变能。

（4）、水：

静止水压力减轻了岩体的重量；岩体地下水的升降可以引起岩体重量的减少和增加。

（5）、温度：

岩体由于受力膨胀，岩体中增加热效应。

温度梯度：

3摄氏度/100米；膨胀系数10-5；弹性模量104mpa。

岩体的温度应力是压缩应力，并随温度的增加而增加。

温度应力约为自重应力的1/9左右。

且呈静水压力状态。

4、岩体应力场的分部规律

（1）、岩体应力场是时间和空间的函数；初始应力在绝大部分地区是以水平应力为主的三向不等压应力场。

（2）、实测垂直应力：

基本等于竖向岩体的重量。

（3）、水平应力普遍大于垂直应力，0.5-5.5，一般比值大于2.

（4）、平均水平应力与垂直应力的比值随深度的增加而减少。

（5）、水平应力随深度成线性增长关系。

（6）、两个主应力一般比值较大：

最小水平应力/最大水平应力为0.2-0.8.。

大部分为0.4-0.8.

5、岩体初始应力状态的测量方法

岩石初始应力的测量方法为：

应力恢复法；应力解除法；应变恢复法；应变解除法；水压致裂法；声发射法；X射线法；重力法。

主要采用：

水压致裂法；应力解除法（包括孔底应力解除法、孔壁应变法和孔径变形法）、应力解除法和声波发射法。

水压致裂法：

新方法，深度可达5000米；不需要取岩芯，也不需要精密的电子仪器，测试方法简单，孔壁受力范围广，避免了受力不均匀的影响。

测试精度不高，仅用于区域内应力场的估算。

在相同条件下与使用应力解除法相比，水压致裂法的结果是可靠的。

水压致裂发适用于完整的脆性岩体。

七、土的组成和物理性质

（一）、土的固相

1、土的矿物成分：

分为原生矿物和次生矿物；

原生矿物：

岩浆岩在凝结的过程中所形成的矿物，石英、长石、云母。

次生矿物：

原生矿物经风化作用形成的新矿物。

如次生sio2；粘土矿物及碳酸盐。

2、土的粒度成分

（1）、土粒的大小称为粒度：

0.075mm分界为砂粒和粉粒的分界。

（2）、两个系数：

不均匀系数：

曲率系数：

Cu小于5的土称为匀粒土，级配不良；越大表示粒组分部范围比较广，大于10表示级配良好，但是若过大，可能缺失中间粒径，属不连续级配。

（3）、粒度成分的测定方法：

对于粗粒土，必须用筛分法，对于细粒土（小于0.075mm），用沉降分析法。

（二）、土的液相

土中水称为结合水和自由水。

结合水：

土粒表面水膜中的水，受到表面引力的控制，不符合静力学规律，冰点低于0摄氏度。

可分为强结合水和弱结合水。

强结合水，密度大于1，有过冷现象，即温度降低到0摄氏度以下，不发生冻结。

距离比较远的地方，弱结合水。

不能传递静水压力。

自由水包括：

毛细水和自由水。

毛细水受重力和表面张力的共同作用。

这种毛细水对公路的潮湿受较大影响，重力水在土中产生重大渗流，对于土颗粒和结构物都有浮力作用。

在土力学计算中应该考虑这种渗流及浮力作用。

（三）、土的气相

（四）、土的结构

土的结构称为单粒结构、蜂窝状结构、絮状结构。

单粒结构：

碎石土和沙土的特征。

蜂窝状结构：

是以粉粒土为主的土的结构特征；0.005-0.075的土粒。

絮状结构：

黏土颗粒特有的特征。

（五）、土的界限含水量

1、塑限用搓条法测量。

2、塑性指数：

3、液性指数：

小于0为坚硬；0-0.25硬塑；0.25-0.75可塑；0.75-1软塑；大于1.0流塑。

（六）、砂土的密实度

1、计算公式：

2、划分：

大于0.67密实；小于0.33属于松散；0.33-0.67属于中密。

（七）、土的压实原理

1、土的压实与含水量的关系

土的干密度是反应土的密实度的密实度的重要指标；

2、土的最优含水率

含水量使土的干密度达到最大值，产生最大的击实效果，用wop表示，最优含水量得到的干密度称为填土的最大干密度。

用塑限间接测定。

八、土的工程分类

1、岩石

（1）、成因：

岩浆岩、沉积岩和变质岩。

（2）、根据岩石的饱和单轴抗压强度，硬质岩（大于等于30mpa）和软质岩。

（3）、根据风化程度分为：

微风化、中等风化和强风化。

（4）、软化系数：

KR小于0.75为软化岩石，大于0.75为不软化岩石。

2、碎石土

（1）、粒径超过2mm的颗粒超过50%的土。

（2）、碎石土的密实度用定性的方法由野外描述确定。

卵石的密实度可按超重型动力触探的锤击数表示。

九、土的压缩性与地基沉降

1、

2、压缩系数：

小于0.1属于低压缩性土；0.1-0.5属于中压缩性土；大于0.5属于高压缩性土。

3、压缩模量：

4、计算沉降：

5、

6、压缩指数：

Cc，底压缩性土，一般小于0.2，高压缩性土，一般大于0.4.

7、回弹指数：

Ce，一般为回弹指数的0.1-0.2。

8、弹性模量：

正应力与弹性正应变的比值。

在计算饱和软粘土地基的瞬时加载的瞬时沉降量，一般采用弹性模量。

9、变形模量：

现场试验求得。

S下沉量；土的泊松比：

砂土0.2-0.25；粘土：

0.25-0.45.

沉降影响系数：

刚性方板：

0.88；园板：

0.79.

10、关于三种模量的讨论

（1）、压缩模量Es：

是土在完全侧限条件下，正应力与正应变的比值；该计算将用于地基最终沉降量的分层总和法的计算。

（2）、变形模量Eo：

是土在侧向自由膨胀情况下，正应力与正应变的比值，该参数法将用于弹性理论的计算。

（3）、弹性模量Ei：

通过力法或动力法测定；通常用于弹性理论估算建筑物的初始瞬时沉降。

土的压缩模量和变形模量的关系：

11、土的变形计算深度

取附加压力为自重应力的0.2；若有高压缩性土，则地基附加应力等于自重应力的0.1.计算。

12、土的固结计算的两个参数

单面排水取1H;双面排水取0.5H.

十、土的抗剪强度

1、土的抗剪强度表达式：

；

2、土的一点的应力状态：

3、土中应力与土的平衡状态

（1）、应力圆与切线相离，表示土体稳定。

（2）、应力圆与切线相切，表示土体极限平衡。

（3）、应力圆与切线相交，表示土体破坏（实际该情况不存在）。

4、土的极限平衡条件：

即破裂面与主应力的作用面成（45+

）

5、土的极限平衡理论及其应用：

（1）、

或

。

土体处于稳定平衡状态。

（2）、

或

。

土体处于极限平衡状态。

（3）、

或

。

土体中改点处于破坏状态。

6、土的抗剪强度指标的试验方法

（1）、直剪试验：

应变控制式、应力控制式。

快剪：

渗透系数小于10-6的，不排水剪切，得到的抗剪强度指标用

表示。

固结快剪：

只适用于渗透系数小于10-6的，不排水剪切，得到的抗剪强度指标用

表示。

慢剪：

得到的抗剪强度指标用

表示。

直剪试验的优缺点：

1、剪切面限定在上下盒之间，而不是沿土样最薄弱的环节。

2、剪切面上剪应力分部不均匀，且竖向荷载会发生偏转。

3、在剪切过程中，截面积慢慢变小，但是在计算的时候，仍按原来面积计算。

4、试验时，不能严格控制排水条件，并且不能量测孔隙水压力。

5、上下盒的孔隙中易嵌入砂粒。

使试验结果偏大。

（2）、三轴压缩试验

不固结不排水（UU）：

表示

固结不排水（CU）：

固结排水（CD）：

十一、特殊性土

（一）、软土

软土是指分部于沿海的滨海相、三角洲相、弱谷相、和内陆平原的河流相、湖泊相、沼泽相等主要由细粒土组成的孔隙比大、天然含水率高、压缩性高和强度低的土层。

当土的有机质含量大于5%的土，称为有机质土。

大于60%的称为泥炭土。

（二）、黄土

第四纪形成的。

以黄色为主，有灰黄、褐黄等。

含有大量粉粒。

含量大约在55%以上。

具有肉眼可见的大孔隙。

孔隙比在1.0左右。

富含碳酸盐类。

无层理，垂直节理发育，具有湿显性和易容性、易冲刷性。

黄土的湿险的机理：

就是黄土在浸湿后在外荷载或自重的作用下发生下沉的现象，湿陷性黄土分为自重湿陷性黄土和非自重湿显性黄土。

黄土中胶结物的含量和成分以及颗粒的组成和分部，对黄土的结构特点和湿显性的强弱有着重要的影响。

10m以内的土层采用200KPA，10m以下的土层采用300KPA,在这个压力作用下，湿显性系数小于0.015属于非湿显性黄土，大于等于0.015属于湿显性黄土。

进一步分类：

小于0.03为弱失陷；0.03-0.07为中等；大于0.07属于强失陷。

黄土失陷的工程措施。

（地基处理：

消除产生湿显性的内在因素（垫层法；夯实法；挤密法；桩基；预浸水法；单液硅化法或碱液加固法）。

防水和排水措施（场地防水、单体建筑物的防水、施工阶段防水）。

结构措施（加强建筑物的整体性和空间刚度；选择适宜的结构和基础形式；加强砌体和构件的整体刚度）。

（三）、膨胀土

膨胀土由强清水性的蒙脱石和伊利石矿物组成。

同时具有吸水膨胀和失水收缩两种性能的粘性土。

1、膨胀土的工程特性：

长缩性、崩解性、多裂隙性、超固结性、风化特性、强度衰减性。

2、对工程造成的危害：

对建筑物的影响（低层建筑，季节性和成群性）；对道路：

横向波浪形，行车冒泥浆。

对边坡：

冲蚀沟深度约为1米；有可能形成泥石流。

3、建筑施工注意事项：

1）、建筑规划措施：

正确选择场地；场地内绿化布置；

2）、结构措施：

设置圈梁、提高砌体强度；采用悬挑结构。

3）、地基处理措施：

有足够的地基强度，增大基底压力；换填土壤；改变基础形式；

4）、消除局部热源和水源的影响。

（四）、红黏土

1、成因及分布：

碳酸盐系裸露的岩石，液限大于50%，在垂直方向的湿度有上部小，下部大。

失水后有较大的收缩性，土中裂隙发育。

主要分布在长江以南。

2、工程特性：

1）、高塑性和高孔隙比；液性在0.5以上；饱和度0.9以上。

2）、土层的不均匀性：

厚度不大；母岩岩溶发育。

3、土体结构的裂隙性。

（五）、盐渍土

盐渍土易容盐含量超过0.3%。

成因主要取源于盐源、迁移和积聚（靠风力和水流完成）这三个方面。

1、盐渍土的地基评价：

溶陷性、盐胀性、腐蚀性。

2、溶陷性：

干燥和稍湿的盐渍土才具备溶陷性。

3、盐胀性：

结晶膨胀（2%）和非结晶膨胀。

4、腐蚀性：

无机盐。

盐渍土施工及防腐措施：

提高建筑材料本身的防腐性能，如选用优质水泥，提高密实度，增大保护层厚度，提高钢筋的防腐能力。

还可以在混凝土或砖石砌体表面做防水涂层和防腐涂料。

重点部位是在接近地面或地下水干湿交替区段。

对预拌混凝土的水和砂石料的含盐量也必须严格控制。

（六）、冻土

凡是温度低于0摄氏度，含有固态冰的土称为冻土。

把冻土分为三类：

瞬时冻土、季节性冻土、多年冻土。

瞬时冻土：

冻结时间小于一个月。

冻结深度从几毫米到几十毫米。

季节性冻土：

冻结时间大于等于一个月。

冻结深度为1~2米。

多年冻土：

冻结时间为三年及三年以上。

多年冻土分部在青藏高原和东北大小安宁。

在东部和西部地区一些高山顶部也有分部。

多年冻土占我国国土面积的20%，占世界冻土的10%。

建筑物基底及融化深度约为3米，根据计算融限量及融限系数分为5级：

Ⅰ、少冰冻土（不融限），一般建筑物可不考虑冻融问题。

Ⅱ、多冰冻土（弱融限），一般直接作为地基。

3米深度内不受影响。

Ⅲ、富冰冻土（中融限），有较大的融限量。

采取专门措施，如深基础，保温，防止基底融化。

Ⅳ、饱冰冻土（强融限），保持冻结原则设计，或采用桩基，架空基础等。

Ⅴ、含土冰层（极融限），作为地基应专门处理。

冻土最容易发生在细粒土中。

（七）、填土

填土分为素填土、杂填土和冲填土。

素填土由碎石、砂或粉土、粘性土等一种或几种材料组成的填土。

杂填土由建筑垃圾、工业废料或生活垃圾等杂物组成。

冲填土有水力充填泥沙形成的填土。

按照年代分为老填土和新填土。

对于黏土以10年为界，对于粉土以5年为界。

十二、边坡稳定分析

1、土坡滑动的机理：

（1）、外界力的作用，破坏了土体内原来的内力平衡状态。

（2）、土的抗剪强度因土的抗剪强度降低而破坏。

2、砂土的土坡稳定分析

砂土坡所能形成的最大坡角就是内摩擦角。

安全系数1.25~1.3.

十三、地基承载力

1、破坏的形式：

整体剪切破坏，局部剪切破坏，冲剪破坏。

整体剪切破坏：

由于土中塑性区域的不断扩大，最后在土中形成一个形成连续滑动面，土从荷载板四周挤出隆起，基础急剧下沉或向一边倾斜。

局部剪切破坏：

随荷载的增加，基础下塑性区仅仅发展到地基某一范围内，土中滑动面并不延伸到地面，基础两侧地面微微隆起。

冲剪破坏：

压缩变形，竖向剪切破坏。

基础的破坏形式主要与土的压缩有关：

密实砂土和坚硬粘土将出现整体剪切破坏。

对于压缩性较大的松砂和软粘土，将出现局部剪切破坏或刺入式剪切破坏。

破坏形式还与基础埋深、加荷速率等因素相关。

若基础埋置较浅、荷载快速施加，将趋向于发生整体剪切破坏；若基础埋深较大，无论是砂土或粘性土地基，最常见的破坏形态是局部剪切破坏。

2、确定地基承载力的方法

试验；临塑荷载；临界荷载；太沙基；斯肯普顿和汉森。

临塑荷载：

压力P作用下，塑性区开展的最大深度，为0时，为临塑荷载；为b/4为临界荷载。

适用条件：

1、计算公式适用于条形基础。

2、自重产生的主应力，假定系数为1，与实际不符。

3、计算临界荷载时，土中出现塑性区，按照弹性理论计算。

有矛盾。

其余公式：

斯肯普顿公式，与实际情况比较接近，安全系数取1.1-1.3.

太沙基安全系数取3.