1、第一章 緒論巖石和巖體都是巖體力學的直接研究對象。但在巖體力學中，這是兩個既有聯系又有 區別的兩個基本概念。所謂巖石就是由礦物或巖屑在地質作用下按一定的規律聚集而形成的自然物體；所謂 巖體則是指在一定的地質條件下，含有諸如節理、裂隙、層理和斷層等地質結構面的復雜地質體。巖石就是指巖塊，在一般情況下，不含有地質結構面。因此，巖石和巖體的力學性質也是不同的，前者可在實驗室條件下進行試驗，而后者 一般在野外現場的實驗場地完成實驗。從實驗的精確度來看，后者更接近巖體的實際情況， 反映了巖體的實際強度，前者則相差甚遠。第二章巖石的基本物理力學性質（一）巖石的基本物理性質這部分內容比較直觀、容易掌握，但要

2、注意各性質指標的定義和歸類，避免引起混淆。 為便于記憶，列出基本物理力學性質的歸類樹，讀者應將對應的公式（或注釋）填充。巖漿巖1巖石（按地質成因）沉積巖變質巖2 巖體=巖石（或巖塊）+結構面天然密度 飽和密度密度r比重干密度(1)質量指標3 巖石的基本物理性質含水性質 滲透性含水量吸水率*-孔隙比孔隙率(2)孔隙性-相關式(3 )水理性質廣軟化系數耐崩解性指數(4)抗風化指標自由膨脹率 < 側向約束膨脹率-膨脹壓力(二)巖石的強度特性1 強度試驗基本內容單向抗壓強度試驗直接法-間接法v單向抗拉強度 圓盤劈裂法 三點彎曲法 點荷載試驗法抗剪斷試驗*抗切試驗抗剪強度"常規三軸1三軸

3、抗壓強度真三軸 122 .單向抗壓強度試驗兩端法線與試件(1) 試件：直徑 D = 50mm 0.3mm ;高 H=(2 2.5)D0.3mm ;軸線偏差不大于0.25°端面不平整度不大于0.5mm。P(2) 單向抗壓強度AP-巖石試件無側限條件下的破壞載荷A-試件承載面積(3) 試件破壞形態-1 )圓柱單向壓縮有兩種可能的破壞形態：圓錐形破壞和圓柱形劈裂破壞(見圖2(a)圓錐形破壞(b)柱狀劈裂破壞圖2 -1單軸壓縮破壞形態破壞原因： 圓錐形破壞形狀是由于試件兩端與試驗機承壓板之間摩擦力增大造成的。 柱狀劈裂破壞，如圖2 -1b所示。若采用有效方法消除巖石試件兩端面的摩擦力，則 試

4、件的破壞形態成為柱狀劈裂破壞。(4) 試件單向抗壓強度的主要影響因素試驗機鐵板的剛度；試件的形狀；試件的尺寸；試件的高徑比；加載速度3. 單向抗拉強度試驗(1) 直接拉伸法對巖石試件直接施加拉力至破壞，抗拉強度為式中：P 試件破壞時承受的最大壓力；(2) 圓盤劈裂法 試件：直徑 D=50mm ，厚度 加載方式見圖2- 22P 巖石抗拉強度 t，其中：DPAA-與拉力垂直的橫截面積。25mm。加工要求同單向拉壓強度試驗P試件劈裂時的最大荷載；其它符號同前P1.承壓板 2試件 3.鋼絲 圖2 -2劈裂試驗加載示意圖(3)點荷載試驗法5cm 試件該試驗方法最大的特點是可利用現場取得的任何從形狀的巖塊

5、，可以是的鉆孔巖芯，也可以是開挖后掉落下的不規則巖塊，不作任何巖樣加工直接進行試驗。 加載與強度換算施加點荷載，點荷載強度指數 I可按下式求得：I P/D2(MPa)式中：P 試件破壞的極限荷載；D 荷載與施加點之間的距離。點荷載強度指數與巖石抗拉強度之間的關系如下：2Rt 0.96P/D要求：15個試件，最終按其平均值求得其強度指數并推算出巖石的抗拉強度。4。抗剪強度試驗這三巖石的抗剪強度有三種：抗剪斷強度、抗切強度和弱面抗剪強度(包括摩擦試驗)種強度試驗的受力條件不同，其示意圖見圖2-3。(7矽初"*加(a) OK試關(b抗切試驗圖2 -3巖石的三種受剪方式示意圖重點應放在室內巖

6、石抗剪切強度的試驗上。(1)室內抗剪試驗試件正六面體50mm 50mm 50mm,加工精度同單向壓縮試件。(2 )加載方式一般用楔行剪切儀，其主要裝置如圖2-4所示。(3)巖石的抗剪斷強度N /F P cos f sin / FQ/ F P sin f cos / F式中：，一剪切面上的正應力和剪應力；F 剪切面面積；一試驗模具的夾角；P-壓力機施加的總壓力；f -圓柱形滾子與上下盤壓板的摩擦系數。圖2 -4巖石抗剪斷試驗(4 )巖石剪切強度曲線的確定用不同的模具進行試驗一般為300至700，分別按上式求出相應的，值，再在坐標上做出其曲線，常巖石的強度曲線，如圖2-5所示，通常把它簡化為直線，

7、并建立如下方程.ta nc式中：tan 巖石的抗剪斷摩擦系數；c巖石的粘結力(內粘聚力)圖2 -5巖體抗剪強度曲線5。巖石的強度準則常用巖石的強度準則有：庫侖準則、Hoek-Brown 準則和格里菲斯準則(1 )庫侖準則 基本思想：該準則認為巖石的破壞屬于壓剪破壞，在破壞面上，剪切破壞力的一部分用來克服與正應力無關的粘結力，使材料顆粒間相脫離；另一部分用來克服與正應力成正比的摩擦力，使面間發生錯動而最終破壞。 庫侖準則的一般表達式c tg式中：|,破壞面上的正應力和剪應力；其它符號同前。 庫侖準則的主應力表示該準則在，坐標上是一條直線，若某點有一個斜面正好處于極限破壞狀態，則該點應力圓與強度直

8、線相切，如圖2-6所示。由圖的三角關系可以得出:圖2 -6庫侖準則的幾何表示整理后，得:2c cos1 sin131 sin1 sin極限破壞角：450 -,為最大主應力與破壞面外法向的夾角；破壞面一般為一對共軛面。（2） Hoek-Brown強度準則Hoek-Brow n 準則是通過統計分析提出的經驗型強度準則，其表達式為:13 V m c 3 c式中：mi -材料常數，回歸系數（可查表求出）。其它符號同前。該準則可用于任何應力條件下的強度驗算。（3）格里菲斯強度準則 基本思想：格里菲斯認為，脆性材料是由于材料內的裂紋張拉、開裂引起的破壞。 格里菲斯強度準則當i 3 3 0時當i 3 3 0

9、時最先破裂的裂紋方向角cos 21。基本內容巖石變形特征普通試驗機中峰值前應力 剛性試驗機中一全過程應力 流變特性（變形與時間有關）常規三軸真三軸（三）巖石的變形特征-應變曲線-應變曲線2。單軸壓縮下巖石的變形特征(1)典型巖石應力-應變全過程曲線巖石應力一應變全過程曲線只有在剛性試驗中才能做出，如圖2-7所示，典型巖石應力-應變全過程曲線一般可以分為5個階段來描述其性質：0A階段，通常被稱為壓密階段。其特征是應力一應變曲線呈上凹型，即應變隨應力 的增大而減小，形成這一特性的主要原因是：存在于巖石內部的微裂隙在外力作用下發生閉 合所致。 AB階段，彈性變形階段。這一階段的應力-應變曲線基本呈直

10、線。 BC階段，塑性變形階段。當應力值超出屈服應力之后，隨著應力的增大曲線呈下凹 狀，明顯的表現出應變增大(軟化)的現象。進入了塑性階段，巖石將產生不可逆的塑性變形。同時1, 3應變速率1, 3將同時增大但最小主應變的應變速率3的增大表現得更明顯。 CD階段，為應變軟化階段。雖然此時已超出了峰值應力，但巖石仍具有一定的承載 能力，而這一承載力將隨著應變的增大而逐漸減小，表現出明顯的軟化現象。 D點以后為摩擦階段。它僅表現了巖石產生宏觀的斷裂面之后，斷裂面的摩擦所具有 的抵抗外力的能力。圖2 -7巖石應力一應變全過程曲線(2 )普通試驗機中巖石的單軸壓縮特性在普通試驗機中，巖石的應力一應變曲線只

11、有全過程應力一應變曲線中的段。這三段也不是在每種巖石中都能出現，不同的巖石有不同的變形特性，其應力一應變曲線可歸納為如下四類：（a）塑彈性（只有圖2-7中的段）；（b）彈塑性（只有段）；（c）彈脆性（只有段）；（d ） 塑彈塑性（段都有）（3 ）單軸壓縮試驗中巖石試件爆裂的原因和防止爆裂的措施。在普通試驗機上，應力-應變曲線達到峰值點時，巖石試件就會爆裂。 其原因主要是試驗機的剛度比巖石試件的剛度小。克服爆裂現象的途徑主要有 ：（a）提高試驗機剛度（剛性試驗機）（b ）改變峰值后的加載方式（c ）通過伺服控制方式控制試件的位移。3。巖石試件三軸壓縮變形特性重點了解常規三軸試驗巖石的變形特性。常

12、規三軸試驗試件的應力一應變曲線隨圍壓增加有如下特點： 彈性階段斜率變化不大，與單軸壓縮基本相同。 屈服應力，強化強度，峰值強度和殘余強度等隨圍壓的增大而增大。 圍壓達到一定值后，出現屈服平臺，表現出塑性流動特性。 達到臨界圍壓后，繼續增加圍壓，也不再出現峰值強度。 剪脹現象隨圍壓的提高逐漸減弱，圍壓越大，體積增加越少。4。巖石的流變特性巖石的流變特性包括三部分：巖石的蠕變，它是指在恒定的壓力作用下應變隨時間的增 長而增長的特性；巖石的應力松弛，它是指巖石加至一定的荷載后，使應變不變應力隨時間的增長而減小的特性； 長期強度，是指應變率為零時的最高應力水平。通常主要研究其蠕變特性。典型的蠕變曲線（

13、如圖2-8所示）可分為三個階段：圖2 -8典型的流變曲線 初始蠕變階段（AB段），在此階段存在瞬時彈性階段和彈性后效等特性。 穩定蠕變階段（BC段），在此階段存在瞬時彈性變形，彈性后效和粘性流動 （永久變形） 加速蠕變階段（C點以后），又稱破壞蠕變階段或非穩定蠕變階段，一般過了C點以后巖石破壞（失穩）不可避免。第五章工程巖體分類（一）分級的目的1. 為巖體的質量做出歸類評價；2. 為工程設計、施工、成本預、結算，定額標準確定等方面提供必要的參數;3. 為巖體力學試驗結果，施工經驗，研究成果的交流提供參考標準（二）分級的原則1. 不同的巖體工程應采用不同的分級方法或采取不同的修正參數，以正確的評

14、價地質條件對各類工程的影響；2. 盡可能采用定性與定量相結合的方法確定分類指標綜合評價巖體質量；3. 分級數不宜過多，一般 5級為宜；4. 分級方法應簡易、快速、便于實際操作；5. 盡可能采用相互獨立因素作為分級的指標；（三）我國工程巖體分級標準際（GB 50218-94）簡介工程巖體分級的基本方法1 .確定巖體基本質量按定性、定量相協調的要求，最終定量確定巖體的堅硬與巖體完整性指數（Kv）。巖石堅硬程度采用巖石單軸飽和抗壓強度（Rc）。當無條件取得 Rc時，亦可實測巖體的點荷載強度指數（ls（50）進行換算，（ls（50）指直徑50mm圓柱形試件徑向加壓時的點荷載強度），Rc 和 1 s（5

15、0） 的換算關系見下式:Rc22.82I0.75 s(50)Rc與定性劃分的巖石堅硬程度的對應關系，見表5-1。>60ffl-30<5saga表5-1Rc與定性劃分的巖石堅硬程度的對應關系巖體完整性指數（Kv）可用彈性波測試方法確定:V2KvmVpr式中 Vpm 巖體彈性縱波速度（km/s）； Vpr 巖石彈性縱波速度（km/s ）。當現場缺乏彈性波測試條件時，可選擇有代表性露頭或開挖面，對不同的工程地質巖組進行節理裂隙統計，根據統計結果計算巖體體積節理數（Jv）（條/m3）;SiS2SnSk式中Sn -第n組節理每米長測線上的條數；Sk -每立方米巖體非成組節理條數。Jv和Kv的

16、對照關系見表5-2,Kv與巖體完整性程度定性劃分的對應關系,見表5 3。 表52Jv與Kv對照表<3l>0.75-0.550,55-0.350,35-0.15<0.15表5 3Kv與定性劃分的巖體完整程度的對應關系2巖體基本質量分級4(XSMLSJ<ais i£ itsi*巖體基本質量指標（BQ）按下式計算：BQ 90 3Rc 250Kv式中：BQ 巖體基本質量指標；Rc 巖體單軸飽和抗壓強度的兆帕數值；Kv -巖體完整性指數值。注意，使用本式時，應遵守下列限制條件：當Rc 90Kv 30時，應以Rc 90Kv 30和Kv代入計算BQ值；當Kv 0.04Rc

17、0.4時，應以Kv 0.04Rc 0.4和 艮代入計算BQ值; 按計算所得的BQ值，與表5-4,進行巖體基本質量分級。表5-4 巖體基本質量分級基本質量級別巖體基本質量的疋性特征巖體的基本質量指標(BQ)I堅硬巖，巖體完整>550n堅硬巖，巖體較完整； 較堅硬巖，巖體完整550451出堅硬巖，巖體較破碎；較堅硬巖或軟硬巖互層，巖體較完整；較軟巖，巖體完整450351IV堅硬巖，巖體破碎；較堅硬巖，巖體較破碎破碎；較軟巖或軟硬巖互層，且以軟巖為主，巖體較完整-較破碎；軟巖，巖體完整-較完整350251V較軟巖，巖體破碎； 軟巖，巖體較破碎-破碎； 全部極軟巖及全部極破碎巖<2503結

18、合工程情況，計算巖體基本質量指標修正值BQ，并仍按表5-4所列的指標值確定本工程的工程巖體級別巖體基本質量指標修正值BQ可按下式計算：BQ BQ 100 K, K2 K3式中：BQ-巖體基本質量指標修正值；BQ -巖體基本質量指標；K,-地下水影響修正系數；K2 -主要軟弱結構面產狀影響修正系數；K3 -初始應力狀態影響修正系數。K, K2, K3值，可分別按表5-5、表5 6、表5 7確定。無表中所列情況時，修 正系數取零。BQ出現負值時，應按特殊問題處理。7".堆下水岀冰狀車>450450-351350251£250期綁就點序歡出水(Ja j0.2-山3稀網狀吭腐

19、覆就出水.水壓小于魯于心咽視0Ja-o.s0+77 9丼甬狀或麗匿壯出水i水壓大于0亦 歡單世 出嵐大于 lUL/(twihui)0.59.7-Q,9L.O表5-5 地下水影響修正系數Ki表5 - 6主要軟弱結構面產狀影響修正系數K2<5墻止力狀瘵理450-351350-251<2501.0I.O-L5L0-1.51,0音盍力區0.50.50.5-1-00.5-L0表5 7 初始應力狀態影響修正系數K 3第六章巖體初始應力狀態（一）基本概念1. 巖體的初始應力是指在天然狀態下存在巖體內的應力（又稱地應力）；2. 巖體初始應力主要由自重應力和構造應力組成；3. 影響巖體初始應力狀態主

20、要因素：自重、地質構造、地形、地震力、水壓力、熱應力（二）巖體自重應力計算目前只有由巖體自重引起的初應力場能夠直接計算。自重應力的計算公式為:K20.40.600.20.20.4垂直應力：ZnH1 111i 1水平應力：xyz式中:i上覆巖層，第i層巖體的容重，i= 1, 2, 3;Hi上覆巖層，第I層巖體的厚度，I 1 , 2, 3；側應力系數，不同的理論得到不同的計算公式。常見到的計算公式有如下三種:(1 )線彈性理論公式，其中 為巖石的泊松比1(2) 松散介質極限平衡理論公式為巖石內摩擦角，這里認為巖體的內粘聚力1 Sln ，其中1 sin如果內粘聚力C0,則水平應力應用如下公式計算1

21、sin2C cosxyz 1 sin1 sin(3)海姆假設系數1這相當于彈性理論公式中的0.5，所以又稱之為潛塑性狀態下的巖體初始應力。從以上計算公式可見，由自重引起的初始應力，其中的側壓力系數1，只有當巖體受地質構造作用時，才有可能大于1。如巖體除自重之外，還受地質構造為主的其它因素綜合作用，其初始應力狀態只能由實測來確定。(三) 巖體初始應力狀態的主要分布規律1. 垂直初始應力Brown和Hoek(1978)匯集了世界范圍內的原巖應力實測資料后認為，垂直原巖應力隨深度h增加呈線性增大(如圖6-1所示)，在25至2700m深度范圍內，巖體的平均密度為 0.027MN/m3。圖6-1巖體垂直

22、初始應力隨深度的變化2. 側壓力系數根據國內外資料統計，水平應力多數大于垂直應力。最大水平應力與實測垂直應力的比值（側壓力系數 ）一般為0.5至5.5，大部分在0.8至1.2之間。最大值達到了30或更大。我國實測資料表明，該值在0.8至3.0之間，而大部分為 0.8至1.2。布朗和霍克根據全球資料的統計結果，其中側壓力系數的變化范圍為:上限:1500Z0.5 ；下限:100Z0.33. 兩個水平應力之間的關系兩個水平應力x和y，般比值為y / x 0.2 0.8，而大多數為0.40.7。（四）巖體初始應力測量方法簡介巖體應力測量可以在鉆孔中露頭上和地下洞室的巖壁上進行， 也可以由地下工程的位移

23、 反算求得。在開挖干擾范圍之外測得的巖體應力是原巖應力場， 在開挖范圍之內測得的巖體 應力是二次應力場。目前已經形成了許多原巖應力測量方法， 但通常應用較多的是應力解除 法和水壓致裂法。1. 水壓致裂法（1 ）方法原理及技術水壓致裂法的基本點是通過液壓泵向鉆孔內擬定測量深度處加液壓將孔壁壓裂，測定壓裂過程的各特征點壓力及開裂方位，然后根據測得的壓裂過程中泵壓表頭讀數，計算測點附近巖體中地應力大小和方向。壓裂點上、下用止水封隔器密封，其結構如圖18-10所示。水壓致裂過程中泵壓變化及其特征壓力示于圖6-2。圖6-2壓裂過程中泵壓變化及特征壓力圖6-3水壓致裂法示意圖圖6-3中，各特征壓力的物理意

24、義注釋如下： P0 巖體內孔隙水壓或地下水壓力； Pb 注入鉆孔內液壓將孔壁壓裂的初始壓裂壓力； Ps 液體進入巖體內連續地將巖體劈裂的液壓，稱為穩定開裂壓力； Pso -關泵后壓力表上保持的壓力，稱為關閉壓力。如果圍巖滲透性大，該壓力將逐 漸衰減； Pb0-停泵后重新開泵將裂縫壓開的壓力，稱為開啟壓力。(2) 基本理論和計算公式1h2hPb0垂直地應力：zh水平應力兩個:(3) 地應力的方向及大小排序水力致裂法的缺點是主應力方向難以確定。在上式的基礎上，可以通過分析的方法來初步解決。一般來講z h,作為地主應力之一。我們可以將z與 1h及2h作比較，若1h，則可以肯定此時2h即為最小地主應力

25、；進一步將1h與z作比較，也就是可以依次確定地應力的三個地主應力。因為開裂點方位或開裂裂縫方向可以確定2h的方向或1h的方向，所以三個地主應力的方位也可以相應確定。 如果 2h h，并且孔壁開裂后孔內巖體出現水平裂縫，則此時zh為最小地主應力，2h與1h各為中間地主應力及最大地主應力，垂直開裂方向即為最大地主應力方向。（4）水壓致裂法的特點 設備簡單。只需用普通鉆探方法打鉆孔，用雙止水裝置密封，用液壓泵通過壓裂裝置壓裂巖體，不需要復雜的電磁測量設備。 操作方便。只通過液壓泵向鉆孔內注液壓裂巖體，觀測壓裂過程中泵壓、液量即可。 測值直觀。它可根據壓裂時泵壓（初始開裂泵壓、穩定開裂泵壓、關閉壓力、

26、開啟壓 力）計算出地應力值，不需要復雜的換算及輔助測試，同時還可求得巖體的抗拉強度。 測值代表性大。所測得的地應力值及巖體抗拉強度是代表較大范圍內的平均值，有較好的代表性。 適應性強。這一方法不需要電磁測量元件，不怕潮濕，可在干孔及孔中有水的條件下試驗，不怕電磁干擾，不怕震動。2. 應力解除法它的應力解除法是巖體應力量測中應用較廣的方法。基本原理是：當需要測定巖體中某點的應力狀態時，人為 地將該處的巖體單元與周圍巖體分離，此時，巖體單元上 所受的應力將被解除。同時，該單元體的幾何尺寸也將產 生彈性恢復。應用一定的儀器，測定這種彈性恢復的應變 值或變形值，并且認為巖體是連續、均質和各向同性的彈

27、性體，于是就可以借助彈性理論的解答來計算巖體單元所 受的應力狀態。其基本操作見圖 6-4。應力解除法按測試深度可以分為表面應力解除法、 孔應力解除法及深孔應力解除法。按測試變形或應變的法不同，又可分為孔徑變形測試法、孔壁應變測試法及鉆孔應力解除法。詳見工程巖體測試方法標準。圖6-4應力解除法測地應力的步驟和原理示意圖第八章巖體力學在邊坡工程中的應用（一）巖質邊坡的應力分布特征由有限元法分析的結果知，形成邊坡后，巖體中的應力有如下變化特性：1. 由于應力重新分布， 邊坡周圍的主應力跡線發生明顯偏轉，其總的特征為愈靠近臨空面，最大主應力（1）愈接近平行臨空面。2坡腳附近最大主應力（相當于臨空面的切

28、向應力）顯著增高，且愈近表面愈高；最小 主應力則顯著降低，于表面處降為零，甚至轉為拉應力。3坡緣（坡面與坡頂的交線）附近，在一定的條件下，坡面的徑向應力和坡頂的切向應 力可轉化為拉應力，形成張力帶。4坡體內最大剪應力跡線由原來的直線變為近似圓弧形，弧的凹面朝向臨空方向。5坡面處于單向應力狀態（不考慮坡面走向方向的2 ）向內漸變為兩向（若考慮2則是三向）應力狀態。另外，應注意到，以上特征只能使用于均質各向同性的巖體中，如果邊坡內存在大的斷層或層狀巖體，則應力分布必有較大的差異。影響應力分布的主要因素有：原巖應力狀態、巖坡形態、巖體的變形特征和結構特征等。 其中，以原巖應力狀態的影響最為顯著。（二

29、）巖質邊坡的變形和破壞特征巖質邊坡中未出現貫通性破裂面之前， 坡體的變化特征屬變形特征；出現貫通性破裂面 后的坡體特征屬破壞特征。其發展過程是：坡面及附近巖體松動（又稱松弛張裂）-巖體蠕動-加速蠕動-破壞。其中，前三步的特征均屬變形特征，最后一步的特征才是破壞特征。1.變形特征在邊坡形成的初始階段， 由于卸荷作用，巖體內的應力重新分布， 使邊坡表面及其附近 巖體發生松動，形成表面張開裂隙，包括：回彈裂隙，坡面、坡頂張裂帶裂隙，坡腳應力集 中帶的張開裂隙。巖坡發生松動后，降低了巖體的強度，在外力（主要是自重）作用下，巖體向自由面方 向緩慢變形，稱之為巖坡的蠕動。如果坡體中的應力小于巖體的長期強度

30、，坡體的蠕動逐漸減速，最后趨于穩定；反之，坡體蠕動加速，最終導致破壞。2. 破壞特征由于邊坡的破壞有各種各樣的原因，而產生破壞后的形態和作用也極不一致，因而巖坡破壞形式的分類也是各種各樣的。從破壞的力學特征看，將常見的邊坡破壞形式分為巖石崩 塌、平移滑動、旋轉滑動、巖塊流動和巖層曲折五類（見圖8-1 a,b,c,d,e ）。圖8-1邊坡破壞形式分類（1）崩塌（圖8-1a ）巖坡前緣的部分巖體被陡傾角的破裂面分割，以突然的方式脫離母體，翻滾而下，巖塊相互撞擊破碎，堆積于坡腳而形成巖堆，稱為崩塌。崩塌產生的原因：由于風化減弱了節理面間的粘結力； 由于雨水滲入張裂隙中， 造 成了裂隙水的水水壓作用于

31、向坡處的巖塊上；巖石受到冰脹，風化和氣溫變化的影響， 從而減弱巖體的抗拉強度和松動了巖塊，造成了巖石崩落的條件。（2 ）平移滑動（圖8-1b）平移滑動是一部分巖體沿著地質軟弱面，如層面、斷層、裂隙或節理面的滑動。其特點是塊體運動沿著平面滑移。它的產生是由于這一平面上的抗剪力與邊坡幾何形狀不相適應。 這種滑動往往發生在地質軟弱面的產狀往坡外傾斜的地方。由于坡腳開挖或者某種原因（如風化、水的浸潤等）降低了軟弱面的內摩擦角，這就使的地質軟弱面以上的部分巖體沿此平面而下滑，造成了邊坡破壞。（3 ）旋轉滑動（圖8-1c）旋轉滑動的滑面通常成弧形狀，巖體沿此弧形滑面而滑移。在均質的巖體中，特別是均質泥巖或

32、頁巖中，滑面近圓弧形。但在非均質的巖坡中，滑面很少是圓弧形的，因為它的形狀受層面、節理裂隙的影響。這時，滑面是由短折線組成的弧形，近似于對數螺旋曲線或其他形狀的弧面。滑體沿著弧面上滑動， 使滑體好像是以某一半徑圍繞某中心而作旋轉運動，使的滑體頂面往后傾斜。這種滑動的表面形態通常是成馬蹄形的。在滑體的后部往往產生許多張裂隙。 在雨后，雨水貫進裂隙中，減弱了滑面的抗剪強度，又促使滑體滑動。（4 ）巖體流動（圖 8-1d）巖體流動通常發生在均質的硬巖層中，這種破壞類似于脆性巖石因最高應力點上的破碎而使巖層全面崩塌那樣的情況。因而它的成因首先是在巖層內部某一應力集中點上的巖石遭 到高應力的作用而開始破

33、裂或破碎。于是，所增加的荷載傳給鄰近的巖石，從而又使鄰近巖石受到超過某本身強度的荷載，又導致了進一步的破裂。這一過程的不斷進行，直至巖層出現全面破裂而崩塌為止。這樣，巖塊像流體一樣的沿坡面向下流動，而成巖塊流動。其破壞 面極不規則，沒有一定形狀。并由于巖塊流動，使的巖體發生相應的內部變形。（5 ）巖層曲折（圖 8-1e）有時，邊坡破壞也可因坡面節理巖層的曲折引起，也有稱潰曲。當巖層成層狀沿坡面分布時，由于巖層本身的重力作用，或由于裂隙水的結冰作用，增加了巖層的荷載，而使坡面巖層曲折，導致巖層破壞，巖體沿坡向下崩落。（三）影響邊坡穩定性的主要因素影響邊坡穩定性的因素很多，可以概括為內在因素和外在

34、因素兩個方面。其中，內在因素包括地貌條件、巖石性質、巖體結構與地質構造等。外在因素包括水文地質條件、風化 作用、水的作用、地震及人為因素等。內因在邊坡的變形中起決定性的控制作用，外因起促進作用；在邊坡的穩定性分析中，應在研究各因素的基礎上，找出它們彼此間的內在聯系， 進而評價其穩定性。1. 地貌條件地貌條件決定了邊坡形態，對邊坡穩定性有直接影響。對于均質巖坡，其坡度愈陡，坡高愈大則穩定性越差。對邊坡的臨空條件講，工程地質條件相似的情況下，平面呈凹形的邊 坡較呈凸形的邊坡穩定。2. 巖石的性質巖石性質的差異是影響邊坡穩定的基本因素，就邊坡的變形破壞特征而論，不同的地層巖組有其常見的變形破壞形式。

35、一般來說，巖石強度越低，完整性越差，抗風化能力越低， 親水性越強，邊坡的穩定性越差。3. 巖體結構與地質構造巖體結構類型、結構面產狀及其與坡面的關系是巖體邊坡穩定性的控制因素。（1）結構面的傾角與傾向：同向緩傾邊坡的穩定性較反向坡要差；同向緩傾邊坡中結 構面的傾角愈陡穩定性愈差。（2 ）結構面的走向： 結構面走向與坡面走向之間的關系，決定了失穩邊坡巖體運動的 臨空程度，當傾向不利的結構面走向和坡面平行時，邊坡的穩定性最為不利。（3）結構面的組數和數量：結構面組數多，密度大造成巖體破碎；邊坡整體性差，塊 體滑動的機會多，失穩可能性大。（4） 結構的連續性、粗糙度、充填物性質和厚度等等都會影響邊坡

36、的穩定性。4. 風化作用巖石風化愈深，邊坡的穩定性愈差，穩定坡角愈小。5. 水的作用水對邊坡的穩定性有顯著影響，包括軟化作用、潛蝕、沖刷作用、 靜水壓力和動水壓力作用，還有浮托作用等。6.地震由于強烈地強烈地震時，由于水平地震力的作用，常引起山崩、滑坡等斜坡破壞現象; 震的振動，使地震帶附近巖體結構松動，給邊坡穩定帶來潛在威脅。7.人工因素人工因素包括如下幾方面：（1 ）爆破作用；（2 ）人工削坡；（3）施工方法；（4）工程作用等。（四）邊坡穩定性評價方法巖體邊坡穩定性評價方法，大體上可分為定性評價和定量評價兩大類。 其中定性評價 包括工程類比法和圖解法； 定量分析法包括數值分析法、 極限平衡

37、和可靠度分析法。 極限平 衡法是簡單、實用、應用最普遍的方法，是要求我們重點掌握的內容。極限平衡法中的關鍵內容有兩個。（1）剪切滑動破壞面的強度準則。一般采用庫侖準則 c tg ，式中C、 分別是滑動面的內粘聚力和內摩擦角；、分別是滑動面上1單平面滑動體穩定性評價的剪應力和正應力。（2）邊坡的穩定系數k。k被定義為阻止滑動的總力與致滑總力之比，當 k>1.時，邊坡穩定；當k<1時，邊坡不穩定；k=1時，極限平衡狀態。如圖8-2所示，為巖坡，坡頂水平，坡角i , 可能造成巖坡破壞的面為AB，其傾角為。設巖體的容重為；滑動面的內粘聚力和內摩擦角分別為c、。當K 1時，巖坡的極限高度為：

38、口 2c sin i cosHr sin i sin對單面滑動體，還應該注意如下兩種情況：（1 ）在坡頂面出現張拉裂縫如圖18-14所示，張拉裂縫 CE的理論深度為:Z。蘭 tan 45°-2所以，實際滑動一般不是 ABD而是AECD。（2）考慮靜水壓力、動水壓力、地震動力等附加荷載時，巖坡的穩定系數的計算 首先作如下假設： 滑動面走向和張性斷裂走向都與邊坡面走向平行。 張性斷裂是豎直向的，并注滿水，水深為Zw。 水沿著張性斷裂的底部進入滑面，并沿著滑面滲透。特別是在大氣壓力下進行滲透。這里，滑面在邊坡內顯示出水壓力，如圖8-3表示了張性斷裂中水的存在引起的壓力分布以及沿滑面的壓力分

39、布情況。 各個力 W （滑塊的質量）、U （浮力，這是由于水壓力加在滑動面上產生的）和V （由于水壓力在張性斷裂中產生的力），都通過滑動體的形心起作用。因此破壞僅僅是由于滑動 造成的。對于大多數實際邊坡，這一假設可能不是完全真實的，但是，由于力矩的存在而引起的誤差很小，可以忽略。 滑面的抗剪強度是由粘結力和內摩擦角確定，符合庫侖方程c tan 。 所考慮計算厚度為單位厚度，并假定在破壞的側面邊界上對滑動沒有阻力。這樣，所得穩定系數將會保守些。圖8-3邊坡上部具有張性斷裂的邊坡計算圖從圖8-3可得穩定系數：CA K式中：對于上部邊坡表面中的張性斷裂,WW cosUV sin tanW sinV

40、cosA HZcscU-ZW J wHZ csc2V1Z 2wZ w2有1Z2H2 1cot coti2H當邊坡的幾何形狀和張性斷裂中的水深度為已知時，穩定系數K的計算是一簡單的事情。可是，有時需要把一系列邊坡幾何形狀、水的深度和不同抗剪強度的影響加以考慮。則上式的解法可能變的很復雜。為了簡化計算，方程式可以重新整理成下列無因次的形式:2c PQcotR P S tanQ RScot式中:2.雙平面滑動體穩定性評價震力、滑動面上的孔隙水壓力），分解為x,y兩個分力。（2）ab面上的抗滑力Si和正壓力Ni（3）bc面上的抗滑力S2和正壓力N2其中，滑動面上的抗滑力包括表面摩擦力和滑動面的內摩擦力

41、，并考慮穩定性系數K，即SiNi tan iN2 tan 2 C2 bc圖8-4雙平ZCSCH21 H cotcoti sinw Z wZw Z .sinZ HP, Q , R和S皆是無因次的參數，這意味著它們取決于幾何形狀，而不取決于邊坡的大小。因此，在粘結力c=0的情況下，穩定系數 K不再取決于邊坡的大小。如圖8-4所示，滑體abc為一剛體，它可能 沿ab和bc平面滑動。其中bc稱為主滑面，ab為 輔助面，并有：（1）作用滑體上的外力為R （包括自重、地面滑動體受力圖式中：“G和2 ,c2分別是ab面和bc面的內摩擦角和內粘聚力;ab和bc分別是ab和bc邊的長度。（4）根據受力圖8-4列

42、出滑體x,y方向的平衡條件，并求出：AK2BiK CiiAK2B2K c2式中AiX cos 2Y cos 2 ；Bici ab cosi2c2bctan 2 X sin 2 Y cosCiq abtan2 sini2；A sin2iB2tanC2tantan 2 cos tan 2 sin(5) 由于沿主滑面移動，滑體有脫離ab面的趨勢，則有 Ni 0,因此:A1KB1K C10由此可得:2A1由該方程解得的穩定系數 K是上限值(注意：舍去 K 0的解)。3. 楔體穩定性評價8-5(a)所示，垂巖坡由兩組或兩組以上結構面相交而被切割成一個個的楔形體。如圖直邊坡由兩組結構面切割成一個四面體AB

43、CD，滑動方向BD。按極限平衡條件求出該四面體ABCD的穩定系數圖18-19兩組結構面相交切割的楔體穩定性評價圖8-5兩組結構面相交切割的楔體穩定性評價Hl 2h0 cossin 2 tan 1 sin 1 tan 2 3l1 c1h1c2 h2 sin 1HI 2h0 sin sin式中：&, 1 滑移面ABD的內粘聚力和內摩擦角；C2, 2 滑移面BCD的內粘聚力和內摩擦角；兩滑移面的交線 BD的傾角；1 -兩滑移面的交線與滑移面 ABD法線的夾角;2 -兩滑移面的交線與滑移面 BDC法線的夾角;li 兩滑移面交線 BD的長度；12= AC (邊長)；滑體的容重。4. 轉動滑動的邊

44、坡穩定性評價轉動滑動一般發生在土質邊坡，但在風化巖、厚層頁巖或節理切割非常破碎的巖質邊坡中也有發生。滑面一般為弧形面、接近圓弧狀面或對數螺旋弧狀面。假設邊坡簡化為如圖8-6所示的通過坡角圓弧滑面圖，當圓弧面上式中：i,Ci 分別為第i分塊滑動面上的內摩擦角和內粘聚力；li第i分塊的滑弧長度;Ni,Ti 分別為第i分塊滑動面上的荷載(例如自重)的垂直分量和平行滑面的分量。圖8-6轉動滑動的邊坡(五) 邊坡治理的加固措施1. 一般原則(1)減小滑坡體的致滑力(2)提高滑坡體的抗滑力 2.原則措施(1)排水：為了使滑坡體的抗滑力下降，可利用排水和截流方法使水不進入邊坡巖體 內；也可以采用粘土水泥砂漿

45、等堵塞邊坡巖體中的張裂縫。(2)減載：可將失穩邊坡上部巖體減載，也可在腳部加載，使致滑力降低。有時將 邊坡上部的巖體挖去部分，而回填于坡腳部。(3 )加固：局部失穩可用錨桿加固，但錨固點必須是堅硬巖石；擋墻加固，擋墻基礎應設置在可能滑床之下； 抗滑樁加固；樁墻聯合加固，分級支撐滑體，將滑體分為上下兩部分，樁在上部，承擔大部分滑動推力，從而減輕對下部擋墻的推力，相應減少下部擋墻圬工數量和受滑體整體下滑威脅而減輕施工困難。（4）處理好拉伸裂縫與破碎帶。大多數邊坡在破壞之前，其頂部就出現了拉伸裂縫,而坡體的破壞面可能從這些拉伸裂縫的根部開始，或者是與之相連。因此，應采取措施防止張拉裂縫出現，采用強力

46、錨桿加固是解決該問題的一種好方法；對斷層、軟弱夾層或破碎帶可進行預注漿加固。第九章巖體力學在巖基工程中的應用主要掌握：巖基中的應力分布、基礎沉降量的計算和巖基承載能力確定等三方面的基本知識；解決巖基設計中的“許用應力”和“許用變形”兩方面的問題。（一）巖基中的應力分布1.集中何載作用下巖基中的應力將巖基視為半空間彈性體,軸法方向）集中力 P,如圖9-1布辛涅斯克解得到:所示。巖基中的應力分量由在水平邊界上作用有法向卑 3sin4 cos2 x221 cosP 3z32 r5xz3Px 53 COS2 z3P 3xz2r5P 3x2z圖9-1集中何載作用下的巖基3P 2cos2 z23P 3 2

47、cos.2cos sin cos2 z21 22 x2式中P垂直于邊界面沿 Oz軸的作用力;z從半無限體界面算起的深度；x 所研究點到 Oz軸的距離；xz2P 4 cos z2P . sin z3cos2Pcosz3.在圓形均布垂直荷載作用下巖基中的應力如圖9-3所示，在平面圓形范圍內作用均布垂直力P,利用布辛涅斯克解進行積分，可求出巖基內的應力 分量。下面僅繪出距離巖基表面深度為Z處（M點）應力分量:P112 “2z圖9-2線荷載作用下的巖基圖9-3圓形均布荷載作用下的巖基r所研究點到原點 0的距離；x在深度z處被 角所確定的點的水平徑向應力在深度z處被 角所確定的點的垂直應力;xz在垂直平

48、面和水平面上的剪應力；r最大主應力（在矢徑方向）；中間主應力（在水平面上）；t最小主應力（在通過矢徑的垂直面上）2.荷載作用下巖基中的應力將巖基視為平面彈性體，在平面的厚度方向（如圖9-2的y方向）作用線性均布荷載P,由符拉其解求 的巖基中的分布應力為2P . 22sin cosz式中：a 圓形荷載的半徑。4.長方形均布垂直荷載作用下巖基中的應力如圖9-4所示，當長方形均布荷載q的長度（y軸方向）比寬度（x軸方向）大的多時, 可由符拉芒解積分，求出巖基中任意一點m的應力分量，即xzq Z2Z2 x b2丄 x a arctanZ丄 x a arctanZZ2Z2Z x bZ2 x b2Z x

49、aZ2 x a 2Z2Z2（）巖基上基礎的沉降按彈性理論求解巖基上基礎的沉降量, 仍采用布辛涅斯克解，通過積分求出。圖9-4在半平面上作用均布力的巖基可見:SoSoSa41E2pa2 1.571.圓形基礎的沉降（i）柔性圓形基礎當圓形基礎為柔性時，如果其上作用有均布荷載p和在基底接觸上沒有任何摩擦力時,2 1S0paE的沉降量為:在圓形基礎底面邊緣（R=a）1.57 倍。即，柔性圓形基礎在均布荷載下，其中心沉降量為其邊緣沉降量的（2）剛性圓形基礎對于這種情況，在總荷載 p的作用下，基底的沉降將是一個常量，但基底接觸壓力不是常量。即,_P2 a： a2R2式中：a 基礎半徑；R計算點到基礎中心的

50、半徑。剛性圓形基礎的沉降量為:S0p12aE受荷面以外各點的垂直位移為:2p 1. asRarcs inaER2.矩形基礎的沉降（i）剛性矩形基礎設基礎的底面寬度為b，長度為a，其上承受有均勻分布的荷載基底各點的壓力不等，但各點有相同的沉降量s，即，12S bpK constEp。對絕對剛性基礎,式中，K const為用于計算絕對剛性基礎承受中心荷載時沉降值的系數,K const表18-1查出（2）柔性矩形基礎基本條件同上，柔性基礎底面上各點的沉降量不同，但沿著基底的壓力是相等的。給出柔性矩形基礎底面中心沉降量S。、角點沉降量Sc和平均沉降量Sm。即：1 2bp| Ko1 2bpKcE1 2b

51、p E Km以下SoScSm式中：Ko、Kc、Km分別對應于以上三種情況下的沉降系數，它們均是長寬比a/b的函數，可由表9-1查出。表9-1各種基礎的沉降系數K值表sans*£斗a f血0血0朋0.7?Off10IJ20.56C邛0鳶1.51.360馬U51.CB20皿0J41.30：.221.0倔1勺1.414.0個1.101.615.0L053111.726.0也M2倔7.02.331J?8.02.421JI112F2細1,252,19102J3L272.252.72由表9-1可見，方形柔性基礎中心沉降量為邊角沉降量的2倍，即So |a b 2Sc la b（三）巖基的承載能力巖基的承載能力的確定方法有三種： 規范法、試驗確定法和理論計算法。其中試驗確定 法比較準確，對于一級建筑物，規范規定必須通過現場靜載試驗確定承載能力； 二級建筑物, 可采用靜載試驗、也可采用理論計算法結合原位