五讲、块体力学.ppt

现代岩体力学 第五讲 岩体的基本力学性能 块体力学 1. 绪论 1.1 块体理论的基本概念 在坚硬和半坚硬地层中，岩体被结构面切割成各种类型的空间镶嵌块体。在自然状态下，这些空间块体处于静力平衡状态。当进行边坡、地基以及地下洞室的人工开挖，或对岩体施加新的荷载后，使暴露在临空面上某些块体失去原始的静力平衡状态，因而造成某些块体首先沿着结构面滑移、失稳、进而产生连锁反应，造成整个岩体工程的破坏。我们称这种首先失稳的块体为关键块体。块体理论的目的就是研究上述岩体结构模型的破坏机制和工程处理措施。 1.2 块体理论的基本假定 (1) 结构面为平面，对于每个具体工程，各组结构面具有确定的产状，并由现场地质测量获得。 (2) 结构面贯穿所研究的岩体，即不考虑岩石块体本身的强度破坏。 (3) 结构体为刚体，不计块体的自身变形和结构面的压缩变形。 (4) 岩体的失稳是岩体在各种荷载作用下沿着结构面产生剪切滑移。 1.3 块体理论的研究方法 根据上述基本假定，块体理论首先将结构面和开挖临空面看成空间平面，将结构体看成凸体，将各种作用荷载看成空间向量，进而应用几何方法(拓朴学和集合论)详尽研究了在已知各空间平面的条件下，岩体内将构成多少种块体类型及其可动性，求出各类失稳块体的滑动力，以做为工程加固措施的设计依据。具体分析手段有两种: 一是矢量运算法：将空间平面和力系以矢量表示，通过矢量运算给出全部块体理论分析结果，编制出全部程序自动给出全部判断和计算结果 二是作图法：应用全空间赤平投影方法直接用微机绘图。 两种分析方法是各自独立的，应用矢量运算给出全部分析结果，并将赤平投影分析结果通过微机和绘图机绘出开挖结构利塌滑形式之间相互关系的空间图形，使分析结果更加直观。 1.4 块体理论的特点 (1)块体理论分析完全是三维分析，这正是岩体工程的主要特性。 (2)块体理沦分析的核心可以归结为寻找开挖临空面上的关键块体。对于要求保持开挖稳定的岩体工程，当关键块体完全暴露之前，加以工程处理措施； 对于要求以最小的开挖面而达到最大开挖效果的某些采掘工程，需使关键块体暴露，使之造成连锁破坏。 (3)块体理论的研究对象是具有明显滑动面的空间岩体运动，只考虑结构面间的抗剪强度，不考虑岩体本身的强度破坏和变形，且讨论只限于岩体的平行移动，由于讨论对象的力学模型实质只是刚体的平行移动，故应用空间向量合成来求各种荷载的合力。 4)　关于块体理论的分析方法，理论上是完备的，数学证明是严谨的，研究问题是充分的，而最后的应用方法则十分简便 (5) 与其他分析方法一样，块体理论分析成果的可靠性取决于分析参数取值的准确程度。首先取决于结构面力学指标c、φ值的准确性；其次取决于结构面产状取值的准确性。严格说来，任何结构面都不是一个理想的平面，且在同一地质背景条件下，结构面产状常具有广泛的分散性。因此，在野外实际量测时，必须选取具有代表性的结构面产状。 2. 块体理论基本原理 块体分类 块体分类如下： 无限块体： (不考虑) 不可动块体 (倒楔块体) 有限块体： 稳定块体 可动块体 可能失稳块体 关键块体 (有限性定理) (可动性定理) (运动学、力学分析) 块体：泛指被各类结构面和临空面所切割的岩体，其中仅由结构面切割而成的块体称为裂隙块体。 无限块体：未被结构面和临空面完全切割成孤立体的块体称为无限块体，仍有部分与母岩相连。这类块体如果本身不产生强度破坏，则不存在失稳问题。 有限块体：被结构面和临空面完全切割成孤立体的块体称为有限块体，或称分离体。 不可动块体：不可动块体或称倒楔块体。这类块体沿空间任何方向移动皆受相邻块体所阻。如果其相邻块体不发生运动，则这类块将不可能发生运动。 可动块体：可动块体即可沿空间某一个或若干个方向移动而不被相邻块体所阻的块体。 稳定块体：稳定块体即在工程作用力和自重作用下，即使滑移面的抗剪强度等于零仍能保持稳定的块体。 可能失稳块体：可能失稳块体即在工程作用力和自重作用下，由于滑动面有足够的抗剪强度才保持稳定的块体。若滑动面上的抗剪强度降低，这类块体可能失稳。 关键块体：关键块体即在工程作用力和自重作用下，由于滑动面上的抗剪强度不足于抵御滑动力，若不施加工程锚固措施，必将失稳的块体。 块体理论的基本方法就是首先通过几何分析，排除所有的