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1、岩石力学,辽宁科技大学,Rock Mechanics,第二章岩体力学性质,2.1 岩石与岩体,一、岩石与岩体的概念,构造: 组成成分的空间分布及其相互间排列关系,矿物：存在地壳中的具有一定化学成分和物理性 质的自然元素和化合物。,结构：组成岩石的物质成分、颗粒大小和形状以及 其相互结合的情况。,岩石：岩石是自然界中各种矿物的集合体， 是天然地质作用的产物。,岩体=岩块+结构面,一、岩石与岩体的概念,岩体是地质体，它经历过多次反复地质作用，经受过变形，遭受过破坏，形成一定的岩石成分和结构，赋存于一定的地质环境中。岩体力学性质：岩体抵抗外力作用的能力。包括岩体的稳定性特征、强度特征和变形特征，由岩
2、石、结构面和赋存条件决定的。,试件尺寸增大而降低工程开挖与结构面空间组合环境因素影响而变,岩体力学性质,一、岩石与岩体的概念,影响岩体力学性质的基本因素： 1、结构体(岩石)力学性质； 2、结构面力学性质； 3、岩体结构力学效应和环境因素，特别是水和地应力的作用。,一、岩石与岩体的概念,岩体内存在各种地质界面，它包括物质分异面和不连续面，如断层、层理、节理、片理、假整合、不整合和褶皱等。 这些不同成因、不同特性的地质界面统称为结构面(弱面)。,一、岩石与岩体的概念,结构面(弱面) 在横向延展上具有面的几何特性，常充填有一定物质、具有一定厚度。 节理和裂隙是由两个面及面间的水或气组成； 断层及层
3、间错动面是由上下盘两个面及面间充填的断层泥和水构成的实体组成。,一、岩石与岩体的概念,一、岩石与岩体的概念,二、结构体,结构体：结构面依其本身的产状，彼此组合将岩体切割成形态不一、大小不等以及成分各异的岩石块体，被各种结构面切割而成的岩石块体称为结构体。结构体有块状、柱状、板状及菱形、楔形和锥形体等，如果风化强烈或挤压破碎严重，也可形成碎屑状、颗粒状和鳞片状等。,二、结构体,二、结构体,三、岩体结构单元,结构体和结构面称为岩体结构单元或岩体结构要素。不同类型的岩体结构单元在岩体内的组合、排列形式称为岩体结构。岩体结构单元可划分为两类四种，四种结构单元在岩体内组合、排列形式不同，构成不同的岩体结
4、构。,岩体结构单元,坚硬结构面(干净的)软弱结构面(夹泥的夹层)块状结构体(短轴的)板状结构体(长厚比大于15）,结构面,结构体,四、结构体的作用,结构体(岩石) 对岩体力学性质的影响，通过结构体的力学性质来表征。在某种情况下结构体对岩体力学性质和力学作用具有控制作用，在结构体强度很高时主要是结构面的力学性质决定岩体的力学性质。,五、岩体赋存环境,岩体的赋存环境：包括地应力、地下水和地温三部分，对岩体的力学性质有重要的影响。地应力具有双重性，一方面它是岩体的赋存条件，另一方面又赋存于岩体之内，和岩体组成成分一样左右着岩体的特性，是岩体力学特性的组成成分。,六、地应力的影响,地应力对岩体力学性质
5、的影响：、地应力影响岩体的承载能力，对赋存于一定地应力环境中的岩体来说，地应力对岩体形成的围压越大，其承载能力越大。,、地应力影响岩体的变形和破坏机制，许多低围压下呈脆性破坏的岩石在高围压下呈剪塑性变形，这种变形和破坏机制的变化说明岩体赋存的条件不同，岩体的本构关系也不同。,、地应力影响岩体中的应力传播的法则，严格来说岩体是非连续介质，但由于岩块间存在摩擦作用，赋存于高应力地区的岩体，在地应力围压的作用下则变为具有连续介质特征的岩体，即地应力可以使不连续变形的岩体转化为连续变形的岩体。,六、地应力的影响,第2.1节结束，谢谢！,2.2 岩体结构基本类型,一、岩体结构分类依据,岩体结构单元有结构
6、面和结构体两种基本要素，结构面分软弱结构面和坚硬结构面两类，结构体按力学作用可归并为块状结构体和板状结构体两大类。它们在岩体内不同组合、排列构成不同类型的岩体结构。,一、岩体结构分类依据,一、岩体结构分类依据,、亚类划分依据：亚类的划分主要是依据岩体的原生结构，例如碎裂结构可划分为：,二、岩体结构分类方案,根据结构面对岩体力学性质的影响程度以及分类依据，可以将岩体结构划分I级的块裂结构、板裂结构，级的完整结构、断续结构、碎裂结构及过渡类型的散体结构。六种岩体结构类型是比较典型的，而实际的岩体是比较复杂的，岩体结构划分时需要有一种模糊的观点，只能择其趋向性而定，这也是岩体力学性质具有不确定性表现
7、的一个方面。,二、岩体结构分类方案,岩体结构类型表,三、岩体结构的地质特征,1、完整结构岩体完整结构岩体多半是碎裂结构岩体中结构面被后生作用愈合而成。后生愈合有两种，其一为压力愈合，其二为胶结愈合，具有粘性成分物质，如粘土岩、长石质、石灰质矿物成分组成的岩体。,三、岩体结构的地质特征,中国科学研究院地质研究所岩体结构分类,三、岩体结构的地质特征,2、块裂结构岩体块裂结构岩体是多组或至少有组软弱结构面切割及坚硬结构面参与切割成块状结构体的高级序岩体结构。,三、岩体结构的地质特征,中国科学研究院地质研究所岩体结构分类,三、岩体结构的地质特征,块裂结构岩体的结构体：（1）、由岩浆岩、变质岩及厚层大理
8、岩、灰岩、砂岩等块状原生结构岩体构成；（2）、由薄至中厚层沉积岩，层状浅变质岩及岩浆喷出岩等层状原生结构岩体组成；块裂结构岩体的软弱结构面主要为断层，层间错动也是重要的软弱结构面之一，参与切割的坚硬结构面一般延展较长，多数为错动过的坚硬结构面。,三、岩体结构的地质特征,3、板裂结构岩体主要发育于经过褶皱作用的层状岩体内，受一组软弱结构面切割，结构体呈板状。软弱结构面主要为层间错动面或块状原生结构岩体内的似层间错动面，结构体多数为组合板状结构体，有的亦为完整板状结构体。,三、岩体结构的地质特征,中国科学研究院地质研究所岩体结构分类,三、岩体结构的地质特征,4、碎裂结构岩体碎裂结构岩体尽管可以划分
9、为块状碎裂结构岩体及层状碎裂结构岩体两种亚类，但它们的共同点是切割岩体的结构面是有规律的，即主要为原生结构面及构造结构面。,三、岩体结构的地质特征,中国科学研究院地质研究所岩体结构分类,三、岩体结构的地质特征,碎裂结构主要形成于岩浆岩侵入体、深变质的片麻岩、混合岩、大理岩、石英岩及层理不明显的巨厚层灰岩、砂岩等岩体内。特点是结构体块度大，大多为12m，但块度较均匀，层状碎裂结构的特点是块度小，其块度与岩层厚度有关，浅海相及海陆交互相沉积岩多数为这种结构，有时还可分为一种镶嵌状碎裂结构，多发育于强烈构造作用区内的硬脆性岩体内，结构面组数多，结构面组数多于5组时可形成这种结构。,三、岩体结构的地质
10、特征,5、断续结构岩体断续结构岩体特点是显结构面不连续，对岩体切而不断，个别部分亦有连续贯通结构，但这种部位很少，多数为不连续切割，形不成结构体。在力学上来说，宏观上具有连续介质特点，微观上多数不连续，应力集中现象明显，这种应力集中对岩体破坏具有特殊意义，断裂力学判据对这种岩体也具有特殊意义。,三、岩体结构的地质特征,6、散体结构散体结构有两种亚类：碎屑状散体结构岩体；糜棱化散体结构岩体。,碎屑状散体结构岩体的特点是结构面无序分布，结构面中有软弱的、也有坚硬的。结构体主要为角砾，角砾中常充填夹杂有泥质成分。,三、岩体结构的地质特征,糜棱化散体结构岩体主要指断层泥而言。断层泥主要是由糜棱岩风化而
11、成，而糜棱岩主要为压力愈合连结，当压力卸去后，又转化为糜棱岩粉，糜棱岩体风化后便转化为断层泥。,三、岩体结构的地质特征,中国科学研究院地质研究所岩体结构分类,三、岩体结构类型分类,三、岩体结构类型分类,四、岩体结构的相对性工程岩体结构的唯一性,岩体结构分类的最终目的在于为岩石工程的建设服务，对于工程岩体而言，由于工程规模和尺寸的变化，岩体结构也发生相对变化，具有相对性。,三、岩体结构的地质特征,四、岩体结构的相对性工程岩体结构的唯一性,岩体结构是相对的，只有在确定的地质条件和工程尺寸条件下，工程岩体结构才是唯一确定的，工程岩体结构不同，岩体的力学机制和工程的稳定性分析方法是不一样的。,第2.2
12、节结束，谢谢！,2.3 岩体结构面及充填特征,结构面是具有一定方向、延展较大而厚度较小的二维面状地质界面。主要包括断层、节理、层理、片理、软弱夹层、岩层界面、不整合面等。结构面在岩体中的变化非常复杂，结构面的存在使岩体显示构造上的不连续性和不均质性。,一、岩体结构面,岩石受力发生变形达到一定程度，使岩石的连续完整性受到破坏，产生各种大小不一的破裂面，称为断裂构造。节理：岩石发生断裂时，沿断裂面没有显 著位移的断裂称为节理（裂隙） 断层：岩石发生断裂时，沿断裂面 有显著位移的称为断层。,断裂构造,3,一、岩体结构面,3,一、岩体结构面,3,一、岩体结构面,3,一、岩体结构面,二、结构面的类型及特
13、征,根据结构面的形成原因，通常分为三种类型：原生结构面、构造结构面和次生结构面。,1、原生结构面包括所有在成岩阶段所形成的结构面。根据岩石成因不同，可分为沉积结构面、火成结构面及变质结构面三类。,原生节理：岩石形成过程中产生的节理。由于岩浆岩冷凝收缩或沉积岩在形成时由于脱水形成的。如玄武岩的柱状节理,二、结构面的类型及特征,（1）沉积结构面沉积结构面是沉积岩在成岩作用过程中形成的各种地质界面。,二、结构面的类型及特征,（2）火成结构面火成结构面为岩浆侵入、喷溢冷凝所形成的各种结构面。,二、结构面的类型及特征,（3）变质结构面岩体在变质作用过程中所形成的结构面。,二、结构面的类型及特征,2、构造
14、结构面各类岩体在构造运动作用下形成的各种结构面，如节理、断层、劈理、层间错动面等。,构造节理：地壳运动过程中受构造作用力而产生，是在自然界最广泛存在的一种节理。按其力学成因又分成两类，即：张节理和剪节理。,剪节理：当岩石中所受的最大剪应力达到并超过岩石的抗剪强度时 就会产生剪节理。方向与最大剪应力方向一致。 剪节理的特点： 常是闭合的 节理面平直光滑 节理面上常有小擦痕或小的磨光面 节理面常切穿粗砂和砾石 沿走向和倾向延伸较远， 产状比较稳定张节理：由张应力作用形成，节理大致垂直最大张应力方向。 张节理的特点：常是张开的节理面凹凸不平没有擦痕和擦光面等.穿过粗碎屑岩时常绕过粗砂和砾石沿走向、倾
15、向延伸不远沿其尖灭方向追索会断续再现常被脉体充填,断层要素：断层面：把岩石分成两个断块，且沿该面两边断块发生了显著位移。 其产状用产状三要素表示。断层面可以是平面，也可以是 曲面，有时是破碎带断层线：断层面与地表的交线。即断层在地表的出露线。 可以是直线，也可以是曲线。断盘：被断层面分开的两侧岩块。 对倾斜的断层面，断层面上面的称上盘，下面的称下盘。 断层面直立时：可根据断层的运动方向分为上升盘和下降盘。,上盘,下盘,断层面,断层 断层是一种有明显位移的 断裂构造,二、结构面的类型及特征,二、结构面的类型及特征,3、次生结构面在地表条件下由于外力(如风化、地下水、卸荷、爆破等)的作用而形成的各
16、种界面，如卸荷裂隙、爆破裂隙、风化裂隙、风化夹层及泥化夹层等。,风化节理：岩石受风化作用产生的节理或裂隙,二、结构面的类型及特征,三、结构面的分级,结构面的发育程度、规模大小、组合形式等是决定结构体的形状、方位、大小和控制岩体稳定性的重要因素。而结构面的规模是最重要的控制因素，结构面发育程度和规模一般划分为五级。,三、结构面的分级,1、I级结构面一般泛指对区域构造起控制作用的断裂带。,三、结构面的分级,2、级结构面一般指延展性强而宽度有限的地质界面。,三、结构面的分级,三、结构面的分级,3、级结构面一般为局部性断裂构造，主要指小断层。,三、结构面的分级,4、级结构面一般延展性较差，无明显的宽度
17、，主要指的是节理面。,三、结构面的分级,5、V级结构面延展性甚差，无宽度之别，分布随机，是为数甚多的细小的结构面。,三、结构面的分级,从工程地质测绘观点，五个等级的结构面可分为实测结构面和统计结构面两大类。 实测结构面是经过野外地质测绘工作，按其结构面的产状及其具体位置，直接表示在不同比例尺的工程地质图上。统计结构面，只能在野外有明显的岩层露头地点进行统计，经过室内作结构面密度统计图，认识其统计规律，它们不能直接反映在工程地质图上，但可转化为结构面的组合模型，反映在岩体结构图上。,三、结构面的分级,四、结构面状态,1、结构面的贯通性在工程岩体范围内，结构面按贯通性可分为非贯通性的、半贯通性的和
18、贯通性的三种类型,（1）非贯通性结构面：即结构面较短，不能贯通岩体或岩块，但它的存在使岩体或岩块强度降低，变形增大。,四、结构面状态,（2）半贯通性结构面：结构面有一定的长度，但尚不能贯通整个岩体或岩块。（3）贯通性结构面：结构面连续长度贯通整个岩体，是构成岩体、岩块的边界，它对岩体有较大的影响，破坏常受这种结构面控制。,四、结构面状态,2、结构面状态的指标与影响结构面的状态对岩体的工程性质的影响是指结构面的产状、形态、延展尺度、发育程度和密集程度等对岩体强度和工程稳定性的影响。（1）、产状：结构面产状对岩体是否沿某一结构面滑动起控制作用（倾向、倾角）。,三、结构面的分级,水平岩层：沉积物固结
19、成岩石后，未受到强烈的水平运动，只是升降运动，因此，岩石仍保持水平状态。岩层近于与水平面平行。倾斜岩层：由于地壳运动，主要是水平运动的结果使岩层改变了原始的状态。岩层与水平面呈一定的角度斜交。直立岩层：由于地壳运动的影响使地层直立。岩层与水平面垂直。,产状三要素： 走向：岩层面与水平面之间的交线（走向线）所指的方向 倾向：垂直于岩层的走向线做垂线（倾斜线），其在水平面上的投影叫倾向线，倾向线从高向低所指的方向叫倾向 倾角：倾向线与倾斜线之间的夹角叫倾角。倾角5度时叫水平岩层倾角在5-90度之间时叫倾斜岩层倾角为90度时叫直立岩层,岩层产状的测定 罗盘的构造和使用,节理的观测与统计 节理观测和统
20、计的步骤1）观测点的选择 露头良好，出露面积在几个平方米以上，如采石场等。2）节理性质的研究 根据节理面的特点等，研究节理的性质，如是张性的还是剪性的。3）确定节理的性质和共轭关系依据节理的交切和错动关系，确定节理形成的相互顺序，找出同属于一期的一组节理，最好是一组共轭节理并测量其夹角，由此确定应变椭球体的方向。在测量之前首先要对节理进行分期和配套。节理的测量和登记对测点内节理进行测量和登记，内容包括：测点编号，岩石特征，岩层产状，节理面的产状特征，节理面特征，节理的性质，节理中的充填物，节理的交切关系，裂缝宽度等。,节理的分期：判断节理形成的时间关系。 （据不同节理的交切关系）错开（先后）限
21、制（先后）互切（同时）节理的配套：把成因相同而又相互平行的一组节理构成一个节理组，几个有成因联系的节理组构成一个节理系。,后,同期,后,节理观测结果的室内整理和节理统计图节理玫瑰花图走向玫瑰花图：每5或10 分组，统计每组的节理数和平均走向.在任一半径的半圆上，射线方向代表节理平均走向，长度代表节理数（或百分数），连接各端点即得走向玫瑰花图。倾向玫瑰花图：与走向玫瑰花图类似，只是用一个整圆来做，射线方向代表平均倾向。,节理玫瑰花图的作图方法,倾向玫瑰花图：用一个整圆，射线方向代表节理平均倾向，长度代表节理数（或百分数）。,20条,20条,走向玫瑰花图：用一个半圆，射线方向代表节理平均走向，长度
22、代表节理数（或百分数）。,节理等密度图：一般是在施密特网上（等面积网）上先做极点图，然后中心密度计和边缘密度计统计节理极点数（或百分数）并标于网格交叉点上，把相同数字的点用线连接起来即为等密度线。,。,节理等密度图的作图方法,三、结构面的分级,四、结构面状态,（2）、形态： 决定结构面抗滑力的大小，结构面的起伏程度大、粗糙度高时，抗滑力就大（宽度、起伏度、粗糙度、充填物）。,四、结构面状态,结构面的充填物： 硬性结构面：硅质胶结的强度最高，钙质胶结较差，泥质胶结的最差。软弱结构面，其充填物质和含水量不同，力学性质差别很大。泥质矿物：低湿度压密状态下的断层泥:C=50100KPa，=1720；浸
23、水后C520KPa，角随矿物成分变化很大；蚀变矿物：在含水情况下可低至3 5，粘土矿物可低至812。蒙脱土为主的粘土：含水量80时，接近零。,四、结构面状态,（3）、延展尺度：工程岩体范围内，延展尺度大的结构面，完全控制了岩体的强度（迹长）（4）、密集程度：以岩体裂隙度K和切割度Xe表征岩体结构面的密集程度。(目前多以线密度、面密度、体积密度、间距表示）,四、结构面状态,（3）、延展尺度：工程岩体范围内，延展尺度大的结构面，完全控制了岩体的强度（迹长）（4）、密集程度：以岩体裂隙度K和切割度Xe表征岩体结构面的密集程度。(目前多以线密度、面密度、体积密度、间距表示）,四、结构面状态,岩体裂隙度
24、K是指沿取样线方向单位长度上的节理数量。（线密度）设取样线长度为L，沿该长度内出现的节理数量为n，则：,沿取样线方向节理的平均间距d为：,四、结构面状态,按裂隙度K的节理分类疏节理(01条/米）；密节理(110条/米）；非常密集节理(10100 条/米)；压碎或糜棱化(1001000条/米)。,四、结构面状态,切割度Xe是指岩体被节理割裂分离的程度。岩体仅含个节理时，沿节理面在岩体中取一个贯通整体的假想平直断面，则节理面积a与断面积A之比即为岩体的切割度。,四、结构面状态,如果沿岩体某断面上同时存在面积为ai的n个节理面，则岩体沿断面的切割度为：,四、结构面状态,岩体按切割度分类,第2.3节结
25、束，谢谢！,2.4 结构面的力学性质,结构面的力学性质主要包括三个方面：1、法向压缩变形；2、切向剪切变形；3、抗剪强度。,一、法向变形,在法向荷载作用下，岩石粗糙结构面的接触面积和接触点数随荷载增大而增加，结构面间隙呈非线性减小，应力与法向变形之间呈指数关系。,一、法向变形,Goodman(1974)通过试验，得出法向应力n与结构面闭合量n有如下关系：,式中，称为原位压力，由测量结构面法向变形的初始条件决定；max是最大可能闭合量；s、t是与结构面几何待征、岩石力学性质有关的两个参数。,一、法向变形,法向变形刚度Kn，反映结构面产生单位法向变形的法向应力梯度，它不仅取决于岩石本身的力学性质，
26、更主要取决于粗糙结构面接触点数、接触面积和结构面两侧微凸体相互啮合程度。通常情况下，法向变形刚度不是一个常数,与应力水平有关。,一、法向变形,Goodman(1974)的研究结果：,式中：Kn0为结构面初始刚度。,一、法向变形,Bandis等人(1984)通过对大量的天然、不同风化程度和表面粗糙程度的非充填结构面的试验研究，提出双曲线型关系式：,一、法向变形,式中：JCS为单轴抗压强度；JRC为结构面的粗糙系数；A、B、C、D为常数，取决于结构面的受载历史。,二、剪切变形,1、对非充填粗糙结构面，随剪切变形发生，剪切应力相对上升较快，当达到剪应力峰值后，结构面抗剪能力出现较大的下降，并产生不规
27、则的峰后变形(曲线A)或滞滑现象.,在一定的法向应力作用下，结构面在剪切作用下产生切向变形。通常有两种基本形式：,2、对于平坦(或有充填物)的结构面，初始阶段的剪切变形曲线呈现下凹型，随着剪切变形的持续发展，剪切应力逐渐升高但没有明显的峰值出现，最终达恒定值，有时也出现剪切硬化(曲线B）。,二、剪切变形,剪切变形曲线从形式上可划分成： 弹性区 -峰前应力上升区； 剪应力峰值区； 塑性区-峰后应力降低区或恒应力区。 (Goodman，1974)。在结构面剪切过程中，伴随有微凸体的弹性变形、劈裂、磨粒的产生与迁移、结构面的相对错动等多种力学过程。因此，剪切变形一般是不可恢复的，即便在“弹性区”，剪
28、切变形也不可能完全恢复。,二、剪切变形,二、剪切变形,剪切刚度Kt:通常将弹性区内单位变形的应力梯度称为剪切刚度。根据Goodman(1974) 研究结果,式中，Kt0是初始剪切刚度，s是产生较大剪切位移时的剪应力渐近值。试验结果表明，较坚硬的结构面，剪切刚度一般是常数；松软结构面，剪切刚度随法向应力的大小而改变。,二、剪切变形,结构面简化分析模型,三、抗剪强度,1、库仑准则从结构面的变形分析可以看出，结构面在剪切过程中的力学机制比较复杂，构成结构面抗剪强度的因素是多方面的，大量试验结果表明，结构面抗剪强度一般可以用库仑准则表述：,三、抗剪强度,凸台模型的抗强度曲线,三、抗剪强度,2、巴顿（B
29、arton)模型：试验表明，低法向应力时的剪切，结构面有剪切位移和剪胀；高法向应力时，凸台剪断，结构面抗剪强度最终变成残余抗剪强度。在剪切过程中，凸台起伏形成的粗糙度以及岩石强度对结构面的抗剪强度起着重要作用。,Barton经试验研究提出了考虑三个基本因素(法向力n、粗糙度JRC、结构面强度JCS)的结构面抗剪强度公式。,三、抗剪强度,式中，JCS是结构面的抗压强度，b是岩石表面的基本摩擦角，JRC为结构面粗糙性系数。,三、抗剪强度,JRC值根据结构面的粗糙性在020间变化，平坦近平滑结构面为5，平坦起伏结构面为10。粗糙起伏结构面为20,三、抗剪强度,3、结构面力学性质的尺寸效应Barton
30、等(1982)用不同尺寸的结构面的试验结果表明，当结构面的试块长度从56cm增加到3640cm时，平均峰值摩擦角降低812。随试块面积增加，平均峰值剪切应力呈减少趋势。尺寸效应还体现在以下几个方面：随结构面尺寸增大，达到峰值强度时的位移量增大由于尺寸增加，剪切破坏形式由脆性破坏向延性转化；随尺寸加大，峰值剪胀角减小；随结构面粗糙度减小，尺寸效应也在减小。,三、抗剪强度,4、变形历史的影响第一次进行新鲜结构面剪切试验时，试样具有很高的抗剪强度，沿同一方向重复进行到第7次剪切试验时，试样还保留峰值与残余值的区别，当进行到第15次时，已看不出峰值与残余值的区别，说明在重复剪切过程中结构面上凸台被剪断
31、、磨损，岩粒、碎屑的产生与迁移，使结构面的抗剪力学行为逐渐由凸台粗糙度和起伏度控制转化为由结构面上碎岩屑的力学性质所控制。,三、抗剪强度,5、结构面充填物的影响结构面内充填物的厚度小于主力凸台高度时，结构面的抗剪性能与非充填时的力学特性相类似； 结构面充填厚度大于主力凸台高度时，结构面的抗剪强度取决于充填材料，充填物的厚度、颗粒大小与级配、矿物组分和含水程度都会对充填结构面的力学性质有不同程度的影响。,第2.4节结束，谢谢！,2.5 岩体的强度特性,一、岩石的强度,假设岩石服从莫尔-库仑直线型强度准则1、 坐标下,破坏角：,一、岩石的强度,2、 在 坐标下 令 则,二、结构面强度,假设节理面服
32、从莫尔-库仑直线型强度准则,二、结构面强度,设节理的方向角为。节理面上的应力：,满足库仑破坏准则时沿节理面破坏,三、单结构面强度效应,1、分析模型岩体中发育一组结构面，假定AB面(指法线方向）与最大主应力方向夹角为。岩石强度为C0、0；结构面强度为CJ、J。,1,3,三、单结构面强度效应,三种可能破坏形式：（1）结构面破坏；（2）岩块破坏；（3）岩块与结构面同时破坏。,结构面的产状对岩体的强度产生影响。,2、破坏方式的图解判断（1）、 无论多少，岩体不破坏。,三、单结构面强度效应,（2） 12时 沿结构面破坏；（3）2时，既不沿结构面破坏，也不切岩石破坏。,三、单结构面强度效应,（4）、2时剪
33、切岩石破坏。 （5） 1或2时沿结构面与岩石同时破坏；,三、单结构面强度效应,三、单结构面强度效应,3、岩体破坏的解析法确定（1）、沿结构面破坏：对岩体强度有影响的节理方位：1 2,三、单结构面强度效应,对岩体强度有影响的节理方位角：1 2 1、2可以直接在图上量取，也可以由正弦定律推求：,三、单结构面强度效应,（2）、岩石（岩块）破坏：对岩体强度无影响的节理方位： 1或 2,三、单结构面强度效应,（3）、岩体强度,当1或2时，岩石结构面同时破坏，岩体强度等于岩块强度,当1或2时，岩块先破坏，岩体强度等于岩块强度：,当12结构面先破坏时，岩体强度小于岩块强度,三、单结构面强度效应,（3）单结构
34、面岩体强度强度取完整岩石强度和结构面强度的小值（两者的强度都按直线型考虑）,岩体单轴抗压强度：,三、单结构面强度效应,根据单结构面强度效应可以看出岩体强度的各向异性，岩体单轴或三轴受压强度受加载方向与结构面夹角的控制。,四、多结构面强度效应,多结构面的岩体强度：分步运用单结构面理论，分别绘出每一组结构面单独存在时的强度包络线和应力莫尔圆，岩体到底沿哪组结构面破坏，由1与各组结构面的夹角所决定。,根据叠加原理多结构面的组合使得受力状态极其复杂，若不计受力后沿结构面滑动对应力分布的影响，则可将多组结构面分别按单一结构面考虑确定其强度，最后综合考虑岩石和各组结构面的强度，取其最小值。,四、多结构面强
35、度效应,四、多结构面岩体强度,试验表明，随着岩体内结构面数量的增加，岩体强度特性越来越趋于各向同性，而岩体的整体强度却大大削弱了。Hoek和Bown认为，含四组以上性质相近结构面的岩体，在地下开挖工程设计中按各向同性岩体来处理是合理的。另外，随着围压3增大，岩体由各向异性向各向同性转化，一般认为当3接近岩体单轴抗压强度时，可视为各向同性体。,五、岩体强度估算,（一）准岩体强度（岩体完整系数修正法）这种方法实质是用某种简单的试验指标来修正岩块强度，做为岩体强度的估算值。节理、裂隙等结构面是影响岩体的主要因素，其分布情况可通过弹性波传播来查明，弹性波穿过岩体时，遇到裂隙便发生绕射或被吸收，传播速度
36、将有所降低，裂隙越多，波速降低越大，小尺寸试件含裂隙少，传播速度大。,五、岩体强度估算,根据弹性波在岩石试块和岩体中的传播速度比，可判断岩体中裂隙发育程度，称此比值的平方为岩体完整性系数或龟裂系数。,式中，Vml为岩体中弹性波纵波传播速度 Vcl为岩块中弹性波纵波传播速度,五、岩体强度估算,准岩体抗压强度：mc=Kc准岩体抗拉强度：mt=Kt,五、岩体强度估算,（二）HokeBrown经验方程Hoke和Brown根据岩体性质的理论与实践经验，用试验法导出了岩块和岩体破坏时主应力之间的关系：,式中：m、s为与岩性及结构面情况有关的常数，可查表或根据岩体分类RMR值计算。,五、岩体强度估算,剪应力
37、正应力表达式：,式中，为岩体的剪切强度；为岩体法向应力； A、B为常数，查表。,五、岩体强度估算,由HokeBrown经验方程估算岩体抗压强度,由HokeBrown经验方程估算岩体抗拉强度,五、岩体强度估算,岩体材料参数m、s的RMR分类系统评分确定：对于扰动岩体：,对于未扰动岩体,式中：mi完整岩石的m值，可由三轴试验的结果确定。,五、岩体强度估算,根据已知的岩体材料参数m、s，便可较方便地确定摩尔库仑准则中的岩体强度参数。首先假定滑动面上的正应力n，然后按下式计算：,五、岩体强度估算,Hoek曾指出，m与库伦莫尔判据中的内摩擦角非常类似，而s则相当于内聚力C值。如果这样，根据HoekBro
38、wn提供的常数，m最大为25，显然这时估算的岩体强度偏低，特别是在低围压下及较坚硬完整的岩体条件下，估算的三轴强度明显偏低。但对于受构造扰动及结构面较发育的裂隙化岩体，Hoek(1987)认为用这一方法估算是合理的。,五、岩体强度估算,（三）岩体粘聚力Cm的Simpson法估算法辛普森（Simpson）经验方法认为，岩体粘聚力Cm与完整岩块粘聚力CI和裂隙密度i之间有如下关系：,五、岩体强度估算,(四）岩体粘聚力Cm的费辛柯法估算费辛柯（）经验方法的岩体粘聚力Cm计算公式为：式中：H边坡高度（m）； L裂隙间距（m）； a由岩块强度和结构面分布特征所决定的系数。,五、岩体强度估算,（五）内摩擦
39、角经验折减法岩体内摩擦角应介于完整岩块内摩擦角与不连续面内摩擦角之间，一些经验丰富的岩石力学专家总结大量的试验数据认为完整岩石内摩擦系数是裂隙岩体的1.101.20倍。,五、岩体强度估算,（六）粘聚力经验折减法国内相关院校及科研设计部门，根据多年从事边坡工程的经验，提出将岩石粘聚力折减1020倍做为岩体的粘聚力。,第2.5节结束，谢谢！,2.6 岩体力学性能的现场测试,室内试验的缺点：岩样体积小、脱离岩体的地质环境、不能充分反映岩体的力学性能。岩体的野外现场测试：相对来讲能较为全面的反映岩体力学性能的全貌，这是室内试验所不及的。,一、岩体现场变形试验,岩体的变形试验有静力法和动力法两种。 静力
40、法是指岩体现场变形试验时以静力荷载进行加载。动力法是指施加于岩体上的荷载为动力荷载。常用的静力法有承压板荷载试验法（或称平板荷载法）和径向荷载试验法。 通常测求岩体的弹性模量Ee及变形模量Ed用承压板荷载试验，测求岩石的弹性抗力系数采用径向荷载试验。,一、岩体现场变形试验,（一）承压板荷载试验1.定义：用千斤顶加荷于垫板上，使荷载传到岩体中，称承压板荷载试验法。2.设备装置的主要组成： （1）垫板（承压板)：一般为方形或圆形，面积为0.25-1.20m2，材料弹性或刚性。 （2）加荷装置（千斤顶或压力枕） （3）传力装置（传力支柱、传力柱垫板）； （4）变形量测装置（测微计）；,一、岩体现场变
41、形试验,第2.7节结束，谢谢！,堆载试验,岩体现场变形试验加荷过程示意图,一、岩体现场变形试验,（5）加荷方法有小循环和大循环两种。小循环分为多次循环和单次循环。多次小循环加载比相同荷载下常规加载岩体产生的总变形大(蠕变现象),3. 量测压力和位移，绘制PS曲线,4.算式 (测出压力和位移，计算岩体的变形模量E),把岩体看作一个弹性半无限空间，用布辛涅斯克方程求得岩体表面的垂直向位移。,(1)垫板为柔性垫板(3种位移),a.岩体表面上垫板的中点处垂直位移,式中：p-荷载; r-垫板的半径; -岩体的泊松比; E岩体的弹性模量,一、岩体现场变形试验,b.垫板的平均位移,式中，A-受荷表面的面积；
42、m-系数，它取决于垫板的形状、刚度以及荷载分布等情况，其m值可查表,c.带孔柔性垫板(中心有孔的压力枕)中心点的垂直位移,一、岩体现场变形试验,（2）垫板为刚性垫板时,式中：a和b为垫板的边长,一、岩体现场变形试验,（二）径向荷载试验,要点：在岩体中开挖一个圆形洞室，然后在这个洞室的某一段长度上施加垂直于岩体表面的均匀压力, 测求岩体抗力系数K和弹性模量E 。 用水施加压力称为水压法；用压力枕施加压称为压力枕法(又称奥地利荷载试验),一、岩体现场变形试验,试验对岩体施加荷载，造成洞中一定长度内的岩体产生径向压缩，岩体变形控制在弹性阶段。变形模量可按弹性厚壁圆筒理论求得：,式中 u1 - 半径为
43、r岩体内的径向位移,一、岩体现场变形试验,推算弹性抗力系数K,定义：洞室表面产生单位位移的应力,利用弹性厚壁圆筒理论推出：,K愈大岩体弹性抗力愈大，愈有利于衬砌的稳定。,既,一、岩体现场变形试验,（三）狭缝压力枕荷载试验(2种) 方法1要点：将岩体切割成槽，把压力枕埋于槽内，并用水泥砂浆浇注，使压力枕的两个面都能很好地与槽两侧岩面接触。,变形模量,式中：p-压力枕给岩面的总荷载 ；A-加载面的面积；Vs-岩面的平均位移,一、岩体现场变形试验,方法2要点：在垂直岩壁上刻槽布置，则岩体的变形模量E可按布辛涅斯克的弹性理论求得。当实测位移已知时，变形模量为：,式中：p-压力枕施加的单位压力（MPa）
44、,l直槽宽度（近似用压力枕的宽度代替）(cm) yx轴到测点的距离（cm)uR测点的位移（cm）,一、岩体现场变形试验,1.要点：可按施加的推力与剪切面之间的夹角的大小来决定采用不同的加荷方法。双千斤顶试验中，一组试验不少于五块试件。,（一）双千斤顶法,二、现场岩体直剪试验,式中： p垂直千斤顶压力表读数（MPa） t 横向千斤顶压力表读数（MPa） F1垂直千斤顶活塞面积（cm2） F2-横向千斤顶活塞面积（cm2） F-试件剪切面面积（cm2） 横向推力与剪切面的夹角（通常取15),2.在不同p力作用下剪切面上的正应力和剪应力:,二、现场岩体直剪试验,注1： 当剪切面上存在节理裂隙时，抗剪
45、面积将分为剪断破坏和滑动破坏两部分，而把剪断破坏当作有效抗剪面积Fa，滑动破坏时的滑动面积为Fb。,3.绘制应力与位移特性曲线和剪应力与正应 力强度曲线,有效抗剪面积,正压力仍由全部面积承担,二、现场岩体直剪试验,（二）单千斤顶法1、要点：单千斤顶法是现场无法施加垂直应力的情况下采用的。在山坡上或平洞内的预定剪切面上挖成各种主应力方向与固定剪切面成不同倾角的试件（通常剪切面倾角为15-35）,注2 施加于试件剪切面上的压力应该包括千斤顶施加的荷重、设备和试件的重量。 注3 在计算剪应力时，应扣除由于垂直压力而产生的滚轴滚动摩擦力。,二、现场岩体直剪试验,2.破坏面上的正、剪应力计算,3.绘制岩
46、体正-剪应力强度曲线，确定强度参数,二、现场岩体直剪试验,1.试件：矩形块体，在试洞底板或洞壁的试验位置上，经过仔细凿刻和整平而成的，此矩形试件三边脱离原地岩体，而仅一边与岩体相连。试件的大小可达2.801.402.80m,试件的基底与岩体相连的面积为2.801.40m,三、现场三轴强度试验,2.加载与测试：试件制好后，把压力枕埋置在刻槽内，以便施加2和3，而1是通过垂直千斤顶或压力枕施加的。在试验中量测和记录试件的位移。,三、现场三轴强度试验,3. 测定绘制岩体应力位移关系曲线、应力圆包络线、抗剪强度曲线。确定岩体的峰值强度、残余强度及变形参数等,三、现场三轴强度试验,第2.6节结束，谢谢！
47、,2.7 岩体的水力学性质,岩体的水力学性质：岩体的渗透特性及在渗流作用下所表现出的力学性质。,基本概念,一、岩土体渗流的区别,一、岩土体渗流的区别,1、土体的特点：土体的结构比较疏松，以孔隙为主，孔隙的大小取决于土的物质组成和颗粒堆积方式。 一般来说，粘土的孔隙度最大，但孔径小，透水能力差；砂土随颗粒增大，孔隙度大，渗透性好。,一、岩土体渗流的区别,2、土体的渗流特点：、土体渗透性大小取决于土的物质组成和堆积方式，土体中颗粒愈细，渗透性愈差；、土体可看作多孔连续介质；、土体的渗透性一般具有均质各向同性特点；、土体渗流符合达西渗流定律。,一、岩土体渗流的区别,3、岩体渗流特点：、岩体渗透性大小
48、取决于岩体中结构面的性质及岩块的岩性，以裂隙渗流为主；、岩体渗流以裂隙导水，微裂隙和岩石孔隙储水为其特色；、岩体裂隙网络渗流具有定向性；、岩体一般看作非连续介质(对密集裂隙可看作等效连续介质)；,一、岩土体渗流的区别,、岩体的渗流具有高度的非均质性和各向异性；、一般岩体中的渗流符合达西渗流定律；、岩体渗流受应力场影响明显；、复杂裂隙系统中的渗流，在裂隙交叉处具有“偏流效应”，即裂隙水流经大小不等裂隙交叉处时，水流偏向宽大裂隙一侧流动。,二、岩体空隙的结构类型,1、多孔连续介质：由连续分布的多孔介质质点组成的介质称为多孔连续介质。在研究岩体水力学时，若表征体元内有充分多的孔隙和流体质点，而这个表
49、征体元相对所研究的工程区域充分小，此时可按连续介质方法研究工程岩体的力学及水力学问题。否则用非连续介质方法研究。,二、岩体空隙的结构类型,2、裂隙网络介质：裂隙个体在空间上相互交叉形成的网络状空隙结构，这种含水介质称为裂隙网络介质。 由相互贯通且裂隙中的水流为连续分布的裂隙构成的网络，称为连通裂隙网络； 由互不连通或存在阻水裂隙且裂隙中的水流为断续分布的裂隙构成的网络，称为非连通裂隙网络。,二、岩体空隙的结构类型,3、狭义双重介质：由裂隙和孔隙岩块构成的空隙结构，裂隙导水，孔隙岩块储水，这种含水介质称为狭义双重介质。,二、岩体空隙的结构类型,4、广义双重介质：由稀疏大裂隙和其间的密集裂隙岩块构
50、成的空隙结构，大裂隙导水(渗流具有定向性，控制区域渗流)，密集裂隙岩块储水及导水(渗流具有非均质各向异性，控制局部渗流)，这种含水介质称为广义双重介质。,二、岩体空隙的结构类型,5、溶隙管道介质：由稀疏大岩溶管道(或暗河)和溶蚀网络构成的空隙结构，岩溶管道(或暗河)中水流为紊流(具有定向性，控制区域流)，溶隙网络中水流符合层流条件(渗流具有非均质各向异性，控制局部渗流)，这种含水介质称为溶隙管道介质。,三、岩体的渗流问题,岩体的渗透性：是指岩体允许透过流体(气体和液体)的能力。定量指标可用渗透率、渗透系数、渗透率张量和渗透系数张量描述。裂隙岩体的渗流问题目前仍是岩石力学研究领域的前沿问题。工程
