岩石结构面、力学性质岩体力学.ppt

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1、3.1 概述 工程涉及的实际岩体与实验室内测试的岩石试件的力学性能有着很大的差别，引起这种差别的主要因素有：（1）岩体的非连续性；（2）岩体的非均质性；（3）岩体的各向异性；（4）岩体的含水性等。其中最关键的因素是岩体的非连续性。,结构面（亦称弱面）：岩体内存在的各种地质界面，包括：不连续面和物质分异面，如裂隙、节理、层理、软弱夹层、断层及断裂破碎带等。,结构体（亦称岩块）：岩体中的各种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，称为结构体。,岩体的变形与强度，取决于构成岩体的岩块和结构面的力学性能。结构面弱化了岩体的力学性能，决定了岩体工程的稳定性，导

2、致岩体的各向异性，成为岩体渗流的主要通道。大至地震、滑坡，小到地下工程的冒顶、片邦，一般都是沿结构面活动和发展的。,3.2 岩体结构的基本类型 岩体结构是指岩体中结构面与结构体的空间排列组合特征。岩体结构包括两个基本要素或称结构单元，即结构面和结构体。3.2.1 结构体特征 结构体的大小及形态主要取决于结构面的密度及其空间组合关系。结构体常见的形状有：块状、柱状、层状、板状、碎块状及碎屑状。,3.2.2 岩体结构的类型 在岩土工程勘察规范（GB 50021-2001）中，将岩体结构划分为5大类（见下表）。,3.3 结构面的特性3.3.1 结构面的几何特征3.3.1.1 结构面的产状 是指结构面

3、在空间的分布状态，可由走向、倾向和倾角三要素来表示。（1）走向：是指结构面与水平面相交的交线方向；（2）倾向：是与走向成垂直的方向，它是结构面上倾斜线最陡的方向；（3）倾角：是指水平面与结构面之间所夹的最大角度。由于走向可根据倾向来加以推算，故一般只用倾向、倾角来表示。,结构面产状由倾向角和 倾角确定。表示结构面的外法线，设为单位矢量，则在坐标轴上的分量分别为：sinsin，sincos,con。这样，结构面的空间方位就可用单位矢量来表示，即=(sinsin,sincos,con),3.3.1.2 结构面的连续性 结构面的连续性又称为结构面的延展性或贯通性，常用迹长、线连续性系数和面连续性系数

4、表示。（1）迹长 结构面与勘测面交线的长度，称为迹长。国际岩石力学学会(ISRM，1978年)制订的分级标准(见下表)。,（2）线连续性系数 Kl 是指沿结构面延伸方向上，结构面各段长度之和与测线长度的比值。,（3）面连续性系数 Ka 是指结构面延伸方向，结构面面积之和与被测试岩体总面积的比值，即 式中：a结构面面积之和，m2；A被测试岩体总面积，m2；,3.3.1.3 结构面的密度 是指结构面发育的密集程度，常用线密度、间距等指标表示。（1）线密度 K：是指结构面法线方向单位测线长度上交切结构面的条数(条m)；（2）间距d：是指同一组结构面法线方向上两相邻结构面的平均距离。两者互为倒数关系，

5、即,当岩体上有组方向的结构面时，如下图所示，有两组结构面：则沿测线上的n组结构面间距为：,.,结构面的密度为：ISRM(1978年)结构面密度分级标准（见下表）。,3.3.1.4 结构面的张开度 是指结构面两壁面间的垂直距离，分级见下表。,注意：一般张开结构面具有较大的张开度，往往成为地下水的通道。在漫长的地质年代作用下，水流中得一部分物质残留或沉积在结构面中；结构面的面壁被风化后，也会有一部分物质遗留下来；另外，由于后期的地质作用，使得张开的裂缝由一些矿物重新胶结在一起等。这些处在结构面裂缝中的物质被称作充填物，此时结构面的强度将主要由充填物决定。,3.3.1.5 结构面的形态 通常用结构面

6、侧壁的粗糙度及起伏度来描述。（1）结构面的粗糙度 可用粗糙度系数JRC（Joint Roughness Cocfficient）来表示。巴顿（Barton，1977）提出将结构面粗糙度分为10级，分别给出了典型剖面及JRC的值，见右图。,在实际工作中，可用结构面纵剖面仪测出待测结构面的实际粗糙剖面，然后与上图的标准剖面对比确定结构面的粗糙度系数。这种方法显然带有目测的主观性，误差较大。比较准确的方法是采用巴顿提出的结构面抗剪强度公式，通过结构面压剪试验，反算结构面粗糙度系数，即,式中：结构面压剪试验峰值时的剪应力，MPa；结构面压剪试验峰值时的正应力，MPa；基本摩擦角（未风化平滑结构面的摩擦

7、角），；JCS结构面壁面抗压强度，MPa。,国际岩石力学学会（ISRM）建议采用施密特锤（Schmidt锤，即回弹仪）测试结构面壁面抗压强度。根据实验测定的回弹值，按下式计算，即 式中：岩石的重度，kN/m3；R回弹值（无因次）。,（2）结构面的起伏度 可用起伏角来描述，见下图。,3.3.2 结构面的分类按地质成因分类 根据地质成因的不同，可将结构面划分为：（1）原生结构面 沉积结构面；岩浆结构面；变质结构面。（2）构造结构面（3）次生结构面,3.3.2.2 按结构面破坏属性分类 缪勒(Mller)根据岩体结构面的破坏属性和分布密度两方面的因素，将结构面分为5大类型：（1）单个节理；（2）节理

8、组；（3）节理群；（4）节理带；（5）破坏带或糜棱岩。再考虑按节理中的充填材料性质和充填程度，又将每种类型分成3个细类。这样，共将结构面分为15个细类。,1a-粗节理；2a-粗节理组；3a-巨节理群；4a-带有羽毛状节理的粗节理；5a-破裂带；1b-充填风化物的粗节理；2b-充填风化物的粗节理组；3b-带有巨节理的破坏带；4b-带有边缘粗节理的破坏带；5b-近糜棱岩（构造角砾）带；1c-有粘土充填的粗节理；1-由粘土组成的破坏带的粗节理；2c-充填粘土的粗节理群；3c-带有糜棱岩的巨节理；4c-带有粗节理的糜棱岩带；5c-糜棱岩带,3.3.3 结构面的分级（见下表）,3.3.4 结构面的试验方

9、法 对于结构面，其尺寸从几厘米到数十千米。在进行岩体的稳定性分析时，对于结构面的影响不可能不分巨细地一概单独考虑。通常认为极细小的结构面，其影响包含在岩块的变形或强度试验指标中；较小的结构面，其影响则包含在岩体的变形或强度试验指标中；对于与工程尺度相当的较大型结构面，如隧道围岩中长度大于45m的结构面，其影响应该专门考虑，并进行必要的试验研究。如在有限元等数值计算方法中，一般将结构面划分为特有的“节理单元”。,结构面力学性质的研究，同样可以通过试验的方法。结构面一般为软弱的地质界面，其破坏方式一般为剪切破坏，所以研究结构面在剪应力作用下的抗剪强度及其变形性质显得格外重要。,3.3.4.1 倾斜

10、仪法 将带有弱面的岩块放在倾斜仪上，施加水平推力P，使试件沿弱面发生剪切破坏，见下图。,当试件沿结构面发生剪切破坏时，作用在结构面上的应力有：,式中：P试件沿结构面发生剪切破坏时所施加的最大荷载，MN；A剪切破坏面（即结构面）的面积，m2；倾角，；结构面的抗剪强度，MPa；作用在结构面上的正应力，MPa。,如变动倾角，就可得到一组（，）数据，并在坐标系上画出结构面的抗剪强度曲线，见下图。,3.3.4.2 直剪仪法 利用直接剪切仪测定结构面的抗剪强度及其变形性质，见下图。,一般压剪（容许剪胀）,刚性压剪（不容许剪胀）,首先施加正应力N，并保持其恒定不变。然后施加切向力T，并按一定加载速度增大T值

11、，直到试件沿结构面发生剪切破坏为止。当试件沿结构面发生剪切破坏时，作用在结构面上的应力有：,式中:T试件沿弱面发生剪切破坏时所施加的最大切向力，MN；N正压力，MN：A剪切破坏面（即结构面）的面积，m2；结构面的抗剪强度，MPa；作用在结构面上的正应力，MPa。,试验时，取n个相同的岩石试件，并含有相同的结构面。每次试验时所施加的N值都不相同，这样便得到n组（，）数据，并在坐标系中标出这些试验点，同样可获得结构面的抗剪强度曲线。,3.3.4.3 三轴仪法 当结构面具有很大的倾角时，可采用三轴压缩试验的方法确定结构面的抗剪强度曲线。采用圆柱形试件，含有结构面，如下图所示。,首先保持围压恒定不变，

12、并按一定加载速度增加轴压直至试件沿结构面发生剪切破坏，记录下试件沿结构面发生剪切破坏时的轴向应力和围压。,试验时，取n个相同的岩石试件，并含有相同的结构面。但每次施加的围压都不相同，这样便可得到n组剪切破坏时的（1，3）数据，从而可画出一组极限应力圆，如下图所示。在极限应力圆上找出代表弱面的点，连接这些点便得到结构面的强度曲线。,3.3.4.4 现场试验法(原位)在现场就地切割岩体，靠千斤顶或扁千斤顶施加正应力和剪切力，从而测定结构面的抗剪强度。,1施加正压力的扁千斤顶；2施加剪切力的扁千斤顶；3混凝土垫层；4石灰岩；5褐煤,3.3.5 结构面的变形性质结构面在受压时可能闭合，充填物被压密；受

13、拉时可能脱开；受剪时其上下岩面可能沿弱面发生相对错动。,3.3.5.1 结构面的压缩变形性质（1）“-v”曲线 在法向应力作用下结构面的法向变形特征通常用“-v”曲线来表示（为作用在结构面上的法向应力，v为结构面法向相对变形）。采用上述试验方法不施加剪应力，便可获得结构面的“-v”曲线。,（a）具有抗拉能力的结构面；（b）无抗拉能力的结构面。结构面在天然岩体中的初始应力；St 结构面的抗拉强度；Vmc 结构面的极限压密量,试验结果表明，“-v”曲线不是线性的，因而其法向刚度系数Kn（“-v”曲线的切线斜率）也不是常数。当法向应力大于初始应力（。）时，结构面闭合。当法向应力小于初始应力（。）时，

14、结构面要张开。有抗拉能力的结构面和无抗拉能力的结构面的曲线形式有所不同。一般情况下，只研究。条件下结构面的压缩变形性质及其本构关系。,（2）古德曼与班迪斯（）经验方程“-v”曲线可以通过上述试验方法确定，古德曼（R.E.Goodman,1974年）提出用下面的经验方程来拟合，即,式中：。结构面在天然岩体中的初始应力，MPa；Vmc 极限压密量（即结构面的法向最大压缩量），mm；A，t试验参数。,班迪斯（S.C.Bandis,1984年）提出了双曲线形关系式，即,式中：a，b试验参数。,3.3.5.2 结构面的剪切变形性质（1）“-u”曲线 在法向应力恒定条件下结构面的剪切变形特征通常用“-u”

15、曲线来表示（为作用在结构面上的剪应力，u为结构面相对剪切位移），简称为剪切位移曲线。大量的试验结果表明，单组结构面的“-u”曲线均为非线性曲线。根据剪切变形机理不同，可分为脆性变形型（下图的A曲线）和塑性变形型（下图的B曲线）两类曲线。,曲线的切线斜率Ks（称为“切向刚度系数”）,（2）力学模型及本构方程 塑性变形型一般简化为弹塑性模型。,脆性变形型一般简化为多线性模型。,（3）法向应力的影响,值越大，产生同样剪切位移所需的剪应力越大,3.3.5.3 剪切膨胀特性 许多岩体在剪切破坏过程中要发生体积膨胀，这是因为结构面或软弱夹层两壁不可能十分光滑，剪切破坏面也不可能很平整的缘故。我们把在法向应

16、力作用下沿着具有一定粗糙度的裂面剪切时所产生的体积膨胀现象称为剪胀现象，亦称扩容现象。下图给出了某地大理岩夹层面剪切试验时的实测“vu”曲线。,剪胀现象也是近年来研究较多的重要现象，由于岩体的剪胀或碎胀，对支护体要产生较大的附加压力。,3.3.6 结构面的抗剪强度 在工程荷载作用下，岩体破坏常以沿某结构面的滑动破坏为主。因此，在岩体力学中主要研究结构面的抗剪强度。结构面的抗剪强度取决于：结构面的接触类型；壁面情况及粗糙程度；两侧岩石的性质；充填物的性质等。,结构面的接触类型主要有6种：,（a）开口节理；（b）充填节理；（c）啮合齿状节理；（d）非啮合节理；（e）单层块状充填节理；（f）多层块状

17、充填节理,3.3.6.1 充填节理的抗剪强度准则 对于充填节理，其抗剪强度主要取决于充填物的性质。一般认为服从库仑准则，即,式中:Ci 充填物的粘结力，MPa；i 充填物的内摩擦角，；，结构面发生剪切破坏时的剪应力与正应力，MPa。,3.3.6.2 啮合齿状结构面的抗剪强度准则天然状态中的岩体结构面多数都是粗糙起伏的，通常把这种起伏假设为齿状，当结构面发生剪切破坏时，岩体的上盘顺齿面上升，显示出剪胀效应（俗称“爬坡效应”），这种效应增加了结构面的抗剪强度。其剪胀程度与结构面上的法向应力密切相关，法向应力越大，剪胀越小。这是因为推动上盘岩体滑动所需的剪切力随着法向应力增加而增大，当增大到某极限时

18、，结构面的接触齿就会被剪断（俗称“切齿效应”）。齿被剪断后变为充填物，此时啮合齿状结构面转变为充填结构面。,(1)齿的作用分析 无齿时（平直结构面）：或 时，即滑动。有齿时（规则齿状结构面）：则，有齿时的滑动（极限平衡）条件为：,对于规则齿形结构面，与无齿时的平直结构面相比较，相当于内摩擦角增加了“i”角，i称为滑升角。这说明，由于起伏齿的作用，使得结构面的内摩擦角从增加到（+i），从而提高了结构面的抗剪强度，这是爬坡效应爬坡效应所产生的必然结果。,事实上，啮合齿状节理不可能为规则的锯齿形。那么滑升角i值应该怎样确定呢？巴顿（N.Barton，1977年）通过试验建立了下面的经验公式，即,式中

19、:JRC结构面粗糙度系数，无因次；JCS壁面抗压强度，MPa；结构面所受的正应力，MPa。,（2）佩顿（）双线性强度准则,当 t 时，剪切滑移时齿互相骑越，产生爬坡效应，齿没有被剪断，表现为摩擦强度特征，则式中：i滑升角，；基本内摩擦角（未风化平直结构面的内摩擦角），。,当t 时，剪切滑移时齿被剪断，产生切齿效应，从而表现出似粘结力 Cr，结构面的内摩擦角降低至r，则 式中：Cr 因齿被剪断而呈现出的似（等效）粘结力，MPa；r 齿剪断后结构面的内摩擦角，。,（3）莱旦尼（Ladanyi）与阿彻姆包特（Archambault）准则（简称L&A准则）莱旦尼与阿彻姆包特认为，结构面的总剪切破坏力是

20、由四部分组成的，即：克服平直结构面摩擦力所需要的剪切力；使倾斜结构面上块滑升所需要的剪切力；克服结构面斜齿面在垂直投影面上摩擦力所需要的剪切力；使一部分齿被剪断所需要的剪切力。,准则方程为：,式中：s 比例系数（即齿被剪断部位总面积与结构面总剪切面积之比），其值为0s 1；Kv剪胀率（结构面的垂直位移与水平位移之比，即）；C0 结构面两侧岩石的粘结力，MPa；0结构面两侧岩石的内摩擦角，；,s和Kv 的经验公式：,式中：L,K 经验系数，对粗糙岩面K=4；L=1.5。,几点讨论：1）L&A准则图形如下图所示，为一连续的弯转曲线。试验结果表明，该准则方程及其曲线能很好地拟合一些齿状结构面的试验结

21、果。,2）当结构面上的正应力较低时，不会出现切齿现象，则s=0,可得Kv=tan i，=tan(+i)与佩顿双线性强度准则相同；3）当结构面的正应力达到了结构面的壁面抗压强度，即=JRS时，可得s=1，Kv=0，=C0+tan0，转化为岩块强度的库仑准则；4）当无剪胀时，Kv=0，可得：,L&A准则同时考虑了齿被部分剪断和剪胀现象，是比较完善的结构面强度理论。但由于比例系数s与结构面的接触类型、结构面所受正应力、节理的啮合情况等许多因素有关，其值较难精确确定，故在一定程度上限制了该理论的实际应用。而对于双线性强度准则，由于概念清晰，参数少，在工程中应用较为广泛。,3.3.6.3 结构面剪切破坏

22、的判断方法及影响区间 在实际工程中，往往可以通过测试手段测出主应力的大小及作用方向，也可探明结构面与主应力方向相交的角度，如下图所示。,在这种条件下，怎样判断作用在结构面上的剪应力是否达到或超过其抗剪强度而使结构面发生剪切破坏呢？,首先在坐标系统绘制拟判断结构面的强度曲线。然后在同一图上，根据岩体中的最大主应力1和最小主应力3绘制应力圆，并在应力圆上定出代表结构面应力状态的点。因为结构面与最小主应力3的夹角为，所以应当从3做一直线AB与轴呈角。直线AB与应力圆相交于M点，该点就是代表结构面应力状态的点，M点的坐标（，）即为作用于结构面上的应力值。根据M点是落在强度曲线上方或下方，来判断结构面是

23、否发生破坏。当M点落在AF弧（不包括F点）或DE弧（不包括D点）上时，(为结构面抗剪强度)，表示M点代表的结构面不会发生剪切破坏；当M点落在F、D两点上时，表示刚好沿结构面发生剪切破坏(或称之为极限平衡状态)；当M点落在FD弧（不包括F、D点）上时，表示岩体早已沿结构面发生剪切破坏，这种状态事实上不可能存在。,从上述分析可以看出，当结构面与最小主应力3作用方向的夹角在1与2区间内时，岩体才会沿结构面破坏。如果结构面不是位于这两个角度范围内，它就不能对岩体强度起控制作用，岩体将沿新的某个剪切面破坏。则1，2定义为结构面的影响区间。,3.3.7 影响结构面力学性质的因素结构面是岩体中的薄弱环节，其

24、力学性质的影响因素包括：结构面两侧岩石的力学性质（已讲）；结构面几何特征（已讲）；充填物的性质（已讲）；结构面的尺寸大小；前期变形历史；含水量；后期加载过程等。,3.3.7.1 尺寸效应（表现规律）（1）随着结构面面积的增加，峰值剪应力（峰值强度）呈现减小趋势；（2）随着结构面尺寸的增大，达到峰值强度的位移量增大；（3）随着尺寸的增大，剪切破坏形式由脆性变形型向塑性变形型转化；（4）尺寸加大，峰值剪胀率减小；（5）随结构面粗糙度减小，尺寸效应也减小。,3.3.7.2 前期变形历史天然岩体中的结构面在形成过程中和形成之后，大多经历过位移或变形。新鲜结构面的抗剪强度明显高于受过剪切作用结构面的抗剪

25、强度，即结构面的抗剪强度与变形历史密切相关。耶格（）通过试验发现，当第1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，试验还保留峰值与残余值的区别，当进行到第15次时，峰值与残余值已非常接近。,3.3.7.3 含水量水对泥夹层有软化作用，含水量的增加使泥质矿物粘结力和结构面内摩擦角急剧下降，使结构面的抗剪强度大幅度下降。暴雨引发岩体沿结构面发生滑坡事故，正是由于结构面含水量增加的缘故。水对岩体稳定性的影响是不可忽视的。,3.3.7.4 时效性（监测的重要性）有些结构面具有时效性，在恒定荷载下会产生蠕变变形。一般认为，充填结构面长期抗剪强度比瞬时抗剪强

26、度低15%20%。对于泥化夹层，抗剪强度的时效性主要表现在c值的降低，而对内摩擦角影响较小。由于结构面抗剪强度表现出时效性，必须注意岩体长期抗剪强度的变化与预测，保证岩体的长期稳定性。,3.4 岩体的力学性质3.4.1 一般概念3.4.1.1 岩体与岩块（岩石）的区别岩体是整个地质母体中的一部分，在岩体内部有着许多结构面。这些结构面把岩体分割成各种类型和尺寸的岩石块体，从而把岩体变成既连续又不连续的裂隙体。岩体是由结构面和岩块（又叫岩石）两个基本单元构成的自然地质体。,岩体与岩块的区别主要体现在以下几个方面：（1）组构方面1）岩块含岩石材料及微小裂隙；2）岩体含岩石及较大的多组结构面。,（2）

27、力学性质方面 1）岩体的力学性质不仅取决于岩块，而且更重要地取决于结构面的力学性质，是二者的综合反映。2）由于结构面的存在，岩体与岩块相比：弹性模量小、峰值强度低、残余强度低、变形大、泊松比大，且各向异性。,1岩石的应力应变曲线；2岩体的应力应变曲线,3）岩体是一种多介质的裂隙体。在自然界中岩体有时表现为散体状，有时表现为碎裂状或整体状，因而形成“松散体 弱面体 连续体”的一个系列。弱面体存在有两种极端状态：一种是岩体中弱面（结构面）很少或几乎没有，则基本上可看做是均质连续体。此时,岩体的力学性质与岩石相差无几；另一种是岩体中弱面充分发育，将岩体切割成碎块状，可视为松散体。此时，岩体的力学性质

28、与岩块相差较大，如其强度仅为岩石强度的几分之一至几十分之一。,4）岩体是地质体的一部分，它的边界条件就是周围的地质体。这说明岩体位于一定的地质物理环境中，如水、空气、地温等。它们不仅对岩体的力学性质有很大影响，而且本身往往是使工程岩体不稳定的重要因素，在评价岩体稳定性时不容忽视。,3.4.1.2 尺寸效应 取不同尺寸的岩体试件（试体）进行试验，其强度将随尺寸的加大而减小，如下图所示。这种岩体的力学性质因试体的尺寸不同而变化的现象称为尺寸效应。,A为试体的横截面积，Sc为岩体的单轴抗压强度。可见，大部分岩石在 m时，曲线平缓，即性状稳定。故该尺寸可作为岩体与岩石的尺寸界限。,3.4.2 岩体试验

29、方法 岩体试验原则上与岩块试验无本质区别，一般也要进行单轴压缩试验、三轴压缩试验和剪切试验等。不同的是三大：（1）试体大：根据尺寸效应，试体尺寸一般为0.51.5m，近年来有逐渐加大的趋势；（2）设备大：由于试体尺寸大，就需要较大的加载设备，有足够的能力使试体破坏；（3）代价大：岩体试验一般多在现场原位就地切割岩体，试验较为困难，造价高。,3.4.2.1 现场岩体试验（1）岩体单轴抗压强度的测定 从岩体中切割出一个平面尺寸为(0.51.5)m(0.51.5)m，仅与地下工程底板岩体连接的整体岩柱。岩柱高度不应小于平面尺寸，在岩柱（试体）顶与地下工程顶板之间设置垫层2和压力枕3。为使载荷均匀分布

30、在试体上，在试体端面和与其对应的地下工程顶板表面敷抹一层水泥砂浆1。,1水泥砂浆；2垫层；3压力枕（扁液压千斤顶）,在试验过程中，载荷是逐渐施加的。每施加一级荷载，便可测定出试体相应的变形量，可获得岩体的应力应变曲线，以及岩体的变形指标（如岩体的弹性模量和泊松比等）。同时，根据试体破坏时压力枕施加的最大荷载及试体的横截面积，可计算出岩体的单轴抗压强度。(双面变形),（2）岩体抗剪强度的测定 在现场进行岩体抗剪强度试验，一般采用双液压千斤顶法。,试体的底面积一般为(0.54.0)m2，采用液压千斤顶加载。试验时先用垂直千斤顶施加竖向压力P，并固定在某一值上。然后施加倾斜力T，直到试体沿AB面发生

31、剪切破坏为止。设试体的抗剪面积为FAB，则试体剪切破坏时作用在AB面上的应力为：,1砂浆顶板；2钢板；3传力柱；4千斤顶；5滚轴排；6钢筋混凝土保护罩；7斜垫板；8混凝土后座,式中：岩体的抗剪强度，MPa；剪切破坏面上的正应力，MPa,每组试体应有5个以上，每次施加的垂直压力P都不同，则可获得多组（，）数据。在坐标系上绘出这些点，可得到岩体的强度曲线，图中c、分别为岩体的粘结力和内摩擦角。,采用现场岩体三轴压缩试验，也可测定岩体的c、值。,1-混凝土顶座；2-垫板；3-传力柱；4-垫板；5-球面垫；6-垫板；7-压力枕；8-试体；9-液压千斤顶；10-钢筋混凝土保护罩,采用液压千斤顶施加轴向荷

32、载，用压力枕施加侧向荷载。依据侧向荷载施加的不同，现场岩体三轴压缩试验分为等围压三轴试验（2=3）和真三轴试验（123）。研究表明,中间主应力在岩体力学性质中起着不可忽视的作用，多结构面岩体尤为如此。,（3）岩体变形模量的测定 岩体变形模量是反映岩体变形特征的重要力学参数，岩体变形模量E0定义为：,式中：岩体所受的压应力，MPa；岩体在压应力作用下产生的总应变，=e+p；e岩体产生的可恢复的弹性应变；p岩体产生的不可恢复的塑性应变。,弹性模量：,1）承压板法 在地下工程底板选择具有代表性的岩面，作为试验承载面，并清除浮石，平整岩面。依次装上承压板、千斤顶、传力柱和变形计等（见下图）。,1-千斤

33、顶；2-传力柱；3-钢板；4-混凝土顶板；5-变形计；6-承压板,承压板的形状一般为方形或圆形，面积为0.251.20m2,材料可以是弹性的，也可以为刚性的。,将预定的最大荷载分为若干级，采用逐级一次循环法加载。,记录下各级循环加载时的位移值，绘制压力位移（P W）曲线。,利用弹性理论中的布辛奈斯克（，1885年）公式，计算岩体的变形模量E0和弹性模量E，即,式中：P承压板单位面积上的压力，MPa；D承压板的直径或边长，m；W，We分别为对应P下的岩体总位移和弹性位移，m；0岩体的泊松比；与承压板形状和刚度有关的系数。对圆形刚性承压板=0.79；方形刚性承压板=0.88；圆形柔性承压板=0.8

34、5；方形柔性承压板=0.95。,承压板法是在岩体表面进行的，研究发现表面承压板法测得的岩体变形模量偏低，分析认为主要是工程爆破扰动、开挖引起岩体表面应力释放等原因造成围岩表面附近岩体大多发生了不同程度的松动所致。目前，已开始应用孔底承压板法来测定岩体变形模量（见下图），其计算公式与表面承压板法相同。,1刚性承压板；2刚性传力柱;3变形传递杆；4定位块；5变形测量杆；6球面座；7液压千斤顶；8反力架,2）钻孔变形法,首先钻地质孔到预定测试的深度，并安装钻孔封闭器、注水管和径向位移计、压力表等设备；然后利用水泵注水，通过钻孔对测试段钻孔施加均匀的径向荷载，同时测记各级压力P（MPa）作用下的的径向

35、变形u。,根据弹性理论中受压圆筒的压力-位移关系推出岩体变形模量计算公式为：,式中:P 计算压力，MPa；d钻孔直径，cm；u对应压力时的钻孔壁径向变形，cm。,钻孔变形法与承压板法有如下优点：对岩体扰动小；可在地下水位以下及较深岩体部位进行；试验方向基本上不受限制，试验压力可以达到很大值；一次试验可以同时测量几个方向的变形，便于研究岩体的各向异性。但钻孔变形法试验涉及的岩体体积小，存在代表性误差。,3.4.2.2 室内岩体试验原位切割试体的工程浩大，费用高昂，且受地下工程具体条件的限制，测试精度不高。1981年，德国某工程用大型钻机钻取0.5m1.15m的大型圆柱状试体，运回室内用大型三轴仪

36、进行试验，测定岩体在三向应力状态下的强度与变形特性，这是今后的发展方向之一。,3.4.3 岩体的变形特征（规律）岩体由岩块和结构面组成，岩体的变形特征则由两者的变形特征控制，是2种变形的组合。岩块的变形主要由体积变形和形状变形组成，而结构面的变形则为结构面的张开或闭合，充填物压密以及结构体滑移与转动等变形，且结构面的变形通常起着控制作用。岩体的变形特征与岩块有较大的差别，表现为非连续性、非均质性、各向异性和突变性。,岩块虽然在微观上同样具有各向异性、不均质性与不连续性，但从宏观上看，当研究问题的范围扩大到岩体规模时，则可以相对地把岩块看成是连续的、均质的、各向同性的材料。岩体则不同，由于结构面

37、的存在，使其变为极为复杂的变形体。在实验室对岩块测定的变形特性与在岩体中测定的变形特性将有很大的不同。例如，一般实验室方法测定的变形模量与直接在岩体中测定的变形模量之比平均为2.8，在个别情况下达4.4。在变形模量上这种明显的不同，基本上是与岩体中有大裂隙有关，而这种大裂隙在试件中是不存在的。岩体的变形性质主要通过原位岩体变形试验进行研究。,3.4.3.1 岩体压缩变形 从宏观上研究岩体的变形特性，同样可以通过对试体进行试验的方法，以获得岩体的“全应力-应变”曲线（见下图）。,（1）压密阶段（）（2）弹性阶段（）（3）塑性阶段（）（4）破裂与破坏阶段（）,岩体的“全应力应变”曲线与岩块是相似的

38、，即宏观表现是相似的。但弹性模量、峰值强度和残余强度有所降低，泊松比则有所提高。,3.4.3.2 岩体剪切变形 岩体的剪切变形是许多岩体工程，特别是边坡工程中最常见的一种变形模式，如边坡滑坡、坝基底部滑移等。,左图为岩体剪切变形曲线，未达到屈服点时，剪切变形曲线与压缩变形曲线相似。屈服点以后，岩体内某个结构面或结构体可能首先被剪坏，随之出现应力降。在剪应力未达到峰值强度之前，甚至会有多次应力降，这是发生切齿效应的必然结果。当剪应力达到峰值强度时，未剪坏部位瞬间全部剪切破坏，并伴有大的应力降，随后岩体可能产生稳定滑移。,3.4.3.3 影响岩体变形性质的因素（1）岩体岩块（岩石材料）性质；（2）

39、岩体中结构面发育程度；（3）承压板面积（随着承压板面积的增大，岩体变形模量减小）；（4）侧向压力（围压越大，测得的岩体弹性模量越大）；（5）各向异性（垂直于结构面加载测得的变形模量一般小于平行结构面加载所测得的值）。（6）温度（随着温度的增高，岩体变形模量和屈服点随之降低）。,3.4.4 岩体的强度3.4.4.1 岩体的强度特征岩块与岩体在强度方面的区别主要在于它们的结构不同。前者受微小的裂隙控制，而后者是受宏观的结构面控制，因而岩块与岩体强度有显著差别。岩块可近似视为均质各向同性连续体，而岩体是各向异性的不连续体。岩块强度高，岩体强度低，尤其是抗拉强度表现更为显著。,岩体强度决定于结构面和岩

40、块的强度。岩体的抗剪强度曲线必然介于结构面抗剪强度曲线和岩石强度曲线之间。,岩体强度特征（反映几种影响因素）（1）岩体强度明显表现出尺寸效应。随岩体尺寸的增大，岩体的强度逐渐降低；（2）岩体强度明显与所受的应力状态有关。随着侧向应力的增大，结构面对岩体强度的影响减弱。即在低围压下岩体强度明显地表现出结构效应，而在高围压下，结构面的影响不甚明显，其力学特征近似完整岩石；（3）岩体强度明显表现出各向异性；（4）岩体的强度明显与地下水有关。一般随含水量的增加而降低，特别是对于软岩或含有泥质充填结构面的岩体。,3.4.4.2 岩体强度的确定方法（1）岩体试验方法通过现场或室内试验方法确定岩体的抗压强度

41、、抗剪强度和变形模量等。大型岩体试验，虽然能真实地反映岩体的强度与变形特性，但由于成本昂贵、费时费力，只有在重要工程中采用。对于普通的岩土工程或地下工程，期望有一种简便的确定岩体强度的方法。,（2）岩体强度的经验评定 可根据岩块强度来间接确定岩体强度。1）钻孔取芯法 通过确定岩体质量系数来估计岩体的强度，即 式中：k岩体质量系数。,岩体质量系数可根据取芯钻进结果，按下式计算：,式中：L取芯钻孔总长度，cm；n单节长度大于或等于10cm的岩芯块数；li单节长度大于或等于10cm的岩芯长度，cm岩石RQD是岩石的质量指标，用直径为75mm的金刚石钻头和双层岩芯管在岩石中钻进，连续取芯，回次钻进所取

42、岩芯中，长度大于10cm的岩芯段长度之和与该回次进尺的比值，以百分比表示。,岩体质量指标：岩体质量系数k用百分数来表示，称为岩体质量指标，记为RQD（Rock Quality Designation），即,用岩芯质量系数Cg来评价岩体的强度，即,式中：Cg岩芯质量系数。岩芯质量系数可按下式确定，即,式中：L取芯钻孔总长度，m；p在取得的岩芯中可锯成长度等于岩芯直径的岩块数；D岩芯直径，m；K钻取的岩芯块段（其长度需大于岩芯直径）的全部长度，m;n所钻取的长度大于岩芯直径的岩块数。,2）弹性波法 弹性波通过岩体时，遇到裂隙将发生折射、绕射或被吸收，其传播速度将大大降低。穿过的裂隙越多，波速降低越

43、大。岩体完整性系数为：式中：Kv 岩体完整性系数（或称龟裂系数）;Vpm岩体中弹性波（纵波）传播速度，km/s；Vpr岩石试件中弹性波（纵波）传播速度，km/s。岩体的强度可按下式计算，即,3.4.4.3 岩体的破坏特征与强度准则（1）岩体的破坏特征岩体破坏主要是拉断破坏和剪切破坏。拉断破坏是由拉应力引起的，绝大部分肉眼可见的拉断破坏都伴随着岩体滑动，或以张裂缝形式出现在特定条件下的围岩边壁上。岩体的剪切破坏常常有三种形式：重剪切破坏，它是沿着岩体先前存在的结构面发生的剪切破坏；剪断破坏，它是横过先前存在的结构面的剪切破坏；复合剪切破坏，它是部分沿着结构面，部分横过结构面的剪切破坏。后两者破坏

44、主要出现在比较软弱的岩体中。,不论是哪种破坏形式，都是一个渐进破坏过程。岩体中的某些点的局部破坏一旦开始，便会进入一个大范围岩体的渐进破坏过程(相互依存)。当岩体中局部可能破坏面上其特定点的应力达到或超过峰值强度时，该点的强度下降，应力发生转移，使周围另一些点的应力增高，达到峰值后又使其强度下降，岩体因强度不断下降而破坏。这种渐进破坏，能使整个滑动面上的强度下降到残余强度值。随着渐进破坏的发展，岩体内的微变形，例如岩体的开裂、变形等将逐渐积累并最终转变为岩体位移和开裂。如果滑移岩体的移动受到另一部分岩体的有效限制或阻止，则渐进破坏过程即行停止，移动着的岩体也将停止移动。相反，如果位移岩体的前方

45、没有任何限制或阻力较小，这种渐进破坏和微变形的过程，可以克服这种阻力并继续发展，待渐进破坏发展到一定程度，岩体变形速度急剧加快并导致岩体全面破坏。,岩体破坏分三个阶段（时效表现）1）初裂前阶段 加载初期，岩体中应力水平较低，岩体仅发生微小的弹塑性变形，其变形量常在毫米级以内。如果这时卸载，在岩体中会留下不可恢复的塑性变形，但岩体不会发生破坏。2）渐进破坏阶段 随着应力的增加，岩体进入渐进破坏阶段。该阶段从岩体中某些点的破坏开始，微变形逐渐积累，直至岩体出现不同程度的位移和开裂，但变形发展较缓慢。3）加速破坏阶段 渐进破坏的持续发展，如未能及时采取工程措施时，是必造成岩体进入加速破坏阶段。该阶段

46、的主要特点是，宏观变形加速发展，并最终导致岩体发生全面破坏。,（2）岩体的强度准则前述的岩石强度准则，原则上对岩体同样适用，只是准则方程中的参数应根据岩体试验来确定。在受拉区易采用无拉力准则，因为岩体含有各种结构面，其抗拉强度很小，或根本不抗拉。当岩体中一旦出现拉应力时，将沿结构面发生拉断破坏。在受压区，可采用较为简单的库仑准则:=c+tan,3.5 岩体的（工程）分类天然岩体作为地质介质，岩性差别很大。在岩体形成及漫长地质历史作用过程中，形成了种类繁多、结构复杂、性质千差万别的各类岩体。工程遇到的岩体其风化程度、水的影响、施工状况、区域特征和赋存环境等也各有区别。即使是同一类岩体，由于工程规

47、模大小以及工程类型不同或者所处的区域不同，其力学属性和工程性质也会有所不同。为便于交流异地试验结果、施工经验和研究成果，合理地对岩体工程进行设计与施工，保障岩体工程的稳定与安全，促进先进技术的发展、提高及其推广应用，应当对岩体进行分类。工程岩体分类的直接用途，是为岩体工程的勘察、设计、施工和编制定额提供依据或基本参数。,在众多的岩体分类方法中，普氐分类是对我国影响较深远的一种。它是由俄国学者普罗托奇雅阔诺夫在1907年提出来的，简称普氏分级法。该法采用岩石坚固性系数来进行分类，其定义公式为：式中：f岩石坚固性系数（又称普氏系数）；Sc岩石单轴抗压强度，MPa。上式简单实用、便于记忆，在我国现行

48、的设计手册和工程标准定额及概、预算中仍有沿用。普氐分类方法，仅以岩块单向抗压强度为分类依据，显然不能作为客观评价岩体质量和当今工程岩体稳定性的依据，应用时要慎重。,日本学者（池田和彦）在20世纪50年代提出了用弹性波进行围岩分类法。美国学者迪尔（Deere，1963）提出以岩体质量指标作为岩体分类标准。斯梯尼（Stini，1950）提出了巷道围岩稳定性分类方法。毕昂斯基（Bieniawski，1974）提出了岩体综合质量分类法RMR法。巴顿（Barton，1974）提出了隧道工程Q分类法。,我国在20世纪70年代，与岩土工程有关的部门，如铁道、地质、煤炭、冶金、水电等部门都陆续提出了工程岩体分

49、类方法。在总结国内外围岩分类方法的基础上，我国于1985年在锚杆喷射混凝土支护技术规范（GBJ8685）中提出了“中华人民共和国国家标准”，适用于矿山、铁路、水电、军工等部门的地下工程中锚杆喷射混凝土支护的设计与施工。现行的锚杆喷射混凝土支护技术规范(GB500862001)提出的围岩分级方法，就是在此基础上修订并完善的。,工程岩体分类，目前国外和国内各行业共有几十种。下面主要介绍几种我国现行规范提出的岩体分类方法。3.5.1 锚杆喷射混凝土支护技术规范分类法 在锚杆喷射混凝土支护技术规范（GB500862001）中，明确规定：“围岩级别的划分，应根据岩石坚硬性、岩体完整性、结构面特征、地下水

50、和地应力状况等因素综合确定”。其步骤如下：,（1）确定岩体完整性系数 岩体完整性系数Kv应采用弹性波法测定，并按下式计算：当无条件进行声波测试时，也可用岩体体积节理数Jv，按下表确定。,（2）确定岩体强度应力比 当有地应力实测数据时，可按下式计算，即,式中:fm岩体强度应力比；Kv岩体完整性系数；Sc岩石单轴饱和抗压强度，MPa；1实测的垂直洞轴线的较大主应力，MPa。,当无地应力实测数据时，可按下式确定1值，即式中：岩体重度，kN/m3；H隧洞顶覆盖层厚度，m。,（3）确定围岩级别 查表3.8，确定围岩级别。应注意以下两点：1）对、级围岩，当地下水发育时，应根据地下水类型、水量大小、软弱结构