复习 第二章 岩体力学性质

1、 2 岩体力学性质岩体力学性质岩体结构岩体结构 o 1 岩体结构要素岩体结构要素 o 2 结构面类型结构面类型 o 3 结构面分级及其特性结构面分级及其特性 o 4 结构面状态结构面状态 o 5 岩体结构类型岩体结构类型 3 岩石与岩体岩石与岩体 岩石与岩体：岩石与岩体：岩石是构成岩体的物质。岩体是由结构面岩石是构成岩体的物质。岩体是由结构面 及结构体及结构体( (被结构面所包围的岩块被结构面所包围的岩块) )两个基本单元组成；岩石两个基本单元组成；岩石 的物理力学性质和水理性质取决于的物理力学性质和水理性质取决于岩石的矿物成分岩石的矿物成分，而岩体，而岩体 的物理力学性质，既取决于的物理力学

2、性质，既取决于结构面的力学性质结构面的力学性质，又取决于，又取决于岩岩 石的力学性质。石的力学性质。 与岩石相比，岩体具有以下性质：与岩石相比，岩体具有以下性质： 岩体是地壳的一部分，对岩体是地壳的一部分，对 岩体的研究不能脱离它所处岩体的研究不能脱离它所处 的环境的环境, ,地质环境，包括地地质环境，包括地 应力、水、空气、地温等应力、水、空气、地温等. . 岩岩 体体 结构结构 面面 岩块岩块岩体=岩块+结构面 4 岩体是一种多裂隙介岩体是一种多裂隙介 质，存在各种尺度、规模质，存在各种尺度、规模 不等的结构面。这些结构不等的结构面。这些结构 面切割的岩体形成多种典型的岩体结构，其两个面切

3、割的岩体形成多种典型的岩体结构，其两个 极端是裂隙极多的极端是裂隙极多的松散碎块松散碎块，和裂隙较少的，和裂隙较少的整体整体 结构结构。在进行矿山工程设计时必须首先确定岩体。在进行矿山工程设计时必须首先确定岩体 结构的类型，然后分别选用适当的力学方法进行结构的类型，然后分别选用适当的力学方法进行 分析。分析。 岩体岩体 5 定义：定义：不同类型的岩体结构单元在岩体内组合和排列形式不同类型的岩体结构单元在岩体内组合和排列形式. . 结构面 结构体 岩体结构单元 岩体结构单元组合 岩体结构单元排列 岩体结构三要素 坚硬结构面 软弱结构面 块状结构体 板状结构体 岩体结构岩体结构: 6 l结构面：分

4、为软弱结构面和坚硬结构面结构面：分为软弱结构面和坚硬结构面 l结构体：分为块状结构体和板状结构体结构体：分为块状结构体和板状结构体 l按照岩体结构的互相包容和级序关系，分为按照岩体结构的互相包容和级序关系，分为I 级结构、级结构、II级结构和过渡型岩体结构；级结构和过渡型岩体结构； 7 2.3 岩体结构面及其充填特征 结构面 定义：岩体内开裂的和易开裂的地质界面，如节理、层理、劈理、裂 隙、断层等等。结构面的作用与其规模和形态有关。 特点：特点： 横向延展表现出面的几何特性； 物质分异面或不连续面； 常具有一定厚度，充有一定物质（例如：节理由两个面及面间的水或气 组成；断层及层间错动是由上下盘

5、两个面及其间充填的断层泥和水构成的 实体组成）； 变形机理是两面闭合或滑移； 破坏机理是沿面滑动或开裂。 8 结构面（结构面（Structural plane)Structural plane)类型类型1 1 成因类型成因类型地质类型地质类型 原原 生生 结结 构构 面面 沉积沉积 结构面结构面 层面、层理、沉积间断面（不整合层面、层理、沉积间断面（不整合 面、假整合面）、原生软弱夹层面、假整合面）、原生软弱夹层 火成火成 结构面结构面 流层、流线、火山岩流接触面，蚀流层、流线、火山岩流接触面，蚀 变带、挤压破碎带、原生节理变带、挤压破碎带、原生节理 变质变质 结构面结构面 片理、板理、软弱夹

6、层片理、板理、软弱夹层 9 结构面（结构面（Structural plane)Structural plane)类型类型2 2 成因类型成因类型地质类型地质类型 构构 造造 结结 构构 面面 劈理劈理 节理节理 断层断层 层间破碎夹层层间破碎夹层 10 结构面（结构面（Structural plane)Structural plane)类型类型3 3 成因类型成因类型地质类型地质类型 次次 生生 结结 构构 面面 卸卸 荷荷 裂裂 隙隙 爆爆 破破 裂裂 隙隙 风风 化化 裂裂 隙隙 风风 化化 夹夹 层层 泥泥 化化 夹夹 层层 11 按照结构面的发育程度和规模，可分为：按照结构面的发育程度

7、和规模，可分为： lI 级结构面级结构面：泛指对区域构造其控制作用的断裂带，包：泛指对区域构造其控制作用的断裂带，包 括深大断裂带，延伸括深大断裂带，延伸10公里以上，其存在直接关系都工公里以上，其存在直接关系都工 程区域的稳定性；程区域的稳定性； lII 级结构面级结构面：指延展性强而宽度有限的地质界面，延：指延展性强而宽度有限的地质界面，延 伸几百至数千米；伸几百至数千米； lIII级结构面级结构面：一般为局部的断裂构造，主要是小断层，：一般为局部的断裂构造，主要是小断层， 延展几十到数十米，宽半米左右；延展几十到数十米，宽半米左右； lIV级结构面级结构面：延展性差，无明显的宽度，主要指

8、节理面，：延展性差，无明显的宽度，主要指节理面， 仅在小范围内分布；仅在小范围内分布； lV 级结构面级结构面：延展性级差，无宽度分别，分布随机；：延展性级差，无宽度分别，分布随机； 12 结构面状态结构面状态 1 1）结构面贯通类型和连续性）结构面贯通类型和连续性 a. a. 贯通类型贯通类型 非贯通性结构面：较短、不能贯通非贯通性结构面：较短、不能贯通, ,岩块强度降低、变形增大岩块强度降低、变形增大. . 半贯通性结构面：有一定长度、不能贯通半贯通性结构面：有一定长度、不能贯通, ,岩块强度降低、变岩块强度降低、变 形增大形增大 贯通性结构面：长度较长、连续好、贯通整个岩体、构成岩贯通性

9、结构面：长度较长、连续好、贯通整个岩体、构成岩 体边界，它对岩体有较大的影响，破坏常受这种结构面控制体边界，它对岩体有较大的影响，破坏常受这种结构面控制 13 o 1结构面法向变形与刚度结构面法向变形与刚度 o 2结构面切向变形与刚度结构面切向变形与刚度 o 3结构面的抗剪强度结构面的抗剪强度 14 法向变形法向变形 l一、结构面的法向变形：一、结构面的法向变形：在法向载荷作用下，在法向载荷作用下， 岩石粗糙结构面的接触面积和接触点数随着载岩石粗糙结构面的接触面积和接触点数随着载 荷的增加而增加，结构面的间隙减小，应力与荷的增加而增加，结构面的间隙减小，应力与 法向变形之间呈现指数关系；法向变

10、形之间呈现指数关系； 1、Goodman（1974）提出的法向应力与结构面）提出的法向应力与结构面 闭合量的关系：闭合量的关系： n nn s max 为原位压力；为原位压力；max为最大的可能闭和量；为最大的可能闭和量；s和和t为参数为参数 t 15 法向刚度法向刚度KnKn: :单位法向变形的单位法向变形的 法向应力的梯度法向应力的梯度. . （Goodman,1974Goodman,1974） 式中式中K Kn0 n0：结构面的初始刚度 ：结构面的初始刚度 2 0max 0 0max nn nn n K KK K 16 2 2、班迪斯班迪斯（Bandis,1984Bandis,1984）

11、: :通过大量的通过大量的天然的天然的, ,不不 同风化程度同风化程度和和表面粗糙度表面粗糙度的的非充填结构面非充填结构面实验研实验研 究究. . 双曲线型法向应力与法向变形的关系双曲线型法向应力与法向变形的关系. . 式中：式中：a a、b b为常数为常数 n n n ba 法向变形法向变形 2 1 () n n nn K ab 17 3.3.法向变形的特征法向变形的特征 曲线形状，先凹，后陡；可由曲线形状，先凹，后陡；可由 初始法向刚度初始法向刚度和和最大闭合量最大闭合量确定确定 初始阶段，结构面变形为主，当初始阶段，结构面变形为主，当 n n= =c c/3/3时结构面变形基本完成时结构

12、面变形基本完成 最大闭合量最大闭合量小于小于张开度。张开度。 18 剪切变形剪切变形) ) 1.1.两种类型两种类型 A.A.粗糙结构面粗糙结构面（无充填物），（无充填物）， 剪应力上升较快，当剪应剪应力上升较快，当剪应 力达到峰值后抗剪能力下力达到峰值后抗剪能力下 降较大，并产生不规则的降较大，并产生不规则的 峰后变形或滞滑现象。峰后变形或滞滑现象。 B B. .平坦结构面平坦结构面（有充填物），（有充填物）， 初始阶段剪切变形曲线斜初始阶段剪切变形曲线斜 率逐渐减小，曲线没有明率逐渐减小，曲线没有明 显的峰值出现，最后恒定显的峰值出现，最后恒定 二、结构面的剪切变形：二、结构面的剪切变形：

13、在法向应力作用下，在法向应力作用下， 结构面在剪切作用下产生切向变形。结构面在剪切作用下产生切向变形。 19 剪切刚度：剪切刚度： 19741974年年GoodmanGoodman提出提出： 式中：式中：K Kt0 t0初始剪切刚度 初始剪切刚度 s s产生较大剪切位移时的剪应力渐近值产生较大剪切位移时的剪应力渐近值 t t K 0 1 tt s KK 剪切变形剪切变形) ) 2.2.剪切变形曲线剪切变形曲线 从形式上可划分为从形式上可划分为: :弹性区、弹性区、 剪应力峰值区和塑性区。在结构面剪切过程中，剪应力峰值区和塑性区。在结构面剪切过程中， 伴随有微凸体的变形、劈裂、结构面间的相互伴随

14、有微凸体的变形、劈裂、结构面间的相互 错动，变形有时是不可恢复的。错动，变形有时是不可恢复的。 20 2.4 2.4 结构面的力学性质结构面的力学性质（剪切变形）（剪切变形） 3.3.剪切变形特征剪切变形特征 两种类型：两种类型： a.a.坚硬、无充填物坚硬、无充填物脆性变形脆性变形 有明显的峰值、应力降有明显的峰值、应力降 b.b.软弱、有充填物软弱、有充填物塑性变形塑性变形 无明显的峰值、应力降无明显的峰值、应力降 风化结构面，峰值位移变大、风化结构面，峰值位移变大、 剪切刚度变小剪切刚度变小 随法向应力减小、剪切规模增随法向应力减小、剪切规模增 大，剪切刚度减小大，剪切刚度减小 21 剪

15、切变形剪切变形) ) 4.4.剪胀剪胀: : 剪切过程中产生的法向移动分量剪切过程中产生的法向移动分量. . 岩石强度高，凸台角岩石强度高，凸台角i i小，法向力小，法向力N N小，发生剪胀现象小，发生剪胀现象(b)(b) 岩石强度低，岩石强度低，凸台凸台角角i i大，法向力大，法向力N N大，发生剪断现象大，发生剪断现象(c)(c) 22 三三. . 结构面的抗剪强度结构面的抗剪强度( (库仑准则库仑准则) ) 结构面结构面剪切强度 抗剪强度抗剪强度) ) tan n c , c 是结构面的粘结力和摩擦角。是结构面的粘结力和摩擦角。 23 抗剪强度抗剪强度) n n 结构面的抗剪强度结构面的

16、抗剪强度 C,C,: :结构面结构面上的粘结力和上的粘结力和 摩擦角摩擦角 n:n:结构面上的法向应力结构面上的法向应力 = = b b + i + i b b: :岩石平坦表面摩擦角岩石平坦表面摩擦角 i :i :结构面上的凸台斜坡角结构面上的凸台斜坡角 tan n c 24 四、结构面力学性质的尺寸效应四、结构面力学性质的尺寸效应 1 1、随着试块面积增加，、随着试块面积增加，平均峰值剪应力平均峰值剪应力呈减小趋势，呈减小趋势， 平均摩擦角下降；平均摩擦角下降； 2 2、随着结构面面积增大，峰值强度时的、随着结构面面积增大，峰值强度时的位移量增大位移量增大； 3 3、随着尺度增加，剪切破坏

17、由、随着尺度增加，剪切破坏由脆性向延性脆性向延性转化；转化； 4 4、尺寸加大，、尺寸加大，峰值剪胀角峰值剪胀角减小；减小； 5 5、随结构面粗糙度减小，、随结构面粗糙度减小， 尺寸效应减小。尺寸效应减小。 25 五、充填物对结构面力学性质影响五、充填物对结构面力学性质影响 1 1、随夹层、随夹层厚度厚度增大，强度迅速降低；增大，强度迅速降低； 2 2、随夹层、随夹层颗粒颗粒增大，强度增大，但超过增大，强度增大，但超过30mm30mm以后变化以后变化 不大；不大； 3 3、随、随含水量含水量增加，使粘结力和摩擦力下降，强度下降增加，使粘结力和摩擦力下降，强度下降 4 4、泥化夹层泥化夹层的影响

18、，时效性，恒定荷载下产生蠕变。的影响，时效性，恒定荷载下产生蠕变。 26 2.5 2.5 岩体的变形特征岩体的变形特征 o1 1岩体受压变形性质岩体受压变形性质 o2 2岩体受剪变形性质岩体受剪变形性质 o3 3岩体各向异性特征岩体各向异性特征 27 一、岩体的单轴和三轴压缩下变形特征一、岩体的单轴和三轴压缩下变形特征 （1 1）岩体应力应变全过程曲线）岩体应力应变全过程曲线 在加载过程，结构面压密与闭合，应力应变曲线，呈在加载过程，结构面压密与闭合，应力应变曲线，呈上凹型。上凹型。 中途卸载有中途卸载有弹性后效弹性后效现象和不可恢复现象和不可恢复残余变形残余变形。这是结构面闭合、。这是结构面

19、闭合、 滑移、错动造成的。滑移、错动造成的。 完全卸载，再加载形成形完全卸载，再加载形成形 式上的式上的“开环型开环型”曲线，这曲线，这 也是弹性后效造成的。也是弹性后效造成的。 峰值强度后，岩体开始破峰值强度后，岩体开始破 坏，坏，应力下降较缓慢，仍应力下降较缓慢，仍 有残余应力，有残余应力，这是这是岩体结构效应岩体结构效应。 2.5 2.5 岩体的变形特征岩体的变形特征（单轴和三轴压缩变形特征）（单轴和三轴压缩变形特征） 28 （2 2）卸载时荷载不降至零时的应力应变曲线）卸载时荷载不降至零时的应力应变曲线 卸荷不降至零时的循环加载应力应变曲线呈卸荷不降至零时的循环加载应力应变曲线呈“闭环

20、型闭环型”。 随着外荷加大、循环次数增多，随着外荷加大、循环次数增多，闭环后移闭环后移，这是结构面逐，这是结构面逐 级被压密与啮合，这是结构面逐级被压密与啮合所致。级被压密与啮合，这是结构面逐级被压密与啮合所致。 闭环逐渐变窄闭环逐渐变窄演变呈一条线，演变呈一条线， 这是压密程度越来越高，这是压密程度越来越高，弹性弹性 后效变小后效变小的原因。的原因。 当卸荷至零持续一定时间后，当卸荷至零持续一定时间后， 有较大回弹变形，这是有较大回弹变形，这是弹性后效。弹性后效。 2.5 2.5 岩体的变形特征岩体的变形特征（单轴和三轴压缩变形特征）（单轴和三轴压缩变形特征） 29 二、二、 岩体剪切变形特

21、征岩体剪切变形特征 在屈服点前，变形曲线与抗压变形相似，在屈服点前，变形曲线与抗压变形相似，上凹型上凹型。 屈服点后，屈服点后，某个结构面或结构体首先剪坏某个结构面或结构体首先剪坏，随之出现一，随之出现一 次应力下降。峰值前可能发现次应力下降。峰值前可能发现多次应力升降多次应力升降。升降程。升降程 度与结构面或结构体强度有关，岩体越破碎，应力降度与结构面或结构体强度有关，岩体越破碎，应力降 反而不明显。反而不明显。 当应力增加到一定应力水平时，当应力增加到一定应力水平时， 岩体剪切变形已积累到一定程度岩体剪切变形已积累到一定程度 没剪破的部位以瞬间破坏方式出没剪破的部位以瞬间破坏方式出 现，并

22、现，并伴有一次大的应力降。伴有一次大的应力降。 随后产生随后产生稳定滑移稳定滑移 2.5 2.5 岩体的变形特征岩体的变形特征（剪切变形特征）（剪切变形特征） l有关的工程问题：边坡滑坡、坝基底部滑移等；有关的工程问题：边坡滑坡、坝基底部滑移等； 30 l岩体的强度岩体的强度：岩体抵抗外力破坏的能力，包括：岩体抵抗外力破坏的能力，包括抗压强抗压强 度、抗拉强度、抗剪强度度、抗拉强度、抗剪强度之分之分. 但对于裂隙岩体来说，其抗拉强度很小，加上岩体但对于裂隙岩体来说，其抗拉强度很小，加上岩体 抗拉强度测试技术难度大，所以目前对岩体抗拉强度抗拉强度测试技术难度大，所以目前对岩体抗拉强度 研究的很少

23、。研究的很少。 岩体强度受结构面和结构体强度及其组合方式（岩体岩体强度受结构面和结构体强度及其组合方式（岩体 结构）影响。结构）影响。 l一、岩体强度的测定一、岩体强度的测定 岩体强度试验是在现场原位切割较大尺寸的试件进岩体强度试验是在现场原位切割较大尺寸的试件进 行单轴压缩、三轴压缩和抗剪强度试验。行单轴压缩、三轴压缩和抗剪强度试验。 31 45 2 3 1 1 2 4 1 .5 1 1 00 .5 (MPa) 2 3 n (m m ) 4 .0 2 3 1、岩体单轴抗压强度的测定：在试件表面抹水泥砂浆， 将表面抹平，并在上方设置垫层，以便将载荷均匀传 给试体。计算强度同岩石单轴抗压强度。

24、3、岩体三轴压缩强度试验 千斤顶施加轴向载荷，用压力枕施加围岩载荷 一、岩体强度的测定一、岩体强度的测定 2、岩体抗剪强度的测定 一般采用千斤顶法：一个垂直千 斤顶施加正压力，另一个千斤顶 施加横推力合力应通过剪切面中 心，横向千斤顶倾角一般15度。 计算公式： 真三轴和假三轴 sinPT F cosT F 32 结构面的抗剪强度为：结构面的抗剪强度为： wnw C tan wC ,-结构面上的粘结力、摩擦角 n -作用在结构面上的法向应力 二、结构面的强度效应二、结构面的强度效应- -单结构面单结构面 其中，摩擦角可写成i b w 33 wnw C tan 二、结构面的强度效应二、结构面的强

25、度效应- -单结构面单结构面 2sin 2 1 31 2cos 22 3131 节节 面面 上上 的的 应应 力力 2sin1 22 3 31 fctg fCw 将将带入带入得得 34 24 0 21 或 岩体不会沿结构面破坏岩体不会沿结构面破坏 若莫尔圆和若莫尔圆和岩石强度包络线岩石强度包络线相离，节理先相离，节理先 破坏，岩体强度小于岩块强度破坏，岩体强度小于岩块强度 若莫尔圆和若莫尔圆和岩石强度包络线岩石强度包络线相切，则岩体相切，则岩体 沿某一岩石截面破坏，破坏角沿某一岩石截面破坏，破坏角 12 a.a.当当 b.b.当当 若莫尔圆和若莫尔圆和岩体强度包络线岩体强度包络线相离，则岩体不

26、发生相离，则岩体不发生 破坏，既不沿结构面破坏，也不沿岩石面破坏破坏，既不沿结构面破坏，也不沿岩石面破坏 有关岩体破坏的讨论有关岩体破坏的讨论 35 两组以上的节理同样处理，不过岩体总两组以上的节理同样处理，不过岩体总 是沿一组最有利破坏的节理首先破坏。是沿一组最有利破坏的节理首先破坏。 二、结构面的强度效应二、结构面的强度效应- -多多结构面结构面 36 2 cl ml V V K l准岩体强度 lHoek-Brown经验强度准则 2 331cc sm 其中: m, s为与岩体结构有关的参数 三三. .岩体强度岩体强度的估算的估算 cmc K tK mt 37 岩体分级的意义岩体分级的意义

27、o工程岩体工程岩体： 各类岩石工程周围的岩体，包括地下工程、边坡各类岩石工程周围的岩体，包括地下工程、边坡 工程及与岩石有关的地面工程。工程及与岩石有关的地面工程。 o意义意义： 在工程设计与施工中区分复杂多变的岩体的质量在工程设计与施工中区分复杂多变的岩体的质量 好坏，及其表现在稳定性上的差异，为选择工程结构好坏，及其表现在稳定性上的差异，为选择工程结构 参数、科学管理生产以及评价经济效益提供依据。参数、科学管理生产以及评价经济效益提供依据。 o分级方法概述分级方法概述： 现有方法包括单因素法向多因素法，现有方法包括单因素法向多因素法，综合性综合性的和的和 专题性专题性的。的。 2.8 2.8 岩体质量评价及其分类岩体质量评价及其分类 38 一、按岩石的质量指标一、按岩石的质量指标RQDRQD（Rock Quality Rock Quality DesignationDesignati