工程岩土学第五章

1、n一一. . 岩体的力学性质岩体的力学性质岩体在力的作用下岩体在力的作用下 所表现的性质所表现的性质 变形性变形性 岩体承受力的作用而发生岩体承受力的作用而发生 变形的性能变形的性能包括：包括：抗破坏性抗破坏性岩体抵抗力的作用而保持岩体抵抗力的作用而保持 其自身完整性的性能其自身完整性的性能概述概述5.15.1v注意：注意：1.岩体的变形和破坏不是两个截岩体的变形和破坏不是两个截然分开的阶段，而是一个然分开的阶段，而是一个统一的、连续的统一的、连续的过程过程，破坏是累进性的。，破坏是累进性的。 2.岩体的力学性质是由结构体（岩石）岩体的力学性质是由结构体（岩石）和结构面的力学性质和结构面的力学

2、性质共同决定共同决定的，二者在岩的，二者在岩体力学性质中各自所占的地位，与体力学性质中各自所占的地位，与岩体的完岩体的完整性整性有关。但当破坏面部分沿已有裂隙，部有关。但当破坏面部分沿已有裂隙，部分通过完整岩石时，并分通过完整岩石时，并不能不能将岩石力学性质将岩石力学性质和结构面力学性质按照它们在破坏面中各自和结构面力学性质按照它们在破坏面中各自所占的比例所占的比例简单地进行加权简单地进行加权，用以表征岩体，用以表征岩体的力学性质。的力学性质。参考参考岩石力学岩石力学。n二本章主要内容二本章主要内容 1. 1. 岩石的变形性岩石的变形性 2. 2. 岩石的抗破坏性岩石的抗破坏性 3. 3. 结

3、构面的强度结构面的强度 4. 4. 岩体的变形性岩体的变形性 5. 5. 岩体的抗破坏性岩体的抗破坏性n一一基本概念基本概念v1.1.弹性弹性物体在力的作用下发生变形，而当撤除外力后能够物体在力的作用下发生变形，而当撤除外力后能够恢复原状的性质恢复原状的性质v2.2.塑性塑性物体在力的作用下发生不可逆变形的性质。这种不物体在力的作用下发生不可逆变形的性质。这种不可逆的变形也称塑性变形或残余变形、永久变形可逆的变形也称塑性变形或残余变形、永久变形v3.3.脆性脆性物体在力的作用下应变量很小时即发生破坏的性质物体在力的作用下应变量很小时即发生破坏的性质（3 3）v4.4.延性延性物体在力的作用下破

4、坏前能够发生大量应变的性质物体在力的作用下破坏前能够发生大量应变的性质（5 5）v5.5.粘性粘性在力的作用下物体能够抑止瞬间变形，使变形因时在力的作用下物体能够抑止瞬间变形，使变形因时间效应而滞后的性质。间效应而滞后的性质。注：注：自然界中的岩石主要表现出上述哪种性质，与自然界中的岩石主要表现出上述哪种性质，与受力受力环境环境( (尤其是温度、围压尤其是温度、围压) )和和作用力的延续时间作用力的延续时间有关。有关。在常在常温常压下，可将岩石看作近似的温常压下，可将岩石看作近似的弹脆性体弹脆性体。岩石的变形性岩石的变形性5.25.2本节主要研究岩石在各种方式和条件本节主要研究岩石在各种方式和

5、条件的力的作用下所表现出的变形性质的力的作用下所表现出的变形性质v岩石在单轴压力作用下的变形岩石在单轴压力作用下的变形v岩石在三轴压力作用下的变形岩石在三轴压力作用下的变形v岩石在单轴拉伸和剪切作用下的变形岩石在单轴拉伸和剪切作用下的变形v岩石在辐射状压力下的变形岩石在辐射状压力下的变形v岩石的蠕变岩石的蠕变普通试验机普通试验机: : 试件在峰试件在峰值后，试验机突然释值后，试验机突然释放应变能，试件崩解，放应变能，试件崩解，无法得到应力无法得到应力应变全应变全过程过程;刚性试验机：刚性试验机：压力机压力机刚度大于试件刚度，刚度大于试件刚度，能得到应力能得到应力应变全过应变全过程曲线程曲线;

6、试件制备试件制备n二二岩石在单轴压力作用下的变形岩石在单轴压力作用下的变形加载、测量系统加载、测量系统分级施加单轴压力，分级施加单轴压力，测量变形测量变形（一）应力与应变间的关系（一）应力与应变间的关系 岩石的变形性，只有通过在应力作用岩石的变形性，只有通过在应力作用下的变形过程才能表现出来。因此必须研究下的变形过程才能表现出来。因此必须研究应力与应变（轴应变应力与应变（轴应变a 、周应变、周应变c 、体应变、体应变v ）之间的关系）之间的关系（图（图51） ，应用最广的是，应用最广的是a曲线。曲线。 岩石的全应力应变曲线岩石的全应力应变曲线 通过在压力机上对标准试样通过在压力机上对标准试样分

7、级分级施加单轴压力，施加单轴压力，测量各级应力下变形停止后的累计应变量。以应力测量各级应力下变形停止后的累计应变量。以应力为纵坐标、应变为纵坐标、应变a为横坐标，绘制为横坐标，绘制a关系曲线关系曲线 要求：要求：绘制应力应变曲线，掌握曲线上绘制应力应变曲线，掌握曲线上四四个阶段个阶段的划分，各阶段的的划分，各阶段的变形特征变形特征及及曲线特征曲线特征，比例极限、峰值应力的概念。比例极限、峰值应力的概念。岩石典型的全应力应变曲线岩石典型的全应力应变曲线aCBAO并非所有岩石都有以上明显的变形阶段并非所有岩石都有以上明显的变形阶段 岩石中原来存在的微裂隙闭合或被进一步压紧。岩石中原来存在的微裂隙闭

8、合或被进一步压紧。此线段呈曲线型式，斜率随应力增大而逐渐增加，此线段呈曲线型式，斜率随应力增大而逐渐增加，说明微裂隙的变化开始很快，随压力增加而减缓。说明微裂隙的变化开始很快，随压力增加而减缓。这个阶段中的变形，以这个阶段中的变形，以塑性变形塑性变形为主，也包含少量为主，也包含少量的弹性变形。的弹性变形。aCBAO微裂隙闭微裂隙闭合阶段（合阶段（OAOA段）段）又叫又叫“压密阶段压密阶段” 岩石中的微裂隙进一步闭合，孔隙被压缩，岩石中的微裂隙进一步闭合，孔隙被压缩，晶体受压而发生晶体受压而发生弹性变形。弹性变形。没有或者基本上还没没有或者基本上还没有新裂隙产生，已有裂隙也还没有或基本上没有有新

9、裂隙产生，已有裂隙也还没有或基本上没有新的发展。应力与应变大致成正比关系，线段呈新的发展。应力与应变大致成正比关系，线段呈准直线型式。变形以弹性为主。准直线型式。变形以弹性为主。 B B点相应的应力称点相应的应力称为为比例极限比例极限（弹性极限）（弹性极限）。aCBAO直线变形直线变形阶段（阶段（ABAB段）段）又叫又叫“弹性变形弹性变形阶段阶段” 超过比例极限以后，岩石中产生了新的裂隙，已有裂隙超过比例极限以后，岩石中产生了新的裂隙，已有裂隙也得到发展，应变的增加速率超过应力的增加速率，呈曲线形也得到发展，应变的增加速率超过应力的增加速率，呈曲线形式且斜率逐渐降低。体积变形由压缩逐渐转变为扩

10、胀。裂隙进式且斜率逐渐降低。体积变形由压缩逐渐转变为扩胀。裂隙进一步地发展，岩石中形成了贯通的破坏面，岩石被破坏（图中一步地发展，岩石中形成了贯通的破坏面，岩石被破坏（图中C点）点） ，应力达到了最大值。在这一阶段中，变形主要是，应力达到了最大值。在这一阶段中，变形主要是塑性塑性的。的。C C点相应的应力，称为峰值应力点相应的应力，称为峰值应力，单轴应力状况下即岩石，单轴应力状况下即岩石的的单轴抗压强度单轴抗压强度。aCBAO裂隙发裂隙发展和破坏展和破坏阶段（阶段（BCBC段）段）岩石在单轴压力作用下的破坏岩石在单轴压力作用下的破坏 在一般在一般非刚性试验机非刚性试验机上，由于试件破坏时试验机

11、的上，由于试件破坏时试验机的变形能突然释放，无法测出试件破坏以后的应力和变形，变形能突然释放，无法测出试件破坏以后的应力和变形，因此，绘制曲线的这一区段必须采用因此，绘制曲线的这一区段必须采用刚性试验机刚性试验机。岩石。岩石破坏以后，应力和应变都会发生急剧变化，曲线的形状破坏以后，应力和应变都会发生急剧变化，曲线的形状多种多样（多种多样（图图5-3,图图5-4，破坏后阶段的曲线可归纳为破坏后阶段的曲线可归纳为3种类型种类型软弱岩石、坚硬岩石、高塑性岩石）。软弱岩石、坚硬岩石、高塑性岩石）。aCBAO破坏后破坏后阶段（阶段（C C点以后阶点以后阶段）段） 岩石的应力岩石的应力应变曲线的形状决定于

12、岩石的应变曲线的形状决定于岩石的矿矿物成分物成分和和结构特征结构特征，因而不同岩石，甚至相同岩石的，因而不同岩石，甚至相同岩石的不同试件，其应力不同试件，其应力应变曲线的形状都会有不同程度应变曲线的形状都会有不同程度的差异。的差异。美国学者米勒美国学者米勒研究了对研究了对2828种种岩石的试验结果，岩石的试验结果，将单轴压力下的应力将单轴压力下的应力应变曲线分为六种类型应变曲线分为六种类型（图（图55 ）。 类型类型a： 弹性的弹性的 玄武岩，石英岩等玄武岩，石英岩等 类型类型b： 弹弹塑性的塑性的 粉砂岩，石灰岩等粉砂岩，石灰岩等 类型类型c： 塑塑弹性的弹性的 类型类型d和和e ：塑塑弹弹

13、塑性的塑性的 类型类型f ： 弹弹塑塑蠕变性的蠕变性的 盐岩盐岩岩石在单轴压力下应力岩石在单轴压力下应力-应变曲线的几种类型应变曲线的几种类型直线型直线型下凹型下凹型上凹型上凹型S型型弹弹 性性塑塑弹性弹性塑塑弹弹塑性塑性弹弹塑性塑性弹弹塑塑蠕变性蠕变性（二）表征岩石变形性的基本指标（二）表征岩石变形性的基本指标 由于在工程建筑实践中建筑物所能作用于岩由于在工程建筑实践中建筑物所能作用于岩石的压应力水平往往都比较低，可以在一定程度上石的压应力水平往往都比较低，可以在一定程度上将其作为准弹性体来看待，所以用弹性参数表征其将其作为准弹性体来看待，所以用弹性参数表征其变形性是有一定意义的。变形性是有

14、一定意义的。 弹性理论指出，弹性体的变形性能可以用弹性理论指出，弹性体的变形性能可以用弹弹性模量性模量E和和泊松比泊松比这两个基本指标来表示。这两个基本指标来表示。 对于均质，各向同性、对于均质，各向同性、理想弹性体理想弹性体来说，表来说，表征其弹性变形性质的这两个基本指标是征其弹性变形性质的这两个基本指标是定值定值，但岩，但岩石的变形性能因石的变形性能因受力条件受力条件（力的性质、应力水平、（力的性质、应力水平、围压大小、应力增加速率、应力持续时间、应力的围压大小、应力增加速率、应力持续时间、应力的增减历程）增减历程）的不同而有很大的变化。的不同而有很大的变化。 （第六章）（第六章）n弹性模

15、量弹性模量 E/a 应力应力-应变呈直线关系应变呈直线关系 （ P97图图5-6） 初始弹性模量初始弹性模量E i 切线弹性模量切线弹性模量E t 割线弹性模量割线弹性模量E s，常用常用E 50 岩石的各种模量的确定岩石的各种模量的确定E iE tE 50 n泊松比泊松比岩石在单轴力岩石在单轴力（单轴压力、单轴（单轴压力、单轴拉力）拉力）的作用下，侧应变与轴应变之比，适用的作用下，侧应变与轴应变之比，适用于弹性变形阶段于弹性变形阶段 l /a 主要类型岩石的主要类型岩石的弹性模量弹性模量和和泊松比泊松比 （ P98 表表5-1）（三）岩石在重复加荷、卸荷条件下的变形性能（三）岩石在重复加荷、

16、卸荷条件下的变形性能v1. 岩石发生的岩石发生的总变形总变形分为分为弹性弹性变形变形和和塑性变形塑性变形（ P97图图5-7），对应的模量分别称为对应的模量分别称为 变形模量变形模量E 0 弹性模量弹性模量E e 塑性模量塑性模量E p 变形模量：变形模量： E 0 = /（p +e）弹性模量：弹性模量： E e = /e 塑性模量：塑性模量： E p = /p 变形模量变形模量E 0 、弹性模量、弹性模量E e和塑性模量和塑性模量E p 三者之间的关系如下：三者之间的关系如下：1 1E 01 1E e1 1E pv2. 重复荷载条件重复荷载条件加荷，卸荷次数愈多，塑性应变的增量加荷，卸荷次数

17、愈多，塑性应变的增量逐渐减小，岩石愈接近于弹性体逐渐减小，岩石愈接近于弹性体（ P99图图5-8）；v3. 循环荷载条件循环荷载条件连接各个卸荷起点所成曲线的形状与连连接各个卸荷起点所成曲线的形状与连续加荷情况下的应力续加荷情况下的应力应变曲线的形状基本一致，这说明受荷应变曲线的形状基本一致，这说明受荷历程并未改变岩石变形性的基本特点历程并未改变岩石变形性的基本特点（ P99图图5-9）循环荷载条件下循环荷载条件下岩石的应力岩石的应力应变曲线应变曲线n三岩石在三轴压力作用下的变形三岩石在三轴压力作用下的变形a. 研究的必要性研究的必要性三轴压力状态的普遍性三轴压力状态的普遍性作为建作为建筑物地

18、基或建筑环境的岩体，多处于三维应力状态筑物地基或建筑环境的岩体，多处于三维应力状态 （三个主应力（三个主应力1、2 、 3互相垂直）互相垂直） b. 三轴压力状态的分类三轴压力状态的分类（按照主应力的组合情况）（按照主应力的组合情况）等围压三轴状态（常规三轴状态）等围压三轴状态（常规三轴状态） 1 12 2 3 3不等围压三轴状态（真三轴状态）不等围压三轴状态（真三轴状态） 1 2 3等压三轴状态（静水压力状态）等压三轴状态（静水压力状态） 1 2 3三轴试验装置三轴试验装置v1. 等围压三轴状态（常规三轴状态）等围压三轴状态（常规三轴状态） （12 3 ） 岩石在三轴压力下的变形特征也是利用

19、应岩石在三轴压力下的变形特征也是利用应力力应变曲线来研究。最常用的是应变曲线来研究。最常用的是应力差应力差（13）与轴应变与轴应变a（沿（沿1 方向的应方向的应变）关系曲线变）关系曲线a13OCBA三轴应力作用下岩石的典型应力应变曲线三轴应力作用下岩石的典型应力应变曲线（据茂木清夫，（据茂木清夫，1978 ）OAOA段段弹性变形阶段，弹性变形阶段，弹性模量主要表征这一弹性模量主要表征这一阶段的性质。阶段的性质。A A点相应的应力称为比例极限。对点相应的应力称为比例极限。对于岩石来说，此值与于岩石来说，此值与屈服极限值屈服极限值极相近。极相近。a13OCBA屈服强度屈服强度材料由弹性进入到塑性区

20、时应力材料由弹性进入到塑性区时应力ABAB段段塑性变形阶段，塑性变形阶段，在此阶段内微裂隙不在此阶段内微裂隙不断发展，直至断发展，直至B B点，岩石破坏。点，岩石破坏。B B点的应力为破点的应力为破裂应力裂应力(fracture stress)(fracture stress)或岩石的峰值强度。或岩石的峰值强度。a13OCBABCBC段段应力下降阶段，应力下降阶段，B B，C C两点间的应力差两点间的应力差称应力降称应力降(stress drop)(stress drop)。a13OCBAC C点以后阶段点以后阶段摩擦阶段，摩擦阶段，岩石已经破裂，岩石已经破裂，对于作用力全靠破裂面上的摩擦力维

21、持，即对于作用力全靠破裂面上的摩擦力维持，即岩石的残余强度。岩石的残余强度。a13OCBA恒 定 围 压 下 岩 样 破 坏 后 ， 轴 向 应 力 不 随 压 缩 变恒 定 围 压 下 岩 样 破 坏 后 ， 轴 向 应 力 不 随 压 缩 变 形增大而变化，一般称为残余强度。各个岩样的残形增大而变化，一般称为残余强度。各个岩样的残 余强度与围压大致成线性关系。余强度与围压大致成线性关系。 等围压条件等围压条件（23）下，围压的高低下，围压的高低 对岩石变形性能的影响对岩石变形性能的影响 总体规律总体规律随围压的提高，随围压的提高，破坏前的总应破坏前的总应变量增大；塑变量增大；塑性应变在总应

22、性应变在总应变量中所占的变量中所占的比率增加。比率增加。（据茂木清夫）（据茂木清夫）a.强度较高的岩石（如辉长岩，白云岩，苏长岩等），强度较高的岩石（如辉长岩，白云岩，苏长岩等），弹性模量基本为常数，不随围压变化而改变；弹性模量基本为常数，不随围压变化而改变； 但弹性模量与围压的关系随岩石性质但弹性模量与围压的关系随岩石性质（强度）（强度）不同而不同。不同而不同。b.强度较低的弱岩（如砂岩等），强度较低的弱岩（如砂岩等），弹性模量随围压的弹性模量随围压的提高而增大。提高而增大。砂岩砂岩应力差轴应变曲线应力差轴应变曲线辉长岩辉长岩应力差轴应变曲线应力差轴应变曲线v2.2.不等围压三轴状态（真三轴

23、状态）不等围压三轴状态（真三轴状态）（12 3 ）岩石在真三轴状态下的变形特征资料较少，而且岩石在真三轴状态下的变形特征资料较少，而且对一些互相矛盾的现象还没有得到统一的解释对一些互相矛盾的现象还没有得到统一的解释 静水压力状态可看作常规三轴状态的一静水压力状态可看作常规三轴状态的一种特殊情况。种特殊情况。岩石在各向相等的压力作用下岩石在各向相等的压力作用下发生体积压缩变形，一般采用发生体积压缩变形，一般采用体积模量体积模量表征表征岩石在静水压力下体积变形的特性。岩石在静水压力下体积变形的特性。v3.3.等压三轴状态（静水压力状态）等压三轴状态（静水压力状态） E3（1 - 2）K K 线性压

24、缩系数、体积压缩系数的概念线性压缩系数、体积压缩系数的概念体积模量体积模量K静水压应力与体积应变之比。静水压应力与体积应变之比。可用可用 E 和和计算：计算：（1=2 = 3 ）n四岩石在单轴拉伸和剪切作用下的变形四岩石在单轴拉伸和剪切作用下的变形 在单轴拉伸在单轴拉伸作用下岩石的作用下岩石的变形，一般也变形，一般也是用应力是用应力应应变曲线以及弹变曲线以及弹性模量和泊松性模量和泊松比来表征。比来表征。 （一）岩石在单轴拉伸作用下的变形（一）岩石在单轴拉伸作用下的变形由于岩石一般都具有较高的脆性，承受拉伸作用由于岩石一般都具有较高的脆性，承受拉伸作用的能力很低，同在单轴压缩条件下相比，在的能力

25、很低，同在单轴压缩条件下相比，在应力应力水平较低、总应变量较小水平较低、总应变量较小的情况下即发生破坏的情况下即发生破坏（图（图516 ）。 大多数岩石在单轴拉伸下的变形性能与在单轴压大多数岩石在单轴拉伸下的变形性能与在单轴压缩下很相似。曲线的起始段都近似直线，缩下很相似。曲线的起始段都近似直线，初始模初始模量非常接近量非常接近（图（图516、表、表53 ）。随拉应力的随拉应力的增加，模量值连续减小；增加，模量值连续减小； 在拉伸条件下的泊松比随应力水平的提高而在拉伸条件下的泊松比随应力水平的提高而减小。减小。 岩石在剪力作用下发生剪切变形岩石在剪力作用下发生剪切变形（ P104图图519 ）

26、，表征岩石剪切变形性能的指标为，表征岩石剪切变形性能的指标为剪应剪应力力与与剪应变剪应变之比，称为剪切弹性模量之比，称为剪切弹性模量G（或刚（或刚性模量）性模量）（二）岩石在剪切作用下的变形（二）岩石在剪切作用下的变形GE2（1+）n五岩石在辐射状压力下的变形五岩石在辐射状压力下的变形（有压隧洞）（有压隧洞）导导 流流 洞洞拉拉西西瓦瓦水水电电站站导导流流洞洞出出口口辐射状压力辐射状压力P内内 P衬砌衬砌 p总内水压力总内水压力 衬砌承担的内水压力衬砌承担的内水压力 围岩弹性抗力围岩弹性抗力p 岩石承受和反岩石承受和反抗辐射状内水压力的反作抗辐射状内水压力的反作用力，称为弹性抗力用力，称为弹性

27、抗力y（径向变形量）（径向变形量）P内内喷混凝土支护喷混凝土支护钢模板现浇混凝土支护钢模板现浇混凝土支护地下洞室的钢结构衬砌地下洞室的钢结构衬砌 p k k y （式（式56）式中：式中： k k弹性抗力系数弹性抗力系数（MPacm）y弹性抗力系数弹性抗力系数岩石岩石在辐射状内水压力作用下在辐射状内水压力作用下的径向变形量（的径向变形量（y）与其）与其所承受的内水压力（所承受的内水压力（p）的大小成正比关系：的大小成正比关系： 弹性抗力系数弹性抗力系数k k是反映是反映岩石弹性抗力高低的一个指岩石弹性抗力高低的一个指标。根据弹性理论，弹性抗标。根据弹性理论，弹性抗力系数与弹性模量和泊松比力系数

28、与弹性模量和泊松比之间有如下关系：之间有如下关系：E（1+）rk k r 隧洞的半径隧洞的半径 (cm ) 从上式可以看出，弹性抗力系数随隧洞半径而变从上式可以看出，弹性抗力系数随隧洞半径而变化，并不单纯表征化，并不单纯表征岩石岩石在辐射状压力下的变形性在辐射状压力下的变形性y单位单位弹性抗力系数弹性抗力系数k k0为为了使弹性抗力系数单纯表征岩了使弹性抗力系数单纯表征岩石的性质，成为一个岩石性质石的性质，成为一个岩石性质指标，在实践中常采用指标，在实践中常采用r为为100cm的弹性抗力系数，称为的弹性抗力系数，称为单位弹性抗力系数，即：单位弹性抗力系数，即：E（1+）100k k0 单位弹性

29、抗力系数单位弹性抗力系数是衬砌设计中的是衬砌设计中的重要参数之一：如果岩石的弹性抗力高，重要参数之一：如果岩石的弹性抗力高，对隧道衬砌强度的要求则可低些，从而对隧道衬砌强度的要求则可低些，从而隧道的造价便可降低。隧道的造价便可降低。 单位弹性抗力系数的确定方法单位弹性抗力系数的确定方法公式计公式计算法、工程地质类比法和原位测试法算法、工程地质类比法和原位测试法（如双（如双筒橡皮囊法、隧道水压法、径向千斤顶法）。筒橡皮囊法、隧道水压法、径向千斤顶法）。n六岩石的蠕变六岩石的蠕变v 1.蠕变蠕变岩石在方向和大小都保持不变的外力岩石在方向和大小都保持不变的外力作用下，变形量随时间延续而不断增长的现象

30、。作用下，变形量随时间延续而不断增长的现象。v 2.蠕变曲线蠕变曲线岩石的蠕变特征，一般用蠕变曲岩石的蠕变特征，一般用蠕变曲线，如应变（线，如应变（、）时间（时间（t）曲线表示。）曲线表示。v 3.岩石的蠕变性岩石的蠕变性主要决定于岩石的矿物成分和结主要决定于岩石的矿物成分和结 构。一定岩石在具体情况下的蠕变发展程度则同时构。一定岩石在具体情况下的蠕变发展程度则同时与应力水平的高低有关。与应力水平的高低有关。图图522中列出了蠕变性差中列出了蠕变性差异颇大的三种岩石（花岗岩、砂岩、页岩）在相同异颇大的三种岩石（花岗岩、砂岩、页岩）在相同应力水平（应力水平（9.81MPa）作用下的蠕变曲线。）作

31、用下的蠕变曲线。图图5 52121 岩石的典型蠕变曲线岩石的典型蠕变曲线（据（据Jaeger，J.C.）0 050501001001501502002002502503003003503500 05050100100150150200200250250300300350350时间时间t t应变应变2 21 13 34 4D DC CB BA AOAOA段：瞬时变形阶段段：瞬时变形阶段 ABAB段：减速蠕变阶段段：减速蠕变阶段 BCBC段：稳定蠕变阶段段：稳定蠕变阶段 CDCD段：加速蠕变阶段段：加速蠕变阶段 瞬时变形阶段瞬时变形阶段 ：弹性变形瞬间完成：弹性变形瞬间完成 减速蠕变阶段：减速蠕变

32、阶段：t ； ；d/dt 等速蠕变阶段：等速蠕变阶段：t ； ；d/dt=c 加速蠕变阶段：加速蠕变阶段：t ； ；d/dt 破坏破坏岩石直接剪切流变试验仪简介岩石直接剪切流变试验仪简介n岩石直接剪切流变试验仪，由成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室和四川大学水利水电学院联合开发研制的新型试验系统。本系统主要用于岩石的直接剪切流变试验，其功能可覆盖岩石力学试验领域的多个测试项目。n该系统由试验机A、B、C三台主机和高压泵站、六通道高精度液压稳压器、荷载及位移测量系统、计算机数据采集系统构成(见图) 。岩石直接剪切流变试验仪岩石直接剪切流变试验仪三台装置同时做平行试验三台装置同时

33、做平行试验 天然状态下天然状态下直剪流变试验直剪流变试验饱水状态下饱水状态下直剪流变试验直剪流变试验直剪流变试验破坏后试样状态直剪流变试验破坏后试样状态剪应变叠加曲线剪应变叠加曲线v 4.长期强度长期强度利用蠕变资料获得：利用蠕变资料获得： tg C 为表征极限剪切长期强度，应为表征极限剪切长期强度，应用四组不同法向应力的试件，求出用四组不同法向应力的试件，求出不同法向应力不同法向应力时的剪切长期强度时的剪切长期强度，做，做 曲线，可得曲线，可得和和cv 5.岩石蠕变特性的研究意义岩石蠕变特性的研究意义 在工程实践中常常发现：在岩体上在工程实践中常常发现：在岩体上修建建筑物，建筑物施加于岩体的

34、荷载虽修建建筑物，建筑物施加于岩体的荷载虽然可能远远低于岩体的强度，但由于岩体然可能远远低于岩体的强度，但由于岩体的蠕变，产生的大量变形仍可导致建筑物的蠕变，产生的大量变形仍可导致建筑物的破坏。的破坏。 在边坡失稳问题中，蠕变时常是重要的在边坡失稳问题中，蠕变时常是重要的因素之一。斜坡变形破坏的地质力学模式中因素之一。斜坡变形破坏的地质力学模式中有有“蠕滑拉裂蠕滑拉裂”。 陡倾角柔性岩石陡倾角柔性岩石(如板岩、千枚岩等如板岩、千枚岩等)分分布区的峡谷谷坡上，在重力的长期作用下，布区的峡谷谷坡上，在重力的长期作用下，顶部岩石弯向临空面方向，即成所谓顶部岩石弯向临空面方向，即成所谓“点头点头哈腰哈

35、腰”现象现象（图（图523）。边坡浅部发生弯曲边坡浅部发生弯曲拉裂变形，深部发生蠕滑拉裂变形，拉裂变形，深部发生蠕滑拉裂变形，可可能破坏方式为崩塌或深部切层转动型滑坡。能破坏方式为崩塌或深部切层转动型滑坡。这种现象在四川雅砻江、白龙江板岩、千枚这种现象在四川雅砻江、白龙江板岩、千枚岩分布区的河谷中很常见。岩分布区的河谷中很常见。n七岩石变形的本质七岩石变形的本质（自学）（自学） 岩石在一定的应力条件下发生变岩石在一定的应力条件下发生变形（包括弹性变形和塑性变形），这形（包括弹性变形和塑性变形），这都是岩石在力的作用下的都是岩石在力的作用下的宏观表现宏观表现。而而微观微观上岩石变形的本质可以从组

36、成上岩石变形的本质可以从组成岩石矿物晶体晶胞的的基本质点（离岩石矿物晶体晶胞的的基本质点（离子、原子或分子）之间的引力、斥力子、原子或分子）之间的引力、斥力以及它们与其之间距离以及它们与其之间距离 r 的关系来阐的关系来阐述述（图（图524） 。n一一基本概念基本概念v1.1.抗破坏性抗破坏性岩石具有一定的抵抗力的作用岩石具有一定的抵抗力的作用而使其自身不被破坏的性能，称之为抗破坏性。而使其自身不被破坏的性能，称之为抗破坏性。岩石的抗破坏能力主要决定于组成岩石的岩石的抗破坏能力主要决定于组成岩石的矿物颗矿物颗粒粒及其彼此间的及其彼此间的联结联结的抗破坏能力，尤其是后者。的抗破坏能力，尤其是后者

37、。v2.2.岩石的极限强度（简称为强度）岩石的极限强度（简称为强度）岩岩石所能承受的最高应力（拉应力、压应力、剪应石所能承受的最高应力（拉应力、压应力、剪应力）力）岩石的抗破坏性岩石的抗破坏性5.35.3v3 3. .力的作用方式和岩石破坏的性质力的作用方式和岩石破坏的性质力的作用方式力的作用方式有有3 3种种拉力拉力、压力压力和和剪力剪力岩石破坏的性岩石破坏的性质只有质只有2 2种种拉断拉断和和剪断剪断答：答： 岩石的破坏实质上是由于岩石内部的某个岩石的破坏实质上是由于岩石内部的某个( (些些) )面上相邻质点间的距离增大而超过了一定限面上相邻质点间的距离增大而超过了一定限度的结果。度的结果

38、。 压应力只能使相邻质点的距离压应力只能使相邻质点的距离缩短缩短，不可，不可能使其增大，所以也不可能使之破坏。在这种情能使其增大，所以也不可能使之破坏。在这种情况下岩石之所以被破坏，是由于压力在岩石内部况下岩石之所以被破坏，是由于压力在岩石内部诱发出了诱发出了拉应力拉应力和和剪应力剪应力。实际导致产生破坏面。实际导致产生破坏面的是这些拉应力或者剪应力。的是这些拉应力或者剪应力。 因此，因此，尽管从表观上看，岩石的破坏是在尽管从表观上看，岩石的破坏是在压力作用下发生的，然而岩石的破坏性质，有时压力作用下发生的，然而岩石的破坏性质，有时可能属于拉断，有时则可能属于剪断。可能属于拉断，有时则可能属于

39、剪断。 为什么岩石破坏的性质只有为什么岩石破坏的性质只有拉断拉断和和剪剪断断两种，而没有两种，而没有“压坏压坏”的说法？的说法？ 岩石在单轴压力作用下的破坏岩石在单轴压力作用下的破坏岩石的破坏岩石的破坏n二二岩石的抗拉强度岩石的抗拉强度 岩石抵抗单轴拉伸破坏的最大能力，以拉断时岩石抵抗单轴拉伸破坏的最大能力，以拉断时的极限应力表示，称为单轴抗拉强度，或简称为抗的极限应力表示，称为单轴抗拉强度，或简称为抗拉强度。拉强度。 t tP/AP/A （MPaMPa） 由于实验技术上的原因，进行岩石直接拉伸试由于实验技术上的原因，进行岩石直接拉伸试验是比较困难的，目前多采用间接方法，其中主要验是比较困难的

40、，目前多采用间接方法，其中主要的有巴西试验法的有巴西试验法( (或称劈裂法或称劈裂法) )、点荷载试验法等。、点荷载试验法等。 在工程地质实践中，评价陡崖岩体的稳定性、在工程地质实践中，评价陡崖岩体的稳定性、作为石板桥建筑材料的石料等情况下，需要考虑岩作为石板桥建筑材料的石料等情况下，需要考虑岩石的抗拉强度。石的抗拉强度。P110 表表5-7岩石的抗拉强度岩石的抗拉强度直接拉伸试验直接拉伸试验 劈裂法：将试件加工成圆板状或劈裂法：将试件加工成圆板状或圆柱状，在上下各加一根钢丝垫条，圆柱状，在上下各加一根钢丝垫条，沿试样直径方向施加线性荷载，试沿试样直径方向施加线性荷载，试件中将产生拉应力分布，

41、继续加载件中将产生拉应力分布，继续加载至试件沿轴线劈裂。至试件沿轴线劈裂。劈裂法抗拉强度为：劈裂法抗拉强度为：t = 2P/（D h）P岩石破坏时的最大荷载岩石破坏时的最大荷载D试件直径试件直径H试件高度试件高度巴西试验法（劈裂法）巴西试验法（劈裂法）P205岩石强度的点荷载试验岩石强度的点荷载试验（干样、饱水样）（干样、饱水样）与劈裂法类似，试件内产生与劈裂法类似，试件内产生垂直于加载方向的拉应力垂直于加载方向的拉应力n三三岩石的抗剪强度岩石的抗剪强度工程实践中岩石的主要破坏形式为工程实践中岩石的主要破坏形式为剪切破坏剪切破坏，如，如滑坡滑坡均质岩坡的均质岩坡的剪切破坏剪切破坏沿软弱面的沿软

42、弱面的剪切破坏剪切破坏 岩石抵抗剪切破坏的最大能力，以剪断岩石抵抗剪切破坏的最大能力，以剪断时剪切面上的极限剪应力表示，称为抗剪时剪切面上的极限剪应力表示，称为抗剪强度强度 tg+Ctg+C （MPaMPa） 上式中，上式中，表征岩石抗剪性能的基本指表征岩石抗剪性能的基本指标，也是标，也是内摩擦角内摩擦角和和内聚力内聚力C C 。工程意义：工程意义：抗剪强度参数是岩土体非常抗剪强度参数是岩土体非常重要的力学参数，在岩土体的稳定性计算中重要的力学参数，在岩土体的稳定性计算中必不可少。必不可少。岩石的直接剪切试验 施加垂直荷载施加垂直荷载P和水平荷载和水平荷载T，在不，在不同的同的下，岩石的抗剪断

43、强度不同，可下，岩石的抗剪断强度不同，可得到一条得到一条-相互关系的曲线，此曲线相互关系的曲线，此曲线用直线近似表示：用直线近似表示： = tg + c 关系曲线关系曲线 将试件放置在楔形剪切仪上，将试件放置在楔形剪切仪上，利用力的分解原理，将荷载利用力的分解原理，将荷载P分解分解法向压力法向压力N和切向力和切向力Q： N = P（cos a +f sin a） Q = P（sin a f cos a）与直剪试验有相同的受力状况。与直剪试验有相同的受力状况。调整试件倾角可得调整试件倾角可得到一系列试验结果，到一系列试验结果，同样可获得同样可获得-曲线曲线岩石的楔形剪切试验（变角板法） P206

44、楔形剪切关系曲线关系曲线岩石的三种剪切条件岩石的三种剪切条件v1. 1. 0 0，沿完整岩石剪断（沿完整岩石剪断（ 称为抗剪称为抗剪断强度）断强度） tg+Ctg+Cv2. 2. 0 0，岩石内部仅由内聚力抵抗剪力岩石内部仅由内聚力抵抗剪力 （ cc 称为抗切强度）称为抗切强度） c c C Cv3. 3. 0,0,剪力沿岩石中已有的裂隙面施加剪力沿岩石中已有的裂隙面施加（ f f 称为抗剪强度或摩擦强度）称为抗剪强度或摩擦强度） f f tgtg图图527 527 岩石的三种剪切条件岩石的三种剪切条件抗剪断试验抗剪断试验抗切试验抗切试验弱面抗剪切试验弱面抗剪切试验va.a. 评价由完整性较好

45、的岩体组成的陡崖评价由完整性较好的岩体组成的陡崖的稳定性，采用抗切强度的稳定性，采用抗切强度c c往往更接近于往往更接近于岩体在该条件下的受力特点；岩体在该条件下的受力特点；vb.b. 评价重力坝抗滑稳定性，确定混凝土评价重力坝抗滑稳定性，确定混凝土与岩石间的摩擦系数，一般选用摩擦强度与岩石间的摩擦系数，一般选用摩擦强度f f，而把，而把内聚力内聚力C C作为安全储备作为安全储备。工程中抗剪强度参数的选择工程中抗剪强度参数的选择 n四四岩石的抗压强度岩石的抗压强度 岩石抵抗压力破坏的最大能力，以承压面上岩石抵抗压力破坏的最大能力，以承压面上的平均最大压应力表示，称为单轴抗压强度，或的平均最大压

46、应力表示，称为单轴抗压强度，或简称为抗压强度简称为抗压强度 R RP/AP/A （MPaMPa）裂隙发展和破裂隙发展和破坏阶段（坏阶段（BCBC段）段）C点相应的应力，点相应的应力，称为峰值应力，单称为峰值应力，单轴应力状况下即岩轴应力状况下即岩石的石的单轴抗压强度单轴抗压强度aCBAO 利用压力机进行抗压试验时，在压力作利用压力机进行抗压试验时，在压力作用下，通过试件中心的纵断面上诱发出用下，通过试件中心的纵断面上诱发出拉应拉应力力，但试件的两个端部由于端部效应，限制，但试件的两个端部由于端部效应，限制了拉应力的发展。因此，破坏后的试件两端了拉应力的发展。因此，破坏后的试件两端多成多成锥形体

47、锥形体，具，具剪断剪断性质，如果试件较长，性质，如果试件较长，中部破坏面（拉断面）与压应力方向近于平中部破坏面（拉断面）与压应力方向近于平行，如果试件较短，则上、下两个锥体相连，行，如果试件较短，则上、下两个锥体相连，很少显示出拉断的迹象。很少显示出拉断的迹象。（图（图528破坏形式破坏形式 ，图，图529莫尔破坏圆）莫尔破坏圆）剪切破坏剪切破坏拉破坏拉破坏岩石强度的点荷载试验岩石强度的点荷载试验（干样、饱水样）（干样、饱水样）与劈裂法类似，试件内产生与劈裂法类似，试件内产生垂直于加载方向的拉应力垂直于加载方向的拉应力岩石的抗拉强度明显小于抗压强度，这是岩石的抗拉强度明显小于抗压强度，这是岩石

48、材料在强度方面的显著特点之一。岩石材料在强度方面的显著特点之一。几种岩石的强度几种岩石的强度（表（表57 、58、 510 ）n五五岩石在三轴应力下的抗破坏性岩石在三轴应力下的抗破坏性（等围压三轴应力条件）（等围压三轴应力条件）砂岩砂岩应力差轴应变曲线应力差轴应变曲线辉长岩辉长岩应力差轴应变曲线应力差轴应变曲线大理岩大理岩应力差轴应变曲线应力差轴应变曲线（据茂木清夫）（据茂木清夫）随围压随围压2 23 3的提高，岩石由破坏的提高，岩石由破坏前总应变量较小的前总应变量较小的脆性破坏脆性破坏（3 3）转变为总应变量很大的转变为总应变量很大的延性破坏延性破坏（5 5）；随围压的提高，岩石抵抗破坏所能

49、承随围压的提高，岩石抵抗破坏所能承受的极限应力提高，或者说岩石的强度受的极限应力提高，或者说岩石的强度（1 1- -3 3 ）提高。提高。岩石在等围压三轴应力条件岩石在等围压三轴应力条件下的抗破坏性的基本特点下的抗破坏性的基本特点 茂木清夫通过大量的研究工作，茂木清夫通过大量的研究工作，将围压作用下岩石的脆性将围压作用下岩石的脆性延性转变延性转变（Brittle Ductile transitionBrittle Ductile transition） 划分为两种类型划分为两种类型A型型和和B型型。A型：型： P P115 115 图图5-315-31B型型： P P115 115 图图5-3

50、2 5-32 脆性脆性延性转变压力延性转变压力在等围压三在等围压三轴应力条件下轴应力条件下, , 岩石可由脆性破坏转变岩石可由脆性破坏转变为延性破坏，发生这种转变时的为延性破坏，发生这种转变时的围压围压称称为脆性为脆性延性转变压力。延性转变压力。 岩石的岩石的脆性脆性延性转变压力延性转变压力的的大小，与其岩性有关。大小，与其岩性有关。（图（图531、图、图532中中b图）图）3 3=0.294（113 3）延性破坏区延性破坏区脆性破坏区脆性破坏区硅酸盐岩石硅酸盐岩石n一一影响结构面强度的因素影响结构面强度的因素结构结构面的特征（包括起伏情况、粗糙程度、胶结面的特征（包括起伏情况、粗糙程度、胶结

51、特征、充填特征、渗流特征等）特征、充填特征、渗流特征等）v1.1.已胶结的结构面已胶结的结构面v2.2.未胶结的结构面未胶结的结构面从讨论强度的观点，可将结构面存在的状态分为：从讨论强度的观点，可将结构面存在的状态分为：结构面的强度结构面的强度5.45.4( (主要指抗剪强度主要指抗剪强度) )硅质胶结硅质胶结（蛋白石、玉髓或石英）（蛋白石、玉髓或石英）铁质胶结铁质胶结钙质胶结钙质胶结（方解石和白云石）（方解石和白云石）粘土质（泥质）胶结粘土质（泥质）胶结胶结能力强胶结能力强胶结能力较胶结能力较弱，抗水能弱，抗水能力低力低胶结能力逐渐降低，强度逐渐降低。胶结能力逐渐降低，强度逐渐降低。 v1.

52、1.已胶结的结构面已胶结的结构面胶结物成分，胶结物成分，胶结类型胶结类型胶结后胶结后,有的结构面甚至能够承受一定的拉应力有的结构面甚至能够承受一定的拉应力a.a.已充填的已充填的填充物的成分和厚度，特别是填充物的成分和厚度，特别是填充物厚度同结构面起伏差的相对大小填充物厚度同结构面起伏差的相对大小 b.b.未充填的未充填的未被充填的结构面的强度主要未被充填的结构面的强度主要决定于结构面两壁的起伏形态、粗糙程度和凸起决定于结构面两壁的起伏形态、粗糙程度和凸起体的强度体的强度v2.2.未胶结的结构面未胶结的结构面不能承受拉应力不能承受拉应力（图（图535）已充填的结构面的强度已充填的结构面的强度

53、填充物的成分：填充物的成分：强度随粘土含量增加而降低，随碎强度随粘土含量增加而降低，随碎屑成分增加、颗粒增大，强度增高。屑成分增加、颗粒增大，强度增高。 充填程度和厚度的影响：充填程度和厚度的影响：充填物质厚度充填物质厚度t与起伏差与起伏差h的比为充填度。充填度越小，结构面强度越高的比为充填度。充填度越小，结构面强度越高ft/ h（ % ） 注：注： 1.1.对于已被胶结牢固的结构面，可作为岩对于已被胶结牢固的结构面，可作为岩石研究它的强度；石研究它的强度； 2.2.对于含有足够厚度填充物的结构面，可对于含有足够厚度填充物的结构面，可作为土研究它的强度；作为土研究它的强度； 3.3.对于未被充

54、填的和虽被充填但填充物厚对于未被充填的和虽被充填但填充物厚度较小的结构面，由于它们的强度完全或大度较小的结构面，由于它们的强度完全或大部分决定于结构面两壁岩石的特点，部分决定于结构面两壁岩石的特点，需进行需进行专门讨论专门讨论剪切机制及其抗剪性能的测定。剪切机制及其抗剪性能的测定。n二未被充填的结构面的剪切机制二未被充填的结构面的剪切机制 即使肉眼观察认为最平直光滑的结构面，即使肉眼观察认为最平直光滑的结构面，从微观上看也存在着大大小小的从微观上看也存在着大大小小的凸起体凸起体。当结。当结构面发生剪切时，两壁上的凸起体有的可能相构面发生剪切时，两壁上的凸起体有的可能相互滑越，有的则可能被剪断，

55、主要取决于互滑越，有的则可能被剪断，主要取决于凸起凸起体的强度、形状和高度以及应力的高低。体的强度、形状和高度以及应力的高低。1.1.当所受总力远远低于凸起体的总强度时当所受总力远远低于凸起体的总强度时 剪切实际上只能是剪切实际上只能是“滑越滑越” ” ，并无新的剪断，并无新的剪断 作用发生作用发生 （不常见）（不常见）以一个沿剪切方向呈三角形断面以一个沿剪切方向呈三角形断面的凸起体为例，分析其剪切机制的凸起体为例，分析其剪切机制 2.2.当所受总力等于或超过凸起体的最大抵抗能力当所受总力等于或超过凸起体的最大抵抗能力l 时时 凸起体从底面被剪断凸起体从底面被剪断3.3.当所受总力介于上述两种

56、情况之间时当所受总力介于上述两种情况之间时 先先爬升爬升至一定高度达到极限状态后，凸起体至一定高度达到极限状态后，凸起体 被被局部局部剪断。剪断。三三未被充填结构面抗剪性能的测定未被充填结构面抗剪性能的测定 常用方法：常用方法：原位直剪试验、携带式直剪仪原位直剪试验、携带式直剪仪 挪威学者挪威学者巴顿巴顿考虑到考虑到裂隙面的粗糙程度裂隙面的粗糙程度和和组成组成裂隙壁的岩石的抗压强度裂隙壁的岩石的抗压强度对岩体裂隙强度的控制作对岩体裂隙强度的控制作用，在对用，在对8种岩石、种岩石、100余条裂隙实验研究的基础上，余条裂隙实验研究的基础上，提出了计算结构面抗剪强度的公式：提出了计算结构面抗剪强度的

57、公式： P P119 , 119 , 式式5-215-21 n tanJRC lg（JCS/n）+b 其中：其中： 裂隙面裂隙面（结构面）（结构面）的抗剪强度的抗剪强度 n 裂隙面上的正应力裂隙面上的正应力 JRC裂隙面的粗糙系数（裂隙面的粗糙系数（020 ） JCS组成裂隙壁的岩石的抗压强度（组成裂隙壁的岩石的抗压强度（MPa） b隙壁岩石的内摩擦角隙壁岩石的内摩擦角公式仅适用于正应力较小的情况公式仅适用于正应力较小的情况（1）抗压试验）抗压试验（2）点荷载试验）点荷载试验（3）根据回弹值）根据回弹值Re与岩石干密度与岩石干密度d ，按公式按公式5-22求取。求取。JCS组成裂隙壁的岩石的抗

58、压强度（组成裂隙壁的岩石的抗压强度（MPa）cmJRC裂隙面的粗糙系数裂隙面的粗糙系数（020 ）用以确定用以确定JRCJRC值的粗糙度图谱值的粗糙度图谱（据（据BartonBarton）n一一岩体的变形性岩体的变形性 岩体的变形性能，是利用现场的变形岩体的变形性能，是利用现场的变形试验资料，绘制应力试验资料，绘制应力变形曲线来表征。变形曲线来表征。总地说来，岩体的应力总地说来，岩体的应力变形曲线与岩石变形曲线与岩石的应力的应力应变曲线，在基本轮廓上是相同应变曲线，在基本轮廓上是相同的。的。岩体的变形性和抗破坏性岩体的变形性和抗破坏性 5.55.5不同强度、不同结构不同强度、不同结构类型的岩体

59、，变形特类型的岩体，变形特性有差别，性有差别，分为：分为：岩体的变形性质主要取决于岩体中的结构面、结岩体的变形性质主要取决于岩体中的结构面、结构体及充填物的性质，下图为典型的裂隙岩体的构体及充填物的性质，下图为典型的裂隙岩体的应力应力应变全过程曲线应变全过程曲线（1）直线型）直线型（2）上凹型）上凹型（3）下凹型）下凹型（4）复合型）复合型岩体的压力岩体的压力- -变形曲线分类变形曲线分类直线型直线型A AA-1型型 ： p W曲线陡，刚度大；弹性为主变形，可恢曲线陡，刚度大；弹性为主变形，可恢复，复， 完整、坚硬、致密、均匀岩体的特性。完整、坚硬、致密、均匀岩体的特性。 A-2型：型： p

60、W曲线斜率缓，刚度小；有明显不可恢复曲线斜率缓，刚度小；有明显不可恢复变形和回滞环，节理化但裂隙分布均匀的岩体的特性。变形和回滞环，节理化但裂隙分布均匀的岩体的特性。岩体的压力岩体的压力- -变形曲线分类变形曲线分类上凹型上凹型B BB-1型型 ： p W曲线的斜率随压力和循环次数增大，弹曲线的斜率随压力和循环次数增大，弹性变形较大，性变形较大， 垂直层面加压时岩体的特性。垂直层面加压时岩体的特性。 B-2型：型： p W曲线的斜率随压力和循环次数增大；卸曲线的斜率随压力和循环次数增大；卸载时有明显的不可恢复变形和滞回环，高角度节理化载时有明显的不可恢复变形和滞回环，高角度节理化及垂直层面加压