CH2第二章岩石力学ppt课件

1、第二章第二章 岩体力学性质与岩体分类岩体力学性质与岩体分类2.1 岩体的特点岩体的特点n前一章讨论了岩石的力学性质。有关结果都是由岩石试前一章讨论了岩石的力学性质。有关结果都是由岩石试块在实验室试验所获得的。块在实验室试验所获得的。n室内试验的结果能否反映现实工程中材料的力学性质？室内试验的结果能否反映现实工程中材料的力学性质？在机械行业中，回答是肯定的。在机械行业中，回答是肯定的。n岩石工程中呢？奥地利岩石力学专家岩石工程中呢？奥地利岩石力学专家Mller的例子：花的例子：花岗岩，室内试验的岩石抗压强度为岗岩，室内试验的岩石抗压强度为250MPa;根据边坡破根据边坡破坏情况反推的现场岩石的抗

2、压强度：坏情况反推的现场岩石的抗压强度：1.25MPa。n因此：室内试验的结果不能代表现场的工程岩石。因此：室内试验的结果不能代表现场的工程岩石。为什么相差如此之大？是偶然还是普遍情形？为什么相差如此之大？是偶然还是普遍情形？n回答：普遍。尺寸较大的现场岩石，其强度通常都远低回答：普遍。尺寸较大的现场岩石，其强度通常都远低于小块岩石的强度。于小块岩石的强度。n原因何在？原因何在？n现场岩石中的断层、层面、节理、裂隙等各种软弱结构现场岩石中的断层、层面、节理、裂隙等各种软弱结构面，是造成岩石强度下降的主要原因。面，是造成岩石强度下降的主要原因。n室内试验的小试块，只包含微裂隙，不会有断层、节理室

3、内试验的小试块，只包含微裂隙，不会有断层、节理存在，因此，强度相对较高。存在，因此，强度相对较高。n工程现场的岩石，尺寸要大得多，节理、裂隙和断层等工程现场的岩石，尺寸要大得多，节理、裂隙和断层等都可能包含在其中。都可能包含在其中。结构面结构面岩石节理岩石节理岩体岩体定义：由结构面和结构体组成的地质体，是定义岩体不可缺一定义：由结构面和结构体组成的地质体，是定义岩体不可缺一的两个要素。的两个要素。结构面：指岩体中存在着的各种不同成因和不同特性的地质界结构面：指岩体中存在着的各种不同成因和不同特性的地质界面，包括物质的分界面、不连续面，如节理、片理、断层、不面，包括物质的分界面、不连续面，如节理

4、、片理、断层、不整合面等。整合面等。结构体：由结构面在岩体中切割而成的几何体称为结构体岩结构体：由结构面在岩体中切割而成的几何体称为结构体岩石）。石）。 要掌握岩体的力学特性，更重要的是掌握结构面的特性要掌握岩体的力学特性，更重要的是掌握结构面的特性一一 结构面结构面n结构面是在地球长期地质历史中形成的结构面是在地球长期地质历史中形成的 ，成因复杂，其，成因复杂，其分类方法也有多种。按地质成因的不同，可将结构面分分类方法也有多种。按地质成因的不同，可将结构面分为如下三类：为如下三类：n1. 原生结构面：在成岩过程中形成的结构面。又分为原生结构面：在成岩过程中形成的结构面。又分为n(a) 沉积结

5、构面。沉积结构面。 如层理面。如层理面。n(b) 火成结构面。如岩浆与其他岩体的接触面。火成结构面。如岩浆与其他岩体的接触面。n(c) 变质结构面。如片理。变质结构面。如片理。1.1 1.1 结构面的分类结构面的分类n2. 构造结构面构造结构面n指由地球构造活动所产生的结构面。包含：节理、指由地球构造活动所产生的结构面。包含：节理、劈理、断层等。劈理、断层等。n3. 次生结构面次生结构面n指在次生作用下形成的结构面。如风化裂隙、泥指在次生作用下形成的结构面。如风化裂隙、泥化夹层等。化夹层等。1.2 结构面的几何特征结构面的几何特征n结构面的存在，会使岩体的性质发生很大变化，强结构面的存在，会使

6、岩体的性质发生很大变化，强度大大降低。然而，随着结构面产状、形状、延展度大大降低。然而，随着结构面产状、形状、延展尺度、规模大小、发育程度等因素的变化，岩体强尺度、规模大小、发育程度等因素的变化，岩体强度也会发生极大变化。度也会发生极大变化。n因此，在岩体工程中，通常需要对结构面的形态进因此，在岩体工程中，通常需要对结构面的形态进行详细的研究。行详细的研究。1、结构面的产状、结构面的产状n结构面在空间的分布状态，通常用走向、倾向、倾角描述。结构面在空间的分布状态，通常用走向、倾向、倾角描述。n对岩体中的结构面而言，结构面与岩石工程之间的相互关系直接对岩体中的结构面而言，结构面与岩石工程之间的相

7、互关系直接影响岩体的稳定性。影响岩体的稳定性。n (a) (b) (c) (d) 2、结构面表面粗糙度的影响、结构面表面粗糙度的影响 粗糙度系数粗糙度系数JRC；巴顿：粗糙度系数可分；巴顿：粗糙度系数可分10级级(标准粗糙度剖面标准粗糙度剖面)对右图所示的露天矿边坡，对右图所示的露天矿边坡， 对结构面表面光滑平整和对结构面表面光滑平整和 表面粗糙两种情形，则显表面粗糙两种情形，则显 然，表面光滑时较容易发然，表面光滑时较容易发 生滑坡；表面粗糙时则边生滑坡；表面粗糙时则边 坡稳定性显著提高，不容坡稳定性显著提高，不容 易发生滑坡。易发生滑坡。因此，结构面表面的粗糙因此，结构面表面的粗糙 度，对

8、这类工程的稳定性，度，对这类工程的稳定性， 有显著影响。有显著影响。粗糙度大粗糙度大抗滑力大抗滑力大3、结构面的延展尺度和规模、结构面的延展尺度和规模n延展尺度：延展尺度： 主要指结构面本身的长度。可分为主要指结构面本身的长度。可分为n细小细小延展尺度延展尺度1米；米；n中等中等延展尺度延展尺度 1米米 10米；米；n宏大宏大延展尺度延展尺度10米米.n贯通情况：贯通情况： 主要指结构面长度与岩石工程尺度之间的关系。可主要指结构面长度与岩石工程尺度之间的关系。可分为分为n非贯通非贯通 2. 半贯通半贯通 3. 贯穿贯穿n 结构面是否贯通，对岩石工程的稳定性有很大影响。结构面是否贯通，对岩石工程

9、的稳定性有很大影响。4、结构面的密集度、结构面的密集度n结构面发育的密集程度，通常可以用两个指标来衡量：结构面发育的密集程度，通常可以用两个指标来衡量：n1.裂隙度裂隙度 k 指单位长度上节理的条数；指单位长度上节理的条数；n2.切割度切割度d岩体被结构面切割分离的程度，结构面面岩体被结构面切割分离的程度，结构面面积与评价断面面积之比。积与评价断面面积之比。n统计结构面密集程度的方法统计结构面密集程度的方法详细观测线法。详细观测线法。（1 1裂隙度裂隙度K K a.a.单组节理单组节理设观测线长度为设观测线长度为 ，在，在 上出现的上出现的节理的个数为节理的个数为n n， 那么那么 节理之间的

10、平均间距为节理之间的平均间距为单组结构面单组结构面多组结构面多组结构面nkknld122112121coscos11ddmmKKKniiidK1cosb.b.多组节理多组节理d180cm 岩体为整体结构d=30180cm 岩体为块状结构 d=6.530cm 岩体为碎裂结构 d 0.75 0.75结构面间距结构面间距 1.0 m 1.0 m岩土工程特征：整体性强度高，岩体稳定，可视为岩土工程特征：整体性强度高，岩体稳定，可视为均质、各向同性的连续介质。均质、各向同性的连续介质。（2 2块状结构块状结构节理发育，有若干软弱夹层或贯通微张裂隙将岩体切割成柱节理发育，有若干软弱夹层或贯通微张裂隙将岩体

11、切割成柱状、块状或菱形等结构体。工程范围内，有两组以上节理明显状、块状或菱形等结构体。工程范围内，有两组以上节理明显发育，构成影响工程稳定性的可能危险岩块，其尺寸小于工程发育，构成影响工程稳定性的可能危险岩块，其尺寸小于工程几何尺寸。几何尺寸。完整性系数完整性系数 0.35 0.350.750.75结构面间距结构面间距 0.5 0.51.0 m1.0 m岩土工程特征：整体性强度较高，结构面相互牵制，岩体基岩土工程特征：整体性强度较高，结构面相互牵制，岩体基本稳定，接近弹性各向同性体。本稳定，接近弹性各向同性体。（3 3层状结构层状结构 由中厚由中厚0.250.250.5 m0.5 m及薄层（及

12、薄层（0.25m0.25m的均一、巩固、软弱的均一、巩固、软弱或软硬相间的沉积岩或沉积变质岩形成的岩体。结构面以层理、或软硬相间的沉积岩或沉积变质岩形成的岩体。结构面以层理、片理、节理为主，往往有层间错动，结构体呈板状、片状互相紧片理、节理为主，往往有层间错动，结构体呈板状、片状互相紧密叠合。密叠合。完整性系数：层状完整性系数：层状 0.3 0.30.6; 0.6; 薄层状薄层状 0.4 0.4结构面间距：层状结构面间距：层状 0.3 0.30.5 m 0.5 m ；薄层状；薄层状 0.3 m 0.3 m岩土工程特征：工程范围内，一组节理明显发育，在层内具有均岩土工程特征：工程范围内，一组节理

13、明显发育，在层内具有均一的地质特征与力学特性，属各向异性、层内均质的连续介质。一的地质特征与力学特性，属各向异性、层内均质的连续介质。其变形和强度特征受层面及岩层组合控制，岩体稳定性较差。其变形和强度特征受层面及岩层组合控制，岩体稳定性较差。（4 4碎裂结构碎裂结构 构造发育，各种结构面与断裂交叉发育，且多为泥质充填。构造发育，各种结构面与断裂交叉发育，且多为泥质充填。岩体破碎，呈块状或片状，局部裹有坚硬的大块或条块状岩岩体破碎，呈块状或片状，局部裹有坚硬的大块或条块状岩石，属不均一的不连续介质，稳定性很差。石，属不均一的不连续介质，稳定性很差。 岩体岩体完整性系数完整性系数 结构面间距结构面

14、间距 镶嵌结构镶嵌结构 0.36 0.5m 层状碎裂结构层状碎裂结构 0.4 1m 破碎结构破碎结构 0.3 0.5m（5 5散体结构散体结构 主要为各种剧烈风化或挤压破碎的岩体或土体。结构主要为各种剧烈风化或挤压破碎的岩体或土体。结构面相当发育，呈网状，岩体极度破碎，并混有断层泥，面相当发育，呈网状，岩体极度破碎，并混有断层泥，呈松散堆积或压密堆积。呈松散堆积或压密堆积。 完整性系数：完整性系数：0.22a, h2a,矩形截面矩形截面. .加压装置：千斤顶，液压枕。加压装置：千斤顶，液压枕。液压枕液压枕岩体强度的经验折减岩体强度的经验折减2.4.12.4.1岩体的应力应变曲线岩体的应力应变曲

15、线与岩石的全应力与岩石的全应力- -应变曲线相似，但弹模、强度值会降应变曲线相似，但弹模、强度值会降低，泊松比提高。典型的岩体应力应变全过程曲线低，泊松比提高。典型的岩体应力应变全过程曲线如下：如下：（1裂隙压密阶段OA）：曲线上凹（2弹性变形阶段AB）:呈直线（3塑性变形阶段BC）：曲线下凹（4破坏后阶段CD）： 残余强度D 峰值强度C2.4 岩体的变形岩体的变形岩体变形曲线的基本形式岩体变形曲线的基本形式（1 1直线型：巩固、完整无裂隙岩体直线型：巩固、完整无裂隙岩体直线型直线型下凹型下凹型上凹型上凹型S S型型（3 3下凹型：节理裂隙发育，泥质充填，岩性软弱下凹型：节理裂隙发育，泥质充填

16、，岩性软弱（2 2上凹型：坚硬但裂隙发育，多呈张开而无充填物上凹型：坚硬但裂隙发育，多呈张开而无充填物其它形式可看成是这三种形式的组合，如其它形式可看成是这三种形式的组合，如S S型。型。 2.4.2 岩体的变形特性参数岩体的变形特性参数pepE弹性模量、变形模量弹性模量、变形模量变形模量反应是岩体的总刚度；变形模量反应是岩体的总刚度；弹性模量只代表岩体弹性变形；弹性模量只代表岩体弹性变形；eeEn静力法静力法n1、表面承压板法。又分刚性垫板法和柔性垫板法。承压板、表面承压板法。又分刚性垫板法和柔性垫板法。承压板方形或圆形，面积一般为方形或圆形，面积一般为0.51.2m2，加载力一般用，加载力

17、一般用50300t的千斤顶的千斤顶(P76图图2-29)n根据弹性力学，当半无限大弹性体表面某一部分受均匀压应根据弹性力学，当半无限大弹性体表面某一部分受均匀压应力的时候，压缩载荷与位移有如下关系：力的时候，压缩载荷与位移有如下关系：n式中式中 W为位移；为位移；p为对岩体施加的载荷；为对岩体施加的载荷；D为承压板直径或为承压板直径或边长；边长； 为与承压板形状和刚度有关的系数；为与承压板形状和刚度有关的系数；E和和m为岩体为岩体的模量和泊松比。的模量和泊松比。WpDE)1 (2测定岩体变形特性的方法：测定岩体变形特性的方法：力的加载方式可分为：大循力的加载方式可分为：大循环法和小循环法。环法

18、和小循环法。 采用何种加荷方式，可根据采用何种加荷方式，可根据岩体结构和工程要求而定。岩体结构和工程要求而定。完整岩体：可采用大循环加完整岩体：可采用大循环加荷方式，以确定岩体在不同荷方式，以确定岩体在不同荷载下的变形特性；荷载下的变形特性；多裂隙岩体：可采用多循环或单循环加荷方式，以了解各种多裂隙岩体：可采用多循环或单循环加荷方式，以了解各种结构面对岩体变形的影响。结构面对岩体变形的影响。 设垫板总变形位移量为设垫板总变形位移量为W0,W0,其中弹性变形量为其中弹性变形量为We,We,塑性塑性变形量为变形量为Wp,Wp,则岩体的变形指标：则岩体的变形指标：式中：式中：p p受荷面单位面积上的

19、压力；受荷面单位面积上的压力；D D承压板直径或边承压板直径或边长长;与承压板形状和刚度有关的系数，方形板为与承压板形状和刚度有关的系数，方形板为0.880.88，圆，圆形板为形板为0.790.79；岩体泊松比。岩体泊松比。岩体变形模量：岩体变形模量：岩体弹性模量：岩体弹性模量：020)1 (WpDEeeWpDE)1 (22 2、钻孔承压板法、钻孔承压板法 表面承压板法测得的岩体表面承压板法测得的岩体变形模量偏低，这是由于工程变形模量偏低，这是由于工程岩体表面附近岩体大多发生了岩体表面附近岩体大多发生了不同程度的松动。为了排除松不同程度的松动。为了排除松动的影响，开始采用孔底承压动的影响，开始

20、采用孔底承压板法测定岩体变形模量。测定板法测定岩体变形模量。测定结果表明：孔底承压板法测得结果表明：孔底承压板法测得的原位岩体变形参数比表面承的原位岩体变形参数比表面承压板试验测定值高很多，甚至压板试验测定值高很多，甚至高达高达1010余倍。余倍。dddpdvE 1)21)(1(2)(222222spspdvvvv 式中：式中：vp,vsvp,vs纵波波速和横波波速，纵波波速和横波波速，为岩体密度。为岩体密度。一般而言：一般而言：Ed Ee Ed Ee 动力法动力法 考察动载荷作用下的弹性性质。考察动载荷作用下的弹性性质。 岩体动弹性模量和动泊松比，根据弹性波在岩体中的传播岩体动弹性模量和动泊

21、松比，根据弹性波在岩体中的传播速度进行求解。速度进行求解。 采用小量药包爆炸激发地震波，在距震源一定距离设置检采用小量药包爆炸激发地震波，在距震源一定距离设置检波器，检测弹性波。根据弹性波波速算出动弹性模量波器，检测弹性波。根据弹性波波速算出动弹性模量EdEd和动泊和动泊松比松比dd。2.5 岩体的分类岩体的分类 岩体分类是对影响岩体稳定性和影响工程设计、施工和岩体分类是对影响岩体稳定性和影响工程设计、施工和维护的各种因素建立一些评价指标，对工程辖区岩体进行评维护的各种因素建立一些评价指标，对工程辖区岩体进行评价，划分出不同的的级别或类别。价，划分出不同的的级别或类别。 分类的目的：为岩体工程

22、建设的勘察、设计、施工和编分类的目的：为岩体工程建设的勘察、设计、施工和编制定额提供必要的基本依据。制定额提供必要的基本依据。 按分类目的，可分为综合性和专题性两种；按其所涉及按分类目的，可分为综合性和专题性两种；按其所涉及的因素多少，可分为单因素分类法和多因素分类法两种。的因素多少，可分为单因素分类法和多因素分类法两种。工程岩体分类的参考影响因素工程岩体分类的参考影响因素1 1、岩石的强度。、岩石的强度。GBGB 用饱和单轴抗压强度进行岩石坚硬用饱和单轴抗压强度进行岩石坚硬程度分类。程度分类。2 2、岩体的完整性。岩体完整性取决于不连续面的组数和密度。可用结构面、岩体的完整性。岩体完整性取决

23、于不连续面的组数和密度。可用结构面频率频率( (裂隙度）、间距、岩心采取率、岩石质量指标裂隙度）、间距、岩心采取率、岩石质量指标RQDRQD以及完整性系数作为以及完整性系数作为定量指标进行描述。这些定量指标是表征岩体工程性质的重要参数。定量指标进行描述。这些定量指标是表征岩体工程性质的重要参数。3 3、结构面条件。包括结构面产状、粗糙度和充填情况。岩体的工程性质主、结构面条件。包括结构面产状、粗糙度和充填情况。岩体的工程性质主要取决于结构面的性质和分布状态以及其间的充填物性质。要取决于结构面的性质和分布状态以及其间的充填物性质。4 4、岩体及结构面的风化程度。风化程度越高，岩体越破碎，强度越低

24、、岩体及结构面的风化程度。风化程度越高，岩体越破碎，强度越低 。5 5、地下水的影响。渗流，软化，膨胀，崩解，水压力等。、地下水的影响。渗流，软化，膨胀，崩解，水压力等。10CSf 2.5.1 2.5.1 单一指标分类法单一指标分类法1. 1. 按强度分类按强度分类 ( (普氏分类法普氏分类法) )用岩石单轴抗压强度作为分类依据。在用岩石单轴抗压强度作为分类依据。在我国冶金矿山，长期使用普氏系数我国冶金矿山，长期使用普氏系数(f)(f)分类法，至今仍然在沿用。分类法，至今仍然在沿用。2. 2. 按岩石按岩石( (芯芯) )质量指标分类质量指标分类(RQD(RQD法法) ) 根据钻探时岩芯完好程

25、度判断。该法根据钻探时岩芯完好程度判断。该法在设计时有用。因为设计阶段往往资料在设计时有用。因为设计阶段往往资料不全，利用岩芯信息时必要的。不全，利用岩芯信息时必要的。 P92 P92表表2-62-6钻孔总长度以上岩芯累计长度10010cmRQD1、 RMR分类法分类法(南非科学工业研究会南非科学工业研究会)n类：类：80分，非常好的岩体；分，非常好的岩体；n类：类：61-80分，好岩体；分，好岩体；n类：类：41-60分，一般岩体；分，一般岩体；n类：类：21-40分，不好的岩体；分，不好的岩体；n类：类：20分，非常不好的岩体；分，非常不好的岩体；2.5.2 复合指标分类法复合指标分类法（

26、1 1岩块强度岩块强度(R1) (R1) （2 2RQDRQD值值(R2)(R2)（3 3节理间距节理间距(R3)(R3)（4 4节理条件节理条件(R4) (R4) （5 5地下水地下水(R5) (R5) （6 6节理方向对工程的影节理方向对工程的影响的修正参数响的修正参数R6R6） 654321RRRRRRRMR R1R1R2R2R3R3R4R4R5R5R6R6分类号分类号平均自稳时平均自稳时间间15m跨，跨，20年年10m跨，跨，1年年5m跨，跨，1星期星期2.5m跨，跨，10h1m跨，跨，30min岩体的内聚岩体的内聚力力(kPa)400 300400200300100200 45035

27、0450250350150250 GB50218-94n岩体基本质量指标岩体基本质量指标BQKBQcw250390n类：类：550分，岩体完整；分，岩体完整；n类：类：451-550分，岩体较完整；分，岩体较完整；n类：类：351-450分，岩体较破碎；分，岩体较破碎；n类：类：251-350分，岩体破碎；分，岩体破碎；n类：类：250分，岩体极破碎；分，岩体极破碎；BQBQ的修正：水、结构面产状、应力的修正：水、结构面产状、应力岩石力学新兴的研究方向之岩石动力学岩石力学新兴的研究方向之岩石动力学岩石动力学就是研究岩石材料在动载荷作用下表现出的力学行为的岩石动力学就是研究岩石材料在动载荷作用下

28、表现出的力学行为的学科。如，爆炸、冲击等。学科。如，爆炸、冲击等。 岩石动力学研究内容与方向：岩石动力学研究内容与方向：岩石动态力学性质与本构关系；岩石动态力学性质与本构关系；岩体石中应力波的传播与衰减规律；岩体石中应力波的传播与衰减规律；岩石动态断裂机理与数值模拟；岩石动态断裂机理与数值模拟；岩石动力学与防护工程；岩石动力学与防护工程；岩石爆破与控爆技术；岩石爆破与控爆技术；岩爆与冲击地压机理研究；岩爆与冲击地压机理研究；岩石洞、基、坡动态稳定性分析；岩石洞、基、坡动态稳定性分析；岩石锚杆、锚索、土钉抗动载效应；岩石锚杆、锚索、土钉抗动载效应；岩石动力参数的测试新技术与新方法；岩石动力参数的测试新技术与新方法；桩基动测技术及其应用等桩基动测技术及其应用等19871987年年1010月成立了中国岩月成立了中国岩石力