第二章岩体力学

1、第二章 岩体力学第一节 岩石的工程地质性质 几个概念： 岩石：是由具有一定结构构造的矿物（含结晶和非结晶）集合体组成。 岩块：是指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元体。 岩体：由岩块和结构面组成。 岩石与土的主要区别：1.岩石矿物颗粒间具有更为牢固的连接；2. 岩体存在结构面；3.岩体具有高地应力。岩石的物理性质 岩石的密度：颗粒密度块体密度：干密度、天然密度和饱和密度。 空隙性：岩石孔隙性和裂隙性的统称，用空隙率表示。总空隙率、总开空隙率、大开空隙率、小开空隙率和闭空隙率。 岩石的吸水性：岩石在一定试验条件下吸收水分的能力。 岩石的吸水率：指岩石试件在一个大气压和室温条件下自

2、由吸入水的质量与试件干质量之比。 岩石的饱和吸水率：是指岩石试件在高压（一般为15MPa）或真空条件下吸入水的质量与岩样干质量之比。 饱水系数：吸水率与饱和吸水率之比。反映岩石中大、小空隙的相对比例关系。 岩石的软化性：岩石浸水后强度降低的性质。岩石的软化性取决于它的矿物组成及空隙性。 软化系数为饱和抗压强度与干燥抗压强度之比。当软化系数大于0.75时，软化性弱，同时也说明岩石的抗冻性和抗风化能力强；反之亦反。 岩石的抗冻性：岩石抵抗冻融破坏的性质。 岩石的抗冻性常用抗冻系数和质量损失率两个指标表示。 抗冻系数是指岩石冻融实验后干抗压强度与冻融前抗压强度之比，以百分数表示。 质量损失率是指冻融

3、前后岩样干质量之差与冻融前干质量之比，以百分数表示。 当抗冻系数大于75%，质量损失率小于2%时，认为岩石抗冻性好；吸水率小于5%，软化系数大于0.75以及饱水系数小于0.8的岩石，具有足够的抗冻能力。 岩石的透水性：岩石能被水透过的性质，用渗透系数表示。它的大小取决于空隙的数量、大小、方向和连通情况。岩石的力学性质 岩石在外力作用下所变现出来的性质，这里主要研究变形、破坏及其强度。单轴受压下岩石的变形与强度L岩石单轴受压应力应变曲线dV孔隙裂隙压密阶段；微破裂稳定发展阶段；破坏后阶段弹性变形；非稳定破裂发展阶段；根据美国学者米勒（1965）对28种岩石的试验成果，可以将岩块峰值前应力-轴向应

4、变曲线分为6类。玄武岩盐岩片岩片麻岩花岗岩灰岩岩石的变形参数 变形模量：指岩石在单向受压时，轴向压力与轴向应变之比，当岩石变形为弹性变形时，应力应变曲线为一直线，该模量为弹性模量，数值等于直线斜率。初始模量切线模量割线模量 泊松比：岩石单向受压时，横向应变与轴向应变之比。在实际工作中常采用抗压强度50%处的横向应变与轴向应变之比计算泊松比。 岩石的变形模量和泊松比往往具有各向异性，当平行于微结构面加载时，变形模量最大；当垂直于微结构面的变形模量最小。循环荷载条件下岩石变形特征在弹性极限以内卸荷在弹性极限以外卸荷反复加载卸载应力应变曲线单向受力条件下的岩石强度 岩石的强度主要包括抗压、抗拉和剪切

5、强度。 抗压强度：岩石单向受压时，能够承受的最大压应力，称为单轴抗压强度，简称抗压强度。 影响岩石抗压强度的因素： 1. 岩石本身的因素，如矿物组成、结构构造、风化程度及含水状态等； 2. 试验条件，如试件形状、大小、高径比及加工精度、加荷速率等。 抗拉强度：岩石试件单向受拉时，能承受的最大拉应力，称为岩石的抗拉强度。 影响岩石抗拉强度的因素与抗压强度影响因素相同，但其控制作用的因素是岩石的结构，特别是空隙性的影响尤为严重。 岩石的抗拉强度远小于其抗压强度。 岩石的剪切强度：受剪力作用时抵抗剪切破坏的最大剪应力，称为剪切强度。 抗剪断强度：指在一定的法向应力作用下，沿预定剪切面剪断时的最大剪应

6、力。它反映了岩石的内聚力和内摩擦阻力。 抗剪强度：指在一定的法向应力作用下，沿已有破裂面再次剪坏时的最大剪应力。它反映了岩石中微结构面（裂隙、层理等）或人工破裂面上的摩擦阻力。 抗切强度：指法向应力为零时，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力。它反映了岩石的内聚力。三向应力下岩石的变形与强度三轴应力下岩石的变形与强度测试：真三轴或不等压三轴： 0123假三轴： = 0321 三轴压缩试验可以得出：（1）不同围压 下三轴压缩强度 ；（2）强度包络线及剪切强度参数；（3）压力差（ ）-轴向应变 曲线和变形模量。根据这些成果可以分析岩块在三轴压缩条件下的变形与强度性质。m1331三轴压缩强度：试件在三向压

7、力下能抵抗的最大轴向应力，称为岩块的三轴压缩强度。通过三轴压缩试验可以得到相应围压的三轴压缩强度、剪切强度参数、单轴抗拉强度。Apmm1cot2/ )(2/ )(sin3131Cmmsin1sin12sin1sin131Cm)245tan(2 Cc)2-(45tan2ct2tcC 围压对岩块变形破坏的影响： 岩石破坏前的应变随围压增大而增加； 岩石逐渐由脆性转为延性； 对变形模量的影响；总体说来，变形模量和泊松比随着围压增大都有一定程度的增加。围压对岩石强度的影响 岩石的三轴压缩强度 均随围压 的增加而增大，但是 的增加速率小于 的增加速率，即两者呈非线性关系。 当围压为零或者很低时，应力达到

8、峰值后曲线迅速下降至接近零，岩块残余强度很低，随着围压增大，其残余强度也逐渐增大，直到产生应变硬化。 m13m13岩石的蠕变特性 岩石的蠕变：岩石在大小和方向不变的外力作用下，变形量随时间延续而不断增长的现象。岩石的典型蠕变曲线页岩、砂岩和花岗岩在10MPa压力下蠕变曲线第二节 岩体的工程地质性质及岩体工程分类 岩体包括结构面和结构体两个部分。 结构面的类型：原生结构面、构造结构面和次生结构面。不同的结构面成因不同，工程地质特性也不相同。 结构面特征及其对岩体力学性质的影响： 结构面产状； 结构面连续性； 结构面密度； 结构面形态； 结构面张开度； 结构面冲填胶结程度； 结构面的规模及分级；结

9、构面分级及特征按结构面的延伸长度、切割深度、破碎带宽度及其力学效应，将其分为5级：I级：指大断层或区域性断层，一般延伸约数公里至数十公里以上，破碎带宽度约数米至数百米以上。如郯庐大断裂。级：指延伸长而宽度不大的区域性地质界面，如较大的断层、层间错动、不整合面及原生软弱夹层等。长度一般数百米至数千米，破碎带宽度数十厘米至数米。如西南区煤系地层。级：指长度数十米至数百米的断层、区域性节理、延伸较好的层面及层间错动等。宽度一般数厘米至1米。如房山岩体区域性节理。级：指延展性较差的节理、层面、次生裂隙、小断层及较发育的片理、劈理面等。一般长度为数十厘米至20-30米，宽度数厘米至十几厘米。如卸荷裂隙。

10、级：微结构面。指隐节理、微层面、微裂隙及不发育的片理、劈理等。结构体：被结构面切割成的岩石块体。 结构体分级，可以分为4级，不同级别的结构面所切割围限的岩石块体（结构体）的规模是不同的。结构体一般分为4级。 级结构面切割的结构体称为岩块，其内部还有微裂隙、隐节理等级结构面。 岩体结构：岩体中结构面和结构体的成因、特征、及其排列组合关系。岩体结构类型岩体结构控制论 岩体的应力传播、变形破坏以及岩体力学介质属性无不受控于岩体结构。岩体结构对工程岩体的控制作用主要表现在三方面： 应力传播特征 岩体的变形与破坏特征 工程岩体的稳定性不同结构岩体的变形破坏方式结构面的变形与强度性质 结构面的法向变形特征

11、 法向刚度：法向应力作用下，结构面产生单位法向变形所需要的应力，数值上等于 某一点的切线斜率。jnV切向变形特征：结构面切向刚度 结构面的强度，这里重点研究其抗剪强度。 结构面的抗剪强度主要受结构面的形态、连续性、胶结填充特征、壁岩性质、次生变化和受力历史等因素的影响。 根据结构面的形态、填充情况及连续性特征，将其划分为：平直无填充的结构面、粗糙起伏无填充的结构面、非贯通连续的结构面和具有填充物的软弱结构面。 平直无填充的结构面：特点是面平直、光滑，只有微弱的风化。jtan 粗糙起伏无填充的结构面：具有明显的粗糙度，是影响结构面剪切强度的一个重要因素。)(itgi当法向应力较低：当法向应力足够

12、大时：Ctan规则锯齿形结构面)lgtan(uJCSJRC不规则起伏结构面JRC-结构面的粗糙度系数；JCS-结构面的壁岩强度； - 结构面的基本摩擦角，等于结构面 壁岩平直表面的摩擦角u 非连续贯通的结构面jCtan)1 (tan)1 (1111KKCKCKjjj裂隙面的粘聚力和摩擦角；C岩石粘聚力和摩擦角；1K结构面的线连续性系数。baaK1 具有填充物的软弱结构面曲线为粘粒含量较高的泥化夹层的剪切曲线，而曲线-的粗碎屑成分逐渐增加。岩体的变形研究岩体变形的意义：1. 防止岩体各部分形变差过大而在建筑物结构中产生附加应力；2.岩体形变量过大导致建筑物形变量过大。岩体的形变是岩块材料变形和结

13、构变形的总和，而结构变形通常包括结构面闭合、填充物压密、结构体转动和滑动等变形，一般情况下，岩体的结构变形起着控制作用。 岩体变形参数的测定方法： 一般采用原位测试：承压板法、钻孔变形法、狭缝法、声波法和地震波法。 节理化岩体变形参数的估算： 比尼卫斯基：1002RMREm401010RMRmESerafim 和Pereira：RMR55RMR55岩体的强度性质 岩体的剪切强度 原位岩体剪切试验岩体的压缩强度估算：1. 利用单结构面理论估算岩体强度：2. Hoek和Brown根据岩体性质的理论与实践经验，依据试验资料导出了裂隙岩体的强度方程。2sin)cottan1 ()tan(2331jjj

14、C2331ccSm第三节 岩体的工程分类 岩体的工程分类是工程地质学中一个重要的研究课题。它是通过岩体一些简单和易实测的指标，把工程地质条件与岩体力学性质联系起来进行归类。并对各类岩体质量、工程建筑条件予以定性或定量的评价，给人们质量好坏的改良，为工程设计和施工提供地质依据。 RQD分类 RQD值：大于10cm的岩芯累计长度与钻孔进尺长度之比的百分数。 RQD分类没有考虑岩体中结构面性质的影响，也没有考虑岩块性质的影响及这些因素的综合效应。 RMR分类 由岩块强度、RQD值、节理间距、节理条件及地下水5类参数组成。 Q分类 式中6个参数的组合，反映了岩体质量的3个方面，即岩体的完整性；结构面（

15、节理）的形态、填充物特征及其次生变化程度；水与其他应力存在时对岩体质量的影响。SRFJJJJRQDQwarn BQ法 国标工程岩体分级标准（GB50218-94）提出二级分级法，先按岩体的基本质量指标BQ进行初步分级；然后考虑其他影响因素对BQ进行修正，再按修正后的BQ进行详细分级。vcwKBQ2503902)(rpmpvvvK )(100321KKKBQBQ工程岩体分类的具体应用 工程岩体分类广泛应用于岩体参数估算、稳定性评价及其加固与支护。例子：某隧道位于地下200m处的泥岩中，岩体内发育有3组主要结构面：第一组结构面为层面，其特点为强风化，表面较为粗糙，产状为18010，该组节理条件评分为15；第二组结构面为节面，其特点为中等风化，表面较粗糙，产状为185 75，该组节理条件评分为21，第三组结构面为节理面，其特点为为中等风化，表面较为粗糙，产状为90 80，该组节理条件评分为21；岩石抗压强度为55MPa，RQD值为60%，平均裂隙宽度为0.4m。试采用RMR系统对该岩体进行分类，估算岩体力学参数，评估由东向西开挖10m隧道的稳定性。RMR评分与岩体质量分级一般岩体，岩体内聚力200300KPa，内摩擦角为2535，5m直径的隧道自稳时间为一周，如果修建10m的隧道，围岩发生失稳的可能性较大，