岩石力学-安全工程-21

1、重庆大学安全工程专业选修课程岩 石 力 学 主讲人：许 江目目 录录 绪 论第1章 岩石物理力学性质第第2 2章章 岩体力学性质第第3 3章章 地应力及其测量第第4 4章章 岩石本构关系与强度理论第第2 2章章 岩体力学性质岩体力学性质概述岩体结构基本类型岩体结构面及其充填特征结构面的力学特性岩体的变形特性岩体的强度特性岩体的水力学性质1.岩体质量评价及其分类第第2 2章章 岩体力学性质岩体力学性质概述岩体结构基本类型岩体结构面及其充填特征结构面的力学特性岩体的变形特性岩体的强度特性岩体的水力学性质1.岩体质量评价及其分类1. 1. 概述概述1) 岩体中的结构面与结构体2) 岩体的赋存环境3)

2、 岩体力学性质4) 本章主要学习内容1) 1) 岩体中的结构面与结构体岩体中的结构面与结构体结构面结构面结构体结构体A.岩体结构单元岩体结构单元A.A.结构面结构面l定义：定义：所谓结构面是指岩体中存在着的各种不同成因和不同特性的地质界面地质界面（即不连续面），包括物质的分界面、不连续面如节理、片理、断层、不整合面等，亦称弱面。l基本属性：基本属性：具有一定厚度的面面的几何属性l变形机理：变形机理：上、下盘岩体的闭合或滑移某岩层断面上的层理与节理三峡库区长江边某陡崖断面的结构面分布情况B.B.结构体结构体l定义：定义：即被各种结构面切割而成的岩石块体l基本形状：基本形状： 块状、柱状、板状 菱

3、形、楔形、锥形C.C.岩体结构单元岩体结构单元l岩体结构：岩体结构：即不同类型的岩体结构单 元在岩体内的组合、排列形式。l岩体结构单元：岩体结构单元：分为两类四种，即： 2) 2) 岩体的赋存环境岩体的赋存环境地应力：影响岩体的承载能力、变形破坏机制和应力传播法则等地下水：影响岩体的变形破坏及其稳定性等A. 地 温：影响岩体的承载能力和变形破坏机制等3) 3) 岩体力学性质岩体力学性质岩体力学性质l变形特性l强度特征l工程岩体稳定性影响岩体力学性质的基本因素l结构体（岩石）力学性质l结构面力学效应A.环境因素4) 4) 本章主要学习内容本章主要学习内容 岩体结构类型 岩体结构面性态与力学性质

4、岩体的变形与强度特性 岩体的水力学性质（了解）A.岩体分类第第2 2章章 岩体力学性质岩体力学性质概述岩体结构基本类型岩体结构面及其充填特征结构面的力学特性岩体的变形特性岩体的强度特性岩体的水力学性质1.岩体质量评价及其分类2. 2. 岩体结构基本类型岩体结构基本类型 1) 岩体结构分类依据 2) 分类方案 3) 各类岩体结构的地质特征 4) 岩体结构的相对性及工程岩体结构的唯一性岩体结构分类依据岩体结构分类依据从以下三个层面对岩体结构进行分类：从以下三个层面对岩体结构进行分类：l 第一依据第一依据l 第二依据第二依据l 亚类划分依据亚类划分依据第一依据第一依据：结构面类型（结构级序）l 软弱

5、结构面软弱结构面 I级岩体结构（有充填物）l 坚硬结构面坚硬结构面 II级岩体结构（无充填物）第二依据第二依据：结构面切割程度及结构体类型（岩体结构基本类型） I级岩体结构级岩体结构：块状岩体结构块裂结构 板状岩体结构板裂结构 II级岩体结构：级岩体结构：结构面贯通切割碎裂结构 结构面断续切割断续结构 无显结构面切割完整结构亚类划分依据亚类划分依据：岩体的原生结构 块状的块状的 块状碎裂结构 层状的层状的 层状碎裂结构2) 2) 分类方案分类方案3) 各类岩体结构的地质特征各类岩体结构的地质特征l 完整结构岩体完整结构岩体l 块裂结构岩体块裂结构岩体l 板裂结构岩体板裂结构岩体l 碎裂结构岩体

6、碎裂结构岩体l 断续结构岩体断续结构岩体l 散体结构岩体散体结构岩体3) 各类岩体结构的地质特征完整结构岩体各类岩体结构的地质特征完整结构岩体 完整结构岩体多半是碎裂结构岩体中结构面被后生作用愈合而成，后生愈合后生愈合方式有两种：l压力愈合：具有粘性成分物质，如粘土岩、长石质、石灰质矿物成分组成的岩体，在高围压作用下，其结构面可以重新粘结到一起，形成完整结构。l胶结愈合：在硅质、铁质、钙质及后期侵入的岩浆等胶结物的胶结愈合作用下碎裂结构岩体可转化为完整结构，但后期愈合面的强度仍低于原岩强度，故在后期振动、热力胀缩作用下又可能开裂，开裂程度高者可恢复为碎裂结构岩体，低者可转化为断续结构岩体。3)

7、 各类岩体结构的地质特征块裂结构岩体各类岩体结构的地质特征块裂结构岩体该类岩体是由至少一组软弱结构面切割及坚硬结构面参与切割成块状结构体的高级序岩体结构，其结构体有的是由岩浆岩、变质岩及厚层大理岩、灰岩、砂岩等块状原生结构岩体构成，有的为薄至中厚层沉积岩，层状浅变质岩及岩浆喷出岩等层状原生结构岩体组成，其软弱结构面主要为断层、层间错动等参与切割的坚硬结构面一般延展较长，亦多数为错动过的坚硬结构面。 3) 各类岩体结构的地质特征板裂结构岩体各类岩体结构的地质特征板裂结构岩体 主要发育于经过褶皱作用的层状岩体内受一组软弱结构面切割，结构体呈板状软弱结构面主要为层间错动面或块状原生结构岩体内的似层间

8、错动面结构体多数为组合板状结构体，有的亦为完整板状结构体。3) 各类岩体结构的地质特征碎裂结构岩体各类岩体结构的地质特征碎裂结构岩体 碎裂结构岩体尽管可以划分为块状碎裂结构岩体及层状碎裂结构岩体两亚类，但它们的共同点是切割岩体的结构面是有规律的，即主要为原生结构面及构造结构面块状碎裂结构主要形成于岩浆岩侵人体、深变质的片麻岩、混合岩、大理岩、石英岩及层理不明显的巨厚层灰岩、砂岩等岩体内其特点是结构体块度大，大多为1-2m，但块度较均匀层状碎裂结构的特点是块度小，其块度与岩层厚度有关，浅海相及海陆交互相沉积岩多数为这种结构有时还可分为一种镶嵌状碎裂结构，大多发育于强烈构造作用区内的硬脆性岩体内，

9、结构面组数多，结构面组数多于5组时可形成这种结构。 3) 各类岩体结构的地质特征断续结构岩体各类岩体结构的地质特征断续结构岩体 断续结构岩体特点是显结构面不连续，对岩体切而不断，个别部分亦有连续贯通结构但这种部位很少，多数为不连续切割，形不成结构体在力学上来说，宏观上具有连续介质特点；微观上多数不连续，应力集中现象明显，这种应力集中对岩体破坏具有特殊意义，断裂力学判据对这种岩体也具有特殊意义。3) 各类岩体结构的地质特征散体结构岩体各类岩体结构的地质特征散体结构岩体 散体结构分为两亚类：碎屑状散体结构岩体糜棱化散体结构岩体 3) 各类岩体结构的地质特征散体结构岩体各类岩体结构的地质特征散体结构

10、岩体碎屑状散体结构岩体碎屑状散体结构岩体特点是结构面无序分布、结构面中有软弱的，也有坚硬的结构体主要为角砾，角砾中常充填夹杂有泥质成分一般来说，以角砾成分为主，即所谓“块夹泥”。也有的泥质成分局部集中，但角砾仍起主导作用，其成因有两种类型，其一为构造型，其二为风化型。结构体块度不等，形状不一“杂乱无序”可以用来描述这类岩体的结构特征。 3) 各类岩体结构的地质特征散体结构岩体各类岩体结构的地质特征散体结构岩体糜棱化散体结构岩体糜棱化散体结构岩体主要指断层泥而言，断层泥主要是由糜棱岩风化而成，而糜棱岩主要为压力愈台连结当压力卸去后，又转化为糜棱岩粉，糜棱岩体风化后便转化为断层泥，这种现象在岩浆岩

11、体剖面内极为常见还有一种断层泥是泥质沉积岩在构造错动下直接形成的，如粘土岩中的断层泥便属于此类这种岩体中次生错动面常极发育，易被误视为均质体其实不然，在次生错动作用下形成的擦痕面对其力学性质仍具有一定的控制作用但这种控制作用由于结构面强度与断层泥强度相差不大，并不十分显著。4)4)岩体结构的相对性及工程岩体结构的唯一性岩体结构的相对性及工程岩体结构的唯一性众所周知，岩体结构分类的最终目的在于为岩石工程的建设服务，对于工程岩体而言，由于工程规模工程规模和工程尺寸工程尺寸的变化，岩体结构也发生相对变化。如下图所示为一工程岩体，其中发育着近于正交的两组节理对于该工程岩体，其岩体结构类型随工程尺寸的变

12、化而不同。图中1、2、3、4和5为待建的规模不同的峒室，由图可以明显地看出，相对于1号峒室，未切割任何结构面岩体可以视为整体结构；而对于2号硐室，仅切割1个结构面，可视为板裂结构；而相对于3、4和5号峒室，岩体结构应分别视为块裂结构、断续结构和碎裂结构。因此，岩体结构是相对的，只有在确定的地质条件和工程尺寸条件下，工程岩体结构才是惟一确定的工程岩体结构不同，岩体的力学机制和工程的稳定性分析方法是不一样的。4) 4) 岩体结构的相对性及工程岩体结构的唯一性岩体结构的相对性及工程岩体结构的唯一性 对于工程岩体而言，由于工程规模和尺寸的变化，岩体结构也发生相对变化。因此，岩体结构是相对性，只有在确定

13、的地质条件和工程尺寸条件下，工程岩体结构才是唯一确定的。第第2 2章章 岩体力学性质岩体力学性质概述岩体结构基本类型岩体结构面及其充填特征结构面的力学特性岩体的变形特性岩体的强度特性岩体的水力学性质1.岩体质量评价及其分类3. 3. 岩体结构面及其充填特征岩体结构面及其充填特征1) 结构面的类型及特征2) 结构面的分级3) 结构面状态1) 1) 结构面的类型及特征结构面的类型及特征l原生结构面l构造结构面l次生结构面沉积结构面火成结构面变质结构面原生结构面：原生结构面：沉积结构面沉积结构面是沉积岩在成岩过程中形成的各种地质界面，是沉积岩在成岩过程中形成的各种地质界面，包括层面、层理、沉积间断面

14、（不整合面、假整合面），及原包括层面、层理、沉积间断面（不整合面、假整合面），及原生软弱夹层等。生软弱夹层等。火成结构面火成结构面为岩浆侵入、喷溢冷凝所形成的各种结构面，为岩浆侵入、喷溢冷凝所形成的各种结构面，如流层、流线、火山岩流接触面、各种蚀变带、挤压破碎带以如流层、流线、火山岩流接触面、各种蚀变带、挤压破碎带以及原生节理等。这些结构面的产状受侵入岩体与围岩接触面所及原生节理等。这些结构面的产状受侵入岩体与围岩接触面所控制。控制。变质结构面变质结构面为岩体在变质作用过程中所形成的结构面，为岩体在变质作用过程中所形成的结构面，如片理、片麻理、板理及软弱夹层等。变质结构面的产状与岩如片理、片麻

15、理、板理及软弱夹层等。变质结构面的产状与岩层基本一致，延展性较差，但它们一般分布密集。片理结构面层基本一致，延展性较差，但它们一般分布密集。片理结构面是变质结构面中最常见的，其面常常是光滑的，但形态呈波浪是变质结构面中最常见的，其面常常是光滑的，但形态呈波浪状状.片麻理面常呈凹凸不平状，结构面也比较粗糙，变质岩中片麻理面常呈凹凸不平状，结构面也比较粗糙，变质岩中的软弱夹层主要是片状矿物，如黑云母、绿泥石、滑石等的富的软弱夹层主要是片状矿物，如黑云母、绿泥石、滑石等的富集带，其抗剪强度低，遇水后性质就更差。集带，其抗剪强度低，遇水后性质就更差。构造结构面：构造结构面： 各类岩体在构造运动作用下形

16、成的各种结构面，如劈理、节各类岩体在构造运动作用下形成的各种结构面，如劈理、节理、断层、层间错动面等。理、断层、层间错动面等。 节理面节理面在走向延展及纵深发展上，其范围都是有限的，大者在走向延展及纵深发展上，其范围都是有限的，大者一般不过上百米，小者仅有几厘米张节理面一般粗糙，参差一般不过上百米，小者仅有几厘米张节理面一般粗糙，参差不齐，宽窄不一，延展性较差，剪节理面一般平直光滑，延展不齐，宽窄不一，延展性较差，剪节理面一般平直光滑，延展性相对较好，节理面上常见有擦痕和各种泥质薄膜，如高岭石、性相对较好，节理面上常见有擦痕和各种泥质薄膜，如高岭石、绿泥石、滑石等，因此，剪节理面尽管接触紧密，

17、但却易于滑绿泥石、滑石等，因此，剪节理面尽管接触紧密，但却易于滑动动 断层面的规模相差比较悬殊，有的深切岩石圈几十公里，有断层面的规模相差比较悬殊，有的深切岩石圈几十公里，有的仅限于地壳表层或只在地表数十米但是，相对工程而言，的仅限于地壳表层或只在地表数十米但是，相对工程而言，断层面一般是延展性较好的结构面断层面断层面一般是延展性较好的结构面断层面(或帘或帘)的物质成分主的物质成分主要是构造岩，如断层泥、糜棱岩、角砾岩、压碎岩等层间错要是构造岩，如断层泥、糜棱岩、角砾岩、压碎岩等层间错动带是在层状岩体中常见的一种构造结构面，其产状一般与岩动带是在层状岩体中常见的一种构造结构面，其产状一般与岩层

18、一致。层一致。 延展性较好，结构面中的物质，因受构造错动的影响，多呈延展性较好，结构面中的物质，因受构造错动的影响，多呈破碎状、鳞片状，且含泥质物破碎状、鳞片状，且含泥质物次生结构面：次生结构面： 在地表条件下，由于外力在地表条件下，由于外力(如风化、地下水、卸荷、爆破等如风化、地下水、卸荷、爆破等)的的作用而形成的各种界面，如卸荷裂隙、爆破裂隙、风化裂隙、风作用而形成的各种界面，如卸荷裂隙、爆破裂隙、风化裂隙、风化夹层及泥化夹层等化夹层及泥化夹层等 卸荷裂隙卸荷裂隙一般发生在岩体有临空面条件的地区，特别是在深切一般发生在岩体有临空面条件的地区，特别是在深切河谷处，延展性不好，常在地表河谷处，

19、延展性不好，常在地表2040m内发育，裂隙面粗糙不内发育，裂隙面粗糙不平，常为张开型，充填物多为泥质碎屑平，常为张开型，充填物多为泥质碎屑 爆破裂隙爆破裂隙是矿山工程中常见的一种次生结构面，爆破裂隙的延是矿山工程中常见的一种次生结构面，爆破裂隙的延展与分布视所在地区岩体特性及爆破的大小而异一般爆破裂隙展与分布视所在地区岩体特性及爆破的大小而异一般爆破裂隙的延展范围是有限的，且多呈一组相互平行的、弧状的裂隙面分的延展范围是有限的，且多呈一组相互平行的、弧状的裂隙面分布布 风化裂隙及风化夹层风化裂隙及风化夹层一般是沿原生夹层和原有结构面发育，多一般是沿原生夹层和原有结构面发育，多是短小密集，延展性

20、差，仅限于地表一定深度是短小密集，延展性差，仅限于地表一定深度 泥化夹层泥化夹层是由于水的作用使夹层内的松软物质泥化而成，其产是由于水的作用使夹层内的松软物质泥化而成，其产状与岩层基本一致，泥化程度视地下水作用条件而异泥化夹层状与岩层基本一致，泥化程度视地下水作用条件而异泥化夹层一般都是强度很低的，它们是导致岩体失稳破坏的常见因素一般都是强度很低的，它们是导致岩体失稳破坏的常见因素按结构面按受力条件划分：按结构面按受力条件划分：压性结构面：压性结构面：由压应力挤压而成，其走向与最大主应力方向垂直。如片理面、褶皱轴面、压性节理面等。张性结构面：张性结构面：在拉应力作用下产生的结构面，其走向与最大

21、主应力方向一致。结构面是张开的，结构面壁粗糙。如张断裂面、张性节理面。扭性结构面：扭性结构面：由纯剪或压张应力引起的剪应力所形成的结构面，结构面壁较光滑，开口或闭口都有可能，往往成对出现。如x型断层面，x型节理面。压扭性结构面：压扭性结构面：既有压性结构面的特征，又有扭性结构面的特征，但常以其中一种为主。张扭性结构面：张扭性结构面：兼有张性和扭性结构面的双重特征。往往成锯齿状。2) 2) 结构面的分级结构面的分级结构面的发育程度、规模大小、组合形式等是决定结构体的形状、方位和大小，控制岩体稳定性的重要因素。尤以结构面的规模是最重要的控制因素。按结构面发育程度和规模可以划分为I、II、III、I

22、V、V等五级。从工程地质测绘观点来看，这5个级别的结构面又可进一步分为实测结构面与统计结构面两大类：按力学观点的破坏面和破坏带分类按力学观点的破坏面和破坏带分类单节理单节理节理组节理组节理群节理群羽毛状节理羽毛状节理破碎带破碎带无充填有充填有粘性充填物3) 3) 结构面状态结构面状态产状形态延展尺度贯通性密集程度A.充填物A.结构面产状结构面产状即指结构面的走向、倾向和倾角，即指结构面的走向、倾向和倾角，反映了结构面的空间位反映了结构面的空间位置置，对岩体是否沿某一结构面滑移起控制作用，对岩体是否沿某一结构面滑移起控制作用：l走走 向：向：结构面与水平面的交线方向，用方位角表示结构面与水平面的

23、交线方向，用方位角表示l倾倾 向：向：结构面的倾斜方向，用方位角表示结构面的倾斜方向，用方位角表示l倾倾 角：角：结构面的倾斜角度结构面的倾斜角度B.结构面形态结构面形态结构面形态反映了结构面结构面形态反映了结构面的的外貌外貌，决定着结构面抗滑力的大小，当结构面的起伏程度，决定着结构面抗滑力的大小，当结构面的起伏程度大，粗糙度高时，其抗滑力就大大，粗糙度高时，其抗滑力就大。衡量结构面形态的指标有。衡量结构面形态的指标有粗糙度和起伏度粗糙度和起伏度：粗糙度：粗糙度：即结构面表面的粗糙程度。即结构面表面的粗糙程度。起伏度：起伏度：包括起伏波的包括起伏波的幅度幅度和和长度长度。起伏波的幅度是指相。起

24、伏波的幅度是指相邻两波峰连线与其下波槽的最大距离邻两波峰连线与其下波槽的最大距离a a，起伏波的长度是指，起伏波的长度是指相邻两波峰之距离。相邻两波峰之距离。C.结构面延展尺度结构面延展尺度即结构面在地质体中延伸的范围或规即结构面在地质体中延伸的范围或规模，结构面延展尺度不同，其力学效应模，结构面延展尺度不同，其力学效应也不同。工程岩体范围内，延展尺度大也不同。工程岩体范围内，延展尺度大的结构面控制着岩体的强度。的结构面控制着岩体的强度。D. 贯通性贯通性 按考察范围内结构面的贯通情况，可将结构面分为以下三类：按考察范围内结构面的贯通情况，可将结构面分为以下三类：l非贯通性结构面：非贯通性结构

25、面：使岩体强度降低，变形增大。使岩体强度降低，变形增大。l半贯通性结构面：半贯通性结构面：对岩体力学性能的影响有两种情况：当其对岩体力学性能的影响有两种情况：当其相对延展尺度不大时，其作用与非贯通结构面类似；反之，相对延展尺度不大时，其作用与非贯通结构面类似；反之，与贯通性结构面类似。与贯通性结构面类似。l贯通性结构面：贯通性结构面：是构成是构成岩体、块体的边界，对岩体、块体的边界，对岩体的强度有较大的影岩体的强度有较大的影响，破坏常受这类结构响，破坏常受这类结构 面控制。面控制。E.结构面的密集程度结构面的密集程度所谓结构面的密集程度指岩体中结构面的所谓结构面的密集程度指岩体中结构面的发育发

26、育程度，衡量结构面密集度的指标有：程度，衡量结构面密集度的指标有：l裂隙度裂隙度K Kl切割度切割度X Xe el实际切割度实际切割度X Xr r裂隙度K：即沿取样线方向单位长度结构面的数量：即沿取样线方向单位长度结构面的数量：式中的式中的n n为为长度长度l l内结构面的数量，相应地，沿取样方向结构面内结构面的数量，相应地，沿取样方向结构面的的平均间距平均间距d d为：为： 当当取样线取样线垂直垂直结构面的走向时，结构面的走向时，d d即为结构面走向的垂直间距，即为结构面走向的垂直间距，按结构面的垂直间距按结构面的垂直间距的大小，可将岩体分为：的大小，可将岩体分为： d 80cm d 80c

27、m 整体结构整体结构d =30d =3080cm 80cm 块状结构块状结构d 30cm d 30cm 碎裂状结构碎裂状结构d 6.5cm d 6.5cm 极破碎结构极破碎结构lnK nlKd 1当岩体中有几组不同方向的结构面时（右下图给出了存在当岩体中有几组不同方向的结构面时（右下图给出了存在2 2组结构面情形）组结构面情形），则沿取样线方向上结构面则沿取样线方向上结构面的裂隙度的裂隙度K K为为各组各组结构面的裂隙度结构面的裂隙度K Ki i之和之和，即，即其中：其中：nbaKKKK ,1,1,1nxnbxbaxamKmKmK 显然，显然，K K越大，结构面越密集，另一方面，若不同测线上越

28、大，结构面越密集，另一方面，若不同测线上K K值的值的差别越大，则岩体的各向异性越明显。差别越大，则岩体的各向异性越明显。按按K值之大小，可进一步将结构面值之大小，可进一步将结构面(节理节理)分为：分为：l 疏节理（疏节理（K=01 m-1）l 密节理（密节理（K=110 m-1）l 非常密集节理（非常密集节理（K=10100 m-1）l 压碎或糜棱化带（压碎或糜棱化带（K=1001000 m-1）切割度Xe：即岩体被结构面分割的程度。假设岩体仅有一个结构面，岩体被结构面分割的程度。假设岩体仅有一个结构面，则可沿结构面在岩体中取一个贯通性的假想平直断面，其结则可沿结构面在岩体中取一个贯通性的假

29、想平直断面，其结构面面积构面面积a a与该断面面积与该断面面积A A之比即为该结构面对岩体的切割度：之比即为该结构面对岩体的切割度：AaXe 可见可见, ,当当: :lX Xe e0 0时时, , 岩体为完整连续体岩体为完整连续体l0 0 X Xe e11时时, , 岩体部分切割岩体部分切割lX Xe e1 1时时, , 岩体被整个切割岩体被整个切割 如果岩体沿某断面上同时存在着面积分别为如果岩体沿某断面上同时存在着面积分别为a a1 1、a a2 2a an n的的n n个结构面时，则岩体沿该断面的切割度为：个结构面时，则岩体沿该断面的切割度为：AaaaXne 21按切割度按切割度X Xe

30、e的取值大小，可将相应的取值大小，可将相应岩体分为：岩体分为：l XeXe0.10.10.2 0.2 完整完整岩体岩体l XeXe0.20.20.4 0.4 弱节理化弱节理化岩体岩体l XeXe0.40.40.6 0.6 中等节理化岩体中等节理化岩体l XeXe0.60.60.8 0.8 强强节理化岩体节理化岩体l XeXe0.80.81.0 1.0 完全完全节理化岩体节理化岩体实际切割度Xr： 即岩体被某组结构面切割的程度即岩体被某组结构面切割的程度X Xv v，其大，其大小为该小为该岩体的裂隙度与其岩体的裂隙度与其切割度的乘积：切割度的乘积：eXKXv式中：式中：K K为岩体的裂隙度为岩体

31、的裂隙度 X Xe e为沿某一平面的切割度为沿某一平面的切割度F.F.结构面的胶结与充填结构面的胶结与充填根据结构面上、下盘岩石块体之间的根据结构面上、下盘岩石块体之间的是否胶结是否胶结，可将结构面分为：，可将结构面分为：l 胶结结构面胶结结构面l 非胶结结构面非胶结结构面胶结结构面胶结结构面：l 泥质胶结：泥质胶结：强度最低，在脱水情况下有一定的强度，遇强度最低，在脱水情况下有一定的强度，遇水发生泥化、软化，强度明显降低。水发生泥化、软化，强度明显降低。l 可溶盐类胶结：可溶盐类胶结：干燥时有一定的强度，遇水发生溶解，干燥时有一定的强度，遇水发生溶解，强度降低。强度降低。l 钙质胶结：钙质胶

32、结：强度较高，且不受水的影响，但遇酸性水强强度较高，且不受水的影响，但遇酸性水强度降低。度降低。l 铁质胶结：铁质胶结：强度较高，但易风化，力学性能不稳定。强度较高，但易风化，力学性能不稳定。l 硅质胶结：硅质胶结：强度高，力学性能稳定。强度高，力学性能稳定。 可见，胶结结构面随胶结物的成分不同，其力学效应有很可见，胶结结构面随胶结物的成分不同，其力学效应有很大差别。大差别。非胶结结构面：非胶结结构面：l无充填物的结构面：即坚硬结构面，其即坚硬结构面，其强度主要取决于结构面两侧岩石块体的强度主要取决于结构面两侧岩石块体的力学性质及结构面粗糙度。力学性质及结构面粗糙度。l有充填物的结构面：即软弱

33、结构面，其即软弱结构面，其强度除与充填物、结构面两侧岩壁接触强度除与充填物、结构面两侧岩壁接触面的力学特性有关外，主要取决于充填面的力学特性有关外，主要取决于充填物的成分和厚度。物的成分和厚度。非胶结结构面有充填物的结构面：l充填物成分：充填物成分： 泥质粘土泥质粘土 砂质砂质 角砾质角砾质l充填物厚度：充填物厚度： 薄膜充填：充填物厚度多在充填物厚度多在1 1mmmm以下，多系次生蚀变矿物与风化以下，多系次生蚀变矿物与风化矿物构成，如滑石、粘土矿物等；矿物构成，如滑石、粘土矿物等； 断续充填：充填物不连续，厚度多小于结构面的起伏差，使结充填物不连续，厚度多小于结构面的起伏差，使结构面强度降低

34、。构面强度降低。 连续充填：充填物厚度一般大于起伏差，结构面强度主要受充充填物厚度一般大于起伏差，结构面强度主要受充填物强度控制，因此，常构成岩体的主要滑动面。填物强度控制，因此，常构成岩体的主要滑动面。 厚层充填：充填厚度较大，一般几十厘米至数米，构成软弱带，充填厚度较大，一般几十厘米至数米，构成软弱带，如断层泥。有时表现为岩体沿接触面滑移，有时为软弱充填物本如断层泥。有时表现为岩体沿接触面滑移，有时为软弱充填物本身塑性身塑性 流动，常导致重大工程事故。流动，常导致重大工程事故。第第2 2章章 岩体力学性质岩体力学性质概述岩体结构基本类型岩体结构面及其充填特征结构面的力学特性结构面的力学特性

35、岩体的变形特性岩体的强度特性岩体的水力学性质1.岩体质量评价及其分类4.4.结构面的力学性质结构面的力学性质1) 法向变形2) 剪切变形3) 抗剪强度4) 影响结构面力学特性的主要因素1) 1) 法向变形法向变形l 法向变形曲线法向变形曲线l Goodman法向应力与结构面闭合法向应力与结构面闭合量间的关系式量间的关系式l Bandis法向应力与结构面法向变法向应力与结构面法向变形间的关系式形间的关系式法向变形曲线法向变形曲线:GoodmanGoodman法向应力与结构面闭合量间的关系式：法向应力与结构面闭合量间的关系式：基本关系式：基本关系式： 其中：法向变形刚度：法向变形刚度：基本关系式：

36、法向刚度表达式：初始法向刚度与最大变形量表达式：BandisBandis法向应力与结构面法向变形间的关系式：法向应力与结构面法向变形间的关系式：2) 2) 剪切变形剪切变形l 结构面剪切变形曲线l 结构面剪切变形曲线的分区l 剪切刚度l 结构面剪切凸台力学模型结构面剪切变形曲线：在一定的法向应力作用下，结构面在剪切力作用下将产生切向变形，且通常有以下两种基本形式：l对非充填粗糙结构面非充填粗糙结构面，随剪切变形发生，剪切应力相对上升较快，当达到剪应力峰值后，结构面抗剪能力出现较大的下降，并产生不规则的峰后变形或滞滑现象；l对于平坦平坦(或有充填物或有充填物)的结构面，的结构面，初始阶段的剪切变

37、形曲线呈下凹型，随着剪切变形的持续发展，剪切应力逐渐升高但没有明显的峰值出现，最终达到恒定值，有时也出现剪切硬化。非充填粗糙结构面平坦或有充填物结构面结构面剪切变形曲线结构面剪切变形曲线的分区结构面剪切变形曲线的分区:l弹性区：峰值应力上升区l剪应力峰值区：l塑性区：峰后应力降低区或恒应力区弹性区弹性区塑性区塑性区剪应力峰值区特别强调：剪切变形曲线从形式上可划分成“弹性区” (即峰前应力上升区)、剪应力峰值区和“塑性区”(即峰后应力降低区或恒应力区。但在结构面剪切过程中，由于伴随有微凸体的弹性变形、劈裂、磨粒的产生与迁移、结构面的相对错动等多种力学过程，因此，剪切变形一般是不可恢复的，即便在“

38、弹性区”，剪切变形也不可能完全恢复。剪切刚度剪切刚度:结构面剪切凸台力学模型：结构面剪切凸台力学模型：对于凹凸不平的结构面，可简化成下图所示的对于凹凸不平的结构面，可简化成下图所示的结构面剪切结构面剪切凸台力学模型凸台力学模型，其剪切结构面上有一凸台，模型上半部作用，其剪切结构面上有一凸台，模型上半部作用有剪切力有剪切力S和法向力和法向力N，模型下半部固定不动。在剪应力作用，模型下半部固定不动。在剪应力作用下，模型上半部将沿凸台斜面滑动，除有切向运动外，还将下，模型上半部将沿凸台斜面滑动，除有切向运动外，还将产生向上的移动把这种剪切过程中产生的法向移动分量称产生向上的移动把这种剪切过程中产生的

39、法向移动分量称之为之为剪胀剪胀。在剪切变形过程中，由于剪应力与法向应力的复。在剪切变形过程中，由于剪应力与法向应力的复合作用，可使凸台剪断或拉断，此时剪胀现象消失；当法向合作用，可使凸台剪断或拉断，此时剪胀现象消失；当法向应力较大或结构面应力较大或结构面剪应力持续增加，剪应力持续增加，最终将使凸台沿最终将使凸台沿根部根部剪断或拉断。剪断或拉断。因此，结构面的剪切变形与岩石岩石强度强度、结构面粗糙度结构面粗糙度（凸台角i）和法向力法向力密切有关。3)3)抗剪强度抗剪强度l抗剪强度与法向力间的关系lBarton结构面的抗剪强度公式l结构面抗剪强度的尺寸效应l结构面抗剪强度与其变形历史相关l充填物厚

40、度与成分对结构面抗剪强度的影响根据结构面剪切凸台力学模型，结构面抗剪强度与法向应力间的关系曲线（其中b为岩石平坦表面基本摩擦角，i为结构面凸台斜坡角）为：抗剪强度与法向力间的关系：抗剪强度与法向力间的关系：抗剪强度与法向力间的关系：抗剪强度与法向力间的关系： 大量试验结果表明，结构面抗剪强度与法向力间的关系一般也可表述为线性关系，即可用库仑准则表述为：式中：c和分别是结构面上的粘结力和摩擦角是作用在结构面上的法向应力tanncnBartonBarton的结构面抗剪强度公式：的结构面抗剪强度公式：结构面的抗剪强度公式：结构面的抗剪强度公式：式中：JCS是结构面壁岩石的单轴抗压强度是岩石表面的基本

41、摩擦角JRC为结构面的粗糙性系数bnnJCSJRClgtanbl右图为Barton和Choubey给出的10种 典 型 剖 面 及 其JRC取值l计算公式：JRC取值：取值：nbpJCSJRClog结构面抗剪强度的尺寸效应：结构面抗剪强度与其变形历史相关：充填物对结构面抗剪强度的影响：第第2 2章章 岩体力学性质岩体力学性质概述岩体结构基本类型岩体结构面及其充填特征结构面的力学特性岩体的变形特性岩体的变形特性岩体的强度特性岩体的水力学性质1.岩体质量评价及其分类5. 5. 岩体的变形特性岩体的变形特性1) 岩体的单轴或三轴压缩变形特征2) 岩体剪切变形特征3) 岩体各向异性变形特征4) 特别提

42、醒1) 岩体的单轴或三轴压缩变形特征岩体的单轴或三轴压缩变形特征l现场岩体循环压缩应力应变全过程曲线l弹性变形量与残余变形量l变形模量 现场岩体循环压缩应力应变全过程曲线：弹性变形量与残余变形量：变形模量：baE2) 岩体剪切变形特征3) 岩体各向异性变形特征l构成岩体变形各向异性的两个基本要素l不同结构面方位对岩体力学性质的影响l三维模型试验构成岩体变形各向异性的两个基本要素：l物质成分和物质结构的方向性l结构面的方向性不同结构面方位对岩体力学性质的影响：岩体峰值强度变形模量三维模型试验：4) 特别提醒l岩体力学性质均具有方向性方向性l工程布置中如何考虑扬长避短扬长避短第第2 2章章 岩体力

43、学性质岩体力学性质概述岩体结构基本类型岩体结构面及其充填特征结构面的力学特性岩体的变形特性岩体的强度特性岩体的强度特性岩体的水力学性质1.岩体质量评价及其分类6.6.岩体的强度特性岩体的强度特性1) 概述2) 岩体强度的现场测定3) 结构面的强度效应4) 岩体强度的估算1)1)概述概述l岩体强度：岩体抵抗外力破坏的能力岩体抵抗外力破坏的能力l岩体强度的分类：抗压抗压(单轴、三轴单轴、三轴)、抗拉和抗剪、抗拉和抗剪l控制裂隙岩体强度的因素：岩石材料岩石材料结构面特征：数量、方向、间距和性质等结构面特征：数量、方向、间距和性质等赋存条件：地应力、地下水和地温等赋存条件：地应力、地下水和地温等2)2

44、)岩体强度的现场测定岩体强度的现场测定l岩体单轴抗压强度的测定l岩体抗剪强度的测定l原位岩体三轴压缩强度试验岩体单轴抗压强度的测定：岩体抗剪强度的测定：原位岩体三轴压缩强度试验原位岩体三轴压缩强度试验原位岩体三轴压缩强度试验3)3)结构面的强度效应结构面的强度效应 单一结构面强度效应A.多结构面岩体强度A 单一结构面强度效应岩体破坏的条件a.岩体强度与结构面倾角的关系a 岩体破坏的条件l岩体产生破坏的两种可能性l岩体破坏的条件岩体产生破坏的两种可能性：沿结构面产生滑移失稳岩石块体自身破坏岩体破坏的条件：沿结构面产生滑移失稳的条件： 岩石块体自身破坏的条件：b 岩体强度与结构面倾角的关系岩石块体

45、：岩石块体：结构面：结构面：b 岩体强度与结构面倾角的关系l莫尔圆在结构面抗剪强度曲线之下：稳定l莫尔圆与结构面抗剪强度曲线相切：沿某特殊方向的结构面破坏l莫尔圆介于岩石材料抗剪强度曲线与结构面抗剪强度曲线之间：沿某方向范围结构面破坏l莫尔圆与岩石材料抗剪强度曲线相切：沿某方向范围结构面破坏或岩石材料破坏b 岩体强度与结构面倾角的关系岩石块体：岩石块体：结构面：结构面：03 1 3 岩体强度受加载方向岩体强度受加载方向与结构面夹角与结构面夹角的控制，的控制，因此，表现出岩体强度因此，表现出岩体强度的各向异性。的各向异性。 1 3 岩体强度的各向异性单一结构面：岩体强度的各向异性单一结构面：(1

46、)(1)当当1 1与结构面垂直，岩体强度与结构面无与结构面垂直，岩体强度与结构面无关，为岩石块体强度；关，为岩石块体强度；(2)(2)当当45450 0j j/2/2，岩岩 体将沿结构面破坏体将沿结构面破坏, ,其其 强度为结构面强度；强度为结构面强度；(3)(3)当当1 1与结构面平行，与结构面平行， 结构面的抗拉强度小，结构面的抗拉强度小， 岩体将因结构面的横向扩展而破坏。岩体将因结构面的横向扩展而破坏。B 多结构面岩体强度 1 3 多结构面强度效应：岩体强度的各向异性多结构面： 岩体的强度图像将为各单组结构面岩体强度岩体的强度图像将为各单组结构面岩体强度图像的叠加，如图中阴影部分。如果结

47、构面分图像的叠加，如图中阴影部分。如果结构面分布均匀、且强度布均匀、且强度大体相同时，大体相同时，则岩体表现出则岩体表现出各向同性的特各向同性的特性，但强度却性，但强度却大大削弱了。大大削弱了。4) 岩体强度的估算 准岩体强度A.Hoek-Brown经验方程A 准岩体强度l龟裂（完整性）系数： 式中：Vml为岩体中弹性纵波传播速度 Vcl为岩块中弹性纵波传播速度l准岩体强抗压（拉）强度：B Hoek-Brown经验方程l岩块三轴抗压强度：l岩体单轴抗压强度：l岩体单轴抗拉强度：l岩体抗剪强度：第第2 2章章 岩体力学性质岩体力学性质概述岩体结构基本类型岩体结构面及其充填特征结构面的力学特性岩体的变形特性岩体的强度特性岩体的水力学性质岩体的水力学性质1.岩体质量评价及其分类7.岩体的水力学性质岩体的水力学性质1) 岩体与土体渗流的区别2) 岩体空隙的结构类型3) 岩体的渗流问题4) 地下水渗流对岩体力学性质的影响