第章岩体破坏机制及强度

1、第 4 章 岩体破坏机制及强度研究4.1 岩体结构4.2 岩体的力学介质分类4.3 块裂介质岩体破坏机制及强度研究4.4 连续介质岩体破坏机制及强度研究4.5 碎裂介质岩体破坏机制及强度研究第 4 章 岩体破坏机制及强度研究岩体（Rock Mass）定义为由岩石组成的地质体作为工程作用对象时的专用名称。岩体的组成要素：岩块、结构面、与结构面内的充填物的结合体。岩体与地质体的区别：研究目的和内容，并不以规模大小区别。4.1.1 岩体结构面结构面定义:岩体中各式各样大小不等的、力学强度相对较低的二维面状不连续地质界面称为结构面，如层理、节理、劈理、片理、断裂等。岩块：被结构面所切割的大小不等，形体

2、各异的岩石结构体，称为岩块。它是组成岩体的最小单元。4.1 岩体结构第 4 章 岩体破坏机制及强度研究1）结构面的地质成因分类原生结构面：它是岩体建造过程中形成的结构面，分为沉积结构面、岩浆结构面、变质结构面；构造结构面：它是受构造应力的作用所产生的破裂面，如：节理、劈理、断层等 分类：压性、 张性、 剪切次生结构面：它是由于岩体受载荷、风化、冰冻等表生作用所形成的结构面。2）结构面的特征4.1 岩体结构第 4 章 岩体破坏机制及强度研究结构面的特征可以用六个因素表征（1）结构面胶结或结合状况（2）结构面充填状况（3）结构面粗糙度及起伏度等形态特征（4）结构面连续性、贯通性、延展性及规模（5）

3、结构面密度（6）结构面的空间分布特征3）结构面的工程分类结构面分类：软弱结构面 有充填物 硬性结构面 无充填物4.1 岩体结构第 4 章 岩体破坏机制及强度研究4.1 岩体结构表 1 岩体结构面级序及其特征第 4 章 岩体破坏机制及强度研究4.1.2 岩体结构岩体分类(基本类型) 表 2块裂结构 :在 I、II级软弱结构面切割下形成碎裂结构：在III、IV级硬性结构面切割下形成散体结构：由无序状态的结构面切割下形成完整结构：包含有IV级以下的不连续、不相互切割 的结构面。4.1 岩体结构4.1 岩体结构第 4 章 岩体破坏机制及强度研究表 2 岩体结构的基本类型4.1 岩体结构第 4 章 岩体

4、破坏机制及强度研究第 4 章 岩体破坏机制及强度研究4.1.3 单一裂缝的基本参数(1)裂缝的张开度：裂缝的张开度或宽度可由裂缝壁之间的距离来表示。裂缝张开度取决于深度、孔隙压力、岩石类型统计表明：裂缝张开度一般在10-200m，最常见的范围在10-40 m之间。见图测试方法：4.1 岩体结构第 4 章 岩体破坏机制及强度研究4.1.3 单一裂缝的基本参数（2）裂缝的大小 指的是裂缝的长度和岩层厚度之间的关系。较小的裂缝的长度小于单个生产层厚度；中等的裂缝穿过较多层；较大的裂缝延伸极大，达10m，甚至几百米。（3）裂缝的性质张开度：张开，闭合充填：裂缝壁：多褶皱、光滑、磨光、蠕变（4）裂缝方向

5、：用倾斜方位角和倾角表示4.1 岩体结构4.1 岩体结构第 4 章 岩体破坏机制及强度研究第 4 章 岩体破坏机制及强度研究4.1.4 裂缝的力学特性（1） 基本力学特性法向变形：研究法向应力作用下裂缝的法向变形之间的关系，实验揭示：其法向应力与法向变形呈指数函数关系： U=U0（1 - e-n/kn）U0软弱面的最大压缩量，Kn为法向压缩刚度；MPa/cmU的单位取cm，应力取MPa，4.1 岩体结构第 4 章 岩体破坏机制及强度研究剪切变形：讨论：Ks为常数，对于硬性结构面 Ks为变数，对于软弱结构面结构面的抗剪强度4.1 岩体结构第 4 章 岩体破坏机制及强度研究（2）裂缝的粗糙度裂缝的

6、粗糙度：指不连续面相对于其平均面的固有表面不平整度和波纹度。讨论：粗糙度的作用随裂缝张开度、充填厚度、剪切位移的增加而减小。4.1 岩体结构第 4 章 岩体破坏机制及强度研究Barton（1973）提出将JRC分为10级，其取值如表。4.1 岩体结构第 4 章 岩体破坏机制及强度研究结构面粗糙度的分形研究a）分形维数的量测与计算（1）量规法；（2）盒计数维数法；（3）自相关系数法；（4）功率谱密度法b）不连续面粗糙度系数与分形维数的关系（1）Sakallariou（1989），Lee（1990）等将JSRM所推荐的10条标准剖面进行数值化，用量规法估计分维值D=1.0+2.92110-4 JR

7、C+1.795 10-5 JRC2 D(1-1.0134)(2) Carr(1987) D=(JRC+1022.55)/1023.92当JRC在1-20内变化, D=1.0-1.01824.1 岩体结构第 4 章 岩体破坏机制及强度研究结构面粗糙度的分形研究(3)徐光黎(1993) JRC=85.2671(D-1)0.5679 D(1-1.0778)(4)YU 和 Vayssale (1991) D(1.0-1.0135)(5) Xie和Pamseau 采用构造Vom kock 雪花的方法4.1 岩体结构第 4 章 岩体破坏机制及强度研究结构面粗糙度的分形研究(C) 粗糙度系数尺寸效应JRCn

8、=JRC0(Ln/L0)-0.02JRC0JCSn=JCS0(Ln/L0)-0.03JCS04.1 岩体结构第 4 章 岩体破坏机制及强度研究4.1.5 岩体裂缝分布特征1) 裂缝密度线性密度:指与一直线(垂直于流动方向)相交的裂缝的数目(n)和此直线的长度的比值:面积密度:指裂缝累计长度 和流动截面上基质总面积SB的比值4.1 岩体结构第 4 章 岩体破坏机制及强度研究体积密度:裂缝总面积S与基质总体积的比值:体积密度是静态参数,面积密度与线密度与流动方向相关注意:当度量直线或平面与裂缝成一定夹角时,应做相应的投影.4.1 岩体结构第 4 章 岩体破坏机制及强度研究2)裂缝强度Ruhland

9、提出裂缝强度参数,用以确定在破裂过程中,各层的固有特性(渗透率、孔隙度、胶结作用等），层的厚度及其构造部位所起的作用。裂缝强度为裂缝频率（FF）与岩层厚度频率的比值。 FINT=裂缝频率/厚度频率=FF/THF4.1 岩体结构第 4 章 岩体破坏机制及强度研究Ruhland研究指出：裂缝强度参数通常在0.01-100之间变化。4.1 岩体结构第 4 章 岩体破坏机制及强度研究3)裂缝分布的自相似性1970S-1980S,混沌与分形几何学的创立,世界科学进入了非线性科学时代。自相似性(self similar)：尺度对称性或尺度变换不变性裂缝分布的分形几何学研究：单一裂缝的凹凸不平度；裂缝系统的

10、分布形式、密度等等。arton C. C.(1985)研究了Yuccas山脉的裂缝网络分形特征,Aviles C. A.(1986)研究了San Andress断层的特点:结果表明:某大尺度区域与该区域中子区域的裂缝分布形式相同.4.1 岩体结构第 4 章 岩体破坏机制及强度研究3)裂缝分布的自相似性4.1 岩体结构第 4 章 岩体破坏机制及强度研究4)裂缝分布的分形规律4.1 岩体结构第 4 章 岩体破坏机制及强度研究4)裂缝分布的分形规律裂缝数量分布特征的尺度不变性裂缝走向分组分布特征同一地层不同岩层之间裂缝分形分布的相关规律4.1 岩体结构第 4 章 岩体破坏机制及强度研究裂缝分布的分形

11、仿真二维分形仿真4.1 岩体结构第 4 章 岩体破坏机制及强度研究裂缝分布的分形仿真三维分形仿真4.1 岩体结构第 4 章 岩体破坏机制及强度研究4.2.1 连续介质力学的基本思想“连续性”假设:连续的数学、连续的时空、连续的物质观、产生了连续的科学理论。连续性是人们在更粗略的宏观水平上，对物质性态的一种抽象与简化，是从统计平均意义上来处理看待物质性态变化的一种方法。“表征体积单元”“控制体积单元”是建立连续介质力学的最最重要的基石。表述为保持某种物理参量不变的临界体积。对于孔隙率而言：如图连续性假设的相对性4.2 岩体的力学介质分类第 4 章 岩体破坏机制及强度研究4.2.1 连续介质力学的

12、基本思想4.2 岩体的力学介质分类第 4 章 岩体破坏机制及强度研究4.2.1 连续介质力学的基本思想4.2 岩体的力学介质分类第 4 章 岩体破坏机制及强度研究4.2.2 岩体的力学介质分类力学介质:材料在外力作用下,表现为一定的本构规律,可以把它抽象为具有一定特征的数学力学模型,把可以用一定的数学力学模型来表征的实体称为力学介质。岩体力学介质类型划分的依据：根据岩体中应力作用的特点、变形及破坏机制。4.2 岩体的力学介质分类第 4 章 岩体破坏机制及强度研究分类依据：岩体力学介质性态简化主要取决于岩体表征体积单元尺度与岩体工程规模尺度之相对比值。分类结果（赵阳升，1994）4.2 岩体的力

13、学介质分类第 4 章 岩体破坏机制及强度研究4.2 岩体的力学介质分类表 3 岩体力学介质类型及其特征（孙广忠，1980）4.3 块裂介质岩体破坏机制及强度分析4.3.1 破坏机制及强度分析块裂介质岩体破坏方式是块裂体沿软弱结构面的滑动，软弱结构面控制着块裂介质岩体的破坏机制。4.3.2 研究结构面强度的原理及方法4.3 块裂介质岩体破坏机制及强度分析4.3 块裂介质岩体破坏机制及强度分析4.3.2 研究结构面强度的原理及方法1. 对结构面进行大比例尺地质素描;2. 根据结构面力学机制,制订试验方案;3. 典型地质单元岩体直剪试验;4. 利用典型地质单元试验结果,根据结构面内充填物成分分段给出

14、平直结构面强度;5. 根据结构面内充填物厚度,效应,并进行爬坡角改正;6. 利用加权平均法进行综合分析,给出岩体结构面强度.4.3 块裂介质岩体破坏机制及强度分析4.3 块裂介质岩体破坏机制及强度分析4.3.3 结构面内充填物的力学效应反映在两个方面:1. 充填物的力学效应 软碎散的物质,结构面强度降低. 角砾一类较硬的物质,结构面强度提高.2. 充填物厚度的力学效应 平直结构面厚度的影响 起伏结构面厚度的影响4.3 块裂介质岩体破坏机制及强度分析4.3 块裂介质岩体破坏机制及强度分析4.3 块裂介质岩体破坏机制及强度分析4.3 块裂介质岩体破坏机制及强度分析4.3 块裂介质岩体破坏机制及强度

15、分析4.3 块裂介质岩体破坏机制及强度分析4.3.4 结构面形态的力学效应及结构面强度平直结构面: 4.3 块裂介质岩体破坏机制及强度分析4.3 块裂介质岩体破坏机制及强度分析4.3.4 结构面形态的力学效应及结构面强度台阶状结构面: 剪断破坏 压剪破坏4.3 块裂介质岩体破坏机制及强度分析4.3 块裂介质岩体破坏机制及强度分析4.3.4 结构面形态的力学效应及结构面强度起伏状结构面: 4.3 块裂介质岩体破坏机制及强度分析4.4 连续介质岩体破坏机制及强度分析连续介质岩体遵循连续介质力学的一切条件,应力连续,变形相容等破坏机制:其破坏机制与围压密切相关,更多的取决于岩相存在尺寸效应:4.4

16、连续介质岩体破坏机制及强度分析4.4 连续介质岩体破坏机制及强度分析4.4 连续介质岩体破坏机制及强度分析4.5 碎裂介质岩体破坏机制及强度分析4.5.1 碎裂介质岩体 在外力作用下,结构面具有明显作用的岩体称为碎裂介质岩体力学作用机制: 1.受结构面控制; 2. 有时又不受结构面控制;3. 受结构体的块度、形状、产状及结构体强度控制4.5.2 结构面不起作用的条件4.5 碎裂介质岩体破坏机制及强度分析4.5 碎裂介质岩体破坏机制及强度分析4.5 碎裂介质岩体破坏机制及强度分析4.5 碎裂介质岩体破坏机制及强度分析4.5.3 碎裂介质岩体强度的结构效应 结构效应主要表现在两个方面: 1. 力学性质的方向性; 2. 结构特征对岩体力学性质的影响 中科院地质所1976年取得的板岩岩体结构影响结果: 4.5 碎裂介质岩体破坏机制及强度分析4.5 碎裂介质岩体破坏机制及强度分析4.5 碎裂介质岩体破坏机制及强度分析4.5 碎裂介质岩体破坏机