CH2第二章岩石力学

第二章岩体力学性质与岩体分类CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第1页!2.1岩体的特点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。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。岩石工程中呢？奥地利岩石力学专家Müller的例子：花岗岩，室内试验的岩石抗压强度为250MPa;根据边坡破坏情况反推的现场岩石的抗压强度：1.25MPa。因此：室内试验的结果不能代表现场的工程岩石。CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第2页!为什么相差如此之大？是偶然还是普遍情形？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。原因何在？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。室内试验的小试块，只包含微裂隙，不会有断层、节理存在，因此，强度相对较高。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。CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第3页!CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第4页!CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第5页!CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第6页!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。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）。

要掌握岩体的力学特性，更重要的是掌握结构面的特性CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第7页!2.构造结构面指由地球构造活动所产生的结构面。包含：节理、劈理、断层等。3.次生结构面指在次生作用下形成的结构面。如风化裂隙、泥化夹层等。CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第8页!1、结构面的产状结构面在空间的分布状态，通常用走向、倾向、倾角描述。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影响岩体的稳定性。

(a)(b)(c)(d)CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第9页!2、结构面表面粗糙度的影响

粗糙度系数JRC；巴顿：粗糙度系数可分10级(标准粗糙度剖面)对右图所示的露天矿边坡，对结构面表面光滑平整和

表面粗糙两种情形，则显然，表面光滑时较容易发生滑坡；表面粗糙时则边坡稳定性显著提高，不容易发生滑坡。因此，结构面表面的粗糙度，对这类工程的稳定性，有显著影响。粗糙度大——抗滑力大CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第10页!4、结构面的密集度结构面发育的密集程度，通常可以用两个指标来衡量：1.裂隙度

k——指单位长度上节理的条数；2.切割度d——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。统计结构面密集程度的方法——详细观测线法。CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第11页!b.多组节理CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第12页!（2）切割度

节理并非在岩体内全部贯通，用“切割度”来描述节理贯通度，在岩体中取一平直断面，总截面积为A，其中被节理面切割的面积为a；则切割度为：CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第13页!1.2岩体结构的类型

岩体结构：指岩体中结构面和结构体的形态及组合特征。按岩体被结构面分割的程度或结构体的形态特征，可将岩体结构划分为以下几种基本类型：岩体结构整体结构层状结构块状结构碎裂结构散体结构CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第14页!（2）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，其尺寸小于工程几何尺寸。完整性系数0.35～0.75结构面间距0.5～1.0m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。CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第15页!（4）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。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。

岩体完整性系数

结构面间距

镶嵌结构<0.36<0.5m

层状碎裂结构<0.4<1m

破碎结构<0.3<0.5mCH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第16页!二结构面的强度结构面对岩体强度的主要影响是，岩体容易沿着结构面发生剪切破坏，产生滑移。因此，对结构面，一般不做压缩和拉伸强度试验，而做直接剪切试验。1、平直结构面的抗剪强度使用不同的试样，施加不同的正应力si，可以得出不同的结构面抗剪强度ti

。于是可计算出结构面的抗剪强度Cj和fj。CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第17页!大多数结构面，两表面之间相互还有一定粘结力。因此，试验所得结果，C值一般不为零。(等同于抗剪断试验)。抗剪断试验以后，如果对这同一组试样再做一次直剪试验（抗摩擦试验，即残余抗剪强度），此时所得的C值等于零。

为残余摩擦角，一般比峰值摩擦角小。CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第18页!2、粗糙结构面的抗剪强度于是，作用在锯齿上的正应力si和剪应力ti，可分别由下式计算：在推力T达到极大值，试样即将发生破坏的瞬间，正应力si和剪应力ti应该满足下式：CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第19页!以上结果是正应力较小时候的情形。当正应力较大时，则显然，齿将被剪掉。此时的结果类似于没有结构面的岩石试验：摩擦角没有提高，但出现凝聚力C′（称视凝聚力）。此时的强度方程：CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第20页!三、结构面的力学效应（1）单节理的力学效应设结构面的强度条件：设节理的方向角为：岩石的强度条件为：CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第21页!可知：二者相割时代表在该组应力状态下，岩体已经沿着切线上方的部分结构面发生了破坏。因此，判断岩体是否会沿着已知结构面破坏的条件是：CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第22页!三、结构面的力学效应（2）岩体的破坏准则设结构面的强度条件：设节理的方向角为：前已证明，单元体中任一面上的应力可表示为：CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第23页!（3）多节理的力学效应（叠加）两组以上的节理同样处理，分三种情况：A仅有一组节理符合条件时，沿该节理破坏；B两组节理最符合时，考察大小，沿应力圆直径小的节理发生破坏；C如果都不符合，则岩体强度取决于岩石强度，不受节理存在的影响。CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第24页!总结当岩体中存在结构面时，强度是否会受到影响？莫尔圆：圆上一点，体上一面。方向相同，夹角两倍因此，岩体是否会沿结构面破坏，取决于代表结构面的点是否在结构面的强度曲线之上。CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第25页!例题

岩体试件等围压三轴试验，已知某一节理面与最小主应力方向的夹角为45°，且结构面的岩石的在此应力状态下，岩体是否会沿结构面破坏？若不会，则给出其破裂面的方向。CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第26页!（2）岩体强度的各向异性

岩体强度受加载方向与结构面夹角θ的控制，因此，表现出岩体强度的各向异性。CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第27页!岩体中有多组结构面：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。如果结构面分布均匀、且强度大体相同时，则岩体表现出各向同性的特性，但强度却大大削弱了。CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第28页!2.3.2岩体强度测定岩体抗压强度的现场测定需在拟测地点开凿试验平巷试样尺寸：断面为正方形，边长0.5–1.5米主要困难：试样的制作CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第29页!抗剪强度测定与室内直剪试验类似。加载方向对岩体强度影响较大。要求：每一种岩石，至少对5个试样进行试验，每个试样采用不同的正压力。最后得出岩体强度曲线CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第30页!

(2)单千斤顶法

现场无法施加垂直荷载的情况下采用单千斤顶法。CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第31页!岩体强度的经验折减CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第32页!2.4.1岩体的应力应变曲线与岩石的全应力-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σD峰值强度σC2.4岩体的变形CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第33页!2.4.2岩体的变形特性参数弹性模量、变形模量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；CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第34页!力的加载方式可分为：大循环法和小循环法。采用何种加荷方式，可根据岩体结构和工程要求而定。完整岩体：可采用大循环加荷方式，以确定岩体在不同荷载下的变形特性；多裂隙岩体：可采用多循环或单循环加荷方式，以了解各种结构面对岩体变形的影响。CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第35页!2、钻孔承压板法表面承压板法测得的岩体变形模量偏低，这是由于工程岩体表面附近岩体大多发生了不同程度的松动。为了排除松动的影响，开始采用孔底承压板法测定岩体变形模量。测定结果表明：孔底承压板法测得的原位岩体变形参数比表面承压板试验测定值高很多，甚至高达10余倍。CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第36页!2.5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。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。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。CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第37页!2.5.1单一指标分类法1.按强度分类(普氏分类法)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(f)分类法，至今仍然在沿用。2.按岩石(芯)质量指标分类(RQD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不全，利用岩芯信息时必要的。

P92表2-6CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第38页!R1R2R3R4R5R6CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第39页!宾尼奥夫斯基（Bieniawski，1976)在大量实测统计的基础上，发现Q值与RMR值之间具有如下条件关系：2、Q分类法巴顿提出；Q分类法同样考虑6个方面的因素，考虑的地质因素较全面，而且把定性分析与定量评价结合起来了，软硬岩均适用，在处理极软弱的岩层中推荐采用此分类法。P95CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第40页!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学科。如，爆炸、冲击等。

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；岩石动力学与防护工程；岩石爆破与控爆技术；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；桩基动测技术及其应用等

1987年10月成立了中国岩石力学与工程学会岩石动力学专业委员会，每两年召开一次会议CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第41页!流体力学主要研究流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律。

研究岩石（体）与水共同作用所表现出的力学特性（水岩相互作用——流固耦合）地表水、地下水（孔隙水压力）在岩石力学中，主要研究岩石的渗透性、渗流理论、渗流应力状态和渗流控制，需要借助借流体力学原理进行研究。目的是要研究孔隙水压力，求解有效应力。岩石力学新兴的研究方向之流体力学（水力学特性）CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第42页!结构面——岩石节理CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第43页!CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第44页!CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第45页!CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第46页!一结构面结构面是在地球长期地质历史中形成的，成因复杂，其分类方法也有多种。按地质成因的不同，可将结构面分为如下三类：1.原生结构面：在成岩过程中形成的结构面。又分为(a)沉积结构面。如层理面。(b)火成结构面。如岩浆与其他岩体的接触面。(c)变质结构面。如片理。1.1结构面的分类CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第47页!1.2结构面的几何特征结构面的存在，会使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、形态、延展尺度、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。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。CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第48页!CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第49页!3、结构面的延展尺度和规模延展尺度：主要指结构面本身的长度。可分为细小——延展尺度＜1米；中等——延展尺度1米–10米；巨大——延展尺度＞10米.贯通情况：主要指结构面长度与岩石工程尺度之间的关系。可分为非贯通

2.半贯通

3.贯通结构面是否贯通，对岩石工程的稳定性有很大影响。CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第50页!（1）裂隙度K

a.单组节理设观测线长度为，在上出现的节理的个数为n，则节理之间的平均间距为单组结构面多组结构面10m实例：k=4/10=0.4/md=1/k=2.5mCH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第51页!d>180cm岩体为整体结构d=30~180cm岩体为块状结构d=6.5~30cm岩体为碎裂结构d<6.5cm极碎裂结构CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第52页!5、结构面的充填物结构面强度与有无充填物及充填物的性质密切相关。CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第53页!（1）整体结构

岩性单一，节理不发育，无软弱结构面或夹泥，层面结合良好，渗流对岩体特性影响不大，结构尺寸大于工程尺寸。完整性系数>0.75结构面间距>1.0m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。CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第54页!（3）层状结构

由中厚（0.25～0.5m）及薄层（<0.25m）的均一、坚硬、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、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。完整性系数：层状0.3～0.6;薄层状<0.4结构面间距：层状0.3～0.5m；薄层状<0.3m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。CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第55页!（5）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。完整性系数：<0.2

岩土工程特征：稳定性极差，岩体属性接近松散体介质。CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第56页!对任一次剪切试验，可绘出剪应力-剪切位移曲线：剪应力随剪切位移的增加而增大，当剪应力达到峰值后，剪切位移突然增大，表明试件已破坏；此后，只需很小的剪应力便能使试件继续产生切向位移，该剪应力称为残余抗剪强度。

峰值抗剪强度和残余抗剪强度CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第57页!2、粗糙结构面的抗剪强度设结构面表面不平，并具有角度为i(粗糙角)的规则齿状突起。于是，在直剪试验中，在推力T的作用下，上半部分就会沿齿向上移动。两个概念：剪胀：在沿斜面滑动时，将产生沿水平方向的切向位移u和垂直方向的法向位移v，导致整个岩块体积膨胀(膨胀是由新增空隙所致)，这种体积膨胀现象称为剪胀。爬坡(爬坡角)：沿斜面的滑动现象称为爬坡；粗糙角i又称爬坡角。CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第58页!即或整理，化简，得将此式与没有齿状突起的结构面的试验结果相比较，可知，对于具有角度为i的齿的结构面，齿的效应是使结构面的内摩擦角提高，提高的幅度就等于角度i。CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第59页!总结：1.结构面平直：2.结构面粗糙：正应力较小时:

（i也称爬坡角）正应力较大时（锯齿被剪断）：CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第60页!考察应力改变时(以最大主应力不断增大为考察条件)，是否会沿已知结构面发生破坏。直线1是结构面强度曲线，直线2是岩石强度曲线考察应力圆与直线1相切、相割时的含义。CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第61页!岩体强度取决于岩石强度，而与节理面的存在无关

或岩体会首先沿着节理破坏，岩体强度取决于结构面强度结论

CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第62页!所以，岩体沿结构面破坏的强度准则为：

令则

1)当

可见只有上式才有意义，即岩体才有可能沿节理破坏

2)对

求一阶导数，并令其为零得

此时节理面对岩体的强度削弱最大，岩体有最小强度

用图解法亦可得该结论CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第63页!（4）当Cj=0时节理面的力学效应这时库仑准则由强度准则公式推导可得：

该式的意义在哪？

假如如图所示的平硐沿岩层走向开挖，岩层倾角，由上覆岩层引起的垂直应力，节理面的内聚力为0，内摩擦角为40度，求维持巷道平衡所需的最小水平推力。CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第64页!由莫尔圆和结构面强度曲线间的关系可知：

(a)当结构面的角度在b1和b2之间时，代表结构面的点位于结构面强度曲线之上。因此，岩体将沿结构面破坏；

(b)当结构面的角度小于b1或大于b2时，代表结构面的点位于结构面强度曲线之下。因此，岩体将不会沿结构面破坏。因此，岩体是否会沿结构面破坏的判断方法是：

当

时会，

b2＜b或b

＜b1不会。CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第65页!2.3岩体的强度

2.3.1岩体的强度特征

岩体的强度取决于结构面的强度和岩石的强度。（1）岩体的抗剪强度包络线介于结构面强度包络线和岩石强度包络线之间。CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第66页!岩体中只有一组结构面：(1).当σ1与结构面垂直，岩体强度与结构面无关，为岩石强度；(2).当θ＝450+φj/2，岩体将沿结构面破坏，其强度为结构面强度；(3).当σ1与结构面平行，岩体将因结构面的横向扩展而破坏。CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第67页!

当岩体中存在结构面时，结构面的方向对岩体强度有什么样的影响？情形(a)，对强度影响如何？无影响。情形(b)，对强度影响如何？强度降低。情形(c)，若结构面方位与岩石破坏面方位一致。则对强度影响最大。CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第68页!准岩体强度完整性系数K：定义：完整性系数(龟裂系数)——根据弹性波在岩体和该岩石试件中的传播速度比，可判断岩体中裂隙发育的程度，称此比值的平方为完整性系数式中：V岩体、v岩石分别为弹性波在岩体和岩石中传播的纵波速度。准岩体抗压强度:σcm=Kσc准岩体抗拉强度:σtm=Kσt式中：σc、σt为岩石试件的单轴抗压强度和单轴抗拉强度。准岩体强度概念的提出—现场实测的不经济性理念——结构面影响的重要性。CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第69页!岩体抗剪强度现场测定（1）双千斤顶法式中：σ、τ—试件剪切面上的正应力和剪应力；F—试件剪切面面积；N—法向力；Q—斜向力；α—横向推力与剪切面的夹角，通常为150。CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第70页!现场三轴强度试验试件尺寸：2.8m×1.4m×2.8m,一般

h>2a,矩形截面.加压装置：千斤顶，液压枕。液压枕CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第71页!CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第72页!岩体变形曲线的基本形式（1）直线型：坚硬、完整无裂隙岩体直线型下凹型上凹型S型（3）下凹型：节理裂隙发育，泥质充填，岩性软弱（2）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S型。CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第73页!静力法1、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0.5～1.2m2，加载力一般用50～300t的千斤顶(P76图2-29)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：式中W为位移；p为对岩体施加的载荷；D为承压板直径或边长；为与承压板形状和刚度有关的系数；E和m为岩体的模量和泊松比。测定岩体变形特性的方法：CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第74页!设垫板总变形（位移）量为W0,其中弹性变形量为We,塑性变形量为Wp,则岩体的变形指标：式中：p—受荷面单位面积上的压力；D—承压板直径或边长;ω与承压板形状和刚度有关的系数，方形板为0.88，圆形板为0.79；μ岩体泊松比。岩体变形模量：岩体弹性模量：CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第75页!式中：vp,,vs纵波波速和横波波速，ρ为岩体密度。一般而言：Ed>Ee动力法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波器，检测弹性波。根据弹性波波速算出动弹性模量Ed和动泊松比μd。CH2第二章岩石力学共82页，您现在浏览的是第76页!工程岩体分类的参考影响因素1、岩石的强度。GB《岩土工程勘察规范》用饱和单轴抗压强度进行岩石坚硬程度分类。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。可用结构面频率(裂隙度）、间距、岩心采取率、岩石质量指标RQD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。3、结构面条件。包括结构面产状、粗糙度和充填情况。岩体的工程性质主要取决于结构面的性质和分