第3章-岩体的力学性质

第3章岩体的力学性质本章内容概述岩体结构基本类型岩体结构面结构面的力学性质岩体的变形特征岩体的强度特征岩体的水力学性质岩体质量评价及其分类本章重点难点：

1、岩体结构；

2、结构面的力学特征

3、岩体的强度特征

4、岩体的破坏机理

5、岩体分类。关键术语：岩体结构，岩体强度，准岩体强度；岩体变形，岩石RQD质量指标；完整性系数；岩石坚固性系数要求：

1、掌握本课程重点难点内容；

2、了解几种有代表性的岩体分类方法；

3、了解我国工程岩体分级标准（GB50218－94）§3.1概述结构面：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，包括物质的分界面、不连续面如节理、片理、断层、不整合面等。坚硬结构面（干净的）软弱结构面（夹泥的夹层的）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）。块状结构体（三维相差不大）板状结构体（板状）岩体：结构面和结构体的地质统一体。岩体的力学性质：岩体抵抗外力作用的的能力岩体力学性质的影响因素：

结构体的力学性质：结构体本身强度

结构面的力学性质：粗糙起伏、尺寸效应、各向异性、开闭

岩体结构的力学效应：结构面空间分布、组合

环境影响：水：主要是岩石的水理性质和水压力作用温度：地下温度与深度的关系地应力：三维应力状态影响承载能力地应力影响岩体变形与破坏机制应力传播不连续的岩体变成连续岩体的力学性质要研究的具体对象§3.2岩体结构基本类型3.2.1岩体结构分类依据第一依据结构面类型，它规定了结构级序软弱结构面：Ⅰ级结构坚硬结构面：Ⅱ级结构第二依据结构面切割程度及结构体类型，它规定了岩体结构的基本类型

Ⅰ级结构：块状结构体块裂结构板状结构体板裂结构

Ⅱ级结构：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过渡型岩体结构：软硬面混杂、无序排列散体结构亚类划分依据：依据岩体的原生结构如碎裂结构可分为：块状碎裂结构、层状碎裂结构3.2.2岩体结构分类方案Ⅰ级结构：切割形成的结构面大多与区域构造有关或与不连续层面有关贯通切割不是一个完整体无约束将自然分离Ⅱ级结构：由次级结构面切割而成完整结构（无显结构面切割）断续结构（断续结构面切割）碎裂结构（坚硬贯通结构面切割）过渡型结构：

散体结构（软硬结构面混杂切割）多为断层破碎带和强风化带中关于断层破碎带关于强风化带（四川石棉矿大坪分矿山例）两种特点：结构面排列无序结构面软硬混杂参见Tab3-1，Page783.2.3各类岩体结构的地质特征1、完整结构岩体碎裂结构后天愈合而成愈合形式有两种：压力愈合，胶结愈合压力愈合，使具有粘性散体粘接在一起胶结愈合，含硅、钙、铁质成分侵入“粘的不如原生的牢”2、块裂结构岩体一组或数组软硬结构面切割而成（多为错动过）参与切割的结构面一般延展较长形成形状各异的块体3、板裂结构岩体

主要是层状岩体受褶皱作用产生层间错动所致4、碎裂结构岩体多组结构面结构面贯通结构体尺寸大（常以米计）5、断续结构岩体不连续结构面切割所致不形成结构体受力后结构面端部应力集中而破坏6、散体结构碎屑状散体结构：结构面软硬混杂、无序切割，结构体呈砾状，大小不一（块度较碎裂结构小）。分构造型和风化型糜棱化散体结构：断层内磨蚀，或风化所致

结构体的形状1、板状结构体：2、柱状结构体：3、锥形结构体：

结构体的形状与岩石类型有关；与区域构造运动强度有关；与工程围岩的破坏方式有关。3.2.4岩体结构对于工程的相对性

之所以要研究岩体结构，是因为人类要在岩体内部或上方作工程工程尺寸不同，岩体结构对其稳定性影响也不同同一岩体，在其内部开挖隧道或钻孔，稳定性不同3.3结构面及其充填特征

结构面具有一定方向、延展较大、厚度较小、变化复杂、二维地质界面使岩体构造上不连续、非均质3.3.1结构面的类型及其特征1、原生结构面⑴沉积结构面：沉积岩成岩石过程中形成的地质界面常见形式：层面、层理、沉积间断面（不整合、假整合）、原生软弱面等。沉积结构面产状与岩层相同沉积面特征决定于沉积环境海相：延展范围广、分布稳定陆相：易尖灭、透镜或扁豆体沉积结构面的特征：常见泥裂、波痕、交错层理、缝合线、古生物遗迹、古风化残积物、软弱夹层等⑵火成结构面：岩浆侵入、冷凝、喷溢所形成的结构面常见形式：流层、流线、火山岩流接触面、各种蚀变面挤压破碎带、原生节理等接触带延展强原生节理延展不强，粗糙起伏，平行或垂直接触面，有时充填充填节理、挤压破碎带、蚀变带较弱⑶变质结构面：岩体变质过程中所形成的结构面常见形式：片理、片麻理、板理、软弱夹层等结构面产状：与岩层一致延展性差，分布密集，除板理外，其余都较粗糙抗剪强度低，含水后更差2、构造结构面构造结构面是地壳构造运动作用产生的结构面常见形式：劈理、节理、断层、层间错动等大小不一、宽窄不一、起伏粗糙不一、充填不一3、次生结构面次生结构面？地表附近外部影响引起产生的结构面风化所致地下水所致卸载所致冲击震动所致（如爆破、天外陨石）结构面类型及特征：参见Tab2-2,Page843.3.2结构面的分级

Ⅰ级结构面：区域构造控制面，如断层，延展范围大，公里级

Ⅱ级结构面：一般构造断裂延展性强而宽度有限，米到公里级

Ⅲ级结构面：延展性差的小型构造断裂，米到百米级

Ⅳ级结构面：延展性较差的成组分布的节理，米级

Ⅴ级结构面：延展性极差的随机性小节理，米级及其以下前三级为实测结构面，后两种为统计结构面结构面分级及其特征：参见Tab2-3，Page873.3.3结构面状态

⑴

结构面的分类：按照贯通与否，可分作三类非贯通结构面半贯通结构面贯通结构面⑵结构面的分布结构面对岩体强度影响，与结构面性态、结构面的分布相关结构面的产状结构面的形态结构面的延展度结构面的密集度岩体裂隙度K

节理平均间距d

岩体中有多组节理时

岩体的切割度Xe

岩体的切割度是指岩体被切割分离的程度切割度：等于某节理的岩体中的面积除以该方向岩体截面积当一贯截面方向多个节理时某个节理组产生的切割度⑶结构面的充填物充填物的C、Φ值较两壁小得多当充填物含水时，降低更明显§3.4结构面的力学性质1、结构面的法向变形Goodman理论：法向变形与压力关系

刚度系数Bandis理论：

法向变形与压力关系

刚度系数（理论）刚度系数（经验）初始刚度系数与最大闭合量2、剪切变形⑴结构面粗糙无充填时结构面剪切变形过程：分光滑结构面与粗糙起伏结构面剪切过程（在正压力作用下）：初始表现弹性不同起伏粗糙度剪切变形曲线不同剪切刚度

Goodman经验公式

粗糙起伏节理面的剪切骑越σnτ⑵结构面含有充填物时张性结构面常常含有充填物。当充填物较两壁软弱时，对结构面剪切试验①充填物厚度大于结构面起伏度时②充填物厚度小于结构面起伏度时讨论：剪切应力与位移关系变化δτ3、抗剪强度①平直结构面问题张性结构面未贯通或胶结结构面στστ②粗糙结构面

剪胀的概念

剪胀角的概念

剪胀角的几何含义δtδnJRC的确定结构面分形曲线的测定目测确定计算确定

Φp--峰值剪切角，可用倾斜滑移倾角确定，亦可用下式计算

结构面峰值剪切强度的尺寸效应（随着尺寸增大而减小）随着尺寸增大：峰值强度时位移增大剪切破坏由脆性向延性变化峰值剪胀减小随着粗糙度减小，尺寸效应减小结构面接触的尺寸效应结构面面积大，接触面积大，接触点少结构面面积小，接触面积小，接触点多结构面抗剪强度与结构面形成历史关系新鲜结构面抗剪强度大古老结构面抗剪强度小结构面抗剪强度与剪切试验次数的关系初次剪切，抗剪强度高随着剪切次数的增加，抗剪强度逐渐降低剪切次数充分多，结构面磨平，无剪切峰值，摩擦问题讨论：结构面抗剪强度受充填层的影响充填层厚度大于起伏度充填层厚度小于起伏度充填物含水的情形

岩体中含有结构面，岩体的受理变形受结构面力学特性、分布情况和产状直接影响1、岩体的单轴和三轴压缩变形

岩体单轴压缩变形特性

试验方法：岩柱试验（常用来测强度）表面承压板法§3.5岩体的变形特性采用何种加荷方式，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。加荷方式（1）直线型：坚硬、完整无裂隙岩体直线型下凹型上凹型S型（2）下凹型：节理裂隙发育，泥质充填，岩性软弱（3）上凹型：坚硬但裂隙发育，多呈张开而无充填物

单调加载时压密阶段明显

逐级循环加载时形成回滞环—不断后移，且有一定弹性滞后峰值后应力下降缓慢，且有残余应力岩柱试验测得变形模量εσ

当存在弹性后效（滞弹性）三轴压缩变形特征类似单轴压缩试验，底板保留水平约束，垂直方向单轴施加压力进行压缩实验

另施围压试验应力应变曲线与单轴类似εσ

上述承压板法测得弹性模量或变形模量偏低岩体动弹性模量Ed的测定：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。式中：vp,,vs

分别为纵波波速和横波波速，ρ为岩体密度。一般而言：Ed>Ee,μd>μ。2、岩体剪切变形特征剪应变与剪应力关系曲线屈服前与压应力应变曲线相近屈服以后应力反复升降峰值后陡降，然后残余抗剪强度3、岩体各向异性特征

主要有两个因素决定了岩体的非各向同性其一是组成岩石结构体物质结构的方向性其二是结构面的方向性结构面的方向性的影响：分离度χ=1/3和χ=2/3两组结构面§3.6岩体的强度特性岩体的强度的概念岩体的抗压强度与抗剪强度岩体强度的影响因素，结构面力学性能与方位较突出1、岩体强度的测定⑴岩体单轴抗压强度的测定⑵

岩体抗剪强度的测定双千斤顶法

单千斤顶法⑶

岩体三轴压缩强度试验试验方法试验数据处理：不同围压不同轴向压力强度2、单结构面的强度效应岩体中有单一结构面如图在加载试验中，结构面上应力将前两式代入结构面强度曲线方程F

将前两式代入结构面强度曲线方程得结构面剪切破坏条件或用摩擦系数表示之上式左边大于右边，岩石将沿着结构面破坏，等式成立则极限平衡

岩体沿着结构面破坏条件讨论上式中β为π/2和Φw，使等式成立需σ1→∞所以说不会沿着结构面破坏研究σ1的最小值，将其对β求导并令之等于0

则有σ1min若不沿着该结构面破坏

沿着结构面破坏的β取之范围通过几何关系可以确定

岩体三轴抗压强度对于结构面对于无结构面的岩石当岩体强度就是结构面的强度当岩体的强度就是岩石结构体的强度当σ3=0，岩体单轴应力状态下结构面影响问题

3、多结构面岩体的强度4、岩体强度的估算⑴准岩体强度关于弹性波的概念声波或超声波在岩石或岩体中的传播速度岩体完整性系数

准岩体强度⑵Hoek-Brown经验方程§3.7岩体质量评价及分类

岩体分类的意义：人类生产生活活动与岩体的关系（地下工程、低级工程、边坡工程等）岩体的特殊性：特殊地质体（成岩年代、矿物组成、结晶类型、风化程度、原岩应力、构造行迹、结构面….）1、按岩芯质量指标分类

蒂尔（Deer,1968)提出根据钻探时岩芯完好程度来判断岩体的质量，对岩体分类。式中：li—所取岩芯中≥10cm长度的岩芯段的长度；

L—钻进岩芯的总程度，m。RQD（％）0～2525~5050~7575~9090～100等级ⅠⅡⅢⅣⅤ分类很差差较好良好很好2、按岩体结构类型分类中国科学院地质研究所，将岩体按照结构类型分成四类，每一类又分成2~3个亚类3、按岩体质量分级我国工程岩体分级标准（GB50218-94)⑴、工程岩体分级的基本方法①确定岩体基本质量

《标准》认为岩石的坚硬程度和岩体完整程度决定岩体的基本质量。岩体基本质量好，则稳定性好；反之，稳定性差。A、采用饱和岩石单轴抗压强度σC划分岩石坚硬程度σ

C

(Mpa)>6060~3030~1515~5

<5坚硬程度坚硬较坚硬较软岩软岩极软岩σC与点荷载强度指数的关系：是指直径50mm圆柱试件径向加压时的点荷载强度。B、采用完整性系数Kv划分岩体完整程度Kv>0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15<0.15完整程度完整较完整较破碎破碎极破碎Jv<33~1010~2020~35>35Kv>0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15<0.15岩体体积节理数Jv(条/m3)：式中：Sn——第n组节理每米长测线上节理的条数；

Sk——每立方米岩体非成组节理条数。Jv与Kv的对照关系：②岩体基本质量分级A、岩体基本质量指标（BQ)的计算注意：当σC>90Kv+30时，应以σC=90Kv+30代入上式计算Q值；当Kv>0.04σC+0.4时，应以Kv=0.04σC+0.4代入上式计算Q值；式中：BQ——岩体基本质量指标；

σC——岩石饱和单轴抗压强度(Mpa);Kv——岩体完整性系数。B、按BQ值进行岩体基本质量分级基本质量级别岩体基本质量定性特征岩体基本质量指标(BQ)Ⅰ坚硬岩，岩体完整；>550Ⅱ坚硬岩，岩体较完整；较坚硬岩，岩体完整；550～451Ⅲ坚硬岩，岩体较破碎；较坚硬岩或软硬岩互层，岩体较完整；较软岩，岩体完整；450～351Ⅳ坚硬岩，岩体破碎；较坚硬岩，岩体较破碎～破碎；较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整～较破碎；软岩，岩体完整～较完整；350～251Ⅴ较软岩，岩体破碎；软岩，岩体较破碎～破碎；全部极软岩及全部极破碎岩；<250③基本质量指标BQ值的修正

结合工程具体情况，对BQ进行修正，修正值[BQ]按下式计算：式中：K1——地下水影响修正系数；K2——主要软弱结构面产状影响修正系数；

K3——初始应力状态修正系数。A地下水影响修正系数K1地下水出水状态

BQ>450450~351350~251<250潮湿或点滴出水

0

0.10.2～0.30.4～0.6淋雨状或涌流状出水，水压≤0.1MPa，或单位出水量≤10L/(min.m)

0.10.2～0.30.4～0.60.7～0.9淋雨状或涌流状出水，水压＞0.1MPa或单位出水量＞

10L/(min.m)

0.20.4～0.60.7～0.9

1.0B主要软弱结构面产状影响修正系数K2结构面产状及其与洞轴线的组合关系结构面走向与洞轴线的夹角<300结构面倾角300～750结构面走向与洞轴线的夹角>600结构面倾角>750其它组合K20.4~0.60~0.20.2~0.4C初始应力状态修正系数K3初始应力状态BQ>550550～451450~351350~251<250极高应力区1.01.01.0~1.51.0~1.51.0高应力区0.50.50.50.5~1.00.5~1.0⑵、工程岩体分类标准的应用①岩体物理参数的选用工程岩体的级别一旦确定，可按表选用岩体的物理参数和结构面的抗剪强度参数。②地下工程岩体自稳能力的确定自稳能力：工程跨度、自稳时间、落块、塌方岩体级别与岩体物理力学参数基本质量级别重力密度γ(kN/m3)内摩擦角Φ(0)粘结力C(Mpa)变形模量E(Gpa)泊松比μⅠ>26.5>60>2.1>33<0.2Ⅱ60~502.1~1.533~200.2~0.25Ⅲ26.5~24.550~391.5~0.720~60.25~0.3Ⅳ24.5~22.539~270.7~0.26~1.30.3~0.35Ⅴ<22.5<27<0.2<1.3>0.35岩体级别与岩体结构面抗剪强度参数基本质量级别两侧岩体的坚硬程度及结构面的结合程度内摩擦角Φ(0)粘结力C(Mpa)Ⅰ坚硬、结合好>37>0.22Ⅱ坚硬－较坚硬、结合一般；软弱岩，结合好37~290.22~0.12Ⅲ坚硬－较坚硬、结合差；较软弱岩，结合一般29~190.12~0.08Ⅳ较坚硬－较软岩、结合差—很差；软弱岩、结合差；软质岩的泥化面19~130.08~0.05Ⅴ较坚硬及全部软质岩、结合很差；软质岩泥化层本身<13<0.05岩体级别与地下工程岩体自稳能力基本质量级别自稳能力Ⅰ跨度<20m，可长期稳定，偶有掉块，无塌方Ⅱ跨度10~20m，可基本稳定，局部发生掉块或小塌方跨度<10m，可长期稳定，偶有掉块Ⅲ跨度10~20m，可稳定数日至1个月，可发生小至中塌方跨度5~10m，可稳定数月，可发生局部块体位移及小至中塌方跨度<5m，可基本稳定Ⅳ跨度>5m，一般无自稳能力，数日至数月内可发生松动变形、小塌方，可发展为中至大塌方。跨度<5m，可稳定数日至1个月Ⅴ无自稳能力注：小塌方：塌方高度<3m，或塌方体积<30m3中塌方：塌方高度3～6m，或塌方体积30～100m3大塌方：塌方高度>6m，或塌方体积>100m34、岩体地质力学分级（CSIR分类）南非科学与工业研究委员会（一说是宾尼奥夫斯基）提出CSIR分类指标值RMR，然后进行修正RMR(RockMassRating)由下列6种指标组成：

（1）岩块强度(R1)

（2）RQD值(R2)（3）节理间距(R3)（4）节理条件(R4)（5）地下水(R5)

（6）节理方向对工程的影响的修正参数（R6）

即：（1）对应岩石强度的岩体评分值R1

点荷载指标（Mpa）

岩石单轴抗压强度Rc(Mpa)评分值>10>250154~8100~250122~450~10071~225~504不采用5~252不采用1~51不采用<10（2）对应于岩芯质量指标的岩体评分值R2RQD（％）91～10076~9051~7526~50

<25评分值20171383（3）对应于最有影响的节理组间距的岩体评分值R3节理间距（m）>31~30.3~10.05~0.3<0.05评分值302520105（4）对应于节理状态的岩体评分值R4

说明评分值尺寸有限的粗糙的表面、硬岩壁25略粗糙的表面、张开度<1mm，硬岩壁20略粗糙的表面、张开度<1mm，软岩壁12光滑表面；由断层泥充填厚度为1～5mm；张开度1～5mm，节理延伸超过数米6由厚度>5mm的断层泥充填的张开节理;张开度>5mm的节理，延伸超过数米0（5）取决于地下水状态的岩体评分值R5每米隧道的涌水量（L/min）节理水压力与最大主应力的比值总的状态评分值无0完全干燥15<10<0.1潮湿1010～250.1～0.2湿725～1250.2～0.5有中等压力水，滴水4>125>0.5有严重地下水问题，流水0（6）节理方位对RMR的修正值R6方位对工程的影响评价隧道地基边坡很有利000有利－2－2－5一般－5－7－25不利－10－15－50很不利－12－25节理走向与倾角对隧道掘进的影响节理走向垂直于隧道轴线节理走向平行于隧道轴线倾角00～200顺倾向掘进逆倾向掘进倾角450～900200～450450～900200～450450～900200～450不考虑走向很有利有利一般不利很不利一般一般根据总分确定岩体分级

类别

岩体描述岩体评分值RMR

Ⅰ很好81~100

Ⅱ好61~80

Ⅲ较好41~60Ⅳ较差21~40Ⅴ很差0~20岩体分级的意义考虑不支护隧道的自稳时间分类号ⅠⅡⅢⅣⅤ平均自稳时间15m跨，20年10m跨，1年5m跨，1星期2.5m