第四章 岩体的工程性质

天下事有难易乎为之，则难者亦易矣不为，则易者亦难矣第四章岩体的工程性质§4.1岩体的地质特性

岩体：是处于一定天然应力环境中的地质体。是在长期自然地质条件下形成的。与人为的建筑材料不同。一、岩体处于一定的天然应力作用下

天然应力：指工程施工前岩体中就存在着的应力。工程开挖前，岩体处于相对平衡状态。工程开挖后，破坏了平衡，引起应力重新调整，导致岩体的变形和破坏。

第四章

岩体的工程性质二、岩体的物理力学性质的不均匀性

原因：生成岩体的物质来源、生成原因、周围的环境、生成后的构造作用等因素的差异，而导致岩体内部的物质成分的分布和构造特征的不均匀性。三、岩体是由构造面分割的多裂隙体

结构面：指岩体中具有一定方向、力学强度相对较低的地质界面（或带）。

岩体中的结构面按成因类型可分为三类：1、原生结构面：指岩体形成过程中形成的结构面和构造面。原生节理面、流动节理面、接触面、片理、片麻理构造面。

隧道工程力学原理非开裂式、结构面间有联结力、强度较高。2、构造结构面：是岩体形成后，由于地壳构造运动在岩体中产生的各种断裂面。

断层面、节理面、层间错动面、劈理面。

结构面强度低，可能有填充物。3、次生结构面：指在外营力作用下产生的风化裂隙面及卸荷裂隙面等。

张裂隙、结构面不平坦。四、岩体具有各向异性

指岩体强度、变形、甚至渗透等性质在不同方向上显示出差异。

五、岩体具有可变性

岩体在各种地质作用下不断发生变化。1、风化作用：地表岩石在大气、温度、水和生物的联合影响下，使岩石的物理性质或化学成分发生改变的地质作用。

风化作用会降低矿物晶粒或颗粒间的联结力，使岩体的完整性遭到破坏，变形增大，强度降低。风化岩石按风化剧烈的程度分成若干级(或带)

<<铁路工程设计技术手册>>中分为：

①风化极严重②风化严重③风化颇重④风化轻微⑤未经风化。风化系统分为：①全风化带②强风化带③半风化带④弱风化带⑤微风化带（新鲜）。2、地下水的溶蚀作用表现：可溶盐溶解，胶体水解，体积膨胀，强度降低。通常用软化系数来表示岩石的软化性，即:软化系数=一般规定软化系数小于0.75的岩石叫软化岩石。§4.2岩石的物理性质和水理性质

一、岩石成分的物理参数含水量w，孔隙度n，干密度ρd二、岩石的密度、孔隙度、水分对其力学性质的影响

㈠岩石的密度对其力学性质的影响密度大，强度高。㈡孔隙度对岩石力学性质的影响孔隙度大，强度低。

原因：⒈孔隙边界引起的引力集中会使强度降低；

⒉孔隙的存在使岩石承载力减小从而使强度降低；

⒊孔隙中存在水或其它物质，它们在岩石承受荷载的情况下，会加速裂纹的扩展，从而导致岩石强度降低。

㈢水对岩石力学性质的影响

水对岩石的物理化学作用，主要表现在：1、软化：水侵入岩石的孔隙中，改变了岩石的物理状态和岩石颗粒间的表面能，导致强度降低。

2、溶蚀：溶蚀使岩石致密度降低，并会破坏颗粒之间的胶结，从而使岩石强度降低。

⒊

膨胀：粘土质矿物成分遇水产生膨胀应变和膨胀压力。

四、岩石的渗透性

孔隙的存在。五、岩石的膨胀性

岩石中颗粒的胶结程度影响其膨胀性。§4.3岩石的强度特性和变形特性一、岩石试件的制备

1、岩石的采样

采用蜡封或沥青封裹，以防风化和保持天然含水量。

2、试件的种类①规则试件：圆柱体、立方体、棱柱体。

②不规则试件

③特殊形状：虎骨型、中空圆柱型。手工制作或机械加工二、岩石的单轴压缩试验

㈠岩石的单轴抗压强度

1、单轴抗压强度的概念试件为圆柱体，直径大于54mm，高径比为2.0～2.5。

为试件破坏时的压力。

2、岩石在单轴压缩下的破坏形式①劈裂破坏：在垂直压应力方向产生的拉断破裂。如坚硬脆性岩石的破坏。②对顶锥破坏：形成X型剪切破坏。

如软质塑性岩石的破坏。③剪切型破坏：斜剪

3、影响岩石单轴抗压强度的因素

外因：①承压板与试件两端面之间的摩擦。

②试件的几何形状和高径比：圆柱形h/d=2.0～2.5。

③试件的尺寸：尽可能采用较大的试件。

④加载速度：推荐加载速度是：0.5～1.0MPa／s。

⑤环境条件：含水量、温度。

内因：⑥岩石本身的物质成分和结构特征.

㈡单向应力状态下岩石的变形特征1、单轴压缩时应力-应变曲线三种状态：①线形弹性②应变软化特性③应变硬化特性2、弹性模量初始切线模量、平均切线模量、平均割线模量（取抗压强度的一半处）3、横向变形和横向变形比泊松比即是横向应变与轴向应变的比值。

一般（直线段的）

4、应力—应变全过程曲线刚性试验机①裂隙压密阶段：压密强度②弹性阶段（直线变形阶段）：屈服强度③塑性阶段（新生微裂隙及扩容发展阶段）：峰值强度

④破裂和破坏阶段（新生微裂隙不稳定发展阶段）：残余强度

5、循环荷载条件下岩块的变形特征疲劳强度三、岩石的抗拉强度胶结物强度、抗拉强度的各向异性测定岩石抗拉强度的方法：⑴直接拉伸法

⑵棱柱体试件的弯曲⑶圆柱体的弯曲⑷圆盘弯曲⑸液压扩张试验⑹巴西试验：又称劈裂试验或线荷载试验

实心圆盘圆柱体

L为圆柱长立方体⑺圆环试验⑻方形板的径向压缩试验四、岩石的抗剪强度

㈠基本概念

岩石的抗剪强度指岩石抵抗剪切破坏的最大能力，以剪断时剪切面上的极限剪应力表示。岩石的抗剪强度用下式表示：抗剪强度≈σtgФ+cФ和c是表征岩石抗剪性能的基本指标。

㈡测定岩石抗剪强度的方法⑴直接剪切法剪切盒，绘出-图，进而确定c,Ф

剪切盒⑵倾斜板间加压的单向剪切法

=30°～50°㈢利用（单轴抗压强度）和（单轴抗拉强度）推算抗剪强度指标

⑴威尔克法（R.G.Wuerker，1959）

⑵握部（Aorlbe，1970）方法

五、三轴压缩下岩石的强度特性和变形特性

㈠岩石的三轴压缩强度

试件：50～90mmh=100～200mm圆柱体或棱柱体绘出岩石的莫尔包络线，进而确定C,Ф。㈡影响三轴压缩试验结果的主要因素⑴侧限压力（即围压）对岩石强度和变形的影响围压大，则强度及对应的位移量均增大。岩石试件在高围压下表现出塑性（或延性）变形的性质。⑵加载速率对岩石强度和变形的影响变形速率的提高，强度和变形模量增大。

⑶其他因素对岩石强度和变形的影响

●岩石结构、微裂隙发育的程度和特征、以及微裂隙相对于最大主应力的方向等。

●孔隙水压力

●端面效应

㈢三轴压缩下试件的破坏形式低围压下—张破裂中等围压下—剪破裂

高围压下—延性变形破坏

我能奉献的没有其它，只有热血、辛劳、眼泪与汗水丘吉尔§4.4岩石的流变特性

一、概述弹性理论：应力与应变成正比，与时间无关。塑性理论：应力与应变关系为非线性，与时间无关。

流变学：研究各种材料与应力、温度和时间有关的实际、变形性状和破坏性状。

流变性状：与时间（或温度）有关的变形性状以及破坏性状称为流变（流态变形）性状。

㈠蠕变和应力松弛

蠕变：在常应力作用下随时间而缓慢增长的应变。

应力松弛：在常应变作用下，应力随时间而逐渐衰减。瞬时弹性应变、瞬时弹性恢复应变、延迟恢复应变（或叫弹性后效）、永久变形。㈡粘性流体

对于应变速度与力成直线关系的流体称为理想流体或牛顿流体。其它都称为非牛顿流体。

粘性是标志一种材料遵循牛顿流体法则的流动性状（即变形速度与加上的剪应力成正比）。粘性材料：通常指具有流动性状的材料。

二、简明的流变元体

1.弹性固体，又称胡克（Hooke)固体，（简称H体），用弹簧表示，应力与应变完全符合胡克定律。

即应力随时间的变化（应力速率）与应变随时间的变化（应变速率）成正比。

2.粘滞液体，又称牛顿流体（简称N体），用粘壶表示，由圆筒，粘滞性液体，可移动的穿孔活塞组成。液体为牛顿流体，符合牛顿定律。牛顿液体中的应力与应变速率间成正比关系，即

式中粘滞系数

应变速率，=

如果应力一定（=），则积分有由此式可知粘壶的特点：加上后，不立即产生应变，应变随着时间的增大而增大，除去应力后，应变也不会恢复，而留下永久应变。⒊塑性固体，又称圣维南（St·Venant）塑性体（简称St·V体）用两块接触面粗糙的滑块来表示，当（起始摩擦阻力）时，=0

当时，为任意值，即塑性流动滑块的特点：塑性变形由应力水平决定，为零或任意值，与时间无关。4组合模型上述基本元件的任何一种元件单独表示岩石的性质时，只能描述弹性、塑性或粘性三种性质中的一种性质，而客观存在的岩石性质都不是单一的，通常都表现出复杂的特性。为此必须对上述三种元件进行组合，才能准确地描述岩石的特性。已经提出了几十种流变体的组合模型，它们大多数是利用提出者的名字命名的。组合的方式为串联、并联、串并联和并串联.串联以符号“—”表示，并联以“‖’表示。下面讨论并联和串联的性质。串联

应力：组合体总应力等于串联中任何元件的应力应变：组合体总应变等于串联中所有元件应变之和并联

应力：组合体总应力等于并联中所有元件应力之和应变：组合体总应变等于并联中任何元件的应变

三、松弛模型，又称马克斯威尔（Maxwel）模型

松弛模型代表既有粘性性质又有弹性性质的粘弹性体。

模型：用了弹性元件和粘性元件串联起来，即：M=H-NH为弹性固体（即虎克固体），N为粘滞液体（即牛顿液体）

㈠本构方程（或称本构关系式）

H体或

N体串联时，应力相同，总的应变是两者之间的和，即：或，

即：为本构方程

㈡蠕变方程

如在t=0时，突然施加了一个常力，此时模型产生了一个常应变，则本构方程变为：即或

积分得：

即：

即：为瞬时弹性变形为等速蠕变

㈢应力松弛方程

若在t=0时，突然施加了一个不变的应力，此时产生了一个瞬时弹性变形。若使保持不变，则本构方程变为：

∣

由上式可见，当t=0时，；当t=∞

时，=0

这种模型的结构特点，类似于均质水平层状岩层，如砂页岩、灰岩等软弱岩层相间的层状沉积岩体。

四、延迟模型，又称凯尔文（Kelvin）或沃伊特

(Voigt)模型延迟模型能够表示在应力作用下，应变不是立即达到弹性应变的终值，而是有一个相对落后或滞后过程的现象。它所代表的物体称为滞弹性体。

用弹性元件和粘性元件并联组成，即：

K=H‖N

㈠本构方程

㈡蠕变方程⒈模型在加载的情况下

当t=0时，加一力，则

∣

⒉模型在卸载的情况下

当t=0时，，除去荷载，即，则本构方程变为：

凯尔文模型的变形机制，在地质上相当于直立岩层，且为平行于层面方向受力的岩体。五、凯尔文-沃伊特模型（又称广义凯尔文模型）

是一种线性粘弹性体模型，由一个弹簧与一个凯尔文模型串联而成，又称HK体模型，其结构形式为：HK=H-K=H-(N‖H)

㈠本构方程

㈡蠕变方程

当t=0时，加一常应力，此时︱t=0==

则本构方程为：

︱

将、值代入后，得

式中，当t=0时，

当t=∞时，

㈢应力松弛方程

当t=0时，有常应变，则本构方程为：

︱

、将、值代入后，得：

上式，当t=0时，

当t=∞时，胜利是不会向我走来的，我必须自己走向胜利美国女诗人穆尔六、宾哈姆（Bingham）模型

由粘塑性体（简称VP体）模型（用一个粘性元件N和一个塑性元件St．V并联组成的模型）与一个弹性元件串联组成。它是弹性粘塑性体，简称B体，它的结构形式为：B=VP-H=(N‖St.V)-H宾哈姆模型当应力增加到某值以上时会发生流动。

当<时，,=0

当≥时，或

当==常数（>）作用时，=0

则上式变为：称宾哈姆方程式

当≤≤时，积分上式有：

当=时，

当=时，

宾哈姆模型体在加载时，有瞬时弹性应变及定常阶段的蠕变；卸载时，即到达时刻以后，若应力卸到零，则有瞬时弹性恢复，然后应变将永久保持为滑块（或粘壶）所产生的应变

§4.5岩体的原位试验指在施工现场，对工程所涉及的岩体直接进行量测试验。现场试验的目的：①了解工程范围内岩体的变形和强度特性；②施工前后的岩体应力状态的变化；③岩体中弹性波的传播性质等。对于大型的地下结构，必须进行的现场试验有：①变形试验：承压板法和径向千斤顶法；弹性波纵波和横波。②地应力测试：地面应力量测，解除岩芯变形和孔壁变形量测。③抗剪试验：沿软弱面抗剪试验，以及岩体移动监控等。一、岩体的变形试验方法：承压板法（表面和孔底承压板法）、径向千斤顶法。用压力盒或扁千斤顶来量测表面压应力用位移计、千分表量测岩体变形最大试验压力为实际建筑物作用压力的1.2～1.5倍。压力分级循环加荷二、岩体的剪切试验

斜推法、平推法、扭矩法试件尺寸不小于70×70×35cm

选择有代表性的剪切面。试件底部应与剪切面重合，剪切方向应与建筑物可能滑移方向相一致，试件含水量接近自然含水量。

试验设备：垂直加载千斤顶、剪切加载千斤顶、位移计。先排水（固结），后剪切根据试验结果绘制剪应力——法向应力曲线。三、岩体地应力量测㈠应力解除法⒈表面应力解除法环形合金钻头、应变传感器开槽深度与岩体单元直径之比（h/D）应大于1。在室内测定钻孔槽形成岩芯的弹性模量和泊松比⒉钻孔应力解除法钻孔→孔底安应变传感器→套钻使应力解除㈡应力恢复法应变量测元件距槽的距离约为槽宽B的1/3，槽的深度要求大于B/2。㈢水力压裂法σ（原）+σ

（抗拉强度）=σ（劈裂应力）地下结构设计原理与方法地下结构设计原理与方法地下结构设计原理与方法

水压致裂法的突出优点是能测量深部应力，已见报道的最大测深为5000m，这是其他方法所不能做到的因此这种方法可用来测量深部地壳的构造应力场同时，对于某些工程。如露天边坡工程，由于没有现成的地下井巷、隧道、硐室等可用来接近应力测量点，或者在地下工程的前期阶段，需要估计该工程区域的地应力场，也只有使用水压致裂法才是最经济实用的否则，如果使用其他更精确的方法如应力解除法，则需要首先打几百米深的导坑才能接近测点，那么经济上将是十分昂贵的，因此对于一些重要的地下工程，在工程前期阶段使用水压致裂法估计应力场，在工程施工过程中或工程完成后，再使用应力解除法比较精确地测量某些测点的应力大小和方向，就能为工程设计、施工和维护提供比较准确可靠的地应力场数据.

§4.6岩石的破坏准则研究岩石在什么样的应力作用下发生破坏影响岩石破坏的因素：应力、温度、应变速度、试件大小、应力梯度。目前岩石破坏准则只考虑应力的影响。

一、库伦——纳维尔（Coulomb-Navier）准则破坏面上剪应力超过粘结力和以法向应力乘以摩擦系数表示的抗剪阻力。即：为内摩擦系数，为法向应力，