岩石力学与工程-岩体力学性质

2023/9/214岩体力学性质

4.1概述一、岩体的特点

天然岩体是由各种结构面分割形成岩石块的组合体,它具有不连续性、不均质性和各向异性等特点。

二、结构面1.定义：不同成因、不同特征的地质界面的统称。2.特点：有一定方向、横向延展较大、厚度较小具有面的几何特征。它的变形机理是两盘闭合或滑移，在破坏上，或是沿着结构面滑移，或是沿着它追踪开裂。

三、结构体

由结构面彼此组合将岩体切割而成形态不一，大小不等和成分各异的岩石块体。四、岩体结构单元或要素2023/9/22五、岩体结构不同类型的岩体结构单元在岩体中的各种组合、排列形式的总称。六、岩体力学性质是岩体抵抗外力作用的能力，它包括岩体稳定性特征、强度特征和变性特征，它是由组成岩体的结构体、结构面、赋存条件决定的。2023/9/23七、影响岩体力学性质的基本因素2023/9/242023/9/254.2岩体结构面特征及类型

一、岩体结构面类型1.按结构面成因分类2.按结构面切割程度或结构体类型分类2023/9/26二、岩体结构类型

级序结构类型划分依据亚类划分依据ⅠⅠ1块裂结构多数软弱结构面切割，块状结构体块状块裂结构原生岩体结构呈块状层状块裂结构原生岩体结构呈层状Ⅰ2板裂结构一组软弱结构面切割，板状结构体块状板裂结构原生岩体结构呈块状层状板裂结构原生岩体结构呈层状ⅡⅡ1完整结构无明显结构面切割块状完整结构原生岩体结构呈块状板状完整结构原生岩体结构呈层状Ⅱ2断续结构显结构面断续切割块状断续结构原生岩体结构呈块状层状断续结构原生岩体结构呈层状Ⅱ3碎裂结构坚硬结构面贯通切割，结构体为块状块状碎裂结构原生岩体结构呈块状层状碎裂结构原生岩体结构呈层状过度型散体结构软硬结构面混杂、无序排列切割碎屑状散体结构原生岩体结构特征已消失糜棱化散体结构原生岩体结构特征已消失2023/9/27三、各类结构的地质特征2023/9/28四、结构面对岩体强度的影响结构面是通过结构面的产状、形态、延展尺度等几何特征参数和密集度与充填物等状态，来描述对岩体强度和工程稳定性影响的。1.结构面的产状对岩体是否沿某一结构面滑动起控制作用。2.结构面形态决定结构面抗滑力的大小，当结构面的粗糙度越高，其抗滑力就越大。3.结构面的延展尺度在工程岩体范围内，延展尺度大的结构面，完全控制了岩体的强度。2023/9/292023/9/210三、岩体破碎程度的指标(补充)1.裂隙度（1）定义

裂隙度K是指沿着取样线方向，单位长度上节理的数量。（2）计算1）设某节理取样线长度为L，沿L内出现节理的数量为n，则

2）沿取样方向节理的平均间距d为2023/9/2112.切割度（1）切割度是指岩体被节理割裂、分离的程度。（2）计算1）仅含一个节理面的平直断面，节理面面积，平直断面面积A，其切割度为2）当岩体被完全切割时，；未被切割时，；可见，当时，岩体是部分被切割3）若在同一平直断面出现面积为的几个节理面，则切割度为4.3结构面的力学性质

结构面的力学性质主要包括三个方面：法向变形、剪切变形和抗剪强度。4.3.1法向变形1.在法向载荷作用下，岩石粗糙结构面的接触面积和接触点数随载荷增大而增加，结构面间隙呈非线性减小，应力与法向变形之间呈指数关系，如图4-9所示。2023/9/2122023/9/2132.古德曼法，法向应力与结构面闭合量的关系：式中：为原始压力；为最大可能闭合量；是与结构面几何特征、岩块力学性质有关的两个参数；（4-2）2023/9/214图4-9结构面法向变形曲线2023/9/2153.法向变形刚度

（1）反映结构面产生单位法向变形的法向应力梯度。

（2）法向变形刚度的古德曼法表示式：式中：结构面的初始刚度。

（3）其大小主要取决于粗糙结构面接触点数、接触面积和结构面两侧微凸体相互啮合程度。（4-3）4.1984年，班迪斯提出双曲线形关系式法向应力：法向刚度：（4-4）（4-5）2023/9/2174.3.2剪切变形1.剪切变形形式（1）非充填型粗糙结构面剪切变形剪切应力上升相对较快，达到峰值后结构面的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，如图4-10b的A曲线；（2）平坦（或有充填物）的结构面剪切变形初始阶段的剪切变形曲线呈下凹型，随着剪切变形的持续发展，剪切应力逐渐上升，但没有明显的峰值出现，最终达到恒定值，其曲线如图4-10b的B所示。2023/9/218图4-10结构面剪切变形曲线2.古德曼将剪切变形曲线从形式上分为：1）峰前应力上升的弹性区；2）剪应力峰值区；3）峰后应力降低或恒应力的塑性区。

3.结构面在剪切中的力学过程结构面微凸体的弹性变形、劈裂、磨粒的产生与迁移、结构面的相对错动等，但是剪切变形不管在那个过程中，剪切变形是不可完全恢复的。2023/9/2192023/9/2204.剪切刚度将“弹性区”单位变形内的应力梯度称为剪切刚度Kt。5.古德曼法，剪切刚度可以由下式表示：

式中，是初始剪切刚度，是产生最大剪切位移时的剪应力渐进值。（4-6）

2023/9/2216.从下图模型可以看出，结构面的剪切变形与岩石强度、结构面粗糙性和法向力有密切关。图4-11结构面剪切力学模型7.剪胀对于粗糙的结构面，在剪应力作用下，结构面上半部沿凸台斜面向上滑动，产生法向移动分量称之为剪胀。2023/9/2224.3.3抗剪强度1.结构面抗剪强度一般可以用库仑公式描述：

式中分别是结构面上的粘结力和摩擦角，是岩石平坦表面基本摩擦角，是结构面上凸台斜坡角。是作用在结构面上的法向应力。（4-7）

2.实验表明，低法向应力时，结构面上有剪切位移和剪胀；高法向应力时，凸台被剪断，结构面抗剪强度最终变成残余抗剪强度。在剪切过程中，凸台起伏形成的粗糙度以及岩石强度对结构面的抗剪强度起着重要作用。2023/9/2232023/9/224图4-12凸台模型的剪应力与法向应力的关系曲线2023/9/2253.巴顿准则1）考虑法向力、粗糙度和结构面壁岩石强度三因素的影响，巴顿提出了抗剪强度准则，该准则为一经验公式：

式中，是结构面的抗压强度，是岩石表面的基本摩擦角，为结构面粗糙性系数。2）当，上式变为：

即转化成平滑节理（无黏结力）的库仑准则。（4-8）2023/9/2264.3.4影响结构面力学性质的因素1.尺寸效应因素（1）随着试块结构面面积增加，平均峰值剪切应力呈较小趋势；（2）随着结构面尺寸的增大，达到峰值强度时的位移量增大；（3）由于尺寸的增加，剪切破坏形式由脆性破坏向延性破坏转化；（4）随着结构面尺寸的增大，峰值剪胀角减小.2.变形历史因素新鲜结构面的抗剪强度明显高于受过剪切作用的结构面的抗剪强度。3.充填性质因素（1）充填物的厚度；（2）颗粒大小与级配；（3）矿物组分和含水程度。4.含水性因素2023/9/2272023/9/2284.4岩体的力学性质4.4.1岩体变形曲线及其特征一、岩体压缩变形曲线图4-13岩体压缩——变形曲线类型示意（a）直线型；（b）上凹型；（c）上凸型；（d）复合型

二、岩体剪切变形特征图4-14岩体原位抗剪试验曲线2023/9/2292023/9/2301.在曲线到达屈服点以前，变形曲线与抗压变形曲线相似；2.在曲线到达屈服点之后，岩体内某个结构体或结构面首先被剪坏，随之出现一次应力降，峰前可能出现多次这样的应力降，应力降的大小与被破坏的结构体或结构面的强度有关。当岩体的破碎程度越高，则其应力降反而不明显；3.当剪应力增加到一定水平后，岩体的剪切变形已累积到一定程度，没有被剪坏的部位以瞬间破坏的方式出现，并伴有一次较大的应力降；4.当出现一次较大的应力降后，整体在一定应力水平下产生稳定的滑移。2023/9/2314.4.2岩体力学试验一、一般概念1.岩体与岩块的差异1）组构方面

岩块含岩石材料及微小节理；岩体含岩块及多组较大的节理；2）力学性质方面

岩体比岩块弹模小、峰值强度低、残值强度低、变形（蠕变）大、泊松比大、各向异性强；极端坚固完整岩体的强度≈岩块强度，节理极端发育岩体的强度<<岩块强度（几分之一至几十分之一）。2023/9/2332023/9/2342.尺寸效应1）岩体与岩块的尺寸界限，由尺度效应（scaleeffect）试验决定；2）各种岩石的尺度效应不同；3）大部分岩石在>0.5~1.0m时，性状即稳定，故通常可认为在该尺寸以上即代表岩体；（A为试件的横截面积）2023/9/235二、岩体力学试验特点与方法1.原则上，与岩块试验无异。不同的是：试体大、设备大、代价高；2.岩体试验多在现场原位（in-situ）切割试体，进行单轴压缩、三轴压缩及压剪试验，一般试体尺寸为0.5~1.5m；3.加载设备用普通千斤顶、矮千斤顶和扁千斤顶；4.原始切割试体的工程浩大，费用高昂；5.现场原位试验，要求一次将测试目标：，应力应变曲线，强度指标等全部测定。

2023/9/2362023/9/2376.结构面实验方法1）实验室试验法倾斜仪法直剪仪法三轴仪法倾斜仪法

直剪仪法2023/9/2382）现场试验法

岩体、弱面、软夹层的现场压剪方法示意图2023/9/239三、岩体力学计算指标的选取与修正1.原则上：岩体指标≈岩块指标，取岩块指标；岩体指标<<岩块指标，取岩体指标；2.岩体指标：有条件的，可作试验测定；不能试验的，可暂先选取经验数据；3.岩体内摩擦角≈岩块内摩擦角；4.已知岩体的C和φ，可近似求得岩体单轴抗压强度：再根据格氏准则，可近似求得岩体抗拉强度：5.用岩体力学性质经验数据对工程进行的初步计算，在工程开工后，应根据实测的应力，对经验数据加以适当修正。2023/9/2404.4.3岩体变形特性一、岩体的单轴和三轴压缩变形特征现场岩体循环压缩应力—应变全过程曲线2023/9/2411.岩体在加载开始阶段，由于岩体内部的结构调整、结构面压密与闭合，应力-应变曲线呈上凹型；2.曲线中可以看到，若在中途卸载回弹变形有滞后现象，并出现不可恢复的残余变形；3.每一级加载与卸载循环曲线都是开环型的，当外载荷增加，残余变形量的增长速度变小，累计残余变形增大；4.当加载达到岩体峰值强度后，岩体出现破坏，其破坏过程一般呈柔性破坏特征，应力下降比较缓慢，岩体越破碎，应力降越小，表现出的脆性也越低；5.从破坏后曲线来看，岩石破坏后并非完全失去承载能力，而是保持一个较小的数值。也就是说，试件完全破坏经过较大变形后，应力下降到一定值之后便保持为常数，此时对应的应力为岩体的残余强度。2023/9/2422023/9/243二、现场岩体变形模量测量现场岩体变形模量测量过程曲线2023/9/244

图中的b段称之为岩体的弹性变形量，a段称之为岩体的残余变形量。因而采用变形模量来表征岩体变形特征，变形模量可按下式确定：

式中：是应力；是岩体永久变形(残余变形)的应变；是岩体弹性变形的应变。2023/9/245四、影响岩体变形性质的因素1.结构面方位；2.结构面的密度；3.结构面的张开度及充填特征；2023/9/2464.5岩体的强度特征一、一般概念1.节理发育岩体，抗拉强度极弱，可概括为无拉力准则；2.岩体的单轴压缩、三轴压缩及压剪试验证实，大部分岩体在受压区符合库仑准则，但其强度低于岩块强度；3.岩体强度必介于岩块强度与最弱面强度之间的一个范围；4.岩体强度的具体情况，应根据试验具体确定。2023/9/247二、单结构面理论(补充)

1.建立模型为了从理论上用分析法研究裂隙岩体的压缩强度，耶格（Jaeger）提出单结构面理论。图所示为岩体中发育一组结构面AB，假定AB面（其法线方向）与最大主应力方向夹角为。单结构面理论分析图2023/9/2482.莫尔应力圆3.结构面强度服从库仑准则4.沿结构面AB产生剪切破坏的条件：5.这是上两式的综合表达式，其物理含义是：当作用在岩体上的主应力值满足本方程时，结构面上的应力处于极限平衡状态。2023/9/2492023/9/250三、单结构面岩体的强度分析1.当时，；2.当时，；这就是说明当和时，试件不可能沿此结构面破坏，将会沿岩石内其他某个方向破坏。3.当时，主应力只要达到一定值就有可能沿此结构面破坏。4.求主应力的最小值的条件对求导，并令一阶导数为零，可得即此时的莫尔圆与结构面的强度包络线相切。2023/9/2515.当结构面角度变化时，其破坏主应力相应增大。但主应力增大达到一定值后，岩体并没有沿结构面破坏而是沿岩石的某一方向破坏，此时岩体的强度就等于岩石的强度。这时破坏面与的夹角应满足：2023/9/2522023/9/2536.下图中，为结构面的强度包络线；而为岩石的强度包络线，根据莫尔强度理论，若应力莫尔圆上的点落在强度包络线之下，则试件不会沿此截面破坏。即结构面与主应力的夹角满足下式时，就不会沿此结构面破坏。2023/9/254单结构面岩体强度分析2023/9/2557.的确定方法1）可通过作图法确定；2）可通过下列计算方法确定：根据上图，由正弦定律可得简化整理后可求得：同理可求得：2023/9/2568.当为定值时，岩体的承载强度与