第三章岩体力学问题

岩体强度及变形特征工程地质研究2、围岩强度及变形特征岩石强度岩块强度：岩块抵抗外力破坏的能力岩块破坏方式

脆性破坏塑性破坏(延性破坏）拉破坏剪切破坏单轴抗压强度单轴抗拉强度剪切强度三轴压缩强度受力状态2、围岩强度及变形特征力学性质

★岩石强度指标（抵抗破坏的能力）

►单向抗拉强度Ｒｔ﹤二向抗剪强度ＲＳ﹤单向抗压强度Ｒｃ﹤二向轴抗压强度Ｒ２ｃ﹤三向抗压强度Ｒ３ｃ。

►岩石变形指标（承受变形的能力）

包括：变形模量Ｅ、泊松比μ、峰值应变εＰ等。►完整性（节理、层理、裂隙发育程度）单轴抗压强度σc定义：在单向压缩条件下，岩块能承受的最大压应力，简称抗压强度（MPa）。

意义:

衡量岩块基本力学性质的重要指标

岩体工程分类、建立岩体破坏判据的重要指标

用来大致估算其他强度参数

测定方法：抗压强度试验2、围岩强度及变形特征试样pA点荷载试验

2、围岩强度及变形特征室内岩石力学参数测试仪器2、围岩强度及变形特征岩块常见破坏方式：拉破坏/剪破坏/对顶锥破坏2、围岩强度及变形特征常见岩石的抗压强度

岩石名称抗压强度（MPa）岩石名称抗压强度（MPa）岩石名称抗压强度（MPa）辉长岩180~300辉绿岩200~350页岩10~100花岗岩100~250玄武岩150~300砂岩20~200流纹岩180~300石英岩150~350砾岩10~150闪长岩100~250大理岩100~250板岩60~200安山岩100~250片麻岩50~200千枚岩、片岩10~100白云岩80~250灰岩20~2002、围岩强度及变形特征单轴抗拉强度σt定义：单向拉伸条件下，岩块能承受的最大拉应力，简称抗拉强度意义：衡量岩体力学性质的重要指标用来建立岩石强度判据，确定强度包络线选择建筑石材不可缺少的参数

测定方法：直接拉伸:是将圆柱状试件两端固定在材料试验机的拉伸夹具内，然后对试件施加轴向拉荷载至破坏

PtPt2、围岩强度及变形特征单轴抗拉强度σt测定方法：间接法（劈裂法、点荷载法、三点弯曲法）劈裂法:是用圆柱体或立方体试件，横置于压力机的承压板上，且在试件上、下承压面上各放一根垫条。然后以一定的加荷速率加压，直至试件破坏在线布荷载(p)作用下，沿试件竖直向直径平面内产生的近于均布的水平拉应力σx=2p/πDL在水平向直径平面内产生的压应力σy=6p/

DL抗拉强度σt=2pt

/πDL

（圆形试样）

σt=2pt

/πa2

（方形试样）2、围岩强度及变形特征点荷载试验是将试件放在点荷载仪中的球面压头间，加压至试件破坏，利用破坏荷载求岩块的点荷载强度。点荷载强度Is=pt/D2抗拉强度σt=kIs2、围岩强度及变形特征常见岩石的抗拉强度

岩石名称抗拉强度（MPa）岩石名称抗拉强度（MPa）岩石名称抗拉强度（MPa）辉长岩15~36花岗岩7~25页岩2~8辉绿岩15~35流纹岩15~30砂岩4~15玄武岩10~30闪长岩10~25砾岩2~15石英岩10~30安山岩10~20灰岩5~15大理岩7~20片麻岩5~20千枚岩、片岩1~10白云岩15~25板岩7~152、围岩强度及变形特征剪切强度

定义：在剪切荷载作用下，岩块抵抗剪切破坏的最大剪应力，称为剪切强度

抗剪断强度：指试件在一定的法向应力作用下，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力抗切强度：

指试件上的法向应力为零时，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力摩擦强度：

指试件在一定的法向应力作用下，沿已有破裂面（层面、节理等）再次剪切破坏时的最大剪应力剪切强度：是反映岩块的力学性质的重要指标，可用来估算岩体力学参数及建立强度判据

抗剪断强度的测试方法：直剪试验、变角板剪切试验、三轴试验

直剪试验在直剪仪上进行，按库仑定律求岩块的剪切强度参数C、φ值。2、围岩强度及变形特征2、围岩强度及变形特征变角板剪切试验是将立方体试件，置于变角板剪切夹具中加压直至试件沿预定的剪切面破坏。

2、围岩强度及变形特征三轴压缩强度定义：试件在三向压应力作用下能抵抗的最大的轴向应力。测定方法:在一定的围压σ3下，对试件进行三轴试验时，岩块的三轴压缩强度σcm(MPa)为：2、围岩强度及变形特征利用三轴试验确定抗剪强度根据一组试件(4个以上)试验得到的三轴压缩强度σcm和相应的σ3以及单轴抗拉强度σt。在σ-τ坐标系中可绘制出岩块的强度包络线。除顶点外，包络线上所有点的切线与σ轴的夹角及其在τ轴上的截距分别代表相应破坏面的内摩擦角(φ)和内聚力(C)。

2、围岩强度及变形特征莫尔应力圆及其强度参数关系2、围岩强度及变形特征岩石变形形式变形

弹性变形、塑性变形

弹性、塑性破坏

脆性破坏、塑性破坏脆性、塑性粘性、延性根据延性度对破坏形式的量化分类

延性度：岩石不可恢复的塑性变形在总变形量中的比例延性度≦3％：脆性破坏延性度≧5％：延性破坏延性度3％～5％：塑性破坏岩石变形特征2、围岩强度及变形特征峰值前变形阶段峰值后变形阶段

(-)

oABCDE

(+)

L

V

d

岩石应力－应变全过程的变形阶段破坏后阶段(DE)全过程曲线

前过程曲线破坏过程(CD)D点:峰值强度微裂隙稳定发展阶段－屈服过程(BC)C点:屈服强度空隙压密阶段(OA)弹性变形阶段(AB)B点:弹性极限2、围岩强度及变形特征弹性型弹-塑性型塑-弹性型塑-弹-塑性型1塑-弹-塑性型2弹性-蠕变型峰值前过程应力－应变曲线类型εσεσεσεσεσεσ2、围岩强度及变形特征o

L

i

i

Lo

2

50

1

i

1

50

2

iⅠⅡⅢ

c变形模量（modulusofdeformation)单轴压缩条件下的轴向应力与轴向应变之比应力-应变曲线为直线型时的变形模量又可称为弹性模量应力-应变曲线为非直线型情况下：

►初始模量(Ei)指曲线原点处的切线(Ⅰ)的斜率►切线模量(Et)指曲线上任一点处切线的斜率，通常取直线段(Ⅱ)的斜率►割线模量(Es)指曲线上任意点与原点连线的斜率，通常取σc／２处的点与原点连线(Ⅲ)的斜率2、围岩强度及变形特征泊松比(μ)（poisson`sratio）单轴压缩条件下横向应变εｄ与轴向应变εＬ之比：σε(+)εL2oεLεLsεL1εdεd1εdsεd2ε(-)σcσ2σ1σc/2泊松比是一弹性指标，表征材料弹性变形阶段轴向应变与径向应变的比值：，但为简便起见，实际工作中，常采用对应于比值来计算泊松比。变形模量和泊松比受岩石矿物组成、结构构造、风化程度、空隙性、含水率及荷载方向等多种因素影响，变化较大。2、围岩强度及变形特征岩性变形模量×104MPa泊松比岩性变形模量/×104MPa泊松比初始弹性初始弹性花岗岩2~65~100.2~0.3片麻岩1~81~100.22~0.35流纹岩2~85~100.1~0.25千枚岩、片岩0.2~51~80.2~0.4闪长岩7~107~150.1~0.3板岩2~52~80.2~0.3安山岩5~105~120.2~0.3页岩1~3.52~80.2~0.4辉长岩7~117~150.12~0.2砂岩0.5~81~100.2~0.3辉绿岩8~118~150.1~0.3砾岩0.5~82~80.2~0.3玄武岩6~106~120.1~0.35灰岩1~85~100.2~0.35石英岩6~206~200.1~0.25白云岩4~84~80.2~0.35大理岩1~91~90.2~0.35常见岩石的变形模量和泊松比2、围岩强度及变形特征岩石的蠕变性质流变：外部条件不变情况下，岩石的变形或应力随时间而变化的现象，主要包括蠕变、松弛。►蠕变(creep)：岩石在恒定的荷载作用下的变形随时间而增大

►蠕变曲线特征（三个阶段）AB段-初始蠕变阶段BC段-等速蠕变阶段CD段-加速蠕变阶段εⅠεpⅡtⅢAεoBPTCUQRVD2、围岩强度及变形特征影响蠕变的因素

岩性、应力、温度及湿度

2468101202468t(×104s)ε(×10-6)页岩砂岩花岗岩100508040150200t/hε(%)188.2ºC104.5ºC29ºCε(%)1.51.00.520406080100025(Mpa)30(Mpa)20.5(Mpa)18.1(Mpa)15(Mpa)12.5(Mpa)10(Mpa)t/d石膏石膏2、围岩强度及变形特征其他变形参数剪切模量（Ｇ）拉梅常数（λ）体积模量（ＫV)弹性抗力系数（Ｋ）2、围岩强度及变形特征循环加载卸荷点（P）的应力低于岩石的弹性极限(A)卸荷点（P）的应力高于岩石的弹性极限(A)2、围岩强度及变形特征反复加－卸荷疲劳破坏岩石记忆σmσm:疲劳强度2、围岩强度及变形特征围压对变形破坏的影响真三轴试验

1>2>3

常规三轴试验

1>2=3

2、围岩强度及变形特征岩石破坏前应变随

3增大而增大岩石的峰值强度随

3增大而增大岩石变形模量随

3增大而增大（软岩明显，致密硬岩不明显）岩石应变软化特征随

3增大而减弱2、围岩强度及变形特征岩石的塑性随

3增大而不断增大，当

3增大到一定值时，岩石由弹脆性转变为塑性，通常称此时的

3为“转化压力”

随

3的增大，岩块从脆性劈裂破坏逐渐向塑性剪切及塑性流动破坏方式过渡，岩石破坏后应力降随

3增大而降低2、围岩强度及变形特征岩石的脆性-延性转化性质

岩石在浅部表现为脆性，在深部则很可能转化为延性(ductile)。在实验中岩石的这种性质是随着围压的升高而发生的，往往存在一个“脆性-韧性转化临界围压”，对应到工程中实际上就是临界深度。

脆性力学响应韧性行为力学响应

(ductilebehavior)2、围岩强度及变形特征不同围压下砂岩脆性区、过渡区和韧性区的分布(B-Brittle;T-Transition;D-Ductile)(Kwasniewski,1989)2、围岩强度及变形特征YamaguchimarbleEffectofp,

2

and

3

(afterMogi,1973)2、围岩强度及变形特征1.脆性能或断裂韧度侧向应力控制的控制的破坏断裂生长破坏浅部开采条件下深部开采条件下2.动态破坏准静态破坏(quasi-static)(Cleary,1989)2、围岩强度及变形特征

在深部开采条件下:岩石强度更高;深部岩石的强度及变形具有更强的时间效应;与浅部岩石的变形性质相比，深度对岩石的破坏特性影响更加明显;深部岩石的孔隙率更低、密度更大.2、围岩强度及变形特征岩石的热-水力耦合性质►含水量是影响岩石力学行为的重要因素，在侧压10-20Mpa的条件下(相当于埋深400-800m)，