岩体力学-2岩体的变形与强度.ppt

岩体力学 2. 岩体变形与强度,主讲： 林 锋,2.岩体变形与强度,2.0 概述 2.1岩体的变形特征 2.1.1 试验方案 2.1.2 岩体的压力变形曲线类型 2.1.3 岩体的变形指标分析 2.1.4 岩体变形的结构效应 2.1.5 岩体动力变形特性 2.2 结构面及其力学性质 2.2.1 结构面的类型 2.2.2 结构面的自然特性 2.2.3 结构面的力学性质 2.3 岩体的强度 2.4 工程岩体的分级分类,2.岩体变形与强度,岩体的变形及破坏特征与完整岩石不同。 岩体的变形是结构体（岩块）材料变形和结构变形的总合，后者包括结构面闭合、充填物压密及结构体转动和滑动等变形。岩体的结构变形往往起控制作用。 岩体的变形与强度影响因素概述如下： （1）受力条件 （2）岩体本身特性及赋存条件的影响，具体如下： 组成岩体的岩石材料性质 岩体中结构面力学性质 岩体中结构面发育组合情况岩体结构类型 赋存环境，特别是水和地应力条件 尺寸效应,2.0 概述,2.岩体变形与强度,依据水利水电工程岩石试验规程（SL264-2001），岩体力学试验项目除前面提到的岩块物理力学试验，还包括以下项目： (1)岩体变形试验：承压板法，狭缝法、单（双）轴压缩法、钻孔径向加压法、隧道液压枕径向加压法、隧道水压法等，测量Ee、E、和抗力系数(K)等。 (2)岩体强度试验：混凝土与岩体接触面、结构面直剪、结构面直剪蠕变、岩体直剪、岩体三轴压缩、岩体载荷试验等。 (3)岩体应力测试：孔壁（或底）应变法、孔径变形法、水压致裂法、表面应变法等。 (4)岩石声波测试：岩块、岩体。 (5)工程岩体观测：如硐室收敛观测等。,2.0 概述,2.1岩体的变形特征,岩体变形控制量化分析的基础是正确获得岩体的变形破坏规律及相应的变形参数及强度参数。岩体变形参数需要通过岩体变形试验来获得。 岩体变形试验包括：承压板法，狭缝法、单（双）轴压缩法、钻孔径向加压法、隧道液压枕径向加压法、隧道水压法等。可以获得变形模量、弹性模量、泊松比等。 一、岩体变形试验分类 （一）按照施加荷载作用方向 (1)法向变形试验：承压板法、狭缝法、单双轴三轴压缩试验、环形试验等； (2)切向变形试验：倾斜剪切仪，挖试洞等。,2.1.0 概述,一、岩体变形试验分类 （二） 根据试验原理及方法 （1） 静力法：是在选定的岩体表面、槽壁或钻孔壁面施加法向荷载，并测量变形值，然后绘制压力变形关系曲线，计算岩体的变形参数。主要有：承压板法，钻孔变形法、狭缝法、单（双）轴压缩法、水压洞室法等； （2）动力法：是用人工方法对岩体发射弹性波（声波、超声波、地震波），并测定其在岩体中的传播速度。根据弹性波激发方法不同，分为声波法、超声波法、地震波法等。 目前，应用最广的是承压板法和动力法。,2.1.0 概述,2.1 岩体的变形特征,2.1.0 概述 2.1.1 试验方案 2.1.2 岩体的压力变形曲线类型 2.1.3 岩体的变形指标分析 2.1.4 岩体变形的结构效应 2.1.5 岩体动力变形特性,2.1岩体的变形特征,承压板法试验可分为刚性承压板法和柔性承压板法。 柔性承压板法又可分为双枕法、四枕法、环形枕法和中心孔法。 刚性承压板法适用于各级岩体；柔性承压板法适用于完整和较完整的岩体。 试验宜在平洞内进行，特殊情况下也可在露天或竖井内进行。 试点受力方向宜与工程岩体实际受力方向一致。,2.1.1 试验方案,2.1.1 试验方案,（1）试点边缘至洞壁边缘距离应大于承压板直径D（边长）的1.5倍，至洞口或掌子面距离应大于2D，至临空面距离应大于6D。试点间距应大于3D； （2）试点表面以下3倍承压板直径或边长范围内的岩性宜相同； （3）试点表层受扰动岩体清除干净 （4）承压面应凿平整，并用砂轮打磨，起伏差应小于D1%；承压面以外1.5D范围内岩体表面应平整，无松动块石。 （5）承压面积不宜小于2000cm2。 （6）清洗试点表面，铺垫一层水泥浆，使承压板平行试点表面，水泥浆厚度应小于D1%。,（一）打点和贴板,（3）安装千斤顶 及传力柱,（4）安装百分表和 压力泵,2.1.1 试验方案,（二）刚性承压板法试验加压系统与传力系统安装。 应符合下列规定： （1）承压板应满足刚度要求，单块承压板厚度不宜小于6c。，可采用叠置钢垫板或传力箱的方式提高刚度； （2）在承压板上依次安装千斤顶、钢垫板、传力柱、钢垫板，在钢垫板和岩体间填筑砂浆或安装反力装置； （3）施压使整个系统接触紧密； （4）整个系统应具有足够刚度和强度，所有部件中心应保持在同一轴线上，轴线应与加压方向一致。 试验记录应包括工程名称、岩石名称、试点编号、试点位置、试验方法、试点描述、测表布置、测表编号、压力表编号、承压板尺寸、压力变形、试验人员、试验日期。,2.1.1 试验方案,（1）试验最大压力不宜小于工程设计压力的1.2倍，宜等分5级施加； （2）加压前应对测表进行初始稳定读数观测，每隔10 min同时测读各测表一次，连续三次读数不变后开始加压； （3）加压方式宜采用逐级一次循环法。根据需要可采用逐级多次循环法或大循环法；,（三）压力设计及应力路径,每级压力加压或退压后应立即读数，以后每隔10min读数一次，当所有测表相邻两次读数差与同级压力下第一次读数和前一级压力下最后一次读数差之比小于5%时，即可施加或退至下一级压力。退压稳定标准与加压相同。,（四）进度控制,2.1.1 试验方案,（1） 刚性承压板法试验应采用板上4个测表的变形平均值作为岩体变形值；当其中一个测表失效时，可采用另外三个测表（变形均匀时）或另一对称的两个测表（变形不均匀时）的平均值作为变形值，并予以说明。 （2）绘制压力P与变形W之间的关系曲线，分析曲线类型并确定变形值。,（五）绘制PW曲线,2.1.2 岩体的压力变形曲线类型 岩体压力变形曲线分为4类: （1）直线型A型； （2）上凹形B型 （3）上凸形C型； （4）复合型,2.1.2 岩体的压力变形曲线类型,（1）直线型A型 p=f(W)=KW ， dp/dW =K（常数），为经过原点的直线，岩性均匀（包括裂隙分布均匀）的岩体，多为这种：根据曲线斜率和加压退压曲线，可以分为2个亚类。 陡直线型(A-1型)：曲线斜率陡，岩体刚度大；退压后岩体变形几乎可完全恢复；表明岩体较完整、坚硬，致密均匀。, 缓直线型(A-2型)：曲线斜率缓，岩体刚度很低。退压后岩体变形有明显的不可恢复变形和回滞环。表明岩体结构疏松、破碎，但裂隙分布比较均匀。,（2）上凹形B型 p=f(W)， dp/dW随着P增加而增大，层状及节理岩体具有这种类型，根据加压及退压曲线，可以分为2个亚类。 B-1型： 每次加压曲线的斜率随加、退压循环次数增加逐渐变大，即岩体刚度在增大； 各退压曲线比较缓，且相互近于平行，岩体弹性变形较大。 岩体特征：层状和似层状岩体。垂直层面方向加压。 B-2型： 加压曲线斜率不断变大，岩体的刚度在增加；,各退荷曲线很陡，退荷后大部分变形不可恢复。 岩体特征：节理岩体。节理面与加压方向夹角较小，结构体在压力作用下，产生楔入效应，退压后变形难以恢复。,（3）上凸形C型 p=f(W)， dp/dW随着P增加而减小。 岩体特征： 节理裂隙很发育，且具有泥质充填； 岩石性质软弱（如泥岩、风化岩）； 岩体较深处埋藏有软弱夹层。,2.1.2 岩体的压力变形曲线类型,（4）复合型 PW曲线为阶梯状或S型。 岩体特征：岩体中裂隙发育不均。,注意： （1）岩体受力时的力学行为十分复杂，它包括：岩石的压密、节理裂隙的闭合、岩块沿节理的移动、转动，同时，岩体受压的边界条件又随压力的增大而改变（受压层深度随p增大而加深），因此，当岩体结构不均时，其压力变形曲线出现各种复杂的形状是不奇怪的，必须以正确的概念来解释各种曲线所代表的物理含义，从而弄清岩体的变形机理。 （2）岩体同样具有弹性、塑性、粘性特性，其相应物理力学指标的确定同岩石的这些指标的确定是一样的。,2.1.2 岩体的压力变形曲线类型,将加载面及加载体视为半无限体，则计算公式如下：,变形模量：,弹性模量:,式中，E0 为变形模量，MPa，E 为弹性模量，MPa，p为承压板单位面积上的压力，MPa；D为承压板的边长或直径。 为与承压板形状和刚度有关的系数,圆形板为0.785,方形板为0.866； W0为相应于压力p下的总变形量， We为相应于p压力下岩体的弹性变形。 需要根据其它方法结果综合确定。,2.1.3 岩体的变形指标分析,2.1.4 岩体变形的结构效应,研究岩体中结构面的方向、性质、密度和组合方式对岩体变形的影响。,（一）结构面方向的影响 岩体的变形因结构面与力作用方向之间角度的不同而不同，导致岩体变形表现为各向异性，特别表现在岩体中结构面组数较少时（12组）。 变形最大方向为垂直结构面方向，最小方向为平行结构面方向；虽然总变形曲线和弹性变形曲线形状相似，但两者的比值却因方向而异。, 在变形最大方向，塑性变形量显著，显示结构面的压密明显；在变形最小方向，弹性变形量几乎与总变形量相同，岩体变形主要为岩石材料的变形。,2.1.4 岩体变形的结构效应,（二）结构面性质的影响 结构面的性质主要指：张开程度、充填程度、充填物等。 结构面性质影响显著。 以发育一组裂隙的片麻岩（裂隙和片麻理方位不一致）中洞室径向变形为例，灌浆前，在低压力（0.40.9MPa）时， 主要沿裂隙法向变形；在较高压力（1.92.4MPa）时，则沿片麻理法向变形最大。 灌浆后，灌浆消除了裂隙法向变形，对片麻理影响甚微。,对于较完整岩体，随着RQD降低，模量降低系数近似线性减小。 岩体的完整性系数 较低时，模量比较低，且变化不大；I 值较高时，随着 I 值增加，模量比以线性关系迅速增大。,（三）结构面密度的影响 反映结构面密度的指标主要有线（面、体）裂隙率、岩体质量指标RQD，岩体的完整性系数等。,2.1.4 岩体变形的结构效应,（四）结构面组合关系的影响 岩体中存在两组以上节理时，结构面排列组合方式不同，对岩体变形性质有相当大的影响： 孙广忠等对 对缝式组合、错缝式组合岩体进行了研究，比尔（Beer）对斜缝式组合进行了研究。当然，实际岩体中总有两组以上结构面，其组合方式也千差万别。,2.1.5 岩体动力变形特性,岩体的动力特性：是岩体在动荷载作用下所表现出来的性质，包括岩体中弹性波的传播规律及岩体动力变形性质与强度性质。 岩体的动力性质研究用于： （1）岩体的动力稳定性评价； （2）分析岩体结构特征，如完整性，卸荷松弛特征，不连续面及其展布等； （3）岩体的部分物理力学参数测试。 本节： （1）岩体中弹性波的传播规律 （2）岩体中弹性波速的测定 （3）岩体的动力变形参数,2.1.5 岩体动力变形特性,当岩体受到振动、冲击或爆破作用时，各种不同动力特性的应力波将在岩体中传播。当应力值较高时（相对岩体强度），岩体中可能出现塑性波和冲击波；当应力值较低时，则只产生弹性波。 弹性波的传播速度比塑性波大，且传播距离远。因此，也称弹性波的传播为声波的传播。 体波（body wave）：在岩体内部传播的声波称为体波。又可以分为纵波（P波，压缩波）和横波（S波，剪切波）。VpVs（理论上为1.7倍）。 纵波：是通过介质的体积变化即挤压和拉伸传播的，在固液气态介质中均可传播，速度最快。 横波的震动方向与传播方向垂直，通过介质的形态变化而实现，又称作剪切波，只在固体中传播，速度较慢。,一、岩体中弹性波的传播规律,2.1.5 岩体动力变形特性,面波（L波）：沿岩体表面或岩体内不连续面传播的弹性波。可以分为瑞利波（R波）、勒夫波（Q波）。 瑞利波(R波，RayIeigh WaVe )：质点在垂直于传播方向的垂直平面内作椭圆运动，长轴垂直地面。 勒夫波(Q波，LoVe WaVe )：在地平面上作蛇形运动，质点在水平面内垂直于波前进方向作水平振动。,一、岩体中弹性波的传播规律,根据波动理论，传播于连续、均质、各向同性弹性介质中的纵波Vp和横波速度Vs为：,式中： Ed为动弹性模量，d为动泊松比，为介质密度,2.1.5 岩体动力变形特性,现场通常采用 声波法 和 地震法。声波法也可以用于室内测定岩块试件的纵、横波速度。 声波法用于室内测试时，为提高测量精度，应使用高频换能器，其频率范围可采用50kHz1.5MHz。,二、岩体中弹性波速度的测定,纵波速度；,横波速度。,D 声波发射点之间的距离。,纵波传播时间；,横波传播时间。,2.1.5 岩体动力变形特性,主要有动弹性模量Ed ，动泊松比d ，动剪切模量Gd。,三、岩体的动力变形参数,式中，Vmp，Vms岩体中纵波、横波速度。 优点：不扰动岩体的天然结构和应力状态； 方法简单、省时省力； 可以在岩体中各个部位进行测量。,2.1.5 岩体动力变形特性,岩体和岩石的动弹性模量Ed静弹性模量Eme。两者的比值： 坚硬完整岩体： Ed/Eme=1.22.0； 风化、裂隙发育的岩体和软弱岩体：一般，Ed/Eme= 1.5 10.0，最大可以达到20。 原因分析： （1）静力法采用的最大应力大部分在1.010Mpa，甚至更大，变形达mm级，有塑性变形；动力法的作用应力约为10-4 Mpa，引起的变形量微小，一般无塑性变形。 （2）静力法持续作用时间长；加载速率两者差异明显。 （3）静力法扰动了岩体的天然结构和应力状态。 两者的换算关系，应针对具体工程岩体进行研究。,四、岩体动静关系分析,2.2 结构面及其力学性质,岩体内存在性质、规模、产状等不同的各种结构面。 岩体内的结构面及它控制下形成的岩体结构控制着岩体的变形破坏机制及力学法则。 可以根据多种因素进行类型划分： （1）根据结构面成因 原生结构面，构造结构面，浅表生结构面。 （2）根据结构面接触特征 软弱结构面，坚硬结构面（硬性结构面）。 （3）结构面综合分级 主要考虑结构面的延伸规模、性状、成因类型和结构面空间方位及其与工程的关系等。,2.2.1 结构面的类型,一、结构面按照成因分类 原生结构面，构造结构面，浅表生结构面（次生结构面） （1）原生结构面：主要指在岩体形成过程中形成形成的结构面和构造面。如玄武岩中的柱状节理；沉积岩中的层理面、不整合面；变质岩中的片理、片麻理构造面等。除岩浆岩中的原生节理面，一般多为非开裂式的，即结构面内存在有大小不等的粘结力。,（2）构造结构面：是在建造基础上，由构造运动产生的各种破裂面，如断层、节理及劈理等。同期构造运动形成的结构面间有一定的内在联系。在野外工作中，要根据构造形迹，鉴别出它的力学成因类型，形成期序和体系，做出分期配套。这对于掌握各组结构面在岩体内空间分布及组合规律具有指导意义。,（3）浅表生结构面（次生结构面）：指在外营力作用下产生的风化裂隙及卸荷裂隙等。多为张裂隙，结构面不起伏粗糙，可改造已有结构面或为新生裂隙。分布在临空面附近一定范围内，且其产状与临空面有一定关系。,二、 结构面按照接触特征分类 （1）软弱结构面：夹有一定厚度的软弱物质，如断层破碎带、层间错动面，挤压面、挤压带，或充填足够厚度次生泥的张裂隙、泥化夹层等。可以进一步分为原生软弱夹层，构造软弱夹层和次生软弱夹层。 （2）坚硬结构面（硬性结构面、无冲填结构面）：多数为干净的，也有夹硬碎屑的。 结构面中的充填物质如果是硅质、铁质、钙质以及岩脉（如石英脉）等，则结构面强度常常很高，一般可不作为结构面考虑。 实际工程中，分类更细，如小湾分类方案为： （1）无充填节理； （2）有少量泥、绿泥石、高岭石膜充填节理； （3）岩屑夹泥型； （4）泥夹岩屑型,2.2.1 结构面的类型,岩体内，结构面的规模差别很大；而不同规模的结构面，其性状也会差别明显。所以不同规模的结构面在岩体稳定性分析中所处的地位是不同的。 进行结构面分级，有助于在实际工作中区别主次，并可抓住起主导作用的结构面重点关注。 由于各具体工程特点、工程地质条件的差异，目前对于结构面的分级方案较多。这些分级方案 既有一定的共性，也因地质条件及工程特点不同，存在一定差异。 总体上看，在结构面的分级时，一般考虑这些因素： （1）结构面的延伸规模，这是最主要的； （2）结构面的性状； （3）结构面的成因类型； （4）结构面空间方位及其与工程的关系等,三、结构面综合分级,2.2.1 结构面的类型,工程地质分析原理给出了三级分级方案： （1）贯通性宏观软弱面：连续或近似连续，有确定的延伸方向，可有一定厚度或影响带。如层面、软弱夹层、断层面或断层破碎带，贯通性表生结构面。控制岩体变形破坏演化方向。 （）显现结构面：硬性结构面，随机断续分布，延伸长度米级或数十米，具有统计优势方向。现场可以测定。各类原生结构面和构造裂隙，表生破裂结构面。一般可以称为基体裂隙。 （）隐微结构面：短小闭合，长度从毫米级至厘米级，随机分布，具有统计优势方向。手标本及镜下鉴定。岩石中的隐微结构面。 该分类方案中“贯通性宏观软弱面”，较为笼统。,2.2.1 结构面的类型,三、结构面综合分级,岩体结构力学（孙广忠）中将结构面划分为5级,三、结构面综合分级,2.2.1 结构面的类型,2.2 结构面及其力学性质,2.2.1 结构面的类型 2.2.2 结构面的自然特性 2.2.2.1 结构面的结合状态及其充填物质 2.2.2.2 结构面的几何形态（或形态特征） 2.2.2.3 结构面的空间分布 2.2.2.4 结构面两侧岩性及其差异 2.2.3 结构面的力学性质 2.2.3.1 无充填结构面 2.2.3.2 充填的结构面 2.2.3.3 复合结构面 2.2.3.4 未贯通断续结构面,2.2.2 结构面的自然特性,结构面的自然特性是指结构面的现状特征。 对结构面力学性质产生重要影响的自然特性主要有以下四点： 结构面的结合状态及其充填物质； 结构面的几何形态：结构面的平整、光滑和粗糙程度； 结构面的空间分布； 结构面两侧岩性及其差异等。 结构面成因复杂，后期又经历了不同性质、不同时期的构造改造和浅表生改造。结构面目前状态，是工程地质环境演化的结果，也是其发展变化的起点。因此，只有对结构面现状即自然特性有深刻认识，才能正确掌握结构面的物理力学性质，并进而分析岩体变形及破坏规律。,据此，可分为刚性结构面和软弱结构面两类。 （1）无充填结构面，也称为刚性结构面、 结构面干净无充填，或夹少量硬碎屑；或为后期岩脉所充填（非破碎接触），其抗剪强度取决于结构面的形态，起伏差、光滑粗糙程度和两侧岩块的性质等。 （2）软弱结构面 软弱结构面的力学性质主要与充填物的成分、结构、厚度、风化、起伏、地下水以及两侧岩性等有关。 充填结构面性状千差万别，对具体工程，应根据区内结构面发育特征，进行具体的类别划分。,2.2.2.1 结构面的结合状态及其充填物质,对软弱结构面进一步工程分类，首先根据大小将充填物分为岩块、砾、岩屑、泥四类。其中， 岩块：（60mm）； 砾：(粗砾：6020mm，中砾：205mm，细砾：52mm) ； 岩屑：（20.075mm）； 泥：(90% 含砾块型：岩块含量70%，砾含量90% 含屑砾型：砾含量70%，岩屑含量90% 岩屑夹型 等,2.2.2.1 结构面的结合状态及其充填物质,（3）结构面的张开特征及结合程度分类 结构面的张开度：指结构面裂口开口处张开的程度。 结构面的张开度可以说明岩体的“松散度”和岩体的水力学特征。张开裂隙是地下水的良好通道。 1） 张开程度 很密闭，张开度小于0.1mm; 密闭，张开度在0.11mm之间； 中等张开，张开度在15mm之间； 张开，张开度大于5mm。 锦屏水电工程张开程度： a. 闭合，张开度0.5mm； b. 微张，张开度0.55.0mm； c. 张开，张开度550mm； d. 宽张，张开度50mm。,2.2.2.1 结构面的结合状态及其充填物质,（3）结构面的张开特征及结合程度分类 2）结合程度 根据结构面的张开和充填特征，对结构面结合程度可进行如下划分。,2.2.2.1 结构面的结合状态及其充填物质,3）结合程度可细分为胶结程度和密实程度,胶结程度： 好：一般为硅质胶结或硅化胶结、铁质胶结（褐铁矿、黄铁矿）、绿帘石等。 较好：一般为完整方解石脉胶结。 中等：局部方解石脉或方解石团块胶结。 差：胶结物为岩屑、粉或少量钙质，片状绿泥石。 密实程度： 密实：胶结较好，紧密，片理闭合。 中密：胶结中等（钙质或方解石脉），但有局部的空区 疏松：胶结中等，呈架空状 松散：胶结差，呈三体状。,结构面在空间展布的几何属性称为结构面的形态，包括结构面的平整、光滑和粗糙程度。可以归纳为下列四种： （1）平直型； （2）波浪型（波状起伏）： （3）锯齿型（曲折型） ：（4）台阶型： 现分述如下： （1）平直型 多为基体裂隙。影响其强度的因素：粗糙度，侧壁岩性及风化程度等。 粗糙度：反映面上普遍的微量的凹凸不平的状态，是面的微量咬合，稍有位移，则有无数的点接触。 光滑度和粗糙度是同一个问题的两个侧面。 根据粗糙度，可以将结构面分为五级： 极粗糙，粗糙， 一般，光滑，镜面。,2.2.2.2 结构面的几何形态（或形态特征）,2.2.2.2 结构面的几何形态（或形态特征）,（2）波浪型（波状起伏）：规则起伏、粗糙程度； （3）锯齿型（曲折型） ：规则、不规则起伏、粗糙程度； （4）台阶型：主要取决于岩石的力学性质和起伏特征。,规则起伏描述指标： 起伏差（度）和爬坡角（或起伏角），是衡量结构面总体起伏的程度，说明岩块间是面的吻合接触。 一般通过测量一级突起（凹凸）来确定：在平均值的基础上，考虑一定安全系数。 不规则起伏： 可用剪胀角描述。,结构面的分布状况：大体上包括： （1）结构面的产状及其变化；（2）结构面的延展性； （3）结构面发育的密度； （4）结构面的组数； （5）结构面的空间组合关系等。,2.2.2.3 结构面的空间分布,2.2.2 结构面的自然特性,一、结构面的产状（即方位）及其变化 产状分析方法及步骤： （1）系统测量产状，常用路线精测法； （2）产状分析：赤平投影分析，极点等密图，直方图，玫瑰花图等。进行结构面分组，给出各组结构面产状变化范围。 （3）综合分析：各组结构面产状空间变化特征。,二、结构面的延展性 是指结构面在某一方向上的连续性。相对于岩体尺寸，可以分为三种型式：非贯通性的，半贯通的，贯通性的。 对岩体中各组结构面，连续性描述主要包括： （1）结构面的迹长：各组间不同， 迹长变化特征； （2）结构面的连通率：结构面的组合效应，可以统称为未贯通断续结构面。包括面连通率和线连通率。 线连通率：在结构面展布平面内，沿统计方向上结构面长度所占的平均比例。 面连通率：在结构面展布平面内，结构面面积占统计面积的平均比例。 结构面之间 的岩体称为岩桥。,2.2.2.3 结构面的空间分布,（1）连通率的计算公式 由未贯通断续结构面构成潜在控制性边界时，其抗剪能力取决于结构面和岩桥的相对比例，即结构面的连通率，严格说来是结构面的面连通率。 连通率计算公式如下：,式中：Li 结构面的迹长（线连通率）或者面积（面连通率） ； L 测量线长度或测量面面积。 实际上，潜在控制边界并非一理想的平面，一定厚度范围的结构面都对其抗剪强度产生影响。现场调查时，一般取1.52m宽度，统计分析宽度一般为1m。,（2）连通率测量与分析,连通率的测量方法有两种： 1）概率统计分析法，基于统计样本，分析结构面空间分布特征（函数）（如正态分布、威布尔分布等），计算统计特征值（如均值、方差等）；然后采用蒙特卡洛模拟等方法，模拟出结构面空间分布图；在该图上，取一定带宽分析连通率。 2）全迹长测量法：布置足够长度的测线，在一定带宽内（一般1.52m）测量所有同组裂隙，并分析连通率（分析带宽一般为1m）。 全迹长测量法工作步骤如下：,（1）选定典型的测面布置测线，测量1.52m带宽内的所有同组结构面（迹长30cm ）。 测量测线与结构面之间垂直距离。 （2）选定带宽（一般取1m带宽），将带内所有结构面投影到一个测线（面）上，投影结构面占总测线长度即为连通率。取最大值。 （3）由于测线长度有限，为了使得测量连通率具有代表性，需要多条测线。然后按照面积或长度加权平均。,是指结构面发育的程度。常用线（面）裂隙率，体积节理数，间距，RQD、岩体的完整性系数，岩石块度指标(RBI) 等来衡量。 线裂隙率：单位长度测线上裂隙的条数。 体积节理数Jv：单位体积岩体内的节理条数。 间距：同组结构面的法向平均距离，其倒数为该组结构面的线密度。 岩石(体) 质量指标（RQD）rock quality designation ：用直径为75mm的金刚石钻头和双层岩芯管在岩石中钻进，连续取芯，回次钻进所取岩芯中，长度大于10cm的岩芯段长度之和与该回次进尺的比值，以百分比表示。是迪尔1964年提出的。,三、结构面的密度,（1）结构面两侧均为坚硬岩石时反映不突出。 （2）结构面两侧岩块软硬相对时，受力后的滑移不一定完全沿层面发生，有时产生于层面附近的软岩，有时则产生于软岩内部。 （3）结构面两侧均为软岩层，而充填物可能被后期次生淋滤作用所胶结，或沿层面后期贯入的或淋滤沉淀的岩脉所充填。在这些情况下，岩体受载后不一定沿结构面优先破坏，而是在软岩内产生破裂。 （4）结构面两侧均为坚硬岩块，但是当岩块中临近结构面部分，存在斜交或近平行结构面的微裂隙，岩体受力后就有可能沿这些微结构面产生局部的破坏，使滑移面呈凹凸不平。如此过程，自然对结构面抗剪强度是有益的，这不仅因为滑移面的粗糙度增高，而且包括了局部的岩石抗剪断强度。,2.2.2.4 结构面两侧岩性及其差异,2.2.2 结构面的自然特性,对以下四类结构面强度进行分析： （1）无充填结构面 （2）充填的结构面 （3）复合面结构 （4）未贯通断续结构面,2.2.3 结构面的力学性质,2.2.3.1 无充填结构面 根据结构面粗糙度，将无充填结构面分为两类： （1）平直光滑无充填 （2）粗糙起伏无充填： 规则起伏的结构面 不规则起伏的粗糙结构面,（1）平直光滑无充填结构面 在法向力或围压较低的情况下，其剪应力剪切位移曲线特征为：剪应力随剪切位移增长至最大后保持不变，剪切峰值强度等于残余强度；垂向位移大体为零，不发生压缩或剪胀。 干湿状态对摩擦角的影响大于两壁岩石中矿物成分的影响，非磨光面情况，湿面摩擦角较小。 高围压条件下，结构面剪切过程中常呈现粘滑振荡运动方式。,2.2.3.1 无充填结构面,什么是粘滑振荡？ 粘滑振荡：也称粘滑（教材称为滞滑）：在剪切过程中，剪应力和剪位移不是总稳定变化，剪应力时常出现断续的张弛，剪位移时常发生急跃。,对于粘滑机制的认识： 霍尔金斯（Hoskins）认为，对于光滑结构面，主要原因在于动静摩擦不同，静摩擦大于动摩擦； 拜尔利（J. D. Byerlee）认为， 较粗糙的裂面上：裂面嵌合接触条件下，凸起体的剪断、刻槽导致阻抗力突然下降。 肖尔茨（C. H. Scholz）提出了凸起体蠕动机制，即剪切停止时，凸起体嵌入相对的结构面中，接触面积增加。继续加力使滑动开始，接触面积减小，导致摩阻力突然减小。,2.2.3.1 无充填结构面, 规则起伏的结构面 在抗剪分析时，当正应力不是很大时，应考虑结构面总体起伏而导致的抗剪能力增强。原因是当正应力较小时，滑动过程中突起不会被剪断，剪切滑动产生爬坡现象。 帕顿和戈尔茨坦引进了理想化的石膏模型，论述了规则起伏抗剪机理。当正应力较小时，在剪应力作用下，剪切滑动沿齿面进行，并导致结构面产生法向的张开，岩体产生法向膨胀,即剪胀。,（2）粗糙起伏无充填结构面,剪胀：沿结构面滑动时，由于结构面起伏导致爬坡效应，使得结构面张开，岩体发生体积膨胀现象。也可以把剪切过程中产生的法向张开位移分量称为“剪胀” 。 但是当正应力较大，能够将所有凸起剪断，则结构面的抗剪强度不再取决于锯齿面的摩擦阻力，而是由两壁岩石的抗剪强度来决定。,式中， j为结构面基本摩擦角，用平直型面作试验求取，一般在2140。 当正应力水平较高时，凸起体会被剪断，而无剪胀效应，此时，结构面的抗剪强度为：,上述两式就是帕顿提出的双线型模型。,（2）粗糙起伏无充填结构面,当正应力水平较小时，帕顿和戈尔茨坦对得到理想化的石膏模型抗剪强度为：, 规则起伏的结构面, 规则起伏的结构面， 一般情况下，因结构面粗糙，C总是0。这样，当正应力不是很大时，结构面的抗剪强度仍然按照下式计算：,式中，为基本摩擦角，i 为 起伏角（爬坡角）。 当正应力很大时，突起体会被剪断，进一步增大c值。,（2）粗糙起伏无充填结构面,不规则起伏的粗糙结构面， （A）起伏特征描述 N. R. Barton用剪胀角n来描述起伏特征：,式中， V剪胀量（法向位移量）；u切向位移量。,但剪胀角不是一个常数，主要决定于结构面的粗糙度，结构面上正应力的大小，以及结构面两壁岩石强度等三个因素。 Barton研究了正应力和两壁岩石抗压强度c与剪胀角n的影响，得到：,（2）粗糙起伏无充填结构面,（B）粗糙特征描述 Barton对结构面的粗糙程度采用粗糙度系数JRC来描述，他将结构面粗糙程度划分为20级，并归纳出10个典型剖面，用来确定JRC值。,充填的结构面包括充填的节理和软弱夹层。 充填结构面的力学强度主要与下列因素有关： 充填物的物质组成 结构特征 充填程度及厚度 含水量等,2.2.3.2 充填的结构面,2.2.3 结构面的力学性质,（1）物质成分的影响 充填夹层按照颗粒成分可以分为：泥化夹层和夹泥层、碎屑夹泥层、碎屑夹层等。厚度0.120cm。 夹层颗粒组成的影响表现：抗剪强度随夹层内粘土含量增加而降低，随碎屑成分增加、颗粒的增大而增加。 夹层中粒度的大小和分布是控制泥化夹层变形和强度的主要因素，其粒度成分在空间分布的不均匀性导致泥化夹层力学性质空间分布的不均匀性。,2.2.3.2 充填的结构面,（2）充填物结构的影响 以构造泥化夹层的研究成果为例。 泥化夹层系指岩体中软弱岩层在层间错动与地下水的长期物理化学作用下所形成的结构疏松、颗粒大小不均、多呈定向排列、颗粒连接微弱的特殊软弱层。 泥化带结构对强度的影响： 泥化带内粘土团粒之间连接微弱，在外力作用下易于屈服； 沿泥化错动面剪切，其强度接近或等于残余强度。,（3）充填程度及厚度的影响 结构面的充填程度可用结构面内充填物质厚度d与起伏差h之比表示，d/h称为充填度。, 一般情况下，充填度与结构面力学强度成反比； 对于平直无起伏差的结构面，结构面强度随着夹泥厚度增加以速率递减方式迅速减小，在某一临界厚度以后，强度变化很小。对粘土质夹泥层来说，其临界厚度大约为0.52mm。,2.2.3.2 充填的结构面,2.2.3.3 复合结构面 自然界中，复合结构面也很常见。 复合面结构：指由两组以上的结构面组成的。,由未贯通断续结构面构成的控制性边界，控制性边界的综合抗剪强度取决于结构面和岩桥的强度及连通率，计算公式如下：,2.2.3.4 未贯通断续结构面,2.2.3 结构面的力学性质,式中：Ci、fi 分为结构面的咬合力和摩擦系数； Cm、fm 分为岩桥的内聚力和摩擦系数； n 连通率。,2.岩体变形与强度,2.1岩体的变形特征 2.2 结构面及其力学性质 2.3 岩体的强度 2.3.1 岩体强度分析 2.3.2 结构面对岩体强度的影响分析 2.3.3 岩体的本构方程简介 2.3.3.1 岩体基本性质的力学模型 2.3.3.2 岩体常见力学模型及本构方程 2.4 工程岩体的分级分类,2.3 岩体的强度,一、概述 岩体的强度是指岩体抵抗外力破坏的能力。同岩石一样，有抗压强度、岩体的强度研究，大体上可分为以下几种情况: （1）完整岩体，即岩石的强度； （2）存在控制性结构面，岩体的变形破坏则主要由该结构面控制； （3）节理化岩体：结构面多，但不存在控制性结构面。 节理化岩体：岩体中存在多组结构面，被切割破碎，但岩体的破坏不完全受某条结构面控制。显然，其强度一方面受岩石材料性质的影响，另一方面，取决于岩块的活动自由度。岩块的活动自由度受结构面特征（数量、方向、间距、性质等）和赋存条件（地应力、水、温度等）的控制。,2.3.1 岩体强度分析,二、对节理化岩体强度的主要认识 对节理化岩体强度的认识主要有： （1）破坏方式: 因岩体结构面组合及受力状态不同而不同： 轴向劈裂：在具有高角度结构面和低围压情况。 沿结构面滑动破坏 切穿岩石材料：多在高围压情况下，形成共轭剪切破坏。 复合破坏：部分沿结构面，部分沿岩石材料。 松胀破坏，裂隙组数较多，围压很低情况。 （2） 岩体强度介于岩石材料和岩体中最弱结构面之间。 （3） 围压对节理化岩体强度的影响 围压的大小，影响岩体破坏方式； 岩体抗剪强度随围压增大而增大，但低围压时增长较快。 围压增加，岩体中结构面力学效应逐渐减小； 变形模量随围压增高而显著增加。,2.3.1 岩体强度分析,三、岩体强度的确定方法 主要有：试验确定法和经验估算法。 （一）试验确定法 是指在现场原位切割较大尺寸试件进行单轴压缩、三轴压缩和抗剪强度试验。 为了保持岩体的原有力学条件，在试块附近不能爆破，只能使用钻机、风镐等机械破碎，根据设计的尺寸，凿出所需要的试体。一般试体为边长0.51.5m的立方体。 加载设备用千斤顶和液压枕（扁千斤顶）。,（二）经验估算法,原位试验费时费钱，难以大量进行。如何根据地质资料及小试块室内试验资料，对岩体强度做出合理估算是岩体力学中要的研究课题。,2.3.1 岩体强度分析,一、结构面产状（方位）的强度效应 二、结构面密度对岩体强度的影响 三、结构面起伏粗糙情况对岩体强度的影响 四、结构面内充水对岩体强度的影响,2.3.2 结构面对岩体强度的影响分析,2.3 岩体的强度,结构面与(最大)应力之间方位不同，岩体强度不同： 岩块破坏，沿结构面破坏和复合破坏。 判据？ 解题思路：首先求结构面的发向力和切向力，然后判断。,2.3.2 结构面对岩体强度的影响分析,一、结构面产状（方位）的强度效应,二、结构面密度对岩体强度的影响,表征结构面密度的指标？ 主要结论： 其它条件相同，岩体内结构面数量越多，密度越大，其变形也越大，同时强度也越低；,岩体的强度不会因为结构面密度增大而无限降低。因此，结构面密度的临界值确定对于确定岩体试件尺寸意义重大，但它围压等因素有关。,三、结构面起伏粗糙情况对岩体强度的影响,结构面起伏粗糙情况影响结构面的强度，从而也会影响岩体的强度。,水的影响包括两个方面： （1）润滑、软化作用，降低结构面的强度； （2）水压力，可减小结构面的正应力，从而降低岩体的强度。有效应力原理。 增大水压力，减小了正应力，可能会导致结构面强度不足。临界水压力的计算步骤： （1）根据岩体应力状态，确定结构面的有效应力； （2）以水压力为变量，减小正应力，代入摩尔库仑强度方程，按照极限平衡状态，求解临界水压力值。,四、结构面内充水对岩体强度的影响,2.3.3 岩体的本构方程简介,本构关系：材料应力、应变、时间和强度之间的内在关系。它是进行材料变形及破坏问题力学分析的基础。 试验研究表明，岩石和岩体都具有弹性、塑性和粘性性质。但岩体中由于结构面的存在，其力学性质更复杂。 岩体本构关系关系的建立方法： （1）曲线拟合法， （2）力学模型分析法 本节主要介绍介绍线弹性模型和弹塑性模型。,岩体具有弹性、塑性和粘性特性，其相应的力学模型分别是弹性固体（胡克体（Hooke）、 H体，线性弹簧），完全塑性固体（圣维南体（St. Venant）、St.V体，粗糙滑块）和理想粘滞液体（牛顿体（Newton）、N体，线性缓冲壶）。此外，还有刚性固体模型（欧几里德（Euclid）体，Eu体）。 基本力学模型与前述岩石基本力学模型相同。,2.3.3.1 岩体基本性质的力学模型,当岩体中的结构面对岩体变形破坏起到较为明显的控制作用时，应该对其建立独立的力学模型，并纳入到力学分析系统中去，目前，对于结构面建立的力学模型较多，主要是考虑结构面的闭合效应和剪切滑移效应。孙广忠教授建立的结构面力学模型为：结构面闭合元件和结构面滑移变形元件。,2.3.3.1 岩体基本性质的力学模型,2.岩体变形与强度,2.1岩体的变形特征 2.2 结构面及其力学性质 2.3 岩体的强度 2.4 工程岩体的分级分类 2.4.1 岩体结构类型 2.4.2 工程岩体分级,2.4 工程岩体的分级分类,前述分析表明： （1）由于结构面的存在，岩体的变形及强度明显不同于岩石（结构体）； （2）结构面发育程度不同、分布等不同，即岩体结构不同、岩体的力学性质也不同。 岩体结构：结构面和结构体的排列组合方式。 （3）大量试验表明，相同或近似相同结构类型岩体，其力学性质基本一致。 （4）岩体的力学性质，还与地质环境条件有关，即地应力、地下水、温度等，尤其是地应力因素导致的岩体紧密程度差异。 因此，为评价岩体，需要研究岩体的结构类型和质量。,2.4.1 岩体结构类型,工程地质分析原理中认为，岩体结构是建造和改造的综合产物，岩体结构类型的划分，应从这两方面入手： （1）从建造特征上，可以将岩体分为： 块体状结构：岩性均一，无软弱面的岩体。含有的原生结构面具有较强的结合力，间距大于100cm。 块状结构：岩性均一，含有23组较发育的软弱结构面，结构面间距在50100cm。如成岩裂隙的厚层砂岩或泥岩，原生节理发育的火山岩等。 层状结构：含有一组连续性好、抗剪性能显著较低的软弱面的岩体。一般岩性不均一。间距2050cm的，称为层状；间距30cm以下的，称为薄层状。还有互层状。 碎裂结构：含有多组密集结构面的岩体。岩体被切割成碎块状（结构面间距小于20cm）。如某些动力变质岩。 散体结构：未成岩的土体。,2.4.1 岩体结构类型,（2）从改造的程度上，可以将岩体分为： 包括构造改造和表生改造，随改造程度的差异，可将岩体划分为完整、块状、层状、碎裂状和散体状。 （3）岩体结构类型划分 目前的岩体是在建造的基础上，经改造作用逐步形成，相应的结构类型为： 完整块体状结构 块状、层状结构（可以细分为层状、薄层状和互层状） 碎裂状结构 散体状结构,岩体工程地质力学基础（谷德振）一书中，给出的分类方案为：,整体块状结构,层状结构,碎裂结构,散体结构,1整体结构,2块状结构,1层状结构,2薄层(板)状结构,1镶嵌结构,2层状碎裂结构,3碎裂结构,2.4.1 岩体结构类型,2.岩体变形与强度,2.1岩体的变形特征 2.2 结构面及其力学性质 2.3 岩体的强度 2.4 工程岩体的分级分类 2.4.1 岩体结构类型 2.4.2 工程岩体分级 一、目的及意义 二、研究进展 三、工程岩体稳定性的主要影响因素 四、岩体基本质量评价 五、工程岩体详细定级 六、其它重要分类方案及综合指标,一、目的及意义,工程岩体分级：针对不同类型岩石工程的特点，根据影响岩体稳定性的各种地质条件和岩石物理力学特性，将工程岩体分成稳定程度不同的若干级别，以此为标尺作为评价岩体稳定的依据，这是岩体稳定性评价的一种简易快速的方法。 岩体分级方法是建立在以往工程实践经验和大量岩石力学试验基础上的，只需进行少量简