岩体力学性质-岩体结构.ppt

岩石力学与工程 ROCKMECHANICSANDENGINEERING 岩体结构 ROCKMASSSTRUCTURE 2 2 5岩石的强度理论 1Coulomb强度准则2Mohr强度理论3Griffith强度理论 上次课内容 3 岩体力学性质 岩体结构 1岩体结构要素2结构面类型3结构面分级及其特性4结构面状态5岩体结构类型 4 岩石与岩体 岩石与岩体 岩石是构成岩体的物质 岩体是由结构面及结构体 被结构面所包围的岩块 两个基本单元组成 岩石的物理力学性质和水理性质取决于岩石的矿物成分 而岩体的物理力学性质 既取决于结构面的力学性质 又取决于岩体的力学性质 与岩石相比 岩体具有以下性质 岩体是地壳的一部分 对岩体的研究不能脱离它所处的环境 地质环境 包括地应力 水 空气 地温等 岩体 结构面 岩块 岩体 岩块 结构面 5 岩体是一种多裂隙介质 存在各种尺度 规模不等的结构面 这些结构面切割的岩体形成多种典型的岩体结构 其两个极端是裂隙极多的松散碎块 和裂隙较少的整体结构 在进行矿山工程设计时必须首先确定岩体结构的类型 然后分别选用适当的力学方法进行分析 3 1概述 6 3 1概述 岩体力学性质与岩体中的结构面 结构体及其赋存环境密切相关 结构面 各种界面 物质分界面和不连续面 假整合 褶皱 断层 层理 节理和片理 岩体结构单元 或要素 包括 结构体和结构面岩体的力学性质 岩体抵抗外力作用的能力 包括稳定性特性 强度特性和变形特性 是由组成岩体的岩石 结构面性质所决定的 影响岩体力学性质的因素有 结构体 岩石 的力学性质 结构面的性质 岩体的结构力学效应和环境因素 7 结构面结构面切割成的结构体 岩体 岩体结构是研究岩体力学的基础 岩体结构 控制岩体的变形 破坏等力学效应 分析岩体结构 结构面特征 对工程岩体稳定性评价 工程应用 3 1概述 8 结构面结构面切割成的结构体 岩体 岩体结构是研究岩体力学的基础 岩体结构 控制岩体的变形 破坏等力学效应 分析岩体结构 结构面特征 对工程岩体稳定性评价 工程应用 3 1概述 9 岩体结构要素 块状 板状 10 结构体分类 块状结构体 包括柱状 楔锥状结构体 各向尺寸接近相等 力学表现以压碎 滚动 滑动为主 板状结构体 板的厚度与延展长度 或宽度 比小于1 15 力学表现主要为弯曲变形和溃折破坏 结构体块度 可以用1立方米岩体内含有的结构体数表示 也可以用单个结构体尺寸表示 结构体产状 以结构体表面上最大结构面的长轴方向的产状说明 11 3 1概述 岩体赋存环境对于岩体力学性质的影响地应力的作用 地应力既是赋存条件 又在岩体之内 影响岩体的承载力 变形与破坏机制 影响岩体中应力的传播地下水的作用 岩体水力学 因此 岩体力学性质的研究必须考虑岩性 结构面 岩体结构 地应力以及地下水的影响 12 3 2岩体结构的基本类型 结构面 分为软弱结构面和坚硬结构面结构体 分为块状结构体和板状结构体按照岩体结构的互相包容和级序关系 分为I级结构 II级结构和过渡型岩体结构 13 岩体结构 定义 不同类型的岩体结构单元在岩体内组合和排列形式 岩体结构三要素 14 完整结构岩体 岩性 单一且构造变形轻微的巨厚层沉积岩 变质岩和火成岩体 结构面发育情况 不发育 延展性差 无显结构面切割 结构面强度 结构面摩擦系数tan 0 6 结构体间结合力强 完整性 岩体呈完整或基本完整状态 结构面间距dp 1 0m 水的影响 地下水作用不明显 渗流对岩体特性影响不大 工程特性 整体结构的岩体 其变形 破坏与工程作用有关 在深埋或高地应力区的坚硬岩层中开挖 引起应力释放 可能导致岩爆 而且一般沿裂隙端部产生 较坚硬岩层中可能产生微弱的塑性变形 15 块裂结构岩体 岩性 单一或由强度相近的岩层共同组成的构造变形轻微的中厚层沉积岩 变质岩和火成岩体 结构面发育情况 只具有少量贯穿性较好的节理裂隙 一般为2 3组 结构面强度 岩块之间结合力强 一般tan 0 4 0 6 完整性 结构面间距dp 0 5 1 0m 水的影响 地下水作用主要表现为使较坚硬岩石软化 工程特性 微小压缩变形 可能出现剪切滑移 块体滑移 稳定性分析时要注意结构面的特性及组合 在深埋或地震危险区条件下开挖 由于隐型微裂隙存在 可能出现岩爆 有一定自稳能力 可局部出现不稳定块体 产生超挖 塌方和崩塌现象 16 板裂结构岩体 岩性 发育于经过褶皱作用的层状岩体内 结构面发育情况 延展性较好 受一组软弱结构面切割 层面居多 结构面强度 层间结合力较差 tan 0 3 0 5 水的影响 要注意地下水渗透压力所引起的问题 地下水的软化 泥化作用明显 工程特性 岩体变形受岩层组合和结构面控制 在缓倾斜和陡立岩层中 拱顶和边墙可出现弯曲拗折现象 软弱面特别是软弱夹层面的抗剪强度控制岩体的剪切滑移破坏 稳定性较差稳定性分析时要注意岩层的组合 层面特性及其结合力 岩层产状 尤其是软弱夹层 层间错动的存在和II III级结构面的组合情况 17 碎裂结构岩体 岩性 构造影响严重的破碎岩层 块体大 块体均匀 结构面发育情况 断层 断层破碎带 片理 层理及层间结构面较发育 一般在5组以上 完整性 完整性破坏较大 整体强度很低 水的影响 引起岩层软化 泥化及结构面失稳 工程特性 受断裂等软弱结构面控制 多呈弹塑性介质 稳定性很差 易引起规模较大的岩体失稳 地下水加剧岩体失稳 18 断续岩体结构 结构面发育情况 结构面不连续 对岩体切而不断 个别部分亦有连续贯通结构 工程特性 宏观上具有连续介质特点 微观上多数不连续 应力集中现象显现 这种应力的集中对岩石破坏具有特殊意义 19 散体结构岩体 岩性 碎屑状 颗粒状 呈松散状态 结构面发育情况 结构面充分发育 使岩体破坏成碎块 碎屑或颗粒状 并混有大量断层泥 呈松散堆积或压密堆积 水的影响 地下水作用强烈 地下水加剧岩体失稳工程特性 完整性遭到极大破坏 稳定性极差 岩体属性接近松散体介质 易引起规模较大的岩体失稳 地下水加剧岩体失稳 20 岩体结构的相对性 岩体结构的分类应该与工程规模和尺寸有关 结构体几何尺寸与工程规模的对比情况 因为同样的节理化程度 可以因工程规模的不同而产生不同的地压问题 因此同一节理化程度的岩体结构可根据工程尺度的不同而定为不同的结构类型 如图的例子所示 当硐室从小增大时 同一岩体依次变为整体结构 板裂结构 块裂结构 断裂结构和碎裂结构 21 3 3岩体结构面及其充填特征 结构面定义 岩体内开裂的和易开裂的地质界面 如节理 层理 劈理 裂隙 断层等等 结构面的作用与其规模和形态有关 特点 横向延展表现出面的几何特性 物质分异面或不连续面 常具有一定厚度 充有一定物质 例如 节理由两个面及面间的水或气组成 断层及层间错动是由上下盘两个面及其间充填的断层泥和水构成的实体组成 变形机理是两面闭合或滑移 破坏机理是沿面滑动或开裂 22 结构面 Structuralplane 类型 1 23 结构面 Structuralplane 类型 2 24 结构面 Structuralplane 类型 3 25 结构面的分级 按照结构面的发育程度和规模 可分为 I级结构面 泛指对区域构造其控制作用的断裂带 包括深大断裂带 延伸10公里以上 其存在直接关系都工程区域的稳定性 II级结构面 指延展性强而宽度有限的地质界面 延伸几百至数千米 III级结构面 一般为局部的断裂构造 主要是小断层 延展几十到数十米 宽半米左右 IV级结构面 延展性差 无明显的宽度 主要指节理面 仅在小范围内分布 V级结构面 延展性级差 无宽度分别 分布随机 26 结构面分级及其特性 1 27 结构面分级及其特性 2 28 结构面分级及其特性 3 29 结构面分级及其特性 4 30 结构面分级及其特性 5 31 结构面状态 1 结构面贯通类型和连续性a 贯通类型 非贯通性结构面 较短 不能贯通 岩块强度降低 变形增大 半贯通性结构面 有一定长度 不能贯通 岩块强度降低 变形增大 贯通性结构面 长度较长 连续好 贯通整个岩体 构成岩体边界 它对岩体有较大的影响 破坏常受这种结构面控制 32 b 连续性结构面的连续性反映结构面的贯通程度 线连续性系数Kl 沿结构面延伸方向上 结构面各段长度之和与测线长度比值 Kl a a b 33 面连续性系数 面切割度 Xe 在岩体中沿结构面延展平面上 结构面各块面积之和 a与该断面面积A之比 Xe a A 34 岩体按切割度Xe的分类表 35 结构面的密集程度反映结构面发育的密集程度 裂隙度K 沿取样线方向单位长度上的结构面数量 设取样线长度为L 单位m 该长度内出现的结构面数量n 沿取样线方向结构面平均间距为d 则 K n L d 1 K L n 线密度Kd 若取样线垂直结构面 则裂隙度被称为线密度 间距d 同一组结构面法线方向上结构面平均距离 Kd n L d 1 Kd L n 2 结构面密集程度 36 多组结构面裂隙度K的计算 Ka 1 max cos a da Kb 1 mbx cos b db Kn 1 mnx cos n dnK Ka Kb Kn 结构面按裂隙度K分类 k 0 1为蔬节理 k 1 10为密节理 k 10 100为非常密集节理 k 100 1000为压碎 糜棱化 37 3 结构面产状 要素 走向 倾向 倾角 与主应力之间的关系 控制岩体的破坏机理与强度 38 4 结构面形态 要素 起伏形态 起伏角 粗糙度 对岩体的力学性质和剪切强度有影响 39 5 结构面张开度 定义 又称张开度 是指结构面两侧岩壁的垂直分离距离 其空隙由空气或水