岩体力学性质ppt课件

.,27.04.2020,1,矿山岩体力学,华北科技学院安全工程学院,.,4岩体力学性质,4.1概念宏观上讲，天然岩体是由各种结构面和分割形成岩石块体的组合体。与岩石相比，岩体显示出不连续性、不均质性和各向异性等特点。岩体的力学性质是岩石和结构面力学性质的综合反映。除了必须研究岩石的力学性质之外，还必须研究结构面的力学性质。,.,.,地质界面：是岩体中存在的各种物质分异面和不连续面，如假整合、不整合、褶皱、断层、层理、节理、片理等界面。结构面：是由不同成因、不同特征的地质界面的统称。它在横向延展上具有面的几何特征，常充填有一定的物质，具有一定的厚度，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。,.,结构体：由结构面彼此组合将岩体切割而成的形态不一，大小不等和成分各异的岩石块体。岩体结构单元或要素包括结构体和结构面。即：,.,图结构体形状典型类型示意图(据孙广忠，1983)a，b柱状结构体；d，e菱形或板状结构体；c，f，g，h，j楔、锥形结构体；i板状结构体,.,岩体结构：由不同类型的岩体结构单元在岩体内的各种组合、排列形式的总称。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，它是由组成岩体的岩石、结构面、和赋存条件决定的。,.,由于岩体结构的原因，岩体的强度随试件尺寸增大而降低，而且工程开挖方向与岩体内结构面产状间的关系不同，其变形和破坏特征也不一样，同时它随着环境因素（水与地应力等）的变化而变化。,.,中国工程地质学家谷德振教授在20世纪50年代就重视断裂对工程的危害，认识到岩体特性主要取决于岩体的内在结构，可作为岩体质量评价、岩体力学模型和力学介质类型划分、岩体力学测试方案制定、测试成果分析和力学分析计算的基础。并于20世纪60年代初建立了岩体结构的概念，提出了结构面、结构体是岩体结构的基本单元，岩体变形破坏主要受岩体结构的制约;,.,与此同时，国际上也提出了类似的概念。从而把岩体裂隙性研究提高了一步，由于岩体结构的力学效应与工程规模密切有关，为认识岩体本质、分析岩体稳定性创立了一个应用基础理论。,.,因此，影响岩体力学性质的基本因素有：结构体力学性质、结构面力学性质、岩体结构力学效应和环境因素，即：,.,结构面力学性质的尺寸效应体现在：结构面试块长度增加，平均峰值摩擦角降低，试块面积增加，剪切应力呈现出减小趋势。此外，还体现在（1）随着结构面尺寸的增大，达到峰值强度时的位移量增大（2）试块尺寸增加，剪切破坏形式由脆性破坏向延伸破坏转化（3）尺寸增加，峰值剪胀角减少，结构面粗糙度减小，尺寸效应也减小。,.,起伏角为迎着受力方向结构面的仰角，又称为爬坡角。结构面具有爬坡角为的起伏时，其抗剪强度中的摩擦角a将增加，即a=j+j为平直结构面的基本摩擦角。,.,岩体环境因素力学效应主要是指岩体中应力和地下水对岩体力学性质的影响。无论是块裂介质、碎裂介质还是连续介质岩体，其破坏机理及力学强度都随环境因素的不同而变化(见岩体破坏)。随着地应力的增高，其破坏机理由脆性向塑性转化,破坏强度由低逐渐增高,岩体结构面的力学效应由显著逐渐向消失转化。,.,岩体由于温度作用产生的应力也是很可观的，这种温度应力实际上也是地应力的一部分。地下水的力学效应表现在两个方面,即孔隙-裂隙水的压力作用和软化作用。在地下水的作用下，岩体的力学强度将降低，对于软弱岩体，这一效应尤为明显。,.,整体结构岩体的力学效应规律基本上与节理化岩体相近。以单轴抗压强度为例，节理化岩体仅相当于岩块抗压强度的1/3至1/10,而整体结构岩体的单轴抗压强度可相当于岩块的1/2至1/3。,.,.,4.2岩体结构的基本类型4.2.1岩体结构分类依据第一个依据是按结构面类型分类；第二个依据是按结构面切割程度或结构体类型分类；第三个依据是按岩体的原生结构分类，于是有：,.,4.2岩体结构的基本类型4.2.1岩体结构分类依据（1）第一依据规定结构级序：,.,（2）第二依据规定岩体结构的基本类型:,.,（3）亚类划分依据：,.,4.2.2岩体结构类型根据上述分类依据，可将岩体进行如下分类，如表2-1所示：,.,表2-1岩体结构类型,.,断层破碎带及强风化带内存在有另一种结构类型，他们具有两个特点：（1）结构面和结构体呈无序状排列；（2）结构面既有软弱结构面也有坚硬结构面，因此，这种岩体结构既不是级结构也不是级结构，属于一种过度型，被称为散体结构。（3）具有这种结构的岩体，规模一般不大，常呈夹层或带状，比较常见，是一种不可忽视的结构类型，它经常是应力消散、地下水和气体的通道，也是岩体失稳的关键地段。,.,上表2-1中的岩体结构类型是比较典型的类型，但在实际岩体中，岩体结构类型是比较复杂的，我们这里不再做深究和讨论。,.,4.2.3各类结构的地质特征根据上述的分类，各岩体结构类型的地质特征如下：,.,4.2.4岩体结构的相对性及工程岩体结构的唯一性岩体结构分类的最终目的在于为岩石工程的建设服务。对于工程岩体而言，由于工程规模和尺寸的变化，岩体结构也发生相对变化。也就是岩体结构类型随着所考察岩体的范围和尺寸不同而不同。,.,4.2.4岩体结构的相对性及工程岩体结构的唯一性因此，岩体结构是相对的，只有在确定的地质条件和工程尺寸条件下，工程岩体结构才是唯一确定的。工程岩体结构不同，岩体的力学机制和工程的稳定性分析方法是不一样的。,.,结构面和结构体组合形式，尤其是结构面性状，可将岩体划分如下结构类型：整体块状结构，包括整体（断续）结构、块状结构和菱块状结构；层状结构，包括层状结构和薄层(板状)结构；碎裂结构，包括镶嵌结构、层状碎裂结构和碎裂结构；散体结构，包括块夹泥结构和泥夹块结构等。,.,岩体结构类型1,.,岩体结构类型2,.,岩体结构类型3,.,岩体结构类型4,.,岩体结构类型5,.,4.3岩体结构面及其充填特征结构面是具有一定方向、延展较大而厚度较小的二维面状地质界面，它的存在，使岩体显示构造上的不连续性和不均质性，岩体力学性质与结构面的特性密切相关。,.,4.3岩体结构面及其充填特征4.3.1结构面类型及特征根据结构面的形成原因，通常将其分为三种类型：原生结构面构造结构面次生结构面分别如表2-2a，表2-2b，表2-2c所示。,.,表2-2a原生结构面的主要特征,.,表2-2b构造结构面的主要特征,.,表2-2c次生结构面的主要特征,.,4.3.2结构面的分级结构面的发育程度、规模大小、组合方式等是决定结构体的形状、方位和大小，控制岩体稳定性的重要因素。根据结构面发育程度和规模可将其划分为如下五级。现将结构面分级及其特性归纳如表2-3所示。,.,综合上述所划分的五个等级的结构面，从工程地质测绘观点来看，可分为实测结构面和统计结构面两大类。实测结构面：是经过野外地质测绘工作，按其结构面的产状及其具体位置，直接表示在不同比例的工程地质图上。统计结构面：是只能在野外有明显的岩层露头地点进行统计，经过室内作结构面密度统计图，认识其统计规律，不能直接反映在工程地质图上。,.,.,4.3.3结构面状态实际工程所涉及的岩体是有一定范围的，在该范围内，结构面按贯通情况可分为非贯通性的半贯通性的贯通性的。,.,.,结构面的产状对岩体是否沿某一结构面滑动起控制作用。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。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。,.,岩体内存在的不同成因、不同特性的各种地质界面的统称。如层面、节理、断层、裂隙等。结构面不是几何学上的面，而往往是具有一定张开度的裂缝，或被一定物质充填,具有一定厚度的层或带。,.,按成因,结构面可分为：沉积或成岩过程中产生的层面、夹层、冷凝节理等原生结构面；构造作用下形成的断层、节理等构造结构面；变质作用下所产生的片理、片麻理等变质结构面；还有在外营力作用下形成的风化裂隙、卸荷裂隙等次生结构面。,.,按规模（主要是长度），可将结构面分为5级：（几十至上百公里，十几公里，几公里,几米至几十米和厘米级）。它们分级或共同控制着区域、地区、山体、岩体的稳定性和岩块的力学特性。,.,按性质，结构面可分为硬性（刚性）结构面和软弱结构面。硬性结构面的摩擦系数较大，多数没有充填物。软弱结构面的摩擦系数相对较小，延伸较长，且普遍充填粘土、泥、岩石碎块等物质。按物质组成和微结构形态，软弱结构面分为原生软弱夹层、断层和层间错动破碎带、软弱泥化带（或夹层）等3种类型。,.,某些充填泥质或粘土薄膜的大节理，也可构成软弱结构面。软弱结构面是岩体中最容易产生变形和破坏的部位。它常常成为危险的切割面、滑移面或构成有害的压缩变形带，导致岩体产生不允许的变形或失稳。,.,因此，当工程岩体中存在软弱结构面时，除了要研究它们的几何形态、结合状况、空间分布和填充物质等方面外，还要特别注意对其物质组成、厚度、微观结构、在地下水作用下工程地质性质（潜蚀、软化）的变化趋势、受力条件和所处的工程部位，以及它们的力学性质指标等，进行专门的试验研究，并对其对岩体稳定性的影响作出定量的分析评价，提出工程处理措施。,.,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K1：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,K1=a/(a+b),.,结构面的密集度：以岩体裂隙度K和切割度Xe来表征岩体结构面的密集程度；是描述岩体破碎程度的重要指标。,.,岩体裂隙度K是指沿取样线方向单位长度上的节理数量。即：式中：n-样线长度上的节理数量；L-样线长度m。则取样线长度方向节理的平均间距d为：当岩体中有几组不同方向的节理时，该取样线上的裂隙度K为各组节理裂隙度之和：,（3-1）,（3-2）,（3-3）,.,按裂隙度K的大小，可将节理分为疏节理（K=01m-1），密节理（K=110m-1）,非常密集节理（10100m-1）,压碎或糜棱化节理（1001000m-1）。,.,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,.,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,.,切割度Xe是指岩体被节理割裂分离的程度。当岩体仅含一个节理时，可沿着节理面在岩体中取一个贯通整体的假想平直断面，则节理面积a与该断面面积A之比，即称为该岩体的切割度Xe。可见，时，说明岩体只是部分被切割；当时，说明岩体被整体切割；当时，岩体即为完整连续岩体。,.,如果沿岩体某断面上同时存在面积为的几个节理面时，则岩体沿该断面的切割度为：为了研究岩体内部某组节理切割的程度，可用指标来表示：表示岩体内由一个节理组所产生的实际切割度，单位为。,（3-4）,（3-5）,.,岩体按切割度Xe的分类表,.,迹长：在岩体中沿结构面延展迹线的长度。,国际岩石力学学会(ISRM，1978)建议：用结构面的迹长来描述和评价结构面的连续性，并制订了相应的分级标准,.,结构面的充填物：对于软弱结构面，其充填物质和含水量不同则力学性质差别很大。即其内凝聚力c和内摩擦角不一样。,.,若岩体内存在着软弱结构面，则岩体结构力学效应主要受它控制，而且取决于它的充填度(即充填物在结构面内填充程度)、充填物成分与结构、充填物厚度以及结构面的起伏度（即结构面的起伏程度，常用起伏差即起伏最大值表示）。其中又以充填物厚度、充填度和起伏度最为重要。厚度大小与物质成分有关,一般颗粒越粗厚度越大;反之,颗粒越细,厚度越小。,.,设充填物厚度为h,结构面起伏差为H,定义为充填度。起伏的结构面内充填物的充填度越大，结构面抗剪强度越低。当充填度大于200左右时,结构面强度便稳定于一定的水平上；即与软弱充填物质的强度相当，这种关系称之为充填度的力学效应。,.,研究方法要根据岩体的主要地质特征，尤其是岩体结构特征，对岩体的力学性质进行研究。并将工程地质、岩体力学以及工程建筑物的实际情况密切结合起来，地质分析应视为工作的基础，并贯穿于工作的全过程。在此基础上，对岩体力学试验研究及现场监控进行合理的部署和设计。,.,研究方法:一方面要详细地了解岩体的地质特征，使整个工作具有明确的目的性和足够的代表性；另一方面，要全面地了解建筑物的特点及其与岩体的相互关系，使研究工作具有明显的工程针对性。,.,岩体力学试验通常包括室内和野外试验。它们的原理、方法基本相同，只是尺寸不同。为了充分考虑岩体结构的力学效应，常常要求进行野外试验。通常采用典型地质单元野外原位试验与中小型室内试验相结合的方法。无论是室内试验，还是野外试验,在大多数情况下,都不能完全代表工程岩体实际的力学性质。,.,岩体力学试验解决这个问题的正确方法是把典型地质单元岩体力学试验与岩体结构地质研究结合起来，通过对岩体结构的力学效应研究，对成果进行综合分析、评价，给出大致可以表征工程岩体的力学性质。而实际岩体的力学性质，可在现场通过原型观测和监控进一步探索。在施工过程中，对岩体变形、应力进行观测和监测，通过反分析进一步研究岩体的变形及应力特性。,.,在岩体力学性质测试中，当前很重要的一个问题是加强对岩体本构关系（即应力-应变-时间关系）的研究，使近年来发展较快的数值分析方法建立在可靠的基础上。,.,3）结构面与主应力之间的关系：控制岩体的破坏机理与强度,.,粗糙度系数：JRC（jointroughnesscoefficent)巴顿（Barton，1977）提出：粗糙度标准及粗糙系数挪威岩土工程研究所(Norwegi