结构面力学性质及岩体力学试验

1、 岩体稳定性分析岩体稳定性分析和和地下水渗流分析地下水渗流分析通常把岩体视为由岩块通常把岩体视为由岩块 （结构体）与结构面组成的地质体。（结构体）与结构面组成的地质体。 岩体工程中的软弱夹层问题：岩体工程中的软弱夹层问题： 如黄河小浪底水库工程左坝肩的泥化夹层；如黄河小浪底水库工程左坝肩的泥化夹层； 葛洲坝水利工程坝基的泥化夹层；葛洲坝水利工程坝基的泥化夹层； 黑河水库左坝肩单薄山梁的断层引发的渗漏问题；黑河水库左坝肩单薄山梁的断层引发的渗漏问题； 长江三峡自然坡中的软弱夹层等。长江三峡自然坡中的软弱夹层等。 这些软弱结构面在不同程度上影响和控制着工程岩体的稳这些软弱结构面在不同程度上影响和控

2、制着工程岩体的稳 定性。因此，结构面变形与强度性质的研究，在工程实践中具定性。因此，结构面变形与强度性质的研究，在工程实践中具 十分重要的实际意义。十分重要的实际意义。 问问 题题 的的 提提 出出 ？ 大量工程实践表明：大量工程实践表明：在工程荷载（小于在工程荷载（小于10Mpa）范围内）范围内，工工 程岩体的失稳破坏有相当一部分是沿软弱结构面破坏的。因此，程岩体的失稳破坏有相当一部分是沿软弱结构面破坏的。因此， 结构面的强度性质的研究是评价岩体稳定性的结构面的强度性质的研究是评价岩体稳定性的关键关键。 在工程荷载作用，结构面及其充填物的变形是岩体变形的主在工程荷载作用，结构面及其充填物的变

3、形是岩体变形的主 要组成部分，控制着工程岩体的变形特性。要组成部分，控制着工程岩体的变形特性。 结构面是岩体中渗透水流的主要通道。结构面是岩体中渗透水流的主要通道。 工程荷载作用下，岩体中的应力分布受结构面及其力学性质工程荷载作用下，岩体中的应力分布受结构面及其力学性质 的影响。的影响。 4.4 结构面力学性质结构面力学性质 结构面的力学性质主要包括三个方面：结构面的力学性质主要包括三个方面： 法向变形法向变形 剪切变形剪切变形 抗剪强度抗剪强度 4.4.14.4.1法向变形法向变形 在法向载荷作用下，在法向载荷作用下， 岩石粗糙结构面的接岩石粗糙结构面的接 触面积和接触点数随触面积和接触点数

4、随 载荷增大而增加，载荷增大而增加， 结构面间隙呈非线性结构面间隙呈非线性 减小减小 应力与法向变形之间应力与法向变形之间 呈指数关系，呈指数关系， 古德曼（古德曼（Goodman 1974Goodman 1974）通过试验，得出法向应力）通过试验，得出法向应力 与结构面闭合量有如下关系：与结构面闭合量有如下关系： 式中：式中： 原位压力，有初始条件决定；原位压力，有初始条件决定； 结构面结构面 最大可能闭合量；最大可能闭合量； 结构面几何特征、岩石力学结构面几何特征、岩石力学 性质有关参量。性质有关参量。 max t nn n s max , s t 法向变形刚度（法向变形刚度（KnKn）：

5、）： 是反映结构面产生单位法向变形的法向应力 梯度。 它不仅取决与岩石本身的力学性质，更主要 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。 一般情况下，法向变形刚度不是一个常数，一般情况下，法向变形刚度不是一个常数， 其大小与应力水平有关。其大小与应力水平有关。 根据古德曼的研究，法向变形刚度可由下式根据古德曼的研究，法向变形刚度可由下式 表示：表示： 式中：式中： 结构面的初始刚度。结构面的初始刚度。 2 0max 0 0max nn nn n K KK K 0n K 1984年班迪斯（年班迪斯（Bandis）通过对大量的天然、不）通过对大量的天然、不 同风化程度和表

6、面粗糙度的非充填结构面的试验研同风化程度和表面粗糙度的非充填结构面的试验研 究，提出双曲线形法向应力究，提出双曲线形法向应力 与法向变形与法向变形 的关的关 系式：系式： 式中：式中： 常数。当法向应力常数。当法向应力 ， 。 则法向刚度可由则法向刚度可由（3-8）式得出：式得出： n n n n n ab （3-8） , a b n max a b 2 1 n n n n K ab （3-9） 4.4.2 剪切变形剪切变形 在一定的法向应力作用下，结构面在剪切作用下将在一定的法向应力作用下，结构面在剪切作用下将 产生剪切变形。产生剪切变形。 通常有两种结构面形式，如下图所示。通常有两种结构面

7、形式，如下图所示。 4.4.2 剪切变形剪切变形 1）非充填型粗糙结构面，当剪切形变发生时，剪）非充填型粗糙结构面，当剪切形变发生时，剪 切应力上升相对较快，达到峰值后结构面的抗剪能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，如图中的滑现象，如图中的A曲线；曲线； （2）平坦（或有充填物）的结构面）平坦（或有充填物）的结构面 初始阶段的剪切变形曲线呈下凹型，随着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，但没有明显的峰的持续发展，剪切应力逐渐上升，但没有明

8、显的峰 值出现，最终达到恒定值，其曲线如下图值出现，最终达到恒定值，其曲线如下图b所示。所示。 古德曼古德曼1974年，将剪切变形曲线从形式上分年，将剪切变形曲线从形式上分 为：为： （1）峰前应力上升的弹性区；）峰前应力上升的弹性区； （2）剪应力峰值区；）剪应力峰值区； （3）峰后应力降低或恒应力的塑性区。）峰后应力降低或恒应力的塑性区。 结构面在剪切中的力学过程是：结构面在剪切中的力学过程是： 结构面微凸体的弹性变形、劈裂、磨粒的产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，剪切变形是不可完变

9、形不管在那个过程中，剪切变形是不可完 全恢复的。全恢复的。 将将“弹性区弹性区”单位变形内的应力梯度称为单位变形内的应力梯度称为剪切刚度剪切刚度 Kt。根据古德曼的研究，剪切刚度可由下式表示：。根据古德曼的研究，剪切刚度可由下式表示： 式中：式中：Kt0初始剪切刚度，初始剪切刚度， 产生较大剪切位移产生较大剪切位移 时剪应力的渐近值。时剪应力的渐近值。 试验表明，对于坚硬的结构面，剪切刚度一般是常试验表明，对于坚硬的结构面，剪切刚度一般是常 数；对于比较松软的结构面，其大小随法向应力的数；对于比较松软的结构面，其大小随法向应力的 大小而改变。大小而改变。 0 1 tt s KK （3-10）

10、s 对于粗糙的结构面，可简化图对于粗糙的结构面，可简化图3-3所示力学模型。所示力学模型。 从模型中可以看出，在剪应力作用下，模型上半部从模型中可以看出，在剪应力作用下，模型上半部 沿凸台斜面滑动，除有切向运动外，还产生向上的沿凸台斜面滑动，除有切向运动外，还产生向上的 移动。移动。 这种在剪切过程中产生的法向移动分量称之为剪胀。这种在剪切过程中产生的法向移动分量称之为剪胀。 如果使凸台沿根部剪断或拉破坏，则结构面如果使凸台沿根部剪断或拉破坏，则结构面 在剪切过程中就不会出现明显的剪胀作用。在剪切过程中就不会出现明显的剪胀作用。 因此，结构面的剪切变形与岩石强度、结构因此，结构面的剪切变形与岩

11、石强度、结构 面的粗糙度和法向应力有密切关系。面的粗糙度和法向应力有密切关系。 4.4.3 抗剪强度抗剪强度 结构面最重要的力学性质之一是结构面最重要的力学性质之一是抗剪强度抗剪强度。 结构面在剪切过程中的力学机制比较复杂，构成结结构面在剪切过程中的力学机制比较复杂，构成结 构面抗剪强度的因素是多方面的，一般结构面抗剪构面抗剪强度的因素是多方面的，一般结构面抗剪 强度可以用库仑准则表述：强度可以用库仑准则表述： 式中：式中：c， 分别是结构面上的粘结力和摩擦角；分别是结构面上的粘结力和摩擦角； 是作用在结构面上的法向应力。是作用在结构面上的法向应力。 其中，摩擦角可表示成其中，摩擦角可表示成

12、， 是岩石平坦时表是岩石平坦时表 面基本摩擦角，面基本摩擦角， 是结构面上微凸台斜坡角。是结构面上微凸台斜坡角。 tan n c （3-11） n b i b i 图图3-4为图为图3-3凸台模型的剪应力与法向应力的关系凸台模型的剪应力与法向应力的关系 曲线，它近似呈双直线的特征，曲线，它近似呈双直线的特征， 结构面受剪初期，剪应力上升较快，结构面受剪初期，剪应力上升较快， 随着剪应力和剪切变形的增加，结构面上部分凸台随着剪应力和剪切变形的增加，结构面上部分凸台 被剪断，此后剪应力上升的梯度减小，直至达到峰被剪断，此后剪应力上升的梯度减小，直至达到峰 值抗剪强度。值抗剪强度。 实验表明：实验表

13、明： 低法向应力时，结构面上有剪切位移和剪低法向应力时，结构面上有剪切位移和剪 胀；胀； 高法向应力时，凸台被剪断，结构面抗剪高法向应力时，凸台被剪断，结构面抗剪 强度最终变成残余抗剪强度，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及岩石强度对结构面的抗剪强度起着重要 作用。作用。 考虑到上述三个基本因素（法向应力考虑到上述三个基本因素（法向应力 、粗糙度、粗糙度 JRC、结构面壁岩石强度、结构面壁岩石强度JCS）的影响，）的影响， 巴顿（巴顿（Barton）等人于）等人于1977年提出年提出结构面

14、的抗剪强结构面的抗剪强 度准则度准则，该准则为一经验公式：，该准则为一经验公式： 式中：式中：JCS结构面的抗压强度，结构面的抗压强度， 岩石表面的岩石表面的 基本摩擦角；基本摩擦角；JRC结构面的粗糙性系数。结构面的粗糙性系数。 n tanlg nb n JCS JRC （3-12） b 对于具体的结构面，可以通过直剪试验或单倾斜拉对于具体的结构面，可以通过直剪试验或单倾斜拉 滑试验得出的峰值剪切强度和基本摩擦角来反算滑试验得出的峰值剪切强度和基本摩擦角来反算 JRC值：值： 式中：式中： 峰值剪切角，峰值剪切角， ，或等于倾斜，或等于倾斜 试验中岩块产生滑移时的倾角。试验中岩块产生滑移时的

15、倾角。 log/ pb n JRC JCS （3-13） p arctan p p n 4.4.4 影响结构面力学性质因素影响结构面力学性质因素 1、结构面的力学性质具有尺寸效应。、结构面的力学性质具有尺寸效应。 具体体现在以下几方面：具体体现在以下几方面： （1）当结构面的试块长度从）当结构面的试块长度从56cm增加到增加到 3640cm时，平均峰值摩擦角降低约时，平均峰值摩擦角降低约812； （2）随着结构面试块面积增加，平均峰值剪）随着结构面试块面积增加，平均峰值剪 切应力呈较小趋势；切应力呈较小趋势； （3）随着结构面尺寸的增大，达到峰值强）随着结构面尺寸的增大，达到峰值强 度时的位移

16、量增大，峰值剪胀角减小；度时的位移量增大，峰值剪胀角减小； （4）由于尺寸的增加，剪切破坏形式由脆）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；性破坏向延性破坏转化； （5 5）随结构面粗糙度减小，尺寸效应也）随结构面粗糙度减小，尺寸效应也 减小。减小。 对充填结构面的力学性质影响因素有：对充填结构面的力学性质影响因素有： 充填物的厚度充填物的厚度 颗粒大小与级配颗粒大小与级配 矿物组分矿物组分 含水程度含水程度 充填程度及厚度的影响充填程度及厚度的影响 充填度：充填物厚度充填度：充填物厚度d与面起伏差与面起伏差h之比（之比（d/h）。）。 一般地，一般地，d/h越小，越小，越大；

17、反之，抗剪强度越小。越大；反之，抗剪强度越小。 充填物的结构特征充填物的结构特征 结构疏松且具定向排列时，结构面的抗剪强度较低，反结构疏松且具定向排列时，结构面的抗剪强度较低，反 之，之，较高。较高。 水的影响水的影响 指的是充填物中的水对结构面强度的影响。指的是充填物中的水对结构面强度的影响。 用含水率表征，用含水率表征，随含水率的增高而随含水率的增高而。 在岩土工程中经常遇到岩体软弱夹层和断层在岩土工程中经常遇到岩体软弱夹层和断层 破碎带，如果它们的含水量增加，由于水对破碎带，如果它们的含水量增加，由于水对 泥夹层的软化作用，使泥质矿物内聚力和结泥夹层的软化作用，使泥质矿物内聚力和结 构面

18、摩擦系数急剧下降。构面摩擦系数急剧下降。 因此，它们的存在是导致岩体滑坡和隧洞坍因此，它们的存在是导致岩体滑坡和隧洞坍 塌的主要因数，也是岩土工程防治的重点。塌的主要因数，也是岩土工程防治的重点。 前面主要介绍前面主要介绍岩石与结构面岩石与结构面 的物理力学性质，现在讲的物理力学性质，现在讲岩体岩体的的 物理力学性质，岩体是一定范围物理力学性质，岩体是一定范围 的天然地质体，岩石与岩体的其的天然地质体，岩石与岩体的其 物理力学性质是有较大差异的物理力学性质是有较大差异的。 岩体结构（岩块与结构面） 岩体的力学性质包括岩体岩体的力学性质包括岩体 的的变形性质、强度性质、动力变形性质、强度性质、动

19、力 学性质学性质和和水力学性质水力学性质等方面。等方面。 影响岩体力学性质的因素：影响岩体力学性质的因素： 组成岩体的岩石材料性质组成岩体的岩石材料性质; 结构面力学性质结构面力学性质; 结构面的发育组合、岩体结构类型结构面的发育组合、岩体结构类型; 赋存环境条件如地下水、地应力。赋存环境条件如地下水、地应力。 岩体在外力作用下的力学属性表现为：岩体在外力作用下的力学属性表现为： 非均质性（非均质性（Inhomogeneity） 非连续（非连续（Discontinuity） 各向异性（各向异性（Anisotropy） 非弹性（非弹性（Nonelastic）。）。 岩体的变形性质岩体的变形性质

20、一、岩体变形试验及其变形参数确定一、岩体变形试验及其变形参数确定 静 E 动 E 变形参数包括变形模量和弹性模量。按静力法得到变形参数包括变形模量和弹性模量。按静力法得到 动力法得到动力法得到 法波地震 声波法 动力法 轴压缩试验法双单 水压洞室法 钻孔变形法 扁千斤顶法狭缝法 承压板法 静力法 按原理和方法分 原位岩体变形试验 )( )( )( )( （1 1）承压板法）承压板法 刚性承压板法和柔性承压板法。刚性承压板法和柔性承压板法。 各级压力各级压力PW（岩体变形值）曲线（岩体变形值）曲线 按布西涅斯克公式计算岩体的变形模量按布西涅斯克公式计算岩体的变形模量Em （Mpa）和弹性模量）和

21、弹性模量Eme（Mpa）。）。 e m me m m W WPD E W WPD E )1 ( )1 ( 2 2 式中：式中：P承压板单位面积上的压力（承压板单位面积上的压力（Mpa）；）； D承压板的直径或边长（承压板的直径或边长（cm）；）；W， We为相应为相应P下的总变形和弹性变形；下的总变形和弹性变形；与承压板形状、刚度有关系数，圆形板与承压板形状、刚度有关系数，圆形板 =0.785，方形板，方形板=0.886。m岩体的泊松比。岩体的泊松比。 图图6.1 岩体的压力岩体的压力-变形曲线变形曲线 （2 2）钻孔变形法）钻孔变形法 定定 义：义： 岩体变形模量（岩体变形模量（Em）：）：

22、岩体在无侧限受压条件下的应力与总应变之比值。岩体在无侧限受压条件下的应力与总应变之比值。 岩体弹性模量（岩体弹性模量（Eme）：）：岩体在无侧限受压条件下应力与弹性应变之比值。岩体在无侧限受压条件下应力与弹性应变之比值。 钻孔膨胀计钻孔膨胀计 利用厚壁筒理论（弹性力学）得：利用厚壁筒理论（弹性力学）得： u dP E m m )1 ( 式中：式中：d为钻孔孔隙（为钻孔孔隙（cm）；）； P为计算压力（为计算压力（Mpa）；）； u为法向变形（为法向变形（cm）。）。 图图6.2 钻孔变形试验装置示意图钻孔变形试验装置示意图 与承压板比，钻孔变形法的与承压板比，钻孔变形法的优点优点： 对岩体扰动

23、小；对岩体扰动小； 可以在地下水位以下笔相当深的部位进行；可以在地下水位以下笔相当深的部位进行； 试验方向不受限制；试验方向不受限制； 可以测出几个方向的变形，便于研究岩体的各向异性。可以测出几个方向的变形，便于研究岩体的各向异性。 缺点缺点：涉及岩体体积小，代表性受局限。：涉及岩体体积小，代表性受局限。 （3 3）狭缝法（狭缝扁千斤顶法）狭缝法（狭缝扁千斤顶法） 水平的，也可以是垂直的。如图水平的，也可以是垂直的。如图6.3所示。所示。 图图6.3 狭缝法试验装置狭缝法试验装置 二、岩体变形参数估算二、岩体变形参数估算 现场原位试验费用昂贵，周期长，一般只在重要的或大型工程中进行，现场原位试

24、验费用昂贵，周期长，一般只在重要的或大型工程中进行， 因此，岩体变形参数的很多情况下必须进行估算。因此，岩体变形参数的很多情况下必须进行估算。 两种方法：两种方法： 现场地质调查现场地质调查建立适当的岩体地质力学模型建立适当的岩体地质力学模型室内小试件试验资料室内小试件试验资料 进行估算；进行估算； 岩体质量评价和大量试验资料岩体质量评价和大量试验资料建立岩体分类指标与变形参数间的经建立岩体分类指标与变形参数间的经 验关系验关系进行估算。进行估算。 裂隙岩体变形参数估算裂隙岩体变形参数估算 比尼卫斯基（比尼卫斯基（Bieniawski，1978）（南非）（南非） Em =2RMR-100 （R

25、MR55） Em变形模量，变形模量，RMR分类指标值，分类指标值，RMR =9lgQ+44 。 SRF J J J J RQD Q W a r n （巴顿岩体质量分类）（巴顿岩体质量分类） Serafim和和Pereira（1983）40 10 10 RMR m E （RMR55） 挪威的挪威的Bhasin和和Barton等（等（1993）岩体分类指标）岩体分类指标Q值值 岩体质量分级（巴顿）岩体质量分级（巴顿） 40 3500 1)(Q 3500lg1000 mp mean mp V E QV 三、岩体变形曲线类型及其特征三、岩体变形曲线类型及其特征 （岩体中存在结构面，与岩块的峰值前的变形

26、曲线区分开来岩体中存在结构面，与岩块的峰值前的变形曲线区分开来） （1 1）法向变形曲线）法向变形曲线 岩体变形曲线类型示意图岩体变形曲线类型示意图 直线型，如左图直线型，如左图a所示所示 弹性岩体弹性岩体 dp/dw =k（岩体的刚（岩体的刚 度）度） ),( ),( 易变形刚度低缓直线型 弹性变形为主不易变形刚度大陡直线型 上凹型，如图上凹型，如图b所示所示弹塑性岩体弹塑性岩体 dw dp 0 dw dp 值值p而而，层状及节理岩体属于此种类型。，层状及节理岩体属于此种类型。 下凹型（上凸型），如图下凹型（上凸型），如图c所示所示塑弹性岩体塑弹性岩体 dw dp随随p而而，结构面发育且泥质

27、充填的岩体或粘土岩、风化岩，结构面发育且泥质充填的岩体或粘土岩、风化岩 属于此种类型。属于此种类型。 复合型复合型塑塑-弹弹-塑性岩体塑性岩体 呈阶梯或呈阶梯或“S”型，如图型，如图d所示。所示。 结构面发育不均或岩性不均匀的岩体多属于此种类型。结构面发育不均或岩性不均匀的岩体多属于此种类型。 （2 2）剪切变形曲线）剪切变形曲线 比较复杂比较复杂 岩体剪切变形曲线类型岩体剪切变形曲线类型 根据根据-u曲线的形状，残曲线的形状，残 余强度（余强度（r）与峰值强度）与峰值强度 （p）的比值，可分为）的比值，可分为3 类，如图所示：类，如图所示： 峰前斜率小，破坏位移大，峰前斜率小，破坏位移大，2

28、10mm；峰后位移；峰后位移，强度降低或不，强度降低或不 变，如图变，如图a所示。沿软弱结构面剪切时的情况。所示。沿软弱结构面剪切时的情况。 峰前斜率较大，峰值强度较高，有较明显应力降，如图峰前斜率较大，峰值强度较高，有较明显应力降，如图b所示。所示。 沿粗糙结构面、软弱岩体及风化岩体剪切时的情况。沿粗糙结构面、软弱岩体及风化岩体剪切时的情况。 峰前斜率大，有较清晰的线性段和非线性段，峰值强度大，破坏位峰前斜率大，有较清晰的线性段和非线性段，峰值强度大，破坏位 移小，移小，1mm左右，残余强度（左右，残余强度（r）较低，如图）较低，如图c所示。所示。 剪断坚硬岩体时的情况。剪断坚硬岩体时的情况

29、。 四、影响岩体变形性质的因素四、影响岩体变形性质的因素 岩体的岩性、结构面的发育特征、荷载条件、试件尺寸、试验方法岩体的岩性、结构面的发育特征、荷载条件、试件尺寸、试验方法 和温度等等。和温度等等。 结构面的影响（结构面效应）：结构面的影响（结构面效应）： 方位：导致岩体变形的各向异性、变形模量方位：导致岩体变形的各向异性、变形模量Em的各向异性；的各向异性； 密度：密度：，变形增大，变形增大，Em；充填特征；组合关系。；充填特征；组合关系。 岩体的强度性质岩体的强度性质 涉及到岩体结构、涉及到岩体结构、 结构面的状态、结构面结构面的状态、结构面 强度指标、节理面的力强度指标、节理面的力 学

30、效应岩体的强度。学效应岩体的强度。 岩体强度：指岩体抵抗外力破坏的能力。包括抗压强度、抗拉岩体强度：指岩体抵抗外力破坏的能力。包括抗压强度、抗拉 强度和抗剪强度。强度和抗剪强度。 一、岩体的剪切强度一、岩体的剪切强度 定义：岩体内任一方向剪切面，在法向应力作用下所能抵抗的最大剪定义：岩体内任一方向剪切面，在法向应力作用下所能抵抗的最大剪 应力。包括：抗剪断强度（应力。包括：抗剪断强度（n0，预定剪切面）；抗剪强度，预定剪切面）；抗剪强度 与岩块类与岩块类 似似 （n0，沿已有破裂面）；抗切强度（，沿已有破裂面）；抗切强度（n=0的抗剪断强度）的抗剪断强度） （1）原位剪切试验及其强度参数（）原

31、位剪切试验及其强度参数（C、）确定）确定 双千斤顶法直剪试验（在平巷中进行），如图所示。双千斤顶法直剪试验（在平巷中进行），如图所示。 岩体抗剪试验岩体抗剪试验 曲线 曲线 曲线 w u 一般来说，岩体中的一般来说，岩体中的m与岩块的与岩块的较接近；而岩体的较接近；而岩体的Cm大大低于岩大大低于岩 块的块的C。这说明结构面的存在主要降低了岩体的连结能力，进而降低其。这说明结构面的存在主要降低了岩体的连结能力，进而降低其 内聚力。内聚力。 为使剪切面上不产生力矩效应，合力通过剪切面中心为使剪切面上不产生力矩效应，合力通过剪切面中心O，使其接近于，使其接近于 纯剪破坏；另一千斤顶倾斜布置，纯剪破坏

32、；另一千斤顶倾斜布置，=15，每组试件应有，每组试件应有5个以上。个以上。 剪断面上：剪断面上： cos sin F T F Tp F为试件受剪截面积为试件受剪截面积 （2）剪切强度特征）剪切强度特征 岩体的剪切强度主要受结构面、应力状态、岩块性质、风化程度及岩体的剪切强度主要受结构面、应力状态、岩块性质、风化程度及 其含水状态等因素的影响。其含水状态等因素的影响。 高应力条件时，岩体的剪切强度较接近于岩块强度；高应力条件时，岩体的剪切强度较接近于岩块强度； 低应力条件下，岩体的剪切强度主要受结构面发育特征及其组合关低应力条件下，岩体的剪切强度主要受结构面发育特征及其组合关 系的控制。系的控制

33、。 工程荷载一般小于工程荷载一般小于10Mpa10Mpa（低应力），故与工程活动有关的岩体破坏（低应力），故与工程活动有关的岩体破坏 ，基本上受结构面的控制。，基本上受结构面的控制。 岩体的剪切强度不是单一值，而是具有上限（岩体的剪切强度不是单一值，而是具有上限（Upper limit & bound） 和下限（和下限（Lower limit & bound）的值域。其强度包络线也不是单一曲线，）的值域。其强度包络线也不是单一曲线， 而是有一定上限和下限的曲线族，如图而是有一定上限和下限的曲线族，如图6.8所示。所示。 岩体剪切强度包络线岩体剪切强度包络线 （上限上限为岩体的剪断强度，为岩体的

34、剪断强度，下限下限是结构是结构 面的抗剪强度）面的抗剪强度） 由图可知：由图可知： 较低时，较低时，变化范围较大，变化范围较大，变变 化范围变小；化范围变小； 0时，包络线为一曲线，岩体时，包络线为一曲线，岩体 强度强度将不受结构面的影响，趋向各向将不受结构面的影响，趋向各向 同性体。同性体。 二、裂隙岩体的压缩强度二、裂隙岩体的压缩强度 包括单轴抗压强度和三轴压缩强度。包括单轴抗压强度和三轴压缩强度。 原位试验工期长，费用高。原位试验工期长，费用高。 因此，人们就开始从理论上分析研究裂隙岩体的压缩强度。因此，人们就开始从理论上分析研究裂隙岩体的压缩强度。 耶格（耶格（Jaeger，1960）

35、提出单结构面理论。）提出单结构面理论。“结构面的结构面的 强度效应强度效应”。 1）单节理（单结构面）的力学效应单节理（单结构面）的力学效应 耶格（耶格（JaegerJaeger，19601960）提出提出单结构面理论单结构面理论。 “结构面的强度效应结构面的强度效应” 假定岩体中发育一组结构面假定岩体中发育一组结构面ABAB，ABAB面（法线方向）与最大主面（法线方向）与最大主 应力方向夹角为应力方向夹角为 ，由，由Mohr应力圆理论：应力圆理论： 2sin)( 2 1 2cos)( 2 1 )( 2 1 31 3131 （1） 结构面强度服从结构面强度服从Coulomb-NavierCou

36、lomb-Navier准则准则 ,见图（见图（b）。）。 jjf Ctg （2） （1 1）代入（）代入（2 2）得沿结构面）得沿结构面ABAB产生剪切破坏的条件：产生剪切破坏的条件： 2sin)ctgtg1 ( )tg(2 3 31 j jj C （3） 式中：式中：C Cj j，j j为结构面的粘聚力和摩擦角。为结构面的粘聚力和摩擦角。 1 1）当）当= =j j或或 时，时， 1 1，岩体不可能沿结构面破，岩体不可能沿结构面破 坏，而只能产生剪断岩体破坏；坏，而只能产生剪断岩体破坏； 2 2）当）当1 1，2 2时时 ，岩体才沿结构面破坏，如图（，岩体才沿结构面破坏，如图（c c ）所示

37、。）所示。 略略 2 21, 图图6.9 单结构面理论示意图单结构面理论示意图 结构面力学效应图给出了这两种破坏的强度包络线，如图结构面力学效应图给出了这两种破坏的强度包络线，如图 （d d）所示。）所示。 2sin)ctgtg1 ( )tg(2 3 31 j jj m C 由（由（3）式可知：）式可知： 三轴压缩强度 2sin)ctgtg1 ( 2 j j mc C 单轴抗压强度 如果岩体中含有两组以上结构面时，先给出每一组结构面单如果岩体中含有两组以上结构面时，先给出每一组结构面单 独存在的强度包络线（独存在的强度包络线（1 13 3），取其中最小的包络线为该），取其中最小的包络线为该 岩

38、体的强度包络线，并以此确定岩体的强度。岩体的强度包络线，并以此确定岩体的强度。 2）C j=0时的节理面力学效应时的节理面力学效应 当节理面不具有凝聚力时，其节理面的当节理面不具有凝聚力时，其节理面的 抗剪强度只能靠节理面之间的摩擦阻力。抗剪强度只能靠节理面之间的摩擦阻力。 在工程实践中，为了安全起见，一般在工程实践中，为了安全起见，一般 假设假设C j=0对边坡或地下洞室岩体的稳定性对边坡或地下洞室岩体的稳定性 进行分析，计算为维持岩体稳定所需提供进行分析，计算为维持岩体稳定所需提供 的支护力，如图示，计算结果将偏于安全。的支护力，如图示，计算结果将偏于安全。 （3） 按照库仑准则，其强度条

39、件为：按照库仑准则，其强度条件为： 2sin)ctgtg1 ( )tg(2 3 31 j jj C （3） 三、裂隙岩体强度的经验估算三、裂隙岩体强度的经验估算 岩体强度是岩体工程设计的重要参数，而做岩体的原位试验又十分费岩体强度是岩体工程设计的重要参数，而做岩体的原位试验又十分费 时、费钱，难以大量进行。因此，如何利用地质资料及小试件室内试验时、费钱，难以大量进行。因此，如何利用地质资料及小试件室内试验 资料，对岩体强度作出合理估算是岩石力学中重要研究课题。资料，对岩体强度作出合理估算是岩石力学中重要研究课题。 下面介绍两种方法：下面介绍两种方法： （1 1）准岩体强度）准岩体强度 该方法的

40、实质：用某种简单的试验指标来修正岩石（块）强度，该方法的实质：用某种简单的试验指标来修正岩石（块）强度， 做为岩体强度的估算值。做为岩体强度的估算值。 节理、裂隙等结构面是影响岩体的主要因素。引入弹性波知识，节理、裂隙等结构面是影响岩体的主要因素。引入弹性波知识， 根据弹性波在岩体和岩块中的传播情况，可判断岩体中裂隙发育程度。根据弹性波在岩体和岩块中的传播情况，可判断岩体中裂隙发育程度。 岩体的完整性（龟裂）系数，以岩体的完整性（龟裂）系数，以K表示：表示： “准岩体强度准岩体强度” 弹性波在岩石和岩体中的传播：弹性波在岩石和岩体中的传播： 龟裂系数（岩体完整性系数）：龟裂系数（岩体完整性系数

41、）： K= （Vpm/Vpr）2，其岩体完整性分类其岩体完整性分类: K0.75完整完整, K=0.450.75 块状；块状；K0.45碎裂状碎裂状 Vpm-岩体中弹性波的传播速度岩体中弹性波的传播速度 Vpr -岩石中岩石中弹性波的传播速度弹性波的传播速度 准岩体强度准岩体强度=龟裂系数龟裂系数岩石试件的强度。岩石试件的强度。 1）准岩体抗压强度：）准岩体抗压强度：mc=Kc 2）准岩体抗拉强度：）准岩体抗拉强度：mt=Kt 式中：式中：c、t为岩石试件的抗压（拉）强度。为岩石试件的抗压（拉）强度。 （2） Hoek-Brown经验方程经验方程 Hoek-Brown（1980）用试验法导出岩

42、块和岩体破坏时主应力间）用试验法导出岩块和岩体破坏时主应力间 的关系：的关系： 2 331cc Sm 式中：式中：1、3为破坏时的最大（小）主应力；为破坏时的最大（小）主应力； c为岩块的单轴抗压强度；为岩块的单轴抗压强度； m、S为与岩性及结构面情况有关的常数，查教材为与岩性及结构面情况有关的常数，查教材P109表表6- 5。 上式的剪应力表达式为：上式的剪应力表达式为： B c c TA)( 式中：式中：为岩体的剪切强度；为岩体的剪切强度；为法向应力；为法向应力；A、B为常数；为常数； )4( 2 1 2 SmmT 大量工程实践表明：大量工程实践表明：在工程荷载（小于在工程荷载（小于10M

43、pa）范围内）范围内，工工 程岩体的失稳破坏有相当一部分是沿软弱结构面破坏的。因此，程岩体的失稳破坏有相当一部分是沿软弱结构面破坏的。因此， 结构面的强度性质的研究是评价岩体稳定性的结构面的强度性质的研究是评价岩体稳定性的关键关键。 在工程荷载作用，结构面及其充填物的变形是岩体变形的主在工程荷载作用，结构面及其充填物的变形是岩体变形的主 要组成部分，控制着工程岩体的变形特性。要组成部分，控制着工程岩体的变形特性。 结构面是岩体中渗透水流的主要通道。结构面是岩体中渗透水流的主要通道。 工程荷载作用下，岩体中的应力分布受结构面及其力学性质工程荷载作用下，岩体中的应力分布受结构面及其力学性质 的影响。的影响。 4.4.