第五讲岩体的力学特性

1、第三章 岩体的力学特性第3.1节第3.2节3.1 岩体结构 岩体：由结构面和结构体组成的地质体，结构体和结构面称为岩体结构单元或结构要素； 岩体结构：是指结构面和结构体的规模、发育程度和组合方式； 岩体结构的类型和特征： 中国科学院地质研究所的古德振教授领导的研究组提出的分类及其特征描述在我国应用得比较普遍：见第一章P4P4上的表1-1。岩体的特征：结构面和结构体3.1.1 结构面的类型1.结构面的成因和类型（1）原生结构面：成岩过程中所形成的结构面，其特征与岩体成因密切相关，分为以下三类：岩浆结构面：岩浆侵入和冷凝过程中形成的结构面；沉积结构面：沉积过程中形成的岩层分界面；变质结构面：在区域

2、变质作用中形成的结构面。（2）构造结构面：地质构造运动作用（内外动力地质作用）所形成的结构面。 断层：两侧具有明显位移（错动）的不连续面 张性断层：张拉应力产生，也称为正断层：断层面上粗糙不平、很少擦痕； 压剪性断层：压、剪应力产生，一般会产生逆断层和平移断层：断层面平整光滑、有平移擦痕； 节理：两侧不具有明显位移的不连续面 张节理：张拉应力作用产生； 剪节理：压剪应力作用产生； 层面节理：构造应力作用下在层状上产生； 劈理：在地应力作用下，岩石沿着一定方向产生密集的、大致平行的剪切破裂面。（3）次生结构面：在外地质营力（如风化作用）和人为活动（如爆破、开挖）作用下形成的结构面。 对于不同的作

3、用，所产生的次生结构面的特点不同。一般对于风化作用的次生结构面有一定的规律可寻，但对于人为活动产生的结构面随产生的原因不同而不同。总体上，这种结构面的特点是发育呈无序状态，结构面不平整、不连续。岩体软弱夹层：岩层之间的一层性质 原生软弱夹层： 沉积型：包括粘土夹层、页岩夹层、泥灰岩夹层和石膏夹层； 变质型：包括云母片岩、绿泥石片岩、滑石片岩等； 火成型：包括一些凝灰质软弱夹层。 构造软弱夹层： 由于构造运动在原有的弱面和软弱夹层的基础上或原断层上产生错动而形成，断层破碎带就是典型的构造软弱夹层。 次生软弱夹层：风化和地下水作用产生的软弱夹层。3.1.2 结构面的自然特征： 充填特征： 结构面之

4、间无充填 结构面之间有充填：u 薄膜充填：厚度小于2mm的矿物薄膜。u 断续充填：厚度小于结构面的起伏差。u 连续充填：厚度稍小于结构面的起伏差。u 厚层充填：厚度大，数十cm或数m。 形态特征： 平直型 波浪型 锯齿型1. 台阶型见图3-6所示 结构面的空间分布：是指结构面的空间产状、结构面的延展性、密集程度和空间组合关系。 结构面的产状：结构面的走向、倾向、倾角及其变化规律。 结构面的延展性：指结构面在某方向上的延续性及其长短程度，用切割度表示：切割度是指岩体被节理割裂分离的程度，用Xe。 当某一横贯所考虑岩体且面积为A的横截面与单一面积为a的结构面重叠时，其切割度为：AaXeAa 当与多

5、个结构面重合时，则为：AaAaaXie21a1a2aiA 结构面密度：是指结构面发育的程度，可用结构面的裂隙度、间距、面密度或体密度表示。裂隙度（K）：是指沿着取样方向，单位长度上节理的数量，设取样长度为L，其上的节理条数为n，则K的表达式为：当 L与结构面法线方向l一致时，裂隙度就是线密度： n组节理时，裂隙度K为各组节理的裂隙度之和：nbaKKKK 两组节理面，分组计算再求和两组节理面，分组计算再求和nKLnKl （3-3）注意：这里的公式表示与教材的有所不同。结构面间距：指结构面沿取样线上的平均间距（伪间距），即是裂隙度的倒数，用d表示为：结构面的张开度：是指结构面裂口张开的程度，一般用

6、测量量化的方式表示：很密闭：小于0.1mm；密闭：0.11mm；中等张开：15mm；张开：大于5mm。1LdKn或者垂直间距：（3-6）1ndKl 3.1.3 结构面的力学性质： 包括：结构面的变形（法向和切向变形）性质和强度性质。法向变形（包括法向压缩和法向拉伸变形） 结构面的法向压缩变形：试验研究表明法向应力与法向变形之间呈非线性关系：ntnnnsmax（3-7）Goodman等人试验经验公式，s和t是与结构面几何特征、岩石力学性质相关的两个试验参数，可由试验确定。 由初始条件确定，见下页： 式中 是原位应力，由试验时的初始条件决定，见下图所示。 n max n 法向变形刚度（Kn）：结构

7、面法向变形的能力，反映结构面产生单位法向变形的法向应力梯度，见图3-10所示 。2max0max00nnnnnKKKK（3-8）Bandis等人（1984）通过大量的实验也给出了：法向应力和法向变形之间的关系式如下（为双曲线型关系式）：nnnba（3-9）式中a、b为常数，由试验所测得。则由上式（3-9）求导数得到，法向变形刚度（Kn）：2nnnnbaaddK（3-103-10）结构面的法向拉伸变形： 结构面的拉伸变形性质见图3-11所示：小的拉伸变形和小的拉伸强度。 结构面的拉伸变形一般很小，工程中一般不用这个性质。图3-11 结构面压拉全过程曲线（拉）（闭合）（压缩）t 0（张开）t结构面

8、所受的初始应力拉伸应力状态，峰值强度很低。峰值强度后迅速降低至零。根据岩土力学压正拉负的规定，此图正负搞反了。u结构面的剪切变形： 结构面的剪切变形在岩体的力学性质中占有重要的地位，也是同结构面强度一起研究得最多的一个力学性质之一。（1）非充填粗糙结构面： 变形特征如图3-12(b)中的曲线A，变形快速达到剪切峰值后开始衰减， 有粘滑现象产生，并最终趋于某一稳定值；（2）平坦结构面(含充填物)： 变形特征如图3-12（b）中的曲线B，剪切强度随剪切变形逐渐增大，最终达到某一稳定值。粗糙结构面平坦结构面粘滑现象，高应力条件下断粘滑现象，高应力条件下断层地震机制。层地震机制。 剪切变形刚度： 与法

9、向变形刚度一样，首先应建立法向剪应力与法向变形量之间的关系，然后来求算Kt。在没有确定的剪应力-变形关系的数学表达式时，在弹性区内剪切变形刚度定义为：剪切方向上单位变形内的应力梯度，用Kt表示：ttddK（3-11）根据Goodman的研究，Kt可表示为：sttKK10（3-12）式（3-10）和式（3-12）均是通过试验得到的经验公式，对于研究工作来说只有一定的指导作用。 坚硬的结构面：对于坚硬的结构面，Kt值比较稳定。 松软的结构面：对于松软的结构面，Kt与法向应力的大小有关，不是一个稳定值。 结构面刚度的作用：体现结构面法向和切向的应力-变形之关系（本构关系）；在不连续岩体工程数值模拟分

10、析中为必不可少的参数。（3）充填粗糙结构面： 充填物厚度低于结构面主力突台时：类似无充填粗糙结构面，如图3-12（b）中的A类曲线的情形；a. 充填物厚度超过结构面主力突台时：取决于充填物的性质（如充填层厚度、充填物颗粒大小、含水量）。3. 结构面的抗剪切强度 抗剪切强度是结构面抵抗剪切破坏的能力，是结构面的最主要的力学性质之一，也是不连续岩体力学研究的重点方向和难点，这是因为结构面的复杂性决定的。平直无充填的结构面： 结构面的抗剪强度为： j和Cj分别为结构面的摩擦角和粘聚力。需要指出的是，这两个参数是采用这种平直型岩石结构面进行试验测试得到的值。平直剪切面模型jjCtg（3-13） 凹凸不

11、平结构面的力学模型： 见图3-13所示：爬坡型：法向压力较小时，爬坡越坡。出现法向位移，这种现象称为剪胀现象。爬坡剪断型：法向应力增大，初期爬坡，后期剪断；前期爬坡剪胀，后期剪断时剪胀消失。直接剪断型：法向压力大，没有初期爬坡，直接剪断 突台的根部；剪胀现象不明显。剪涨试验研究表明，结构面的抗剪强度可以用库仑准则表述为：注意b为岩石平坦表面的基本摩擦角，实验中要求采用平面型的岩石结构面进行测试得出其值的大小。结构面受剪初期，产生爬坡剪胀现象，剪应力与法向应力近似呈线性关系。随着剪应力增加，变形的发展，爬坡到突台上部时，产生剪断突台顶部的现象，此时爬坡角i=0，进入剪切变形阶段，直至达到峰值剪切

12、强度。tannbctan(+ )nbi较低的法向应力时：较高的法向应力时：虚线pBarton等人提出的抗剪强度计算公式：JCS为结构面壁岩石单轴抗压强度；JRC为结构面粗糙性系数，它可以根据试验得到的经验公式（3-15）确定，也可以根据由Barton等人给出的结构面粗糙性图谱图（3-15）确定。)log(tanbnnJCSJRC（3-14）nbpJCSJRC/log（3-15）是对应的峰值剪切角，见教材图3-14。p影响结构面力学性质的因素：尺寸效应：随着尺寸的加大，有下列影响：平均摩擦角减小；平均峰值剪应力减小；峰值剪涨角减小；破坏形式由脆性向延性破坏转化；达到峰值强度时的位移量增大；随着结

13、构面粗糙度的减小，尺寸效应也减小。前期变形历史：新鲜的结构面的抗剪切强度比产生过变形的剪切面的强度明显要高，反复剪切实验证实了这一点。后期充填性质：结构面形成后的充填物是影响结构面性质的主要因素之一，泥化夹层（蒙脱石、伊利石、高岭土等）影响明显。 什么是工程岩体分类？ 通过岩体的一些简单和容易实测的指标，把地质条件和岩体力学性质参数联合起来，并借鉴已建工程设计、施工和处理等成功与失败方面的经验教训，对岩体质量进行归类的一种方法就叫做工程岩体分类。 工程岩体分类的意义 通过分类，概括地反应各类岩体的质量好坏，预计可能会出现的岩体工程力学问题，为工程设计、支护衬砌、建筑选型和施工方法等提供参考依据

14、。 （把复杂问题简单化）3.2 工程岩体分类简易分类法：一般凭经验和观察而定，为定性方法，分类方法见表3-4。钻进长度的岩芯累积长度）（100)(10cmptLLRQD（3-16） 岩石质量指标RQD值法：由美国的Deere等人于1964年提出，是工程中常用的量化方法之一：钻孔中10cm以上岩芯的累积长度与钻孔长度的比值。分类方法见表3-5。 岩芯钻取与RQD值的计算实例学生课堂计算：答案？岩体地质力学分类法（RMR法）：由南非科学和工业研究委员会（CSIR）提出，RMR分类法包括：岩块强度、RQD值、节理间距、节理条件及地下水五个指标组成，见表3-6。（对照表3-6具体讲解）通过表3-6得到

15、基本得分值。（由于岩体节理对岩体质量的重要影响）后来对表3-6进行了修正。即先根据表3-8中的节理产状得到对隧道开挖的影响程度。再根据影响程度参照表3-7给出修正评分值。将表3-7中的修正评分值与表3-6的基本得分值相加，得到修正后的得分值。最后，根据修正后的得分值从表3-9中得到岩体的类级。需要指出的是：1.从顺序上，表3-7应该编排在表3-8的后面，便于教学。2.在表3-8中，是专门针对隧道工程而言的；而对于表3-7中涉及的地基和边坡问题，本书则没有介绍节理产状的影响程度。巴顿岩体质量分类（Q法）：挪威地质学家（N.Barton，1974）等人提出的分类方法，其分类指标Q值为：SRFJJJJRQDQwarn 岩体BQ分类法（国家工程岩体分级标准（GB50218-94）：使用时分三个步骤进行： 首先确定岩体基本指标BQ值：根据公式（3-19）；Rcw岩石饱和单轴抗压强度；Kv为岩体完整性系数，为岩体中纵波传播速度与岩石中纵波传播速度之比的平方，即：2mpvrpvKv（3-20）903250cwvBQRK（3-19）由计算得到的BQ值，采用公式（3-21）进行工程修正，得到B