岩体的基本力学性能与分级标准

岩体的基本力学性能与分级标准一、岩体破坏形式挠曲、剪切、拉伸及压缩等四种形式。二、岩体变形特征（一）岩体应力—应变曲线分析岩体中存在各种裂缝和空隙，因此在受载的开始阶段体积减小，但到一定的阶段体积又增大。根据目前的试验研究，可把岩体受力后产生变形和破坏的过程分为四个阶段，其应力应变曲线见图1-21。（1）压密阶段。该阶段是受力的复杂多裂隙岩体首先出现的（图1-21中I）。其变形主要是非线性的压缩变形，表现为应力应变曲线呈凹状缓坡。（2）弹性阶段。岩体经过压密后，可认为是连续介质。如果继续加载就进入弹性阶段（图1-21中=2*ROMANII）。该阶段的主要特点是，岩体中的结构体开始承载和变形，岩体变形的主要组成部分是弹性变形。即变形随载荷的增加基本上按比例增长，表现为应力应变曲线呈直线型。（3）塑性阶段。如果继续加载当应力达到屈服点以后，岩体变形就进入塑性阶段（图1-21中=3*ROMANIII）。该阶段的主要特点是以沿结构面滑移变形为主的剪切滑移变形，伴随着结构体的变形，开始出现微破裂并逐渐增加，出现扩容、应变强化等现象。（4）破坏阶段。如岩体承受的载荷不断增长，其变形增长率也不断增大，当应力达到极限强度时，岩体会沿着某些破损面滑动，于是就从塑性阶段进入破坏阶段（图1-21中=4*ROMANIV）。其特点是，应力应变曲线基本上缓慢下降，标志着岩体处于破裂积累阶段，当积累到一定程度后，岩体才失去稳定而发生完全破坏。此时，岩体内不仅出现因原有裂缝的扩展而发展的新裂缝，并且出现因结构体转动以及结构面滑移所产生的内部空洞，因而，岩体体积较之前大大膨胀，其纵向变形也由于岩体开始破坏而大为增加。图图1-21岩体应力应变曲线1－转化点；2－屈服点；3－极限强度（二）影响岩体变形的因素（1）岩体结构的影响=1*GB3①整体结构岩体：岩体的应力应变曲线与其组成岩石的变形曲线类似，但纵、横向变形都比岩石大，这是由于岩体内部包含较多微裂隙，体积远大于其结构岩块的缘故。=2*GB3②层状结构岩体：岩体的变形特征具有明显的各向异性。垂直层理加载时，其变形主要是层理与节理的闭合和压密，故横向变形比纵向变形小；平行层理加载时，初期的变形特征与均质岩体类似，但后期却因为层间的离层，而使其塑性变形增加。=3*GB3③块状结构岩体：当为滑块式块状结构时，其变形主要是沿结构面的滑移和压缩，以及结构体的内在变形；当为砌块式块状结构时，由于变形成分既包括结构面的压缩和滑移变形，又包括结构体的变形和扩容，造成“假塑性变形”现象，所以其变形十分复杂，过程特征接近于典型的岩体应力应变曲线。=4*GB3④碎裂结构岩体：其变形特征一般认为是结构面的压缩和滑移变形起主要作用。=5*GB3⑤散体结构岩体：这种岩体受压后，由于碎屑或颗粒间的空隙减少，其体积将缩小。（2）岩体结构面的影响该影响又称岩体变形的结构效应，指岩体中结构面性质、密度、产状和组合方式对其变形的影响。=1*GB3①结构面性质的影响=2*GB3②结构面密度的影响=3*GB3③结构面产状的影响=4*GB3④结构面组合方式的影响（3）试验条件的影响岩体的变形与载荷大小、方向以及试件尺寸等试验条件有很大的关系。三、岩体强度及其影响因素试验证实，软弱结构面具有一定的抗剪强度，并且大部分岩体在强度曲线的受压区仍符合库仑-莫尔准则，所以根据理论分析显然可以认为，含有结构弱面的岩体总强度既不高于结构体的强度，也不低于结构弱面的强度，如图1-22所示。图图1-22岩体强度曲线范围1－结构体强度曲线；2—结构弱面强度曲线；3—岩体强度曲线的可能范围影响岩体强度的因素有：1．结构面产状它是指结构面与作用力之间的方位关系对岩体强度所产生的影响。（1）单压下结构面产状。实验表明，层状岩体在单压下，加载方向与层理面呈不同角度，极限强度会随夹角不同而有规律地变化，并且平行于层理加载的抗压强度和抗剪强度小于垂直于层理方向加载时的相应强度，抗拉强度则大于垂直于层理的抗拉强度。（2）三轴力下结构面产状。岩体在三轴压力下，结构面产状对岩体强度的影响比单压下复杂。因此，为确定岩体强度，应根据实验作出的岩石强度曲线，针对不同侧应力，作出结构面不同倾角的岩体强度变化曲线，常称为岩体强度图（或称为约翰图）。如果已知侧向应力和结构面与方向的夹角，从岩体强度图上查得“岩体－岩石”强度换算系数，再乘以同侧压下的岩石极限强度，就可得到岩体抗压强度。2.结构面密度结构面密度是指单位岩体内发育的结构面数量。通常，结构面密度对岩体强度的影响主要有两方面：相同条件下，岩体内结构面数量越多，密度越大，变形也越大，但强度越低；岩体强度不会因结构面密度的增大而无限降低，而是存在一个临界值，大于此值时，结构面密度对岩体变形和强度的影响就很小。3.试件尺寸试件尺寸对岩体强度的影响的大小主要取决于岩体结构特征或破坏程度，并与结构面产状、密度以及结构面蜕化程度和结构体特征有很大关系。4.环境围压=1*GB3①围压的大小，影响岩体的破坏方式。高围压时形成穿切岩石材料的共轭剪切面破坏，低围压时，沿结构面滑动或松胀解体，形成轴向劈裂破坏。=2*GB3②岩体抗剪强度随围压的增大而增大，但不呈直线关系，在低围压增大的快，高围压增大的慢。=3*GB3③围压增大，岩体的变形模量也明显提高。=4*GB3④岩体中结构面的力学效应随围压的增大而减小，当围压达到某一临界值时，岩体中结构面效应完全消失，此时岩体从脆性破坏变为延性破坏。5.孔隙水压孔隙水压（即存在于岩体孔隙及裂隙中的水压力）与岩体的强度有密切关系。这是因为由于孔隙水压的存在，而使岩体中固体颗粒或骨架所承受的压力随之减小，岩体强度也就相应的降低。四、岩体的分级标准（一）工程岩体分类原则工程岩体分类的原则为=1*GB3①确定分类的使用对象，是为适用于某一类工程、某种工业部门或生产领域等专门目的编制的，还是为各学科或国民经济各部门等通用目的编制的。=2*GB3②分类应该是定量的并且其级数应合适（一般为五级）。=3*GB3③在对岩体进行工程分类时，由于目的对象不同，考虑的因素也不同。一般必须考虑的有岩性、岩体结构及构造特征、风化程度、水文条件以及初始地应力状态等具有明确的物理意义和独立影响的因素。=4*GB3④工程岩体分类方法与步骤应简单明了，结果便于记忆和应用。（二）工程岩体代表性分类简介1.岩石材料的工程分类它是指不考虑岩体结构时，对组成岩体的岩石材料（结构体）进行工程分类。这里主要介绍的是近几十年来，被国内外广泛推荐的Miller-Deere分类方案，它是基于岩石的单轴抗压强度和弹性模量两项力学性质指标来进行分类的，其过程分为三步。（1）岩石的单轴抗压强度分级根据岩石的单轴抗压强度（试件长度与直径之比不小于2），可将其划分为五个等级，如表1-14。表1-14岩石的单轴抗压强度Rc分级岩石等级岩石强度Rc（Mpa）代表岩石A极高>225石英岩，硅质岩，辉长岩等B高112～225岩浆岩，白云岩，变质岩，质硬得页岩等C中等56～112多孔隙砂岩，片岩及大部分页岩D低23～56多孔隙或低致密岩石，包括泥质页岩，风化岩石，易碎砂岩等E极低<23（2）岩石弹性模量强度分级据岩石的弹性模量E（其值为应力等于极限强度一半时的切线模量）与单轴抗压强度Rc的比值，可将岩石划分为三个等级，如表1-15。表1-15岩石模量比强度分级岩石等级模量比E/RcH高>500M中等200～500L低<200表1-16岩体工程分类参数及评分标准1完整岩石强度（MPa）点荷载强度>104～102～41～2单轴抗压强度>250100～25050～10025～505～251～5<1评分1512742102RQD/%90～100759050～7525～50<25评分201713833节理间距/cm>20060～20020～606～20<6评分201510854节理状态节理面很粗糙，不连通，闭和，两壁岩石新鲜节理面稍粗糙，张开宽度<1mm,两壁岩石轻度风化节理面稍粗糙，张开宽度1mm,两壁岩石高度风化节理连通，夹泥厚度<5mm,或张开宽度为1～5m节理连通，夹泥厚度>5mm,或张开宽度>5m评分3025201005围岩含水性硐室每10m长段涌水量（L/min）0.00.0～0.10.1～0.20.2～0.5>0.5硐室干燥程度干燥稍潮湿潮湿滴水涌水评分1510740表1-17按节理产状修正得RMR评分值节理产状与巷道工程的关系节理走向与巷道轴线垂直节理走向与巷道轴线平行不考虑走向与巷道轴线关系顺倾向掘进逆倾向掘进节理倾角45°～90°20°～45°45°～90°20°～45°45°～90°20°～45°0°～20°最有利有利尚可不利最不利尚可不利评分修正值0－2－5－10－12－5－10表1-18岩体工程分级表岩体等级岩体质量描述岩体评分值RMR平均自稳时间内聚力（kPa）摩擦角=1