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1、*1 岩石力学岩石力学 第三章第三章 岩体的力学性质岩体的力学性质 3.13.1岩体结构面的力学性质岩体结构面的力学性质 3.1.13.1.1概念概念 n n 结构面结构面 天然岩体中往往具有明显的地质遗迹，如假整合、天然岩体中往往具有明显的地质遗迹，如假整合、 不整合、褶皱、断层、节理、劈理等。他们在岩体不整合、褶皱、断层、节理、劈理等。他们在岩体 力学中一般都力学中一般都统称为节理统称为节理。由于节理的存在，造成。由于节理的存在，造成 了介质的不连续，因而这些界面又称为不连续面或了介质的不连续，因而这些界面又称为不连续面或 结构面结构面。 所有的结构面中，最危险的是未充填的开口的光滑所有的
2、结构面中，最危险的是未充填的开口的光滑 节理面节理面。 节理岩体的强度介于节理强度和岩块强度之间。节理岩体的强度介于节理强度和岩块强度之间。 *2 岩石力学岩石力学 n n 结构面实验方法结构面实验方法 实验室试验法实验室试验法 倾斜仪法倾斜仪法 直剪仪法直剪仪法 三轴仪发三轴仪发 倾斜仪法倾斜仪法 直剪仪法直剪仪法 *3 岩石力学岩石力学 现场试验法现场试验法 岩体、弱面、软夹层的现场压剪方法示意图岩体、弱面、软夹层的现场压剪方法示意图 *4 岩石力学岩石力学 n n 岩体破碎程度的指标岩体破碎程度的指标 裂隙度裂隙度 o o 裂隙度裂隙度K K是指沿着取样线方向，单位长度上节理是指沿着取样
3、线方向，单位长度上节理 的数量。的数量。 o o 设某节理取样线长度为设某节理取样线长度为L L，沿，沿L L内出现节理的数内出现节理的数 量为量为n n，则，则 o o 沿取样方向节理的平均间距沿取样方向节理的平均间距d d为为 *5 岩石力学岩石力学 切割度切割度 o o 切割切割度度 是指岩体被节理割裂、分离的程度。是指岩体被节理割裂、分离的程度。 o o 仅含一个节理面的平直断面，节理面面积仅含一个节理面的平直断面，节理面面积 ，平，平 直断面面积直断面面积A A，其，其切割切割度度 为为 o o 当岩体被完全切割时，当岩体被完全切割时， ；未被切割时，；未被切割时， ；可见，当；可见
4、，当 时，岩体是部分被切割时，岩体是部分被切割 o o 若在同一平直断面出现面积为若在同一平直断面出现面积为 的几个的几个 节理面，则切割节理面，则切割度度 为为 *6 岩石力学岩石力学 3.1.23.1.2结构面的变形特性结构面的变形特性 n n 法向变形法向变形 古德曼法，法向应力古德曼法，法向应力 与结构面闭合量与结构面闭合量 的关系：的关系： 式中：式中： 为原位压力；为原位压力； 为最大可能闭合量；为最大可能闭合量； 是与结构面几何特征、岩石力学性质有关的是与结构面几何特征、岩石力学性质有关的 两个参数；两个参数； *7 岩石力学岩石力学 结构面法向变形曲线结构面法向变形曲线 *8
5、岩石力学岩石力学 n n 剪切变形剪切变形 古德漫法，剪切刚度古德漫法，剪切刚度 可以由下式表示：可以由下式表示： 式中，式中， 是初始剪切刚度，是初始剪切刚度， 是产生较大剪切位移是产生较大剪切位移 时的剪应力渐进值。时的剪应力渐进值。 试验结果表明，对于较坚硬的结构面，剪切刚度一试验结果表明，对于较坚硬的结构面，剪切刚度一 般是常数；对于松软结构面，剪切刚度随法向应力般是常数；对于松软结构面，剪切刚度随法向应力 的大小而改变。的大小而改变。 *9 岩石力学岩石力学 结构面剪切变形曲线结构面剪切变形曲线 *10 岩石力学岩石力学 从下图模型可以看出，结构面的剪切变形与岩石强从下图模型可以看出
6、，结构面的剪切变形与岩石强 度、结构面粗糙性和法向力有关。度、结构面粗糙性和法向力有关。 结构面剪切力学模型结构面剪切力学模型 *11 岩石力学岩石力学 n n 抗剪强度抗剪强度 结构面抗剪强度一般可以用库仑准则描述结构面抗剪强度一般可以用库仑准则描述： 式中，式中， 分别是结构面上的黏结力和摩擦角，分别是结构面上的黏结力和摩擦角， 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。 *12 岩石力学岩石力学 凸台模型的剪应力与法向应力的关系曲线凸台模型的剪应力与法向应力的关系曲线 *13 岩石力学岩石力学 n n 巴顿准则巴顿准则 该准则为一经验公式：该准则为一经验公式： 式中，式中，
7、 是结构面的抗压强度，是结构面的抗压强度， 是岩石表面的基是岩石表面的基 本摩擦角，本摩擦角， 为结构面粗糙性系数。为结构面粗糙性系数。 当当 ，上式变为，上式变为 即转化成平滑节理（无黏结力）的库仑准则。即转化成平滑节理（无黏结力）的库仑准则。 *14 岩石力学岩石力学 3.23.2岩体的力学性质岩体的力学性质 3.2.1 3.2.1 岩体力学试验岩体力学试验 n n 一般概念一般概念 岩体与岩块的差异岩体与岩块的差异 o o 组构方面：组构方面：岩块含岩石材料及微小节理；岩块含岩石材料及微小节理；岩体含岩体含 岩块及多组较大的节理；岩块及多组较大的节理； o o 力学性质方面力学性质方面
8、：岩体比岩块弹模小、峰值强度：岩体比岩块弹模小、峰值强度 低、残值强度低、变形（蠕变）大、泊松比大、低、残值强度低、变形（蠕变）大、泊松比大、 各向异性；极端坚固完整岩体的强度各向异性；极端坚固完整岩体的强度岩块强度岩块强度 ，节理极端发育岩体的强度，节理极端发育岩体的强度 0.51.0m时，性状即稳定，故时，性状即稳定，故 通常可认为在该尺寸以上即代表岩体；（通常可认为在该尺寸以上即代表岩体；（A A为试为试 件的横截面积）件的横截面积） *16 岩石力学岩石力学 n n 岩体力学试验特点与方法岩体力学试验特点与方法 原则上，与岩块试验无异。不同的是：试体大、设原则上，与岩块试验无异。不同的
9、是：试体大、设 备大、代价大；备大、代价大； 岩体试验多在现场原位（岩体试验多在现场原位（in-situin-situ）切割试体，进行单）切割试体，进行单 轴压缩、三轴压缩及压剪试验，一般试体尺寸为轴压缩、三轴压缩及压剪试验，一般试体尺寸为0.5 0.5 1.5m1.5m； 加载设备用普通千斤顶、矮千斤顶和扁千斤顶；加载设备用普通千斤顶、矮千斤顶和扁千斤顶； 原始切割试体的工程浩大，费用高昂；原始切割试体的工程浩大，费用高昂； 现场原位试验，要求一次将测试目标：现场原位试验，要求一次将测试目标： 测定；应测定；应 力应变曲线测定；强度指标和强度准则确定等全部力应变曲线测定；强度指标和强度准则确
10、定等全部 完成。完成。 *17 岩石力学岩石力学 n n 岩体力学计算指标的选取与修正岩体力学计算指标的选取与修正 原则上：岩体指标原则上：岩体指标 岩块指标，取岩块指标；岩体指岩块指标，取岩块指标；岩体指 标标岩块指标，取岩体指标；岩块指标，取岩体指标； 岩体指标：有条件的，可作试验测定；不能试验的岩体指标：有条件的，可作试验测定；不能试验的 ，可暂先选取经验数据；，可暂先选取经验数据； 岩体内摩擦角岩体内摩擦角 岩块内摩擦角；岩块内摩擦角； 已知岩体的已知岩体的C C和和 ，可近似求得岩体单轴抗压强度：，可近似求得岩体单轴抗压强度： 再根据格氏准则，可近似求得岩体抗拉强度：再根据格氏准则，
11、可近似求得岩体抗拉强度： 用岩体力学性质经验数据对工程进行的初步计算，用岩体力学性质经验数据对工程进行的初步计算， 在工程开工后，应根据实测的应力，经资料加以适在工程开工后，应根据实测的应力，经资料加以适 当修正。当修正。 *18 岩石力学岩石力学 3.2.2 3.2.2 岩体变形特性岩体变形特性 n n 岩体的单轴和三轴压缩变形特征岩体的单轴和三轴压缩变形特征 现场岩体循环压缩应力现场岩体循环压缩应力应变全过程曲线应变全过程曲线 *19 岩石力学岩石力学 n n 现场岩体变形模量测量过程曲线现场岩体变形模量测量过程曲线 *20 岩石力学岩石力学 n n 岩体剪切变形特征岩体剪切变形特征 岩体
12、原位抗剪试验曲线岩体原位抗剪试验曲线 *21 岩石力学岩石力学 n n 影响岩体变形性质的因素影响岩体变形性质的因素 结构面方位；结构面方位； 结构面的密度；结构面的密度； 结构面的张开度及充填特征；结构面的张开度及充填特征； *22 岩石力学岩石力学 3.2.3 3.2.3 岩体的强度性质岩体的强度性质 n n 一般概念一般概念 节理发育岩体，抗拉强度极弱，可概括为无拉力准则；节理发育岩体，抗拉强度极弱，可概括为无拉力准则； 岩体的单轴压缩、三轴压缩及压剪试验证实，大部分岩体岩体的单轴压缩、三轴压缩及压剪试验证实，大部分岩体 在受压区符合库仑准则，但其强度低于岩块强度；在受压区符合库仑准则，
13、但其强度低于岩块强度； 岩体强度必介于岩块强度与最弱面强度之间的一个范围；岩体强度必介于岩块强度与最弱面强度之间的一个范围； 岩体强度的具体情况，应根据试验具体确定；岩体强度的具体情况，应根据试验具体确定； *23 岩石力学岩石力学 n n 单节理面理论单节理面理论 单结构面理论分析图单结构面理论分析图 *24 岩石力学岩石力学 莫尔应力圆，有：莫尔应力圆，有： 结构面强度服从库仑准则结构面强度服从库仑准则 沿结构面沿结构面ABAB产生剪切破坏的条件：产生剪切破坏的条件： *25 岩石力学岩石力学 n n 单结构面岩体强度分析单结构面岩体强度分析 单结构面岩体强度分析单结构面岩体强度分析 *2
14、6 岩石力学岩石力学 n n 结构面力学效应结构面力学效应 单结构面力学效应单结构面力学效应 *27 岩石力学岩石力学 n n 岩体强度的估算岩体强度的估算Hoek-BrownHoek-Brown经验公式经验公式 式中，式中， 为破坏时的最大主应力；为破坏时的最大主应力； 为作用在岩石为作用在岩石 试样上的最小主应力；试样上的最小主应力； 为岩块的单轴抗压强度；为岩块的单轴抗压强度； 为与岩性及结构面情况有关的常数。为与岩性及结构面情况有关的常数。 将将 代入上式，可解得岩体的单轴抗拉强度为：代入上式，可解得岩体的单轴抗拉强度为： 剪应力表达式为：剪应力表达式为： *28 岩石力学岩石力学 3.3 3.3 岩体质量评价及其分类岩体质量评价及其分类 3.3.1 3.3.1 分类目的与原则分类目的与原则 目的目的 o o 提供必要的计算指标参数；提供必要的计算指标参数
