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1、第 四 章 岩 体 的 力 学 性 质 4-1 岩体的结构 岩体的结构是指岩体中结构面和结构体的形态和组合特征。 按岩体被结构面切割程度或结构体的形态特征，可将岩体结 构划分为以下几种基本类型： 岩体结构 整体结构 层状结构 块状结构 碎裂结构 散体结构 层状结构 薄层状结构 镶嵌结构 层状碎裂结构 碎裂结构 一、整体结构 岩性单一，节理不发育，无软弱结构面或 夹泥，层面结合良好，渗流对岩体特性影响 不大，结构尺寸大于工程尺寸。可视为均质 、各向同性的连续介质。 完整性系数 0.75 结构面级别 、V 结构面间距 1m 二、块状结构 节理发育，有若干软弱夹层或贯通微张裂 隙将岩体切割成柱状、块
2、状或菱形等结构体 。工程范围内，有两组以上节理明显发育， 构成影响工程稳定性的危险岩块，其尺寸小 于工程几何尺寸。 结构面间距 0.51 m 完整性系数 0.350.75 结构面级别以、V为主 三、层状结构 由中厚（0.10.5 m）及薄层（0.1m）的 均一、坚硬、软弱或软硬相间的沉积岩或沉 积变质岩形成的岩体。结构面以层理、片理 、节理为主，往往有层间错动，结构体呈板 状、片状互相紧密叠合。工程范围内，一组 节理明显发育，在层内具有均一的地质特征 与力学特性，属各向异性、层内均质的连续 介质。 完整性系数：层状 0.30.6； 薄层状 0.4 结构面级别: 层状 以、为主；薄层状 、显著
3、结构面间距：层状 0.30.5 m ； 薄层状 0.3 m 四、碎裂结构 构造发育，各种结构面与断裂交叉发育，且多为泥质充填 。岩体破碎，呈块状或片状，局部裹有坚硬的大块或条块状岩 石，属不均一的不连续介质。 岩体完整性系数结构面间距结构面级别 镶镶嵌结结构0.36 0.5m 、级级密集 层层状碎裂结结构0.4 0.5m 、发发育 破碎结结构0.3 23)的强度计算 在123状态下，某一平面法线的方向余弦为L,M,N。则 法向应力： 剪应力： 因 可得： 分别令L，M，N=0，则在-平面坐标内表示时三个应力圆。 若令L= M = N= 则得八面体正应力和剪应力： 上式可写为： （2）假三轴试验
4、（1 3 ，23)的强度计算 在1 3 ，23状态下，可化为平面问题。 法向应力： 剪应力： 由上二式得： 上式在-平面坐标内表示的曲线是应力圆。 其圆心坐标为 ， 半径为 （3）平面状态下的强度计算（ 1 3 ，20） 此状态侧压力20，为双向应力状态，为平面问题。其应力方 程与上相同 ： 法向应力： 剪应力： 应力圆方程： 其圆心坐标为： 半径为： 一、岩体破坏概念 岩体在一定的应力条件下丧失其结构联结 称为岩体破坏（丧失承载力和稳定性）。岩 体结构丧失后的移动或运动称为岩体工程结 构的破坏（影响工程使用、报废）。 工程岩体破坏可分为两个阶段： 1、岩体结构联结的丧失：结构面开裂、错 动或
5、 滑移；结构体拉伸破坏或剪切破坏； 2、结构体移动或运动。 4-3 岩体破坏机理 二、 岩体破坏机理 （一）拉伸破坏 1、垂直结构面方向的拉伸破坏。 2、沿结构面方向的拉伸破坏。 3、完整岩体的拉伸破坏。 （二）剪切破坏 1、沿结构面的剪切破坏 2、切穿结构面的剪切破坏 岩体变形是评价工程稳定性的重要指标，也是岩 体工程设计的基本原则之一。 例如建拱坝、有压隧道应考虑？ 岩体变形由岩块与结构变形组成，结构变形包 括结构面闭合、充填物压密及结构转动或滑动 等构成。一般情况下，岩体的结构变形起控制 作用。 一般通过现场原位试验研究岩体变形特性。 4-4 岩体的变形特性 一、岩体的单轴和三轴压缩变形
6、 特性 1、现场岩体的单轴和三轴压缩 试验的 全过程曲线 2、典型的岩体 全过程曲线 可分为 4个阶段： （1）裂隙压密阶段（OA）：曲线上凹 （2）弹性变形阶段（AB）:呈直线 （3）塑性变形阶段（BC）：曲线下凹 （4）破坏后阶段（CD）： 残余强度d 峰值强度c 3、岩体法向变形曲线的基本形式 （1）直线型：坚硬、完整无裂隙岩体 （2）下凹型：节理裂隙发育，泥质充填，岩 性软弱 （3）上凹型：坚硬但裂隙发育，多呈张开而 无充填物 （4）S型 直线型 下凹型 上凹型 S型 4、岩石与岩体的应力应变曲线 二、 岩体剪切变形特征-剪应力剪应变曲线 岩体的剪切变形是许多岩体工程特别是边坡工程中最
7、常见的 变形模式。 在屈服点之前，变形曲线与压缩变形相似。屈服点以后，岩 体内某个结构面和结构体可能首先被剪坏，随之出现一次应力 降，峰值前可能出现多次应力降。当应力增加到一定程度，没 被剪坏部位以瞬间破坏的方式出现，并伴有一次大的应力降， 然后可能产生稳定滑移。 三、岩体各向异性变形特征 1、特征： 竖直向分布的节理岩体变形模量明显大于水平向分布节理 岩体的变形模量。 2、变形机制不同： （1）垂直层面的压缩变形量主要由岩块和结构面（软弱夹层）压 密所形成的变形构成；层状岩体不仅开裂层面压缩变形量大， 而且在成岩过程中，由于沉积规律的变化，层面出现在矿物连 结力弱、致密度低的部位，这是垂直层
8、面方向压缩变形量大的 另一个原因。 （2）平行层面方向的压缩变形量主要是岩块和少量结构面错动而 成。 3、构成岩体变形各向异性的两个基本要素： （1）物质成分和物质结构的方向性 （2）节理、结构面和层面的方向性 四、原位岩体变形参数测定 目标：测定岩体的变形指标E、与关系 。 岩体现场变形试验方法：静力法、动力法（ 弹性波测量法） 常用的静力法有：承压板试验（千斤顶荷载 试验）、径向荷载试验、水压法等。 1、表面承压板试验 试验通常在平巷中进行。试验点具有代表性，面积以0.251.0m2 为宜。 （1）试验装置 垫板（承压板）、加荷装置（千斤顶或压力枕）、传力装置（ 传力支柱、传力柱垫板）、变
9、形测量装置（测微计） （2）加荷方式 采用何种加荷方式，可根 据岩体结构和工程要求而 定。 完整岩体： 可采用大循环加荷方式， 以确定岩体在不同荷载下 的变形特性； 多裂隙岩体： 可采用多循环或单循环加 荷方式，以了解各种结构 面对岩体变形的影响。 (3)、参数计算 假设岩体为弹性半无限空间，则岩体表面垂直位 移可根据弹性理论的布西涅斯克解答求得。 A、圆形柔性垫板：垫板中心点处的垂直位移 为： 式中：P中心荷载；r圆垫板半径 垫板的平均位移为： 式中： A受荷表面的面积；m与垫板形 状、刚度及荷载分布情况有关的系数, 方形板 取0.88，圆形板取0.79 。 如果测得垫板的垂直位移WO，则可
10、由上式求 得变形模量。 B、矩形刚性垫板：垫板下岩面的垂直位移为 ： 式中：P中心荷载；a，b矩形垫板的边长 。 C、中心带孔的圆形柔性垫板（中心带孔的压 力枕）：中心点处的垂直位移为 式中：P中心荷载；b圆垫板半径；a中 心孔半径 设垫板总变形（位移）量为W0,其中弹性变形量为 We,塑性 变形量为Wp,则岩体的变形指标： 岩体变形模量： 岩体弹性模量： 式中：p受荷面单位面积上的压力； b承压板直径或边长； 与承压板形状和刚度有关的系数， 方形板为0.88，圆形板为0.79； 岩体泊松比。 弹性模量Ee和变形模量E0 2、钻孔承压板法 表面承压板法测得的岩体变形 模量偏低，这是由于工程岩体
11、 表面附近岩体大多发生了不同 程度的松动。为了排除松动的 影响，采用孔底承压板法 测定岩体变形模量。测定结果 表明：孔底承压板法测得的原 位岩体变形参数比表面承压板 试验测定值高很多，甚至超过 一个量级。 四、原位岩体变形参数测定-动力法(弹性波法) 岩体动弹性模量Ed的测定： 采用小量药包爆炸激发地震波，在距震源一定距离设 置检波器，检测弹性波。根据弹性波波速算出动弹模Ed和 动泊松比d。 式中：vp,vs纵波波速和横波波速，为岩体密度。 一般而言：Ed Ee , d 。 一、弹性波在岩体中的传播特性 1、波的概念 所谓波是指某种扰动或某种运动参数或运 动状态参数（如应力、应变、振动、温度、
12、 电磁场强度等）的变化在介质中的传播。应 力波就是应力在介质中的传播。 岩体对动荷载（爆破等）产生的振动所 反映出的力学特性称为岩体的动力学特性； 弹性波（应力波、地震波等）在岩体中传播 特性都属于岩体动力学特性。 4-5 岩体的动力学特性 应力波类型： （1）弹性波：在弹性介质中传播的波。 （2）粘弹性波：在非线性弹性介质中传播的 波。 （3）塑性波：应力超过弹性极限的波。其传 播速度比弹性波传播速度小得多，传播距离 也近得多，一般只在震源附近才观测得到。 （4）冲击波：如果固体介质的变形性质能使 大扰动的传播速度远大于小扰动的传播速度 ，在介质中就会形成波头陡峭的以超声波传 播的波。 在岩
13、体中传播的主要是弹性波。 2、弹性波的类型 按传播方式与质点振动方向关系分类 弹性波 体波 表面波 勒夫波：在表面水平方向作横向剪切振动 瑞利波：沿传播方向的垂直面内作椭圆形逆进运动。 纵波（P波、压缩波）：波动传播方向与质点振动方向 一致。 横波（S波、剪切波）：波动传播方向与质点振动方向 垂直。 纵 波 横 波 表面波 地表震动 纵波是推进波，在地壳中传播速度5.57km/s，最先到达震中，地 面发生上下振动，破坏性较弱； 横波传播速度为3.24.0km/s，第 二个到达震中，地面发生前后、左右抖动，破坏性较强；面波又 称L波，是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波，其波长 大、振幅强
14、，只能沿地表面传播，是造成建筑物强烈破坏的主要 因素。 按弹性波的频率分类： 超声波：频率20kHz. 声波：频率为几千赫兹20kHz，人耳可听到。 次声波：频率声波频率。 地震波：频率为几十几百赫兹的弹性波。 3、弹性波的反射与折射、绕射和散射 （1）弹性波在两种介质交界面上的反射和折射 （2）弹性波的绕射 当弹性波碰到障碍物（如裂隙）不能通 过而发生边缘绕射。绕射是入射波在障碍物 边缘形成的新的波源进一步在岩体中传播。 利用绕射原理可测定裂隙深度。 （3）弹性波的散射 弹性波在传播过程中遇到不光滑的界面 时，而发生散射。可利用散射现象来观测岩 体内部的破碎程度。 （4）弹性波的叠加 由于弹性波在界面处发 生反射、折射、绕射和 散射。对于具
