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1、1,岩体是由岩块和结构面组成的地质体，因此其强度必然受到岩块和结构面强度及其组合方式（岩体结构）的控制。一般情况下，岩体的强度既不同于岩块的强度，也不同于结构面的强度。,3.3 岩体的强度,3.3.1 节理岩体强度分析,2,第3章 岩体的力学特性,如果岩体中结构面不发育，呈完整结构，则岩体的强度大致与岩块接近，可视为均质体。 如果岩体将沿某一特定结构面的滑动破坏时，则其强度取决于结构面的强度。 节理裂隙切割的裂隙化岩体，其强度介于岩块与结构面强度之间。它一方面受岩石材料性质的影响，另一方面受结构面特征（数量、方向、间距、性质等）和赋存条件（地应力、水、温度等）的控制。,Mar , 2007,3
2、,Faculty of Civil Engineering, Chongqing University,第3章 岩体的力学特性,4,第3章 岩体的力学特性,5,第3章 岩体的力学特性,节理岩体边墙稳定性算例,（3-28）,6,第3章 岩体的力学特性,判断节理面稳定情况的判别式,7,第3章 岩体的力学特性,1. 结构面的方位对岩体强度的影响,结构面破坏准则（极限平衡）的另一种形式表示的公式：,（3-31）,（节理的存在不影响岩体的强度）,破坏沿着结构面发生，此时结构面对岩体的强度有削弱作用 破坏沿着岩石材料内部发生,3.3.2 结构面对岩体强度的影响分析,8,第3章 岩体的力学特性,此时结构面对
3、岩体的强度削弱最大，岩体有最小强度,9,第3章 岩体的力学特性,O,1,3,单结构面岩体强度分析,10,第3章 岩体的力学特性,11,岩石节理同时破坏，岩体强度等于岩块强度,岩块先破坏，岩体强度等于岩块强度,或,节理先破坏，岩体强度小于岩块强度,或,第3章 岩体的力学特性,几点讨论,12,第3章 岩体的力学特性,如果岩体含有二组或二组以上结构面，岩体强度的确定方法是分步运用单结构面理论，分别绘出每一组结构面单独存在时的强度包络线和应力莫尔圆。岩体到底沿哪组结构面破坏，由主应力与各组结构面的夹角所决定。 若岩体中节理非常发育，岩体强度特性越来越趋于各向同性，而岩体的整体强度却大大削弱了。另外，随
4、着围压增大，岩体由各向异性向各向同性转化。,岩体总是沿一组最有利破坏的节理首先破坏。,多组结构面岩体强度分析,13,第3章 岩体的力学特性,14,第3章 岩体的力学特性,粗糙度模型的理想面,结构面的强度包络线,2. 结构面的粗糙程度对岩体强度的影响,16,第3章 岩体的力学特性,结构面在水压力下开始破坏的莫尔圆,水库诱发地震,3. 结构面内充水对岩体强度的影响,17,第3章 岩体的力学特性,3.3.3 岩体强度的确定方法,1. 试验确定法,岩体单轴抗压强度测定 1方木；2工字钢；3千斤顶；4水泥砂浆,（1）岩体单轴抗压强度的测定,根据试体破坏时千斤顶施加的最大荷载及试体受载截面积，计算岩体的单
5、轴抗压强度。,Mar , 2007,18,Faculty of Civil Engineering, Chongqing University,第3章 岩体的力学特性,现场载荷试验,19,第3章 岩体的力学特性,岩体抗剪试验,（2）岩体抗剪强度的测定,。,20,第3章 岩体的力学特性,原位岩体三轴试验,（3）岩体三轴压缩强度试验,21,第3章 岩体的力学特性,（1）准岩体强度,地质资料及小试块室内试验资料,2. 经验估算法,22,破碎岩体的地基承载力,第3章 岩体的力学特性,在低围压下及较坚硬完整的岩体条件下，估算的强度明显偏低。但对于受构造扰动及结构面较发育的裂隙化岩体，Hoek（1987）
6、认为用这一方法估算是合理的。,m s,适用条件,（2）Hoek-Brown经验方程,23,第3章 岩体的力学特性,24,第3章 岩体的力学特性,变形：岩体承受应力，就会在体积、形状或宏观连续性上发生某种变化。宏观连续性无明显变化者称为变形（deformation )。 破坏：如果宏观连续性发生了显著变化的称为破坏（failure)。 岩体变形破坏的方式与过程既取决于岩体的岩性、结构，也与所承受的应力状态及其变化有关。,3.4 岩体的变形,25,第3章 岩体的力学特性,起着控制作用,当岩体中各部分的变形性能差别较大时，将会在建筑物结构中引起附加应力； 虽然各部分岩体变形性质差别不大，但如果岩体软
7、弱，抗变形性能差时，将会使建筑物产生过量的变形等。,工程建筑物破坏或无法使用,26,第3章 岩体的力学特性,施加荷载作用方向,3.4.1 岩体变形试验,27,第3章 岩体的力学特性,原理和方法,28,第3章 岩体的力学特性,静力法的基本原理：在选定的岩体表面、槽壁或钻孔壁面上施加法向荷载，并测定其岩体的变形值；然后绘制出压力-变形关系曲线，计算出岩体的变形参数。 动力法的基本原理：用人工方法对岩体发射(或激发)弹性波(声波或地震波)，并测定其在岩体中的传播速度，然后根据波动理论求岩体的变形参数。,29,第3章 岩体的力学特性,承压板变形试验装置示意图,岩体变形值(w)，绘制pw曲线,1. 承压
8、板法,30,第3章 岩体的力学特性,钻孔变形试验装置示意图,2. 钻孔变形法,31,第3章 岩体的力学特性,狭缝法装置示意图,3. 狭缝法,32,第3章 岩体的力学特性,结构面发育程度 风化程度 试验方法,岩体的变形模量都比岩块小，不同地质条件下的同一岩体，其变形模量相差较大。所以，在实际工作中，应密切结合岩体的地质条件，选择合理的模量值。,变形模量的影响因素：,33,第3章 岩体的力学特性,3.4.2 岩体变形参数估算 ,岩体变形参数估算方法有两种： 在现场地质调查的基础上，建立适当的岩体地质力学模型，利用室内小试件试验资料来估算； 在岩体质量评价和大量试验资料的基础上，建立岩体分类指标与变
9、形参数之间的经验关系，并用于变形参数估算。,层状岩体地质力学模型及变形参数估算示意,1. 层状岩体变形参数估算,34,第3章 岩体的力学特性,法向应力作用下的岩体变形参数,剪应力作用下的岩体变形参数,法向变形,剪切变形,岩块,层面,35,第3章 岩体的力学特性,挪威的Bhasin和Barton等人（1993）研究了岩体分类指标Q值、纵波速度vmp（m/s）和岩体平均变形模量Emean（GPa）间的关系，提出了如下的经验关系：,比尼卫斯基（Bieniawski,1978）建立了分类指标RMR值和变形模量Em（GPa）间的统计关系如下： Em=2RMR100 （RMR55） （3-58） Sera
10、fim和Pereira（1983）提出了适于RMR55的岩体的关系式：,（3-59）,（3-60）,（Q1）,2. 裂隙岩体变形参数的估算,36,第3章 岩体的力学特性,3.4.3 岩体变形曲线,岩体变形类型示意,1. 法向变形曲线,37,第3章 岩体的力学特性,（1）直线型 岩性均匀且结构面不发育或结构面分布均匀的岩体多呈这类曲线。,图3-34 陡直线型曲线,图3-35 缓直线型曲线,p-W曲线的斜率较陡，呈陡直线。说明岩体刚度大，不易变形。卸压后变形几乎恢复到原点，以弹性变形为主，反映出岩体接近于均质弹性体。较坚硬，完整、致密均匀、少裂隙的岩体，多具这类曲线特征。,曲线斜率较缓，呈缓直线型
11、，反映出岩体刚度低、易变形。卸压后岩体变形只能部分恢复，有明显的塑性变形和回滞环。这类曲线虽是直线，但不是弹性。出现这类曲线的岩体主要有：由多组结构面切割，且分布较均匀的岩体及岩性较软弱面较均质的岩体；另外，平行层面加压的层状岩体，也多为缓直线型。,38,第3章 岩体的力学特性,（2）上凹型 层状及节理岩体多呈这类曲线。,每次加压曲线的斜率随加、卸压循环次数的增加而增大，即岩体刚度随循环次数增加而增大。各次卸压曲线相对较缓，且相互近于平行。弹性变形Wc和总变形W之比随p的增大而增大，说明岩体弹性变形成分较大。这种曲线多出现于垂直层面加压的较坚硬层状岩体中。,加压曲线的变化情况与前相同，但卸压曲
12、线较陡，说明卸压后变形大部分不能恢复，为塑性变形。存在软弱夹层的层状岩体及裂隙岩体常呈这类曲线。另外，垂直层面加压的层状岩体也可出现这类曲线。,39,第3章 岩体的力学特性,（3）上凸型 结构面发育且有泥质充填的岩体，较深处埋藏有软弱夹层或岩性软弱的岩体（粘土岩、风化岩）等常呈这类曲线。,（4）复合型 pW曲线呈阶梯或“S”型。结构面发育不均或岩性不均匀的岩体，常呈此类曲线。,40,第3章 岩体的力学特性,岩体剪切变形曲线类型示意图,2. 剪切变形曲线,41,第3章 岩体的力学特性,工程尺度范围的岩体，通常被一组或若干组节理裂隙切割成不连续体。由于结构面的成因、尺寸、产状、密度以及力学性质不同
13、，加上岩体所处的应力环境的变化，岩体的力学性质不仅取决于岩石本身力学性质，在很大程度上则取决于结构面力学性质和结构面的空间组合情况。 构成岩体变形的各向异性的两个要素是：物质成分和物质结构的方向性；节理、结构面和层面的方向性。节理岩体各方向力学性质的差异均由此而产生。 岩体力学性质均具有方向性，作用在岩体上的外荷载方向不同，就有可能有不同的变形、破坏机制和强度特征。 在工程布置方面要考虑如何扬长避短，充分发挥岩体本身的强度，维持工程的稳定性。,3. 岩体各向异性变形特征,42,第3章 岩体的力学特性,1. 岩体中弹性波的传播规律,3.4.4 岩体动力变形特性,43,第3章 岩体的力学特性,岩性
14、、结构面发育特征、岩体应力、地下水及地温等地质环境因素对弹性波的传播有明显的影响。,运动方程,44,第3章 岩体的力学特性,2. 岩体中弹性波速度的测定,45,第3章 岩体的力学特性,3. 岩体的动力变形参数,46,第3章 岩体的力学特性,动弹性模量普遍大于静弹性模量 的原因： （1）静力法采用的最大应力大部分在1.010.0MPa，少数则更大，变形量常以mm计，而动力法的作用应力则约为10-4MPa量级，引起的变形量微小。因此静力法必然会测得较大的不可逆变形，而动力法则测不到这种变形。 （2）静力法持续的时间较长。 （3）静力法扰动了岩体的天然结构和应力状态。,47,第3章 岩体的力学特性,
15、影响岩体变形性质的因素较多，主要包括组成岩体的岩性、结构面发育特征及荷载条件、试件尺寸、试验方法和温度等。 结构面的影响包括结构面方位、密度、充填特征及其组合关系等方面的影响，统称为结构效应。,总变形,弹性变形,结构面走向,变形模量,岩石质量指标,3.4.5 影响岩体变形特性的主要因素,48,第3章 岩体的力学特性,岩体的水力学性质是指岩体与水共同作用所表现出来的力学性质。 水在岩体中的作用包括两个方面： 一方面是水对岩石的物理化学作用，在工程上常用软化系数来表示。 另一方面是水与岩体相互耦合作用下的力学效应，包括空隙水压力与渗流动水压力等的力学作用效应。在空隙水压力的作用下，首先是减少了岩体
16、内的有效应力，从而降低了岩体的剪切强度。另外，岩体渗流与应力之间的相互作用强烈，对工程稳定性具有重要的影响。,3.5 岩体的水力学性质,49,概况： 土坝，高90m，长1000m，建于1972-75年，1976年6月失事,损失： 直接8000万美元，起诉5500起，2.5亿美元，死14人，受灾2.5万人，60万亩土地，32公里铁路,原因： 渗透破坏水力劈裂,第3章 岩体的力学特性,Teton 坝（美国）,50,1976年6月5日上午10:30左右，下游坝面有水渗出并带出泥土。,Teton 坝（美国）,第3章 岩体的力学特性,51,11：00左右 洞口不断扩大并向坝顶靠近，泥水流量增加,Teton 坝（美国）,第3章 岩体的力学特性,52,11:30洞口继续向上扩大，泥水冲蚀了坝基，主洞的上方又出现一渗水洞。流出的泥水开始冲击坝趾处的设施。,Teton 坝（美国）,第3章 岩体的力学特性,53,11：50左右洞口扩大加速，泥水对坝基的冲蚀更加剧烈。,Teton 坝（美国）,第3章 岩体的力学特性,5
