第三章 岩体的力学特性n本章内容¨3.1 概述¨3.2 岩体结构基本类型；¨3.3 岩体的结构面及其自然特征；¨3.4 结构面的力学性质¨3.5 岩体的变形性质¨3.6 岩体的强度特性¨3.7 岩体的水力学性质¨3.8 岩体质量评价及其分类¨基本要求¨了解岩体结构的基本类型，理解岩体结构面特征；¨掌握结构面的力学性质及岩体的变形性质；¨理解岩体的强度特性，了解岩体的水力学性质；¨掌握岩体质量评价及其分类方法；第三章 岩体的力学性质n第一节 概述n第二节 岩体结构的基本类型n第三节 岩体的结构面及其自然特征n第四节 结构面的力学性质n第五节 岩体的变形性质n第六节 岩体的强度特性n第七节 岩体的水力学性质 n第八节 岩体质量评价及其分类主要内容岩体=结构面（弱面）+结构体（岩石块体）结构面：断层、褶皱、节理……统称影响岩体力学性质的基本因素：结构体(岩石)力学性质、结构面力学性质、岩体 结构力学效应和环境因素(特别是水和地应力的作用 )§3.1 概述§3.2岩体结构的基本类型 （地质学、了解）§3.3岩体中的结构面及自然特征次生结构面§3.3.1结构面类型火成结构面沉积结构面变质结构面成因及类型原生结构面构造结构面断层节理劈理§3.3.2结构面的自然特征1. 充填胶结特征几何形态特征有充填无充填薄膜充填（2mm以下）断续充填连续充填厚层充填（数十厘米至数米）平直型波浪型锯齿型台阶型凹凸度 （量化指标）起伏度（起伏角i)粗糙度(五级）2.3. 空间分布特征 产状（即方位）及其变化延展性密集程度组合关系p 结构面的产状及其变化：结构面的走向与倾向及其变化p 结构面的延展性：结构面在某一方向上的连续性或结构 面连续段长短的程度。
分为非贯通性的、半贯通性及贯通性的结构面p 结构面的密集程度 设取样线长度为l ，在l上出现的节理条数为n，则 节理之间的平均间距为裂隙度 K切割度 Xe20m20m实例：实例： k=4/20=0.2/mk=4/20=0.2/m d=1/k=5md=1/k=5ma.a.单组节理单组节理( (具有同一走向）具有同一走向）（1）裂隙度K :同一组结构面沿法线方向单位长度上的节理数量ld>180cm 整体结构d=30~180 块状结构d<30 破裂结构d<6.5 极破裂结构K=0~1/m 疏节理K=1~10/m 密节理K=10~100/m 很密节理K=100~1000/m 糜棱节理 按间距分类按裂隙度分类 两组节理的裂隙度计算图b.b.两组节理两组节理ma: 沿取样线节理平均间距;da: 节理垂直间距；c.c.多组节理多组节理（2）切割度 Xe：节理在岩体内的贯通程度多处不连续切割叠加：假设在岩体中取一平直断 面，总截面积为A，其中 被节理面切割的面积为a ；则切割度为§3.4 结构面的力学性质 法向变形切向变形 变形 性质强度性质 (一）法向变形1.变形特性Ø 在法向荷载作用下，结构面间隙呈非线性减 小，应力与法向变形呈指数关系。
原因）Ø 当荷载去除时，将引起明显的后滞和非弹性 效应Kn－法向变形刚度 Kn0－结构面的初始刚度趋势：σn ↑ ，Kn ↑（Goodman,1974）Goodman方法：①节理无抗拉强度② 极限闭合量δmax ＜e（节理的厚度）（1）基本假设（2）状态方程2. 闭合变形量计算：－原始应力，由测量时的初始条件决定；δn, δmax－结构面闭合量，最大闭合量;A, t－回归参数，与结构面几何特征、岩石力学性质有关二）节理的切向变形通常有两种形式：A）粗糙（或非充填）结构面剪切变 形曲线；B）平坦（或有充填物）的结构面区别及原因见下页力学模型结构面的剪切变形: 与岩石强度、结构面粗糙性和法向力有关法向力不足够大 沿凸台斜面滑动 剪胀（或扩容）法向力足够大 沿凸台剪断 不产生明显剪胀（三）抗剪强度i服从库仑准则:影响抗剪强度的三个基本因素：v法向力 σnv粗糙度 JRCv结构面强度 JCS结构面抗剪强度公式（Barton和choubey, 1977)：粗糙度 JRC （目测）分维数§3.5 岩体的变形性质法向变形特征 剪切变形特征 各向异性变形特性岩体的变形（一）法向变形特征：1. 法向变形试验：承压板法、 钻孔变形法、 狭缝法、1）承压板法选具有代表性的试验地点 清除浮石，平整岩面 逐级一次循环法加压 岩体变形模量Em和弹性模量Eme公式：p－承受板单位面积上的压力(MPa)；D－承压板直径或边长(cm)； ∆、 ∆ e－相应于p下的岩体总变形和弹性变形 （cm）；ω－与承压板形状与刚度有关的系数，对圆形板 ＝0.785；方形板＝0.886；μm－岩体的泊松比。
J. Boussineq)2）钻孔变形法岩体的变形模量（Em）计算公式：U－径向变形μm－岩体的泊松比;厚壁圆筒理论Ø对岩体扰动较小；Ø可在地下水位以下和相当深的部位进行；Ø试验方向基本不受限制，试验压力大；Ø可以同时测量几个方向的变形，便于研究 各向异性；优点（相对于承压板法来说）：缺点：涉及的岩体体积小，代表性差3）狭缝法：p－作用于槽壁上的压力（MPa）；∆－量测点A1、A2的相对位移值(cm)，∆ =y2-y1μm－岩体的泊松比;2. 法向变形曲线及特征：（1）直线型（弹性岩体）岩性均匀岩性均匀且结构面不发育 或结构面分布均匀的岩体（2）上凹型（塑-弹性岩体）含软弱夹层的层状岩体层状岩体及裂隙岩体（3）上凸型（弹-塑性岩体）结构面发育结构面发育且有泥质充填有泥质充填的岩体4）复合型：阶梯或“S”型（塑-弹-塑性岩体)结构面发育不均结构面发育不均或岩性不均匀岩性不均匀的岩体二）剪切变形特征：峰前变形平均斜 率小，破坏位移 大；峰后强度损 失小a)沿软弱结 构面剪切峰前变形平均斜 率较大，峰值强 度较高；峰后有 明显应力降b)沿粗糙结构面 、软弱岩体及强 风化岩体剪切峰前变形斜率大， 峰值强度高，破坏 位移小；峰后残余 强度较低。
c)坚硬岩体 受剪切（三）各向异性变形特征：（P101蔡）造成岩体变形各向异性的两个基本因素：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岩石的全部或部分物理、力学特性随方向不同而 表现出差异的现象称为岩石的各向异性§3.6岩体的强度特性 §3.6.1岩体强度的测定（一）岩体单轴抗压强度的测定图3-24 岩体单轴抗压强度测定 1－方木； 2－工字钢；3－千斤 顶； 4－水泥砂浆现场原位切割较大尺寸试体（边长 0.5～1.5m的立方体）；为了保持 原有的力学条件，试块附近不能爆 破，机械破岩千斤顶和液压枕（ 扁千斤顶）加载水泥砂浆抹平试体表面→垫方 木、工字钢→加载→计算强度试件（二）岩体抗剪强度的测定双千斤顶法：1. 正压力P和横推力T的合 力通过剪切面中心3. 试验5组以上2. 横推千斤顶成15°角倾斜布置计算公式：P、T－垂直及横向千斤顶施加的荷载；S－试体受剪截面积三）岩体三轴强度试验地下工程的受力状态是三维的，所以三轴力学试验非 常重要千斤顶加轴向荷载 压力枕加围压荷载准三轴（等围压）：实用 性更强图3-26原位岩体三轴试验 1一混凝土顶座；2、4、6－垫板； 3一顶柱；5一球面垫；7一压力枕； 8一试件；9一液压表；10一液压枕真三轴：中间主应力在岩体 强度中起着重要作用，在多 节理岩体中尤为重要。
试体§3.6.2结构面的强度效应一、单节理和多节理的力学效应 （一）单节理的力学效应设结构面的强度条件设节理的方向角为β节面上的应力(图）①当 （岩石块体破坏，结构面不破坏）②当 节理面的存在不削弱岩块强度③ 对 求一阶导数，并令其为零得 此时节理面对岩体的强度削弱最大并令 得： 当 可能结构面破坏岩石节理同时破坏，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• 或图解法: 直接在图2－20量取；也可以由正弦定律推出：(见图2－20）（二）多节理的力学效应 （叠加）两组以上的节理同样处理，只不过岩体总 是沿一组最有利破坏的节理首先破坏图3－21 两组节理力学模型图3－20 σ1与β的关系曲线二、当C=0时节理面的力学效应这时库仑准则 用主应力表示上式，得：已知σ1,由上式可计算出维持破裂岩体极限稳定的 侧向压力σ3，即岩体所需的最小支护力此时岩体的强度只靠碎块之间的摩擦力来提供。
3.7 岩体的水力学性质岩体的水力学性质：岩体与水共同作用所表现出来 的力学性质岩体与水的相互作用，一方面水改变着岩体的物理、 化学及力学性质，另一方面岩石也改变着地下水自身 的物理、力学性质及化学组份地下水对岩体的作用物理作用化学作用力学作用（一）物理作用：岩体结构面上的摩阻力减小改变岩体结构面充填物的物理性状， 内聚力和摩擦角减小→软化系数η区别于重力水的润滑，软化作用二）化学作用：离子交换、溶解和溶蚀作用（黄土湿陷及岩溶）、 水化作用（膨胀岩的膨胀）、水解作用、氧化还原 作用、沉淀作用以及超渗透作用等润滑作用：软化和泥化作用：结合水的强化作用：泥石流、山体滑坡（三）力学作用：孔隙静水压力作用孔隙动水压力作用当多孔连续介质岩土体中存在孔隙地下水存在孔隙地下水时， 未充满孔隙的地下水使岩土体的有效应力增加：σα有效应力，σ 总应力，p 孔隙静水水压力当地下水充满充满多孔连续介质岩土体时，使有效 应力减小：σα，σ ，p ： 含义同上当多孔连续介质岩土体中充满流动的地下水流动的地下水时 ，施加孔隙静水压力和动水压力作用，其中，动 水压力为：τd 动动水压压力，γ地下水容重，J地下水水力坡度当裂隙岩体充满流动的地下水流动的地下水时，施加一垂直于裂 隙壁面的静水压力和平行于裂隙壁面的动水压力，其 中，动水压力为：b： 裂隙的隙宽， τd ，γ，J意义同上3.8 岩体质量评价及其分类为了在工程设计与施工中能区分出岩体质量的好坏和表现在 稳定性上的差别，需要对岩体作合理的分类，以作为选择工 程结构参数、科学管理生产以及评价经济效益的依据之一。
一） 普氏分级法：f=σc/10 常沿用但具有严重局限性二）岩石质量指标RQD分类(笛尔Deer，1964) ：RQD＜2525～5050～7575～90＞90 岩石质量描述很差差一般好很好 等级IIIIIIIVVRock Quality Designation :没反映出节理的方位、充填物的影响等， 在更完备的岩体分类中作重要参数应用不足：不足：（三）岩体地质力学分类（CSIR分类, 张永兴，P56）CSIR分类指标值RMR(Rock Mass Rating) ：南非科学和工业研究委员会 (Council for Scientific and Industrial Research) 提出分类时，根据前分类时，根据前5 5种指标得种指标得RMRRMR初值初值（表（表3-63-6，，P57P57））, ,然后据节理、裂然后据节理、裂 隙的产状变化对隙的产状变化对RMRRMR初值修正初值修正（表（表3-73-7、表、表3-83-8）） ，最后对照下表求得，最后对照下表求得 岩体的类别岩体的类别由岩块强度、RQD值、节理间距、节理条件及地下水5种指标组成不足：不足：对挤压、膨胀和涌水的极其软弱的岩体问题时，此分类法难于使用 。
四）巴顿岩体质量分类（Q类）：由挪威地质学家巴顿(Barton，1974)等人提出 RQD：Deer的岩石质量指标；Jn: 节理组数；Jr: 节理粗糙度系数； Ja: 节理蚀变影响系数；Jw: 节理水折减系数。