《岩石力学基础教程 教学课件 ppt 作者 侯公羽 第4章 岩体的基本力学性能》由会员分享，可在线阅读，更多相关《岩石力学基础教程 教学课件 ppt 作者 侯公羽 第4章 岩体的基本力学性能（80页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第4章 岩体的基本力学性能,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。它们在岩体力学中一般都统称为节理。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结构面。,4.1 岩体结构面的几何特征与分类,4.1.1 结构面的概念,大量实验研究表明：节理的强度低于岩石的强度，而节理岩体的强度在节理的强度和岩块的强度之间，如图4.1所示。,图4.1 节理岩体的强度特性与岩石强度的区别 1岩石；2节理化岩体；3节理,绝对分类是建立在结构面的延展长度基础上的。一般将结构面分为：细小的结构面，其延展长度小于1 m；中等的结构面，其延展长度为110m；巨大的结
2、构面，其延展长度大于10m。绝对分类的缺点是没有与工程结构相结合，所谓结构面的大小，是相对于工程而言的。 相对分类是建立于地质不连续面尺寸的基础上的。所谓相对，是指结合工程结构类型而言。按工程结构类型和大小的不同，可将结构面分为细小的、中等的及大型的结构面(表4.1)。,4.1.2结构面的分类,1结构面的绝对分类和相对分类,4.1 结构面的相对分类表,注：洞经；基础宽度；工程结构体高度。,按力学观点可将岩体的地质破坏分为三大类：第一类为破坏面，它是属于大面积的破坏，以大的和粗的节理为代表；第二类为破坏带，它是属于小面积的密集的破坏，以细节理、局部节理、风化节理等为代表；第三类为破坏面与破坏带的
3、过渡类型，它具有破坏面和破坏带的力学特点。 缪勒(Muller)按上述地质破坏特点将结构面分为如图4.2中所示的五大类型，即单个节理、节理组、节理群、节理带以及破坏带或糜棱岩。在此五大类型基础上，又按充填节理中的材料性质和程度以及糜棱岩化程度将每种类型分成三个细类。这样，共将结构面分为十五个细类。,2按力学观点的结构面的分类,图4.2 破坏带分类,结构面成因复杂，而后又经历了不同性质、不同时期构造运动的改造，造成了结构面自然特性的各不相同。例如，有些结构面，在后期构造运动中受到影响，改变了原来结构面的开闭状态，充填物质的性状及结构面的形态和粗糙度等。有的结构面由于后期岩浆注入或淋水作用形成的方
4、解石脉网络等，使其黏聚力有所增加。而有的裂隙经过地下水的溶蚀作用而加宽，或充以气和水，或充填黏土物质，其黏聚力减小或完全丧失等。所有这些都决定着结构面的力学性质，也直接影响着岩体的力学性质。因此，必须十分注意结构面现状的研究，才能进一步研究岩体受力后变形、破坏的规律。,4.2 岩体结构面的自然特征与描述,结构面的充填胶结可以分为无充填和有充填两类。,4.2.1 充填胶结特征,4.2.2 形态特征,结构面在三维空间展布的几何属性称结构面的形态，是地质应力作用下地质体发生变形和破坏遗留下来的产物。结构面的几何形态，可归纳为下列四种(图4.3)：,（1）平直型：它的变形、破坏取决于结构面上的粗糙度、
5、充填物质成分、侧壁岩体风化的程度等。包括一般层面、片理、原生节理及剪切破裂面等。 （2）波浪型：它的变形、破坏取决于起伏角、起伏幅度(如图4.4)、岩石力学性质、充填情况等。包括波状的层理，轻度揉曲的片理、沿走向和倾向方向上均呈缓波状的压性、压剪性结构面等。 （3）锯齿型：它的变形、破坏取决的条件基本与波浪型相同。它包括张性、张剪性结构面，具有交错层理和龟裂纹的层面，也包括一般裂隙面发育的次生结构面、沉积间断面等。 （4）台阶型：它的变形、破坏取决于岩石的力学性质等。它包括地堑、地垒式构造等。这类结构面的起伏角为90。,图4.3 结构面的几何形态图 a平直型；b波浪型；c锯齿型；d台阶型,图4
6、.4 结构面的凸凹度 （a）剪胀度与粗糙度；（b）剪胀度的几何要素 结构面的平均倾角；i结构面的起伏角,结构面在空间的分布大体是指结构面的产状(即方位)及其变化、结构面的延展性、结构面密集的程度、结构面空间组合关系等。 （1）结构面的产状及其变化是指结构面的走向与倾向及其变化。 （2）结构面的延展性是指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。由于结构面的长短是相对于岩体尺寸而言的，因此它与岩体尺寸有密切关系。按结构面的延展特性，可分为三种型式：非贯通性的、半贯通及贯通性的结构面（图4.5）。,4.2.3 结构面的空间分布,图4.5 岩体内结构面贯通性类型 (a)非贯通；(b)半贯通
7、；(c)贯通,（4.1）,结构面的延展性可用切割度,来表示，它说明结构面在,岩体中分离的程度。假设有一平直的断面，它与考虑的结 构面重叠而且完全地横贯所考虑的岩体，令其面积为,则结构面的面积与,之间的比率，即为切割度：,切割度一般以百分数表示。另外，它也可以说明岩体连续,性的好坏，,愈小，则岩体连续性愈好；反之，则愈差。,岩体中经常出现成组的平行结构面，同一切割面上出现,的结构面面积为,，,，,，则,（4.2）,按切割度,值的大小可将岩体分类，如表4.2所示。,表4.2 岩体按切割度,分类表,（3）结构面密度 结构面的密度，是指岩体中结构面发育的程度。它可以用结构面的裂隙度、间距或体密度表示。
8、, 结构面的线密度,：指同一组结构面沿着法线方向,单位长度上结构面的,代表在法线上量测的长,度，n为长度,内出现的结构面的,（4.3）,数目。如以,数目，则,当岩体上有几组结构面时，测线上的线密度为各级线密度之和，即,（4.4）,实际测定结构面的线密度时，测线的长度可在2050m之间。如果测线不可能沿结构面法线方向布置时，应使测线水平，并与结构面走向垂直。此时，如实际测线长度为L，结构面的倾角为，则(图4.6),（4.5）,图4.6 节理的裂隙度计算, 结构面间距：结构面间距是指同一组结构面在法,线方向上，该组结构,面的平如均间距以 来表示，则,（4.6）,即结构面的间距为线密度的倒数。,Wa
9、tkins(1970)根据结构面间距对结构面(不连续面)进行的分类，如表4.3所示。,表4.3 结构面间距的分类表,结构面的间距，主要根据岩石力学性质、原生状况、构造及次生作用、岩体所处位置等情况决定。,张开度还可说明岩体的“松散度”和岩体的水力学特征。总的来说结构面张开度愈大，岩体将愈“松散”，是地下水的良好通道。, 结构面的张开度：结构面的张开度是指结构面裂口开口处张开的程度。一般说来，在相同边界条件受力的情况下，岩石越硬，结构面的间距越大，张开度也大。,描述结构面的张开度，常采用下面的术语： 很密闭，张开度小于0.1mm； 密闭，张开度在0.1lmm之间； 中等张开，张开度在l5mm之间
10、； 张开，张开度大于5mm。,4.3 岩体结构面的变形特性,4.3.1 法向变形,（1）压缩变形 在法向荷载作用下，粗糙结构面的接触面积和接触点数随荷载增大而增加，结构面间隙呈非线性减小，应力与法向变形之间呈指数关系(图4.7所示)。这种非线性力学行为归结于接触微凸体弹性变形、压碎和间接拉裂隙的产生，以及新的接触点、接触面积的增加。当荷载去除时，将引起明显的后滞和非弹性效应。,Goodman(1974)通过试验，得出法向应力,与结构面闭合,量,有如下关系：,（4.7）,式中：,为原位应力，由测量结构面法向变形的初始条件,决定；,为最大可能的闭合量；,、,为与结构面几,何特征、岩石力学性质有关的
11、两个参数。,图4.7 结构面法向变形曲线,上图中，,称为法向变形刚度，反映结构面产生单位法向,变形的法向应力梯度，它不仅取决于岩石本身的力学性质，更 主要取决于粗糙结构面接触点数、接触面积和结构面两侧微凸 体相互啮合程度。通常情况下，法向变形刚度不是一个常数， 与应力水平有关。根据Goodman(1974)的研究，法向变形刚度 可由下式表达：,（4.8）,式中，,是结构面的初始刚度。,Bandis等人(1984)通过对大量的天然、不同风化程度和 表面粗糙程度的非充填结构面的试验研究，提出双曲线型法,向应力,与法向变形,的关系式：,（4.9）,式中，,、,为常数。,显然，当法向应力,。从上式可推
12、导出,法向刚度的表达式：,（4.10）,（2）拉伸变形,图4.8 结构面法向应力-应变关系曲线 实际变形曲线，L供计算用变形曲线,图4.8为结构面受压受拉变形状况的全过程曲线。若结构面受 有初始应力 ，受压时向左侧移动，其图形与前述相同。若 结构面受拉，曲线沿着纵坐标右侧向上与横坐标相交时，表 明拉力与初始应力相抵消，拉力继续加大至抗拉强度 时(如 开挖基坑)，结构面失去抵抗能力，曲线迅速降至横坐标，以 后张开没有拉力，曲线沿横坐标向右延伸。因此，一般计算 中不允许岩石受拉，遵循所谓的无拉力准则。,4.3.2 剪切变形,在一定法向应力作用下，结构面在剪切作用下产生切向变形。通常有两种基本形式(
13、图4.9)。,图4.9 结构面的剪切变形曲线,（1）对非充填粗糙结构面，随剪切变形的发生，剪切应力相对上升较快，当达到剪应力峰值后，结构面抗剪能力出现较大的下降，并产生不规则的峰后变形(图4.9 (b)中曲线)或滞滑现象；,（2）对于平坦(或有充填物)的结构面，初始阶段的剪切变形曲线呈下凹型，随剪切变形的持续发展，剪切应力逐渐升高但没有明显的峰值出现，最终达到恒定值(图4.9(b)中曲线)。,剪切变形曲线从形式上可划分为“弹性区”(峰前应力上升区)、剪应力峰值区和“塑性区”(峰后应力降低区或恒应力区)(Goodman，1974)。,通常将“弹性区”单位变形内的应力梯度称为剪切刚度,（4.11）
14、,根据Goodman(1974)的研究，剪切刚度,可以由下式表示：,（4.12）,式中，,为初始剪切刚度；,为产生较大剪切位移时的剪应力渐近值。,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的大小改变。,当法向应力较大，或结构面强度较小时，持续增加，使凸台沿根部剪断或拉破坏，结构面剪切过程中没有明显的剪胀(图4.10(c)。从这个模型可看出，结构面的剪切变形与岩石强度、结构面粗糙性和法向应力有关。,对于凹凸不平的结构面，可简化成图4.10 (a)所示的力学模型。,受剪切结构面上有凸台，凸台角为，模型上半部作用有剪切力和法向，模型下半部固定不动。在剪应
15、力作用下，模型上半部沿凸台斜面滑动，除有切向运动外，还产生向上的移动。这种剪切过程中产生的法向移动分量称之为“剪胀”。在剪切变形过程中，剪力与法向力的复合作用，可能使凸台剪断或拉破坏，此时剪胀现象消失(图4.10(b)。,图4.10 结构面的剪切力学模型,（3）当结构面内充填物的厚度小于主力凸台高度时，结构面的抗剪性能与非充填时的力学特性相类似。当充填厚度大于主力凸台高度时，结构面的抗剪强度取决于充填材料。充填物的厚度、颗粒大小与级配、矿物组分和含水程度都会对充填结构面的力学性质有不同程度的影响。 夹层厚度的影响。试验结果表明，结构面抗剪强度随夹层厚度增加迅速降低，并且与法向应力的大小有关。
16、矿物颗粒的影响。充填材料的颗粒直径为230mm时，抗剪强度随颗粒直径的增大而增加，但颗粒直径超过30mm后，抗剪强度变化不大。 含水量的影响。由于水对泥夹层的软化作用，含水量的增加使泥质矿物内聚力和结构面的法向刚度和剪切刚度大幅度下降。暴雨引发岩体滑坡事故正是由于结构面含水量剧增的缘故，因此，水对岩体稳定性的影响不可忽视。,4.4 结构面的强度特性,结构面最重要的力学性质之一是抗剪强度从结构面的变形分析可以看出，结构面在剪切过程中的力学机制比较复杂，构成结构面抗剪强度的因素是多方面的，大量试验结果表明，结构面抗剪强度一般可以用库仑准则表述：,（4.13）,式中：,，,分别是结构面上的粘结力和摩擦角，,是作用在结构面上的法向应力其中，摩擦,角可表示成,，,是岩石平坦表面基本摩擦角，,是结构面上凸台斜坡角。,图4.11为上面凸台模型的剪力与法向力的关系曲线，它近似呈双直线的特征。结构面受剪初期
