工程岩土学六

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1、第六章 影响岩体力学性质的主要因素,岩体的内在特点 岩体的矿物成分和结构,包括：,外部条件水的影响、作用力的特点、温度、地应力等因素,影响岩体力学性质的主要因素,概述,6.1,1.对于颗粒间联结很强的岩石，矿物本身强度的高低并不起主要作用； 如果岩石的粒间联结较弱，矿物成分对岩石强度有影响；,通过大量试验资料，总结出下列规律：,矿物成分的影响,6.2,例如：虽然黑色矿物的强度较浅色矿物的强度为低，但新鲜的基性和超基性岩石（黑色矿物含量高）比酸性岩石的强度高。 石英含量对砂岩、粉砂岩、片岩强度的影响。,黑色矿物橄榄石、辉石、角闪石、黑云母等 浅色矿物基性斜长石、酸性斜长石、钾长石、石英等,( P

2、127 图6-1、图6-2 ),2.碎屑沉积岩胶结物的成分对其强度的影响（硅质铁质钙质泥质）,3.粘土矿物的种类和含量对岩石强度，尤其是对岩体中结构面填充物强度有极大影响（ P127 图6-3）。,一.颗粒间联结特征对岩石力学性质的影响： 颗粒间的牢固联结是岩石的一种重要结构特征。从工程地质观点，岩石颗粒间的联结特征包括,联结性质,胶结物成分,胶结类型,联结程度,结构的影响,6.3,从对岩石的力学性质的影响来分析，可归纳为2个方面：即联结质量和联结数量,联结性质,胶结物成分,胶结类型,联结程度,联结质量吸引力的大小，主要取决于相邻质点的距离和吸引力的特性,联结数量联结面积的大小，颗粒大小，形状

3、，胶结类型。例如细粒岩石的力学性能总是高于由粗粒组成的风化程度相同的同类岩石,随着岩石的密度减小或空隙度增大，岩石的弹性模量和强度都明显降低，说明了粒间接触面积对岩石力学性质的影响是很大的。 （ P128-129，图6-4图6-8）,二.岩体力学性质的各向异性当作用力的方向与结构面方向夹角（）不同时，岩体所表现的力学性能不同,主要讨论：岩体的弹性模量E和泊松比、单轴抗压强度R、三轴强度13、抗剪强度参数（内摩擦角和内聚力C）随（作用力的方向与结构面方向夹角）的变化规律。,1.岩体的弹性模量E和泊松比 ： 当作用力方向平行于结构面时，0，弹性模量用E表示，泊松比分别以 和表示（ P130图6-1

4、0a）。 当作用力方向垂直于结构面时，90， 弹性模量用E表示，泊松比以 表示（ P130图6-10b）。,试验结果反映的一般规律 表61 一般情况下EE ，泊松比则无明显规律。 表62 随着应力水平的提高， E逐渐减小， E逐渐增大，二者渐趋接近。 很多学者认为：随着的增大，E逐渐减小，即E最大，而E最小。（ P130图6-11A线）。,但是，根据麦洛门茨的研究资料，岩体弹性模量E的最小值不是E，而是出现在角大约为4045时（图6-11B线）。,原因岩体本身的复杂性，试验条件不易控制,弹性模量E的最小值出现在角大约为4045时,2.单轴抗压强度R 根据麦洛门茨的研究资料（P131图6-12）

5、，随着作用力方向与结构面方向间夹角（）的增加，在开始的一段，抗压强度逐渐降低，然后又不断提高。在 3045范围内，强度达到最低值。这一现象可以用莫尔理论来解释。参考 P113图5-29。,单轴抗压强度在 3045范围内达到最低值,3.三轴强度 13 根据阿特威尔等在三轴应力下对板岩和纹层状粉砂质泥岩的研究结果（P131图6-13，图6-14），同样显示出三轴强度（13）的最低值出现在 3045范围内； 但三轴强度（13）的最高值是出现在压应力方向与结构面方向平行还是垂直时，目前的研究资料并不一致。,实验结果的分歧可能与结构面的联结强度和试验条件有关。,三轴强度（13）的最低值出现在 3045范

6、围内,4.抗剪强度参数内摩擦角和内聚力C,根据阿特威尔等对板岩的研究成果（P131图6-15，图6-16），随着最大主应力方向与结构面方向的夹角不同，抗剪强度参数（内摩擦角和内聚力C）在 4045范围内都出现了最低值。,抗剪强度参数（内摩擦角和内聚力C）最低值出现在 4045范围内,水对岩体的作用，主要可以分为两类：,1. 充满在岩体空隙中的水产生空隙水压力，降低任何面上的有效法向压力，从而使这些面上的摩擦阻力降低；,2. 通过改变岩体的物质成分和结构，从而改变岩体的工程地质性质。 （本节讨论的重点）,水的影响,6.4,在岩体中，对岩体力学性质产生重要影响的主要是结合水和重力水。它们主要通过以

7、下六种作用改变岩体的成分和结构，从而改变岩体的力学性质。,1. 楔劈作用 定义水分子在固体表面上的扩散，称为浸湿作用。水分子在浸湿作用下的这种“挤入”细微裂纹中的作用，称为楔劈作用。 危害在楔劈作用中，由于水分子要对裂纹两壁施加一定的压力(图6-17)，使得岩石的强度在一定程度上降低。水的楔劈作用对饱水岩石的影响更大。,图6-17 水分子的楔劈作用,2. 润滑作用 定义地下水进入岩体裂隙(包括宏观的和微观的)中以后，在隙壁上产生结合水膜，当两壁发生相对的剪切位移时，水分子将固体表面隔开而起着润滑剂的作用。 危害润滑作用使岩体的变形性能（特别是剪变形）提高，内摩擦角减小，抗剪强度降低。,3. 冻

8、融作用 定义及危害温度变化导致岩石中液态水的冻结或冰的融化，体积发生变化（时涨时缩），所以冻融作用会使岩石结构遭受破坏，岩石破碎，强度降低。水的这种作用对岩体力学性能的影响，在我国北方特别重要，尤其是水电工程。,表征岩石抗冻性能的指标,100,一般认为: Cf 25的岩石是抗冻的,抗冻系数将岩石试样在-25+25条件下反复冻结和融化25次，以冻融前的抗压强度（R） 与冻融后的抗压强度（Rf）之差，除以试验前的抗压强度，即抗冻系数（Cf）,以百分率表示。,质量(或重量)损失率（式6-2） 将岩石试样在-25+25条件下反复冻结和融化25次，反复冻结和融化25次，以冻融前、后试样固体颗粒质量之差（

9、Ms- Msf）与冻融前试样固体颗粒质量（Ms）之比。,Cf =,Ms- Msf,Ms,100,一般认为: Cf 2的岩石是抗冻的,饱水系数（Ks）吸水率与饱水率之比。它表示了岩石中大开空隙体积在开启空隙体积中所占的相对比率 吸水率岩石在常压下饱水时所能吸入的水的质量与干燥岩石质量之比。 饱水率岩石在150大气压或真空条件下饱水时所能吸入的水的质量与干燥岩石质量之比。,一般认为: Ks 0.8 的岩石是抗冻的,4. 潜蚀作用 定义及危害可分为机械潜蚀和化学潜蚀两类。重力水在一定的水力梯度下,将岩体结构面填充物中的细小颗粒携带走，称之为机械潜蚀；对可溶性矿物(颗粒，胶结物或者填充物)的溶滤，称为

10、化学潜蚀。潜蚀作用增大了岩体中的空隙体积，使岩体强度降低。,5. 水解作用 定义及危害原生硅铝酸盐矿物在水的参与下分解而生成新的硅铝酸盐矿物。它是风化作用的重要组成部分之一，是次生粘土矿物生成的主要途径。因此，水解作用将显著地降低岩体的强度。,6. 联结作用 定义及危害结合水出现后的某些联结作用(见P3940)。这是水在提高岩体力学性质方面唯一的作用，但它只能对结构面的粘土质填充物产生一些影响，从岩体的整体来看，影响也是很微弱的。,小 结,水对岩石的上述六种作用，很少单独存在，往往是其中几种同时发生。尤其楔劈作用和润滑作用，基本上是在任何情况下一定会发生的。而且，除联结作用和机制不明的对磨光面

11、的反常现象以外，绝大多数作用都降低了岩体的力学性能（弹性模量、抗压强度、抗拉强度、抗剪强度等）。图6-20、6-21、表6-3列出了某些类型岩石的抗压强度因含水率增高而降低。,抗压强度与所含水分的关系,软化系数,由于岩石含水程度的变化在工程实践中是一种普遍现象，因而对岩石强度随含水率而改变的问题非常重视。一般采用软化系数表征岩石的这一特性，即 RSr/RD 式中: RSr岩石的饱水抗压强度（MPa）,RD 岩石的烘干抗压强度（MPa）,某些岩石的饱水、干抗压强度及软化系数,作用力的特点（力的性质、应力水平、围压的大小、应力增加速率、应力持续时间、应力的增减历程等）不同，岩体表现出不同的力学性质

12、。,第五章中已涉及到上述问题的许多方面,作用力的特点对岩体力学性质表现的影响,6.5,1. 力的性质 岩石在单轴压力、三轴压力、单轴拉伸、剪切、辐射状压力作用下的变形性、抗破坏性各不相同。 尤其对于压应力和拉应力反应的不同，正是它们作为一种非理想弹性体的必然表现之一。在第五章中已经指出，当应力水平极低时，拉、压两种初始模量基本相等；随应力水平的提高，拉伸模量则低于压缩模量。 P136，表6-4中列出了某些岩石在相同水平应力作用下的两种模量和泊松比。,某些岩石的拉伸、压缩下的弹性模量和泊松比,2. 围压的大小 随围压的提高，破坏前的总应变量增大，塑性应变在总应变量中所占的比率增加。岩石的破坏性质

13、可由脆性破坏转变为延性破坏；,砂岩应力差轴应变曲线,辉长岩应力差轴应变曲线,强度较高的岩石（如辉长岩，白云岩，苏长岩等），弹性模量基本为常数，不随围压变化而改变；,强度较低的弱岩（如砂岩等），弹性模量随围压的提高而增大。,围压对岩石弹性模量的影响,（据茂木清夫）,大理岩应力差轴应变曲线,随围压的提高，岩石抵抗破坏所能承受的极限应力提高，或者说岩石的强度（1-3）提高。,围压对岩石强度的影响,3. 应力水平（大小） 岩石的应力应变曲线在不同应力区段中有不同的斜率，这说明了应力水平对变形(弹性)模量的影响。 岩石的剪切破坏准则一般采用剪应力与压应力为线性关系的库伦定律。大量实验证明，剪切曲线近于双

14、曲线性质，其斜率随正应力水平的提高而降低。这样当正应力增大时，内摩擦角减小，而内聚力则增高。 此外，正应力水平的高低不仅影响岩体结构面的抗剪能力，而且由于对发生剪胀的约束力不同，从而能够改变结构面剪切的机制。,4. 应力增加速率 研究资料表明，随加荷速率的提高，岩石的变形模量和抗拉、抗压强度都有不同程度的提高。图6-24图6-26 。,加荷速率对抗拉强度的影响,抗拉强度与加荷速率的综合关系,抗压强度与应变率的关系,空隙度与抗压强度增量间的关系,由于加荷速率愈高，组成岩石的基本质点间的相对位移没有得到应有的发展，在表观上，也就是岩石的应变没有达到相应的最终值，从而造成了应变量滞后于应力增量。,原

15、 因 分 析,由于不同加荷速率下所得到的模量和强度值不同，为了便于资料对比，对试验中的加荷速率作出统一规定。 拉伸的加荷速率规定为0.010.1MPas，压缩的加荷速率标准为0.1 1.0 MPas,加荷速率标准,5. 应力持续时间 应力的持续时间对岩石变形和破坏的影响很大，这种影响也称为时间对力学性质的效应。如果延续时间相当长，则岩石发生蠕变（见第五章）。 应力持续时间的增长，能够使破坏前的总应变量增大，使破坏性质由脆性的转变为延性的，并且能够使强度降低。,实践中测得的岩体的动弹性模量值总是高于静弹性模量值，其主要原因即在于前者的应力延续时间大大短于后者。,应力持续时间对弹性模量的影响,研究资料还较少，已有资料表明：,0以下，随着T降低，岩石的弹性模量和强度提高；,01000，高强度的结晶岩石随着T升高，岩石的弹性模量降低，抗压强度、抗拉强度和脆性延性转变压力均降低； 强度低的非结晶岩石随着T升高，岩石抗压强度增大，但抗拉强度降低。,周期性的温度升降，导致矿物晶粒间的联结遭受损伤，岩石结构被破坏，力学性质降低。,温度效应,6.6,岩石的抗压强度随温度的变化,岩石的抗拉强度随温度的变化,岩体的力学性质是由结构体（岩石）和结构面的力学性质共同决定的，即与岩石强度、 岩体中结构面的发育程度（岩体完整性） 、 结构面的特征（产状、起伏特征、粗糙程度