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1、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；第三章第三章 岩体的力学性质岩体的力学性质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
2、性质 n第八节 岩体质量评价及其分类主要内容 岩体岩体= =结构面（弱面）结构面（弱面）+ +结构体（岩石块体）结构体（岩石块体） 结构面结构面：断层、褶皱、节理统称影响岩体力学性质的基本因素：影响岩体力学性质的基本因素： 结构体结构体( (岩石岩石) )力学性质、结构面力学性质、岩体力学性质、结构面力学性质、岩体结构力学效应和环境因素结构力学效应和环境因素( (特别是水和地应力的作用特别是水和地应力的作用) )3.1 3.1 概述概述3.33.3岩体中的结构面及自然特征岩体中的结构面及自然特征次生结构面次生结构面3.3.1结构面类型（自学、了解、提问）结构面类型（自学、了解、提问）火成结构面
3、火成结构面沉积结构面沉积结构面变质结构面变质结构面成因及类型成因及类型原生结构面原生结构面构造结构面构造结构面断层断层节理节理劈理劈理3.3.23.3.2结构面的自然特征结构面的自然特征1. 充填胶结特征几何形态特征有充填无充填薄膜充填薄膜充填（2mm以下）断续充填断续充填连续充填连续充填厚层充填厚层充填（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
4、贯通性的、半贯通性及贯通性的结构面p 结构面的结构面的密集程度密集程度 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/md=1/k=5md=1/k=5ma.a.a.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 :同一组结构面同一组结构面沿法线方向沿法线方向单位长度上的节理数量单位长度上的节理数量l d180cm 整体结构 d=30180 块状结构 d30 破裂结构 d6.5 极破裂结构 K=01/m 疏节理 K=110/m 密节理 K=10100/m 很密
5、节理 K=1001000/m 糜棱节理 按间距分类按间距分类按裂隙度分类按裂隙度分类 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：多处不连续切割叠加：假设在岩体中取一平直断假设在岩体中取一平直断面，总截面积为面，总截面积为A，其中其中被节理面切割的面积为被节理面切割的面积为a；则切割度为则切割度为3.4 3.4 结构面的力学性质结构面的力学性质 法向变形切向变形 变形性质强度性质(一）法向变形1 1. .变形特性变形特性 在法向荷载作用下，结构面间隙呈非
6、线性减在法向荷载作用下，结构面间隙呈非线性减小，应力与法向变形呈指数关系。小，应力与法向变形呈指数关系。( (原因）原因） 当荷载去除时，将引起明显的后滞和非弹当荷载去除时，将引起明显的后滞和非弹性效应。性效应。 K Kn n法向变形刚度法向变形刚度 K Kn0n0结构面的初始刚度结构面的初始刚度趋势趋势：n ，Kn （Goodman,1974）GoodmanGoodman方法方法：节理无抗拉强度节理无抗拉强度 极限闭合量极限闭合量maxmax e e（节理的厚度）节理的厚度）（1 1）基本假设）基本假设（2 2）状态方程）状态方程2. 2. 闭合变形量计算闭合变形量计算： 原始应力，由测量时
7、的初始条件决定；n, max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）粗糙粗糙（或非充填）结构面剪切变形曲线；B）平坦平坦（或有充填物）的结构面区别及原因区别及原因见下页力学模型见下页力学模型结构面的剪切变形结构面的剪切变形: 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（三）抗剪强度i服从库仑准则服从库仑准则:影响抗剪强度的三个基本因素：v法向力 nv粗糙度 JRCv结构面强度 JCS结构面抗剪强
8、度公式（Barton和choubey, 1977)：粗糙度粗糙度 JRC （目测）（目测）分维数3.5 岩体的变形性质法向变形特征法向变形特征剪切变形特征剪切变形特征各向异性变形特性各向异性变形特性岩体的变形岩体的变形（一）法向变形特征：1. 法向变形试验：承压板法、承压板法、钻孔变形法、钻孔变形法、狭缝法、狭缝法、1）承压板法选具有代表性的试验地点选具有代表性的试验地点清除浮石，平整岩面清除浮石，平整岩面逐级一次循环法加压逐级一次循环法加压岩体变形模量岩体变形模量Em和弹性模量和弹性模量Eme公式：公式： p承受板单位面积上的压力承受板单位面积上的压力(MPa)； D承压板直径或边长承压板直
9、径或边长(cm)； 、 e相应于相应于p下的岩体总变形和弹性变形下的岩体总变形和弹性变形（cm）；）； 与承压板形状与承压板形状与与刚度有关刚度有关的系数，对圆形板的系数，对圆形板0.785；方形板；方形板0.886； m岩体的泊松比。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m岩体的泊松比;厚壁圆筒理论对岩体扰动较小；可在地下水位以下和相当深的部位进行；试验方向基本不受限制，试验压力大；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）
10、；量测点A1、A2的相对位移值(cm)， =y2-y1。 m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
11、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： 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。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。3.63.6岩体的强度特性岩体的强度特性3.6.13.6.1岩体强度的测定岩体强度的测定（一）岩体单轴抗压强度的测定（一）岩体单轴抗压强度的测定图图3-24 岩体单轴抗压强度测定岩体单轴抗压强度测定1方木；方木； 2工字钢；工字钢；3千斤千斤顶；顶； 4水泥砂浆水泥砂浆现场原位切割较大尺寸试体（
12、边长0.51.5m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水泥砂浆抹平试体表面垫方垫方木、工字钢木、工字钢加载加载计算强度计算强度试件（二）岩体抗剪强度的测定（二）岩体抗剪强度的测定双千斤顶法：双千斤顶法：1. 正压力正压力P和横推力和横推力T的合的合力通过力通过剪切面中心剪切面中心。3. 试验试验5组以上组以上2. 横推千斤顶成横推千斤顶成15角倾斜布置。角倾斜布置。计算公式：计算公式： P、T垂直及横向千斤顶施加的荷载；垂直及横向千斤顶施加的荷载； S试体受剪截面积。试体受剪截面积。（三）岩体三轴强度试验（三）岩体
13、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。常重要。千斤顶加轴向荷载千斤顶加轴向荷载压力枕加围压荷载压力枕加围压荷载准三轴（等围压）：实用准三轴（等围压）：实用性更强。性更强。图图3-263-26原位岩体三轴试验原位岩体三轴试验1 1一混凝土顶座；一混凝土顶座；2 2、4 4、6 6垫板；垫板；3 3一顶柱；一顶柱；5 5一球面垫；一球面垫；7 7一压力枕；一压力枕；8 8一试件；一试件；9 9一液压表；一液压表；1010一液压枕一液压枕真三轴：中间主应力在岩体真三轴：中间主应力在岩体强度中起着重要作用，在多强度中起着重要作用
14、，在多节理岩体中尤为重要。节理岩体中尤为重要。试体试体3.6.23.6.2结构面的强度效应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（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节面上的应力(图） 当 （岩石块体破坏，结构面不破坏）当 节理面的存在不削弱岩块强度 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，岩体强度岩块先破坏，岩体强度等于岩块强度等于岩块强度 或或 节理先破坏，节理先破坏，岩体强度小于岩块强度岩体强度小于岩块强
15、度 或或图解法: 直接在图220量取；也可以由正弦定律推出：(见图220）（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。是沿一组最有利破坏的节理首先破坏。图图3 321 21 两组节理力学模型两组节理力学模型图图3 320 20 1 1与与的关系曲线的关系曲线二、当二、当C=0C=0时节理面的力学效应时节理面的力学效应这时库仑准则这时库仑准则 用主应力表示上式，得：用主应力表示上式，得： 已知已知1 1, ,由上式可计算出维持破裂岩体极限稳定由上式可计算出维持破裂岩体极限稳定的侧向压力的侧向压力3 3
16、，即岩体所需的最小支护力，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。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、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。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物理作用化学作用化学作用力学作用力学作用（一）物理作用：（一）物理作用：岩体结构面上的摩阻力减小改变岩体
17、结构面充填物的物理性状，内聚力和摩擦角减小。软化系数区别于重力水的润滑，软化作用。（二）化学作用：（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：润滑作用：软化和泥化作用：软化和泥化作用：结合水的强化作用：结合水的强化作用：泥石流、山体滑坡（三）力学作用：（三）力学作用：孔隙静水压力作用孔隙静水压力作用孔隙动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：有效应力，有效应力， 总应力，总应力，p 孔隙静水水压力孔隙静水水压
18、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：， ，p ： 含义同上含义同上 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：d 动水水压力，力，地下水容重，地下水容重，J地下水水力坡度地下水水力坡度 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，裂隙的隙宽， d ，J意义同上意义同上 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
19、产以及评价经济效益的依据之一。（一） 普氏分级法：f=c/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) ：RQD2525505075759090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：不足：不足：（三）岩体地质力学分类（CSIR分类, 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 Re
20、search) 提出。分类时，根据表分类时，根据表3-63-6得得RMRRMR初值初值P57P57, ,然后据节理、裂隙的产状变化然后据节理、裂隙的产状变化按表按表3-73-7和表和表3-83-8对对RMRRMR初值修正，最后对照表初值修正，最后对照表3-93-9求得岩体的类别。求得岩体的类别。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：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：De
21、er的岩石质量指标；的岩石质量指标；Jn: 节理组数；节理组数；Jr: 节理粗糙度系数；节理粗糙度系数； Ja: 节理蚀变影响系数；节理蚀变影响系数；Jw: 节理水折减系数；节理水折减系数；SRF应力折减系数。应力折减系数。Bieniawski (1976) ： 表3-10 岩体质量Q值分类表Q值0010010.10 11.0104.04010104040100100400400岩体类型特别坏异常差极坏极差坏很差不良差中等一般好好良好很好极好极好特别好异常好定性与定量相结合，目前比较好的岩体分类方法，软、硬岩体均适用。（五）岩体（五）岩体BQ分类分类第一步：根据BQ初步分为5级（考虑了岩体的坚
22、硬程度和完整性）国标工程岩体分级标准GB50218-94提出两步分级法Rcw为岩体饱和单轴抗压强度（MPa）；Kv为岩体的完整性系数 ；（可用声波测试资料或结构面条数来确定）第二步：考虑其他因素影响，对BQ进行修正后详细分级K1：主要软弱结构面产状影响修正系数，表3-15 K2：地下水影响修正系数，表3-16K3： 天然应力影响修正系数，表3-17（六）按岩体结构类型分类（中科院地质所，谷德振）： 某岩块强度符合库仑准则，某岩块强度符合库仑准则，C = 5 MPa, =300。如果三轴应力。如果三轴应力状态下的状态下的 3=10 MPa 保持常数，求极限平衡时保持常数，求极限平衡时 1 若此时
23、若此时 1和和 3分别铅直和水平，岩块内有一条节理。节理的分别铅直和水平，岩块内有一条节理。节理的C=0， =300。节理与水平倾角或为。节理与水平倾角或为300（或（或450、或、或600、750、900），问以上情况中：），问以上情况中： 在何种情况下节理不破坏，仅岩块破坏？在何种情况下节理不破坏，仅岩块破坏？ 在何种情况下节理不破坏，仅节理破坏，或节理和岩块都破坏，在何种情况下节理不破坏，仅节理破坏，或节理和岩块都破坏，且岩块破坏面与节理面重合？且岩块破坏面与节理面重合？ 在何种情况下，节理与岩块都破坏，但岩块破裂面与节理面不在何种情况下，节理与岩块都破坏，但岩块破裂面与节理面不重合？重合？作业：作业：
