岩石力学岩体的力学性质.pptx

第二章 岩体的力学性质第一节 结构面类型及特征一、结构面类型结构面：是具有一定方向，厚度较小，延展性较大的二维地质界面。1、按结构面成因划分原生结构面：成岩过程中形成的结构面。构造结构面：在各种构造应力作用下形成的结构面，如节理、断裂、劈理以及层间错动引起的破碎带等。次生结构面：在各种次生作用下形成的结构面，如风化裂隙、冰冻裂隙以及重力卸载裂隙等。原生结构面又细分为：沉积结构面：沉积岩层在成岩过程中形成的结构面，如层理、层面、假整合和不整合等。火成结构面：岩浆侵入活动及冷凝过程中形成的，如岩浆岩的流层、流纹、冷却收缩形成的张裂隙；火成岩体与围岩的接触面。变质结构面：受变质作用形成的结构面，如片理、板理等。2、按结构面受力条件划分压性结构面：由压应力挤压构成，其走向与最大主应力方向垂直。张性结构面：在拉应力作用下产生，其走向与最大主应力方向一致。扭性结构面：由纯剪或压张应力引起的剪应力所形成的结构面。压扭性结构面：既有压型结构面的特征，也有扭性结构面的特征。张扭性结构面：既有张型结构面的特征，也有扭性结构面的特征。二、结构面的分类按工程尺寸的分类结构面的绝对分类结构面的相对分类按力学观点的分类三、结构面的状态 结构面的产状、形态、延展尺度、密集程度以及结构面的接触类型、胶结、充填情况是影响岩体强度和稳定性的重要因素。结构面的产状：对岩体是否沿着某一结构面滑动其控制作用。结构面的形态：决定岩体沿结构面滑动时抗滑力的大小。结构面的延展尺度：决定岩体的强度。结构面的密集程度：决定了岩体的被切割程度，极大影响着岩体的强度。结构面的胶结与充填情况：对岩体的强度有很大影响。描述结构面密集程度的基本概念裂隙度:沿测线方向单位长度所穿过的结构面数量。：节理数；：测线长度：节理平均间距当岩体中存在多组节理时，此时裂隙度K为各组节理裂隙度之和切割度:表示岩体被结构面切割的程度。：结构面面积；：假想断面面积当岩体中存在多组结构面时，此时切割度为：不同切割度对应岩体的贯通类型：结构面的接触类型、胶结与充填情况对岩体对强度的影响：胶结物成分对岩体对强度的影响：泥质胶结：强度最低，在脱水情况具有一定强度，遇水发生泥化和软化，强度显著降低。可溶盐类胶结：干燥时具有一定强度，遇水溶解，强度降低。钙质胶结：强度较高，且不受水的影响，但在酸性水作用下，强度降低。铁质胶结：强度较高，但易风化，力学性能不稳定。硅质胶结：强度高，力学性能稳定。薄膜充填：充填物为极薄的一层矿物薄膜，强度较低。断续充填：充填物不连续，厚度小于结构面起伏度。结构面强度受两侧岩性及结构面形态控制。连续充填：充填物连续，厚度略大于结构面起伏度。结构面强度受充填物强度控制。厚层充填：充填物厚度大，在岩体中形成软弱带。胶结物厚度对岩体对强度的影响：第二节 结构面的变形特征一、结构面的法向变形1、结构面弹性变形点接触荷载表面平均位移：结构面的接触是点接触，接触点为边长为h的正方形，接触点有n个；每个接触点所受的力是相等的；每个接触点的力学特性是相同的。与接触面形状有关的系数，当接触面为圆形，当接触面为方形，随长宽比的增大而减小。弹性位移，作用于结构面上的均布载荷;结构面边长，接触点边长;接触点个数;通常认为，当结构面闭合时，其弹性变形量为：沃尔多夫认为，故有：2、结构面的闭合变形结构面是张开的，张开的结构面没有强度；结构面间的压缩量有限。古德曼假定：当：结构面的配称与非配称试验：二、结构面的剪切变形1、结构面粗糙、无充填物的剪切变形(a)：2、结构面含有较厚充填物的剪切变形(b)：充填物湿度对结构面抗剪强度曲线影响很大。当充填物干燥时，曲线b会向曲线a过渡。起始弹性段应力降低段残余变形段（塑性段）3、结构面剪切变形理想化模型抗剪强度残余抗剪强度高低恒刚度抗剪强度曲线高低恒位移抗剪强度曲线第三节 结构面的抗剪强度一、平直结构面的抗剪强度峰值抗剪强度峰值内聚力，峰值内摩擦角残余抗剪强度残余内摩擦角若结构面间有水存在：二、粗糙结构面的抗剪强度抗剪强度基本摩擦角，结构面爬坡角粗糙结构面抗剪强度理想曲线视内聚力3、充填结构面抗剪强度 当结构面中充填有某种软弱物质时，随着充填厚度的增大，结构面的抗剪强度显著下降，一旦充填物厚度超过结构面表面起伏幅值时，则结构面抗剪强度由充填物的厚度缩控制。第四节 结构面的力学效应一、单结构面力学效应结构面抗剪强度符合库仑准则：沿结构面破坏力学条件：当：当结构面与结构面抗剪强度曲线相切时：或结构面抗剪强度与与结构面位置关系：。求边坡极限抗压强度；如果结构面倾角为30例2-1 某岩石边坡由闪长岩组成，其抗剪强度指标边坡内有一结构面。结构面强度性质结构面倾角为防止下滑，而采取加固措施，使边坡获得侧向应力度，求极限抗压强度是增大还是减小？二、多结构面力学效应三、内聚力为零时的结构面力学效应作业：某岩块强度符合库仑准则，C=5MPa，=30，如果围压为10MPa，求极限抗压强度。若此时岩块内有一节理面，该节理C=0，=30，当该节理面与水平面的夹角为30和75时，问岩块和节理面是否破坏？若破坏，求破坏面位置。第五节 岩体的变形一、岩体的应力应变曲线二、岩体的应力应变曲线类型三、岩体的变形特性参数测量1、弹性模量和变形模量弹性变形，永久变形2、现场测量岩体变形的方法承压板法(静力法）岩体表面压力岩体表面垂直位移泊松比，承压板尺寸与承压板刚度和形状有关的系数载荷施加方法：大循环法：试验时将所施加额定载荷分为几级，由小到大逐次加载，最后达到额定载荷，然后卸载，完成一个大循环。这种反复加卸载的方法称为大循环法。多循环：将所加的额定载荷分成几级，由小到大，每级反复加卸载多次，最后达到额定载荷。单循环：将所加的额定载荷分成几级，由小到大，每级反复加卸载一次，最后达到额定载荷。小循环单循环多循环岩体动弹性模量的测定（动力法）纵波速度，横波速度，检波器距震源的距离纵波走时，横波走时岩体动弹性模量，岩体动泊松比岩体密度第六节 岩体的强度一、岩体的结构1、整体结构2、层状结构3、块状结构 甲级块状结构（滑移式块状结构）乙级块状结构（砌块式块状结构）4、碎裂结构5、散体结构二、岩体强度特征 岩体强度取决于结构面的强度和岩石的强度，岩体无论处于何种应力状态，其强度受加载方向与结构面夹角的控制，表现出岩体的各向异性。当：当岩体中存在多组结构面时，岩体强度为各单组结构面强度的叠加，当结构面分布均匀，强度大体相等，此时岩体强度表现为各向同性，但整体强度大大降低。含有一组结构面岩体的强度变化情况具有两组相互垂直节理时岩体强度的变化曲线具有两组相互垂直节理时岩体强度的变化曲线多组结构面导致岩体各项同性。三、岩体强度测定（一）岩体的单向抗压强度和准岩体强度测定1、单向抗压强度测定岩体尺寸2、准岩体强度测定 小尺寸试件强度与岩体强度之间存在一定的关系，因此可用室内测定的岩石强度间接确定岩体强度，此时的岩体强度即为准岩体强度。准岩体抗压强度准岩体抗拉强度龟裂系数岩体中弹性波传播速度岩石中弹性波传播速度（二）岩体的抗剪强度测定1、双千斤顶法2、单千斤顶法现场岩体强度测定的多点法与单点法（三）现场三轴抗压强度测定等围压三轴试验与真三轴试验四、岩体的水力学性质水对岩体的物理作用：润滑作用、软化和泥化作用、结合水的强化作用水对岩体的化学作用：离子交换、溶解和溶蚀作用、水化作用、水解作用、氧化还原作用水与岩体相互耦合作用下的力学效应