复习2岩体力学性质.pptx

1岩体力学性质岩体力学性质岩体结构岩体结构o1 岩体结构要素岩体结构要素o2 结构面类型结构面类型o3 结构面分级及其特性结构面分级及其特性o4 结构面状态结构面状态o5 岩体结构类型岩体结构类型2岩石与岩体岩石与岩体 岩岩石石与与岩岩体体：岩岩石石是是构构成成岩岩体体的的物物质质。岩岩体体是是由由结结构构面面及及结结构构体体(被被结结构构面面所所包包围围的的岩岩块块)两两个个基基本本单单元元组组成成；岩岩石石的的物物理理力力学学性性质质和和水水理理性性质质取取决决于于岩岩石石的的矿矿物物成成分分，而而岩岩体体的的物物理理力力学学性性质质，既既取取决决于于结结构构面面的的力力学学性性质质，又又取取决决于于岩岩石的力学性质。石的力学性质。与岩石相比，岩体具有以下性质：与岩石相比，岩体具有以下性质：岩体是地壳的一部分，对岩体是地壳的一部分，对岩体的研究不能脱离它所处岩体的研究不能脱离它所处的环境的环境,地质环境，包括地地质环境，包括地应力、水、空气、地温等应力、水、空气、地温等.岩岩 体体结构结构面面岩块岩块岩体=岩块+结构面3 岩体是一种多裂隙介岩体是一种多裂隙介 质，存在各种尺度、规模质，存在各种尺度、规模 不等的结构面。这些结构不等的结构面。这些结构 面面切切割割的的岩岩体体形形成成多多种种典典型型的的岩岩体体结结构构，其其两两个个极极端端是是裂裂隙隙极极多多的的松松散散碎碎块块和和裂裂隙隙较较少少的的整整体体结结构构。在在进进行行矿矿山山工工程程设设计计时时必必须须首首先先确确定定岩岩体体结结构构的的类类型型，然然后后分分别别选选用用适适当当的的力力学学方方法法进进行行分析。分析。岩体岩体42.2 岩体结构的基本类型定义：定义：不同类型的岩体结构单元在岩体内组合和排列形式不同类型的岩体结构单元在岩体内组合和排列形式.结构面结构体岩体结构单元岩体结构单元组合岩体结构单元排列岩体结构三要素坚硬结构面软弱结构面块状结构体板状结构体岩体结构岩体结构:52.3 岩体结构面及其充填特征结构面定义：岩体内开裂的和易开裂的地质界面，如节理、层理、劈理、裂隙、断层等等。结构面的作用与其规模和形态有关。特点：特点：横向延展表现出面的几何特性；物质分异面或不连续面；常具有一定厚度，充有一定物质（例如：节理由两个面及面间的水或气组成；断层及层间错动是由上下盘两个面及其间充填的断层泥和水构成的实体组成）；变形机理是两面闭合或滑移；破坏机理是沿面滑动或开裂。6 结构面（结构面（Structural plane)Structural plane)类型类型1 1成因类型成因类型地质类型地质类型原原生生结结构构面面沉积沉积结构面结构面层面、层理、沉积间断面（不整合层面、层理、沉积间断面（不整合面、假整合面）、原生软弱夹层面、假整合面）、原生软弱夹层火成火成结构面结构面流层、流线、火山岩流接触面，蚀流层、流线、火山岩流接触面，蚀变带、挤压破碎带、原生节理变带、挤压破碎带、原生节理变质变质结构面结构面片理、板理、软弱夹层片理、板理、软弱夹层7结构面（结构面（Structural plane)Structural plane)类型类型2 2成因类型成因类型地质类型地质类型构构造造结结构构面面劈理劈理节理节理断层断层层间破碎夹层层间破碎夹层8结构面（结构面（Structural plane)Structural plane)类型类型3 3成因类型成因类型地质类型地质类型次次生生结结构构面面卸卸 荷荷 裂裂 隙隙爆爆 破破 裂裂 隙隙风风 化化 裂裂 隙隙风风 化化 夹夹 层层泥泥 化化 夹夹 层层9结构面的分级结构面的分级按照结构面的发育程度和规模，可分为：按照结构面的发育程度和规模，可分为：lI 级结构面级结构面：泛指对区域构造其控制作用的断裂带，包：泛指对区域构造其控制作用的断裂带，包括深大断裂带，延伸括深大断裂带，延伸10公里以上，其存在直接关系都工公里以上，其存在直接关系都工程区域的稳定性；程区域的稳定性；lII 级结构面级结构面：指延展性强而宽度有限的地质界面，延伸：指延展性强而宽度有限的地质界面，延伸几百至数千米；几百至数千米；lIII级结构面级结构面：一般为局部的断裂构造，主要是小断层，：一般为局部的断裂构造，主要是小断层，延展几十到数十米，宽半米左右；延展几十到数十米，宽半米左右；lIV级结构面级结构面：延展性差，无明显的宽度，主要指节理面，：延展性差，无明显的宽度，主要指节理面，仅在小范围内分布；仅在小范围内分布；lV 级结构面级结构面：延展性级差，无宽度分别，分布随机；：延展性级差，无宽度分别，分布随机；10结构面状态结构面状态1 1）结构面贯通类型和连续性）结构面贯通类型和连续性a.a.贯通类型贯通类型非贯通性结构面：较短、不能贯通非贯通性结构面：较短、不能贯通,岩块强度降低、变形增大岩块强度降低、变形增大.半贯通性结构面：有一定长度、不能贯通半贯通性结构面：有一定长度、不能贯通,岩块强度降低、变岩块强度降低、变形增大形增大贯通性结构面长度较长、连续好、贯通整个岩体、构成岩体贯通性结构面：长度较长、连续好、贯通整个岩体、构成岩体边界，它对岩体有较大的影响，破坏常受这种结构面控制边界，它对岩体有较大的影响，破坏常受这种结构面控制 11o1结构面法向变形与刚度结构面法向变形与刚度o2结构面切向变形与刚度结构面切向变形与刚度o3结构面的抗剪强度结构面的抗剪强度2.4 结构面的力学性质122.4 结构面的力学性质(法向变形法向变形)l一、结构面的法向变形：一、结构面的法向变形：在法向载荷作用下，在法向载荷作用下，岩石粗糙结构面的接触面积和接触点数随着载岩石粗糙结构面的接触面积和接触点数随着载荷的增加而增加，结构面的间隙减小，应力与荷的增加而增加，结构面的间隙减小，应力与法向变形之间呈现指数关系；法向变形之间呈现指数关系；1、Goodman（1974）提出的法向应力与结构面）提出的法向应力与结构面闭合量的关系：闭合量的关系：为原位压力；为原位压力；max为最大的可能闭和量；为最大的可能闭和量；s和和t为参数为参数t13法向刚度法向刚度Kn:Kn:单位法向变形的单位法向变形的法向应力的梯度法向应力的梯度.（Goodman,1974Goodman,1974）式中式中K Kn0n0：结构面的初始刚度：结构面的初始刚度2.4 结构面的力学性质142 2、班迪斯（班迪斯（Bandis,1984Bandis,1984）:通过大量的通过大量的天然的天然的,不同不同风化程度风化程度和和表面粗糙度表面粗糙度的的非充填结构面非充填结构面实验研究实验研究.双曲线型法向应力与法向变形的关系双曲线型法向应力与法向变形的关系.式中：式中：a a、b b为常数为常数 2.4 结构面的力学性质(法向变形法向变形)153.3.法向变形的特征法向变形的特征曲线形状，先凹，后陡；可由曲线形状，先凹，后陡；可由初始法向刚度初始法向刚度和和最大闭合量最大闭合量确定确定初始阶段，结构面变形为主，当初始阶段，结构面变形为主，当n n=c c/3/3时结构面变形基本完成时结构面变形基本完成最大闭合量最大闭合量小于小于张开度。张开度。2.4 结构面的力学性质162.4 结构面的力学性质(剪切变形剪切变形)1.1.两种类型两种类型A.A.粗糙结构面粗糙结构面（无充填物），（无充填物），剪应力上升较快，当剪应剪应力上升较快，当剪应力达到峰值后抗剪能力下力达到峰值后抗剪能力下降较大，并产生不规则的降较大，并产生不规则的峰后变形或滞滑现象。峰后变形或滞滑现象。B B.平坦结构面平坦结构面（有充填物），（有充填物），初始阶段剪切变形曲线斜初始阶段剪切变形曲线斜率逐渐减小，曲线没有明率逐渐减小，曲线没有明显的峰值出现，最后恒定显的峰值出现，最后恒定二、结构面的剪切变形：二、结构面的剪切变形：在法向应力作用下，在法向应力作用下，结构面在剪切作用下产生切向变形。结构面在剪切作用下产生切向变形。17剪切刚度：剪切刚度：19741974年年GoodmanGoodman提出提出：式中：式中：K Kt0t0初始剪切刚度初始剪切刚度 s s产生较大剪切位移时的剪应力渐近值产生较大剪切位移时的剪应力渐近值 2.4 结构面的力学性质(剪切变形剪切变形)2.2.剪切变形曲线剪切变形曲线 从形式上可划分为从形式上可划分为:弹性区、弹性区、剪应力峰值区和塑性区。在结构面剪切过程中，剪应力峰值区和塑性区。在结构面剪切过程中，伴随有微凸体的变形、劈裂、结构面间的相互伴随有微凸体的变形、劈裂、结构面间的相互错动，变形有时是不可恢复的。错动，变形有时是不可恢复的。182.4 24 结构面的力学性质结构面的力学性质（剪切变形）（剪切变形）3.3.剪切变形特征剪切变形特征两种类型：两种类型：a.a.坚硬、无充填物坚硬、无充填物脆性变形脆性变形 有明显的峰值、应力降有明显的峰值、应力降b.b.软弱、有充填物软弱、有充填物塑性变形塑性变形 无明显的峰值、应力降无明显的峰值、应力降风化结构面，峰值位移变大、风化结构面，峰值位移变大、剪切刚度变小剪切刚度变小随法向应力减小、剪切规模增随法向应力减小、剪切规模增大，剪切刚度减小大，剪切刚度减小192.4 结构面的力学性质(剪切变形剪切变形)4.4.剪胀剪胀:剪切过程中产生的法向移动分量剪切过程中产生的法向移动分量.岩石强度高，凸台角岩石强度高，凸台角i i小，法向力小，法向力N N小，发生剪胀现象小，发生剪胀现象(b)(b)岩石强度低，岩石强度低，凸台凸台角角i i大，法向力大，法向力N N大，发生剪断现象大，发生剪断现象(c)(c)20三三.结构面的抗剪强度结构面的抗剪强度(库仑准则库仑准则)结构面结构面剪切强度2.4 结构面的力学性质(抗剪强度抗剪强度)是结构面的粘结力和摩擦角。是结构面的粘结力和摩擦角。212.4 结构面的力学性质(抗剪强度抗剪强度)结构面的抗剪强度结构面的抗剪强度C,:C,:结构面结构面上的粘结力和上的粘结力和 摩擦角摩擦角 n:n:结构面上的法向应力结构面上的法向应力 =b+i b+i b b:岩石平坦表面摩擦角岩石平坦表面摩擦角 i:i:结构面上的凸台斜坡角结构面上的凸台斜坡角22四、结构面力学性质的尺寸效应四、结构面力学性质的尺寸效应1 1、随着试块面积增加，、随着试块面积增加，平均峰值剪应力平均峰值剪应力呈减小趋势，呈减小趋势，平均摩擦角下降；平均摩擦角下降；2 2、随着结构面面积增大，峰值强度时的、随着结构面面积增大，峰值强度时的位移量增大位移量增大；3 3、随着尺度增加，剪切破坏由、随着尺度增加，剪切破坏由脆性向延性脆性向延性转化；转化；4 4、尺寸加大，、尺寸加大，峰值剪胀角峰值剪胀角减小；减小；5 5、随结构面粗糙度减小，、随结构面粗糙度减小，尺寸效应减小。尺寸效应减小。2.4 结构面的力学性质23五、充填物对结构面力学性质影响五、充填物对结构面力学性质影响1 1、随夹层、随夹层厚度厚度增大，强度迅速降低；增大，强度迅速降低；2 2、随夹层、随夹层颗粒颗粒增大，强度增大，但超过增大，强度增大，但超过30mm30mm以后变化以后变化不大；不大；3 3、随、随含水量含水量增加，使粘结力和摩擦力下降，强度下降增加，使粘结力和摩擦力下降，强度下降4 4、泥化夹层泥化夹层的影响，时效性，恒定荷载下产生蠕变。的影响，时效性，恒定荷载下产生蠕变。2.4 结构面的力学性质242.5 2.5 岩体的变形特征岩体的变形特征o1 1岩体受压变形性质岩体受压变形性质o2 2岩体受剪变形性质岩体受剪变形性质o3 3岩体各向异性特征岩体各向异性特征25一、岩体的单轴和三轴压缩下变形特征一、岩体的单轴和三轴压缩下变形特征（1 1）岩体应力应变全过程曲线）岩体应力应变全过程曲线 在加载过程，结构面压密与闭合，应力应变曲线，呈在加载过程，结构面压密与闭合，应力应变曲线，呈上凹型。上凹型。中途卸载有中途卸载有弹性后效弹性后效现象和不可恢复现象和不可恢复残余变形残余变形。这是结构面闭合、。这是结构面闭合、滑移、错动造成的。滑移、错动造成的。完全卸载，再加载形成形完全卸载，再加载形成形 式上的式上的“开环型开环型”曲线，这曲线，这 也是弹性后效造成的。也是弹性后效造成的。峰值强度后岩体开始破峰值强度后，岩体开始破 坏，坏，应力下降较缓慢，仍应力下降较缓慢，仍有残余应力，有残余应力，这是这是岩体结构效应岩体结构效应。2.5 2.5 岩体的变形特征岩体的变形特征（单轴和三轴压缩变形特征）（单轴和三轴压缩变形特征）26（2 2）卸载时荷载不降至零时的应力应变曲线）卸载时荷载不降至零时的应力应变曲线卸荷不降至零时的循环加载应力应变曲线呈卸荷不降至零时的循环加载应力应变曲线呈“闭环型闭环型”。随着外荷加大、循环次数增多，随着外荷加大、循环次数增多，闭环后移闭环后移，这是结构面逐，这是结构面逐级被压密与啮合，这是结构面逐级被压密与啮合所致。级被压密与啮合，这是结构面逐级被压密与啮合所致。闭环逐渐变窄闭环逐渐变窄演变呈一条线，演变呈一条线，这是压密程度越来越高，这是压密程度越来越高，弹性弹性 后效变小后效变小的原因。的原因。当卸荷至零持续一定时间后，当卸荷至零持续一定时间后，有较大回弹变形，这是有较大回弹变形，这是弹性后效。弹性后效。2.5 2.5 岩体的变形特征岩体的变形特征（单轴和三轴压缩变形特征）（单轴和三轴压缩变形特征）27二、二、岩体剪切变形特征岩体剪切变形特征在屈服点前，变形曲线与抗压变形相似，在屈服点前，变形曲线与抗压变形相似，上凹型上凹型。屈服点后，屈服点后，某个结构面或结构体首先剪坏某个结构面或结构体首先剪坏，随之出现一，随之出现一次应力下降。峰值前可能发现次应力下降。峰值前可能发现多次应力升降多次应力升降。升降程度。升降程度与结构面或结构体强度有关，岩体越破碎，应力降反而与结构面或结构体强度有关，岩体越破碎，应力降反而不明显。不明显。当应力增加到一定应力水平时，当应力增加到一定应力水平时，岩体剪切变形已积累到一定程度岩体剪切变形已积累到一定程度 没剪破的部位以瞬间破坏方式出没剪破的部位以瞬间破坏方式出 现，并现，并伴有一次大的应力降。伴有一次大的应力降。随后产生随后产生稳定滑移稳定滑移2.5 2.5 岩体的变形特征岩体的变形特征（剪切变形特征）（剪切变形特征）l有关的工程问题：边坡滑坡、坝基底部滑移等；有关的工程问题：边坡滑坡、坝基底部滑移等；282.6 岩体的强度特性l岩体的强度岩体的强度：岩体抵抗外力破坏的能力，包括：岩体抵抗外力破坏的能力，包括抗压强度、抗压强度、抗拉强度、抗剪强度抗拉强度、抗剪强度之分之分.但对于裂隙岩体来说，其抗拉强度很小，加上岩体但对于裂隙岩体来说，其抗拉强度很小，加上岩体抗拉强度测试技术难度大，所以目前对岩体抗拉强度研抗拉强度测试技术难度大，所以目前对岩体抗拉强度研究的很少。究的很少。岩体强度受结构面和结构体强度及其组合方式（岩体岩体强度受结构面和结构体强度及其组合方式（岩体结构）影响。结构）影响。l一、岩体强度的测定一、岩体强度的测定 岩体强度试验是在现场原位切割较大尺寸的试件进岩体强度试验是在现场原位切割较大尺寸的试件进行单轴压缩、三轴压缩和抗剪强度试验。行单轴压缩、三轴压缩和抗剪强度试验。291、岩体单轴抗压强度的测定：在试件表面抹水泥砂浆，将表面抹平，并在上方设置垫层，以便将载荷均匀传给试体。计算强度同岩石单轴抗压强度。3、岩体三轴压缩强度试验千斤顶施加轴向载荷，用压力枕施加围岩载荷一、岩体强度的测定一、岩体强度的测定2、岩体抗剪强度的测定 一般采用千斤顶法：一个垂直千斤顶施加正压力，另一个千斤顶施加横推力合力应通过剪切面中心，横向千斤顶倾角一般15度。计算公式：真三轴和假三轴30结构面的抗剪强度为：结构面的抗剪强度为：-结构面上的粘结力、摩擦角-作用在结构面上的法向应力二、结构面的强度效应二、结构面的强度效应-单结构面单结构面其中，摩擦角可写成31二、结构面的强度效应二、结构面的强度效应-单结构面单结构面节节面面上上的的应应力力将将带入带入得得32岩体不会沿结构面破坏岩体不会沿结构面破坏若若莫莫尔尔圆圆和和岩岩石石强强度度包包络络线线相相离离，节节理理先先破坏，岩体强度小于岩块强度破坏，岩体强度小于岩块强度若若莫莫尔尔圆圆和和岩岩石石强强度度包包络络线线相相切切，则则岩岩体体沿某一岩石截面破坏，破坏角沿某一岩石截面破坏，破坏角a.a.当当b.b.当当若若莫莫尔尔圆圆和和岩岩体体强强度度包包络络线线相相离离，则则岩岩体体不不发发生生破坏，既不沿结构面破坏，也不沿岩石面破坏破坏，既不沿结构面破坏，也不沿岩石面破坏有关岩体破坏的讨论有关岩体破坏的讨论33 两组以上的节理同样处理，不过岩体总两组以上的节理同样处理，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。二、结构面的强度效应二、结构面的强度效应-多多结构面结构面34l准岩体强度lHoek-Brown经验强度准则其中:m,s为与岩体结构有关的参数三三.岩体强度岩体强度的估算的估算35岩体分级的意义岩体分级的意义o工程岩体工程岩体：各类岩石工程周围的岩体，包括地下工程、边坡各类岩石工程周围的岩体，包括地下工程、边坡工程及与岩石有关的地面工程。工程及与岩石有关的地面工程。o意义意义：在工程设计与施工中区分复杂多变的岩体的质量在工程设计与施工中区分复杂多变的岩体的质量好坏，及其表现在稳定性上的差异，为选择工程结构好坏，及其表现在稳定性上的差异，为选择工程结构参数、科学管理生产以及评价经济效益提供依据。参数、科学管理生产以及评价经济效益提供依据。o分级方法概述分级方法概述：现有方法包括单因素法向多因素法，现有方法包括单因素法向多因素法，综合性综合性的和的和专题性专题性的。的。2.8 2.8 岩体质量评价及其分类岩体质量评价及其分类36一、按岩石的质量指标一、按岩石的质量指标RQDRQD（Rock Quality Rock Quality DesignationDesignation）分类）分类RQDRQD是选用坚固完整的、其长度大于等于是选用坚固完整的、其长度大于等于10mm10mm的岩的岩芯总长度与钻孔长度的比，百分数表示为：芯总长度与钻孔长度的比，百分数表示为：按按RQDRQD大小将岩石分为五类。工程实践说明，大小将岩石分为五类。工程实践说明，RQDRQD是是一种比岩芯采取率更好的指标。一种比岩芯采取率更好的指标。2.8 2.8 岩体质量评价及其分类岩体质量评价及其分类分类分类很差很差差差一般一般好好 很好很好RQDRQD25909037二、岩体基本质量分级：二、岩体基本质量分级：认为岩石的坚硬程度和岩体完整程度所决定的岩体基本认为岩石的坚硬程度和岩体完整程度所决定的岩体基本质量，是岩体固有的属性，是有别于工程因素的共性。岩体基质量，是岩体固有的属性，是有别于工程因素的共性。岩体基本质量好，则稳定性也好；反之则差。本质量好，则稳定性也好；反之则差。岩石坚硬程度划分表岩石坚硬程度划分表岩石饱和单轴抗压强度岩石饱和单轴抗压强度 /MPa60603030151550.750.750.550.550.350.350.150.15完整程度完整程度完整完整较完整较完整较破碎较破碎破碎破碎极破碎极破碎2.8 2.8 岩体质量评价及其分类岩体质量评价及其分类岩体基本质量表达式岩体基本质量表达式:38三、岩体稳定性分级三、岩体稳定性分级:结合工程情况，计算岩体基本质量指标修正值结合工程情况，计算岩体基本质量指标修正值BQBQ：BQBQBQBQ100(K100(K1 1+K+K2 2+K+K3 3)K K1 1,K,K2 2,K,K3 3值，可分别地下水影响、主要软弱结构值，可分别地下水影响、主要软弱结构面影响、天然应力影响的修正系数。各系数由下表面影响、天然应力影响的修正系数。各系数由下表确定。无表中所列情况时，修正系数取零。确定。无表中所列情况时，修正系数取零。2.8 2.8 岩体质量评价及其分类岩体质量评价及其分类39结束语结束语