第四章岩体的基本力学性质ppt课件

第四章第四章 岩体的基本力学性质岩体的基本力学性质 1、岩体结构面的分析；、岩体结构面的分析；2、结构面的变形特征；、结构面的变形特征；3、结构面的力学效应；、结构面的力学效应；4、岩体的应力、岩体的应力-应变分析；应变分析；难点：难点：1、结构面的变形特征；、结构面的变形特征；2、结构面的力学效应；、结构面的力学效应；重点重点:第四章第四章 岩体的基本力学性质岩体的基本力学性质 4.1 概述概述 岩体是地质体，它经历过多次反复地质作用，经受过变形，遭岩体是地质体，它经历过多次反复地质作用，经受过变形，遭受过破坏，形成一定的岩石成分和结构，赋存于一定的地质环境中。受过破坏，形成一定的岩石成分和结构，赋存于一定的地质环境中。结构面：断层、节理、褶皱结构面：断层、节理、褶皱统称统称 岩体岩体 结构面影响结构面影响完整性很好完整性很好连续介质力学方法连续介质力学方法非常破碎非常破碎土力学方法土力学方法 两者之间两者之间裂隙体力学方法裂隙体力学方法岩体不连续性，各向异性岩体不连续性，各向异性反映区域性地质构造反映区域性地质构造降低岩体强度降低岩体强度 结构面结构面岩体结构单元岩体结构单元结构体结构体坚硬结构面（干净的）坚硬结构面（干净的）软弱结构面（夹泥的，夹层）软弱结构面（夹泥的，夹层）块状结构体（短轴的）块状结构体（短轴的）板状结构体（长厚比大于板状结构体（长厚比大于1515的）的）岩体抵抗外力作用的能力称为岩体的力学性质。包括岩岩体抵抗外力作用的能力称为岩体的力学性质。包括岩体的稳定性特征、强度特征、变形特征。体的稳定性特征、强度特征、变形特征。岩体强度岩体强度=岩块强度岩块强度+结构面强度结构面强度 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（岩石）力学性质、结构体（岩石）力学性质、结构面力学性质、岩体结构力学效应和环境因素特别是水和地应结构面力学性质、岩体结构力学效应和环境因素特别是水和地应力的作用。力的作用。岩体的赋存环境对岩体的力学性质有重要的影响。其赋存环岩体的赋存环境对岩体的力学性质有重要的影响。其赋存环境包括地应力、地下水、地温三部分。境包括地应力、地下水、地温三部分。地应力对岩体力学性质的影响主要体现在：地应力对岩体力学性质的影响主要体现在：(1)(1)地应力影响岩体的承载能力；地应力影响岩体的承载能力；(2)(2)地应力影响岩体的变形和破坏机制；地应力影响岩体的变形和破坏机制；(3)(3)地应力影响岩体中的应力传播的法则。地应力影响岩体中的应力传播的法则。岩体结构分类依据岩体结构分类依据 将软弱结构面切割成的岩体结构定为将软弱结构面切割成的岩体结构定为I级结构，坚硬结构面切级结构，坚硬结构面切割成的岩体结构可定义为割成的岩体结构可定义为II级结构。级结构。分类依据分类依据 第一个依据是结构面类型，第二个依据是结构面切割程度或第一个依据是结构面类型，第二个依据是结构面切割程度或结构体类型结构体类型软弱结构面软弱结构面I级岩体结构级岩体结构坚硬结构面坚硬结构面II级岩体结构级岩体结构块状的块状的块状碎裂结构块状碎裂结构层状的层状的层状碎裂结构层状碎裂结构I I级岩体结构级岩体结构IIII级岩体结构级岩体结构块状结构体块状结构体块裂结构块裂结构板状结构体板状结构体板裂结构板裂结构结构面贯通切割结构面贯通切割碎裂结构碎裂结构结构面断续切割结构面断续切割断续结构断续结构无显结构面切割无显结构面切割完整结构完整结构过渡型岩体过渡型岩体结构：软弱结构面混杂、结构面无序排列结构：软弱结构面混杂、结构面无序排列散体结构散体结构分类方案分类方案各类岩体结构的地质特征各类岩体结构的地质特征散体结构岩体散体结构岩体碎裂结构岩体碎裂结构岩体碎裂结构岩体碎裂结构岩体块裂结构岩体块裂结构岩体断续结构岩体断续结构岩体岩体结构的唯一性及工程岩体结构的相对性岩体结构的唯一性及工程岩体结构的相对性一、结构面定量描述的基本参数一、结构面定量描述的基本参数 1、产状：走向、倾向、倾角，例如：、产状：走向、倾向、倾角，例如：N30oE 2、间距：同组相邻结构面的垂直距离，平均间距、间距：同组相邻结构面的垂直距离，平均间距3、延展性（持续性）：结构面迹线长度、延展性（持续性）：结构面迹线长度4、粗糙度和起伏度：、粗糙度和起伏度：起伏度：较大一级的起伏程度，如波浪、锯齿、台阶等。起伏度：较大一级的起伏程度，如波浪、锯齿、台阶等。粗糙度：较小一级的凹凸不平的程度。粗糙度：较小一级的凹凸不平的程度。5、结构面面壁强度、结构面面壁强度 反映结构面表面的风化特征。反映结构面表面的风化特征。6、结构面的开度和充填物、结构面的开度和充填物7、结构面的渗透性、结构面的渗透性8、结构面的组数和岩块的尺寸、结构面的组数和岩块的尺寸结构面：结构面：没有或者具有极低抗拉强度的力学不连续面，包括一切地没有或者具有极低抗拉强度的力学不连续面，包括一切地质分离面。质分离面。4.2 岩体结构面分析岩体结构面分析 结构面侧壁的起伏形态分为：平直的结构面侧壁的起伏形态分为：平直的a、波状的、波状的b、锯齿状的、锯齿状的c、台阶状的、台阶状的d和不规则状的和不规则状的e。)2(Lharctgi 侧壁的起伏程度可用起伏角侧壁的起伏程度可用起伏角(i)表示：表示：结构面的粗糙度用粗糙度系结构面的粗糙度用粗糙度系JRC表示表示 (joint roughness coefficient)随粗糙度的增大，结构面的摩随粗糙度的增大，结构面的摩擦角也增大。擦角也增大。根据标准粗糙度剖面将结构面根据标准粗糙度剖面将结构面的粗糙度系数划分为的粗糙度系数划分为10级。级。在实际工作中可用结构面纵在实际工作中可用结构面纵剖面仪测出所研究结构面的粗糙剖面仪测出所研究结构面的粗糙剖面后与图所示的标准剖面进行剖面后与图所示的标准剖面进行对比得到。对比得到。1.按成因分类按成因分类(1)原生结构面原生结构面 沉积结构面：层面、层理、夹沉积结构面：层面、层理、夹层等层等 火成结构面：原生节理、流纹火成结构面：原生节理、流纹面面 变质结构面：片理变质结构面：片理二、结构面的分类二、结构面的分类 （一）按照成因分类：原生、次生、构造（一）按照成因分类：原生、次生、构造(2)构造结构面构造结构面 断裂面断裂面 破碎带破碎带(3)次生结构面次生结构面 风化裂隙风化裂隙 泥化夹层泥化夹层（二）按照工程的要求分类（二）按照工程的要求分类1、绝对分类、绝对分类2、相对分类、相对分类相对工程而言的分类见表相对工程而言的分类见表4-1。中等结构面中等结构面 110m巨大结构面巨大结构面 10m 细小结构面细小结构面 延长延长 1m单节理单节理节理组节理组节理群节理群羽毛状羽毛状节理节理破碎带破碎带无充填无充填有充填有充填有粘性有粘性充填物充填物破坏面破坏面破坏带破坏带两者之间两者之间（三）按地质力学观点分类（三）按地质力学观点分类 结构面按贯通情况分结构面按贯通情况分非贯通性的结构面非贯通性的结构面半贯通性的结构面半贯通性的结构面贯通性的结构面贯通性的结构面（四）结构面按贯通情况分（四）结构面按贯通情况分（五）结构面按尺度级别分（五）结构面按尺度级别分结构面的发育程度、规模大小、组合形式等是决定结构体结构面的发育程度、规模大小、组合形式等是决定结构体的形状、方位和大小，控制岩体稳定性的重要因素。尤以结的形状、方位和大小，控制岩体稳定性的重要因素。尤以结构面的规模是最重要的控制因素。按结构面发育程度和规模构面的规模是最重要的控制因素。按结构面发育程度和规模可以划分为如下五级：可以划分为如下五级：I 级结构面级结构面-区域构造起控制作用的断裂带区域构造起控制作用的断裂带 级结构面级结构面-延展性强而宽度有限的地质界面延展性强而宽度有限的地质界面 级结构面级结构面-局部性的断裂构造局部性的断裂构造 级结构面级结构面-节理面节理面V 级结构面级结构面-细小的结构面细小的结构面实测结构面实测结构面统计结构面统计结构面 级级 指指大断层大断层或或区域性断层区域性断层。控制工程建设地区的地壳稳。控制工程建设地区的地壳稳定性，直接影响工程岩体稳定性；定性，直接影响工程岩体稳定性；级级 指延伸长而宽度不大的指延伸长而宽度不大的区域性地质界面区域性地质界面。级级 指长度数指长度数十米十米至数百米的断层、区域性节理、延伸较至数百米的断层、区域性节理、延伸较好的层面及层间错动等。好的层面及层间错动等。、级结构面控制着工程岩体力学作用的边界条件级结构面控制着工程岩体力学作用的边界条件和破坏方式，它们的组合往往构成可能滑移岩体的边界面和破坏方式，它们的组合往往构成可能滑移岩体的边界面，直接威胁工程安全稳定性，直接威胁工程安全稳定性 级级 指延伸较差的节理、层面、次生裂隙、小断层及较发育指延伸较差的节理、层面、次生裂隙、小断层及较发育的片理、劈理面等。是构成的片理、劈理面等。是构成岩块岩块的边界面，破坏岩体的完整的边界面，破坏岩体的完整性，影响岩体的物理力学性质及应力分布状态。性，影响岩体的物理力学性质及应力分布状态。级结构面主要控制着岩体的结构、完整性和物理力学级结构面主要控制着岩体的结构、完整性和物理力学性质，数量多且具随机性，其分布规律不太容易搞清楚，需性质，数量多且具随机性，其分布规律不太容易搞清楚，需用统计方法进行研究。用统计方法进行研究。级级 又称微结构面。常包含在岩块内，主要影响岩块的物理又称微结构面。常包含在岩块内，主要影响岩块的物理力学性质。控制岩块的力学性质。力学性质。控制岩块的力学性质。结构面的状态对岩体的工程性质的影响是指结构面的状态对岩体的工程性质的影响是指结构面的产状、形结构面的产状、形态、延展尺度、发育程度、密集程度。态、延展尺度、发育程度、密集程度。结构面的产状：结构面的产状对岩体是否沿某一结构面滑动起控结构面的产状：结构面的产状对岩体是否沿某一结构面滑动起控制作用。制作用。结构面的形态：结构面的形态决定结构面抗滑力的大小，当结构结构面的形态：结构面的形态决定结构面抗滑力的大小，当结构面的起伏程度较大，粗糙度高时，其抗滑力就大。面的起伏程度较大，粗糙度高时，其抗滑力就大。结构面的延展尺度：在工程岩体范围内，延展尺度大的结构面，结构面的延展尺度：在工程岩体范围内，延展尺度大的结构面，完全控制岩体的强度。完全控制岩体的强度。结构面的密集程度：以岩体的结构面的密集程度：以岩体的裂隙度裂隙度和和切割度切割度表征岩体结构面的表征岩体结构面的密集程度。密集程度。三、岩体破碎程度分类三、岩体破碎程度分类 设勘测线长度为设勘测线长度为 ，在，在 上出现上出现的节理的个数为的节理的个数为n，则则：节理之间的平均间距为：节理之间的平均间距为：裂隙度裂隙度切割度切割度单组结构面单组结构面多组结构面多组结构面nKKnld1（一）裂隙度（一）裂隙度K d180cm 整体结构整体结构 d=30180 块状结构块状结构 d30 破裂结构破裂结构 dR。RR tg 一、平直结构面的抗剪强度一、平直结构面的抗剪强度二、二、理想化粗糙结构面模型楔摩擦效应（1）爬坡角爬坡角与与剪胀现象剪胀现象（2）剪切强度）剪切强度 作用在斜面作用在斜面AB上的法向力和切向力分别为：上的法向力和切向力分别为：sincosTNN cossinTNT 式中：式中：,为结构面为结构面AB上的正应力和剪应力，上的正应力和剪应力，j为为AB面上面上的摩擦角。的摩擦角。PattonPatton公式公式 较小时，抗剪强度较小时，抗剪强度tg(j+);爬坡效应爬坡效应 较大时，抗剪强度较大时，抗剪强度c+tgj,其中其中c为视内聚力。为视内聚力。切齿效应切齿效应试验试验表明：表明：低法向应力的剪切，结构面有剪切位移和剪胀；高法向应力的剪低法向应力的剪切，结构面有剪切位移和剪胀；高法向应力的剪切，凸台剪断，结构面抗剪强度最终变成残余抗剪强度。在剪切过程中，凸切，凸台剪断，结构面抗剪强度最终变成残余抗剪强度。在剪切过程中，凸台起伏形成的粗糙度以及岩石强度对结构面的抗剪强度起着重要作用。台起伏形成的粗糙度以及岩石强度对结构面的抗剪强度起着重要作用。)tg()(jjNtgTjNT tg（一）规则（一）规则-帕顿公式帕顿公式 在实际应用中应注意：在实际应用中应注意：(1)对结构面进行直剪试验时，法向应力应与实际工程中的一致。对结构面进行直剪试验时，法向应力应与实际工程中的一致。一般认为齿面与齿尖的内摩擦角一致一般认为齿面与齿尖的内摩擦角一致.(2)是各向不同的，因此，测量时应使所测是各向不同的，因此，测量时应使所测角与所讨论的方向角与所讨论的方向一致。一致。（T的方向是上坡方向取的方向是上坡方向取“+”，下坡方向取，下坡方向取“-”）如图为结构面有凸台的模型的剪如图为结构面有凸台的模型的剪应力应力与法向应力的关系曲线，与法向应力的关系曲线，它近似呈双它近似呈双直线结构面受剪初期，剪切力上升较快；随着剪力直线结构面受剪初期，剪切力上升较快；随着剪力和剪切变形增加，结构面上部分凸台被剪断，此后剪切力上升，和剪切变形增加，结构面上部分凸台被剪断，此后剪切力上升，梯度变小，直至达到峰值抗剪强度。梯度变小，直至达到峰值抗剪强度。)tan(j楔摩擦效应的扩容现象楔摩擦效应的扩容现象水平位移水平位移竖向位移竖向位移二、二、理想化粗糙结构面模型理想化粗糙结构面模型楔摩擦效应楔摩擦效应（一）规则（一）规则-勒单尼公式勒单尼公式认为剪切抵抗力由四个方面组成：认为剪切抵抗力由四个方面组成：（1）由剪切扩容所提供的抵抗分量）由剪切扩容所提供的抵抗分量S1（能量法）（能量法）（2）水平推力作用于齿形斜面产生的抵抗分量）水平推力作用于齿形斜面产生的抵抗分量S2（3）无扩容条件下正压力产生的抵抗分量）无扩容条件下正压力产生的抵抗分量S3（4）剪断齿尖所产生的抵抗分量）剪断齿尖所产生的抵抗分量S4a as s为剪断齿尖的面积与结构面总面积的比值为剪断齿尖的面积与结构面总面积的比值。(二二)不规则粗糙结构面的抗剪强度（不规则粗糙结构面的抗剪强度（1977 NBarton）B Bartonarton(1977)(1977)提出确定不规则粗糙结构面抗剪强度公式：提出确定不规则粗糙结构面抗剪强度公式：)lg(tanbnnJCSJRC结构面壁岩石强度结构面壁岩石强度岩石表面基本摩擦角岩石表面基本摩擦角（相当于平整结构面（相当于平整结构面的摩擦角）的摩擦角）节理粗糙系数节理粗糙系数作用在结构面上的法向应力作用在结构面上的法向应力结构面抗剪强度结构面抗剪强度 考虑到三个基本因素（法向力考虑到三个基本因素（法向力、粗糙度、粗糙度JRCJRC、结构面抗、结构面抗压强度压强度JCSJCS）的影响，）的影响，二、二、理想化粗糙结构面模型理想化粗糙结构面模型楔摩擦效应楔摩擦效应 JRC JRC为结构面粗糙性系数为结构面粗糙性系数（0 02020），），B Bartonarton将其分为将其分为1010级级 ，平坦近平滑结构面为，平坦近平滑结构面为5 5，平坦起伏结构面为平坦起伏结构面为1010，粗糙起，粗糙起伏结构面为伏结构面为2020。)lg()tan(nbnJCSarcJRC三、粗糙结构面的转动摩擦效应三、粗糙结构面的转动摩擦效应batanTba翻倒角翻倒角旋转角旋转角倾斜角倾斜角PPQQQNVua-uut底面沿底面沿X方向的点位移方向的点位移uuutuOx（3 3）应变分析（参见图）应变分析（参见图）一旦转动，平行六面体受到剪应变和线应变。一旦转动，平行六面体受到剪应变和线应变。剪应变：剪应变：线应变：六面体作圆弧转动的方程为：线应变：六面体作圆弧转动的方程为：tanub)()()(2222baVbuabuaubV222由此解出由此解出：垂直应变：垂直应变：1tantantan212bVy1cos1cosaaaxxuxtuuutu水平应变：水平应变：四、结构面的滚动摩擦效应四、结构面的滚动摩擦效应n0180RRNTftan002.0,0004.0Rf0钢铁圆柱滚动其摩擦系数为钢铁圆柱滚动其摩擦系数为五、结构面强度的尺寸效应五、结构面强度的尺寸效应4.5 结构面的力学效应结构面的力学效应一、单节理的力学效应一、单节理的力学效应 结构面的产状对岩体的强度产生影响。结构面的产状对岩体的强度产生影响。两种可能破坏形式：两种可能破坏形式：（1）结构面破坏；结构面破坏；（2）岩块破坏；）岩块破坏；无论岩体沿节理破坏还是岩块内部破坏无论岩体沿节理破坏还是岩块内部破坏均符合摩尔均符合摩尔库仑理论：库仑理论：jjftgc1、节理面的破坏条件（极限应力平衡方程）、节理面的破坏条件（极限应力平衡方程）如图，岩体受如图，岩体受1、3 作用，节理面与最大主平面的交角为作用，节理面与最大主平面的交角为，则节理面上的正应力和剪应力为：则节理面上的正应力和剪应力为：11331133jjjc tg 2cos223131 2sin231 如节理面强度符合库伦准则，其强度方如节理面强度符合库伦准则，其强度方程为：程为：式中：式中：cj,j为结构面的粘结力和内摩擦角。为结构面的粘结力和内摩擦角。（1）（2）1、节理与岩石的抗剪强度线无关系；、节理与岩石的抗剪强度线无关系；2、沿节理破坏必需满足与莫尔圆交点为其节理方向，且该、沿节理破坏必需满足与莫尔圆交点为其节理方向，且该点的正压力与剪应力刚好达到节理的强度；点的正压力与剪应力刚好达到节理的强度；3、一般情况下直线与莫尔圆相割。、一般情况下直线与莫尔圆相割。结构面是一个方向，在莫尔圆上是一个结构面是一个方向，在莫尔圆上是一个点。所以，稳定问题是点与直线的位置问题。点。所以，稳定问题是点与直线的位置问题。jjjjjc sin)2sin(sin2cos2331 2sin)ctgtg1(tg22331jjjc 或或 可见可见：节理面上的应力和强度均是：节理面上的应力和强度均是的函数。因此，岩体强的函数。因此，岩体强度与岩石的强度不同，除与应力状态有关外，还与度与岩石的强度不同，除与应力状态有关外，还与节理面的方节理面的方位位有关。有关。12，单节理岩体才会沿节理面发生移动破坏，单节理岩体才会沿节理面发生移动破坏，Q P（1）式带入（）式带入（2）式时）式时（4-52）(1)由上式极限平衡方程可见：由上式极限平衡方程可见：当当j 或或/2，13,故使方故使方程有意义程有意义:2 j (2)前面分析可知前面分析可知，当，当12,岩体才会沿节理面产生滑移破坏。岩体才会沿节理面产生滑移破坏。故，节理面破坏故，节理面破坏必须满足的条件必须满足的条件:(1)j /2,(2)12。2、节理面破坏、节理面破坏必须满足的条件必须满足的条件 2sin)ctgtg1(tg22331jjjc 试件不可能沿结构试件不可能沿结构面破坏，但最大主应面破坏，但最大主应力不可能无限大，在力不可能无限大，在此条件下将沿岩石内此条件下将沿岩石内的某一方向破坏。的某一方向破坏。3、求、求1、2m jj31jjctgc2)(ctgcOMRORMRPM中中:m 2PM31RPM=21-j;由正弦定律：由正弦定律：jjPMRM sin)2sin(1 将将RM,PM代入上式得：代入上式得：jmjm sin)2sin(ctgc1jj )ctgc(sin)2sin(jj1mmjj )ctgc(sinsin2jj11mmjj 12222 j由几何关系：由几何关系：4、节理最不利的位置、节理最不利的位置0d)d(31 由极限平衡方程可以看出，应力圆直径（由极限平衡方程可以看出，应力圆直径（13）是）是的函数，的函数，当当等于某一个值时，其直径最小，与强度曲线相切。将上式对等于某一个值时，其直径最小，与强度曲线相切。将上式对取取一阶导数，然后令其为一阶导数，然后令其为0，得：，得：)90(120jjtgtgtg 2450j 即是说，当即是说，当 时，节理的强度最低，最容易产生破时，节理的强度最低，最容易产生破坏。说明岩体最容易沿此节理面产生滑移。坏。说明岩体最容易沿此节理面产生滑移。jjjjjc sin)2sin(sin2cos2331 2450j 5、节理对岩体强度的影响、节理对岩体强度的影响从上述分析可见：从上述分析可见：（1）当节理面倾角）当节理面倾角满足满足j /2,且且1 2时，节理时，节理才会对岩体产生影响，这时岩体的强度取决于节理的强度，才会对岩体产生影响，这时岩体的强度取决于节理的强度，且当且当45j/2时，岩体强度最低，其莫尔圆直径最小。时，岩体强度最低，其莫尔圆直径最小。（2）当节理面倾角）当节理面倾角满足满足=1或或=2,岩石节理同时破坏岩石节理同时破坏，岩体强度等于岩块强度，岩体强度等于岩块强度（3）当）当增大或减小时，岩体的强度随之增加。增大或减小时，岩体的强度随之增加。（4）当）当2 时，岩体强度与节理无关，取决于岩时，岩体强度与节理无关，取决于岩石的强度。石的强度。6、3=c时时1曲线曲线围压围压3=c增加，增加，即即c2c1,岩体的强度随之岩体的强度随之增大。增大。127、当粘聚力、当粘聚力Cj=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 由（由（4-51）式推导得：）式推导得：此时岩体的强度只靠碎块之间的摩擦力来提供，已知由此时岩体的强度只靠碎块之间的摩擦力来提供，已知由此式可计算出维持岩体极限稳定的侧向挤压力。此式可计算出维持岩体极限稳定的侧向挤压力。岩体所需的最小支护力：岩体所需的最小支护力：tgtgtg311tgtg133例：如下图所示，平硐沿岩层走向开挖，岩层倾角例：如下图所示，平硐沿岩层走向开挖，岩层倾角 50，由上覆岩层引起的垂直应力，由上覆岩层引起的垂直应力1 2MPa，节理面的内，节理面的内聚力聚力Cj=0，j40，求维持平衡的最小水平推力，求维持平衡的最小水平推力3为：为：MPaj2.050tan10tantantan00113050MPa21040,0jjC二、多节理的力学效应二、多节理的力学效应1、岩体有两组相交的节理，其力学效应可根据单节理求解，一般岩体有两组相交的节理，其力学效应可根据单节理求解，一般有三种情况：有三种情况：（1）两组中只有一组节理面倾角）两组中只有一组节理面倾角满足满足12,则岩体强度取决于则岩体强度取决于该组节理的强度，岩体若发生破坏，必沿该节理面产生；该组节理的强度，岩体若发生破坏，必沿该节理面产生；（2）两组节理均满足两组节理均满足12,则岩体强度取决于节理的临界应力则岩体强度取决于节理的临界应力圆大小。岩体若发生破坏，必沿临界应力圆直径较小的节理面产生圆大小。岩体若发生破坏，必沿临界应力圆直径较小的节理面产生（3）两组节理均不满足）两组节理均不满足12,则岩体强度取决于岩石本身的强则岩体强度取决于岩石本身的强度而不受节理的影响。度而不受节理的影响。2、岩体有多组相交的节理岩体有多组相交的节理4.6 碎块岩体的破坏碎块岩体的破坏 破碎岩体是指岩体内节理、裂隙、层理、片理等结构破碎岩体是指岩体内节理、裂隙、层理、片理等结构面比较发育，以及裂缝张开相对比较显著的岩体，统称为面比较发育，以及裂缝张开相对比较显著的岩体，统称为节理岩体。节理岩体。裂隙岩体的破坏类型可分三种：裂隙岩体的破坏类型可分三种：沿节理破坏沿节理破坏（常见）岩体实体部分破坏岩体实体部分破坏（少数）岩块与节理面同时破坏岩块与节理面同时破坏（较常见）一、沿节理面产生破坏一、沿节理面产生破坏 1、破坏类型破坏类型（分三类）齿状剪切齿状剪切，个别块体发生转动个别块体发生转动剪切剪切，一列内转动一列内转动的块体有的块体有2块块岩块砌叠列排岩块砌叠列排列，扭结在一起而整转动，列，扭结在一起而整转动，一列内转动的块体大于一列内转动的块体大于2块块2、L-A方程（方程（Ladanyi和和Archambault）（1）设）设（2）由平衡条件及功能原理，得峰值抗剪强度）由平衡条件及功能原理，得峰值抗剪强度节理破坏面为规则齿状（图节理破坏面为规则齿状（图4-24）外力作用下，齿面产生相对水平位移和外力作用下，齿面产生相对水平位移和 垂直位移增量（扩容）垂直位移增量（扩容）齿受力后，若荷载过大，部分齿剪坏齿受力后，若荷载过大，部分齿剪坏y（4-60）-剪断齿端的面积与剪切面积之比；剪断齿端的面积与剪切面积之比；saAAas -峰值抗剪强度时的扩容比；峰值抗剪强度时的扩容比；vRS-岩块的抗剪强度岩块的抗剪强度；-节理面的内摩擦角。节理面的内摩擦角。tan)1(1)tan)(1(,VaSavasRssp锯齿状剪坏面模型锯齿状剪坏面模型扩容与应力的关系扩容与应力的关系齿根剪齿根剪断部分断部分齿根全部剪断，齿根全部剪断，扩容为扩容为0扩容扩容扩容扩容最大最大（3）退化讨论）退化讨论当当as=0(被剪断的面积为零被剪断的面积为零)，式得代入614,tgiV适用于低正应力状态，适用于低正应力状态，为滑升角为滑升角 i)tan(ip当当as=1和和V=0(齿根全部剪断，扩容为齿根全部剪断，扩容为0)，抗剪强度为，抗剪强度为 rjPCtanjCr-岩石残余内摩擦角。-节理面抗剪强度；适用于高正应力适用于高正应力TT-推动力，等于岩石的单向抗压强度uq佩顿双线性强度准则佩顿双线性强度准则rjPCtan)tan(ipT节理峰值抗剪强度线节理峰值抗剪强度线节理峰值节理峰值抗剪强度抗剪强度岩石包岩石包络线络线（4）峰值抗剪强度的经验参数）峰值抗剪强度的经验参数当当T（齿没有全部剪切时），齿没有全部剪切时），Adany 建议：建议：1)1(1KTsa（4-65）ivKTtan)1(2(4-66)21)1(1uuRqnnnqS(4-67)n岩石的抗压强度与抗拉强度之比岩石的抗压强度与抗拉强度之比)52(5tan)2(231rnKinrK在剪切破坏带或扭坏带内，即当每转动岩块的块数在剪切破坏带或扭坏带内，即当每转动岩块的块数25时，则从试验得到时，则从试验得到 Adany公式中的参数公式中的参数 ：rn1K2K破坏类型剪坏面剪坏带纽坏带0 231.5456rn1K2Kitanitan)32(3二、岩块节理破坏二、岩块节理破坏、岩块剪切破坏面岩块剪切破坏面mn，图图 4-30 岩块节理模型的剪切破坏岩块节理模型的剪切破坏求：块体沿求：块体沿mn和和Ml发发生破坏所需要的最小生破坏所需要的最小推力及该类岩体的扩推力及该类岩体的扩容条件。容条件。设岩块抗剪强度设岩块抗剪强度 ，设设mn方向位移方向位移1单位，单位，则水平位移则水平位移：垂直位移垂直位移：合剪力：合剪力：合正应力：合正应力：水平推力：水平推力：H内、外力作功相等：内、外力作功相等：代入以上结果，并代入以上结果，并iusinivcosiamncosiacosvbliavbuHvcos0didHabaHv 2得得iiacosmnHavb1iu位移位移 方向方向单元受力图1、块体沿、块体沿mn发生破坏发生破坏所需要的最小推力所需要的最小推力H 式中：节理的摩擦系数式中：节理的摩擦系数 3.该类岩体的扩容条件该类岩体的扩容条件tan)tan2(2vvbaba)tan2(tan2vvbbbH2.块体沿块体沿ml发生破坏所需要的最小推力发生破坏所需要的最小推力H一、岩体的一、岩体的 曲线曲线岩石和岩体的岩石和岩体的曲线对比示意图曲线对比示意图1、岩石和岩体应力应变曲线差别、岩石和岩体应力应变曲线差别岩石岩石岩体岩体4.7 岩体的应力岩体的应力应变分析应变分析 2、岩体变形曲线类型、岩体变形曲线类型弹性线性弹性线性岩体内部岩体内部破裂或结破裂或结构面局部构面局部剪切破坏。剪切破坏。双线性双线性弹弹塑塑性变形性变形非线性非线性出现出现2个个破坏点破坏点多线性多线性二、岩体变形模量二、岩体变形模量 eE确定方法确定方法1.由应力由应力-应变曲线确定应变曲线确定 2.岩块与节理面变形叠加求模量岩块与节理面变形叠加求模量3.“等价等价”模型确定模型确定4.现场实测方法现场实测方法1、由应力、由应力-应变曲线确定应变曲线确定 变形模量变形模量弹性模量弹性模量0EE peE02、岩块变形与节理面变形叠加求模量、岩块变形与节理面变形叠加求模量依据：岩体的位移依据：岩体的位移=岩块的位移岩块的位移+节理的位移节理的位移岩块的位移：岩块的位移：Ed1结构面的位移：结构面的位移：nhEd228.1岩体的位移：岩体的位移：nhEdEd28.1(a)岩体有效变形模量岩体有效变形模量:effeffEddE(b)据据P68(4-9)(a)式式=(b)式式：)(8.111nhdEEeff注：实际工程中，注：实际工程中，E由室内岩块试验确定由室内岩块试验确定d 为节理的间距，可由为节理的间距，可由地质测绘确定地质测绘确定;可由现场岩体变形试验求出可由现场岩体变形试验求出。故可由此式来故可由此式来求出求出 nh。effE3、“等价等价”模型求模量（数值模拟常用）模型求模量（数值模拟常用）设岩体内存在单独一组有规律的节理，可用设岩体内存在单独一组有规律的节理，可用“等价等价”连续介质连续介质模型来代替这个不连续岩体模型来代替这个不连续岩体 等价原理：等价原理：保证模型和原型中的总应力和位移相等；但原型和保证模型和原型中的总应力和位移相等；但原型和模型中的变形不同模型中的变形不同 “等价等价”模型变形模型变形=岩块变形岩块变形+节理法向变形节理法向变形即：即：En岩体的变形模量岩体的变形模量E岩块弹性模量岩块弹性模量Kn节理的法向刚度系数节理的法向刚度系数SKEEKESESnnnn111 静力法静力法 指在选定的岩体表面、槽壁或钻孔壁面上施加法向静力荷载，并指在选定的岩体表面、槽壁或钻孔壁面上施加法向静力荷载，并测定其岩体的变形值。然后绘制出应力测定其岩体的变形值。然后绘制出应力应变曲线，计算出岩体的变形参数。应变曲线，计算出岩体的变形参数。常用的静力法有千斤顶法荷载试验（或称平板荷载法）、径向荷载试验（如双筒法）和水压法水压法。通常求算岩体的弹性模量 及变形模量 用千斤顶法，求岩石的弹性抗力系数采用双筒法。动力法：动力法：用人工方法对岩体发射（或激发）弹性波（声波或地震波），用人工方法对岩体发射（或激发）弹性波（声波或地震波），并测定其在岩体中的传播速度，然后根据波动理论求岩体的变形参数。（施加于并测定其在岩体中的传播速度，然后根据波动理论求岩体的变形参数。（施加于岩体上的荷载则为动力荷载，如地震法，岩体的变形是因动力荷载引起的。）根岩体上的荷载则为动力荷载，如地震法，岩体的变形是因动力荷载引起的。）根据弹性波激发方式不同，分为：声波法和地震波法。据弹性波激发方式不同，分为：声波法和地震波法。eEdE4.8 岩体力学性能的现场测试岩体力学性能的现场测试 由于室内的岩样存在体积小、脱离岩体的地质力学性能的全貌由于室内的岩样存在体积小、脱离岩体的地质力学性能的全貌等缺点，因而不能充分反映岩体的力学性能。而岩体的野外现场测等缺点，因而不能充分反映岩体的力学性能。而岩体的野外现场测试就较为全面的反映岩体力学性能的全貌，这是室内试验所不及的。试就较为全面的反映岩体力学性能的全貌，这是室内试验所不及的。本节我们讨论岩体的变形性能和强度特性的现场试验。本节我们讨论岩体的变形性能和强度特性的现场试验。一、岩体的变形试验一、岩体的变形试验 岩体的变形试验有静力法和动力法两种。岩体的变形试验有静力法和动力法两种。1、定义：用千斤顶加荷于垫板上，使荷载传到岩体中，也称千斤、定义：用千斤顶加荷于垫板上，使荷载传到岩体中，也称千斤顶法。顶法。2、设备装置的主要组成（图、设备装置的主要组成（图432)：（1）垫板（承压板）垫板（承压板);一般为方形或圆形，面积为一般为方形或圆形，面积为0.25-1.20mm2、材料弹性也可为刚性。材料弹性也可为刚性。（2）加荷装置（千斤顶或压力枕）加荷装置（千斤顶或压力枕）;加荷为加荷为500kN-3000kN，加，加荷方法有小循环和大循环两种。小循环分为多次循环和单次循环荷方法有小循环和大循环两种。小循环分为多次循环和单次循环,见见图图4-33。多次小循环加载比相同荷载下常规加载岩体产生的总变形。多次小循环加载比相同荷载下常规加载岩体产生的总变形大大(蠕变现象蠕变现象)（3）传力装置（传力支柱、传力柱垫板）传力装置（传力支柱、传力柱垫板）;（4）变形量测装置（测微计）变形量测装置（测微计）;（一）千斤顶法荷载试验（承压板法）（一）千斤顶法荷载试验（承压板法）顶、底顶、底板加载板加载边墙边墙加载加载图图4-33 岩体现场变形试验加荷过岩体现场变形试验加荷过 程示意图程示意图3、测试岩体的变形可在垫板下面测定，也可在通过垫板、测试岩体的变形可在垫板下面测定，也可在通过垫板 中心的轴中心的轴线上距垫板一定距离处量测线上距垫板一定距离处量测单次小循环单次小循环大循环大循环多次小循环多次小循环P-压力压力T-时间时间20021/spE r4、计算公式、计算公式(测出压力和位移，由下列公式计算岩体的变形模量测出压力和位移，由下列公式计算岩体的变形模量E)把岩体看作一个弹性半无限空间，用布辛涅斯克方程求得岩体把岩体看作一个弹性半无限空间，用布辛涅斯克方程求得岩体表面的垂直向位移。表面的垂直向位移。（1）垫板为柔性垫板）垫板为柔性垫板(3种位移种位移)a.岩体表面上垫板的中点处垂直位移岩体表面上垫板的中点处垂直位移（4-81）式中：式中：p荷载荷载;r 垫板的半径垫板的半径;岩体的泊松比岩体的泊松比;E0 岩体的弹性模量岩体的弹性模量2001/smpEAb.垫板的平均位移垫板的平均位移（482）式中，式中，A-受荷表面的面积；受荷表面的面积；m-系数它取决于垫板的形状、刚度以及荷载分布等情况，系数它取决于垫板的形状、刚度以及荷载分布等情况，其其m值可见表值可见表45202 1psbaE c.带孔柔性垫板带孔柔性垫板(中心有孔的压力枕中心有孔的压力枕)中心点的垂直位移中心点的垂直位移（484)注：在圆形板下不同荷载类型时，其相应的注：在圆形板下不同荷载类型时，其相应的m值可见表值可见表46 式中，式中，b圆形垫板半径；圆形垫板半径；a圆形垫板内中心孔的半径。圆形垫板内中心孔的半径。2222201lnlnpbabaabsababEab（2）垫板为刚性垫板时）垫板为刚性垫板时（483）式中：式中：a和和b为垫板的边长为垫板的边长（二）径向荷载试验（求抗力系数（二）径向荷载试验（求抗力系数K和弹模和弹模E）要点：要点：在岩体中开挖一个圆筒形洞室，然后在这个洞室的某一段长在岩体中开挖一个圆筒形洞室，然后在这个洞室的某一段长度上施加垂直于岩体表面的均匀压力。水施加压力的为水压法；用度上施加垂直于岩体表面的均匀压力。水施加压力的为水压法；用压力枕施加压的为压力枕法压力枕施加压的为压力枕法(又称奥地利荷载试验又称奥地利荷载试验)图图4-35所示试验是靠一钢支承圆筒的四周的压力枕同步对岩体所示试验是靠一钢支承圆筒的四周的压力枕同步对岩体施加荷载，造成洞中一定长度内的岩体产生径向压缩，岩体变形控施加荷载，造成洞中一定长度内的岩体产生径向压缩，岩体变形控制在弹性阶段。制在弹性阶段。AprruEB211式中式中 -半径为半径为 岩体内的径岩体内的径向位移。向位移。1ur 变形模量变形模量可按弹性厚壁圆筒理论（图可按弹性厚壁圆筒理论（图436）求得：）求得：BrEK)1(0uPK 弹性抗力系数弹性抗力系数K 定义：洞室表面产生单位位移的应力定义：洞室表面产生单位位移的应力 利用弹性厚壁圆筒理论推出：利用弹性厚壁圆筒理论推出：注：注：K随洞的半径的大小而变化，一般，半径越大随洞的半径的大小而变化，一般，半径越大K值越小。值越小。K愈愈大岩体弹性抗力愈大，愈有利于衬砌的稳定。大岩体弹性抗力愈大，愈有利于衬砌的稳定。即即（三）狭缝压力枕荷载试验（三）狭缝压力枕荷载试验(2种种)方法方法1要点：要点：将岩体切割成槽，把压力枕埋于槽内，并用水泥砂浆将岩体切割成槽，把压力枕埋于槽内，并用水泥砂浆浇注，使压力枕的两个面皆能很好地与槽的两侧岩面接触（图浇注，使压力枕的两个面皆能很好地与槽的两侧岩面接触（图4-37）。）。20.51spEV a变形模量为变形模量为式中：式中：p-压力枕给岩面的总荷载压力枕给岩面的总荷载；A-圆形加载面的半径；圆形加载面的半径；Vs-岩面的平均位移（由压力枕岩面的平均位移（由压力枕中是水量或者油量推算出来。）中是水量或者油量推算出来。）方法方法2要点：要点：在垂直岩壁上刻槽布置，图在垂直岩壁上刻槽布置，图438。则岩体的变形。则岩体的变形模量模量E可按布辛涅斯克的弹性理论求得。当实测位移已知时，可按布辛涅斯克的弹性理论求得。当实测位移已知时，变形模量为：变形模量为：20221131411RplEu式中：式中：p压力枕施加的单位压力（压力枕施加的单位压力（MPa）计算参数计算参数l直槽宽度（近似用压力枕的宽度代替）直槽宽度（近似用压力枕的宽度代替）(cm)；y直槽的中心轴（直槽的中心轴（x轴）到测点的距离轴）到测点的距离(cm）；）；uR 测点的位移（测点的位移（cm）2224yyll1、要点：可按施加的推力与剪切面之间的夹角的大小而采用不同、要点：可按施加的推力与剪切面之间的夹角的大小而采用不同的加荷方法。双千斤顶试验中，一组试验不少于五块试件。的加荷方法。双千斤顶试验中，一组试验不少于五块试件。二、现场岩体直剪试验二、现场岩体直剪试验(2种种)（一）双千斤顶法（一）双千斤顶法 p垂直千斤顶压力表读数（垂直千斤顶压力表读数（MPa）t 横向千斤顶压力表读数（横向千斤顶压力表读数（MPa）F1垂直千斤顶活塞面积垂直千斤顶活塞面积(若为压力枕，应乘以出力系数若为压力枕，应乘以出力系数)（cm2）F2-横向千斤顶活塞面积横向千斤顶活塞面积(若为压力枕，应乘以出力系数若为压力枕，应乘以出力系数)（cm2）F-试件剪切面面积（试件剪切面面积（cm2）横向推力与剪切面的夹角（通常取横向推力与剪切面的夹角（通常取150)122s inc o sp FtFFFtF2、在不同、在不同p力作用下剪切面上的正应力和剪应力力作用下剪切面上的正应力和剪应力式中：注注1：当剪切面上存在裂隙、节理等滑面时，抗剪面积将分为剪断当剪切面上存在裂隙、节理等滑面时，抗剪面积将分为剪断破坏和滑动破坏两部分，而把剪断破坏当作有效抗剪面积破坏和滑动破坏两部分，而把剪断破坏当作有效抗剪面积Fa，滑，滑动破坏时的滑动面积为动破坏时的滑动面积为Fb。abFFF3、绘制应力与位移特性曲线和剪应力与正应绘制应力与位移特性曲线和剪应力与正应 力强度曲线力强度曲线122s i nc o sp Ft FFFtF有效抗剪面积正压力仍由全部面积承担总面积：注注2：施加于试件剪切面上的压力应该包括千斤顶施加的荷重、施加于试件剪切面上的压力应该包括千斤顶施加的荷重、设备和试件的重量。设备和试件的重量。注注3：在计算剪应力时，应扣除由于垂直压力而产生的滚轴滚动在计算剪应力时，应扣除由于垂直压力而产生的滚轴滚动摩擦力。摩擦力。注注4：如果剪切面为倾斜面时，上述破坏面上的正、剪应力的计如果剪切面为倾斜面时，上述破坏面上的正、剪应力的计算公式还应根据倾角的大小进行修正。算公式还应根据倾角的大小进行修正。2、破坏面上的正、剪应力计算、破坏面上的正、剪应力计算cossin22xxFtFFtFhhxFtFFF21sin2sin2)2cos1(211而故故xFhF13.绘制岩体正绘制岩体正-剪应力强度曲线剪应力强度曲线（二）单千斤顶法（二）单千斤顶法1、要点：单千斤顶法是现场无法施加垂直应力的情况下采用的。、要点：单千斤顶法是现场无法施加垂直应力的情况下采用的。在山坡上或平洞内的预定剪切面上挖成各种主应力方向与固定剪在山坡上或平洞内的预定剪切面上挖成各种主应力方向与固定剪切面成不同倾角的试件（通常剪切面倾角为切面成不同倾角的试件（通常剪切面倾角为150-350）三、现场三轴强度试验三、现场三轴强度试验 在一个随机性节理的岩体中，破坏面位置的预定是有困难的，在一个随机性节理的岩体中，破坏面位置的预定是有困难的，用三轴试验可以量测岩体的抗剪强度和破坏面的位置及形态，这用三轴试验可以量测岩体的抗剪强度和破坏面的位置及形态，这时，破坏面会沿最弱的面破坏。时，破坏面会沿最弱的面破坏。1、试件、试件 矩形块体，在试洞底板或洞壁的试验位置上，经过仔细凿刻矩形块体，在试洞底板或洞壁的试验位置上，经过仔细凿刻和整平而成的，此矩形试件三边脱离原地岩体，而仅一边与岩体和整平而成的，此矩形试件三边脱离原地岩体，而仅一边与岩体相连。目前，试件的大小可达相连。目前，试件的大小可达2.80m1.40m2.80m,试件的基底试件的基底与岩体相连的面积为与岩体相连的面积为2.80m1.40m.2、加载与测试、加载与测试 试件准备好后，把压力枕埋置在刻槽内，以便施加试件准备好后，把压力枕埋置在刻槽内，以便施加2和和3，而，而1是通过垂直千斤顶或压力枕施加的。在试验中量测和是通过垂直千斤顶或压力枕施加的。在试验中量测和记录试件的位移。从而测定应力位移关系曲线。确定应力的比例记录试件的位移。从而测定应力位移关系曲线。确定应力的比例极限、屈服极限和破坏极限。极限、屈服极限和破坏极限。3、绘制岩体试验应力圆包络线、强度曲线和岩体特征曲线、绘制岩体试验应力圆包络线、强度曲线和岩体特征曲线关于不同应力状态下，现场三轴试验成果的计算分述如下：关于不同应力状态下，现场三轴试验成果的计算分述如下：1、三轴应力在、三轴应力在 状态下应力状态下应力满足：满足：上式中，上式中，L,M,N分别是某平面的法向方向余弦。分别是某平面的法向方向余弦。令令 L,M,N0，则在，则在 平面坐标内表示平面坐标内表示为三个应力圆（图为三个应力圆（图444）。）。123222223121323222213232131222212313212124124124nnnnnnLMN2、三轴应力在、三轴应力在 状态下应力满足：状态下应力满足：(图图445)上式在上式在 平面坐标内表示为一个应力圆。平面坐标内表示为一个应力圆。3、三轴应力在、三轴应力在 状态下应力满足：状态下应力满足：13232,3;2212,312,3222nn132;0 222131322nn