復習 第二章 巖體力學性質(zhì)

1、 2 巖體力學性質(zhì)巖體力學性質(zhì)巖體結構巖體結構 o 1 巖體結構要素巖體結構要素 o 2 結構面類型結構面類型 o 3 結構面分級及其特性結構面分級及其特性 o 4 結構面狀態(tài)結構面狀態(tài) o 5 巖體結構類型巖體結構類型 3 巖石與巖體巖石與巖體 巖石與巖體：巖石與巖體：巖石是構成巖體的物質(zhì)。巖體是由結構面巖石是構成巖體的物質(zhì)。巖體是由結構面 及結構體及結構體( (被結構面所包圍的巖塊被結構面所包圍的巖塊) )兩個基本單元組成；巖石兩個基本單元組成；巖石 的物理力學性質(zhì)和水理性質(zhì)取決于的物理力學性質(zhì)和水理性質(zhì)取決于巖石的礦物成分巖石的礦物成分，而巖體，而巖體 的物理力學性質(zhì)，既取決于的物理力學

2、性質(zhì)，既取決于結構面的力學性質(zhì)結構面的力學性質(zhì)，又取決于，又取決于巖巖 石的力學性質(zhì)。石的力學性質(zhì)。 與巖石相比，巖體具有以下性質(zhì)：與巖石相比，巖體具有以下性質(zhì)： 巖體是地殼的一部分，對巖體是地殼的一部分，對 巖體的研究不能脫離它所處巖體的研究不能脫離它所處 的環(huán)境的環(huán)境, ,地質(zhì)環(huán)境，包括地地質(zhì)環(huán)境，包括地 應力、水、空氣、地溫等應力、水、空氣、地溫等. . 巖巖 體體 結構結構 面面 巖塊巖塊巖體=巖塊+結構面 4 巖體是一種多裂隙介巖體是一種多裂隙介 質(zhì)，存在各種尺度、規(guī)模質(zhì)，存在各種尺度、規(guī)模 不等的結構面。這些結構不等的結構面。這些結構 面切割的巖體形成多種典型的巖體結構，其兩個面切

3、割的巖體形成多種典型的巖體結構，其兩個 極端是裂隙極多的極端是裂隙極多的松散碎塊松散碎塊，和裂隙較少的，和裂隙較少的整體整體 結構結構。在進行礦山工程設計時必須首先確定巖體。在進行礦山工程設計時必須首先確定巖體 結構的類型，然后分別選用適當?shù)牧W方法進行結構的類型，然后分別選用適當?shù)牧W方法進行 分析。分析。 巖體巖體 5 定義：定義：不同類型的巖體結構單元在巖體內(nèi)組合和排列形式不同類型的巖體結構單元在巖體內(nèi)組合和排列形式. . 結構面 結構體 巖體結構單元 巖體結構單元組合 巖體結構單元排列 巖體結構三要素 堅硬結構面 軟弱結構面 塊狀結構體 板狀結構體 巖體結構巖體結構: 6 l結構面：分

4、為軟弱結構面和堅硬結構面結構面：分為軟弱結構面和堅硬結構面 l結構體：分為塊狀結構體和板狀結構體結構體：分為塊狀結構體和板狀結構體 l按照巖體結構的互相包容和級序關系，分為按照巖體結構的互相包容和級序關系，分為I 級結構、級結構、II級結構和過渡型巖體結構；級結構和過渡型巖體結構； 7 2.3 巖體結構面及其充填特征 結構面 定義：巖體內(nèi)開裂的和易開裂的地質(zhì)界面，如節(jié)理、層理、劈理、裂 隙、斷層等等。結構面的作用與其規(guī)模和形態(tài)有關。 特點：特點： 橫向延展表現(xiàn)出面的幾何特性； 物質(zhì)分異面或不連續(xù)面； 常具有一定厚度，充有一定物質(zhì)（例如：節(jié)理由兩個面及面間的水或氣 組成；斷層及層間錯動是由上下盤

5、兩個面及其間充填的斷層泥和水構成的 實體組成）； 變形機理是兩面閉合或滑移； 破壞機理是沿面滑動或開裂。 8 結構面（結構面（Structural plane)Structural plane)類型類型1 1 成因類型成因類型地質(zhì)類型地質(zhì)類型 原原 生生 結結 構構 面面 沉積沉積 結構面結構面 層面、層理、沉積間斷面（不整合層面、層理、沉積間斷面（不整合 面、假整合面）、原生軟弱夾層面、假整合面）、原生軟弱夾層 火成火成 結構面結構面 流層、流線、火山巖流接觸面，蝕流層、流線、火山巖流接觸面，蝕 變帶、擠壓破碎帶、原生節(jié)理變帶、擠壓破碎帶、原生節(jié)理 變質(zhì)變質(zhì) 結構面結構面 片理、板理、軟弱夾

6、層片理、板理、軟弱夾層 9 結構面（結構面（Structural plane)Structural plane)類型類型2 2 成因類型成因類型地質(zhì)類型地質(zhì)類型 構構 造造 結結 構構 面面 劈理劈理 節(jié)理節(jié)理 斷層斷層 層間破碎夾層層間破碎夾層 10 結構面（結構面（Structural plane)Structural plane)類型類型3 3 成因類型成因類型地質(zhì)類型地質(zhì)類型 次次 生生 結結 構構 面面 卸卸 荷荷 裂裂 隙隙 爆爆 破破 裂裂 隙隙 風風 化化 裂裂 隙隙 風風 化化 夾夾 層層 泥泥 化化 夾夾 層層 11 按照結構面的發(fā)育程度和規(guī)模，可分為：按照結構面的發(fā)育程度

7、和規(guī)模，可分為： lI 級結構面級結構面：泛指對區(qū)域構造其控制作用的斷裂帶，包：泛指對區(qū)域構造其控制作用的斷裂帶，包 括深大斷裂帶，延伸括深大斷裂帶，延伸10公里以上，其存在直接關系都工公里以上，其存在直接關系都工 程區(qū)域的穩(wěn)定性；程區(qū)域的穩(wěn)定性； lII 級結構面級結構面：指延展性強而寬度有限的地質(zhì)界面，延：指延展性強而寬度有限的地質(zhì)界面，延 伸幾百至數(shù)千米；伸幾百至數(shù)千米； lIII級結構面級結構面：一般為局部的斷裂構造，主要是小斷層，：一般為局部的斷裂構造，主要是小斷層， 延展幾十到數(shù)十米，寬半米左右；延展幾十到數(shù)十米，寬半米左右； lIV級結構面級結構面：延展性差，無明顯的寬度，主要指

8、節(jié)理面，：延展性差，無明顯的寬度，主要指節(jié)理面， 僅在小范圍內(nèi)分布；僅在小范圍內(nèi)分布； lV 級結構面級結構面：延展性級差，無寬度分別，分布隨機；：延展性級差，無寬度分別，分布隨機； 12 結構面狀態(tài)結構面狀態(tài) 1 1）結構面貫通類型和連續(xù)性）結構面貫通類型和連續(xù)性 a. a. 貫通類型貫通類型 非貫通性結構面：較短、不能貫通非貫通性結構面：較短、不能貫通, ,巖塊強度降低、變形增大巖塊強度降低、變形增大. . 半貫通性結構面：有一定長度、不能貫通半貫通性結構面：有一定長度、不能貫通, ,巖塊強度降低、變巖塊強度降低、變 形增大形增大 貫通性結構面：長度較長、連續(xù)好、貫通整個巖體、構成巖貫通性

9、結構面：長度較長、連續(xù)好、貫通整個巖體、構成巖 體邊界，它對巖體有較大的影響，破壞常受這種結構面控制體邊界，它對巖體有較大的影響，破壞常受這種結構面控制 13 o 1結構面法向變形與剛度結構面法向變形與剛度 o 2結構面切向變形與剛度結構面切向變形與剛度 o 3結構面的抗剪強度結構面的抗剪強度 14 法向變形法向變形 l一、結構面的法向變形：一、結構面的法向變形：在法向載荷作用下，在法向載荷作用下， 巖石粗糙結構面的接觸面積和接觸點數(shù)隨著載巖石粗糙結構面的接觸面積和接觸點數(shù)隨著載 荷的增加而增加，結構面的間隙減小，應力與荷的增加而增加，結構面的間隙減小，應力與 法向變形之間呈現(xiàn)指數(shù)關系；法向變

10、形之間呈現(xiàn)指數(shù)關系； 1、Goodman（1974）提出的法向應力與結構面）提出的法向應力與結構面 閉合量的關系：閉合量的關系： n nn s max 為原位壓力；為原位壓力；max為最大的可能閉和量；為最大的可能閉和量；s和和t為參數(shù)為參數(shù) t 15 法向剛度法向剛度KnKn: :單位法向變形的單位法向變形的 法向應力的梯度法向應力的梯度. . （Goodman,1974Goodman,1974） 式中式中K Kn0 n0：結構面的初始剛度 ：結構面的初始剛度 2 0max 0 0max nn nn n K KK K 16 2 2、班迪斯班迪斯（Bandis,1984Bandis,1984）

11、: :通過大量的通過大量的天然的天然的, ,不不 同風化程度同風化程度和和表面粗糙度表面粗糙度的的非充填結構面非充填結構面實驗研實驗研 究究. . 雙曲線型法向應力與法向變形的關系雙曲線型法向應力與法向變形的關系. . 式中：式中：a a、b b為常數(shù)為常數(shù) n n n ba 法向變形法向變形 2 1 () n n nn K ab 17 3.3.法向變形的特征法向變形的特征 曲線形狀，先凹，后陡；可由曲線形狀，先凹，后陡；可由 初始法向剛度初始法向剛度和和最大閉合量最大閉合量確定確定 初始階段，結構面變形為主，當初始階段，結構面變形為主，當 n n= =c c/3/3時結構面變形基本完成時結構

12、面變形基本完成 最大閉合量最大閉合量小于小于張開度。張開度。 18 剪切變形剪切變形) ) 1.1.兩種類型兩種類型 A.A.粗糙結構面粗糙結構面（無充填物），（無充填物）， 剪應力上升較快，當剪應剪應力上升較快，當剪應 力達到峰值后抗剪能力下力達到峰值后抗剪能力下 降較大，并產(chǎn)生不規(guī)則的降較大，并產(chǎn)生不規(guī)則的 峰后變形或滯滑現(xiàn)象。峰后變形或滯滑現(xiàn)象。 B B. .平坦結構面平坦結構面（有充填物），（有充填物）， 初始階段剪切變形曲線斜初始階段剪切變形曲線斜 率逐漸減小，曲線沒有明率逐漸減小，曲線沒有明 顯的峰值出現(xiàn)，最后恒定顯的峰值出現(xiàn)，最后恒定 二、結構面的剪切變形：二、結構面的剪切變形：

13、在法向應力作用下，在法向應力作用下， 結構面在剪切作用下產(chǎn)生切向變形。結構面在剪切作用下產(chǎn)生切向變形。 19 剪切剛度：剪切剛度： 19741974年年GoodmanGoodman提出提出： 式中：式中：K Kt0 t0初始剪切剛度 初始剪切剛度 s s產(chǎn)生較大剪切位移時的剪應力漸近值產(chǎn)生較大剪切位移時的剪應力漸近值 t t K 0 1 tt s KK 剪切變形剪切變形) ) 2.2.剪切變形曲線剪切變形曲線 從形式上可劃分為從形式上可劃分為: :彈性區(qū)、彈性區(qū)、 剪應力峰值區(qū)和塑性區(qū)。在結構面剪切過程中，剪應力峰值區(qū)和塑性區(qū)。在結構面剪切過程中， 伴隨有微凸體的變形、劈裂、結構面間的相互伴隨

14、有微凸體的變形、劈裂、結構面間的相互 錯動，變形有時是不可恢復的。錯動，變形有時是不可恢復的。 20 2.4 2.4 結構面的力學性質(zhì)結構面的力學性質(zhì)（剪切變形）（剪切變形） 3.3.剪切變形特征剪切變形特征 兩種類型：兩種類型： a.a.堅硬、無充填物堅硬、無充填物脆性變形脆性變形 有明顯的峰值、應力降有明顯的峰值、應力降 b.b.軟弱、有充填物軟弱、有充填物塑性變形塑性變形 無明顯的峰值、應力降無明顯的峰值、應力降 風化結構面，峰值位移變大、風化結構面，峰值位移變大、 剪切剛度變小剪切剛度變小 隨法向應力減小、剪切規(guī)模增隨法向應力減小、剪切規(guī)模增 大，剪切剛度減小大，剪切剛度減小 21 剪

15、切變形剪切變形) ) 4.4.剪脹剪脹: : 剪切過程中產(chǎn)生的法向移動分量剪切過程中產(chǎn)生的法向移動分量. . 巖石強度高，凸臺角巖石強度高，凸臺角i i小，法向力小，法向力N N小，發(fā)生剪脹現(xiàn)象小，發(fā)生剪脹現(xiàn)象(b)(b) 巖石強度低，巖石強度低，凸臺凸臺角角i i大，法向力大，法向力N N大，發(fā)生剪斷現(xiàn)象大，發(fā)生剪斷現(xiàn)象(c)(c) 22 三三. . 結構面的抗剪強度結構面的抗剪強度( (庫侖準則庫侖準則) ) 結構面結構面剪切強度 抗剪強度抗剪強度) ) tan n c , c 是結構面的粘結力和摩擦角。是結構面的粘結力和摩擦角。 23 抗剪強度抗剪強度) n n 結構面的抗剪強度結構面的

16、抗剪強度 C,C,: :結構面結構面上的粘結力和上的粘結力和 摩擦角摩擦角 n:n:結構面上的法向應力結構面上的法向應力 = = b b + i + i b b: :巖石平坦表面摩擦角巖石平坦表面摩擦角 i :i :結構面上的凸臺斜坡角結構面上的凸臺斜坡角 tan n c 24 四、結構面力學性質(zhì)的尺寸效應四、結構面力學性質(zhì)的尺寸效應 1 1、隨著試塊面積增加，、隨著試塊面積增加，平均峰值剪應力平均峰值剪應力呈減小趨勢，呈減小趨勢， 平均摩擦角下降；平均摩擦角下降； 2 2、隨著結構面面積增大，峰值強度時的、隨著結構面面積增大，峰值強度時的位移量增大位移量增大； 3 3、隨著尺度增加，剪切破壞

17、由、隨著尺度增加，剪切破壞由脆性向延性脆性向延性轉化；轉化； 4 4、尺寸加大，、尺寸加大，峰值剪脹角峰值剪脹角減??；減??； 5 5、隨結構面粗糙度減小，、隨結構面粗糙度減小， 尺寸效應減小。尺寸效應減小。 25 五、充填物對結構面力學性質(zhì)影響五、充填物對結構面力學性質(zhì)影響 1 1、隨夾層、隨夾層厚度厚度增大，強度迅速降低；增大，強度迅速降低； 2 2、隨夾層、隨夾層顆粒顆粒增大，強度增大，但超過增大，強度增大，但超過30mm30mm以后變化以后變化 不大；不大； 3 3、隨、隨含水量含水量增加，使粘結力和摩擦力下降，強度下降增加，使粘結力和摩擦力下降，強度下降 4 4、泥化夾層泥化夾層的影響

18、，時效性，恒定荷載下產(chǎn)生蠕變。的影響，時效性，恒定荷載下產(chǎn)生蠕變。 26 2.5 2.5 巖體的變形特征巖體的變形特征 o1 1巖體受壓變形性質(zhì)巖體受壓變形性質(zhì) o2 2巖體受剪變形性質(zhì)巖體受剪變形性質(zhì) o3 3巖體各向異性特征巖體各向異性特征 27 一、巖體的單軸和三軸壓縮下變形特征一、巖體的單軸和三軸壓縮下變形特征 （1 1）巖體應力應變?nèi)^程曲線）巖體應力應變?nèi)^程曲線 在加載過程，結構面壓密與閉合，應力應變曲線，呈在加載過程，結構面壓密與閉合，應力應變曲線，呈上凹型。上凹型。 中途卸載有中途卸載有彈性后效彈性后效現(xiàn)象和不可恢復現(xiàn)象和不可恢復殘余變形殘余變形。這是結構面閉合、。這是結構面

19、閉合、 滑移、錯動造成的。滑移、錯動造成的。 完全卸載，再加載形成形完全卸載，再加載形成形 式上的式上的“開環(huán)型開環(huán)型”曲線，這曲線，這 也是彈性后效造成的。也是彈性后效造成的。 峰值強度后，巖體開始破峰值強度后，巖體開始破 壞，壞，應力下降較緩慢，仍應力下降較緩慢，仍 有殘余應力，有殘余應力，這是這是巖體結構效應巖體結構效應。 2.5 2.5 巖體的變形特征巖體的變形特征（單軸和三軸壓縮變形特征）（單軸和三軸壓縮變形特征） 28 （2 2）卸載時荷載不降至零時的應力應變曲線）卸載時荷載不降至零時的應力應變曲線 卸荷不降至零時的循環(huán)加載應力應變曲線呈卸荷不降至零時的循環(huán)加載應力應變曲線呈“閉環(huán)

20、型閉環(huán)型”。 隨著外荷加大、循環(huán)次數(shù)增多，隨著外荷加大、循環(huán)次數(shù)增多，閉環(huán)后移閉環(huán)后移，這是結構面逐，這是結構面逐 級被壓密與嚙合，這是結構面逐級被壓密與嚙合所致。級被壓密與嚙合，這是結構面逐級被壓密與嚙合所致。 閉環(huán)逐漸變窄閉環(huán)逐漸變窄演變呈一條線，演變呈一條線， 這是壓密程度越來越高，這是壓密程度越來越高，彈性彈性 后效變小后效變小的原因。的原因。 當卸荷至零持續(xù)一定時間后，當卸荷至零持續(xù)一定時間后， 有較大回彈變形，這是有較大回彈變形，這是彈性后效。彈性后效。 2.5 2.5 巖體的變形特征巖體的變形特征（單軸和三軸壓縮變形特征）（單軸和三軸壓縮變形特征） 29 二、二、 巖體剪切變形特

21、征巖體剪切變形特征 在屈服點前，變形曲線與抗壓變形相似，在屈服點前，變形曲線與抗壓變形相似，上凹型上凹型。 屈服點后，屈服點后，某個結構面或結構體首先剪壞某個結構面或結構體首先剪壞，隨之出現(xiàn)一，隨之出現(xiàn)一 次應力下降。峰值前可能發(fā)現(xiàn)次應力下降。峰值前可能發(fā)現(xiàn)多次應力升降多次應力升降。升降程。升降程 度與結構面或結構體強度有關，巖體越破碎，應力降度與結構面或結構體強度有關，巖體越破碎，應力降 反而不明顯。反而不明顯。 當應力增加到一定應力水平時，當應力增加到一定應力水平時， 巖體剪切變形已積累到一定程度巖體剪切變形已積累到一定程度 沒剪破的部位以瞬間破壞方式出沒剪破的部位以瞬間破壞方式出 現(xiàn)，并

22、現(xiàn)，并伴有一次大的應力降。伴有一次大的應力降。 隨后產(chǎn)生隨后產(chǎn)生穩(wěn)定滑移穩(wěn)定滑移 2.5 2.5 巖體的變形特征巖體的變形特征（剪切變形特征）（剪切變形特征） l有關的工程問題：邊坡滑坡、壩基底部滑移等；有關的工程問題：邊坡滑坡、壩基底部滑移等； 30 l巖體的強度巖體的強度：巖體抵抗外力破壞的能力，包括：巖體抵抗外力破壞的能力，包括抗壓強抗壓強 度、抗拉強度、抗剪強度度、抗拉強度、抗剪強度之分之分. 但對于裂隙巖體來說，其抗拉強度很小，加上巖體但對于裂隙巖體來說，其抗拉強度很小，加上巖體 抗拉強度測試技術難度大，所以目前對巖體抗拉強度抗拉強度測試技術難度大，所以目前對巖體抗拉強度 研究的很少

23、。研究的很少。 巖體強度受結構面和結構體強度及其組合方式（巖體巖體強度受結構面和結構體強度及其組合方式（巖體 結構）影響。結構）影響。 l一、巖體強度的測定一、巖體強度的測定 巖體強度試驗是在現(xiàn)場原位切割較大尺寸的試件進巖體強度試驗是在現(xiàn)場原位切割較大尺寸的試件進 行單軸壓縮、三軸壓縮和抗剪強度試驗。行單軸壓縮、三軸壓縮和抗剪強度試驗。 31 45 2 3 1 1 2 4 1 .5 1 1 00 .5 (MPa) 2 3 n (m m ) 4 .0 2 3 1、巖體單軸抗壓強度的測定：在試件表面抹水泥砂漿， 將表面抹平，并在上方設置墊層，以便將載荷均勻傳 給試體。計算強度同巖石單軸抗壓強度。

24、3、巖體三軸壓縮強度試驗 千斤頂施加軸向載荷，用壓力枕施加圍巖載荷 一、巖體強度的測定一、巖體強度的測定 2、巖體抗剪強度的測定 一般采用千斤頂法：一個垂直千 斤頂施加正壓力，另一個千斤頂 施加橫推力合力應通過剪切面中 心，橫向千斤頂傾角一般15度。 計算公式： 真三軸和假三軸 sinPT F cosT F 32 結構面的抗剪強度為：結構面的抗剪強度為： wnw C tan wC ,-結構面上的粘結力、摩擦角 n -作用在結構面上的法向應力 二、結構面的強度效應二、結構面的強度效應- -單結構面單結構面 其中，摩擦角可寫成i b w 33 wnw C tan 二、結構面的強度效應二、結構面的強

25、度效應- -單結構面單結構面 2sin 2 1 31 2cos 22 3131 節(jié)節(jié) 面面 上上 的的 應應 力力 2sin1 22 3 31 fctg fCw 將將帶入帶入得得 34 24 0 21 或 巖體不會沿結構面破壞巖體不會沿結構面破壞 若莫爾圓和若莫爾圓和巖石強度包絡線巖石強度包絡線相離，節(jié)理先相離，節(jié)理先 破壞，巖體強度小于巖塊強度破壞，巖體強度小于巖塊強度 若莫爾圓和若莫爾圓和巖石強度包絡線巖石強度包絡線相切，則巖體相切，則巖體 沿某一巖石截面破壞，破壞角沿某一巖石截面破壞，破壞角 12 a.a.當當 b.b.當當 若莫爾圓和若莫爾圓和巖體強度包絡線巖體強度包絡線相離，則巖體不

26、發(fā)生相離，則巖體不發(fā)生 破壞，既不沿結構面破壞，也不沿巖石面破壞破壞，既不沿結構面破壞，也不沿巖石面破壞 有關巖體破壞的討論有關巖體破壞的討論 35 兩組以上的節(jié)理同樣處理，不過巖體總兩組以上的節(jié)理同樣處理，不過巖體總 是沿一組最有利破壞的節(jié)理首先破壞。是沿一組最有利破壞的節(jié)理首先破壞。 二、結構面的強度效應二、結構面的強度效應- -多多結構面結構面 36 2 cl ml V V K l準巖體強度 lHoek-Brown經(jīng)驗強度準則 2 331cc sm 其中: m, s為與巖體結構有關的參數(shù) 三三. .巖體強度巖體強度的估算的估算 cmc K tK mt 37 巖體分級的意義巖體分級的意義

27、o工程巖體工程巖體： 各類巖石工程周圍的巖體，包括地下工程、邊坡各類巖石工程周圍的巖體，包括地下工程、邊坡 工程及與巖石有關的地面工程。工程及與巖石有關的地面工程。 o意義意義： 在工程設計與施工中區(qū)分復雜多變的巖體的質(zhì)量在工程設計與施工中區(qū)分復雜多變的巖體的質(zhì)量 好壞，及其表現(xiàn)在穩(wěn)定性上的差異，為選擇工程結構好壞，及其表現(xiàn)在穩(wěn)定性上的差異，為選擇工程結構 參數(shù)、科學管理生產(chǎn)以及評價經(jīng)濟效益提供依據(jù)。參數(shù)、科學管理生產(chǎn)以及評價經(jīng)濟效益提供依據(jù)。 o分級方法概述分級方法概述： 現(xiàn)有方法包括單因素法向多因素法，現(xiàn)有方法包括單因素法向多因素法，綜合性綜合性的和的和 專題性專題性的。的。 2.8 2.8 巖體質(zhì)量評價及其分類巖體質(zhì)量評價及其分類 38 一、按巖石的質(zhì)量指標一、按巖石的質(zhì)量指標RQDRQD（Rock Quality Rock Quality DesignationDesignati