[教育]岩石力学ppt课件第三章岩体力学性质

（二）剪切变形特征：
(a)沿软弱结 构面剪切
(b)沿粗糙结构面、 软弱岩体及强风
化岩体剪切
(c)坚硬岩体 受剪切
峰前变形平均斜 率小，破坏位移 大；峰后强度损 失小。
峰前变形平均斜 率较大，峰值强 度较高；峰后有 明显应力降。
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。
（三）各向异性变形特征：（P101蔡）
节理面的存在不削弱岩块强度
当 2 可能结构面破坏
③对
求一阶导数，并令其为零得
tg 2


1 f
45
2
此时节理面对岩体的强度削弱最大
1 3 min 2c f 3 1 f 2 f
图解法: 直接在图2－20量取；
设取样线长度为l ，在l上 出现的节理条数为n，则
K

n
节理之间的平均间距为
dl 1
20m
nK
实例： k=4/20=0.2/m
d=1/k=5m
l
按间距分类 按裂隙度分类
d>180cm 整体结构 d=30~180 块状结构 d<30 破裂结构 d<6.5 极破裂结构
K=0~1/m K=1~10/m K=10~100/m
（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 是沿一组最有利破坏的节理首先破坏。
图3－20 σ1与β的关系曲线 图3－21 两组节理力学模型
二、当C=0时节理面的力学效应
此时岩体的强度只靠碎块之间的摩擦力来提供。
这时库仑准则 tg
用主应力表示上式，得： 1
3
孔隙静水压力作用
（三）力学作用：
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时， 未充满孔隙的地下水使岩土体的有效应力增加：
p
σα有效应力，σ 总应力，p 孔隙静水水压力
当地下水充满多孔连续介质岩土体时，使有效 应力减小：
p
σα，σ ，p ： 含义同上
当多孔连续介质岩土体中充满流动的地下水时，
地下水对岩体的作用
物理作用 化学作用 力学作用
（一）物理作用：
润滑作用： 岩体结构面上的摩阻力减小
软化和泥化作用：
改变岩体结构面充填物的物理性状， 内聚力和摩擦角减小。→软化系数η
泥石流、山体滑坡
结合水的强化作用： 区别于重力水的润滑，软化作用。
（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。
狭缝法、
1）承压板法
选具有代表性的试验地点
清除浮石，平整岩面
逐级一次循环法加压
岩体变形模量Em和弹性模量Eme公式：
Em

pD(1 m2 )

(MPa)
Eme

pD(1 m2 )
e
(MPa)
(J. Boussineq)
p－承受板单位面积上的压力(MPa)；
D－承压板直径或边长(cm)；
影响岩体力学性质的基本因素： 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(特别是水和地应力的作用)
§3.2岩体结构的基本类型 （地质学、复习、了解）
§3.3岩体中的结构面及自然特征
§3.3.1结构面类型（自学、了解、提问）
火成结构面
原生结构面 沉积结构面
变质结构面
成因及类型
Kt

t
区别及原因 见下页力学模型
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
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
（三）抗剪强度 服从库仑准则: c tg
i
影响抗剪强度的三个基本因素：
法向力 σn 粗糙度 JRC 结构面强度 JCS
结构面抗剪强度公式（Barton和choubey, 1977)：

n
tan JR

C
lg
JCS
n

b

粗糙度 JRC （目测）
分维数
§3.5 岩体的变形性质
法向变形特征 岩体的变形 剪切变形特征
各向异性变形特性
（一）法向变形特征：
承压板法、
1. 法向变形试验： 钻孔变形法、
第三章 岩体的力学性质
主要内容
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节
概述 岩体结构的基本类型 岩体的结构面及其自然特征 结构面的力学性质 岩体的变形性质 岩体的强度特性 岩体的水力学性质 岩体质量评价及其分类
§3.1 概述
岩体=结构面（弱面）+结构体（岩石块体） 结构面：断层、褶皱、节理……统称
Kn

K n0

Kn0δmax σn K n0δ m ax
2
（Goodman,1974）
Kn0－结构面的初始刚度
Kn－法向变形刚度
趋势：σn ↑ ，Kn ↑
当荷载去除时，将引起明显的后滞和非弹 性效应。
2. 闭合变形量计算：
Goodman方法：
（1）基本假设
①节理无抗拉强度 ② 极限闭合量δmax ＜e（节理的厚度）
断层
构造结构面 节理
劈理
次生结构面
§3.3.2结构面的自然特征
薄膜充填（2mm以下）
有充填 断续充填
1. 充填胶结特征
连续充填
厚层充填（数十厘米至数米）
无充填
2. 几何形态特征
凹凸度
（量化指标）
起伏度（起伏角i)
粗糙度(五级）
平直型 波浪型 锯齿型 台阶型
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
结构面的产状及其变化：结构面的走向与倾向及其变化
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。
分为非贯通性的、半贯通性及贯通性的结构面
裂隙度 K 结构面的密集程度 切割度 Xe
: （1）裂隙度K 同一组结构面沿法线方向单位长度上的节理数量
a.单组节理(具有同一走向）
计算公式：
P T sin S
T cos
S
P、T－垂直及横向千斤顶施加的荷载；
S－试体受剪截面积。
（三）岩体三轴强度试验
地下工程的受力状态是三维的，所以三轴力学试验 非常重要。
准三轴（等围压）：实用 性更强。
真三轴：中间主应力在岩体
强度中起着重要作用，在多
节理岩体中尤为重要。
试体
（2）状态方程
n 0 A(
n
)t
0
max n
0 －原始应力，由测量时的初始条件决定；
δn, δmax－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（或非充填）结构面剪切 变形曲线；B）平坦（或有充填物）的结构面
• 2 或 理先破坏，岩体强度小于岩块强度
• 1 或 2
岩石节理同时破坏，岩体强度等于岩块强度
也可以由正弦定律推出：(见图2－20）
21 sin 1{[ m c cot) / m ]sin } 2 2 sin 1{[ m c cot) / m ]sin }
（一）岩体单轴抗压强度的测定
试件
水泥砂浆抹平试体表面→垫方 木、工字钢→加载→计算强度
图3-24 岩体单轴抗压强度测定 1－方木； 2－工字钢；3－千斤
顶； 4－水泥砂浆
（二）岩体抗剪强度的测定
双千斤顶法：
1. 正压力P和横推力T的合 力通过剪切面中心。
2. 横推千斤顶成15°角倾斜布置。
3. 试验5组以上
∆ =y2-y1。 μm－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及裂隙岩体 （3）上凸型（弹-塑性岩体） 结构面发育且有泥质充填的岩体。
（4）复合型：阶梯或“S”型（塑-弹-塑性岩体) 结构面发育不均或岩性不均匀的岩体。
假设在岩体中取一平直断 面，总截面积为A，其中 被节理面切割的面积为a； 则切割度为
Xe

a A
多处不连续切割叠加：
n
a ai i 1
变形 法向变形
§3.4 结构面的力学性质 性质 切向变形
(一）法向变形
强度性质
1.变形特性
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。(原因）
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。
造成岩体变形各向异性的两个基本因素： ① 物质成分和物质结构的方向性； ② 节理、结构面和层面的方向性。
§3.6岩体的强度特性
§3.6.1岩体强度的测定
现场原位切割较大尺寸试体（边长 0.5～1.5m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。
千斤顶加轴向荷载 压力枕加围压荷载
图3-26原位岩体三轴试验 1一混凝土顶座；2、4、6－垫板； 3一顶柱；5一球面垫；7一压力枕； 8一试件；9一液压表；10一液压枕
§3.6.2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
设结构面的强度条件 c tg
设节理的方向角为β 节面上的应力(图）