高等岩石力学-3结构面+岩体的力学特性

3.2 岩体空隙的结构类型 D 按岩体结构面的连续性 连续介质 等效连续介质 非连续介质
3.3 岩体的渗流问题
A.岩体的渗透性 B.岩体的渗透率 C.岩体的渗透系数 D.岩体的渗透张量和渗透张量场 E.渗透系数张量和渗透系数张量场
3.3 岩体的渗流问题 A.岩体的渗透性
B.岩体的渗透率
3.3 岩体的渗流问题
2.3 结构面的强度效应 b 岩体强度与结构面倾角的关系
岩石块体：
结构面：
2.3 结构面的强度效应
1
3


3 0
岩体强度受加载方 向与结构面夹角θ的控 制，因此，表现出岩 体强度的各向异性。
2.3 结构面的强度效应
1
3


2.3 结构面的强度效应 岩体强度的各向异性－－单一结构面：
B 化学作用
离子交换 溶解作用和溶蚀作用 水化作用 水解作用 氧化还原作用
2.3 剪切刚度
2.4 结构面剪切凸台力学模型
对于凹凸不平的结构面，可简化成下图所示的结构面剪切 凸台力学模型，其剪切结构面上有一凸台，模型上半部作用 有剪切力S和法向力N，模型下半部固定不动。在剪应力作用 下，模型上半部将沿凸台斜面滑动，除有切向运动外，还将 产生向上的移动．把这种剪切过程中产生的法向移动分量称 之为剪胀。在剪切变形过程中，由于剪应力与法向应力的复 合作用，可使凸台剪断或拉断，此时剪胀现象消失；当法向 应力较大或结构面 剪应力持续增加， 最终将使凸台沿 根部剪断或拉断。
3.2 Barton的结构面抗剪强度公式
JRC取值：
右 图 为 Barton 和 Choubey给出的10 种典型剖面及其 JRC取值
计算公式：
JRC p b
log
JCS
n

3.3 结构面抗剪强度的尺寸效应
3.4 结构面抗剪强度与其变形历史相关
3.5 充填物对结构面抗剪强度的影响
单裂隙介质的渗透率：
岩体裂隙系统的渗透率：
C 岩体的渗透系数 渗透系数
正常温度
异常温度
D 岩体的渗透张量和渗透张量场 岩体由多组裂隙组成，且其间岩块为
不透水时：45 裂隙为陡倾角时：46 裂隙的宽度和密度十分整齐和规则，
但方位杂乱无章时：47 岩体中只发育有唯一的一个方向裂隙
组，且裂隙宽度和间距为常数时：48 岩体中只发育有两个相交的方向裂隙
式中：c和 分别是结构面上的粘结力和摩擦角 n 是作用在结构面上的法向应力
3.2 Barton的结构面抗剪强度公式
结构面的抗剪强度公式：

n

tanJRC


lg
JCS
n



b

式中：JRC是结构面壁岩石的单轴抗压强度 b是岩石表面的基本摩擦角 JRC为结构面的粗糙性系数
岩石块体： 结构面：
2.3 结构面的强度效应 b 岩体强度与结构面倾角的关系
莫尔圆在结构面抗剪强度曲线之下：稳定 莫尔圆与结构面抗剪强度曲线相切：沿某
特殊方向的结构面破坏 莫尔圆介于岩石材料抗剪强度曲线与结构
面抗剪强度曲线之间：沿某方向范围结构 面破坏 莫尔圆与岩石材料抗剪强度曲线相切：沿 某方向范围结构面破坏或岩石材料破坏
2.2 结构面剪切变形曲线的分区
弹性区：峰值应力上升区 剪应力峰值区： 塑性区：峰后应力降低区或恒应力区
剪应力峰值区
弹性区 弹性区
塑性区 塑性区
2.2 结构面剪切变形曲线的分区
特别强调：
剪切变形曲线从形式上可划分成“弹性区” (即峰前应力上升区)、剪应力峰值区和“塑性 区”(即峰后应力降低区或恒应力区。但在结 构面剪切过程中，由于伴随有微凸体的弹性变 形、劈裂、磨粒的产生与迁移、结构面的相对 错动等多种力学过程，因此，剪切变形一般是 不可恢复的，即便在“弹性区”，剪切变形也 不可能完全恢复。
§2 剪切变形 因此，结构面的剪切变形与岩石
强度、结构面粗糙度（凸台角i）和 法向力密切有关。
第3章 结构面力学特性
§1 法向变形 §2 剪切变形 §3 抗剪强度 §4 影响结构面力学特性的主要因素
§3 抗剪强度
3.1 抗剪强度与法向力间的关系 3.2 Barton结构面的抗剪强度公式 3.3 结构面抗剪强度的尺寸效应 3.4 结构面抗剪强度与其变形历史相关 3.5 充填物厚度与成分对结构面抗剪强度的影响
构成岩体变形各向异性的两个基本要素 不同结构面方位对岩体力学性质的影响 三维模型试验
1.3 岩体各向异性变形特征 构成岩体变形各向异性的两个基本要素：
物质成分和物质结构的方向性 结构面的方向性
1.3 岩体各向异性变形特征 不同结构面方位对岩体力学性质的影响：
岩体峰值强度
变形模量
1.3 岩体各向异性变形特征 三维模型试验：
多结构面强 度效应：
2.3 结构面的强度效应 岩体强度的各向异性－多结构面：
岩体的强度图像将为各单组结构面岩体强度 图像的叠加，如图中阴影部分。如果结构面分 布均匀、且强度 大体相同时， 则岩体表现出 各向同性的特 性，但强度却 大大削弱了。
2.4 岩体强度的估算 A.准岩体强度 B.Hoek-Brown经验方程
2.4 岩体强度的估算 A 准岩体强度
龟裂（完整性）系数：
式中：Vml为岩体中弹性纵波传播速度 Vcl为岩块中弹性纵波传播速度
准岩体强抗压（拉）强度：
B Hoek-Brown经验方程
岩块三轴抗压强度： 岩体单轴抗压强度： 岩体单轴抗拉强度： 岩体抗剪强度：
第4章 岩体力学特性
§1 岩体的变形特性 §2 岩体的强度特征 §3 岩体的水力学性质
在一定的法向应力作用下，结构面在剪切力作用下 将产生切向变形，且通常有以下两种基本形式：
非充填粗糙结构面：随剪切变形发生，剪切应力 相对上升较快，当达到剪应力峰值后，结构面抗 剪能力出现较大的下降，并产生不规则的峰后变 形或滞滑现象；
平坦(或有充填物)的结构面：初始阶段的剪切变形 曲线呈下凹型，随着剪切变形的持续发展，剪切 应力逐渐升高但没有明显的峰值出现，最终达到 恒定值，有时也出现剪切硬化。
原位岩体三轴 压缩强度试验
2.2 岩体强度的现场测定
2.2 岩体强度的现场测定
2.3 结构面的强度效应 A.单一结构面强度效应 B.多结构面岩体强度
2.3 结构面的强度效应
A 单一结构面强度效应 a.岩体破坏的条件 b.岩体强度与结构面倾角的关系
2.3 结构面的强度效应 a 岩体破坏的条件
组，且裂隙宽度和间距为常数时：49
E 渗透系数张量和渗透系数张量场 渗透系数张量
渗透系数张量场
3.4 地下水渗流对岩体力学性质的影响 A.物理作用 B.化学作用 C.力学作用
3.4 地下水渗流对岩体力学性质的影响 A 物理作用 润滑作用 软化和泥化作用 结合水的强化作用
3.4 地下水渗流对岩体力学性质的影响
➢岩石材料 ➢结构面特征：数量、方向、间距和性质等 ➢赋存条件：地应力、地下水和地温等
2.2 岩体强度的现场测定 岩体单轴抗压强度的测定 岩体抗剪强度的测定 原位岩体三轴压缩强度试验
2.2 岩体强度的现场测定 岩体单轴抗压强度的测定：
2.2 岩体强度的现场测定 岩体抗剪强度的测定：
2.2 岩体强度的现场测定
1.4 特别提醒
岩体力学性质均具有方向性 工程布置中如何考虑扬长避短
第4章 岩体力学特性
§1 岩体的变形特性 §2 岩体的强度特征 §3 岩体的水力学性质
§2 岩体的强度特征
2.1 概述 2.2 岩体强度的现场测定 2.3 结构面的强度效应 2.4 岩体强度的估算
2.1 概述
岩体强度：岩体抵抗外力破坏的能力 岩体强度的分类：抗压(单轴、三轴)、抗拉和抗剪 控制裂隙岩体强度的因素：
§1 岩体的变形特性 §2 岩体的强度特征 §3 岩体的水力学性质
第4章 岩体力学特性
§1 岩体的变形特性 §2 岩体的强度特征 §3 岩体的水力学性质
§1 岩体的变形特性 1.1 岩体的单轴或三轴压缩变形特征 1.2 岩体剪切变形特征 1.3 岩体各向异性变形特征 1.4 特别提醒
1.1 岩体的单轴或三轴压缩变形特征
安全科学与工程 矿业工程
硕士学位课程
高等岩石力学
重庆大学 许 江
课程目录：
绪论 第一篇 基础知识篇 第二篇 基本理论篇 第三篇 计算机技术应用篇 第四篇 工程技术应用篇
第一篇 基础知识篇
第1章 地质学基础 第2章 岩石的物理力学属性 第3章 结构面力学特性 第4章 岩体力学特性
第3章 结构面力学特性
3.1 抗剪强度与法向力间的关系
根据结构面剪切凸台力学模型，结构面抗剪强度与法向应 力间的关系曲线（其中φb为岩石平坦表面基本摩擦角，i为结 构面凸台斜坡角）为：
3.1 抗剪强度与法向力间的关系
大量试验结果表明，结构面抗剪强度与法 向力间的关系一般也可表述为线性关系，即 可用库仑准则表述为：
c n tan
第3章 结构面力学特性
§1 法向变形 §2 剪切变形 §3 抗剪强度 §4 影响结构面力学特性的主要因素
第3章 结构面力学特性
§1 法向变形 §2 剪切变形 §3 抗剪强度 §4 影响结构面力学特性的主要因素
§1 法向变形
1.1 法向变形曲线
1.2 Goodman法向应力与结构 面闭合量间的关系式
3.5 充填物对结构面抗剪强度的影响
第3章 结构面力学特性
§1 法向变形 §2 剪切变形 §3 抗剪强度 §4 影响结构面力学特性的主要因素
§4 影响结构面力学特性的主要因素
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第一篇 基础知识篇
第1章 地质学基础 第2章 岩石的物理力学属性 第3章 结构面力学特性 第4章 岩体力学特性