岩体力学性质
岩体力学-第8章岩体的力学性质--贺虎
2
σ3=0
1m
3
2(C j 3tg j ) (1 tg jctg )sin 2
当β＝45°＋φj／2时，岩体强度取得最低值
1 3 min
2(C j 3tg j ) 1 tg 2 j tg j
耶格（Jaeger）单结构面理论
含多组结构面，且假定各组结构面具有相同的性质时，可分步运用单结构面 理论确定岩体强度包线及岩体强度。
二、岩体变形参数估算
一是在现场地质调查的基础上，建立适当的岩体地质力学模型 ，利用室内小试件试验资料来估算。
二是在岩体质量评价和大量试验资料的基础上，建立岩体分类 指标与变形参数之间的经验关系，并用于变形参数估算。
1、层状岩体变形参数估算
层状岩体的地质力学模型 假设各岩层厚度相等为S，且性质
D—圆(方)板直径(边长)。
定，裂隙越不均匀则要求面积 越大，一般0.25~1.00m2。
ω是与承压板形状与刚度有关的系数。
对于圆形板ω＝0.785；对于方形板ω＝0.886
2、钻孔变形法
优点：①对岩体扰动小；②可以在 地下水位以下和相当深的部位进行；
Hale Waihona Puke Emdp(1 Um )
③试验方向基本上不受限制，而且
第六章 岩体的力学性质
§6.1 岩体的变形性质 §6.2 岩体的强度性质 §6.3 岩体的动力学性质 §6.4 岩体的水力学性质
§6.1 岩体的变形性质
•在受力条件改变时岩体的变形是岩块变形和结构变形的总和， 而结构变形通常包括结构面闭合、充填物的压密及结构体转动和 滑动等变形。从岩体的定义：岩块+结构面=>岩体 •岩体变形=岩块变形+结构面闭合+充填物压缩+其他变形 •在一般情况下，岩体的结构变形起着控制作用。
《岩体力学》第六章岩体的力学性质
图6.1 岩体的压力--变形曲线第六章 岩体的力学性质岩体的力学性质包括岩体的变形性质、强度性质、动力学性质和水力学性质等方面。
岩体在外力作用下的力学属性表现出非均质性、非连续、各向异性和非弹性。
岩体的力学性质取决于两个方面： 1）受力条件；2）岩体的地质特征及其赋存环境条件。
其中地质特征包括岩石材料性质、结构面的发育情况及性质（影响岩体的力学性质不同于岩块的本质原因）；赋存环境条件包括天然应力和地下水。
第一节 岩体的变形性质一、 岩体变形试验及其变形参数确定变形参数包括变形模量和弹性模量。
按静力法得到静E ，动力法得到动E 。
⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧法波地震声波法动力法轴压缩试验法双单水压洞室法钻孔变形法扁千斤顶法狭缝法承压板法静力法按原理和方法分原位岩体变形试验)()()( )(1．承压板法刚性承压板法和柔性承压板法 各级压力P －W （岩体变形值）曲线 按布西涅斯克公式计算岩体的变形模量E m （Mpa ）和弹性模量E me （Mpa ）。
⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=-=e m mem m W W PD E W W PD E )1()1(22μμ式中：P —承压板单位面积上的压力（Mpa ）； D —承压板的直径或边长（cm ）；W，W e—为相应P下的总变形和弹性变形；ω—与承压板形状、刚度有关系数，圆形板ω=0.785，方形板ω=0.886。
μm—岩体的泊松比。
★定义：岩体变形模量（E m）：岩体在无侧限受压条件下的应力与总应变之比值。
岩体弹性模量（E me）：岩体在无侧限受压条件下的应力与弹性应变之比值。
图6.2 钻孔变形试验装置示意图②可以在地下水位以下笔图6.3 狭缝法试验装置如图6.3所示。
二、岩体变形参数估算现场原位试验费用昂贵，周期长，一般只在重要的或大型工程中进行，因此，岩体变形参数的很多情况下必须进行估算。
两种方法：① 现场地质调查→建立适当的岩体地质力学模型→室内小试件试验资料→进行估算； ② 岩体质量评价和大量试验资料→建立岩体分类指标与变形参数间的经验关系→进行估算。
岩体的力学性质
结构面：指地质过程中在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面或带。
又称不连续面.结构面包括物质分异面和不连续面。
软弱结构面：结构面中规模较大，强度低，易变性的结构面。
结构体：被结构面切割成的岩石块体。
裂隙度K：是指沿取样线方向单位长度上的节理数量。
切割度Xe：指岩体被节理割裂分离的程度。
剪胀现象：规则齿状结构面在正应力很小的时将沿着齿面滑动，结构面张开，发生剪胀现象岩体的强度：指岩体抵抗外力破坏的能力，包括抗压强度和抗剪强度。
抗剪断强度：指正应力作用下岩体发生剪断破坏时的最大切应力。
摩擦强度：着正应力下岩体沿着既有破裂面发生剪切破坏时的最大切应力。
抗切强度：指剪切破坏面上的法向应力为零时的最大切应力。
岩体完整性系数：岩体与岩石中纵波传播速度的比值的平方。
岩体的动力学性质：指动荷载下岩体表现出的性质。
张节理：是岩体在张应力作用下形成的一系列裂隙的组合，一般粗糙，宽窄不一且延展性较差剪节理：指岩体在切应力作用下形成的一系列裂隙的组合，一般平直光滑，延展性相对比较好张性断层：由张应力或与张断层平行的压应力形成的断层。
压性断层：主要是指压性逆断层，逆掩断层，断层面上常有与走向大致垂直的逆冲擦痕，大致平行集中出现的一系列压性断层构成挤压断层带。
剪性断层：主要指平移断层以及部分正断层，剪裂面产状稳定，断面平整光滑。
劈理：指在地应力作用下，岩石沿着一定方向产生大致平行的破裂面。
泥化夹层：是由于水的作用时夹层内的松软物质泥化而成，其产状与岩层基本一致。
影响结构面力学性质的因素：答：1.结构面两侧结构体的力学性质2.结构面的几何特征3.结构面的尺寸效应4.填充物的力学性质5.水对泥夹层的软化作用6.后期加载过程7.泥化夹层的时效性8. 前期变形历史●影响岩体中结构体特征的因素：答：1.切割岩体的结构面组数2.岩石的类型3.区域构造运动的强度4.工程岩体的破坏方式●影响岩体变形性质与试验结果的因素：答：1.岩体性质2.岩体中结构面发育特征3.岩体试验加载速率，加载过快，岩石变形不充分，导致变形模量较大4.温度，一般来说，温度增高，岩体延性加大，屈服点随之降低。
岩石的基本物理力学性质
岩石的基本物理力学性质岩石的基本物理力学性质是岩体最基本、最重要的性质之一，也是岩体力学中研究最早、最完善的力学性质。
岩石密度：天然密度、饱和密度、质量指标密度、重力密度岩石颗粒密度孔隙性孔隙比、孔隙率含水率、吸水率水理指标渗透系数抗风化指标软化系数、耐崩解性指数、膨胀率抗冻性抗冻性系数单轴抗压强度单轴抗拉强度抗剪强度三向压缩强度岩石的基本物理力学性质◆岩石的变形特性◆岩石的强度理论试验方法参照标准：《工程岩体试验方法标准》（GB/T 50266-99）。
第二章岩石的基本物理力学性质第一节岩石的基本物理性质第二节岩石的强度特性第三节岩石的变形特性第四节岩石的强度理论回顾----岩石的基本构成岩石是自然界中各种矿物的集合体，是天然地质作用的产物，一般而言，大部分新鲜岩石质地均坚硬致密，空隙小而少，抗水性强，透水性弱，力学强度高。
岩石是构成岩体的基本组成单元。
相对于岩体而言，岩石可看作是连续的、均质的、各向同性的介质。
岩石的基本构成：由组成岩石的物质成分和结构两大方面来决定的。
回顾----岩石的基本构成一、岩石的物质成分●岩石是自然界中各种矿物的集合体。
●岩石中主要的造岩矿物有：正长石、斜长石、石英、黑云母、角闪石、辉石、方解石、白云石、高岭石等。
●岩石中的矿物成分会影响岩石的抗风化能力、物理性质和强度特性。
●岩石中矿物成分的相对稳定性对岩石抗风化能力有显著的影响，各矿物的相对稳定性主要与化学成分、结晶特征及形成条件有关。
回顾----岩石的基本构成二、岩石的结构是指岩石中矿物（及岩屑）颗粒相互之间的关系，包括颗粒的大小、性状、排列、结构连结特点及岩石中的微结构面（即内部缺陷）。
其中，以结构连结和岩石中的微结构面对岩石工程性质影响最大。
回顾----岩石的基本构成●岩石结构连结结晶连结和胶结连结。
结晶连结：岩石中矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，如岩浆岩、大部分变质岩及部分沉积岩的结构连结。
这种连结结晶颗粒之间紧密接触，故岩石强度一般较大，但随结构的不同而有一定的差异。
岩石力学名词解释
一.岩石的物理力学性质1.岩体：位于一定地质环境中，在各种宏观地质界面（断层、节理、破碎带等）分割下形成的有一定结构的地质体。
由结构面与结构体组成的地质体。
2.岩石：是经过地质作用而天然形成的一种或多种矿物的集合体。
具有一定结构构造的矿物（含结晶和非结晶的）集合体。
3.岩（体）石力学：是力学的一个分支学科，是研究岩（体）石在各种力场作用下变形与破坏规律的理论及其实际应用的一门基础学科。
4.结构面：指在地质历史发展过程中，岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的宏观地质界面或带。
5.岩石质量指标（RQD）：指大于10cm的岩芯累计长度与钻孔进尺长度之比的百分数。
6.空隙指数：指在0.1MPa压力条件下，干燥岩石吸入水的重量与岩石干重量的比值。
7.软化性：软化性是指岩石浸水饱和后强度降低的性质。
8.软化系数：指岩石试件的饱和抗压强度与干燥状态下的抗压强度的比值。
9.膨胀性：是指岩石浸水后体积增大的性质。
10.单轴抗压强度：是指岩石试件在单轴压力下达到破坏的极限值。
，11.抗拉强度：是指岩石试件在单向拉伸条件下试件达到破坏的极限值。
12.抗剪强度：指岩石抵抗剪切破坏的能力。
13.形状效应：在岩石试验中，由于岩石试件形状的不同，得到的岩石强度指标也就有所差异。
这种由于形状的不同而影响其强度的现象称为“形状效应”。
14.尺寸效应：岩石试件的尺寸愈大，则强度愈低，反之愈高，这一现象称为“尺寸效应”。
引起结构面尺寸效应的基本因素：结构面的强度与峰值剪胀角。
15.延性度：指岩石在达到破坏前的全应变或永久应变。
16.流变性：指在外界条件不变时，岩石应变或应力随时间而变化的性质。
17.蠕变：指在应力不变的情况下，岩石的变形随时间不断增长的现象。
18.应力松弛：是指当应变不变时，岩石的应力随时间增加而不断减小的现象。
19.弹性后效：是指在加荷或卸荷条件下，弹性应变滞后于应力的现象。
20.峰值强度：若岩石应力—应变曲线上出现峰值，峰值最高点的应力称为峰值强度。
岩石力学ppt课件第三章 岩体力学性质
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)
20结21/8构/17面发育不均或岩性不均匀的岩体。
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（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。
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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。
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（三）各向异性变形特征：（P101蔡）
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。
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§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
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)
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§3.2岩体结构的基本类型 （地质学、复习、了解）
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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
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σα，σ ，p ： 含义同上
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岩石的岩石的力学性质
岩石的1岩石的力学性质－岩石的变形岩石的强度：岩石抵抗外力作用的能力，岩石破坏时能够承受的最大应力。
岩石的变形：岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变化。
岩石在荷载作用下，首先发生的物理力学现象是变形。
随着荷载的不断增加，或在恒定载荷作用下，随时间的增长，岩石变形逐渐增大，最终导致岩石破坏。
岩石变形过程中表现出弹性、塑性、粘性、脆性和延性等性质。
▪ 1.5岩石变形性质的几个基本概念▪1）弹性(elasticity)：物体在受外力作用的瞬间即产生全部变形，而去除外力(卸载)后又能立即恢复其原有形状和尺寸的性质称为弹性。
▪弹性体按其应力－应变关系又可分为两种类型：▪线弹性体：应力－应变呈直线关系。
▪非线性弹性体：应力—应变呈非直线的关系。
▪2）塑性（plasticity）：物体受力后产生变形，在外力去除（卸载）后变形不能完全恢复的性质，称为塑性。
▪不能恢复的那部分变形称为塑性变形，或称永久变形，残余变形。
▪在外力作用下只发生塑性变形的物体，称为理想塑性体。
▪理想塑性体，当应力低于屈服极限时，材料没有变形，应力达到后，变形不断增大而应力不变，应力－应变曲线呈水平直线.▪3）黏性(viscosity):物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质，称为粘性。
▪应变速率与时间有关，－>黏性与时间有关▪其应力－应变速率关系为过坐标原点的直线的物质称为理想粘性体（如牛顿流体），▪4）脆性(brittle):物体受力后，变形很小时就发生破裂的性质。
▪5）延性(ductile):物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力的性质，称为延性。
▪ 1.7岩石变形指标及其确定▪岩石的变形特性通常用弹性模量、变形模量和泊松比等指标表示。
3）全应力－应变曲线的工程意义▪①揭示岩石试件破裂后，仍具有一定的承载能力。
▪②预测岩爆。
▪若A>B，会产生岩爆▪若B>A，不会产生岩爆▪③预测蠕变破坏。
▪当应力水平在H点以下时保持应力恒定，岩石试件不会发生蠕变。
岩石力学与工程岩体力学性质
岩石力学与工程岩体力学性质
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四、结构面对岩体强度的影响
结构面是通过结构面的产状、形态、延展尺度 等几何特征参数和密集度与充填物等状态，来 描述对岩体强度和工程稳定性影响的。
1.结构面的产状对岩体是否沿某一结构面滑动 起控制作用。
2.结构面形态决定结构面抗滑力的大小，当结 构面的粗糙度越高，其抗滑力就越大。
3.结构面的延展尺度在工程岩体范围内，延展 尺度大的结构面程岩体力学性质
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三、岩体破碎程度的指标(补充)
1.裂隙度
（1）定义 裂隙度K是指沿着取样线方向，单位长度上节理 的数量。
（2）计算
1）设某节理取样线长度为L，沿L内出现节理的数 量为n，则 Kn L
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岩石力学与工程岩体力学性质
划分依据 原生岩体结构呈块状 原生岩体结构呈层状 原生岩体结构呈块状 原生岩体结构呈层状 原生岩体结构呈块状 原生岩体结构呈层状 原生岩体结构呈块状 原生岩体结构呈层状 原生岩体结构呈块状 原生岩体结构呈层状 原生岩体结构特征已消失 原生岩体结构特征已消失
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2）沿取样方向节理的平均间距d为
d 1 L Kn
岩石力学与工程岩体力学性质
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2.切割度
（1）切割度
是指岩体被节理割裂、分离的程度。
（2）计算
1）仅含一个节理面的平直断面，节理面面积 a，平
直断面面积A，其切割度 X e 为
Xe
a A
2）当岩体被完全切割时，Xe 1 ；未被切割时，
级 序 结构类型
划分依据
Ⅰ Ⅰ1 块裂结构 多数软弱结构面切割，块 状结构体
Ⅰ2 板裂结构 一组软弱结构面切割，板 状结构体
岩体力学岩体力学性质
变差，变形增大，变形模量减小。
当RQD :100~65时, Em / E随RQD值降低 而迅速降低
当RQD < 65时, Em / E随RQD值降低 变化不大
3. 结构面张开度和充填特征的影响 岩体 Em / E 与 RQD 关系
影响明显：张开度大，且无充填或充填薄时，岩体变 形较大，变形模量小；张开度小，岩体变形较小，变 形模量较大。
4.复合型
曲线呈阶梯或S型 所代表的岩体：结构面发育不均匀，或 岩性不均匀的岩体。
（二）剪切变形曲线
按剪应力-剪切变形曲线的形状和残余强 度与峰值强度的比值,岩体剪切变形曲线 分为3类：
1. 峰值前变形曲线的平均斜率小,峰值强 度较小,破坏位移大,可达2～10cm;峰值后, 应力降不太明显，随位移增大强度损失很 小或不变,τr /τp 1.0 ~ 0.6 岩体剪切试验情况：沿软弱结构面剪切
• 结构面的影响
τ
① 沿结构面剪切(重剪破坏)时，岩体剪 切强度最低，等于结构面的抗剪强度。
岩块
② 横切结构面剪切(剪断破坏)时，岩体
岩体
剪切强度最高。
结构面
③ 沿复合剪切面剪切(复合破坏)时，其
强度介于以上两者之间。
0
σ
岩体剪切强度包络线示意图
说明：岩体的剪切强度是具有上限和下限，其强度包络线
也是有上限和下限的曲线族。上限是岩体的剪断强度,下 限是结构面的抗剪强度。
体变形不同，即结构面导致
岩体变形的各向异性。结构
面组数少时明显，结构面组 数多时不明显。
潜在的平面破坏 倾倒破坏 结构面产状对边坡变形的影响
层状岩体结构面产状对隧道围岩变形的影响
平行结构面方向的变形模量>垂直结构面方向的变形模量
岩石力学-岩体力学性质
裂隙度 岩体破碎程度分类 （一）裂隙度K 切割度
单组结构面 多组结构面 实例： k=4/10=0.4/m d=1/k=2.5m
1.单组节理 设勘测线长度为 l ，在 l 上出现的节理的个数为n， 则 k = n l 节理之间的平均间距为
l 1 d = = n k
10m
按间距分类
d>180cm d=30~180 d<30 d<6.5
块裂结构岩体
断续结构岩体
散体结构岩体
碎裂结构岩体
碎裂结构岩体
2.2.4岩体结构的相对性及工程岩体结构的唯一性
2.3岩体结构面及其充填物
结构面：具有一定方向、延展较大而厚度较小的二维面状地质 界面。 2.3.1结构面的类型及特征
沉积结构面 岩浆结构面 原生结构面
结构面分类
变质结构面 构造结构面 次生结构面
抗剪强度
节理Байду номын сангаас切向变形
节理变形 扩容现象
（一）节理强度与剪切变形的关系 节理“τ − δ ”曲线分为4类。见下图 强度准则：τ
= c + σ tg ϕ
a-充填节理
b-齿状节理
c-充填齿状节理
d-复位式
四种典型的节理强度和位移关系曲线
（二）节理抗剪强度和扩容分析
基本理论：库仑准则 τ = c + σ tg ϕ 滚动摩擦 类型：面接触、齿状接触 转动摩擦
δn −ξ = s δ ξ δ
max n
−δ
n
n
t
法向刚度： K
n
K n 0 δ max + δ = K n0 K n 0 δ max = K n0 1 − K JCS = 0 . 02 δ n0 δ
岩石的主要物理性质和力学性质
八、 岩石的变形特性
弹性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形 能够恢复的性质。
塑性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形 不能恢复的性质。
脆性：物体在外力作用下变形很小时就发生破坏的性质。 延性：物体能够承受较大的塑性变形而不丧失其承载能力 的性质。
变形
弹性变形 塑性变形
线弹性变形 非线弹性变形
a线弹性类岩石――σ～ε曲线呈线性关系，曲线上任一点 P的弹性模量E：
E
泊松比μ：岩石在单轴压缩条件下横向应变与纵向应变之比。
c2 c1 a2 a1
此强度下降值与融冻试验前的抗压强度σc之比的百
分比代表抗冻系数Cf ，即
Cf
c cf c
100%
可见：抗冻系数Cf 越小，岩石抗冻融破坏的能力越强。
七、岩石的透水性
地下水存在于岩石孔隙、裂隙之中，而且大多数岩 石的孔隙裂隙是连通的，因而在一定的压力作用下，地 下水可以在岩石中渗透。岩石的这种能透水的性能称为 岩石的透水性。岩石的透水性大小不仅与岩石的孔隙度 大小有关，而且还与孔隙大小及其贯通程度有关。
条件（整体和碎块，浸水时间等）有关。
（2）岩石的饱水率（ω2）
岩石的饱水率指在高压（150个大气压）或真空
条件下，岩石吸入水的重量Wω2与岩石干重量Ws之比，
即：
2
W2 Ws
100%
（3）岩石的饱水系数（Ks）
岩石吸水率与饱水率之比称为岩石的饱水系数，即
Ks
1 2
饱水系数反映了岩石中大开空隙和小开空隙的相对 含量。饱水系数越大，岩石中的大开空隙越多，而小开 空隙越少。
岩体力学性质
yx xy
1 3 1 3 cos 2 2 2 1 3 sin 2 2 2 ( 1 3 ) 2 ( 1 3 ) 2 2 2
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•强度、刚度 岩 块 的 变 形 与 强 度 性 质 •变形弹性变形、塑性变形弹性、塑性 •破坏脆性破坏、塑性破坏脆性、塑性 •粘性 、延性
白云岩
80~250
灰岩
20~200
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5.影响因素 （1）岩石自身的性质（ 矿物组成 、 粒间连接、 岩性、 结构特征 、颗粒大小及形状、风化程度 、微结构面） （2）实验条件 试件形状、尺寸及加工精度 断面形状：强度:圆形>六多边形>四边形>三边形试件 尺寸效应：尺寸越大，岩块强度越低。 试件的高径比h/D增大，岩块强度降低。 c 加工精度： c1 加荷速率 强度常随加荷速率增大而增高 温度、湿度 含水量越高,强度越低;温度越高，强度越低。
应力、应变 应力状态、摩尔应力圆
任 意 状 态 z y zy yz z y zx xz x x
σ x τ xy τ xz τ yx σ y τ yz τ τ σ zx zy z
主 应 力 状 态
σ 1 0 0 0 σ 0 2 0 0 σ 3
C 峰值 前变 形阶 段 峰 值 后 变 形 阶 D 段
•微裂隙稳定发展阶段(BC) d C点:屈服强度
•非稳定发展阶段(CD) D点:峰值强度
V
B
A
L
E
•破坏后阶段(DE) 全过程曲线前过程曲线
(-)
o
(+)
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岩 块 的 变 形 与 强 度 性 质
14
8 岩体的力学性质
式中：d — 钻孔孔径 ，р— 计算压力，等于实验压力与初 始压力之差，Mpa；V — 径向位移，cm。
(3) 岩体变形曲线类型 由于岩体中结构面的发育情况及岩石坚硬程度等的差异， 岩体变形试验求得的压力P — 变形W曲线是复杂多变的。总括 起来，可归纳为如图所示的三类。 1.直线型：如图P—W曲线呈近似直线关系，反映岩体坚硬、致 密，裂隙不发育，或只有分布均匀的细小裂隙，岩体变形模量 较大，塑性变形小。 2.上凹型：P—W曲线在载荷低时斜率小，塑性变形大，随着载 荷的加大，曲线斜率逐渐增大，塑性变形趋于稳定；反映岩体 的岩性坚硬，裂隙发育，且多呈张开而无充填；在载荷作用下， 裂隙逐渐闭合或发生镶嵌作用而被挤紧。 3.下凹型：P—W曲线在低载荷下近似直线，表现为弹性变形； 当载荷增大时呈曲线，表现为塑性变形；反映岩体的岩性较软 弱，或岩体的较深部位埋藏有软弱夹层，或岩体裂隙发育，且 有泥质充填。
（2）构造结构面
各类岩体在构造运动作用下形成的各种结构面，如劈理、节理、 断层、层间错动面等。 节理面在走向延展及纵深发展上，其范围都是有限的，大者 一般不过上百米，小者仅有几厘米．张节理面一般粗糙，参差 不齐，宽窄不一，延展性较差，剪节理面一般平直光滑，延展 性相对较好，节理面上常见有擦痕和各种泥质薄膜，如高岭石、 绿泥石、滑石等，因此，剪节理面尽管接触紧密，但却易于滑 动。 断层面的规模相差比较悬殊，有的深切岩石圈几十公里，有 的仅限于地壳表层或只在地表数十米．但是，相对工程而言， 断层面一般是延展性较好的结构面．断层面(或帘)的物质成分 主要是构造岩，如断层泥、糜棱岩、角砾岩、压碎岩等．层间 错动带是在层状岩体中常见的一种构造结构面，其产状一般与 岩层一致。 延展性较好，结构面中的物质，因受构造错动的影响，多呈 破碎状、鳞片状，且含泥质物。
岩体力学第四章岩体的基本力学性质
•
•
•
(2) 间距
结构面的间距是指同组相邻结构面的垂直距离 。 通常采用同组结构面的平均间距。间距的大小直接 反映了该组结构面的发育程度，也就是反映了岩体 的完整程度。
(3) 延展性
在一个岩休的露头上，所见到的结构面迹线的长 度。该参数反映了该组结构面的规模大小。
•
(4) 粗糙度和起伏度
相对于结构面平均平面的表面不平整度，通常用 结构面的粗糙度和起伏度表示。这是增加结构面抗 剪强度的一个几何参数。
1．绝对分类——结构面延展长度
细小结构面 延长 ≤1m 中等结构面 延长 1～10m 巨大结构面 延长 ≥10m
2．相对分类——相对工程而言的分类见表4-1。
•
•
(3) 按地质力学观点分类
a 破坏面
大面积破坏
缓慢地质作用
b 破坏带
小面积密集破坏 快速地质作用
c 两者之间 过渡类型
•
•单节 理
•节理 组
•
•
•上述Xe，仅是某一平面上节理面所占面积的比 率。有时为了研究岩体空间内部某组节理的切割 程度Xr，可由裂隙度K与平面切割度Xe建立如下 关系式：
•式中：
－岩体体积内部被某组节理切割
的程度，单位m2/m3.
•
岩体破碎程度分类（表4-3）
•
2.2 结构面的定量描述
(1) 产状 产状是指结构面在空间的分相状态。它是由
d= L/ n=1/K
•
•实例： K=4/10=0.4/m •d=1/K=2.5m
•10 m
•
当取样线垂直节理的走向时，则d为节理 走向的垂直间距。
•按垂直间距分类
d>180cm d=30~180 d<30 d<6.5
第十一章 岩体的力学性质
• 式中，结构面的基本摩擦角φu，一般认为是结构面壁岩平 直表面的摩擦角，可用倾斜试验求得。其方法是取结构面 壁岩试块，将其锯成两半，除去岩粉，风干后合在一起。 试验时，缓缓地抬起试块一端，直到上盘岩块开始下滑为 止，此时的试块倾角即为φu。对每种岩石．进行试验的试 块数需10块以上。在没有试验资料时，常取φu＝30°，或 用结构面的残余摩擦角代替。JRC的确定方法是，测出所 研究结构面的表现粗糙度轮廓线，与图11—10所示的标准 剖面对照确定。JCS为结构面壁岩强度，常用回弹试验求 得。 • 式(11—13)是巴顿不规则组糙起伏结构面的抗剪强度公式。 利用该式确定结构面抗剪强度时，只需知道JRC、JCS和 φu三个参数即可，无须进行大型现场抗剪强度试验。部分 粗糙结构面的抗剪强度，见表11—l。
• 三、岩体变形曲线类型
•
由于岩体中结构面的发育情况及岩石坚硬程度 等的差异，岩体变形试验求得的压力p-变形w曲线 是复杂多变的。总括起来，可归纳为如图11—5所 示的三类，即：
(1)直线型：如图11—5a，p-w曲 (1) 11—5a p-w 线呈近似直线关系，反映岩体坚 硬、致密，裂隙不发育，或只有 分布均匀的细小裂隙，岩体变形 模量较大，塑性变形小。
• 利用∆vj可得到结构面的σn—∆vj关系曲线可知，结构面的法向变形具有如下特征： • 首先，在法向应力作用下，结构面闭合变形开始较快，变 形量也较大，随后逐渐变慢，变形量趋于常量∆vm； • 其次，σn—∆vj曲线为一以∆v＝∆vm (结构面最大闭合量)为 渐近线的双曲线，说明结构面的变形大部分在低应力下就 趋于完成； • 再次，含结构面岩块的变形∆vt。开始随σn增加呈非线性 增加，当σn达到某一定值后，σn—∆vr曲线变陡，且近似 与σn—∆vt曲线平行； • 最后，由非线性变形转变为线性变形的法向应力大约在岩 石抗压强度的1／3处，σn高于q／3后的∆vt主要是岩块变 形贡献的。
第3章岩石结构面、力学性质 岩体力学
岩石力学
结构面力学性质的研究，同样可以通过试验的 方法。
结构面一般为软弱的地质界面，其破坏方式一 般为剪切破坏，所以研究结构面在剪应力作用下的 抗剪强度及其变形性质显得格外重要。
岩石力学
3.3.4.1 倾斜仪法 将带有弱面的岩块放在倾斜仪上，施加水平推力P，使
试件沿弱面发生剪切破坏，见下图。
岩石力学
当试件沿结构面发生剪切破坏时，作用在结构面上的应力有：
T A
P cos
A
N A
P sin
A
式中：P——试件沿结构面发生剪切破坏时所施加的最大荷载，MN； A——剪切破坏面（即结构面）的面积，m2； α——倾角，°； τ——结构面的抗剪强度，MPa； σ——作用在结构面上的正应力，MPa。
三要素来表示。 （1）走向：是指结构面与水平面相交的交线方向； （2）倾向：是与走向成垂直的方向，它是结构面上倾斜
线最陡的方向； （3）倾角：是指水平面与结构面之间所夹的最大角度。 由于走向可根据倾向来加以推算，故一般只用倾向、倾
角来表示。
岩石力学
结构面产状由倾向角β和 倾角α确定。 表nˆ 示结构面的外法线，设为 单位矢量，则在坐标轴上的分量分别为：sinαsinβ，sinαcosβ , conα。这 样，结构面的空间方位就可用单位矢量来表示，即
在实际工作中，可用结构面纵剖面仪测出待测结构面的实际粗糙剖 面，然后与上图的标准剖面对比确定结构面的粗糙度系数。这种方法显 然带有目测的主观性，误差较大。
比较准确的方法是采用巴顿提出的结构面抗剪强度公式，通过结构 面压剪试验，反算结构面粗糙度系数，即
JRCtalgn 1JC // S
式中：τ ——结构面压剪试验峰值时的剪应力，MPa； σ——结构面压剪试验峰值时的正应力，MPa； φ——基本摩擦角（未风化平滑结构面的摩擦角），°； JCS——结构面壁面抗压强度，MPa。
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3.7.2 岩体的渗流问题
岩体裂隙网络样本（张有天） 岩体裂隙网络样本（张有天） 裂隙样本的渗透椭圆
岩体渗透张量计算
8m
120 135 150 1 90 105 1.5 75 60 45 30 0.5 15 0 345 330 225 315 240 255 270 285 300
3.7.1 岩体空隙的结构类型
裂隙网络介质 由裂隙（如节理、断层等）个体在空间上相互交叉形成的 网络状空隙结构，这种含水介质称为裂隙网络介质。又为 连通裂隙网络和非连通裂隙网络。 双重介质 由裂隙（节理、断层等）和其间的孔隙岩块构成的空隙结 构，裂隙导水（渗流具有定向性），孔隙岩块储水（渗流 具有均质各向同性），这种含水介质称为双重介质。 根据岩体结构面的连续性，可将岩体划分为连续介质、等 效连续介质和非连续介质（包括裂隙网络介质和双重介质）
3.7.3 地下水渗流对岩体力学性质的影响
力学作用 主要通过空隙静水压力和空隙动水压力作用对岩土 体的力学性质施加影响，前者减小本的有效应力而 降低岩体强度，使裂隙产生扩容变形；后者对岩体 产生切向推力，降低岩体抗剪强度。 岩体裂隙或断层中的地下水对裂隙壁施加两种力： 一是垂直于裂隙壁的空隙静水压力（面力），使裂隙 产生垂向变形；二是平行于裂隙壁的空隙动水压力， 使裂隙产生切向变形。
3.7.2 岩体的渗流问题
岩体的渗透性指岩体允许透过流体（气体和液体） 能力，其定量指标可用渗透率、渗透系数、渗透率 张量和渗透系数张量描述。 岩体的渗透率是表征岩体介质特征的函数，它描述 了岩体介质的一种平均性质，表示岩体介质传导流 体的能力。 岩体的渗透系数。也称为水力传导系数，是岩体介 质特征和流体特征的函数。它描述了岩体介质和流 体介质的一种平均性质。
岩体渗透张量计算
∠0°
∠15°
∠30°
完整裂隙网络
1m
1m
1m
连通裂隙网络
岩体渗透张量计算
∠45°
∠60°
∠75°
完整裂隙网络
1m
1m
1m
连通裂隙网络
3.7.3 地下水渗流对岩体力学性质的影响
地下水是一种重要的地质营力，它与岩体之间的相互作 用，一方面改变着岩体的物理、化学及力学性质，另一 方面也改变着地下水自身物理、力学性质及化学组分。 地下水渗流对岩体产生三种作用：物理作用、化学作用 和力学作用。 物理作用 润滑作用。使不连续面上的摩阻力减小和作用在不连 续面上的剪应力效应增强，诱发岩体沿不连续面剪切 运动。反映在力学上就是使岩体的摩擦角减小。 软化和泥化作用。表现在对岩体结构面充填物的物理 性状改变上，从固态向液态的弱化作用。使岩体力学 性能降低，内聚力和摩擦角减小。
3.7.3 地下水渗流对岩体力学性质的影响
化学作用 离子作用。地下水与岩体之间的离子交换使得岩土体 的结构改变，从而影响岩土体的力学性质。 溶解作用和溶蚀作用。大气降水带入地下大量的酸性 气体，对碳酸盐类岩石产生溶蚀作用。 水化作用。水分子附着到岩石离子上，改变岩石微细 观结构，减小岩土体的内聚力，还有遇水膨胀作用， 如膨胀土。 水解作用。改变岩土体的PH值，使岩土体物质发生改 变，从而影响其力学性质。
3.7.2 岩体的渗流问题
岩体的渗透张量 由于岩体介质具有非均质各向异性，只用一个渗透系数 不能反映岩体各向异性的渗透性能，需要用张量来描述 岩体介质各方向上的不同渗透性能。
k11 k12 K = k 21 k 22 k31 k32 k13 k主渗透方向的系数表示：
第三章 岩体力学性质
3.1 概述 3.2 岩体结构基本类型 3.3 岩体结构面及其充填特征 3.4 结构面的力学性质 3.5 岩体的变形特性 3.6 岩体的强度特性 3.7 岩体的水力学性质 3.8 岩体质量评价及其分类
3.7 岩体的水力学性质
岩体的水力学性质是指岩体的渗透特性及在渗流作用 下所表现出来的力学性质。 岩体渗流的特点： 岩体渗流的特点： 取决于岩体结构面和岩块的性质； 岩体渗流以裂隙导水，微裂隙和岩石孔隙储水为特 色； 岩体的裂隙网络渗流具有定向性； 岩体一般可以看成非连续介质（对于密集裂隙可以 看成等校连续介质） 岩体的渗流具有非均质性和各向异性； 一般符合达西定律； 受到应力场的影响显著； 在裂隙交叉处具有“偏流效应”，偏向宽大裂隙的 一侧；
10 m
165 180 195 210
0
5m
模拟区大小为10m×10m， 生成裂隙网络的区域为8m×8m， 选取测定渗透张量的区域为5m×5m， 固定区域的中心点，逆时针旋转矩形， 每隔15°计算一次裂隙网络的渗透系数
计算得到的最大渗透系数 Kmax=1.33×10-6 m/s， 最小渗透系数 Kmin=7.61×10-7 m/s， 方向角为45°，Kmax/Kmin=1.75。
3.7.1 岩体空隙的结构类型
岩体空隙是地下水赋存场子所和运移通道，岩体空隙的 分布形状、大小、连通性及空隙的类型，影响着的岩体 的渗流路径及渗流特性。 多孔连续介质 定义多孔介质质点为包含在多孔介质的表征性体积单元 （REV，Representative element volume）内的所有流体质 点与固体颗粒的总和。由连续分布的多孔介质点组成的 介质称为多孔连续介质。
3.7.2 岩体的渗流问题
各向同性介质的渗透性 a. 渗透率 b. 渗透系数
k (σ ) = cd 2 exp(−ασ )
K (σ ) = k (σ ) ρg / µ
k(σ)为岩体在应力为σ时的渗透率；d为岩体颗粒的有效 粒径；c为比例常数；K(σ)为渗透系数；u为粘滞系数；
单裂隙介质的渗透率
k f (σ ) = b 2 exp(−ασ )