岩石力学-第三章01

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结构面剪切变形曲线
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从下图模型可以看出，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。
结构面剪切力学模型
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抗剪强度
结构面抗剪强度一般可以用库仑准则描述：
c n tan
3.1岩体结构面的力学性质
3.1.1概念 结构面
天然岩体中往往具有明显的地质遗迹，如假整合、
不整合、褶皱、断层、节理、劈理等。他们在岩体 力学中一般都统称为节理。由于节理的存在，造成 了介质的不连续，因而这些界面又称为不连续面或 结构面。 所有的结构面中，最危险的是未充填的开口的光滑 节理面。 节理岩体的强度介于节理强度和岩块强度之间。
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单节理面理论
单结构面理论分析图
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莫尔应力圆，有：
1 1 2 2 1 ( 1 3 ) sin 2 2
( 1 3 ) ( 1 3 ) cos 2
结构面强度服从库仑准则 c w tan w 沿结构面AB产生剪切破坏的条件： 2(cw 3 tanw ) 1 3 (1 tanw cot ) sin 2
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尺寸效应 o
o o
岩体与岩块的尺寸界限，由尺度效应（scale effect）试验决定； 各种岩石的尺度效应不同； 大部分岩石在 A >0.5~1.0m时，性状即稳定，故 通常可认为在该尺寸以上即代表岩体；（A为试 件的横截面积）
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3.3.1 分类目的与原则
目的
提供必要的计算指标参数； o 为岩石工程建设勘察、设计、施工和编制定额提 供必要的基本依据； 原则 o 按目的和使用对象。 o 定量的。 o 级数应合适，一般为5级。 o 分类方法与步骤简明，数字便于记忆，便于应用。 o 由于目的和对象不同，考虑的因素也不同。
o
将 1 0 代入上式，可解得岩体的单轴抗拉强度为：
mc
1 c (m m 2 4s ) 2
2
剪应力表达式为：
1 2 A c ( m m 4 s ) c 2
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3.3 岩体质量评价及其分类
沿取样方向节理的平均间距d为 1 L d K n
o
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切割度 o o
切割度 X e 是指岩体被节理割裂、分离的程度。 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
a Xe A
o
o
当岩体被完全切割时，X e 1 ；未被切割时， X e 0 ；可见，当0 X e 1时，岩体是部分被切割 若在同一平直断面出现面积为 a1 , a2 ,..., an 的几个 节理面，则切割度 X e 为
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3.3.2 按岩石质量指标(RQD)分类
定义：将长度在10cm(含10cm)以上的岩芯累计长度
占钻孔总长度的百分比，称为岩石质量指标RQD
RQD
评价 o
10cm以上（含10cm）岩芯累计长度 100 % 钻孔长度
o
简单易行，是一种快速、经济而实用的岩体质量 评价方法。在一些国家得到广泛应用。 由于没有反映出节理的方位、充填物的影响，在 更完善的岩体分类中，仅把RQD作为一个参数加 以使用。
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影响岩体变形性质的因素
结构面方位；
结构面的密度； 结构面的张开度及充填特征；
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3.2.3 岩体的强度性质 一般概念
节理发育岩体，抗拉强度极弱，可概括为无拉力准则；
岩体的单轴压缩、三轴压缩及压剪试验证实，大部分岩体
在受压区符合库仑准则，但其强度低于岩块强度； 岩体强度必介于岩块强度与最弱面强度之间的一个范围； 岩体强度的具体情况，应根据试验具体确定；
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3.3.4 岩体质量分级(P120) 3.3.5 巴顿岩体质量(Q)分类(P125) 3.3.6 岩体地质力学分类(CSIR分类)(P124) 3.3.7 硐室围岩分级(P122)
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结构面实验方法
实验室试验法
倾 • 斜仪法 直 • 剪仪法 三 • 轴仪发
倾斜仪法
直剪仪法
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现场试验法
岩体、弱面、软夹层的现场压剪方法示意图
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岩体破碎程度的指标
裂隙度 o
o
裂隙度K是指沿着取样线方向，单位长度上节理 的数量。 设某节理取样线长度为L，沿L内出现节理的数 量为n，则 n K L
本摩擦角， 为结构面粗糙性系数。 JRC
当 JRC 0 ，上式变为
tanb
即转化成平滑节理（无黏结力）的库仑准则。
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3.2岩体的力学性质
3.2.1 岩体力学试验 一般概念
岩体与岩块的差异 o
o
组构方面：岩块含岩石材料及微小节理；岩体含 岩块及多组较大的节理； 力学性质方面 ：岩体比岩块弹模小、峰值强度 低、残值强度低、变形（蠕变）大、泊松比大、 各向异性；极端坚固完整岩体的强度≈岩块强度， 节理极端发育岩体的强度<< 岩块强度（几分 之一至几十分之一） 。
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单结构面岩体强度分析
单结构面岩体强度分析
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结构面力学效应
单结构面力学效应
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岩体强度的估算—Hoek-Brown经验公式
1 3 m c 3 s c2
式中， 1 为破坏时的最大主应力； 3 为作用在岩石 试样上的最小主应力； c 为岩块的单轴抗压强度； m, s 为与岩性及结构面情况有关的常数。
该法将岩体结构分为四类即整块状结构层状结该法将岩体结构分为四类即整块状结构层状结构碎裂结构和散体结构在前三类中每类又分为构碎裂结构和散体结构在前三类中每类又分为亚类见p120p120表评价评价这种分类法的特点是考虑到各类结构的地质成这种分类法的特点是考虑到各类结构的地质成因突出了岩体的工程地质特性
第三章 岩体的力学性质
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岩体力学试验特点与方法
原则上，与岩块试验无异。不同的是：试体大、设
备大、代价大； 岩体试验多在现场原位（in-situ）切割试体，进行单 轴压缩、三轴压缩及压剪试验，一般试体尺寸为0.5 ~1.5m； 加载设备用普通千斤顶、矮千斤顶和扁千斤顶； 原始切割试体的工程浩大，费用高昂； 现场原位试验，要求一次将测试目标： , 测定；应 E 力应变曲线测定；强度指标和强度准则确定等全部 完成。
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3.2.2 岩体变形特性 岩体的单轴和三轴压缩变形特征
现场岩体循环压缩应力—应变全过程曲线
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现场岩体变形模量测量过程曲线
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3.3.3 按岩体结构类型分类
提出：中国科学院地质研究所古德振教授等根据岩
体结构划分岩体类别。 该法将岩体结构分为四类，即整块状结构、层状结 构、碎裂结构和散体结构，在前三类中每类又分为 2~3亚类，见P120表2-8。 评价 o 这种分类法的特点是考虑到各类结构的地质成因， 突出了岩体的工程地质特性。 o 该法对重大的岩体工程地质评价来说，是一种较 好的分类方法，颇为国内外重视。
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结构面法向变形曲线
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剪切变形
古德漫法，剪切刚度 K t 可以由下式表示：
K t K t 0 1 s
K 式中， t 0 是初始剪切刚度， s 是产生较大剪切位移 时的剪应力渐进值。 试验结果表明，对于较坚硬的结构面，剪切刚度一 般是常数；对于松软结构面，剪切刚度随法向应力 的大小而改变。
a1 a2 ... an Xe A
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3.1.2结构面的变形特性 法向变形
古德曼法，法向应力 n 与结构面闭合量 n 的关系：
n n s n max
t
式中： 为原位压力； max 为最大可能闭合量； s, t 是与结构面几何特征、岩石力学性质有关的 两个参数；
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岩体力学计算指标的选取与修正
原则上：岩体指标≈岩块指标，取岩块指标；岩体指
标<<岩块指标，取岩体指标； 岩体指标：有条件的，可作试验测定；不能试验的， 可暂先选取经验数据； 岩体内摩擦角≈岩块内摩擦角； 已知岩体的C和φ，可近似求得岩体单轴抗压强度： 2C cos Sc 1 sin 再根据格氏准则，可近似求得岩体抗拉强度： St 1 8 ~ 1 12 Sc 用岩体力学性质经验数据对工程进行的初步计算， 在工程开工后，应根据实测的应力，经资料加以适 当修正。
c 式中， , 分别是结构面上的黏结力和摩擦角， n 是作用在结构面上的法向应力。
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凸台模型的剪应力与法向应力的关系曲线
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巴顿准则
该准则为一经验公式：
JCS tan( JRC) lg b n JCS 式中， 是结构面的抗压强度， b 是岩石表面的基