第二章 岩体力学性质

破坏面——大而粗的节理 4．按力学观点分类 破坏面——大而粗的节理 破坏带——小而密的节理 破坏带——小而密的节理 两者之间 l
无 充 填 有 充 填 充 填 物 性 粘 有 单节理 节理组 节理群 羽毛状 节理
充填 非充填
按 力 学 观 点 的 破 坏 面 和 破 坏 带 分 类
破碎带
三、各类岩体结构的地质分类 完整结构岩体 块裂结构岩体 板裂结构岩体 碎裂结构岩体 断续结构岩体 散体结构岩体
β1 ≤ β ≤ β 2
对岩体强度有影响的节理方位角： 对岩体强度有影响的节理方位角：
有关岩体破坏的几点讨论
当
β < β1或β > β2
岩体不会沿结构面破坏
当 β2 < β < β1 •若莫尔圆和岩石强度包络线相离，节理先 若莫尔圆和岩石强度包络线相离， 若莫尔圆和岩石强度包络线相离 破坏，岩体强度小于岩块强度; 破坏，岩体强度小于岩块强度 •若莫尔圆和岩石强度包络线相切，则岩体 若莫尔圆和岩石强度包络线相切， 若莫尔圆和岩石强度包络线相切 沿某一岩石截面破坏， 沿某一岩石截面破坏，破坏角 β = π + ϕ
图4－19 结构面的力学效应
所以，强度准则： 所以，强度准则：
τ m (sin 2β − tgφw cos 2β ) = cw +σntgφw
令
2Cw + 2 fσ3 (1− fctgβ )sin 2β
f = tgφw 则
w
σ1 −σ3 =
①当 β = φ ②当 β =
σ1 −σ3 →∞ （节理的存在不影响岩体的强度）
σ −ε
，分3 ，分3
第一段Ⅰ曲线上凹，——节理闭合——非线弹 第一段Ⅰ曲线上凹，——节理闭合——非线弹 性（很短） 第二段Ⅱ直线——线弹性（很短） 第二段Ⅱ直线——线弹性（很短） 第三段Ⅲ曲线下凹——塑性变形或破坏，至A3 第三段Ⅲ曲线下凹——塑性变形或破坏，至A3 点（较长）体积增大
二）、岩体变形曲线的类型
（二）多节理的力学效应 （叠加） 叠加）
σ1与 β的关系曲线
两组节理力学模型
岩体强度的估算
准岩体强度： 准岩体强度：
实质： 实质：考虑裂隙发育程度，以经过修正的岩石强度作 为岩体强度（准岩体强度）。 准岩体抗压强度： 准岩体抗拉强度：
Hoek-Brown经验方程：
Hoek和Brown 根据岩体性质的理论与实践经 验，用试验法导出了岩块和岩体破坏时主应力 之间的关系。
按照工程的要求分类
细小结构面 1．绝对分类 中等结构面 巨大结构面 ≤1m 延长 l ≤1m
l
≤1－10m ≤1－10m
≥10m l ≥10m
2．相对分类——相对工程尺度而言，结构面长度 相对分类——相对工程尺度而言 相对工程尺度而言， 原生结构面 3．按成因分类 构造结构面 次生结构面
二、结构面的分类
岩体强度=岩块强度+ 岩体强度=岩块强度+节理强度
图4－1节理岩体的强度特征与岩石强度的区别 Ⅰ－岩石；Ⅱ－节理化岩体：Ⅲ－节理
1、岩体单轴抗压强度的测定
岩体抗剪强度的测定
P + T sinα F T τ = cosα F
σ=
2、岩体抗剪强度的测定
P +T sin a F T τ = cos a F
的程度，单位m2/m3.
五、结构面的几何特征
反映节理的外貌—几何要素
1．走向:节理面与水平面相交的交线方向，用方位角表示 ．走向: 例如：N30 例如：N30oE 2．倾斜：
倾斜角度——水平面与节理面最大夹角，垂直节理面走向的倾角。 倾斜角度——水平面与节理面最大夹角，垂直节理面走向的倾角。 倾斜方向——与走向成垂直的方向，是节理面上倾斜最陡的方位， 倾斜方向——与走向成垂直的方向，是节理面上倾斜最陡的方位， 也是节理面的走向加上或减去90° 也是节理面的走向加上或减去90°而得。
裂隙度 四、岩体破碎程度分类 （一）裂隙度K 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 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 上出现的节理的个数为n， 则 k = nl 节理之间的平均间距为
l 1 d= = n k
按照变形曲线的形态可把弱面闭合之后的岩体 σ-ε曲线划分为4种类型，见图 曲线划分为4
A. B. C. D.
弹性 线性 岩体内部破裂或结构面局部剪切破坏双线性 弹—塑性变形 非线性 塑性变形 出现2 出现2个破坏点 多线性
二、岩体的变形模量 可以从室内应力—应变关系、岩体变形机理、力学“ 可以从室内应力—应变关系、岩体变形机理、力学“ 等价”模型以及现场岩体力学测试中求得。 等价”模型以及现场岩体力学测试中求得。 从图 4-28，变形模量可按下式求得： 28，变形模量可按下式求得： /(ε （4-72） 72） ED=σ/(εe+ εy) 式中 σ —应力； εe —岩体弹性变形应变； 岩体永久变形（残余变形） εy —岩体永久变形（残余变形）应变 岩体的弹性模量为： 岩体的弹性模量为： E=σ/εe E=σ 由于岩体中结构面的存在， 一般来说 ， 由于岩体中结构面的存在 ， 一般来说， 它将使得岩体 的ED 比岩石块的ED 更大。 比岩石块的E 更大。
岩体力学பைடு நூலகம்岩体力学性质
黑龙江科技学院 采矿工程专业 尹小军
第二章 岩体的力学性质
基本要求： 基本要求：
了解岩体中结构面的基本特性及其对岩体 力学性能影响。 力学性能影响。
主要内容
岩体结构及其变形特征（2.2、2.4） 岩体结构及其变形特征（2.2、2.4） 岩体的强度特征（2.6） 岩体的强度特征（2.6） 岩体质量评价及其分类（2.7） 岩体质量评价及其分类（2.7）
10m 10m
按间距分类
d>180cm d>180cm 整体结构 d=30~ d=30~180 块状结构 d<30 d<30 破裂结构 d<6.5 极破裂结构 K=0 K=0~1/m 疏节理 K=1 10/m K=1~10/m 密节理 K=10~100/m K=10~100/m 很密节理 K=100~1000/m 糜棱节理
3．连续性：包括走向、倾向连续性； 4．粗糙度：节理表面粗糙程度 5．起伏度 （切割度为依据） 含两个要素 幅度——起伏波幅度是指相邻两波峰线与其下波 幅度——起伏波幅度是指相邻两波峰线与其下波 l 槽的最大距离a 槽的最大距离a 长度——相邻两波峰之距离 长度——相邻两波峰之距离l
图4－5
节理面的起伏度与粗糙度
A↑和 l ↓的节理表面起伏越急峻。
2.1.2 岩体的变形特征
一、岩体的应力— 一、岩体的应力—应变曲 线
一）、岩体和岩石应力应变的 曲线的差别 岩石的应力— 岩石的应力—应变曲线与岩 体的应力应变曲线，有较大 的区别。主要是岩体节理闭 合线充填物的变形，其中部 分变形是不可恢复的，图4 分变形是不可恢复的，图428是两者的应力应变曲线 28是两者的应力应变曲线 b曲线一岩体 段
Xe = A
a = ∑ai
i
实例
表 4-2 岩体按切割度 Xc 分类 名称 Xc 完整的 0.1~0.2 表4-2 按切割度分类 弱节理化 0.2~0.4 切割度与裂隙度的关系 中等节理化 0.4~0.6 X r = X eK 强节理化 0.6~0.8 X r －岩体体积内部被某组节理切割 式中：完全节理化 0.8~1.0
按裂隙度分类
2.多组节理 2.多组节理
K = K1 + K2 =
n
cosα1 cosα2 1 1 + = + m m2 d1 d2 1
cosαi K =∑ di i= 1
图4－3两组节理的裂隙度计算图
（二）切割度
x
e
岩体被节理割裂分离的程度 节理并非在岩体内全部贯通，用“切割度” 节理并非在岩体内全部贯通，用“切割度”来 描述节理贯通度，在岩体中取一平直断面，总 描述节理贯通度，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 切割的面积为a 截面积为A，其中被节理面切割的面积为a；则 切割度为 多处不连续切割叠加：n a
4 2
⑤图解法 (见图4－19） 见图4 19）
⑥对岩体强度有影响的节理方位角： β1 ≤ β ≤ β2 直接在图4－19量取，也可以由正弦定律 推出：
2β1 = π +ϕ − sin −1{[σm + c cot ϕ) /τ m ]sin ϕ} 2β2 = π + sin −1{[σm + c cot ϕ) /τ m ]sin ϕ}
1 2 3 4 1 2 5
F
τ=
T cos a F
3、岩体三轴压缩强度试验 千斤顶施加轴向载荷，用压力枕施加围岩载荷
二、结构面的强度特性
结构面的抗剪强度为
τ = Cw +σn tanφw
C,φ --结构面上的粘结力、摩擦角；
σn --作用在结构面上的法向应力； σ > σT
其中，摩擦角可写成 φw = φb + i
第一节 岩体结构及变形特征
2.1.1 岩体结构面分析
结构面： 一、结构面：断层、节理、褶皱等不同成因、不同特 性的地质界面统称结构面（弱面）。
完整性很好——连续介质力学方法
岩体
非常破碎——土力学方法 两者之间——裂隙体力学方法 岩体不连续性，各向异性
结构面影响
反映区域性地质构造 降低岩体强度
二、结构面的分类
σ=
式中，P,T分别为垂直及横向千斤顶施加的荷载；F为试体受剪 截面积。
3、岩体三轴压缩强度试验
垫板 顶柱 垫板 球面垫 液压枕 试件 压力 枕