第4章 岩体的力学性质

4 4 4
Shear stress(Mpa) Shear stress(Mpa) Shear stress(Mpa)
ñ ¢
ñ ¢ ñ ¢
8 8 8
¦ =18.26 £ 0.020¦ +0.00544£ 0.6677 Ó ¦ =18.26£ 0.020¦ +0.00544£ 0.6677 £ ¨ ÒÒ ¨0.020¦ Ò +0.00544£ © 0.6677 © 0.6677 ¦ Ó ¨ © Ó =18.26
M、S、A、B、T为与岩性及结构面情况有关的常数， 根据岩体性质查表确定。
岩 体 质 量 和 经 验 常 数 之 间 关 系 表
10
Shear stress(Mpa)
实例(巴东地区)
10 10
Shear stress(Mpa) Shear stress(Mpa)
10 10 10
τ / MPa 6 6 6
岩体刚度低、易变形，由多组结 构面切割且分布较均匀或岩性较 软弱且均质或平行层面加压。有 明显的塑性变形和回滞环，非弹 性变形。
上 凹 型 第 一 种 情 况 第 二 种 情 况
曲线方程为p＝f(W)，dp/dW随p增大而递增，
dp/dW＞0
层状及节理岩体多呈这类曲线 岩体刚度随循环次数增加 而增大，弹性变形成分较 大。多为垂直层面加压的 较坚硬层状岩体。
4 2 0 0
4 4
8
8 8
¦ =3.84=3.84 £ 0.052 ¦ +0.00197 £ Ó © © ¦ =3.84¨ 0.052Ò +0.00197© Ó £ 0.052 ¦ +0.00197 £ £ ¦ ¨ £ Ò Ó ¨ ¦ Ò
0.6605 0.6605 0.6605 0.6605
τ / MPa6 6 6
( 1 3 2C j ctg j ) sin j 1 1 arcsin 2 2 1 3
j
2 90 j 1
单结构面理论
1m 3
2(C j 3tg j ) (1 tg j ctg ) sin 2 2(C j 3tg j ) (1 tg j ctg ) sin 2 2C j (1 tg j ctg ) sin 2
òò ¢¢ ò ¢
2 2
0 0
2 2 2
0.6677 0.6677 0.6677 ¦ Ó ¦ ¦ =16.58£ 0.020¦+0.00544£© 0.6677 Ó Ó =16.580.020¦ Ò +0.00544£ =16.58 £ 0.020¦ +0.00544£ £¨ ÒÒ ¨¨ ©©
0 02
1 3
σ3=0
mc
当β＝45©＋υj／2时，岩体强度取得最低值
1 3 min
2(C j 3tg j ) 1 tg j tg j
2
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。 随结构面组数的增加，岩体的强度趋向于各向同性， 并被大大削弱，且多沿复合结构面破坏。 含四组以上结构面岩体的强度可按各向同性考虑。 当σ3接近于σmc时，可视为各向同性体。
1、法向变形曲线
直线型 上凹型 上凸型 复合型
直 线 型 陡 直 线 型 缓 直 线 型
通过原点的直线，其方程为p＝f(W)＝KW 加压过程中W随p成正比增加 岩体岩性均匀、结构面不发育或结构面分布均匀 岩体刚度大，不易变形，岩体 较坚硬、完整、致密均匀、少 裂隙，以弹性变形为主，接近 于均质弹性体。
2、岩体的剪切强度特征
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。 横切结构面剪切(剪断破坏)时，岩体剪切强度最高。 沿复合剪切面剪切(复合破坏)时，其强度介于以上两者之间。
• 岩体的剪切强度是具有上限和下限的 值域，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。 • 应力σ较低时，强度变化范围较大，随 着应力增大，范围逐渐变小。 • 应力σ高到一定程度时，包络线变为一 条曲线，岩体强度将不受结构面影响 而趋于各向同性体。
2 2
0 0
0 0 2
2 2 4
4 6 8 10 12 12 14 14 16 16 4 6 8 10 Normal stress(Mpa) 6 Normal stress(Mpa) 14 8 10 16 σ /MPa12 Normal stress(Mpa)
0.6647
0 0
2 2
0
2
6 8 10 12 12 14 14 6 8 10 Normal8stress(Mpa) Normal stress(Mpa) 4 6 σ 10 12 14 /MPa Normal stress(Mpa)
卸压曲线较陡，变形大部分 为塑性变形。多为存在软弱 夹层的层状岩体及裂隙岩体 或垂直层面加压的层状岩体。
上 凸 型
曲线方程为p＝f(W)，dp/dW随p增加而递减，
d2p/dW2＜0。
结构面发育且有泥质充填的岩体、较深处埋藏有 软弱夹层或岩性软弱的岩体常呈这类曲线。
复 p-W曲线呈阶梯或“S”型。 合 结构面发育不均或岩性不均匀的岩体，常呈此 型 类曲线。
第4章 岩体的力学性质
坚硬岩石的 强度曲线
软弱岩石的 强度曲线


二、裂隙岩体的压缩强度
岩体的压缩强度分为单轴抗压强 度和三轴压缩强度。 在生产实际中，通常是采用原位 单轴压缩和三轴压缩试验来确定。
单轴压缩
三轴压缩
单结构面理论
2 2 1 3 sin 2 2 强度判据 f tg j C j
第4章 岩体的力学性质
四、影响岩体变形性质的因素
影响因素：岩性、结构面特征、风化程度、试验 方法、试件尺寸、加荷条件、温度、湿度等。
结构面密度
结构面的张开度的强度性质
•岩体强度是指岩体抵抗外力破坏的能力。岩体的强 度既不同于岩块的强度，也不同于结构面的强度，一 般情况下，其强度介于岩块与结构面强度之间。
τ /8 MP 6 6 a 6
8 8
ô ¢ ôô ¢¢
2 2
0 0
¦ =9.29 £ 0.028 ¦ +0.00444 £ Ó =9.29¨ 0.028Ò +0.00444© ¦ Ó £ ¨ ¦ Ò £ © ¦ =9.29 £ 0.028 ¦ +0.00444 £ Ó 0.6647 ¨ Ò © 0.6647
•岩体和岩块一样，岩体强度也有抗压强度、抗拉强度 和剪切强度之分。
一、岩体的剪切强度 二、裂隙岩体的压缩强度 三、裂隙岩体强度的经验估算
一、岩体的剪切强度
岩体的剪切强度是指岩体内任一方向剪切面， 在法向应力作用下所能抵抗的最大剪应力。 剪切强度分为抗剪断强度、抗剪强度和抗切强 度 抗剪断强度是指在任一法向应力下，横切结构 面剪切破坏时岩体能抵抗的最大剪应力。 抗剪强度是指在任一法向应力下，岩体沿已有 破裂面剪切破坏时的最大应力。 抗切强度是指剪切面上的法向应力为零时的抗 剪断强度。
1、原位岩体剪切试验及其强度参数确定
双 千 斤 顶 法 直 剪 试 验
第4章 岩体的力学性质
岩体剪应力(τ)-剪位移(u)曲线及法向应力(σ)-法 向变形(W)曲线。 剪切强度曲线及岩体剪切强度参数Cm，υm值
各 类 岩 体 的 剪 切 强 度 参 数 表
岩体内摩 擦角与岩 块较接近 而内聚力 则大大低 于岩块。 说明结构 面的存在 主要是降 低了岩体 的连结能 力进而降 低其内聚 力。

1 3

1 3
cos 2
1 3
2(C j 3tg j ) (1 tg j ctg ) sin 2
单结构面理论
1 3
2(C j 3tg j ) (1 tg j ctg ) sin 2
岩体的强度(σ1－σ3)随结构面倾角β的变化而变化 当β→υj或β→90©时，岩体不可能沿结构面破坏，而只 能产生剪断岩体破坏。 只有当β1≤β≤β2时，岩体才能沿结构面破坏。
三、岩体变形曲线类型及其特征
四、影响岩体变形性质的因素

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。
2、裂隙岩体变形参数的估算 （1）用RMR值估算岩体变形模量
2 24
4 6 8 10 12 14 16 4 6 6 8 8 10 1012 12 14 14 16 16 Normal stress(Mpa) Normal stress(Mpa) Normal stress(Mpa) σ /MPa
0 0 0 0 2 4 6 8 10 12 14 12 14 14 10 12 0 0 2 2 4 4 6 6 8 8 10 Normal stress(Mpa) Normal stress(Mpa) Normal stress(Mpa)
16 16 16
σ /MPa
10
Shear stress(Mpa) Shear stress(Mpa)
10 10
10 10 10
Shear stress(Mpa)
τ8 / Ó MPa 6 ¦ 6
6 4 2 0 0
4 4
8 8
Shear stress(Mpa) Shear stress(Mpa) Shear stress(Mpa)
第4章
§4.1 §4.2 §4.3 §4.4
岩体的力学性质
岩体的变形性质 岩体的强度性质 岩体的动力学性质 岩体的水力学性质