岩体的力学性质
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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。
岩体的基本力学性能
整理ppt
图4－5 节理面的起伏度与粗糙度
A↑和 ↓的节理表面起伏越急峻。
整理ppt
返回
第二节 结构面的变形特性 法向
切向 一、节理的法向变形 （一）节理弹性变形（齿状接触）
022m d n2(1 hE 2)
按弹性力学
式中:d-为块体的边长; n-为接触面的个数;
Boussinesq公式 计算齿状节理接 触面弹性变形引
A( V )t VmcV
－原位应力 V Vmc A，t－回归参数
整理ppt
（3）状态方程的 几何表示
A(Vm c VV)t
当t=t A=1时，有
V VmcV MC
整理ppt
最大闭 合V mc
(4)试验方法（VmC的确定） a.无节理 c.配称接触
步骤：
（1）备制试件；
（2）作σ-ε曲线（a）；
JRC arctan(n)b lg(JCSn)
JRC为节理粗糙系数 JCS为节理壁抗压强度
整理ppt
3、转动摩擦
（1）基本假设
在张开节理中，经常有块状充填物，或 节理切割成碎块。当剪切时，可使充填物或 碎块发生转动。设转动的碎块为平行六面体， 其模型见图4-15。假设模型受法向力N；剪切 力T。
（2）稳定性分析
4、滚动摩擦
当碎块的翻倒角 减少时，其内摩擦角也将 减小。当碎块剖面为n个边的规则多角形时， 其翻倒角为：
1800
n
当碎块的边数不断增加，则碎块趋向球， 0
对于一个完全圆球质点，其抗翻倒阻力就是 它的滚动摩力，其摩擦系数为
fR
T N
tanR
钢圆柱滚动其摩擦系数为 fR [0 .00,0 .0 40 ]返2回
1 3 m 2 C in f 3 1 f 2 f
图4－5 节理面的起伏度与粗糙度
A↑和 ↓的节理表面起伏越急峻。
整理ppt
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第二节 结构面的变形特性 法向
切向 一、节理的法向变形 （一）节理弹性变形（齿状接触）
022m d n2(1 hE 2)
按弹性力学
式中:d-为块体的边长; n-为接触面的个数;
Boussinesq公式 计算齿状节理接 触面弹性变形引
A( V )t VmcV
－原位应力 V Vmc A，t－回归参数
整理ppt
（3）状态方程的 几何表示
A(Vm c VV)t
当t=t A=1时，有
V VmcV MC
整理ppt
最大闭 合V mc
(4)试验方法（VmC的确定） a.无节理 c.配称接触
步骤：
（1）备制试件；
（2）作σ-ε曲线（a）；
JRC arctan(n)b lg(JCSn)
JRC为节理粗糙系数 JCS为节理壁抗压强度
整理ppt
3、转动摩擦
（1）基本假设
在张开节理中，经常有块状充填物，或 节理切割成碎块。当剪切时，可使充填物或 碎块发生转动。设转动的碎块为平行六面体， 其模型见图4-15。假设模型受法向力N；剪切 力T。
（2）稳定性分析
4、滚动摩擦
当碎块的翻倒角 减少时，其内摩擦角也将 减小。当碎块剖面为n个边的规则多角形时， 其翻倒角为：
1800
n
当碎块的边数不断增加，则碎块趋向球， 0
对于一个完全圆球质点，其抗翻倒阻力就是 它的滚动摩力，其摩擦系数为
fR
T N
tanR
钢圆柱滚动其摩擦系数为 fR [0 .00,0 .0 40 ]返2回
1 3 m 2 C in f 3 1 f 2 f
岩石力学ppt课件第三章 岩体力学性质
（2）上凹型（塑-弹性岩体）
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。
23
（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。
2021/8/17
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。
24
（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。
2021/8/17
2
§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)
2021/8/17
3
§3.2岩体结构的基本类型 （地质学、复习、了解）
36
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
2021/8/17
σα，σ ，p ： 含义同上
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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
2021/3/6
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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
衡量岩石透水性的指标为渗透系数(K)。一般来说， 完整密实的岩石的渗透系数往往很小。岩石的渗透系数 一般是在钻孔中进行抽水或压水试验而测定的。
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。
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
10
•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
35
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
(+)
13
岩 块 的 变 形 与 强 度 性 质
14
8 岩体的力学性质
V
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。
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。
第02讲 岩体的力学特性和工程地质性质
A.受到水平方向强烈张应力形成的
B.受到水平方向强烈挤压力形成的
C.断层线与褶皱轴的方向基本一致
D.断层线与拉应力作用方向基本垂直
E.断层线与压应力作用方向基本平行
『正确答案』BC
『答案解析』本题考查的是岩体的构成。（1）断层要素：①断层面和破碎带；②断层线；③断盘；④断距。（2）断层基本类型：①正断层是上盘沿断层面相对下降，下盘相对上升的断层。②逆断层是上盘沿断层面相对上升，下盘相对下降的断层。③平推断层是两盘沿断层面发生相对水平位移的断层。其倾角一般是近于直立的,本题是逆断层。参见教材P8。
二、岩体的力学特性
（一）岩体的变形特征
岩体的变形通常包括结构面变形和结构体变形两个部分。岩体变形参数是由变形模量或弹性模量来反映的。
（二）岩体的强度性质
由于岩体是由结构面和各种形状岩石块体组成的，所以，其强度同时受二者性质的控制。一般情况下，岩体的强度既不等于岩块岩石的强度，也不等于结构面的强度，而是二者共同影响表现出来的强度。但在某些情况下，可以用岩石或结构面的强度来代替。如当岩体中结构面不发育，呈完整结构时，岩石的强度可视为岩体强度。如果岩体沿某一结构面产生整体滑动时，则岩体强度完全受结构面强度控制。
（3）碎裂结构。层状碎裂结构和碎裂结构岩体变形模量、承载能力均不高，工程地质性质较差。
（4）散体结构。岩体节理、裂隙很发育，岩体十分破碎，岩石手捏即碎，属于碎石土类，可按碎石土类考虑。
2011年真题：
4.结构面结合力较差的层状结构工程地基岩体的工程特性是（ ）。
A.沿层面方向的抗剪强度高于垂直层面方向
表1.1.4裂隙发育程度分级表
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。
第五讲 岩体的力学特性
岩体的特征： 结构面和结 构体
3.1.1 结构面的类型
1.结构面的成因和类型 （1）原生结构面：成岩过程中所形成的结构面，其特征 与岩体成因密切相关，分为以下三类：
岩浆结构面：岩浆侵入和冷凝过程中形成的结构面； 沉积结构面：沉积过程中形成的岩层分界面； 变质结构面：在区域变质作用中形成的结构面。
2. 形态特征：
平直型 波浪型 锯齿型 台阶型
见图3-6所示
3. 结构面的空间分布：是指结构面的空间产状、 结构面的延展性、密集程度和空间组合关系。
结构面的产状：结构面的走向、倾向、倾角及其 变化规律。 结构面的延展性：指结构面在某方向上的延续性 及其长短程度，用切割度表示：切割度是指岩体 被节理割裂分离的程度，用Xe。 当某一横贯所考虑岩体且面积为A的横截面与单 一面积为a的结构面重叠时，其切割度为：
② 凹凸不平结构面的力学模型：
见图3-13所示：
– 爬坡型：法向压力较小时，爬坡越坡。出现法向位移， 这种现象称为剪胀现象。 – 爬坡剪断型：法向应力增大，初期爬坡，后期剪断；前 期爬坡剪胀，后期剪断时剪胀消失。 – 直接剪断型：法向压力大，没有初期爬坡，直接剪断 突台的根部；剪胀现象不明显。
剪涨
试验研究表明，结构面的抗剪强度可以用库仑准则表述为：
较低的法向应力时：
较高的法向应力时：
n tan(b +i)
c n tan b
注意φb为岩石平坦表面的基本摩擦角，实验中要求采用平 面型的岩石结构面进行测试得出其值的大小。
虚线
φp
结构面受剪初期，产生爬坡 剪胀现象，剪应力与法向应 力近似呈线性关系。随着剪 应力增加，变形的发展，爬 坡到突台上部时，产生剪断 突台顶部的现象，此时爬坡 角i=0，进入剪切变形阶段， 直至达到峰值剪切强度。
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完整性系数：<0.2
岩土工程特征：稳定性极差，岩体属性接近松散体 介质。
§4-2 岩体的强度
4.2.1 岩体强度特征
岩体的强度取决于结构面的强度和岩石的强度。
1、岩体的抗剪强度包络线介于结构面强度包络线和岩石 强度包络线之间。
2、岩体强度的各向异性
岩体强度受加载方向与结构面夹角θ的控制，因此，表现出
评分值
15 10 7 4
>125
>0.5
0
（6）节理方位对RMR的修正值R6 方位对工程的影 响评价 很有利
隧道
0
地基
0
边坡
0
有利
一般 不利 很不利
－2
－5 －10 －12
－2
－7 －15 －25
－5
－25 －50
（7）节理走向与倾角对隧道掘进的影响
节理走向垂直于隧道轴线
顺倾向掘进
倾角
450～900
节理间距 （m） 评分值 >3 30 1~3 25 0.3~1 20 0.05~0.3 10 <0.05 5
（4）对于节理状态的岩体评分值R4 说明 尺寸有限的粗糙的表面、硬岩壁 略粗糙的表面、张开度<1mm，硬岩壁 评分值 25 20
略粗糙的表面、张开度<1mm，软岩壁
光滑表面；由断层泥充填厚度为1～5mm；张开度 1～5mm ，节理延伸超过数米
一、工程岩体分类的参考影响因素
1、岩石的质量。主要表现在岩石的强度和变形性质方面。
2、岩体的完整性。岩体完整性取决于不连续面的组数和密度。 可用结构面频率(裂隙度）、间距、岩心采取率、岩石质量指标 RQD以及完整性系数作为定量指标进行描述。这些定量指标是 表征岩体工程性质的重要参数。
3、结构面条件。包括结构面产状、粗糙度和充填情况。岩体的
层面 结合良好，渗流对岩体特性影响不大，结构尺
寸大于工程尺寸。
完整性系数 > 0.75
结构面间距 > 1.5 m 岩土工程特征：整体性强度高，岩体稳定，可视为 均质、各向同性的连续介质。
2、块状结构
节理发育，有若干软弱夹层或贯通微张裂隙将岩体切割
成柱状、块状或菱形等结构体。工程范围内，有两组以上
节理明显发育，构成影响工程稳定性的危险岩块，其尺寸 小于工程几何尺寸。
（2）卸载时荷载不降至零时的应 力－应变曲线 ①卸荷不降至零时的循环加载应 力－应变曲线呈“闭环型”。 ②随着外荷加大、循环次数增多， 闭环后移，这是结构面逐级被 压密与啮合，这是结构面逐级 被压密与啮合所致。 ③闭环逐渐变窄→演变呈一条线， 这是压密程度越来越高，弹性 后效变小的原因。 ④当卸荷至零并持续一定时间后， 有较大回弹变形，这是弹性后 效的表现。 ⑤变形模量
12
6 0
由厚度>5mm的断层泥充填的张开节理;张开度 >5mm的节理，延伸超过数米
（5）取决于地下水状态的岩体评分值R5 每米隧道的涌水 节理水压力与最 量（L/min） 大主应力的比值 无 <10 10～25 25～125 0 <0.1 0.1～0.2 0.2～0.5
总的状态
完全干燥 潮湿 湿 有中等压力水， 滴水 有严重地下水 问题，流水
4、碎裂结构
构造发育，各种结构面与断裂交叉发育，且多为泥质充填。
岩体破碎，呈块状或片状，局部裹有坚硬的大块或条块状岩 石，属不均一的不连续介质，稳定性很差。
岩体
镶嵌结构 层状碎裂结构 破碎结构
完整性系数
<0.36 <0.4 <0.3
结构面间距
<0.5m <0.5m <0.5m
5、散体结构
主要为各种剧烈风化或挤压破碎的岩体或土体。结 构面相当发育，呈网状，岩体极度破碎，并混有断层 泥，呈松散堆积或压密堆积。
完整性系数
结构面间距
0.35～0.75
0.7～1.5 m
岩土工程特征：整体性强度高，结构面相互牵制，岩体
基本稳定，接近弹性各向同性体。
3、层状结构
由中厚（0.25～0.5 m）及薄层（<0.25m）的均一、坚硬、 软弱或软硬相间的沉积岩或沉积变质岩形成的岩体。结构面
以层理、片理、节理为主，往往有层间错动，结构体呈板状、
工程性质主要取决于结构面的性质和分布状态以及其间的充填 物性质。
一、工程岩体分类的参考影响因素
4、岩体及结构面的风化程度。风化程度越高，岩体越破 碎，强度越低 。 5、地下水的影响。渗流，软化，膨胀，崩解，静、动水 压力等。 6、地应力。地应力难于测定，它对工程的影响程度也难 于确定，因此，其影响一般在综合因素中反映。
3 岩体各向异性变形
①岩体力学性质具有各向异性， 变形、破坏机制、强度特征 不同。 ②工程布置要考虑如何扬长避 短，充分发挥岩体自身强度， 维持工程稳定性。
§4-4 岩体质量评价及其分类
岩体分类是对影响岩体稳定性和影响工程设计、施工和
维护的各种因素建立一些评价指标，对工程辖区岩体进行评 价，划分出不同的的级别或类别。 分类的目的：为岩体工程建设的勘察、设计、施工和编 制定额提供必要的基本依据。 按分类目的，可分为综合性和专题性两种；按其所涉及 的因素多少，可分为单因素分类法和多因素分类法两种。
157cm(如图所示)，
则岩芯采取率：
200/250=80%
RQD=157/250=63% 岩体分类为：Ⅲ类、中等岩体
5、 以弹性波速度分类
6、宾尼奥夫斯基节理岩体地质力学分类（ RMR分级系统） 宾尼奥夫斯基（ Bieniawski，1976)提出的分类指标 RMR(Rock Mass Rating)，由下列6种指标组成： （1）岩块强度(R1) （2）RQD值(R2)
E
a b
2 岩体剪切变形特征
①在屈服点前，变形曲线与抗压 变形相似，上凹型。 ②屈服点后，某个结构面或结构 体首先剪坏，随之出现一次应 力下降。峰值前可能发现多次 应力升降。升降程度与结构面 或结构体强度有关，岩体越破 碎，应力降反而不明显。 ③当应力增加到一定应力水平时， 岩体剪切变形已积累到一定程 度，没剪破的部位以瞬间破坏 方式出现，并伴有一次大的应 力降。 ④随后产生稳定滑移
1 3 m c 3 s
2 c
式中:σ c——完整岩石单轴抗压强度； σ3——作用在岩石试样上的最小主应力； m，s——为与岩性及结构面情况有关的常数，可查表；
§4-3 岩体的变形特性
1 岩体的单轴和三轴压缩变形特征 （1）岩体应力－应变全过程曲线
①在加载过程，结构面压密与闭合，应 力－应变曲线，呈上凹型。 ②中途卸载有弹性后效现象和不可恢复 残余变形。这是结构面闭合、滑移、 错动造成的。 ③完全卸载，再加载形成形式上的“开 环型”曲线，这也是弹性后效造成的。 ④峰值强度后，岩体开始破坏，应力下 降较缓慢，仍有残余应力，这是岩体 结构效应。
缺点：未考虑岩体的完整性、岩体结构特征对稳定性影响， 故不能准确评价岩体的稳定性。
2、岩石单轴抗压强度分类
我国工程界按岩石单轴抗压强度将岩体分为四类：
类别 岩石单轴抗压强度 σc(Mpa) 250~160 160~100 100~40 坚固性
Ⅰ Ⅱ Ⅲ
特坚固 坚固 次坚固
Ⅳ
<40
软岩
3、按岩体完整性系数Kv（龟裂系数）分类
RQD J r J w Q J n J a SRF
式中：RQD——岩石质量指标；Jn——节理组数评分；Jr——节理面粗糙度评分； Jw——按裂隙水条件评分；Ja——节理蚀变程度评分；SRF——按地应力影响 评分（应力折减系数）。Q反映了岩体质量的三个方面：
逆倾向掘进
节理走向平行于 隧道轴线
倾角
00～200
2 0 0 ～ 4 5 0 4 5 0 ～ 9 0 0 2 0 0 ～ 4 5 0 4 5 0 ～ 9 0 0 2 0 0 ～ 4 5 0 不考虑走 向
很有利
有利
一般
不利
很不利
一般
一般
根据总分确定岩体分级
RMR R1 R2 R3 R4 R5 R6
评分值 15 12
2~4 1~2
不采用
不采用 不采用
50~100 25 ~ 50 5 ~ 25 1~5 <1
7 4 2 1 0
（2）对应于岩芯质量指标的岩体评分值R2
RQD（％） 91～100 76~90 51~75 26~50 <25
评分值
20
17
13
8
3
（3）对应于最有影响的节理组间距的岩体评分值R3
>400
300~400
200~300
100~200
<100
>450
350~450
250~350
150~250
<150
该分类法已得到比较广泛的应用。
7、巴顿岩体质量（Q）分类
挪威巴顿（Barton）等人于1974年根据隧道工程的调查， 提出一个用6个参数表达的岩体质量指标Q，作为岩体质量分类 的依据。
二、几种有代表性的工程岩体分类方法
1、普氏分类法
以岩石试件的单轴抗压强度作为分类依据，根据普氏
坚固性系数 f 将岩石分为十级。 f 值越大，岩体越稳定。
Rc f 10
式中：Rc——岩石单轴抗压强度，Mpa f ≥20 为1级，最坚固； f ≤0.3为第10级，最软弱。
优点：形式简单，使用方便。
片状互相紧密叠合。 完整性系数：层状 结构面间距：层状 0.3～0.6; 薄层状 <0.4 <0.25 m 0.25～0.5 m ；薄层状
岩土工程特征：工程范围内，一组节理明显发育，在层内具 有均一的地质特征与力学特性，属各向异性、层内均质的连 续介质。其变形和强度特征受层面及岩层组合控制，岩体稳 定性较差。