第3章岩体动力学性质
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。
岩体力学性质
强度性质
强度性质
岩体在各种压力状态下所能承受的最大应力，称为岩体的强度。它可分为单轴抗压强度、单轴抗拉强度、三 轴抗压强度以及剪切强度等。单轴抗压强度是岩体在单向压缩时所能承受的最大压应力。岩体的单轴抗压强度总 是低于岩块的单轴抗压强度。二者的比值变化较大，通常为0.05～0.65。单轴抗拉强度是岩体或接近于零。岩体在三向受压状态下所能承 受的最大压应力，称为岩体三轴抗压强度。原位岩体三轴压缩试验的开展，有益于更好地评价岩体的各向异性。 岩体内任一方向切面在任一法向压应力下所能抵抗的最大剪应力，称为岩体该方向切面在该法向应力下的剪切强 度。它可分为剪断强度、重剪强度和抗切强度。剪断强度是岩体中先前没有破坏的面在任一法向应力下能抵抗的 最大剪应力。剪切面上法向应力等于零时的剪断强度，称为抗切强度。岩体中先前存在的破坏面在任一法向压应 力下能抵抗的最大剪应力，称为重剪强度。岩体剪切强度的大小，通常用库仑强度参数，即内聚力和内摩擦角的 大小来说明。岩体的剪切强度远小于岩块的剪切强度。岩体重剪强度的内聚力值一般在0～0.3兆帕，内摩擦角多 为10°～48°。岩体剪断强度的内聚力值一般在0.05～4兆帕,内摩擦角多为20°～55°。岩体剪切强度具有各向 异性。沉积岩体的各向异性最为显著，火成岩体的各向异性表现不明显，变质岩体的各向异性则介于沉积岩体和 火成岩体之间。
岩体力学性质
岩体在受力状态下抵抗变形和破坏的能力
01 变形表征
03 力学性质
目录
02 强度性质
基本信息
岩体力学性质是指岩体在受力状态下抵抗变形和破坏的能力。它包括变形性质和强度性质两个方面。岩体的 力学性质，是设计一切大型岩体工程的重要依据。
变形表征
变形表征
岩体变形性质的物理量主要是变形模量、弹性模量和泊松比等。具有弹性和非弹性性能的岩体在加荷时应力 与应变的比值，称为变形模量。岩体在弹性变形阶段内，应力与应变的比值，称为弹性模量或杨氏模量。轴向加 荷的岩体试件的侧向应变与轴向应变的比的负值，称为泊松比。岩体的变形模量值普遍低于岩块的变形模量值， 两者的比值一般为0.2～0.6。岩体变形模量与其弹性模量的比值，也多为0.2～0.6。岩体的变形性质普遍具有各 向异性，不同方向的模量值不相同，在有些情况下，高达1∶10,通常为1∶2。此外，岩体变形模量与弹性模量的 比值，也常常随着方向不同而变化。
第三章 岩体的动力学性质
3.当岩石种类 不同，纵波波 速不同。但基 本规律相同， 即在低应力区 纵波波速增长 很快，随着应 力的增大，增 长减慢，趋于 常值。如图3 －18所示
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第三节 岩体的其它动力学特性
一、用弹性波速度求岩体的泊松比
岩石的泊松比可以通过在加压过程中，量 测纵向应变 1 和横向应变 2 而获得。
图3－10表示了纵波波 速与吸水率之间的关 系。
从图中可以看出：
2.随着吸水率的 增加，纵波波速 急剧的下降
四、岩体波速与各向异性性质有关
岩体因成岩条件、结构面和地应力等 原因而具有各向异性，因而弹性波在岩体 中的传播、岩体动弹性模量等也具有各向 异性。表3－6看出：
1.平行层面纵波波速大于垂直层面波速
第二节
影响岩体波速的因素 （5方面因素）
一、岩体弹性波速与岩体种类、岩石密度和 生成年代有关 1.岩石的密度和完整性越高，波速越大 2.岩石密度越大，弹性波的速度也相应增加 表3－1表示了各类岩石的弹性波速与岩石种 类之间的关系。 图3－5从实例统计的角度，表示了各类岩 石的弹性波速及密度之间的关系。
图3-7
2. 裂隙数目越多，则纵波速度愈小
3.岩体的风化程度愈高弹性波的速度亦小
4.夹层厚度愈大弹性波纵波速度愈
三、岩体波速与岩体的有效孔隙率n及吸水 率 W 有关
f
一些岩浆岩，沉积 岩和变质岩的纵 波速度与有效孔 隙率n之间的关系 见图3－9所示。 从图中可以看出：
1.随着有效孔隙率的增 加，纵波波速则急剧下 降
1.在巷道壁钻孔 测试声波速度
在松动区内，由 于岩体破碎且是 低应力区，因而 波速较小；高应 力区，岩体完整， 波速达到最大； 原岩应力区，波 速正常。根据波 速沿测孔深度的 变化曲线，确定 这三个区的范围。
第五讲 岩体的力学特性
（3-16）
• 岩芯钻取与RQD值的计算实例
学生课堂计算：答案？
3.
岩体地质力学分类法（RMR法）：由南非科学和工业研究 委员会（CSIR）提出，RMR分类法包括：岩块强度、RQD 值、节理间距、节理条件及地下水五个指标组成，见表3-6。 （对照表3-6具体讲解） – 通过表3-6得到基本得分值。 – （由于岩体节理对岩体质量的重要影响）后来对表3-6 进行了修正。即先根据表3-8中的节理产状得到对隧道 开挖的影响程度。 – 再根据影响程度参照表3-7给出修正评分值。 – 将表3-7中的修正评分值与表3-6的基本得分值相加，得 到修正后的得分值。 – 最后，根据修正后的得分值从表3-9中得到岩体的类级。 需要指出的是： 1.从顺序上，表3-7应该编排在表3-8的后面，便于教学。 2.在表3-8中，是专门针对隧道工程而言的；而对于表3-7 中涉及的地基和边坡问题，本书则没有介绍节理产状的影 响程度。
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。
σn
ξ δ max δn
• 法向变形刚度（Kn）：结构面法向变形的能 力，反映结构面产生单位法向变形的法向应 力梯度，见图3-10所示 。
K n 0 max n K n K n0 K n 0 max
2
（3-8）
Bandis等人（1984）通过大量的实验也给出了：法向 应力和法向变形之间的关系式如下（为双曲线型关系 式）：
岩体的动力学性质.
岩体的动力学性质岩体的动力学性质是岩体在动荷载作用下所表现出来的性质，包括岩体中弹性波的传播规律及岩体动力变形与强度性质。
一、岩体中弹性波的传播规律1、弹性波在介质中的传播速度仅与介质密度ρ及其动力变形参数Ed ，μd有关。
因此可以通过测定岩体中的弹性波速来确定岩体的动力变形参数。
2、影响弹性波在岩体中的传播速度的因素:（1）岩性：不同岩性岩体中弹性波速度不同，岩体愈致密坚硬，波速愈大，反之，则愈小。
（2）结构面：沿结构面传播的速度大于垂直结构面传播的速度。
（3）应力：在压应力作用下，波速随应力增加而增加，波幅衰减少；反之，在拉应力作用下，则波速降低，衰减增大。
（4）含水量：随岩体中含水量的增加导致弹性波速增加。
（5）温度：岩体处于正温时，波速随温度增高而降低，处于负温时则相反。
二、岩体中弹性波速度的测定可以采用地震法、声波法来测试弹性波速，下面就介绍常用的声波法。
声波法测试步骤：（1）选择代表性测线，布置测点和安装声波仪，见下图。
（2）发生正弦脉冲，向岩体内发射声波。
声波法测弹性波原理图1.发射换能器；2.接收换能器；3.放大器；4.声波发射仪；5.计时装置（3）记录纵、横波在岩体中传播的时间。
（4）根据下面的公式计算波速。
三、岩体的动力变形与强度参数1、动力变形参数动力变形参数有：动弹性模量和动泊松比及动剪切模量。
可通过声波测试确定。
优点：不扰动被测岩体的天然结构和应力状态；测定方法简便，省时省力；能在岩体中各个部位广泛进行。
计算公式：岩体与岩块的动弹性模量都普遍大于静弹性模量。
坚硬完整岩体E d/E me约为1.2～2.0 ，风化、裂隙发育的岩体和软弱岩体E d/E me约为1.5～10.0左右，大者可超过20.0。
原因如下：①静力法采用的最大应力大部分在1.0～10.0MPa，少数则更大，变形量常以mm计，而动力法的作用应力约为10-4MPa量级，引起的变形量很微小。
因此静力法会测得较大的不可逆变形，而动力法则测不到这种变形。
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。
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。
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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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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)
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3
§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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岩石力学复习重点资料
岩石力学复习重点资料岩石力学复习重点第一章、绪论1.岩石材料的特殊性：岩石材料不同于一般的人工制造的固体材料，岩石经历了漫长的地质构造作用，内部产生了很大的压应力，具有各种规模的不连续面和孔洞，而且还可能含有液相和气相，岩石远不是均匀的、各向同性的弹性连续体。
2.岩石与岩体的区别：（1）岩石：是组成地壳的基本物质，他是由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律凝聚而成的自然地质体。
（2）岩体：是指一定工程范围内的自然地质体，他经历了漫长的自然历史过程，经受了各种地质作用，并在地应力的长期作用下，在其内部保留了各种永久变形和各种各样的地质构造形迹如不整合褶皱断层层理节理劈理等不连续面。
重要区别就是岩体包含若干不连续面。
起决定作用的是岩体强度，而不是岩石强度。
3.岩体结构的两个基本要素：结构面和结构体。
结构面即岩体内具有一定方向、延展较大、厚度较小的面状地质界面，包括物质的分界面与不连续面。
被结构面分割而形成的岩块，四周均被结构面所包围，这种由不同产状的结构面组合切割而形成的单元体称为结构体。
第二章岩石的物理力学性质1.名词解释：孔隙比：孔隙的体积（Vv）与岩石固体的体积的比值。
孔隙率：是指岩石试样中孔隙体积与岩石总体积的百分比。
吸水率：干燥岩石试样在一个大气压和室温条件下吸入水的重量与岩石干重量之比的百分率。
其大小取决于岩石中孔隙数量多少盒细微裂隙的连通情况。
膨胀性：是指岩石浸水后体积增大的性质。
崩解性：岩石与水相互作用时失去粘结力，完全丧失强度时的松散物质的性质。
扩容：岩石在压缩载荷作用下，当外力继续增加时，岩石试件的体积不是减小，而是大幅度增加的现象。
蠕变：应力恒定，变形随时间发展。
松弛：应变恒定，应力随时间减少。
弹性后效：在卸载过程中弹性应变滞后于应力的现象。
长期强度：当岩石承受超过某一临界应力时，其蠕变向不稳定蠕变发展，当小于该临界值时，其蠕变向稳定蠕变发展，称该临界值为岩石的长期强度。
2.岩石反复冻融后强度下降的原因：①构成岩石的各种矿物的膨胀系数不同，当温度变化时由于矿物的涨缩不均而导致岩石结构的破坏；②当温度减低到0℃以下时岩石孔隙中的水将结冰，其体积增大约9%，会产生很大的膨胀压力，使岩石的结构发生改变，直至破坏。
岩体力学
惯性力不可忽略的状态属于岩体动力学研究范畴， 惯性力不可忽略的状态属于岩体动力学研究范畴， 低应变率的静态为岩体静力学研究范畴， 低应变率的静态为岩体静力学研究范畴，而极低应变 率的蠕变状态则是岩体流变力学研究的内容。因此， 率的蠕变状态则是岩体流变力学研究的内容。因此， 区别岩体静力学和动力学只是在于岩体应变率的大小， 区别岩体静力学和动力学只是在于岩体应变率的大小， 静力学的研究对象并非处于静止状态， 静力学的研究对象并非处于静止状态，只是处于低应 变率状态，确切地讲是处于准静态。 变率状态，确切地讲是处于准静态。
拉梅运动方程 (不计体力)
由上方程导出纵波在各向同性岩体中的传播速度：
λ + 2G d 1 C = Vp = ( )2 ρ
横波在各向同性岩体中的传播速度：
Vs = (
Gd
ρ
)
1 2
Ed µd Ed 将 λ = ，G = 代入 (1 + µ d )(1 − 2 µ d ) 1+ µd
上两式，得：
E d (1 − µ d ) ] Vp = [ ρ (1 + µ d )(1 − 2 µ d )
3.1 简谐振动 (谐振动 谐振动) 谐振动
物体振动时，如果离开平衡位置的位移 物体振动时，如果离开平衡位置的位移x (或角位移θ ) 随时间 的变化可表示为余弦 或角位移 随时间t 或者正弦函数，则该振动称简谐振动，简称 或者正弦函数，则该振动称简谐振动， 简谐振动。 简谐振动。
3.1.1 弹簧振子的振动
一、固体中应力波的种类
1. 分类：(4类） • 弹性波: 在应力应变关系服从虎克定律的介 弹性波: 质中传播的波。
• 粘弹性波 在非线性弹性体中传播的波，这种 粘弹性波: 波，除弹性变形产生的弹性应力外，还产生又 摩擦应力或粘滞应力。 • 塑性波 应力超过弹性极限的波。 塑性波:
岩体力学-岩体的力学特性.PPT
Xe变化在0－1之间变化； Xe值愈大说明结构面的连续 性愈好； 当Xe=1时，结构面完全贯通。 当Xe=0时，岩体完整。
9
迹长：在岩体中沿结构面延展 迹线的长度。
岩体按切割度Xe的分类表 用结构面的迹长来描述和评 价结构面的连续性，并制订 了相应的分级标准 名称 切割度Xe
国际岩石力学学会(ISRM，1978)建议
III 级
IV 级
划分II类岩体结构 的基本依据 是岩体力学性质和 结构效应基础 坚硬结构面 破坏岩体的完整性， 与其他结构面形成 不同类型边坡破坏 方式。 16
结构面分级-4
级序 分级依据 地质类型 力学属性 影响岩体稳定性
分布随机，降低岩 块强度，是岩块力 学性质效应基础。 硬性结构面 若十分密集，又因 风化，形成松散介 质。
1.结构体的相对大小 2.结构体的块度 3.结构体的形状 板状结构体，柱状结构体，锥状结构体
19
2.2 岩体静力学特性：
包括剪切变形和抗剪强度，以及法向变形;以剪切试验为研 究手段。 不连续面在剪切试验，包括室内剪切试验和现场剪切试验， 试验装置和简图 填充物对结构面抗剪强度的影响 1 夹层厚度：随着厚度的增加迅速降低，与法向应力的 大小有关 2 矿物颗粒：随着颗粒直径增大而增大，超过30mm，变 化不大 3 含水量：含水量增大导致抗剪强度大幅度降低
K=n/L ， d’ =1/K=L/n 线密度Kd：若取样线垂直结构面，则裂隙度被称为线密度。 间距d：同一组结构面法线方向上结构面平均距离。 Kd=n/L ， d =1/Kd=L/n
11
多组结构面裂隙度K的计算： Ka=1/max =cosξa/da Kb=1/mbx =ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱosξb/db · · · · · · ， Kn=1/mnx =cosξn/dn K=Ka+Kb+· · · +Kn
岩体力学性质
3）对应于节理组间距的岩石评分值R3
节理间距评分值R3 节理间距/cm ≥200 60~200 20~60 6~20 ＜6
R3 评分值
20
15
10
8
5
2012-03-30
2012-03-30
5
5）与地下水状态相关的岩体评分值R5
2012-03-30
@ 1973，南非科学和工业委员会（CSIR)
5
∑ 毕昂斯基(Bieniaski)提出RMR计算式 RMR = Ri i =1 6
试件模型： 12mm×12mm×36mm 的块体单元
x＝1表示贯通， x＝0为完整 试件， x为分离度
2.3 岩体的变形特征
2.3.3 岩体各向导性变形
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。
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挪威岩土工程研究所（Norwegian Geotechnical
Insti岩t体ut的e完)整（性 NGI)
结构面的形态、充填物 特征及其次生变化程度
水与其他应力存在时对 岩体质量的影响
Q = RQD Jn
Jr Jw J a SRF
式中：RQD-岩石质量指标，Jn-节理组数，Jr-节理粗糙系数， Ja-节理蚀变系数， Jw-节理水折减系数，SRF-应力折减系数
非常好
0.8~0.6 Ⅱ 好
0.6~0.4 Ⅲ 较好
0.4~0.2 Ⅳ 不好
0.2~0 Ⅴ
非常不好
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4
② 中科院地质所根据岩体结构的分类，列出了 弹性波在各类提出了日本铁路隧道围岩分类；
先将岩质分6类,再根据弹性波在岩体中的速度,将围岩分为7类
岩体力学性质PPT课件
构造结构面
由构造运动形成的破裂面 或断裂面，如断层、节理 、劈理等。
次生结构面
由外动力地质作用形成的 结构面，如风化裂隙、卸 荷裂隙等。
结构面对岩体强度影响
降低岩体强度
结构面的存在使得岩体的连续性 受到破坏，导致岩体强度降低。
控制破坏形式
结构面的产状、规模和组合关系对 岩体的破坏形式起着控制作用。
压缩强度
岩石在单向或三向受压条 件下破坏时的最大压应力
。
压缩变形
岩石在压力作用下产生的 变形，包括弹性变形和塑
性变形。
压缩模量
岩石在单向压缩条件下的 应力-应变关系中的比例常
数。
岩石拉伸性质
拉伸强度
岩石在拉伸条件下破坏时的最大拉应力。
拉伸变形
岩石在拉力作用下产生的变形，主要表现 为弹性变形。
拉伸模量
孔隙度
指岩石中孔隙体积与总体积之比，以 百分数表示。孔隙度反映了岩石的储 集能力和渗透性能。
岩石硬度与强度
岩石硬度
指岩石抵抗刻划、压入和研磨的能力，常用摩氏硬度计进行 测定。硬度与矿物成分、结构和构造等因素密切相关。
岩石强度
指岩石在受力作用下抵抗破坏的能力，包括抗压强度、抗拉 强度和抗剪强度等。强度受岩石成分、结构、构造和应力状 态等因素影响。
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THANKS
室内试验法
单轴压缩试验
对规则试件施加单轴压力，测定 其抗压强度、变形和破坏特征。
三轴压缩试验
在三向应力状态下对试件施加压 力，研究岩石在三向应力下的力
学性质。
剪切试验
对试件施加剪切力，测定其抗剪 强度和剪切变形特性。
第三章岩石动力学基础
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山东科技大学
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➢ 四、各向异性对波速影响
平行于层面的波速 VP
垂直于层面的波速 VP
波速段各向异性系数 VP /VP 1.67
见表3-6 表3-7 表3-8
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岩石
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（3-4）
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➢ 三、岩体弹性波速的测定
（一）室内
图3-2 横波检验方法
图3-3 现场实测
（二）现场 自学
（三）岩体弹性波测定结果
1．声波 见表3－1 见表3－2
1）变化大 1300～7500 m/s（纵波）。
2）数量级 103 m/s。
3）岩块 Vp＞岩体。 4）新鲜岩体Vp大。
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✓ 在动载荷作用下，固体介质中各个微元全处于随时间变化 的动态过程中，载荷可在极短时间间隔（ms、纳秒级）内 达到很高数值（1010、1011、甚至1012秒-1量级），应变量 高达102～107秒-1量级。微元的惯性和载荷同等重要，应力 和应变等扰动以有限速度传播，当应力波到达材料的界面 时发生反射和透射现象。随后在材料中发生入射波和反射 波间复杂的相互作用。介质的运动过程就是应力波传播， 反射和相互作用的过程，这个过程的特点主要取决于材料
纵波速度 （m/s）
6700 6200
5200~6700
范围(一般)
3000~6500 4400~5100
范围(一般)
3000~7500 4500~6000
岩体力学 第三章 岩体力学性质.
1、产状受岩体与围岩接触面控制，随侵入岩体或岩脉的形态而异；
原生结
流层、流线、火山岩 2、流层、流线在新鲜岩体中不易剥开，但经风化后易剥离或脱落，接触面延伸较远，原生节理延续性不强，但往往密集；
构面
火成结构面
流接触面、蚀变带、 3、冷凝原生节理常常是平行或垂直接触面的，为平缓或高倾角张裂面，较不平整，且粗糙。在浅成岩体及火山岩岩体内常发育 挤压破碎带、原生节 有特殊的节理及柱状节理；
Ⅱ、Ⅲ级结构面控制着工程岩体力学作用的边界条件和破坏方式，它们的组合 往往构成可能滑移岩体的边界面，直接威胁工程安全稳定性。
Ⅳ级延伸性较差的节理、层面、次生裂隙、小断层及较发育的片理、劈理等。 长度一般数十厘米~二、三十米。破碎带宽度近于0~数厘米。是构成岩块的边 界面。数量多，分布具随机性，破坏了岩体的完整性，影响岩体的物理力学性 质及应力分布状态，是岩体分类和岩体结构研究的基础，也是结构面统计分析 和模拟的对象。
•结构面是岩体渗透水流的主要通道。在工程荷载作 用下，结构面的变形将极大地改变岩体的渗透性、应 力分布及其强度。因此，预测工程荷载作用下岩体渗 透性的变化，必须研究结构面的变形性质及其本构关 系。
•工程荷载作用下，岩体中应力分布受结构面及其力 学性质的影响。
一、结构面 （一）结构面的成因类型
1、地质成因类型 原生结构面 构造结构面 次生结构面 2、力学成因类型 张性结构面 剪性结构面
层面、软弱夹层等结构面较为平整； 不整合面及沉积间断面多由碎屑泥质 物构成，且不平整
工程地质评价
国内外较大的坝基滑动及滑坡很多由此类结 构面所造成的，如奥斯汀、圣·弗朗西斯、 马尔帕塞坝的破坏，瓦依昂水库附近的巨大 滑坡
接触面延伸较远， 比较稳定，而原生 节理往往短小密集
第三章 岩体的动力学性质
ρ
∂ 2θ ∂t 2
= (λ + 2Gd )∇2θ
（3-2）
上式即为体积应变的波动方程。为表示弹性体膨胀、收缩状 态的物理量。
在岩体中取一点作为波的振源，则θ随时间t的变化规律 为正弦函数，即
θ = θ0sin ωt
（3-3）
式中 θ0 ——初振幅； ω ——角频率。
第二节 岩体中应力波类型及传播
因为振动是由振源向四周传播，假定岩 体是各向同性， 且只考虑x方向传播，故 距振源为x点的θ为
tp
−
t0
⎪⎪ ⎬
vs =
L ts − t0
⎪ ⎪⎭
（3-13）
第二节 岩体中应力波类型及传播
式中：L——发射、接收换能器中心间的距离（m）；
t p ——纵波在试件中行走的时间（s） t s ——横波在试件中行走的时间（s） t0 ——仪器系统的零延时（s）
第3章 岩体的力学性质
采用小量药包爆炸激发地震波，在距震源一定距离设置检波器，
(1 d )(1 2d ) Ed v 1 d
2 p
d
2 v2 2 v p s 2 2(v 2 v p s )
式中：vp,,vs ---- 分别为纵波波速和横波波速，
ρ ---- 为岩体密度。
一般而言：Ed> Ee
岩体中有多组节理时
da db dn nax , nb x ,......nn x cos a cos b cos n
K K 1 K 2 ... K n
岩体的切割度 Xe 岩体的切割度是指岩体被切割分离的程度 切割度：等于某节理的岩体中的面积除以该方向岩体截面积 a Xe A 当一贯通整体的假想截面方向多个节理时 a1 a 2 ... a n Xe
η
j ntg j
ζ
未贯通或胶结结构面
j cj ntg j
η
ζ
②粗糙结构面 剪胀的概念 剪胀角的概念
d n tg d t
剪胀角的几何含义
δn δt
JCS ntg [ JRC (lg ) b] n
JRC的确定 结构面分形曲线的测定 目测确定 p b 计算确定 JRC JCS lg
Q cos F
T
⑶ 岩体三轴压缩强度试验 试验方法 试验数据处理： 不同围压 不同轴向压力强度
结构体的形状
1、板状结构体：
2、柱状结构体：
3、锥形结构体： 结构体的形状与岩石类型有关；与区域构造运动强度 有关；与工程围岩的破坏方式有关。
3.2.4 岩体结构对于工程的相对性
之所以要研究岩体结构，是因为人类要在岩体内部或上方作 工程 工程尺寸不同，岩体结构对其稳定性影响也不同 同一岩体，在其内部开挖隧道或钻孔，稳定性不同
岩体的力学性质包括岩体的变形性质
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，动力法得到。
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Em（Mpa）和弹性模量Eme（Mpa）。
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，We—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（Em）：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（Eme）：岩体在无侧限受压条件下的应力与弹性应变之比值。
2．钻孔变形法钻孔膨胀计利用厚壁筒理论（弹性力学）得：式中：d为钻孔孔隙（cm）；P为计算压力（Mpa）；u为法向变形（cm）。
与承压板比较其优点：①对岩体扰动小；②可以在地下水位以下笔相当深的部位进行；③试验方向不受限制；④可以测出几个方向的变形，便于研究岩体的各向异性。
缺点：涉及岩体体积小，代表性受局限。
3．狭缝法（狭缝扁千斤顶法）水平的，也可以是垂直的。
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。
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2）、岩体中裂隙或夹层
a.风化越 严重，纵 波速度越 小； b.夹层厚 度风化 微-弱风化 弱风化
夹层厚度比 0 25 49 56
纵波速度 4800 4100 3050
纵波波速 5870 5230 4950 4540
3）、波速与有效孔隙率
随着孔隙率的增 加，纵波波速急剧 减小；
3.岩体弹性波速测试 （1）岩块声波波速测试
v pr
L tp t0
L t p
vsr
ts
L t0
L ts
3.2 岩体中应力波类型及传播
3.岩体弹性波速测试 （2）岩体声波波速测试
v pm
L tp t0
L t p
vsm
ts
L t0
L ts
常见完整岩块相关参数
常见岩体相关参数
3.2 岩体中应力波类型及传播
勒夫波—L波（Love Wave）
A Love wave is a surface wave having a horizontal motion that is transverse (or perpendicular) to the direction the wave is traveling.
1、岩体纵波速度总 体呈正态分布； 2、新生代第三纪砂 岩、泥岩，纵波速度 分布较广； 3、变质岩的纵波速 度比岩浆岩和古生代 及中生代沉积岩稍大。
纵波与密度
p 0.35 1.88 p
2）、岩体中裂隙或夹层
频率越 低，跨越裂 隙宽度越大。
2）、岩体中裂隙或夹层
弹性 波速与裂 隙数目负 相关
在松动圈内，用于岩体破碎且属于低应 力区，波速较小，当进入松动圈边界完整岩 体区域，应力较高，波速达到最大，之后波 速又逐渐减小至一定值。故松动圈边界在波 速最大值深度附近。
弹性波确定围岩松动圈范围
弹性波确定围岩松动圈范围
2G
E 1
VP 1 1 2
介质密度
VS
G
E
21
E 动弹模量
泊松比
应用实例
已知P波、S波波速和介质密度，求解动弹模 量、动泊松比和动剪切模量。
根据p 2(1 )，求解； s 1 2
根据代入p或s式求解E；
代入G E 求解G。
2(1 )
3.2 岩体中应力波类型及传播
A Rayleigh wave is a seismic surface wave causing the ground to shake in an elliptical motion, with no transverse, or perpendicular motion.
Rayleigh波是质点在与传播方向平行的平面内做椭圆 运动的波，椭圆长轴垂直地面
n beap
3）、波速与吸水率
随着吸水率的增 加，纵波波速急剧 减小；
4）岩体的各项异性
平行层 里面方向 波速大于 垂直方向， 二者比值 为各向异 性系数。
4）岩体的各项异性
平行层里面方向波速大于垂直方向
4）岩体的各项异性
垂直岩层压力越大，各向异性变小
5）岩体所受压力
5）岩体所受压力
弹性波确定围岩松动圈范围
3 岩体动力学、静力学、流变力学划分
荷载状态
蠕变 静态
应变率 （1/s）
<10-5
10-5~10-1
试验方式
动静态 区别
蠕流变变试验力机 学范畴 惯性力
静力学范畴 普通试验机和刚性伺服试验机 可忽略
准动态 动态 超动态
10-1~101 101~104
>104
气动快速加载机
动力学范畴 霍布金逊赶及其变形装置
惯性力 不可忽略
轻气炮，平面波发生器
3.2 岩体中应力波类型及传播
1.应力波类型
粘弹性波
体波
分
弹性波
类
塑性波
面波
冲击波
纵波，P波 横波，S波
瑞利波，R波 勒夫波，L波
纵波—P波
振动方向与传播方向相同，产生压缩和拉伸变形
横波—S波
振动方向与传播方向垂直，产生剪切变形
瑞利波—R波（Rayleigh Wave）
LOVE波只在与传播方向垂直的方向水平振动。
其他分类
1、弹性波若质点做简谐振动为正弦波， 根据频率又分为:
次声波（<20Hz）;声波（20~2×104Hz） 超声波（>2×104Hz）;特超声波（>1010Hz）
2、按波面形状，分为平面波、柱面波和 球面波。
3.2 岩体中应力波类型及传播
2.岩体中弹性波的传播
4.动、静弹模关系 利用岩块与岩体的纵波速度计算岩体完整性系数
Kv，用动弹性模量换算静弹性模量。
E jE KV
vmp vrp
2
me
d
3.3 影响岩体弹性波速度的因素
➢岩石种类、密度及生成年代 ➢岩石中裂隙或夹层 ➢岩石的有效孔隙率及吸水率 ➢岩体的各向异性 ➢岩体应力状态
1）、岩石种类、 密度及生成年代
3 岩体的动力学性质
3.1 概 述
1. 问题的提出
➢ 冲击凿岩时岩体的破裂特征 ➢ 地震及爆破下地下工程的稳定型问题 ➢ 道路路基的动荷载 ➢ 振动桩与岩土体相互作用问题
3.1 概 述
2 研究内容
研 岩体本身动力特性研究
相
究
互
内
岩体在各种动载下的应力、
影
容 应变、位移及破坏特征
响
3.1 概 述