岩石力学课件第三章 岩体力学性质

狭缝法、
1）承压板法
选具有代表性的试验地点
清除浮石，平整岩面
逐级一次循环法加压
岩体变形模量Em和弹性模量Eme公式：
Em ?
pD (1 ?
?
2 m
)?
?
(MPa)
E me ?
pD
(1
?
?
2 m
)?
?e
(MPa)
(J. Boussineq)
p－承受板单位面积上的压力 (MPa) ；
D－承压板直径或边长 (cm) ；
2
Kn
δ n0 max ? σn Kn0δmax
????
（Goodman,1974 ）
Kn0－结构面的初始刚度
Kn－法向变形刚度
趋势：σn ↑ ，Kn ↑
? 当荷载去除时，将引起明显的后滞和非弹 性效应。
2. 闭合变形量计算 ：
Goodman方法：
（1）基本假设
①节理无抗拉强度 ② 极限闭合量δ max ＜e（节理的厚度）
? 、 ? e－相应于p下的岩体总变形和弹性变形
（cm）；
ω－与承压板形状与刚度有关的系数，对圆形 板＝0.785；方形板＝0.886；
μm－岩体的泊松比。
2）钻孔变形法
岩体的变形模量（Em）
计算公式：
Em
?
dp (1 ? U
?m)
U－径向变形
μm－岩体的泊松比;
优点（相对于承压板法来说） ：
? 对岩体扰动较小； ? 可在地下水位以下和相当深的部位进行；
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 )
§3.2岩体结构的基本类型 （地质学、复习、了解）
§3.3岩体中的结构面及自然特征
§3.3.1结构面类型（自学、了解、提问）
火成结构面
原生结构面 沉积结构面
变质结构面
成因及类型
（2）状态方程
? n ? ? 0 ? A(
?n
)t
?0
? m ax ? ? n
? 0 －原始应力，由测量时的初始条件决定；
δn, δmax－结构面闭合量，最大闭合量; A, t－回归参数，与结构面几何特征、岩石力学性质有关。
（二）节理的切向变形
通常有两种形式：A）粗糙（或非充填）结构面剪切 变形曲线；B）平坦（或有充填物）的结构面
?? Kt ? ??t
区别及原因 见下页力学模型
法向力不足够大 沿凸台斜面滑动 剪胀（或扩容）
法向力足够大 沿凸台剪断 不产生明显剪胀
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
（三）抗剪强度 服从库仑准则: ? ? c ? ? tg?
i
影响抗剪强度的三个基本因素：
? 法向力 σn ? 粗糙度 JRC ? 结构面强度 JCS
疏节理 密节理 很密节理
K=100~1000/m 糜棱节理
b.两组节理
K
?
K1
?
K2
?
1 ma
?
1 mb
?
cos ?a
da
?
cos ?b
db
ma: 沿取样线节理平均间距;
da: 节理垂直间距；
c.多组节理
n cos?
? K ?
i
d i?1
i
两组节理的裂隙度计算图
（2）切割度 Xe：节理在岩体内的贯通程度。
第三章 岩体的力学性质
主要内容
? 第一节 ? 第二节 ? 第三节 ? 第四节 ? 第五节 ? 第六节 ? 第七节 ? 第八节
概述 岩体结构的基本类型 岩体的结构面及其自然特征 结构面的力学性质 岩体的变形性质 岩体的强度特性 岩体的水力学性质 岩体质量评价及其分类
§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
假设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a； 则切割度为
Xe ?
a A
多处不连续切割叠加：
n
a ? ? ai i?1
变形 法向变形
§3.4 结构面的力学性质 性质 切向变形
(一）法向变形
强度性质
1.变形特性
? 在法向荷载作用下，结构面间隙呈非线性减 小，应力与法向变形呈指数关系。 (原因）
? 试验方向基本不受限制，试验压力大；
? 可以同时测量几个方向的变形，便于研究 各向异性；
缺点：涉及的岩体体积小，代表性差。
厚壁圆筒理论
3）狭缝法：
Em
?
pl 2?
??1?
? m ?t?an?1
?
tan?2 ??
?1?
? m ?s?in2?1
? sin2?2??
断层
构造结构面 节理
劈理
次生结构面
§3.3.2结构面的自然特征
薄膜充填（2mm以下）
有充填 断续充填
1. 充填胶结特征
连续充填
厚层充填（数十厘米至数米）
无充填
2. 几何形态特征
凹凸度
（量化指标）
起伏度 （起伏角i)
粗糙度 (五级）
平直型 波浪型 锯齿型 台阶型
3. 空间分布特征
产状（即方位）及其变化 延展性 密集程度 组合关系
设取样线长度为l ，在l上 出现的节理条数为n，则
K ? n?
节理之间的平均间距为
d? l ? 1
20m
nK
实例： k=4/20=0.2/m
d=1/k=5m
l
按间距分类 按裂隙度分类
d>180cm 整体结构 d=30~180 块状结构 d<30 破裂结构 d<6.5 极破裂结构
K=0~1/m K=1~10/m K=10~100/m
? 结构面的产状及其变化：结构面的走向与倾向及其变化
? 结构面的延展性：结构面在某一方向上的连续性或结构 面连续段长短的程度。
分为非贯通性的、半贯通性及贯通性的结构面
裂隙度 K ? 结构面的 密集程度
切割度 Xe
: （1）裂隙度 K 同一组结构面 沿法线方向 单位长度上的节理数量
a.单组节理(具有同一走向）
结构面抗剪强度公式（Barton和choubey, 1977)：
?
? ? ? n tan ? JRC
?
lg
????
JCS
?n
??
?? ? ? b ?
??
粗糙度 JRC （目测）
分维数
§3.5 岩体的变形性质
法向变形特征 岩体的变形 剪切变形特征
各向异性变形特性
（一）法向变形特征：
承压板法、
1. 法向变形试验： 钻孔变形法、
第三章 岩体的力学特性
? 本章内容 ? 3.1 概述 ? 3.2 岩体结构基本类型； ? 3.3 岩体的结构面及其自然特征； ? 3.4 结构面的力学性质 ? 3.5 岩体的变形性质 ? 3.6 岩体的强度特性 ? 3.7 岩体的水力学性质 ? 3.8 岩体质量评价及其分类
? 基本要求
? 了解岩体结构的基本类型，理解岩体结构面特征； ? 掌握结构面的力学性质及岩体的变形性质； ? 理解岩体的强度特性，了解岩体的水力学性质； ? 掌握岩体质量评价及其分类方法；