03第三章 岩体的变形与破坏

力之间角度合适时，则表现为沿结构面的剪切滑动破坏；
碎裂状岩体的破坏方式介于二者之间；
碎块状或散体状岩体，表现为塑性破坏。
§3.1 基本概念及研究意义
3.1.3

岩体的强度特征
岩体的强度不能简单地用岩石的强度来表
示。 它不仅与岩体的岩性、结构、岩体的受力 状态有关，而且还决定于岩体的可能破坏方式。 设结构面与最大主应力夹角α。模拟实验表明：
§3.1 基本概念及研究意义
在三向应力状态下，中间主应力（ σ 2）与最大主 应力、最小主应力之间的比值关系是决定岩石破坏性质的 一个重要因素。纳达（1970）提出用σ 2偏向最大主应力 或最小主应力的程度的“应力状态类型参数” —α来划 分应力状态类型：

α =（ 2 σ 2-σ 当α=1时，即σ 当α=-1时，即σ

§3.2 岩体在加荷过程中 的变形与破坏
3.2.1
拉断破坏机制与过程
（1）拉应力条件下的拉断破坏

拉应力条件下岩石的拉断破坏过程十分短暂。
根据格里菲斯破坏准则，当σ1+ 3σ3 ≤0时，拉 应力σ3对岩石的破坏起主导作用，此时拉破坏准则为：

„σ3‟=-St
（ St：岩石的抗拉强度）

（2）变形过程中所具有的阶段性特征是判断岩体或地质 体演变阶段、预测其发展趋势的重要依据。

（3）变形过程中还包含恒定应力长期作用下的蠕变（或 流变）。即变形到破坏有时要经历一个相当长的时期，过程中 蠕变效应意义重大。岩体的不稳定破裂发展阶段相当于加速蠕 变阶段，进入此阶段的岩体达到最终破坏已势在必然，仅仅是 时间问题。判断进入加速蠕变阶段的变形标志和临界应力状态 是一个重要的课题。
岩体由弹性变形阶段进入塑性变形阶段的临界应力称为 岩体的屈服强度（ σy）—yield strength； 岩体进入不稳定破裂发展阶段的临界应力称为长期强度 （σc） —long term strength 。

岩体遭受最终破坏以后仍然保存有一定的强度，称为残 余强度（σR）—residual strength。


§3.1 基本概念及研究意义
研究这两个问题的意义
因为岩体在变形发展与破坏过程中，除岩体内部结构与 外形不断发生变化外，岩体的应力状态也随之调整，并引 起弹性能的积存和释放等效应。

区域稳定和岩体稳定问题工程地质分析中的一个核 心问题就是要对上述变化和效应作出预测和评价，并论证 它们对人类工程活动的影响。
§3.2 岩体在加荷过程中 的变形与破坏
§3.2 岩体在加荷过程中 的变形与破坏
对于这类结构面，一旦剪应力达到结构面的残余抗剪强度， 或外力作用方向与结构面法线方向间夹角α（称倾斜角）等于或 大于平面摩擦角φs （一般情况相当于残余摩擦角φr）时，即 S=σtg φs 或 α ≥ φs 则剪切滑动发生。 在三向应力状态下的起动判据，可采用公式（3－2）， 假定不考虑C值，则有:
当岩体中的结构面处于有利位臵时，岩体的抗拉
强度远低于岩石，拉断破坏更易发生。
§3.2 岩体在加荷过程中 的变形与破坏
（2）压应力条件下的拉断破坏
压应力条件下的拉断破坏过程要复杂得多。此时 切向拉应力集中最强的部位位于与主压应力方向夹角β 为30-40º 的裂隙的端部，因而破坏首先在这样一些方 位有利的裂隙端部出现，随之扩展为分支裂隙（J2t）。 其初始方向与原有裂隙长轴方向间夹角为2β，随后逐 渐转向与最大主应力平行。随破裂的发展，隙壁上切向 拉应力集中程度也随之而降低，当分支裂隙转为平行于 最大主应力方向后即自动停止扩展。故此阶段属稳定破 裂发展阶段。
§3.1 基本概念及研究意义
破坏机制转化的界限围压称为破坏机制转化围压 （如表3-1）。从表中可以看出，由拉断破坏转化为剪断 破坏的转化围压为1/5～1/4 [σ]（岩石单轴抗压强度）， 由剪切转化为塑性破坏的转化围压为1/3～2/3 [σ]。

表 3-1 岩体破坏机制转化围压
岩石名称 大理岩 大理岩 泥灰岩 石灰岩、大理岩 岩盐 拉断—剪断 1 ≈ /4 〔σ 〕 1 ≈ /5 〔σ 〕 剪断—塑性 1 1 /3 — /2 〔σ 〕 1 1 /3 — /2 〔σ 〕 2 /3 〔σ 〕 1 /3.4 〔σ 〕 1 /3.3 〔σ 〕 资料来源 长沙矿冶所 Karmen Б .В .Ма т в и е в 茂木清夫 美国垦务局
2 2
1
-σ 3）/（ σ
1
-σ 3）;
= σ 1，为拉伸应力状态； = σ 3，为压缩应力状态。
§3.1 基本概念及研究意义
（2）岩体破坏形式与岩体结构特征的关系

在低围压条件下岩石的三轴试验表明：
在相同的应力状态下，完整块体状坚硬岩石表现为
张性破坏，通常释放出较高的弹性应变能；
含有软弱结构面的块状岩体，当结构面与最大主应

§3.1 基本概念及研究意义
3.1.2

岩体破坏的基本形式
分类：根据岩体破坏机制可将岩体破坏划分为剪切破坏和张性 破坏（或拉断破坏）两类。 破坏方式影响因素：受荷载条件、岩性、结构以及所处的环境 特征及两者相互配合的情况等因素影响。

剪切滑动破坏 剪切破坏 岩 体 破 坏 剪断破坏 塑性破坏 张性破坏
§3.2 岩体在加荷过程中 Βιβλιοθήκη Baidu变形与破坏
3.2.2

剪切变形破坏机制与过程
（1）完整岩体的剪断破坏机制与过程 完整岩体的剪断破坏具有明显的阶段性。经压密、 弹性变形两个阶段进入破裂阶段以后，内部变形破裂迹 象十分复杂。
§3.2 岩体在加荷过程中 的变形与破坏

沿潜在剪切面的剪断机制 与过程
屈服 强度
3. 超过弹性极限（屈 服点），岩体进入塑性 变形阶段，体内开始出 现微破裂，且随应力差 的增大而发展，当应力 保持不变时，破裂也停 止发展。由于微破裂的 出现，岩体体积压缩速 率减缓，而轴向应变速 率和侧向应变速率均有 所增高（BC段）
图 3-1 三轴压应力作用下
岩石的变形破坏过程
1.原有张开的结构 面逐渐闭合，充填 物被压密，压缩变 形具非线性特征， 应力应变曲线呈缓 坡下凹型（OA段）
§3.1 基本概念及研究意义
(a)拉断破坏；(b)剪断破坏； (c) 塑性破坏
§3.1 基本概念及研究意义
（1）岩体变形破坏形式与受力状态的关系

岩石的三轴实验表明，岩石破坏形式与围压的大
小有明显的关系(见图3-2)。
当在负围压及低围压条件下岩石表现为拉断破坏； 随着围压增高将转化为剪断破坏； 当围压升高到一定值以后，表现为塑性破坏。
岩体的变形与破坏
环境与土木工程学院地质工程系 2007年9月
§3.1 基本概念及研究意义

变形：岩体承受应力，就会在体积、形状或宏观连续性 上发生某种变化。宏观连续性无显著变化者称为变形 （deformation )。 破坏：如果宏观连续性发生了显著变化，称为破坏 （failure)。 岩体变形破坏的方式与过程既取决于岩体的岩性、 结构，也与所承受的应力状态及其变化有关。

压应力增高至裂隙贯通，则导致破坏。 按格里菲斯准则，当σ1+ 3σ3 >0时 其破坏准则为 ( σ1- σ3 )2/ (σ1+ σ3 )=8 St (单轴抗
拉强度)


单轴压应力条件下， „ σ1‟= 8 St
三向压应力条件下有： ( σ 1- σ 2 )2 + ( σ 2- σ 3 )2 + ( σ 1- σ 3 )2/ ( σ 1 + σ2 + σ3 )=24 St

本章首先讨论不同荷载条件下岩体的变形破坏机制 和过程；在此基础上讨论变形破坏过程中的时间效应及岩 体中空隙水压力对岩体变形破坏的影响。

§3.1 基本概念及研究意义
3.1.1
岩体变形破坏的基本过程和阶段划分

根据裂隙岩石的三轴压缩试验过程曲线，可大致将
块状岩体受力变形破坏过程划分为五个阶段：
§3.1 基本概念及研究意义


平面摩擦
表现为平面摩擦特征的结构面，通常为地质历史过程中曾经遭受 过剪切滑动、随后又未胶结的结构面，如层间错动面、扭性断裂面、滑 动面等。这类结构面在其形成过程中，随剪切滑动的发展，结构面的抗 剪强度已接近残余强度（图3－13①）；某些充填有足够厚的塑性夹泥 致使隙面的起伏差和糙度已不起控制作用的结构面，亦具平面摩擦特征， 其抗剪强度由夹泥的性能所决定。
拉张分支裂隙的形成与扩 展 法向压碎带的形成



潜在剪切面的最后贯通
§3.2 岩体在加荷过程中 的变形与破坏
单剪应力条件下的变形破坏机制与过程
当剪切变形发生在有一定厚度的剪切带中，表现为在单剪 （simple shear）应力条件下或一对力偶作用下的变形破坏。

在所形成的破裂迹象中较为常见和具有代表性的是雁列 破裂面。这种破裂面进一步分为张性雁列和压扭性雁列两类， 排列方式正好相反。张性雁列缝T的生长方向大体与单剪带中的 最大主压应力方向平行，与剪切方向夹角约45°，有时还可形 成共轭的两组低序次剪切裂隙（R、R’）。
2.经压密后，岩体 从不连续介质转化 为似连续介质，进 入弹性变形阶段。 该过程的长短视岩 石坚硬程度而定 （AB段）
§3.1 基本概念及研究意义
上述各阶段的具体特点会因岩体的特征和所受应力状况 的不同而有所差异，但所有岩体都具有如下一些共性：

（1）岩体的最终破坏是以形成贯通性破坏面，并被分裂 成相互脱离的块体为其标志。

压扭性雁列缝P生长方向与剪动方向夹角大约与岩石材料 内摩擦角φ相当。两者有时可在同一剪切带中叠加产出。

§3.2 岩体在加荷过程中 的变形与破坏
§3.2 岩体在加荷过程中 的变形与破坏
（2）沿原有结构面的剪切机制与过程
这类破坏机制及过程与结构面特征密切相关。断续结构面，其剪 切破坏过程与前者相近，这里着重讨论连续性较好的结构面（带），按 其抗剪性能可分为平面摩擦、糙面摩擦和转动（滚动）摩擦三类。
5. 强度丧失和完全破坏阶段：岩体 内部的微破裂面发展为贯通性破裂 面，岩体强度迅速减弱，变形继续 发展，直至岩体被分成相互脱离的 块体而完全破坏（DE段）
4. 微破裂的发展出现了质的变化：即使工 作应力保持不变，由于应力的集中效应， 破裂仍会不断地累进性发展。首先某些最 薄弱的环节首先破坏，应力重分布的结果 又引起次薄弱环节破坏，依次下去，直至 整体破坏。体积应变转为膨胀，轴应变速 率和侧向应变速率加速增大（CD段）

§3.2 岩体在加荷过程中 的变形与破坏
这类拉张裂隙的形 成机制区别于前者 ，称为压致拉裂（ compression fracture）
§3.2 岩体在加荷过程中 的变形与破坏
随着压应力的进一步增高，已出现的分支裂隙将进一步扩展， 其它方向稍稍不利的裂隙端部也将产生分支裂隙。岩体中出现一系 列与最大主应力方向平行的裂隙。这些裂隙可表现为具有一定的等 距特征，是岩体板裂化的主要形成机制之一。

岩体破坏为剪断完整岩石。 （3）0º< α<8º或42º< α<52º；
岩体破坏破坏形式将部分沿结构面剪切滑动、部分剪 断完整岩石，此时岩体的强度与结构面和岩石的抗剪性能 均有关。
§3.1 基本概念及研究意义

以上讨论的为岩体的极限强度。而岩体稳定性评价往往
更关切的是岩体变形破坏各阶段的强度性状。

n cr
1 3

sin( a s ) sin s sin( 2 a s ) sin s
（ncr为应力系数）
§3.2 岩体在加荷过程中 的变形与破坏

结构面的动摩擦角φk低于其静摩擦角φs,两者相差
的程度与岩石性质、接触面的光滑程度、温度、充填物的
性质、滑移速度、湿度以及振动状况都有关。某些材料试 验表明，动、静摩擦角的差别可以十分悬殊(如铸铁的φs 为48，而其φk值仅为830′)。因而剪切位移一旦起动， 由于静、动摩擦相差悬殊，可出现突跃的剪切位移，即所 谓粘滑（stick—slip）现象。

§3.1 基本概念及研究意义
① 沿结构面滑动； ② 剪断完整岩石； ③ 部分沿结构面， 部分剪断岩石
图3-4 三种破坏形式的极限应力系数(n)
§3.1 基本概念及研究意义

（1）8º< α<42º；
岩体的破坏将采取沿结构面剪切滑动的形式。此时， 岩体的强度受结构面抗剪性能及其方位所控制。 （2）α>52º时；