工程地质学第二章 岩体力学

• 岩体的压缩强度估算： 1. 利用单结构面理论估算岩体强度：
1
3
2(C j 3 tan j ) (1 tan j cot ) sin 2
2. Hoek和Brown根据岩体性质的理论与实践 经验，依据试验资料导出了岩体的强度方 程。
1 3
m
c 3
S
2 c
第三节 岩体的工程分类
• 岩体的工程分类是工程地质学中一个重要 的研究课题。它是通过岩体一些简单和易 实测的指标，把工程地质条件与岩体力学 性质联系起来进行归类。并对各类岩体质 量、工程建筑条件予以定性或定量的评价， 给人们质量好坏的改良，为工程设计和施 工提供地质依据。
• RQD分类
• RQD值：大于10cm的岩芯累计长度与钻孔进尺长 度之比的百分数。
• RMR分类没有考虑岩体中结构面性质的影响，也 没有考虑岩块性质的影响及这些因素的综合效应。
• RMR分类
• 由岩块强度、RQD值、节理间距、节理条件及地 下水5类参数组成。
• Q分类
Q RQD J r J w J n J a SRF
RMR评分与岩体质量分级
一般岩体，岩体内聚力200~300KPa，内摩擦角为25°~35°， 5m直径的隧道自稳时间为一周，如果修建10m的隧道，围岩 发生失稳的可能性较大，建议对其进行初期支护。
风化岩体的工程地质特征
• 岩体在各种风化营力，如太阳能、大气、 水及动植物有机体等的作用下，发生物理 化学变化的过程，成为岩体风化作用。
岩石的变形参数
• 变形模量：指岩石在单向受压时，轴向压力与轴 向应变之比，当岩石变形为弹性变形时，应力应 变曲线为一直线，该模量为弹性模量，数值等于 直线斜率。
初始模量 切线模量 割线模量
• 泊松比：岩石单向受压时，横向应变与轴 向应变之比。在实际工作中常采用抗压强 度50%处的横向应变与轴向应变之比计算泊 松比。
• 风化岩体的工程地质特征主要有：
• 岩体完整性遭到破坏； • 岩石的矿物成分和化学成分发生变化； • 岩体的工程地质性质发生变化；
岩体的风化分带
• 我国岩石风化壳分带的标准： • 1. 风化岩石的颜色； • 2. 岩体的破碎程度； • 3. 原生矿物的变异和新出想矿物的种类和
含量； • 4. 物理力学性质的变化； • 5. 声波特征及其变化； • 6. 钻探掘进及开挖中的技术特性。
空隙率表示。 总空隙率、总开空隙率、大开空隙率、小开
空隙率和闭空隙率。
• 岩石的吸水性：岩石在一定试验条件下吸 收水分的能力。
岩石的吸水率：指岩石试件在一个大气压和 室温条件下自由吸入水的质量与试件干质 量之比。
岩石的饱和吸水率：是指岩石试件在高压 （一般为15MPa）或真空条件下吸入水的质 量与岩样干质量之比。
Cj j C
K1
裂隙面的粘聚力和摩擦角； 岩石粘聚力和摩擦角； 结构面的线连续性系数。
K1
a a b
• 具有填充物的软弱结构面
曲线Ⅰ为粘粒含量 较高的泥化夹层的 剪切曲线，而曲线 Ⅱ-Ⅴ的粗碎屑成分 逐渐增加。
岩体的变形
研究岩体变形的意义：1. 防止岩体各部分形变差过大 而在建筑物结构中产生附加应力；2.岩体形变量过大 导致建筑物形变量过大。 岩体的形变是岩块材料变形和结构变形的总和，而结 构变形通常包括结构面闭合、填充物压密、结构体转 动和滑动等变形，一般情况下，岩体的结构变形起着 控制作用。
规 则 锯 齿 形 结 构 面
当法向应力较低： tg(i i)
当法向应力足够大时： tan C
不规则起伏结构面
tan(JRC lg
JCS
u )
JRC-结构面的粗糙度系数； JCS-结构面的壁岩强度；
u - 结构面的基本摩擦角，等于结构面
壁岩平直表面的摩擦角
• 非连续贯通的结构面
K1C j(1 K1)C [K1 tan j (1 K1) tan]
• 质量损失率是指冻融前后岩样干质量之差与冻融 前干质量之比，以百分数表示。
• 当抗冻系数大于75%，质量损失率小于2%时，认 为岩石抗冻性好，吸水率小于5%，软化系数大于 0.75以及饱水系数小于0.8的岩石，具有足够的抗 冻能力。
• 岩石的透水性：岩石能被水透过的性质， 用渗透系数表示。它的大小取决于空隙的 数量、大小、方向和连通情况。
• 岩体变形参数的测定方法：
• 一般采用原位测试：承压板法、钻孔变形 法、狭缝法、声波法和地震波法。
• 岩体变形参数的估算： • 比尼卫斯基： Em 2RMR 100
RMR10
Serafim 和Pereira： Em 10 40
RMR>55 RMR≤55
岩体的强度性质 • 岩体的剪切强度
• 原位岩体剪切试验
• 式中6个参数的组合，反映了岩体质量的3个方面， 即岩体的完整性；结构面（节理）的形态、填充 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。
• BQ法
• 国标《工程岩体分级标准》（GB50218-94）提出 二级分级法，先按岩体的基本质量指标BQ进行初 步分级；然后考虑其他影响因素对BQ进行修正， 再按修正后的[BQ]进行详细分级。
• 岩石的蠕变：岩石在大小和方向不变的外 力作用下，变形量随时间延续而不断增长 的现象。
页岩、砂岩和花岗岩在 一定压力下蠕变曲线
岩石的典型蠕变曲线
第二节 岩体的工程地质性质及岩体工程分类
• 岩体包括结构面和结构体两个部分。 • 结构面的类型：原生结构面、构造结构面
和次生结构面。不同的结构面成因不同， 工程地质特性也不相同。
第二章 岩体力学
第一节 岩石的工程地质性质
• 几个概念： • 岩石、岩块和岩体：岩石是指不含显著结
构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石 单元体；岩体由岩块和结构面组成。
• 岩石与土的主要区别：1.岩石矿物颗粒间具 有更为牢固的连接；2. 岩体存在结构面；3. 岩体具有高地应力。
岩石的物理性质
• 岩石的密度： 颗粒密度 块体密度：干密度、天然密度和饱和密度。 • 空隙性：岩石孔隙性和裂隙性的统称，用
应变 曲线和变形模量。根据这些成果可
以分析岩块在三轴压缩条件下的变形与强 度性质。
• 三轴压缩强度：试件在三向压力下能抵抗的最大轴向应力，称为岩块 的三轴压缩强度。通过三轴压缩试验可以得到相应围压的三轴压缩强 度、剪切强度参数、单轴抗拉强度。
1m
pm A
sin
(1m 3 ) / 2
(1m 3 ) / 2 C cot
岩石的力学性质
• 岩石在外力作用下所变现出来的性质，这 里主要研究变形、破坏及其强度。
单轴受压下岩石的变形与强度
岩石单轴 受压应力 应变曲线
d
V
L
Ⅰ孔隙裂隙压密阶段； Ⅲ微破裂稳定发展阶段； Ⅴ破坏后阶段
Ⅱ弹性变形； Ⅳ非稳定破裂发展阶段；
根据美国学者米勒（1965）对28种岩石的试验成果， 可以将岩块峰值前应力-轴向应变曲线分为6类。
结构面的变形与强度性质
• 结构面的法向变形特征
法向刚度：法向应力作用下，结构面产生 单位法向变形所需要的应力，数值上等于
n V j 某一点的切线斜率。
切向变形特征：
结构面切向刚度
• 结构面的强度，这里重点研究其抗剪强度。 • 结构面的抗剪强度主要受结构面的形态、
连续性、胶结填充特征、壁岩性质、次生 变化和受力历史等因素的影响。
• Ⅳ级结构面切割的Ⅳ结构体成为岩块，其内部还有微裂隙、 隐节理等Ⅴ级结构面。
• 岩体结构类型
岩体结构控制论
• 岩体的应力传播、变形破坏以及岩体力学 介质属性无不受控于岩体结构。岩体结构 对工程岩体的控制作用主要表现在三方面：
• 应力传播特征 • 岩体的变形与破坏特征 • 工程岩体的稳定性
不同 结构 岩体 的变 形破 坏方 式
围压对岩石强度的影响
• 岩石的三轴压缩强度 1m 均随围压 3 的 增加而增大，但是 1m 的增加速率小于 3 的增加速率，即两者呈非线性关系。
• 当围压为零或者很低时，应力达到峰值后 曲线迅速下降至接近零，岩块残余强度很 低，随着围压增大，其残余强度也逐渐增 大，直到产生应变硬化。
岩石的蠕变特性
• 抗切强度：指法向应力为零时，沿预定剪 切面剪断时的最大剪应力。它反映了岩石 的内聚力。
三向应力下岩石的变形与强度
三轴应力下岩石的变形与强度测试： 真三轴或不等压三轴： 1 > 2 > 3 > 0 假三轴： 1 > 2 = 3 > 0
• 三轴压缩试验可以得出：（1）不同围压 3 下三轴压缩强度 1m；（2）强度包络线及剪 切强度参数；（3）压力差（1 3 ）-轴向
BQ 90 3 cw 250 Kv
Kv
( vmp )2 vrp
[BQ] BQ 100 (K1 K2 K3 )
工程岩体分类的具体应用
• 工程岩体分类广泛应用于岩体参数估算、稳定性 评价及其加固与支护。
• 例子：某隧道位于地下200m处的泥岩中，岩体内发育有3组主要结构 面：第一组结构面为层面，其特点为强风化，表面较为粗糙，产状为 180°∠10°，该组节理条件评分为15°；第二组结构面为节面，其 特点为中等风化，表面较粗糙，产状为185° ∠75°，该组节理条件 评分为21，第三组结构面为节理面，其特点为为中等风化，表面较为 粗糙，产状为90° ∠80°，该组节理条件评分为21；岩石抗压强度为 55MPa，RQD值为60%，平均裂隙宽度为0.4m。试采用RMR系统对该 岩体进行分类，估算岩体力学参数，评估由东向西开挖10m隧道的稳 定性。
• 岩石的抗拉强度远小于其抗压强度。
• 岩石的剪切强度：受剪力作用时抵抗剪切 破坏的最大剪应力，称为剪切强度。
• 抗剪断强度：指在一定的法向应力作用下， 沿预定剪切面剪断时的最大剪应力。它反 映了岩石的内聚力和内摩擦阻力。