3岩体力学性质(张子兴)
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《岩体的基本力学质》课件
岩体作为地基：提 供稳定的支撑和承 载力
岩体作为挡土墙： 防止土体滑坡和坍 塌
岩体作为隧道：提 供交通和能源运输 通道
岩体作为水库：提 供水资源和防洪功 能
岩体在水利工程中的应用
岩体作为水库 大坝的基础， 具有很高的承
载能力
岩体可以作为 地下水储存和 输送的通道， 如地下水库、 地下输水隧道
等
岩体可以作为 水力发电站的 基础，如水电 站大坝、引水
岩体的强度性质
岩体的抗拉强度
岩体的抗拉强度是指岩体在受到拉应力作用下所能承受的最大应力值。 抗拉强度是衡量岩体稳定性的重要指标之一。 抗拉强度与岩体的矿物成分、结构、孔隙率等因素有关。 抗拉强度可以通过室内试验和现场测试来测定。
岩体的抗压强度
抗压强度是岩体最重要的力学性质 之一
抗压强度是评价岩体稳定性的重要 指标
岩体的变形性质
岩体的弹性变形
弹性变形：岩体在外力作用下产生 的可恢复变形
泊松比：衡量岩体横向变形与纵向 变形关系的指标
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
弹性模量：衡量岩体弹性变形能力 的指标
弹性变形的实验方法：单轴压缩试 验、三轴压缩试验等
岩体的塑性变形
岩体的塑性变形是指岩体在外力 作用下发生形变，但变形后仍能 保持其原有形状和强度的性质。
岩体的塑性变形可以分为弹性变 形和塑性变形两种类型。
弹性变形是指岩体在外力作用下 发生形变，但变形后能恢复其原 有形状和强度的性质。
塑性变形是指岩体在外力作用下 发生形变，但变形后不能恢复其 原有形状和强度的性质。
岩体的流变性
流变性：岩体在应力作用下的变形性质 流变类型：蠕变、松弛、应力松弛、应力松弛等 影响因素：温度、湿度、应力、时间等 流变规律：与时间、应力、温度等有关，具有非线性、非均匀性等特点 工程应用：岩体稳定性分析、隧道工程、边坡工程等
块体理论赤平解析法及其在硐室稳定分析中的应用_张子新
[ ]
2 n ×n
由式(7)便可求出 ( x1，y1，z1 ) ，于是可以求解出可动 块体重量： G = ∑ Viγ (8) 式中： γ 为岩体容重。 在求出可动块体重量及判断出可能的滑动模式 后，便可进行稳定系数计算。 (1) 可动块体垂直塌落时，稳定系数 η = 0 。 (2) 单面滑动时 G cos δ tan ϕ + ∆sc η= G sin δ (9)
{
}
• 1758 •
岩石力学与工程学报
2002 年
为了便于分析运算， 首先引入 “位置参量 ( Lij k)” 的概念。 ( xi − R tan α k sin β k ) 2 + L = sign 2 2 ( yi − R tan α k cos β k ) − R 2 cos α k
而四面体的顶点 ( x1，y1，z1 ) 可由构成四面体的 , 结构面方程求解。设结构面为 P k ，其方程 i ， Pj ， P 为 Ai x + Bi y + Ci z = Di Aj x + B j y + C j z = D j Ak x + Bk y + Ck z = Dk (7)
3 可动块体稳定系数计算
在判断出可动块体后，有必要进行稳定系数计 算，以确定可动块体的稳定性，首先必须计算可动 块体的重量。 可动块体可以划分为若干四面体，只要能计算 出四面体的体积，就可求出可动块体的体积，进而 求出其重量。 设四面体 4 个角点的坐标为 ( xi，yi，zi ) ，则其 体积为 x2 − x1 1 V = x3 − x1 6 x4 − x1 y2 − y1 y3 − y1 y4 − y1 z2 − z1 z3 − z1 z4 − z1 (6)
第二章岩体力学性质第4.5.6节
β1 ≤ β ≤ β 2
2 β 2 = π + ϕ − sin −1{[σ m + c cot ϕ ) / τ m ] sin ϕ } 2 β1 = ϕ + sin −1{[σ m + c cot ϕ ) / τ m ] sin ϕ }
⑤
几点讨论
β > β 2 或 β < β1
岩块先破坏，岩体强度等于岩块强度 岩块先破坏，
ϕ < β <π 2
tg 2 β = −
？
1 → β = 45 f
oHale Waihona Puke ③对 β 求一阶导数，并令其为零得
+
ϕ
2
此时节理面对岩体的强度削弱最大，岩体有最小强度
σ 1min = σ 3 + 2(C + fσ 3 ) /( 1 + f 2 − f )
④对岩体强度有影响的节理方位角： 直接在图量取，也可以由正弦 定律推出：
• β1 < β < 于岩块强度
•
β2
节理先破坏， 节理先破坏 ， 岩体强度小
β = β1 或 β = β 2
岩石节理同时破坏， 岩石节理同时破坏，岩体强度等于岩块强度
多节理的力学效应 的力学效应（叠加） 3.5.2 多节理的力学效应
两组以上的节理同样处理， 两组以上的节理同样处理，不过岩体总 是沿一组最有利破坏的节理首先破坏。 是沿一组最有利破坏的节理首先破坏。
2.5 岩体的变形特性
2.5.3 岩体各向异性变形 试件模型： 12mmX12mmX36mm的 块体单元 ξ＝1表示贯通， ξ ＝0为完整试 件， ξ为分离度 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。
岩石力学第二章 岩体力学性质ppt课件
存于一定地应力环境中的岩体来说，地应 力对岩体构成的围压越大，其承载才干越 大。
②、地应力影响岩体的变形和破坏机制， 许多低围压下呈脆性破坏的岩石在高围压 下呈剪塑性变形，这种变形和破坏机制的 变化阐明岩体赋存的条件不同，岩体的本 构关系也不同。
岩石力学
六、地应力的影响
③、地应力影响岩体中的应力传播的法 那么，严厉来说岩体是非延续介质，但由于 岩块间存在摩擦作用，赋存于高应力地域的 岩体，在地应力围压的作用下那么变为具有 延续介质特征的岩体，即地应力可以使不延 续变形的岩体转化为延续变形的岩体。
特别是水和地应力的作用。
岩石力学
一、岩石与岩体的概念
岩体内存在各种地质界面，它包括 物质分异面和不延续面，如断层、层 理、节理、片理、假整合、不整合和 褶皱等。
这些不同成因、不同特性的地质界 面统称为构造面(弱面)。
岩石力学
一、岩石与岩体的概念
构造面(弱面) 在横向延展上具有面的 几何特性，常充填有一定物质、具有一定 厚度。
断层泥主要是由糜棱岩风化而成而糜棱岩主要为压力愈合连结当压力卸去后又转化为糜棱岩粉糜棱岩体风化后便转化为断岩石力学中国科学研究院地质研究所岩体结构分类名称结构面间距cm完整性系数i主要结主要结构面类型主要结压强度mpa散体结构020节理密集呈无序状分布表现为泥包块或020无实际意岩石力学岩体结构类型岩体完整性主要结构面及其抗剪特性压强度10pa结构面间距cm完整性系数i主要结构面摩擦系数f代号名称代号名称整体块状结构整体结构100075存在刚性结构面060600块状结构10050075035级为主刚性结构面局部为破碎结构面0406300般大于600层状结构层状结构50300603级为主刚性结构面柔性结构面0305300薄层状结构30040级显著柔软结构面030o40300100碎裂结构镶嵌结构50036密集刚性结构面破碎结构面040060600层状碎裂结构50骨架岩层中较大040均发育泥化结构面020040300骨架岩层在300上下碎裂结构50030破碎结构面016040300散体结构020节理密集呈无序状分布表现为020无实际意义岩石力学岩体结构类型岩体完整性主要结构面及其抗剪特性压强度10pa结构面间距cm完整性系数i主要结构面摩擦系数f代号名称代号名称整体块状结构整体结构100075存在刚性结构面060600块状结构10050075035级为主刚性结构面局部为破碎结构面0406300般大于600层状结构层状结构50300603级为主刚性结构面柔性结构面0305300薄层状结构30040级显著柔软结构面030o40300100碎裂结构镶嵌结构50036密集刚性结构面破碎结构面040060600层状碎裂结构50骨架岩层中较大040均发育泥化结构面020040300骨架岩层在300上下碎裂结构50030破碎结构面016040300散体结构020节理密集呈无序状分布表现为020无实际意义岩石力学四岩体结构的相对性工程岩体结构的唯一性岩体结构分类的最终目的在于为岩石工程的建设服务对于工程岩体而言由于工程规模和尺寸的变化岩体结构也发生相对变化具有相对性
②、地应力影响岩体的变形和破坏机制， 许多低围压下呈脆性破坏的岩石在高围压 下呈剪塑性变形，这种变形和破坏机制的 变化阐明岩体赋存的条件不同，岩体的本 构关系也不同。
岩石力学
六、地应力的影响
③、地应力影响岩体中的应力传播的法 那么，严厉来说岩体是非延续介质，但由于 岩块间存在摩擦作用，赋存于高应力地域的 岩体，在地应力围压的作用下那么变为具有 延续介质特征的岩体，即地应力可以使不延 续变形的岩体转化为延续变形的岩体。
特别是水和地应力的作用。
岩石力学
一、岩石与岩体的概念
岩体内存在各种地质界面，它包括 物质分异面和不延续面，如断层、层 理、节理、片理、假整合、不整合和 褶皱等。
这些不同成因、不同特性的地质界 面统称为构造面(弱面)。
岩石力学
一、岩石与岩体的概念
构造面(弱面) 在横向延展上具有面的 几何特性，常充填有一定物质、具有一定 厚度。
断层泥主要是由糜棱岩风化而成而糜棱岩主要为压力愈合连结当压力卸去后又转化为糜棱岩粉糜棱岩体风化后便转化为断岩石力学中国科学研究院地质研究所岩体结构分类名称结构面间距cm完整性系数i主要结主要结构面类型主要结压强度mpa散体结构020节理密集呈无序状分布表现为泥包块或020无实际意岩石力学岩体结构类型岩体完整性主要结构面及其抗剪特性压强度10pa结构面间距cm完整性系数i主要结构面摩擦系数f代号名称代号名称整体块状结构整体结构100075存在刚性结构面060600块状结构10050075035级为主刚性结构面局部为破碎结构面0406300般大于600层状结构层状结构50300603级为主刚性结构面柔性结构面0305300薄层状结构30040级显著柔软结构面030o40300100碎裂结构镶嵌结构50036密集刚性结构面破碎结构面040060600层状碎裂结构50骨架岩层中较大040均发育泥化结构面020040300骨架岩层在300上下碎裂结构50030破碎结构面016040300散体结构020节理密集呈无序状分布表现为020无实际意义岩石力学岩体结构类型岩体完整性主要结构面及其抗剪特性压强度10pa结构面间距cm完整性系数i主要结构面摩擦系数f代号名称代号名称整体块状结构整体结构100075存在刚性结构面060600块状结构10050075035级为主刚性结构面局部为破碎结构面0406300般大于600层状结构层状结构50300603级为主刚性结构面柔性结构面0305300薄层状结构30040级显著柔软结构面030o40300100碎裂结构镶嵌结构50036密集刚性结构面破碎结构面040060600层状碎裂结构50骨架岩层中较大040均发育泥化结构面020040300骨架岩层在300上下碎裂结构50030破碎结构面016040300散体结构020节理密集呈无序状分布表现为020无实际意义岩石力学四岩体结构的相对性工程岩体结构的唯一性岩体结构分类的最终目的在于为岩石工程的建设服务对于工程岩体而言由于工程规模和尺寸的变化岩体结构也发生相对变化具有相对性
3.3岩体力学性质-水力学性质
岩体渗透张量计算
∠0 °
∠15°
பைடு நூலகம்
∠30°
完整裂隙网络
1m
1m
1m
连通裂隙网络
岩体渗透张量计算
∠45°
∠60°
∠75°
完整裂隙网络
1m
1m
1m
连通裂隙网络
3.7.3 地下水渗流对岩体力学性质的影响
地下水是一种重要的地质营力，它与岩体之间的相互作 用，一方面改变着岩体的物理、化学及力学性质，另一 方面也改变着地下水自身物理、力学性质及化学组分。 地下水渗流对岩体产生三种作用：物理作用、化学作用 和力学作用。 物理作用
10 m
165 180 195 210
0
5m
计算得到的最大渗透系数 模拟区大小为10m×10m， Kmax=1.33×10-6 m/s， 最小渗透系数 Kmin=7.61×10-7 m/s， 方向角为45°，Kmax/Kmin=1.75。
生成裂隙网络的区域为8m×8m，
选取测定渗透张量的区域为5m×5m， 固定区域的中心点，逆时针旋转矩形， 每隔15°计算一次裂隙网络的渗透系数
3.7.1 岩体空隙的结构类型
裂隙网络介质
由裂隙（如节理、断层等）个体在空间上相互交叉形成的 网络状空隙结构，这种含水介质称为裂隙网络介质。又为 连通裂隙网络和非连通裂隙网络。 双重介质 由裂隙（节理、断层等）和其间的孔隙岩块构成的空隙结 构，裂隙导水（渗流具有定向性），孔隙岩块储水（渗流 具有均质各向同性），这种含水介质称为双重介质。 根据岩体结构面的连续性，可将岩体划分为连续介质、等 效连续介质和非连续介质（包括裂隙网络介质和双重介质）
3.7.1 岩体空隙的结构类型
岩体空隙是地下水赋存场子所和运移通道，岩体空隙的 分布形状、大小、连通性及空隙的类型，影响着的岩体 的渗流路径及渗流特性。 多孔连续介质
岩体力学第四章 岩体的基本力学性质
(4)、岩体破碎程度分类
岩体破碎程度的分类由裂隙度和切割度两个定量指
标组成。
（一）裂隙度K a 单组结构面 设取样线长度为L，在L上出现的节理的个数为n，则
裂隙度K为 K= n/ L
节理沿取样线方向上平均间距d为 d= L/ n=1/K
第16页，本讲稿共34页
实例：K=4/10=0.4/m
d=1/K=2.5m
节理岩体的强度与岩石强度的区别Ⅰ－岩石；Ⅱ－节理化岩体：Ⅲ－节理
节理的强度低于岩石的强度，而节理岩体的强度以完整岩石强度 为上限，节理的强度为下限，处在节理的强度和岩块的强度之间。
第7页，本讲稿共34页
第二节 岩体结构面的分析
2.1 结构面的分类
(1) 按结构面成因分类 原生节理 成岩过程
构造节理 构造运动 次生节理 风化作用岩层层面断层 源自化节理第8页，本讲稿共34页
第9页，本讲稿共34页
第10页，本讲稿共34页
第11页，本讲稿共34页
(2) 结构面的绝对分类和相对分类
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。
第26页，本讲稿共34页
产状要素
走向 岩层面与水平面的交线， 称走向线走向线两端所指的方向 称走向
倾向 垂直于走向线沿层面向下所 引的直线，称倾斜线。其在水平面 上的投影线所指方向，称为倾向
倾角 倾斜线与其在水平面上的投 影线间的夹角
第27页，本讲稿共34页
第28页，本讲稿共34页
第29页，本讲稿共34页
第18页，本讲稿共34页
b 多组结构面
两组节理的裂隙度计算图
岩石力学岩体的力学性质
当： n
n
45
j
2
n 1
2
c
2C cos 1 sin
c
2C j cos j 1 sin j
2C j cos j 1 sin j
c
2C cos 1 sin
当岩体中存在多组结构面时，岩体强度为各单组结构面强
度的叠加，当结构面分布均匀，强度大体相等，此时岩体强
度表现为各向同性，但整体强度大大降低。
d
v
2 p
2vs2
2
v
2 p
vs2
Ed 岩体动弹性模量，d 岩体动泊松比 岩体密度
第六节 岩体的强度
一、岩体的结构
1、整体结构 2、层状结构 3、块状结构
①甲级块状结构（滑移式块状结构） ②乙级块状结构（砌块式块状结构） 4、碎裂结构 5、散体结构
二、岩体强度特征
岩体强度取决于结构面的强度和岩石的强度，岩体无论处 于何种应力状态，其强度受加载方向与结构面夹角的控制， 表现出岩体的各向异性。
原生结构面又细分为：
沉积结构面：沉积岩层在成岩过程中形成的结构面，如层理、层 面、假整合和不整合等。 火成结构面：岩浆侵入活动及冷凝过程中形成的，如岩浆岩的流 层、流纹、冷却收缩形成的张裂隙；火成岩体与围岩的接触面。 变质结构面：受变质作用形成的结构面，如片理、板理等。
2、按结构面受力条件划分
①压性结构面：由压应力挤压构成，其走向与最大主应力方向垂直。 ②张性结构面：在拉应力作用下产生，其走向与最大主应力方向一致。 ③扭性结构面：由纯剪或压张应力引起的剪应力所形成的结构面。 ④压扭性结构面：既有压型结构面的特征，也有扭性结构面的特征。 ⑤张扭性结构面：既有张型结构面的特征，也有扭性结构面的特征。
岩体力学性质zhang
（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。
第19页/共42页
2）钻孔变形法
岩体的变形模量（Em）
计算公式：
Em
dp(1 m )
U
U－径向变形
优点 μm－岩体的泊松比;
（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； 试验方向基本不受限制，试验压力大；
第36页/共42页
当多孔连续介质岩土体中充满流动的地下水时，
施加孔隙静水压力和动水压力作用，其中，动水 压力为：
d J
τd 动水压力，γ地下水容重，J地下水水力坡度
当裂隙岩体充满流动的地下水时，施加一垂直于裂
隙壁面的静水压力和平行于裂隙壁面的动水压力，其
中，动水压力为：
d
b J
2
（一）岩体单轴抗压强度的测定
试件
水泥砂浆抹平试体表面→垫方 木、工字钢→加载→计算强度
图3-24 岩体单轴抗压强度测定 1－方木； 2－工字钢；3－千斤
顶； 4－水泥砂浆
第25页/共42页
（二）岩体抗剪强度的测定
双千斤顶法：
1. 正压力P和横推力T的合 力通过剪切面中心。
2. 横推千斤顶成15°角倾斜布置。
试体第27页共42页362结构面的强度效应一单节理和多节理的力学效应一单节理的力学效应设结构面的强度条件设节理的方向角为节面上的应力图???tgc????????2sin2131????????2cos223131????第28页共42页当岩石块体破坏结构面不破坏当节理面的存在不削弱岩块强度?tgf????????2sin122331fctgfc????????312????????31????2?????对求一阶导数并令其为零得此时节理面对岩体的强度削弱最大?24512?????????ftg??????fffc?????23min3112???并令得
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。
第19页/共42页
2）钻孔变形法
岩体的变形模量（Em）
计算公式：
Em
dp(1 m )
U
U－径向变形
优点 μm－岩体的泊松比;
（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； 试验方向基本不受限制，试验压力大；
第36页/共42页
当多孔连续介质岩土体中充满流动的地下水时，
施加孔隙静水压力和动水压力作用，其中，动水 压力为：
d J
τd 动水压力，γ地下水容重，J地下水水力坡度
当裂隙岩体充满流动的地下水时，施加一垂直于裂
隙壁面的静水压力和平行于裂隙壁面的动水压力，其
中，动水压力为：
d
b J
2
（一）岩体单轴抗压强度的测定
试件
水泥砂浆抹平试体表面→垫方 木、工字钢→加载→计算强度
图3-24 岩体单轴抗压强度测定 1－方木； 2－工字钢；3－千斤
顶； 4－水泥砂浆
第25页/共42页
（二）岩体抗剪强度的测定
双千斤顶法：
1. 正压力P和横推力T的合 力通过剪切面中心。
2. 横推千斤顶成15°角倾斜布置。
试体第27页共42页362结构面的强度效应一单节理和多节理的力学效应一单节理的力学效应设结构面的强度条件设节理的方向角为节面上的应力图???tgc????????2sin2131????????2cos223131????第28页共42页当岩石块体破坏结构面不破坏当节理面的存在不削弱岩块强度?tgf????????2sin122331fctgfc????????312????????31????2?????对求一阶导数并令其为零得此时节理面对岩体的强度削弱最大?24512?????????ftg??????fffc?????23min3112???并令得
岩体的力学性质及分类doc
―――岩体力学作业之二一、名词释义l.结构面：①指在地质历史发展过程中，岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的宏观地质界面或带。
②又称弱面或地质界面，是指存在于岩体内部的各种地质界面，包括物质分异面和不连续面，如假整合、不整合、褶皱、断层、层面、节理和片理等。
2.原生结构面：在成岩阶段形成的结构面，根据岩石成因的不同，可分为沉积结构面、岩浆（火成）结构面和变质结构面三类。
3.构造结构面：指在构造运动作用下形成的各种结构面，如劈理、节理、断层面等。
4.次生结构面：指在地表条件下，由于外力(如风力、地下水、卸荷、爆破等)的作用而形成的各种界面，如卸荷裂隙、爆破裂隙、风化裂隙、风化夹层及泥化夹层等。
5.结构面频率：即裂隙度，是指岩体中单位长度直线所穿过的结构面数目。
6.结构体：结构面依其本身的产状，彼此组合将岩体切割成形态不一、大小不等以及成分各异的岩石块体，被各种结构面切割而成的岩石块体称为结构体。
7.结构效应：是指岩体中结构面的方向、性质、密度和组合方式对岩体变形的影响。
8.剪胀角（angle of dilatancy）：岩体结构面在剪切变形过程中所发生的法向位移与切向位移之比的反正切值。
9.节理化岩体：是指被各种节理、裂隙切割呈碎裂结构的岩体。
10.结构面产状的强度效应：指结构面与作用力之间的方位关系对岩体强度所产生的影响。
11.结构面密度的强度效应：指结构面发育程度(数量)对岩体强度所产生的影响。
12.岩体完整性指标：是指岩体弹性纵波与岩石弹性纵波之比的平方。
13.岩体基本质量：岩体所固有的、影响工程岩体稳定性的最基本属性，岩体基本质量由岩石坚硬程度和岩体完整程度决定。
14.自稳能力：在不支护条件下，地下工程岩体不产生任何形式破坏的能力。
15.体积节理数：是指单位岩体体积内的节理(结构面)数目。
16.岩石质量指标(RQD)：长度在10cm（含10 cm)以上的岩芯累计长度占钻孔总长的百分比，称为岩石质量指标RQD(Rock Quality Designation)。
岩体的力学性质共62页文档
•岩体和岩块一样，岩体强度也有抗压强度、抗拉强 度和剪切强度之分。
一、岩体的剪切强度 二、裂隙岩体的压缩强度 三、裂隙岩体强度的经验估算
20
结构面方位
第四章 岩体的力学性质
21
第四章 岩体的力学性质
第四章 岩体的力学性质
§4.1 岩体的变形性质 §4.2 岩体的强度性质 §4.3 岩体的动力学性质（自学） §4.4 岩体的水力学性质（自学）
22
第四章 岩体的力学性质
§4.2 岩体的强度性质
•岩体强度：岩体抵抗外力破坏的能力。岩体强度 不同于岩块的强度和结构面的强度，一般，其强度 介于二者之间。
动力法基本原理：用人工方法对岩体发 射(或激发)弹性波(声波或地震波)，并测 定其在岩体中的传播速度，然后根据波 动理论求岩体的变形参数。
3
1、承压板法
刚性承压板法 柔性承压板法
第四章 岩体的力学性质
4
第四章 岩体的力学性质
Em
pD
(1
2 m
)
W
E me
pD
(1
2 m
)
We
ω是与承压板形状与刚度有关的系数。 圆形板ω＝0.785；方形板ω＝0.886
一 种 情
增大，弹性变形成分大。 垂直层面加压的较坚硬层状
况
岩体。
第
卸压曲线较陡，变形多为塑
二
性变形。
种
软弱夹层的层状岩体及裂隙
情
岩体或垂直层面加压的层状
况
岩体。
17
第四章 岩体的力学性质
上 p＝f(W)，dp/dW随p增加而递减，d2p/dW2＜0
凸 结构面发育且有泥质充填的岩体、较深处埋 型 藏有软弱夹层或岩性软弱的岩体
一、岩体的剪切强度 二、裂隙岩体的压缩强度 三、裂隙岩体强度的经验估算
20
结构面方位
第四章 岩体的力学性质
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第四章 岩体的力学性质
第四章 岩体的力学性质
§4.1 岩体的变形性质 §4.2 岩体的强度性质 §4.3 岩体的动力学性质（自学） §4.4 岩体的水力学性质（自学）
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第四章 岩体的力学性质
§4.2 岩体的强度性质
•岩体强度：岩体抵抗外力破坏的能力。岩体强度 不同于岩块的强度和结构面的强度，一般，其强度 介于二者之间。
动力法基本原理：用人工方法对岩体发 射(或激发)弹性波(声波或地震波)，并测 定其在岩体中的传播速度，然后根据波 动理论求岩体的变形参数。
3
1、承压板法
刚性承压板法 柔性承压板法
第四章 岩体的力学性质
4
第四章 岩体的力学性质
Em
pD
(1
2 m
)
W
E me
pD
(1
2 m
)
We
ω是与承压板形状与刚度有关的系数。 圆形板ω＝0.785；方形板ω＝0.886
一 种 情
增大，弹性变形成分大。 垂直层面加压的较坚硬层状
况
岩体。
第
卸压曲线较陡，变形多为塑
二
性变形。
种
软弱夹层的层状岩体及裂隙
情
岩体或垂直层面加压的层状
况
岩体。
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第四章 岩体的力学性质
上 p＝f(W)，dp/dW随p增加而递减，d2p/dW2＜0
凸 结构面发育且有泥质充填的岩体、较深处埋 型 藏有软弱夹层或岩性软弱的岩体
岩体力学性质PPT课件
岩石在成岩过程中形成的 结构面，如层理、片理、 节理等。
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。
谢谢您的聆听
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。
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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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。
岩石的物理力学性质上岩石力学张子兴优秀课件
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第2章 岩石的物理力学性质
7
第2章 岩石的物理力学性质
岩石的密度定义为岩石单位体积(包括岩石中孔隙
体积)的质量，用 表示，单位一般为kg/m3。它与岩石
容重之间存在如下关系：
g
（2-2）
式中， g ——重力加速度，m/s2。
8
第2章 岩石的物理力学性质
2.2.2 比重 specific gravity
e n 1 n
10
（2-6） （2-7）
第2章 岩石的物理力学性质
三相草图
ma=0
m
mw
ms
质量
Air Water
Rock
Va
Vv
Vw
V
Vs
体积
11
第2章 岩石的物理力学性质
三相草图
ma=0
mw m
Air Water
Va Vw Vv V
ms
Rock
Vs
质量
体积
共有九个参数:
V Vv Vs Va Vω / ms m ω ma m
•岩石的比重，在数值上等于其密度，它取决于组成岩石的矿物比重及其在岩石 中的相对含量。
•岩石的比重，可采用比重瓶法进行测定，试验时先将岩石研磨成粉末，烘干后 用比重瓶法测定。岩石的比重一般为25~33。
9
第2章 岩石的物理力学性质
2.2.3 孔隙率和孔隙比
孔隙性
porosity
岩石试样中孔隙体积与岩石试样总体积的百分比称为孔隙率，可用下式表示：
率，即
Ww 100% Ws
（2-8）
岩石的吸水率是指干燥岩石试样在一个大气压和室温条件下吸入水的重量Ww 与岩石
干重量Ws 之比的百分率，一般以a 表示，即
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地理环境
瓦依昂山谷独特的地理条件，成为实现上 述构想的最佳地点：山谷呈葫芦型，谷口 狭窄便于修建大坝；山谷内腹宽阔、深度 大，能最大程度地多蓄水。根据规划，瓦 依昂大坝的坝身高达230米。
刚 竣 工 时 的 瓦 依 昂 大 坝
地质环境
数千万年前这里是一片海洋，形成了 石灰岩和粘土相互层叠的结构，石灰岩层 间的粘土层在受水浸润时极易形成泥浆， 使岩层间的摩擦力降低，存在导致滑坡的 隐患。
建设中的瓦伊昂大坝
设计变更
50年代末正值世界核电开发的黄金时 代，核电具有更高、更稳定的发电量，这 无疑是比水电更大的诱惑。1957年4月，罗 马的政客们放了一个大卫星：大坝改成为 核电站配套服务的抽水蓄能电站，高度从 初始的230米增加到264. 6米，这样就使水 位上升到722.5米高程，不但在双曲拱坝中 首屈一指，而且成为世界第二高的大坝； 库容也增加到初始设计的三倍，达1.65亿 立方米。
灾难降临
从滑坡开始到灾难发生，整个过程不 超过7分钟，共有1900余人在这场灾难中丧 命，700余人受伤。巨大的空气冲击波使电 站地下厂房内的行车钢梁发生扭曲剪断， 将廊道内的钢门推出12米，正在厂房内值 班和住宿的60名技术人员除1人幸存外，其 余全部死亡；正在坝顶监视安全的设计者 、工程师和工人们无一幸免。
第三章 岩体力学性质
3.4 结构面的力学性质
3.5 岩体的变形特性
3.6 岩体的强度特性
3.7 岩体的水力学性质
3.4 结构面的力学性质
上次课内容：
主要讲了岩体结构类型、岩体结构面的类型及其 形态
这节课接着讲： 结构面的力学性质、岩体的变形强度特征。 结构面力学性质主要包括三个方面： ①法向变形与刚度； ②剪切变形与刚度； ③抗剪强度。
3.4.3 结构面的抗剪强度
结构面剪切过程中的力学机制比较复杂，构成结构面抗剪 强度的因素是多方面的，一般可用库仑准则表述：
c n tan
C, ф: 结构面上的粘结力 和摩擦角
n: 结构面上的法向应力 ф = фb + i ; фb: 岩石平坦 表面摩擦角; i : 结构面上 的凹台斜坡角;
水库实验性蓄水时岸坡发生大规模裂缝
灾难开端
1959年秋天，瓦依昂大坝竣工，1960 年2月水库开始试验性蓄水。原本相对稳定 的岩层在巨大的水压下开始渗水，水和岩 层深处的粘土发生作用，坡体开始变得不 稳定。同年10月，当水位到达635米时，左 岸地面出现一道长达1800～2000m的M形裂 缝，随后发生了局部崩塌，塌方体积达70 万立方米，坝前出现高达10米的涌浪。
灾难降临
1963年10月9号22点39分。连日大雨今 天刚刚停息，瓦依昂水库南坡一块南北宽 超过500米、东西长约2000米、平均厚度约 250米的巨大山体忽然发生滑坡，超过2.7 亿立方米的土石以100公里的时速呼啸着涌 入水库，随即又冲上对面山坡，达到数百 米的高度，整个时间不超过45秒，发出的 巨大轰鸣声几十公里以外都能听见。
大坝现状
废弃的瓦依昂水库今天依然存在，只 是不再是原来的规模，只保留了一个很小 的供观赏的人工湖，完全失去了蓄能发电 的作用。
废弃的瓦里昂大坝
残存的瓦依昂水库
瓦依昂山谷中仍裸露的岩石
3.4 结构面的力学性质
1 引起工程岩体失稳破坏
为什么 要研究 结构面 的力学 性质？
2 控制岩体变形 3 控制地下水渗透
地质环境
坝址区主要地质问题为向斜褶皱裂隙 和断裂较发育。 裂隙主要有三组，一是层理和层理裂 隙，充填有极薄的泥化物；二是与河流流 向垂直的垂直裂隙；三是两岸岸坡卸荷裂 隙，重叠分布，形成深度为100～150m的卸 荷软弱带，这三组裂隙将岩体切割成 7m×12m×14m的斜棱形体。
地质环境
施工刚开始，工程人员就发现左坝肩岸坡 很不稳定，根据瓦依昂河谷地质结构，有学者 提出有产生深部滑坡的可能性，但设计师认为 深部滑坡不可能发生，施工照常进行，直到大 坝建成，仍未对岸坡的稳定性及发展趋势作出 明确判断。 不过设计师还是按常规考虑了水库可能发 生的各种灾害，如坝体破坏、滑坡等问题，并 在大坝下游及与居民点相近的地点设置了一系 列诸如防洪墙、泄洪道之类防洪减灾设施。
式中，JCS是结构面的抗压强度，φb是岩石表面的 基本摩擦角，JRC为结构面粗糙性系数。
3.4.3 结构面的抗剪强度
JCS n tan JRC lg b n
JRC在0-20间变化:
平坦近平滑结构面为5; 平坦起伏结构面为10; 粗糙起伏结构面为20;
灾难降临
此时水库中仅有5000万立方米蓄水， 不到设计库容的1/3。横向滑落的滑坡体在 水库的东、西两个方向上产生了两个高达 250米的涌浪：东面的涌浪沿山谷冲向水库 上游，将上游10公里以内的沿岸村庄、桥 梁悉数摧毁；西面的涌浪高于大坝150米， 翻过大坝冲向水库下游，由于坝下游河道 太狭窄，越坝洪水难以迅速衰减，致使涌 浪前峰到达下游峡谷出口时仍然高达70米 。洪水涌入皮亚韦河，彻底冲毁了下游沿 岸的1个市镇和5个村庄。
灾难降临
ENEL企图降低位移速度，开始缓慢降 低水位至705米，但从9月28开始瓦依昂地 区普降大雨，进一步恶化了岸坡结构，所 以位移不但没有降低，反而继续增加，至 每天超过20厘米的惊人水平。瓦依昂山谷 中发出奇怪的声音，水库里的水也变得浑 浊，山脚下的公路在两年的时间里移动了 半米多。当地政府发出警告，惶恐不安的 村民开始陆续逃离家园，然而这一切已经 太晚太晚。
剪切变形曲线从形式上可划分成“弹性区”、剪应力峰 值区和“塑性区”。通过将弹性区单位变形的应力梯度 称为剪切刚度Kt。 2）剪切刚度Kt 剪切刚度：K
t
t
1974年Goodman提出：
Kt Kt 0 1 s
式中：Kt0－初始剪切刚度 τs－产生较大剪切位移 时的剪应力渐近值
3.4.3 结构面的抗剪强度
低法向应力时的剪切，结构面有剪切位移和剪胀；高法 向应力时，凸台剪断，结构面的抗剪强度最终变成残余 抗剪强度。 凸台起伏形成的粗糙度和岩石强度对结构面的抗剪强度 起着重要作用。 Barton和Choubey(1977)提出结构面的抗剪强度公式：
JCS n tan JRC lg b n
逃 过 一 劫 的 萨 索 镇 （ 左 上 角 ）
问题归责
由于滑坡涉及的范围太大，当地地质水文情 况又极为复杂，要彻底弄清滑坡滑动机理及原因 并不是件容易的事情。但毫无疑问，贪婪是导致 灾难的罪魁祸首.建设方在明知地质查勘不充分、 地质人员素质不高的情况下仍然一意孤行，利润 的诱惑同样是一个重要原因。如果不是贪婪，大 坝的高度就不会是后来的264.6米，而是最初设计 的230米，对边坡的浸泡就不会有后来那么严重的 灾难后果，至少滑坡的规模会大幅下降；即便大 坝加高，发现滑坡苗头及时停止蓄水，而不是急 于通过验收，也可以挽救上下游数千人的生命。
3.4.2 剪切变形与剪切刚度
3）剪切变形方程 1975，卡尔哈维（Kalhaway)提出：
式中：m=1/k0,
k0:初始剪切刚度; n=1/τ0, τ0－产生较
m n t
t
大剪切位移时的剪应力渐近值 4）剪切变形特征 ①两种类型： a.坚硬、无充填物－脆性变形： 有明显的峰值、应力降 b.软弱、有充填物－塑性变形： 无明显的峰值、应力降
3.4.3 结构面的抗剪强度
结构面力学性质具有尺寸效应：
随着结构面尺寸的增大，达到峰值强度时的位移量增 大； 由于尺寸的增加，剪切破坏形式由脆性破坏向延性破 坏转化； 尺寸加大，峰值剪胀角减小； 随结.1 法向变形与法向刚度
2）班迪斯（Bandis,1984） 通过对大量的天然、不同 风化程度和表面粗糙程度 的非充填结构面进行试验 研究，提出了双曲线型法 向应力与法向变形的关系
n
a b n
n
式中：a、b为常数 法向刚度kn
n 1 Kn n (a bn ) 2
蓄 水 试 验 中 发 生 的 两 次 崩 岸
灾难降临
1962年底，国家电力公司（ENEL）从 SADE手中买下了瓦依昂水库，为尽早通过 验收，从1963年初开始，蓄水试验的步子 再一次加快。到4月份，库区水位突破700 米，达到702米；7月中旬，水位进一步增 至710米，某些控制观察点录得每天超过 0.5厘米的移动量；到8月份增加到每天0.8 厘米。到了9月初，水位提高至715米时， 位移速度已增至每天3.5厘米。
t
式中： ：原位压力 max ：最大可能闭合量 s，t：与结构面几何特征、岩石力 学性质有关的两个参数
3.4.1 法向变形与法向刚度
法向刚度Kn （Goodman,1974）
2
K n 0 max n Kn Kn0 K n 0 max
式中Kn0：结构面的初始刚度 实质：每点的切线斜率
②风化结构面，峰值位移变大、剪切刚度变小
③随法向应力减小、剪切规模增大，剪切刚度减小
3.4.2 剪切变形与剪切刚度
4）剪胀现象与剪断现象
①岩石强度↑，爬坡角i↓，法向力N↓，发生剪胀现象(b)
②岩石强度↓，爬坡角i↑，法向力N↑，发生剪断现象(c) 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。
灾后的瓦依昂大坝
不幸中的万幸
另外一个在鬼门关前转了一圈的是身 处瓦依昂水库北岸山坡的萨索镇（Casso） ，由于地势较高，滑坡体冲到小镇脚下仅 几十米的地方停了下来，全镇数千人因此 逃过一劫。大难不死的萨索人事后足足举 行了一个月的弥撒，并在每年的10月9日举 行纪念活动，感谢万能的上帝对小镇的庇 护，这一习俗沿袭至今。
3.4 结构面的力学性质
1 引起工程岩体失稳破坏
为什么 要研究 结构面 的力学 性质？ （意大利 瓦依昂 水库库岸滑坡） （中国 拓溪 水库 库岸滑坡） 2 控制岩体变形