岩体的变形与破坏

三、岩体的强度特征
• 单轴应力状态时，结构与方向决定了岩体 的破坏形式。 • 复杂应力状态时，含一组结构面的岩体破 坏形式与岩体性质、结构面产状，应力状 态关系很大。
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 一、拉应力条件下的拉断破坏 • 当 1 3 3 0 时，拉应力对岩石破坏起主导 作用。
C


3.5.4粘滑和嵌入蠕变
• 粘滑：指剪切破坏过程中，由于动、静摩 擦角的差异或由于凸起体剪断、翻越，或 由于转动磨擦中的翻转所造成的剪切位移 突跃现象。 • 粘滑现象可能与剪切上的凸起体嵌入蠕变 机制有关。 • 嵌入时，静磨擦系数将提高。
3.5.4粘滑和嵌入蠕变
结论： ①按运动特征，沿结构面的滑移分稳滑和粘滑面种 基本类型。 • 稳滑状态的产生条件：结构面平堤或有足够厚的 夹泥。 • 匀速滑动 ②粘滑时释放的能量大小不仅与粘滑机制有关，对 某一特定剪切滑移，停止活动承受法向应力时间 愈长，则粘滑时释放的能量也就愈高。
3.3.3卸荷造成的变形、破裂空间 组合模式 3.4动荷载（略）
3.5岩体变形破坏过程中的时间效应
• 分两种类型：蠕变、松驰
3.5.1岩石变形时间效应介质模型
• 经典的描述介质流变性能的本构模型为马 克斯韦尔模型和开尔文模型。这种模型仅 考虑了粘性和弹性性质，而没有考虑岩石 介质的塑性性质。 • 经过这些单元的不同组合，可形成各种各 样岩体的流变本构模型。 • 岩体力学课程已介绍。
2 2
2
1
3
3
1
1
2
极梁弯曲变形分三个阶段。
①轻微隆起阶段 • 弯曲初期。梁底中心两侧出现局部塑性破坏，顶 部受拉，但尚未破坏。（H/D=1.8%），H上隆量。 ②强列隆起阶段 • 随弯曲加剧，轴部顶、底均出现破坏区，并有上 下贯通的趋势。H/D=7.8%。 ③折断破坏阶段 • 破坏进一步扩展，最终连通、折断破坏。 （H/D=4.8%）
3.5.2岩体的累进性破坏和加速蠕变
• 累进性破坏，即应力变化不大，岩体中的 微裂缝不断的扩展、转移直至整体破坏。 • 流变试验已经证实，只有应力水平达到或 超过其长期强度，加速蠕变阶段才能出现 （累进性破坏）。
3.5.3岩体变形破坏与应变速率的关系
• 由马克斯韦尔模型来说明。 • 应变： T t （ (t )） E • 应变速率：
四、纵弯过程中的滑脱
分两种形式： • 背斜式滑脱：轴部虚脱，翼部单剪式剪裂。 • 向斜式滑脱：主要发生向临空面方向的滑 脱，甚至核部挤出。（地面剥蚀）
3.3岩体在卸荷过程中的变形与破坏
3.3.1基本类型 • 拉裂面：拉应力集中部位 • 压致拉裂面：平行临空面的拉裂面 • 剪裂面：层间剪切滑段 • 基坑底板弯曲隆起等。
3.6空隙水压力在岩体变形破坏中的 作用
一、有效应力原理在岩体中的适用性 • 完全适用 • 注意：其对岩体强度的影响。
ntg c
'
( n p )tg e
• 显然，τ’< τ。即存在时，岩体强度降低。
二、空隙水压力变化对岩体变形破坏的 影响 • Pu ↗， ↘。反之变然。
3.2.3弯曲变表破坏机制与过程
一、弯曲变形的基本形式 • 按受力条件：横弯、纵弯。 • 按约束条件：简支梁、外伸梁、悬臂梁。 • 梁弯曲时，轴受挤压，两翼受剪力作用→ 板梁滑脱
二、横弯条件下岩体的弯形与破坏
a. 轴部区 1 ( ) ( ) ( ) ， y 代表岩石 • 若以 2 的曲服应力。 b. 横弯滑脱 • 滑脱可缓解轴部应力集中现象，亦可使翼 部应变能释放。但可引起地震。
1/5~1/4[ σ]不可拉断转化为剪切。 1/3~2/3[σ]可由剪切转化为塑性破坏。
• 有人认为（纳达），可用σ2偏向σ1的程度 来划分应力状态类型。
• 应力状态类型参数
2 2 1 3 1 3
• （＝1，即σ2＝σ1； ＝－1，即σ2＝σ3）
二、岩体破坏形式与岩体结构的关系
低围压条件下岩石三 轴试验表明: • 坚硬的完整岩体主要表现为张性破坏。 • 含软弱结构面的块状岩体，当结构面与最大主应 力夹角合适时，则表现为沿结构面的剪切。 • 碎裂岩体的破坏方式介于二者之间。 • 碎块状或散体状岩体主要为塑性破坏。 对第一种情况，某破坏判据已经介绍很多了。 第二种情况，可采用三向应力状态莫尔圆图解简 单判断。
三、纵弯曲条件下岩体的变形与破 坏
a. 极梁的屈曲的应力条件 • 由经典欧拉公式，简支梁条件下，屈曲的 纵向压力 N cr
N cr
2E J
l2
• 其中惯性矩J=bh3/12 （矩形梁板时取单宽） • 则临界应力
N cr
EJ h
2
2
l
2
L

N lr bh
• 多层板梁组合情况（二层介质），等厚
• 空隙水压力变化原因： ①地下水补排条件变化（略） ②岩体受荷状态变化 • 形成超孔隙水压力如地震，土力学介绍很多。 ③岩体变形、破裂 • 封闭水体，破裂形成使空隙水压力降低甚至形成负压，形 成膨胀强化现象。 • 非封闭水体，破裂扩容超过地下水补给，亦可形成膨胀强 化现象。 • “水击”现象。
3.7岩体变形、破坏的地质力学模式
[ 3 ] S t
二、压应力条件下的拉断破坏
• 压应力条件下裂缝尖端拉应力集中最强的 部位位于与主压应力是 30 ~ 40 地方向上， 3 并逐渐向与 1 平行地方向扩展。当 1 3时， 0 破坏准则为：
( 1 3 ) 2 /( 1 3 ) 8S t
3.3.2差异性卸荷回弹造成的破裂
一、张性破裂面 • a. 材料性质不同造成 • b. 应力历史不同造成 • 颗粒受压变形，后期胶结，胶结物未经压 缩，卸荷面导致颗粒与胶结物接触界面上 的拉裂。 • 裂纹之高部受压亦相同。
3.3.2差异性卸荷回弹造成的破裂
二、剪切破裂 • 以 状岩芯为典型 • 其本质也是差异性卸荷回弹，所不同的是 其差异性卸荷回弹是由受限面引起的。
• 3 =0时为单轴压拉断。
3.2.2剪切变形破坏机制与过程
一、潜在剪切面剪断机制与过程 A．滑移段 B．锁固段 • 进入稳定破裂阶段后，岩体内部应力状态变化复 杂。产生一系列破裂。 （1）拉张分支裂隙的形成，原理同前。 （2）不稳定破裂阶段法向压碎带的形成，削弱锁 固段岩石。 （3）潜在剪切面贯通。
第三章
岩体的变形与破坏
3.1基本概念及研究意义
• 变形：岩体的宏观连续性无明显变化者。 • 破坏：岩体的宏观连续性已发生明显变化。 • 岩体破坏的基本形式：（机制）剪切破坏 和拉断（张性）破坏。
一、岩体破坏形式与受力状态的关系
• 岩体破坏形式与围岩大小有明显关系。 • 注意：岩全破坏机制的转化随围压条件的 变化而变化。 • 破坏机制转化的界限围压称破坏机制转化 围压。
c= T t
• 当 0 时，即 常数， 常数。 应为等速蠕变，岩体内应力保持不变。 • 当 <0，则C< ，岩体松驰。 • 当 >0，则C> ，岩体内应力有增加趋 势，直至达到新的平衡。 岩体变形过程存在一临界应变速率C0。 • 当C<C0时，无加速蠕变。 • 反之，当C>C0时，加速蠕变，可导致岩体 破坏可能。 • 当应变速率C降低，岩体内应力将逐渐减小， 松驰。
J cr 3 E1 E 2 6n
2 2 2 1/ 3
n：板梁层数 • 弯曲段波长：
n1 1 / 3 Wd 2h( ) 6 2
三、纵弯曲条件下岩体的变形与破坏
b. 轴部的变形与破坏 • 亦可分为三个阶段： ①轻微隆起阶段，顶部拉裂，底部出现剖面x 节理。 ②强裂隆起阶段，顶部拉裂向纵深发展，底 部x节理，护展层为中性层。 ③剪断破坏阶段，x节理与拉裂面贯通，或切 断板梁形成逆冲断裂。大多数背斜符合纵 弯模式。
• 剪胀，压碎带剪坏，锁固段变薄弱，最终 全面贯通。 • 剪切破坏过程中岩石销固段被各个击破， 所以整个剪切过程中剪切位段具有脉动的 特征。
3.2.2剪切变形破坏机制与过程
二、单剪应力条件下变形破坏机制与过程 • 即力偶作用于有一定厚度的剪切带中。 • 这种应力条件下可出现的两种破坏，张性 雁裂和压扭性雁裂。其中张性雁裂对软弱 带的强度削弱最大。 三、沿已有结构面剪切机制及过程（略）
岩体变形的基本单元
拉裂 蠕滑 弯曲 剪流 含压致拉裂 脱性 剪切 悬臂梁弯曲、纵、横弯 塑性流动
上述各变形单元往往不是单独产生，往往 相伴另外的变形单元，且互为因果的变形 单元对变形、破坏起主导作用。
基本组合地质模式：
蠕滑—拉裂 滑移—压致拉裂 弯曲—拉裂 塑流—拉裂 滑移—弯曲