岩体强度分析及其计算方法
岩体结构面粗糙度评价与峰值抗剪强度估算方法研究
岩体结构面粗糙度评价与峰值抗剪强度估算方法研究一、引言岩体是地质工程中常见的工程材料，其结构面的粗糙度对工程稳定性有着重要的影响。
岩体结构面的粗糙度评价及峰值抗剪强度估算方法的研究，对工程施工和设计具有重要的指导意义。
本文将从岩体结构面粗糙度评价与峰值抗剪强度估算方法入手，深入探讨相关内容。
二、岩体结构面粗糙度评价1. 岩体结构面粗糙度的含义岩体结构面的粗糙度是指岩石结构面的几何形态和表面特征，包括凹凸不平、沟槽纵横等特征。
粗糙度是表征岩体结构面不规则程度的重要参数，直接影响岩体的稳定性和抗剪强度。
2. 岩体结构面粗糙度评价方法目前常用的岩体结构面粗糙度评价方法包括视觉法、分形分析法、地面探测技术等。
视觉法是利用肉眼判断岩体表面凹凸程度和表面特征的方法，分形分析法则是通过分形维数等参数来描述岩体结构面的几何形态。
地面探测技术包括激光扫描技术、地质雷达等，能够实时获取岩体结构面的数据，并进行数字化处理。
三、峰值抗剪强度估算方法研究1. 峰值抗剪强度的概念岩体结构面的峰值抗剪强度是指岩体在抗剪载荷作用下的最大抗剪强度。
峰值抗剪强度的准确估算对于工程设计和施工具有重要意义，能够有效预测岩体在工程作用下的稳定性。
研究岩体结构面的峰值抗剪强度估算方法具有重要意义。
2. 峰值抗剪强度估算方法常见的岩体结构面峰值抗剪强度估算方法包括经验公式法、试验法和数值模拟法。
其中，经验公式法是通过对已有岩石样本的试验数据进行统计分析，建立经验公式来估算峰值抗剪强度；试验法是通过室内或野外试验来直接测定岩体的峰值抗剪强度；数值模拟法则是利用数值模拟软件对岩体结构面进行模拟分析，得出峰值抗剪强度。
四、个人观点和总结本文从岩体结构面粗糙度评价与峰值抗剪强度估算方法的研究入手，探讨了相关内容。
岩体结构面的粗糙度评价和峰值抗剪强度估算是地质工程中的重要课题，对于工程的安全和稳定具有重要的影响。
在实际应用中，需要综合考虑各种方法，结合岩体实际情况来进行评价和估算，以确保工程的安全和稳定。
岩体结构面抗剪强度参数取值方法综述
岩体结构面抗剪强度参数取值方法综述引言：岩体结构面的强度是岩体力学特性中的一个重要参数，它对于岩体的稳定性和工程施工具有重要影响。
岩体结构面抗剪强度参数的准确取值是岩体力学研究中的一个重要问题。
本文综述了近年来关于岩体结构面抗剪强度参数取值方法的研究进展和应用情况。
一、传统取值方法1.刚度比法：该方法是通过测量岩体结构面位移和正常应力的变化，计算结构面的刚度比值。
刚度比值的大小与抗剪强度参数有关。
2.负载试验法：该方法是通过进行室内或现场的岩石试验，测量不同应力下岩体结构面的位移和正应力，根据剪切位移与正应力的关系确定抗剪强度参数。
3.断裂力学法：该方法是基于断裂力学理论，通过对岩体结构面断裂机理的研究，推导出抗剪强度参数的计算模型。
以上三种传统的取值方法都存在一定的局限性，例如需要大量的试验数据和经验参数，且结果的准确性受人为因素影响较大。
二、现代取值方法1.数值模拟法：该方法利用计算机仿真的技术手段，建立岩体结构面抗剪强度参数的数值模型，通过不同工况下的数值模拟计算，得到抗剪强度参数。
2.获取实测数据：该方法通过在实际工程中对岩体结构面进行监测，测量结构面的位移和应力等参数，从而直接获取抗剪强度参数。
3.统计学方法：该方法利用大量的岩体结构面力学试验数据，通过统计学方法对数据进行处理，得到抗剪强度参数的统计特征，并进行参数估计。
现代取值方法相较于传统方法具有更高的精度和准确性。
数值模拟法可以通过模拟不同的工程情况，得到更具代表性的抗剪强度参数。
获取实测数据的方法能够真实反映结构面的实际工况和力学特性。
统计学方法则可以通过大量的数据分析，得到更加可靠的参数估计结果。
与此同时，近年来还出现了一些基于机器学习和深度学习的方法，通过利用大量的数据训练模型，得到更精准的抗剪强度参数预测结果。
这些方法在理论和实际应用中都取得了一定的成功。
结论：岩体结构面抗剪强度参数取值方法多种多样，传统方法和现代方法各有特点。
岩体力学计算题
计算题四、岩石的强度特征(1) 在劈裂法测定岩石单轴抗拉强度的试验中，采用的立方体岩石试件的边长为5cm，一组平行试验得到的破坏荷载分别为16.7、17.2、17.0kN，试求其抗拉强度。
解：由公式σt=2P t/πa2=2×P t×103/3.14×52×10-4=0.255P t(MPa)σt1=0.255×16.7=4.2585σt2=0.255×17.2=4.386σt3=0.255×17.0=4.335则所求抗拉强度：σt==(4.2585+4.386+4.335)/3=4.33MPa。
(2) 在野外用点荷载测定岩石抗拉强度，得到一组数据如下：试计算其抗拉强度。
(K=0.96)解：因为K=0.96，P t、D为上表数据，由公式σt=KI s=KP t/D2代入上述数据依次得：σt=8.3、9.9、10.7、10.1、7.7、8.7、10.4、9.1。
求平均值有σt=9.4MPa。
(3) 试导出倾斜板法抗剪强度试验的计算公式。
解：如上图所示：根据平衡条件有：Σx=0τ-P sinα/A-P f cosα/A=0τ=P (sinα- f cosα)/AΣy=0σ-P cosα-P f sinα=0σ=P (cosα+ f sinα)式中：P为压力机的总垂直力。
σ为作用在试件剪切面上的法向总压力。
τ为作用在试件剪切面上的切向总剪力。
f为压力机整板下面的滚珠的磨擦系数。
α为剪切面与水平面所成的角度。
则倾斜板法抗剪强度试验的计算公式为:σ=P(cosα+ f sinα)/Aτ=P(sinα- f cosα)/A(4) 倾斜板法抗剪强度试验中，已知倾斜板的倾角α分别为30º、40º、50º、和60º，如果试样边长为5cm,据经验估计岩石的力学参数c=15kPa，φ=31º，试估计各级破坏荷载值。
岩体的强度特性
2CJ +2 fJ σ3 σ1m =σ3 + Байду номын сангаас1− fJctgβ) sin2β
12
岩石力学
三、单结构面强度效应
对岩体强度有影响的节理方位角： 对岩体强度有影响的节理方位角： β1≤β≤ β2 可以直接在图上量取， β1、β2可以直接在图上量取，也可以由 正弦定律推求： 正弦定律推求：
2 n c
28
岩石力学
五、岩体强度估算
Hoek曾指出， 与库伦— Hoek曾指出，m与库伦—莫尔判据中的内 曾指出 摩擦角Φ非常类似， 则相当于内聚力C 摩擦角Φ非常类似，而s则相当于内聚力C 值。如果这样，根据Hoek—Brown提供的常 如果这样，根据Hoek—Brown提供的常 Hoek 最大为25 25， 数，m最大为25，显然这时估算的岩体强度 偏低， 偏低，特别是在低围压下及较坚硬完整的 岩体条件下，估算的三轴强度明显偏低。 岩体条件下，估算的三轴强度明显偏低。 但对于受构造扰动及结构面较发育的裂隙 化岩体，Hoek(1987)认为用这一方法估算 化岩体，Hoek(1987)认为用这一方法估算 是合理的。 是合理的。
(σ1 + σ 3 + CJ ctgϕJ )sin ϕJ 1 β1 = + arc sin[ ] σ1 − σ 3 2 2 (σ1 + σ 3 + CJ ctgϕJ )sin ϕJ 1 β2 = + − arc sin[ ] σ1 − σ 3 2 2 2
ϕJ π
ϕJ
13
岩石力学
三、单结构面强度效应 岩石（岩块） （2）、岩石（岩块）破坏：
岩石力学第5章 岩体的本构关系与强度理论
= + + + +
λ
σ
所以有
λ =
ε σ
伊柳辛理论可以写成（弹ຫໍສະໝຸດ 性共有） 伊柳辛理论可以写成= = =
ε σ ε σ ε σ
γ γ γ
=
ε τ σ
ε = τ σ
=
ε τ σ
弹性部分
= = =
塑性部分（总应变偏量与弹性
应变偏量之差）
γ γ γ
= = =
τ τ τ
= = =
ε σ ε σ ε σ
γ γ γ
=
ε σ
τ τ τ
ε = σ ε = σ
式中关键是等效应变与等效应力的比值 式中关键是等效应变与等效应力的比值
⑷ 形变理论应满足的条件 加载应为单调增加，尽量不中断，更不能卸载 材料是不可压缩的 应力应变曲线具有幂化形式 小变形（弹性与塑性变形为同一量级） ⑸ Davis-儒柯夫试验 儒柯夫试验 试验材料—铜材 拉力与内压比值k不同（同一试件k为常数） 做出σi～εi曲线 结论：类似单轴简单加载
ε ε ，有 σ σ
=
φ
所以：
=
+φ
= =
+
这就是Hencky 本构方程，它 本构方程， 这就是 包括了弹性变形 弹性变形与 包括了弹性变形与塑性变形
ε σ
=
+
=
+φ
=
+
ε σ
⑶ 应变偏量与应力偏量成比例
= =
γ = τ
= λ
γ = τ
γ = τ
= λ
主应力、 主应力、主应变偏量关系
= =
应变强度（参见公式（1-29）page 20） 应变强度
岩石的物理力学指标及其试验方法、强度特性、变形特性、强度理论、工程岩体分级标准
（一）掌握岩石的物理力学指标及其试验方法；了解岩石的强度特性、变形特性、强度理论；掌握工程岩体分级标准。
1.物理力学指标（物理性质指标）
岩石的容重：单位体积内岩石(包括孔隙体积)的重量称为岩石的容重，单位（N/m³）。
干容重：就是指不含水分状态下的容重。
一般用于表示土的压实效果，干容重越大表示压实效果越好。
最大干容重：是在实验室中得到的最密实状态下的干容重。
密度：单位体积所具有的质量称为密度，公式ρ=m/V(kg/m3);单位体积所具有的重量称为容重，公式γ=G/V（N/m3)，容重等于密度和重力加速度的乘积，即γ=ρg，单位是牛/立方米（N/m³）。
岩石的比重：岩石的比重就是绝对干燥时岩石固体部分实体积(即不包含孔隙的体积)的重量与同体积水(4℃)的重量之比。
单轴压缩试验试件要求：
端部效应是指试样受压时，两端部受其与试验机承压极间摩擦力的束缚、不能自由侧向膨胀而产生的对强度试验值的影响。
渗透系数
2.物理力学指标（变形性质指标）
弹性模量
变形模量
泊松
弹性模量：单位应变的应力。
3.物理力学指标（强度性质指标）
强度指标：抗压强度、抗剪强度、抗剪断强度、抗切强度、抗拉强度
三轴压缩试验：
岩石的强度特性、变形特性、强度
岩石三轴试验要求尽可能地使岩石处于三轴受力情况下
、。
岩体地质强度指标(GSI)特征分析
47.72 48.08 47.47
46.23 36.88 44.98
48.97 48.55 48.24
RMR 定量 GSI
41.66 43.80 44.13
43.49 43.79 43.88
42.72 43.08 42.47
41.23 31.88 39.98
43.97 43.55 43.24
表 4 地下水影响修正评分
节理水压力/最大主应力
0 约0.1 0.1耀0.2 0.2耀0.5 跃0.5
涌水量/渊L/min冤
0 约10 10耀25 25耀125 跃125
描述
完全干燥 潮 湿润
滴水渊普通冤 流水渊严重冤
评分 R2
0 4 7 10 15
修正参数 Jm 是根据表 3尧4 对现场岩体进行评 分所求之和遥 GSI 值的修正式如式渊6冤所示遥
杨山五段边坡岩体的 GSI 值采用定性与定量
相结合的方法遥 根据现场地质调查袁每段边坡岩体
均发育有结构面袁其中以节理面居多遥 本研究利用
SCR尧SR 对岩体结构特征进行区间值量化袁通过改
进的 GSI 定量化表格确定 GSI 值袁 对比采用 RMR
值间接计算 GSI 值袁 结果见表 2袁 计算所得的 GSI
黄达[5-6]等提出了结构面产状修正评分表袁该表 针对 RMR 体系中结构面产状及其分类进行评分袁 见表 3袁琢 为边坡走向与节理组走向的夹角曰茁 为节
理组倾角遥 非常有利时 R1=0袁非常不利时 R1=15遥 地下水对岩体力学性质的影响按照地下水的
影响没有时 R2=0袁很大时 R2=15袁见表 4遥
地质强度指标是 E. Hoek 提出的一种围岩分 级系统袁GSI 的取值直接与岩体力学参数相联系袁 因此 GSI 围岩分级与 Hoek-Brown 强度准则的联 合使用在工程实践中更具有可操作性袁能够方便尧 及时尧准确地反映岩体的实际情况遥
岩体力学岩石的强度特性
4.影响单轴抗压强度旳主要原因
(1)承压板端部旳摩擦力及其刚度(加垫块旳根据) (2)试件旳形状和尺寸
形状：圆形试件不易产生应力集中，好加工 尺寸：不小于矿物颗粒旳10倍； φ50旳根据 高径比：研究表白；h/d≥(2－3)较合理
第三节 岩石旳强度特征
工程师对材料提出两个问题
1 最大承载力——许用应力[σ] ？ 2 最大允许变形－－许用应变[ε]？ 本节讨论[σ]问题
强度：材料受力时抵抗破坏旳能力。
强度
单向抗压强度
单向抗拉强度
剪切强度 三轴压缩
真三轴 假三轴
一 岩石旳单轴抗压强度
1.定义：指岩石试件在无侧限旳条件下， 受轴向压力作用破坏时单位面积上承受旳 荷载。
Rc P / A
式中：P——无侧限旳条件下旳轴向破坏荷
载
A——试件界面积
2.试件措施：
（1）试件原则：
圆柱形试件：φ4.8－5.2cm ，高H=（2－2.5)φ 长方体试件：边长L= 4.8－5.2cm , 高H=（2－ 2.5)L
试件两端不平度0.5mm；尺寸误差±0.3mm; 两端面垂直于轴线±0.25o
（2）加载途径对岩石三向压缩强度影响
A、B、C三条虚线是三个不同旳加载途径， 加载途径对岩旳最终三向压缩强度影响不大。
（3）孔隙水压力对岩石三向压缩强度旳影响
孔隙水压力使有效应力（围压）减小 强度降低
有水
无水
3.单向压缩试件旳破坏形态
破坏形态是体现破坏机理旳主要特征； 其主要影响原因：①应力状态 ②试验条件 破坏形态有两类： （1）圆锥形破坏 原因：压板两端存在摩擦力，箍作用（又称端部效应） （2）柱状劈裂破坏 张拉破坏（岩石旳抗拉强度远不大于抗压强度） 是岩石单向压缩破坏旳真实反应（消除了端部效应）
岩体级别的计算公式
岩体级别的计算公式岩体级别是指岩石的质量和强度等特性的综合评价，通常用于工程建设和地质勘探中。
岩体级别的计算公式是通过对岩石的物理性质和工程性质进行分析和计算得出的，可以帮助工程师和地质学家更好地了解岩石的特性，从而进行合理的工程设计和勘探工作。
岩体级别的计算公式通常包括岩石的密度、抗压强度、抗拉强度、岩石的弹性模量、泊松比等参数。
这些参数可以通过实验室测试或者现场勘探得到，然后根据一定的计算公式进行综合评价。
下面我们将详细介绍岩体级别的计算公式及其应用。
1. 岩石密度的计算公式。
岩石密度是指岩石单位体积的质量，通常用g/cm3或kg/m3来表示。
岩石密度的计算公式为：ρ = m/V。
其中，ρ表示岩石的密度，m表示岩石的质量，V表示岩石的体积。
岩石的密度可以通过实验室测试或者现场测量得到，是岩体级别评价的重要参数之一。
2. 岩石抗压强度的计算公式。
岩石抗压强度是指岩石在受到压力作用时的抵抗能力，通常用MPa或Pa来表示。
岩石抗压强度的计算公式为：σc = F/A。
其中，σc表示岩石的抗压强度，F表示岩石受到的最大压力，A表示岩石受压的横截面积。
岩石的抗压强度可以通过实验室试验或者现场测量得到，是岩体级别评价的重要参数之一。
3. 岩石抗拉强度的计算公式。
岩石抗拉强度是指岩石在受到拉力作用时的抵抗能力，通常用MPa或Pa来表示。
岩石抗拉强度的计算公式为：σt = F/A。
其中，σt表示岩石的抗拉强度，F表示岩石受到的最大拉力，A表示岩石受拉的横截面积。
岩石的抗拉强度可以通过实验室试验或者现场测量得到，是岩体级别评价的重要参数之一。
4. 岩石的弹性模量和泊松比的计算公式。
岩石的弹性模量和泊松比是岩石的弹性特性参数，分别表示岩石在受到外力时的变形和应力状态。
岩石的弹性模量和泊松比的计算公式为：E = F/ΔL/L。
ν = ΔW/W。
其中，E表示岩石的弹性模量，ν表示岩石的泊松比，F表示岩石受到的外力，ΔL表示岩石的长度变化，L表示岩石的初始长度，ΔW表示岩石的横向变形，W表示岩石的纵向变形。
岩石的强度
3.2
岩石的强度性质
3.2.2 岩石的抗拉强度
目前常用混凝土试验中的劈裂法测定岩石的抗拉强度。 试件的形状用得最多的是圆柱体和立方体。试验时沿着圆柱体的直径方向施 加集中荷载，这可以在试件与上、下承压板接触处各放一根钢丝来实现。这 样试件受力后就有可能沿着受力的直径裂开，见图 ：
3.1
岩石的破坏形式：
概述
1）脆性破坏： 大多数坚硬岩石在一定的条件下都表现出脆性破坏的性质。 也就是说，这些岩石在荷载作用下没有显著觉察的变形就突然破坏。产生这 种破坏的原因可能是岩石中裂隙的发生和发展的结果。
例如，在地下洞室开挖后，由于洞室周围的应力显著增大，洞室围岩可能产生许 多裂隙，尤其是洞室顶部的张裂隙，这些都是脆性破坏的结果。
花岗岩 闪长岩 粗玄岩
石灰岩 白云岩 煤
玄武岩
砂 岩 页 岩
150~300
20~170 10~100
10~30
4~25 2~10
片麻岩
大理岩 板 岩
50~200
100~250 100~200
5~20
7~20 7~20
3.2
岩石的强度性质
3.2.1 岩石的抗压强度——影响因素
(1) 结晶程度和颗粒大小：岩石的结晶程度和颗粒大小对其抗压强度的影响 是显著的。
概述
3）弱面剪切破坏： 由于岩层中存在节理、裂隙、层理、软弱夹层等软弱 结构面，岩层的整体性受到破坏。在荷载作用下，这些软弱结构面上的剪应 力大于该面上的强度时，岩体就产生沿着弱面的剪切破坏，从而使整个岩体 滑动。图3-1为几种破坏形式的简图。
图3-1 岩石的破坏形式
（a）、（b）脆性断裂破坏；（c）脆性剪切破坏；（d）延性破坏；（e）弱面剪切破坏
岩石的强度理论及破坏判据
和抗拉强度来确定。
0
σ c/2
σc
σ1
-σt
A
S
岩石强度理论与破坏判据
三、 莫尔强度理论
莫尔（Mohr，1900年）把库仑准则推广到考虑三向应力状态。最主
要的贡献是认识到材料性质本身乃是应力的函数。他总结指出“到极 限状态时，滑动平面上的剪应力达到一个取决于正 应力与材料性质的最大值”，并可用下列函数关系表示：
Griffith把该理论用于初始长度为2C的椭圆形裂纹的扩展 研究中，并设裂纹垂直于作用在单位厚板上的均匀单轴拉 伸应力σ的加载方向。当裂纹扩展时满足下列条件：
2Ea C
式中：a为裂纹表面单位面积的表面能；E为非破裂材料的弹
性模量。
σ3
P
σ3
8σ t
σ 3
σ 1=-σ t
P
σ1
σ
图7-12 平面压缩的Gr1iffith裂纹模型
一、 概 述
岩石强度理论：研究岩石在一定的假说条件下在各种
应力状态下的强度准则的理论。 强度准则：又称破坏判据，是表征岩石破坏条件的应
力状态与岩石强度参数间的函数关系，可用如下的方程 表示:
σ1= f (σ2 ,σ3 ,σC ,σt ,C ,Ф )
或处于极限平衡状态截面上的剪应力 和正应力 间
的关系方程：
单轴压缩条件下，有 3 0,1： c
解得：
n2
2c
2t
n
2 c
0
n c 2t 2 t t
利用这些式子可判断岩石试件是否破坏。
2、双曲线型 砂岩、灰岩、花岗岩等坚硬、较坚硬岩石的强度包 络线近似于双曲线（图 7-11 ) ，其表达式为：
岩体强度和力学参数.ppt
mb , S, a
--岩体力学参数
GSI根据岩体所处的地质环境、岩体结构特性和表面特性来确 定。但以往在岩体结构的描述或岩体结构的形态描述中缺乏 定量化, 难以准确确定岩体的 GSI 值。为使其描述定量化 , 引入岩体质量 RMR 分级法定量确定岩体质量等级。根据 Z. T. Bieniawski研究认为 , 修正后的 RMR 指标值与 GSI 值 具有等效关系, 确定修正后的 RMR 指标值, 即得出 GSI值。 RMR 分级方法是采用多因素得分, 然后求其代数和 (RMR 值 ) 来评价岩体质量。参与评分的 6 因素 : 岩石单轴抗压强度 ; 岩石质量指标 RQD; 节理间距; 节理性状; 地下水状态; 节 理产状与巷道轴线的关系。在 1989年的修正版中, 不但对评 分标准进行了修正 , 而且对第 4项因素进行了详细分解 , 即 节理性状包括 : 节理长度 ; 间隙 ; 粗糙度 ; 充填物性质和 厚度; 风化程度。 实际应用中应在现场工程地质调查的基 础上, 进行岩体质量指标 RMR 的分析与评价 , 需结合矿区 实际, 在确定优势结构面组后 , 再根据结构面产状与巷道轴 线的关系来确定岩体 RMR 分级节理方向的修正值, 得出岩体 RMR 评分值 , 确定岩体质量等级。（ 参 考 盛 佳 和 李 向 东 基 于 Hoek- Brown强度准则的岩体力学参数确定方法）
岩体强度估算的经验办法
基于岩体弹性波传播速度的经验公式 1)1970 年，日本 Ikeda 提出岩体单轴抗压强度与岩体纵波波速 2 及岩石纵波波速的关系 m
m i , V , , V cm p ci P -- 分别为岩体和岩石的单轴抗压强度与纵波波
cm V p Vi ci p
GSI指标定量化第二种确定方法
岩石抗拉强度
σr ———试件内点r处的径向应力; σθ———试件内点r处的切向应力
2019/1/10 11
圆盘劈裂试验影响因素
垫条方式直接影响载荷与试件接触面的接触程度,从而 影响到岩石抗拉强度的测试精度。 因而,在岩石抗拉强度测定实验中,采用合理的垫条方式 及垫条尺寸对减小测定结果的误差十分重要。
根据资料统计，不同的实验方法所得的岩石抗拉强度并不一 致,并且没有明显的规律性，同一测试方法不同试件尺寸，所 得抗拉强度也不一致，在完全相同条件下进行多次试验，其 结果也是分散的。
3、正方形板对轴压裂试验 对轴压模拉伸试验 等等
2
直接拉伸试验方法
应力集中破坏严重
高强度水泥
高强度树脂
2019/1/10
3
直接拉伸试验方法
计算公式：破坏时的最大轴向拉伸荷载 除以试件的横截面积。即：
P
Rt P / A
A P
2019/1/10 4
劈裂法
弧压劈裂法 角压劈裂法
水压破裂法 巴西法（略）
岩石试件为空心圆柱体 外形尺寸为 直径50mm*100mm 中心孔径可变化 6mm~15mm
2019/1/10
8
点荷载试验法
方法：直接放到现场的点荷载仪上，加载劈裂破坏。
计算：
I P / y2
I ——点荷载强度指标 P ——试件破坏时的极限荷载 y ——加载点试件的厚度
建议：用Ф50mm的钻孔岩芯为试件。
2019/1/10 5
弧压劈裂法
弧形夹具劈裂试验(图a)为国际岩石力学学会实 验室和现场标准化委员会建议的确定岩石材料 抗拉强度的方法。 通过两个弧形夹片片的半径为40mm 圆盘试块的直径为54mm
2019/1/10
岩体结构面抗剪强度参数取值方法综述
岩体结构面抗剪强度参数取值方法综述
1.实验室试验方法：
实验室试验是确定岩体结构面抗剪强度参数最直接和准确的方法之一、常见的实验室试验方法有直剪试验、三轴压缩试验和剪切试验等。
直剪试
验是将两块岩石样品通过一个水平的结构面连接起来，施加的剪切荷载使
样品产生剪切破坏，通过测量剪切强度和剪切性状参数来确定岩体结构面
的抗剪强度参数。
三轴压缩试验是在一个装载设备中同时对岩石样品施加
垂直和水平应力，通过测量样品的应力变形曲线和剪切荷载来确定结构面
的抗剪强度参数。
2.观测法：
观测法是通过实地观测岩体结构面的现象和性质来确定抗剪强度参数。
观测法的主要方法有：测量结构面的面倾角、面周长、面粗糙度、面间隙
的填充情况等。
这些观测结果可以用来估计结构面的粘结强度和抗剪强度
参数。
3.经验公式：
经验公式是通过研究大量岩体结构面的试验数据得到的，并通过统计
分析建立的一些关系式。
这些经验公式可以根据结构面的性质和条件来估
算抗剪强度参数。
例如，Barton模型是根据结构面粗糙度、导向角和结
构面强度参数来估算结构面的抗剪强度。
本文数量编写了一些常用的经验
公式，如Mohr-Coulomb准则、Hoek-Brown准则等。
总的来说，确定岩体结构面抗剪强度参数的方法有实验室试验方法、
观测法和经验公式等。
在实际应用中，综合运用这些方法可以得到较为准
确的结构面抗剪强度参数，并用于岩体力学性质和岩体工程设计中。
但需
要注意的是，不同方法的结果可能存在一定的差异，因此可以综合多种方法进行验证和校正，以提高结果的可靠性。
第六讲 岩体强度
σ
σ （σ 1+σ 3）/2
1 3
2 2 3 1 sin 2 2
1 3
cos 2
（3-24）
要保证结构面稳定或处于极限稳定状态，必须使得式（324）的应力状态满足式上式（3-23）的强度条件。将上式 代入（3-23）式，整理后得：
1 cos sin( j ) 3 sin cos( j ) c j cos j 0
该公式由有效应力原理推导得出
结构面 破坏点
pw
cj tan j
3 ( 1 3 )(cos2
sin cos ) tan j
（3-38）
3.3.3 岩体强度的确定方法
• 岩体强度的确定方法：
– 现场直接测定法：
• • • • • 单轴抗压强度测试； 抗剪强度测定； 三轴抗压强度测定。 准岩体强度计算方法； Hoek-Brown经验公式求算法；
3.3.2 结构面对岩体强度的影响
1. 结构面倾角对岩体强度的影响：
复杂应力状态下，把式(3-27)改为结构面的极限破坏准则：
1 3
2c j 2 3 tan j (1 tan j cot ) sin 2
（3-32）
现在根据式（3-32）来分析β 与Δσ（σ1-σ3） 之关系： 通过前面的分析可以知道：引起结构面破坏的原因有两个， 一个是应力状态或应力差（摩尔圆的直径），另一个是结 构面的倾角（β角）的大小。 这种分析要从两个方面进行：一种是固定σ3，分析σ1与β 之关系；另一种是固定σ1，分析σ3与β之关系。（现仅分 析第一种情况）
•
在σ3固定值时：
– 当β趋于900时和趋于φj时，上式分母为零， σ1－σ3则 趋于无穷大，说明岩体的承载能力无穷大，岩体不会因 结构面的存在与否而破坏。 • 由于岩体的承载力不能是无穷的，它只能是达到岩石 的抗压强度时材料就破坏了。所以，此时σ1最大可以 达到岩石的抗压强度值，即岩体的强度就等于岩石的 强度。
岩体强度参数
岩体强度参数引言：岩体强度参数是岩石力学研究中的重要概念，它描述了岩体在受力作用下的抗破坏能力。
岩体强度参数的研究对于地质工程、矿山开采、隧道工程等领域具有重要意义。
本文将从岩体强度参数的定义和分类、测定方法、影响因素以及应用等方面进行探讨。
一、岩体强度参数的定义和分类岩体强度参数是指描述岩石在受力作用下的变形和破坏特性的物理参数。
常见的岩体强度参数包括抗压强度、抗拉强度、剪切强度、抗弯强度等。
1. 抗压强度是岩石在受到垂直压力作用下的抵抗破坏的能力。
它是岩石强度参数中最常用的一个参数，通常用抗压强度指数表示。
2. 抗拉强度是岩石在受到拉力作用下的抵抗破坏的能力。
它对于岩体的稳定性和破坏模式具有重要影响。
3. 剪切强度是岩石在受到剪切力作用下的抵抗破坏的能力。
剪切强度是岩体力学性质中的重要参数，对于岩体的稳定性和破坏模式具有重要影响。
4. 抗弯强度是岩石在受到弯曲力作用下的抵抗破坏的能力。
抗弯强度是岩体在地质工程中常用的参数之一，它决定了岩体的稳定性和承载能力。
二、岩体强度参数的测定方法岩体强度参数的测定方法主要有室内试验和现场试验两种。
1. 室内试验是通过岩石样品进行的力学试验来确定岩体强度参数。
常见的室内试验方法包括压缩试验、拉伸试验、剪切试验和弯曲试验等。
2. 现场试验是在实际的岩体工程中进行的强度参数测定。
常用的现场试验方法包括钻孔取芯试验、岩石锚杆拉拔试验、岩石劈裂试验等。
三、岩体强度参数的影响因素岩体强度参数受到多种因素的影响，主要包括岩石类型、岩石结构、岩石孔隙度、岩石饱和度、温度等。
1. 岩石类型是影响岩体强度参数的重要因素之一。
不同类型的岩石具有不同的强度特性，如花岗岩具有较高的抗压强度，而泥岩则具有较低的抗压强度。
2. 岩石结构对岩体强度参数也有重要影响。
岩石结构的完整性和连续性对岩体的强度和稳定性具有重要影响。
3. 岩石孔隙度是指岩石内部的孔隙空间的比例。
岩石孔隙度越大，岩体的强度越低。
6、岩体强度试验(岩体结构面直剪试验、岩体直剪试验、混凝土与岩体胶结面直剪试验、荷载试验)
岩体强度试验包括：岩体结构面直剪试验、岩体直剪试验、混凝土与岩体胶结面直剪试验、荷载试验岩体强度试验主要包括岩体抗剪强度试验和岩体现场载荷试验。
岩体抗剪强度是指岩体（结构面、混凝土与岩体）在外力作用下所具有的抵抗剪切破坏的能力。
剪切破坏是工程事故发生的最重要原因之一，测试、研究岩体的抗剪强度特性，用以计算、校核工程抗滑稳定对水电建设工程具有十分重要的意义。
岩体抗剪强度试验包括岩体沿软弱结构面直剪试验、岩体本身直剪试验和混凝土与岩体直剪试验。
现场测定岩体抗剪强度的方法很多，如：直剪试验、三轴试验、扭转试验等，但国内外最常用的是直剪试验。
直剪试验的剪力施加一般又有平推法和斜推法两种。
试验尺寸，国内外不同行业、不同单位也千差万别，但认识是基本一致的，认为试体尺寸决定于岩体中单个岩块的大小和试验精度。
为了充分反映岩体受力后的应力状态和裂隙分布的不均一性，现场应考虑用较大尺寸的试体进行试验。
试体尺寸一般不宜小于 2500cm2。
（一）岩体结构面直剪试验岩体结构面的抗剪强度，是指在外力作用下，结构面所具有抵抗剪切破坏的能力。
岩体结构面直剪试验适用于岩体中的各类结构面，目的是测定岩体沿结构面的抗剪强度、变形特征和破坏规律，为校核坝基、坝肩、地下结构围岩、岩质边坡等沿软弱结构面的抗滑稳定提供抗剪强度参数和应力–应变关系曲线。
试验地段开挖、试体加工应减少对岩体结构面产生扰动和破坏。
试体可在天然含水状态或人工浸水条件下剪切。
每组试验试体数量不宜少于 5 个。
1、试体加工的主要要求试体宜采用方试体，剪切面积不宜小于 2500cm2，最小边长不宜小于 50cm。
试体间距宜大于最小边长，推力方向应与预定剪切方向一致。
试体表面应平行预定剪切面，对加压过程中可能出现破裂或松动的试体，应浇筑混凝土保护套或采取其他保护措施。
对结构面倾斜或有夹泥层的试体，加工时应采取保护措施。
试验前后应对试体及剪切面进行详细描述。
试体描述主要包括：试体制备及出现的情况，岩性，结构面类型、性状、充填物性质，试段岩体完整程度、风化情况等；剪切面描述重点：准确量测剪切面面积，记述剪切面破坏情况、起伏差、擦痕分布、方向等，当结构面内有充填物时，应准确判断剪切面位置，并记述其组成成分、性质、厚度、构造。
第7章岩体本构关系与强度理论
整理得：
P cos P sin tg j C j
（7-99） （7-100）
当C j 0 时，上式变为：P cos 整理得： 即：
P sin tg j
900 j
板状 结构体
横向弯曲 悬臂弯曲
结 构 面
坚硬 结构面
闭合变形 错动变形 挤出变形 滑动变形
软弱 结构面
二、 岩体变形机制与本构关系
岩体变形=F（岩石、岩体结构、压力、温度、时间）：
其中前两项为岩体的实体，后二者为岩体赋存环境，最
后一项表征变形过程。
其数学表达式称为本构方程：
u f ( E, , usb , , T , t )
第7章 岩体本构关系 与强度理论
岩、工系
刘佑荣
7.3 岩石强度理论与破坏判据
一、 库仑强度准则 二、 莫尔强度准则 三、 格里菲斯强度准则
四、 德鲁克一普拉格准则
四、德鲁克一普拉格准则
在 C-M 准则和在八面体强度理论中的Mises 准则基础上的扩展和推广而得的，表达式为：
f I1 J 2 K 0
1,0
（7-90）
( 1 3 ) 2 8 t 1 3 t 3
1 3 3 0 1 3 3 0
或
2 4 t ( t )
对岩体拉张破坏进行判别。
三、 剪破坏判据
岩体剪破坏可以用库伦-莫尔判据进行研究，其判据式在岩 石破坏判据中已有讨论。但应注意，对于岩体，在用库伦-莫尔 判据时，必须用岩体的应力与强度参数，才能进行正确的判据。
或
（7-84）
《岩体力学》岩石抗拉强度试验(劈裂法)
《岩体力学》岩石抗拉强度试验（劈裂法)一、实验目的：测定岩石的单轴抗拉强度。
试样在纵向力作用下出现拉伸破坏时，单位面积上所承受的载荷称为岩石的单轴抗拉强度，即试样破坏时的最大载荷与垂直于加载方向的截面积之比。
劈裂法实验是测定岩石抗拉强度的方法之一。
该法是在圆柱体试样的直径方向上，施加相对的线形荷载，使之沿试样直径方向破坏的实验。
本实验方法可测得各种含水状态下试样的抗拉强度。
本次实验主要测天然状态下试样的抗拉强度。
二、试样制备：劈裂试验适用于能制成规则试件的各类岩石，试件可用岩心或岩块加工制成。
一般采用直径为48～54mm，高度为直径的0.5-1.0倍，并大于岩石最大颗粒的10倍的圆柱体试件。
每组试件制备不少于3块。
试件制备的精度应満足如下要求：（1）沿试件高度，直径的误差不超过0.3mm；（2）试件两端面不平行度误差，最大不超过0.05mm；（3）端面应垂直于轴线，最大偏差不超过0.25°；三、试样尺寸测量及描述：量测试样的直径、高度，并划出加荷中线。
试件描述内容：（1）岩石名称、颜色、矿物成分、结构、风化程度、胶结物性质等；（2）加荷方向与岩石试件内层理、节理、裂隙的关系及试件加工中出现的问题；（3）含水状态。
四、主要仪器设备：同实验一。
五、试验程序：1、根据所要求的试样状态准备试样。
2、通过试件直径的两端，沿轴线方向划两条相互平行的加载基线。
将两根垫条沿加载基线固定在试件两端。
3、将试样置于压力机承压板中心，调整有球形座的承压板，使试样均匀受载，并使垫条与试件在同一加荷轴线上。
4、以每秒0.5～1.0MPa/s的加载速度加荷，直到试样破坏为止，并记录最大破坏载荷及加荷过程中出现的现象。
5、描述试样的破坏形状，并记下有关情况。
六、成果整理和计算：实验记录填于表4-1：表4-1 岩石抗拉强度试验(劈裂法)原始记录表项目编号仪器编号试验日期试验者 计算者 校核者2、按下式计算岩石的单轴抗拉强度：式中： 岩石单轴抗拉强度，MPa ； P 最大破坏载荷，N ； h 试件高度，mm ；D 试件直径，mm 。
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❖ 如果主应力为负值(拉应力)，则判别式为：
3 Rt
❖
(稳定) (7-40)
3 Rt
❖
(极限平衡) (7-41)
3 Rt
❖
(断裂) (7-42)
7.4.1 均质岩体强度分析
❖ 当有孔隙水压力时:
3 Rt pw
❖
(稳定)
3 Rt pw
❖
(极限平衡)
3 Rt pw
❖
(不稳定)
7.4.1 均质岩体强度分析
❖ 当岩体内某点的两
个主应力σ1和σ3达
到上述关系，该点
1 3 sin(稳定) 1 3 2cctg
就处于极限平衡状 态。为了判断岩体 的稳定或不稳定，
1 3
sin(极限平衡 )
1 3 2cctg
可采用右列判别式：
1 3
sin (不稳定)
1 3 2cctg
(7-60)
7.4.4 结构面粗糙度对强度的影响
❖ 如果结构面内有水压力，那么由于这种水 压力使有效正应力降低，结构面强度也相 应降低。
❖ 由有效应力定律导得造成结构面开始破坏 的水压力公式 (7-60)，还可用来预估在靠近 活动断层地区修建水库时诱发地震的可能 性。
pw
cj
tg
j
3
1
3 cos2
sin cos tg j
7.4.1 均质岩体强度分析
❖ 当岩体内有孔隙水压力时的判别式：
❖
1 3 1 3 2Pw 2cctg
sin
(稳定)
(7-37)
❖
1
1 3 3 2Pw
2cctg
sin
(极限平衡)
❖
1 3
sin
1 3 2Pw 2cctg
(不稳定)ຫໍສະໝຸດ (7-38) (7-39)
7.4.1 均质岩体强度分析
❖ 下面研究节理岩体的强度和稳定性。
7.4.2 节理岩体强度分析
M (a)
s s
M
s s
M
图7-26 工程中存在的结构面示意图（S-结构面；M-节理） (a)岩石坝基； (b)岩质边坡； (c)隧洞
7.4.2 节理岩体强度分析
❖ 节理或其它结构面的强度指标都可以通过室 内外的抗剪试验求得。得出节理面的内摩擦 角以及凝聚力。求出节理面的强度指标后， 就可根据节理面的产状来分析岩体的稳定性。
❖ 当结构面为平行于σ1时或结构面(法线)与σ1成φj
角时，在σ3固定的条件下，可无限增大，结构面
不致破坏。只有当结构面β满足 时，才可能沿着结构面发生破坏。
j /2
7.4.4 结构面粗糙度对强度的影响
❖ 绝大多数岩体的结构面既不光滑也不是平面， 它是相当粗糙的 ，i称为结构面的粗糙角
❖ 结构面的粗糙角变化范围很大，i =0°～ 40°
(7-43) (7-44) (7-45)
7.4.2 节理岩体强度分析
❖ 在实际工程中遇到的绝大多数岩体，其强度主要由 结构面(不连续面)所决定。这些结构面有大到如断 层和小到如裂隙细微裂隙的各种各样分布。
❖ 小的裂隙和细微裂隙可在研究岩块强度性质中加以 考虑。宽度大于20米的结构面应当加以单独考虑。 其余的结构面则在研究岩体强度中考虑。把成组出 现的有规律的裂隙称为节理，其相应的岩体称为节 理岩体。
❖ 在均质岩体内岩体破坏面与主应力面总是成 一定的关系。当剪切时破裂面总是与大主应 力面(法线)成α=45°+Φ/2角。当拉断时，破 裂面就是主应力面。
7.4.2 节理岩体强度分析
❖ 软弱结构面剪切破坏时，破裂面绝大多数 是软弱结构面(节理面) ，破裂面与主应力
面的夹角就是软弱结构面与主应力面的夹 角。不管是那种类型的节理面，它们都可 用莫尔-库仑强度条件来判定节理面上的稳 定情况。当节理面上的剪应力达到节理面 的抗剪强度时，节理面处于极限平衡状态:
岩体强度分析 及其计算方法
7.4.1 均质岩体强度分析
❖ 岩体大体上可分为两种，一种是接近均质的； 另一种是非均质的，即岩体的强度主要由结 构面的特征(强度、产状、粗糙度、充填物等 等)所决定。
❖ 对于第一种情况，岩体的强度基本上可用室 内外求得的岩石强度指标，按前面强度理论 中所述的破坏准则来判断岩体的稳定性。目 前用得最多的还是莫尔-库仑准则(见公式7-28)
f c j tg j
(7-46)
式中σ------ 节理面上的正应力
7.4.2 节理岩体强度分析 σ1 ❖ 节理面的抗剪强度一般低于岩
石的抗剪强度。当岩体内代表
m m
某点应力状态的应力圆与节理
在强度线相切或甚至相割时， σ3 岩体是否破坏，还要看应力圆
β
σ3
代表该节理面上应力的点在哪
一段圆周上而定。设岩体内有
一节理面mm，其倾角为β(亦 即节理面法线与大主应力成β
σ1
角)，见图7-28。
图7-28 节理面mm
7.4.2 节理岩体强度分析
❖ 判断节理面稳定情况的判别式(7-48):
❖ 1 cos sin j 3 sin cos j c j cos j≥0
❖ 式中等号表示极限平衡状态。如果式的左端 小于零，则节理面处于不稳定状态。
❖ 岩体结构面上的粗糙角所起的作用一般是随 着结构面上的正应力的大小而改变的
❖ 具体应用时，结构面的抗剪强度表达式为：
7.4.4 结构面粗糙度对强度的影响
❖ 当低的正应力时，
f
f tg j i (7-58)
❖ 以及当高的正应力时，
f c j tg (7-59)
cj
i
0
图3-32 结构面 强度曲线
7.4.3 结构面方位对强度的影响
结构面处于极限平衡状态时另一种形式表示的 公式（结构面方位用倾角β表示）：
1 3
2c j 2 3t g j 1 tg j ctg sin 2
(7-50)
❖ 式中cj、φj均为常数。假如σ3固定不变，则上式 的σ1- σ3随着β而变化。上式是当σ3固定时，破 坏时应力差σ1-σ3随β而变化的方程式。