岩体力学地质大学贾洪彪结构面的变形与强度性质
工程地质学第五章岩石的工程地质性质
塑性破坏(延性破坏）
2020/4/3
中国地质大学工程学院 贾洪彪
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工程地质学概论:第五章 岩石的工程地质性质
一、单轴抗压强度σc
1、定义：
• 在单向压缩条件下，岩块能承受的最大压应力，简称 抗压强度（MPa） 。
2、意义
• 衡量岩块基本力学性质的重要指标
• 岩体工程分类、建立岩体破坏判据的重要指标 p
2020/4/3
中国地质大学工程学院 贾洪彪
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五、岩石的抗冻性
工程地质学概论:第五章 岩石的工程地质性质
• 岩石抵抗冻融破坏的能力，称为抗冻性。 • 抗冻系数(Rd)：岩石试件经反复冻融后的干抗压强度
(σc2)与冻融前干抗压强度(σc1)之比，用百分数表示
Rd
c2 c1
100%
2020/4/3
中国地质大学工程学院 贾洪彪
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工程地质学概论:第五章 岩石的工程地质性质
3.反复加卸荷(岩石记忆、回滞环、疲劳破坏）
2020/4/3
中国地质大学工程学院 贾洪彪
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工程地质学概论:第五章 岩石的工程地质性质
二、单轴受力条件下的岩石的强度
岩石强度：岩石抵抗外力破坏的能力。
岩块破 坏方式
脆性破坏
拉破坏 剪切破坏
2020/4/3
中国地质大学工程学院 贾洪彪
峰值 前变 形阶 段
C
B A o
峰值 后变 形阶 段
D
L E
(+)
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工程地质学概论:第五章 岩石的工程地质性质
2、峰值前岩块的变形特征
弹性型
弹-塑性型
塑-弹性型
2020/4/3塑-弹-塑性型中1国地塑质大-学弹工程-学塑院 性贾洪型彪 2
岩体力学 中国地质大学 贾洪彪第六章 岩体的力学性质PPT课件
当σ3接近于σmc时，可视为各向同性体。
09.08.2020
土木工程专业课程——《岩体力学》
5
第六章 岩体的力学性质
静力法的基本原理：在选定的岩体表面、 槽壁或钻孔壁面上施加法向荷载，并测 定其岩体的变形值；然后绘制出压力-变 形关系曲线，计算出岩体的变形参数。
动力法的基本原理：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。
09.08.2020
土木工程专业课程——《岩体力学》
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第六章 岩体的力学性质
2、剪切变形曲线
峰值前曲线平均斜率小，破坏位移大；峰值后应 力降很小或不变。多为沿软弱结构面剪切。
峰值前曲线平均斜率较大，峰值强度较高。峰值 后应力降较大。多为沿粗糙结构面、软弱岩体及 剧风化岩体剪切。
峰值前曲线斜率大，线性段和非线性段明显，峰 值强度高，破坏位移小。峰值后应力降大，残余 强度较低。多为剪断坚硬岩体。
土木工程专业课程——《岩体力学》
12
第六章 岩体的力学性质
二、岩体变形参数估算
一是在现场地质调查的基础上，建立适当的岩 体地质力学模型，利用室内小试件试验资料来 估算。
二是在岩体质量评价和大量试验资料的基础上， 建立岩体分类指标与变形参数之间的经验关系， 并用于变形参数估算。
09.08.2020
岩体剪应力(τ)-剪位移(u)曲线及法向应力(σ)法向变形(W)曲线。
剪切强度曲线及岩体剪切强度参数Cm，φm值
09.08.2020
土木工程专业课程——《岩体力学》
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各 类 岩 体 的 剪 切 强 度 参 数 表
岩体结构面网络模拟技术研究进展_贾洪彪
岩体结构面网络模拟技术研究进展贾洪彪 唐辉明 刘佑荣(中国地质大学工程学院,湖北武汉,430074)摘 要:主要介绍了岩体结构面网络模拟技术的研究进展。
通过近期的研究,结构面网络模拟技术得到了进一步的完善与发展,特别是三维模拟技术的出现使岩体结构面网络模拟技术更加实用,表现出比二维模拟更大的优势,可以较好地解决空间岩体力学问题,具有良好的应用前景。
关键词:岩体;结构面网络;网络模拟技术;进展中图分类号:P611;P595 文献标识码:A 文章编号:1000-7849(2001)01-0105-04 岩体结构面网络模拟是根据结构面发育具有随机性的特征,依据统计学原理,采用M onte Ca rlo随机模拟方法在计算机上进行模拟。
这一技术发展至今,已有近20年的历史,对岩体力学的研究、发展及工程应用起到了很大的推动作用[1]。
通过模拟,可以由局部到整体、“由表及里”,了解在一般情况下难以观察、测量到的岩体内部结构面的发育情况,确定岩体的结构特征。
它被积极地运用到工程实践中,有效地解决了一系列与工程岩体结构性质有关的问题。
多年来,很多学者对它进行了认真、细致的研究,使之不断发展与完善。
现将近期研究的主要进展介绍如下。
1 三维模拟在以往的研究中,重点是进行岩体结构面网络的二维模拟。
近年来,结构面网络三维模拟的研究得到了重视与发展[2]。
1.1 三维模拟的优势岩体结构面网络三维模拟与二维模拟相比有着明显的优势。
主要体现在以下几个方面:①三维网络图具有空间立体感,对工程岩体问题的判断更客观、全面;②在二维模拟的同一地点各方向的网络图中,各条结构面难以一一对应。
而在通过三维网络图自动生成的各切面图中,结构面能一一对应,可以组合成各种空间模型;③三维模拟可以很好地解决空间问题,如地下洞室围岩的滑移、垮落;岩质边坡的崩塌等问题。
1.2 三维模拟的方法岩体结构面网络三维模拟的具体步骤如下。
(1)结构面的野外采样 这是保证模拟精度的重要环节,只有按统计学的要求量测到一定数量的结构面,才能进行有效的模拟。
岩体结构面的变形与强度性质
题
目
指导教师
院（系、部）
专业班级
学
号
姓
名
日
期
岩体结构面的变形与强度性质 2011 年 3 月 25 日
教务处印制
0/9
一、研究的目的、意义和现状
研究目的和意义
结构面及其工程性质的复杂性是造成岩体工程性质千差万别的最根本原因，结构面 的研究是分析工程岩体性质的基础性工作。工程实践反复证明，自然岩体和工程岩体的 失稳源于结构面，岩体的破坏机制在很大程度上受结构面控制，因结的关键问题，因此， 本文对此进行研究。
(1)大量的工程实践表明：在工程荷载(一般小于 10MPa)范围内，工程岩体的失稳破 坏有相当一部分是沿软弱结构面破坏的。如法国的马尔帕塞坝坝基岩体、意大利瓦依昂 水库库岸滑坡、中国拓溪水库塘岩光滑坡等等，都是岩体沿某些软弱结构面滑移失稳而 造成的。这时，结构面的强度性质是评价岩体稳定性的关键。
(2)在工程荷载作用下，结构面及其充填物的变形是岩体变形的主要组分，控制着工 程岩体的变形特性。
0/9
研究现状
结构面对工程岩体的完整性、渗透性、物理力学性质及应力传递等都有显著的影响， 是造成岩体非均质、非连续、各向异性和非线弹性的本质原因之一。因此，全免深入细 致地研究结构面的特征是岩体力学中的一个重要课题。岩体结构面对工程岩体的地质特 性有着重要影响。岩体中结构面的分布位置、产状、规模、隙宽、充填物特征、结构面 力学性质以及不同结构面之间的切割与组合关系等因素不同程度地控制着岩体的工程 地质特性。岩体结构面是影响工程岩体稳定性的决定性因素。谷德振教授[1]，对岩体结 构面与工程岩体稳定性的关系作了科学概括，即岩体的完整性取决于结构面的数量多少 和性质；岩体的稳固性取决于结构面的几何形态和软弱结构面的泥化程度即结构面的抗 滑阻力。
中国地质大学网络教育《岩体力学》期末考试及答案
中国地质大学网络教育《岩体力学》期末考试及答案多选题1. 根据破裂面的力学成因，可以把结构面分为_______。
(4分)(A) 粗糙结构面(B) 光滑结构面(C) 剪性结构面(D) 张性结构面参考答案：C,D2. 结构面的连续性常用_______来表示。
(4分)(A) 隙宽(B) 线连续性系数(C) 迹长(D) 面连续性系数参考答案：B,C,D3. 结构面的形态可以由_______等方面进行研究。
(4分)(A) 侧壁的起伏形态(B) 粗糙度(C) 间距(D) 岩性参考答案：A,B4. 表示岩块的风化程度的定量指标主要有_______等。
(4分)(A) 风化空隙率指标(B) 含水率(C) 波速指标(D) 结构面间距参考答案：A,C5. 根据地质成因的不同，可以把结构面分为 _______ 。
(4分)(A) 原生结构面(B) 褶皱结构面(C) 构造结构面(D) 次生结构面参考答案：A,C,D6. 岩块风化程度的定性指标主要有_______等。
(4分)(A) 颜色(B) 破碎程度(C) 破碎程度(D) 开挖锤击技术特征参考答案：A,B,C,D7. 岩体力学研究中主要方法有_______。
(4分)(A) 工程地质研究法(B) 试验法(C) 数学力学分析法(D) 综合分析法参考答案：A,B,C,D8. 岩体是指地质历史过程中形成的，由_______组成的，具有一定的结构并赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。
(4分)(A) 碎石土(B) 岩块(C) 气体(D) 结构面网络参考答案：B,D判断题9. 岩体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。
(4分)正确错误参考答案：错误解题思路：10. 微结构面是指存在于矿物颗粒之间内部或颗粒间的软弱面或缺陷，包括矿物节理.晶格缺陷.粒间空隙等。
(4分)正确错误参考答案：正确解题思路：11. 质量损失率是指岩冻融试验前后干质量之差与试验后干质量之比，用百分数表示。
岩体力学结构面的变形与强度性质
（一）剪切变形特征
（二）剪切变形本构方程
卡尔哈韦（ Kalhaway）方程
通过大量试验，发现峰值前的剪应力-剪位移曲线可用双曲线拟合
（三）剪切刚度及其确定方法 K s
定义： 在剪切应力作用下，峰值前结构面产生单位剪切位移所需要的 应力，数值上等于峰值前 u曲线上一点的切线斜率，即：
意义：反映结构面剪切变形性质的重要 参数，是岩体力学性质参数估算及岩体 稳定性计算中必不可少的指标之一。
第三章 结构面的变形与强度性质
• 变形性质
法向变形、剪切变形（特征、本构方程）
•
平直无充填结构面、粗糙起伏无充填结构面、 非贯通断续结构面、有充填物的软弱结构面
3.1 概述
研究结构面变形和强度特性的意义如何？ 具有十分重要的工程实践意义 1） 岩石工程实践表明，有相当一部分工程岩体的失稳破 坏是沿软弱结构面破坏的。结构面的强度性质是评价岩体 稳定性的关键。 2） 结构面及其充填物的变形是岩体变形的主要组成部分， 控制着工程岩体的变形特性。 3） 结构面是岩体中渗透水流的主要通道。工程岩体结构面 的变形又将极大地改变岩体的渗透性、应力分布及其强度。 4） 工程岩体中应力的分布受结构面及其力学性质的影响。
陡坎
波状起伏，粗糙
39～40 0.12～0.15 36～37
平直，粗糙
38～39 0.07～0.11 35～36
平直，粗糙，有陡坎 40～42 0.25～0.35 38～39
起伏大，粗糙，有陡坎 43～48 0.35～0.50 40～41
波状起伏，粗糙
39～40 0.15～0.23 37～38
平直，粗糙
经验方程（巴顿和乔贝，1977）
结构面剪切刚度直剪试验结果
岩体结构特征与结构面网络模拟
2020/9/18
中国地质大学工程学院 贾洪彪
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整体状结构
2020/9/18
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块状结构
2020/9/18
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1、岩体的变形受控于岩体结构
• 发育于岩体中的结构面，是抵抗外力的薄弱环节。 软弱结构面是岩体变形破坏的重要控制因素或边界。 • 岩体变形与连续介质变形明显不同，并且结构面变 形起到控制作用。因此，岩体的变形主要它由结构体 变形与结构面变形两部分构成。 • 块状结构岩体变形主要沿贯通性结构面滑移形成； 碎裂状结构岩体变形则由Ⅲ、Ⅳ级结构面滑移及部分 岩块变形构成；只有完整岩体的变形才受控于组成岩 体的岩石变形特征。
2020/9/18
中国地质大学工程学院 贾洪彪
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2）层状结构 矿区内多数岩体属于 此种结构类型。该类 岩体具有清楚的层面， 其力学特征各向异性 明显，岩体的变形和 破坏一般受层面、层 间错动带和软弱夹层 的控制。
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Hale Waihona Puke 243）碎裂结构碎裂结构的岩体完整性差，呈规则和不规则的碎块状，此 系遭受层面、节理面、裂隙面、劈理面等不连续面交错切割 所至。
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层状结构
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碎裂状结构
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第五章结构面的变形与强度性质
第五章结构面的变形与强度性质1、岩体稳定性分析和地下水渗流分析通常把岩体视为由岩块（结构体）与结构面组成的地质体。
2、岩体工程中的软弱夹层问题：如黄河小浪底水库工程左坝肩的泥化夹层；葛洲坝水利工程坝基的泥化夹层；黑河水库左坝肩单薄山梁的断层引发的渗漏问题；长江三峡自然坡中的软弱夹层等。
这些软弱结构面在不同程度上影响和控制着工程岩体的稳定性。
因此，结构面变形与强度性质的研究，在工程实践中具十分重要的实际意义：1）大量工程实践表明：在工程荷载（小于10Mpa）范围内，工程岩体的失稳破坏有相当一部分是沿软弱结构面破坏的。
因此，结构面的强度性质的研究是评价岩体稳定性的关键。
2）在工程荷载作用，结构面及其充填物的变形是岩体变形的主要组成部分，控制着工程岩体的变形特性。
3）结构面是岩体中渗透水流的主要通道。
4）工程荷载作用下，岩体中的应力分布受结构面及其力学性质的影响。
第一节结构面的变形性质（特性）结构面的变形包括法向变形和剪切变形两个方面。
一、结构面的法向变形1．法向变形特征（Normal deformation）设不含结构面岩块的变形为ΔVr，含结构面岩块的变形为ΔVt，那么结构面的法向闭合变形ΔVj为：ΔVj=ΔVt－ΔVr由结构面法向应力σn与变形的关系曲线可得如下特征：1）σn↑，ΔVj↑↑，曲线呈上凹型；σn→σ0，σn－ΔVt变陡，与σn－ΔVr大致变形；2）初始压缩阶段，ΔVt主要由结构面闭合造成的；3）试验研究表明，当开始，含结构面岩块的变形由以结构面的闭合→岩块的弹性变形；4）σn－ΔVj曲线的渐近线大致为：ΔVj=Vm5）结构面的最大闭合量小于结构面的张开度（e）。
图5.1 典型岩块和结构面法向变形曲线含结构面的岩块和不含结构面的岩块在法向上加荷、卸荷后的应力—变形曲线，见教材P76-77（Bandis等，1983）。
2．法向变形本构方程（法向应力与变形之间的关系）这方面的研究目前仍处于探索阶段，已提出的本构方程都在试验的基础上总结出来的经验方程，如Goodman，Bandis及孙广忠等人。
岩体力学课件 第五章 结构面的变形与强度性质
几种结构面的抗剪参数表
岩体结构面直剪试验结果表
强度
切向
二、结构面的剪切变形性质
1、剪切变形特征
• • • • 硬性结构面，呈脆性变形型(a) 软弱结构面，呈塑性变形型(b) 结构面变形与风化程度有关 结构面的剪切刚度，随法向应力的增大而增大，随结构 面的规模增大而降低。
新鲜
风化
2. 剪切变形本构方程
• 巴顿（Ｂarton，1973）对８种不同粗糙起 伏的结构面进行了试验研究，提出了剪胀 角的概念并用以代替起伏角，剪胀角α ｄ （angle of dilatancy）的定义为剪切时 剪切位移的轨迹线与水平线的夹角，即：
V tg
1
d
• Barton 方程：Barton 通过大量结构面剪切试验，用
Δ Ｖｔ
Δ Ｖｒ
Δ Ｖｊ
应力-变形关系曲线
A B
应力-变形关系曲线特征
• 开始时随着法向应力增加， 结构面闭合变形迅速增长。当σ ｎ增到一定值时，σ ｎΔ Ｖｔ曲线变陡，并与σ ｎ-Δ Ｖｒ曲线大致平行。说明 结构面已基本上完全闭合，其变形主要是岩块变形贡献 的。这时Δ Ｖｊ则趋于结构面最大闭合量Ｖｍ。
本章主要内容
• §5.1 概述 • §5.2 结构面的变形性质 • § 5.3 结构面的强度性质
本章要点
在结构面变形性质中，重点要搞清楚结构面在法向应力 和剪应力作用下的应力－应变特征及法向刚度（Kn）、 剪切刚度（Ks）的定义与测定方法。 在结构面强度性质中，重点要搞清楚平直结构面和粗糙 起伏结构面的剪切强度特征、强度表达式和强度曲线特 征，了解一般结构面剪切强度参数（c、φ值）的经验值。
Kn V j (MP a/cm)
岩体力学 中国地质大学 贾洪彪第一章 绪 论
第一章绪论第一节岩体力学与工程实践岩体力学(rockmass mechanics)是力学的一个分支学科，是研究岩体在各种力场作用下变形与破坏规律的理论及其实际应用的科学，是一门应用型基础学科。
岩体力学的研究对象是各类岩体，而服务对象则涉及到许多领域和学科。
如水利水电工程、采矿工程、道路交通工程、国防工程、海洋工程、重要工厂(如核电站、大型发电厂及大型钢铁厂等)以及地震地质学、地球物理学和构造地质学等地学学科都应用到岩体力学的理论和方法。
但不同的领域和学科对岩体力学的要求和研究重点是不同的。
概括起来，可分为三个方面：①为各类建筑工程及采矿工程等服务的岩体力学，重点是研究工程活动引起的岩体重分布应力以及在这种应力场作用下工程岩体(如边坡岩体、地基岩体和地下洞室围岩等)的变形和稳定性。
②为掘进、钻井及爆破工程服务的岩体力学，主要是研究岩石的切割和破碎理论以及岩体动力学特性。
③为构造地质学、找矿及地震预报等服务的岩体力学，重点是探索地壳深部岩体的变形与断裂机理，为此需研究高温高压下岩石的变形与破坏规律以及与时间效应有关的流变特征。
以上三方面的研究虽各有侧重点，但对岩石及岩体基本物理力学性质的研究却是共同的。
本书主要是以各类建筑工程和采矿工程为服务对象编写的，因此，也可称为工程岩体力学。
在岩体表面或其内部进行任何工程活动，都必须符合安全、经济和正常运营的原则。
以露天采矿边坡坡角选择为例，坡角选择过陡，会使边坡不稳定，无法正常采矿作业，坡角选择过缓，又会加大其剥采量，增加其采矿成本。
然而，要使岩体工程既安全稳定又经济合理，必须通过准确地预测工程岩体的变形与稳定性、正确的工程设计和良好的施工质量等来保证。
其中，准确地预测岩体在各种应力场作用下的变形与稳定性，进而从岩体力学观点出发，选择相对优良的工程场址，防止重大事故，为合理的工程设计提供岩体力学依据，是工程岩体力学研究的根本目的和任务。
岩体力学的发展是和人类工程实践分不开的。
岩体力学 中国地质大学 贾洪彪第九章边坡岩体稳定性分析
第九章边坡岩体稳定性分析第一节概述斜坡(slope)是天然斜坡和人工边坡的总称。
前者是自然地质作用形成未经人工改造的斜坡，这类斜坡在自然界特别是山区广泛分布，如山坡、沟谷岸坡等等；后者经人工开挖或改造形成，如露天采矿边坡、铁路公路路堑与路堤边坡等等。
另外，按岩性又可将边坡分为土质边坡和岩质边坡。
本章以讨论人工开挖的岩质边坡稳定性为主。
斜坡的变形与破坏常给人类工程活动及生命财产带来巨大的损失。
例如，1982年7月，四川省云阳鸡扒子发生滑坡，滑体规模1 500万立方米，其中，前缘180万立方米的土石体被推入长江，严重碍航。
该滑坡还使大量农田、房屋被毁，造成了巨大的经济损失。
又如，1980年6月发生的湖北远安盐池河山崩，规模约100万立方米，造成284人死亡，损失惨重。
再如1963年发生在意大利的瓦依昂水库库岸滑坡，其总方量达2.5亿立方米，滑坡造成2 500多人死亡，水库也因此而失效。
除自然斜坡变形破坏外，人工边坡的变形破坏也常有发生，主要见于大型水利水电工程边坡、铁路路堑及露天采矿边坡。
如抚顺煤矿和大冶铁矿的露天采坑，都曾发生过失稳事故，对生产和生命财产造成损失。
由于边坡失稳，特别是自然大型斜坡失稳的危害巨大，因此，世界各国都非常重视，我国政府有关部门已将其列入重大地质灾害之一，进行重点研究。
边坡在其形成及运营过程中，在诸如重力、工程作用力、水压力及地震作用等力场的作用下，坡体内应力分布发生变化，当组成边坡的岩土体强度不能适应此应力分布时，就要产生变形破坏，引发事故或灾害。
岩体力学研究边坡的目的就是要研究边坡变形破坏的机理(包括应力分布及变形破坏特征)与稳定性，为边坡预测预报及整治提供岩体力学依据。
其中稳定性计算是岩体边坡稳定性分析的核心。
目前，用于边坡岩体稳定性分析的方法，主要有数学力学分析法(包括块体极限平衡法、弹性力学与弹塑性力学分析法和有限元法等)、模型模拟试验法(包括相似材料模型试验、光弹试验和离心模型试验等)及原位观测法等。
岩体力学 中国地质大学 贾洪彪第八章地下洞室围岩稳定性分析
第八章地下洞室围岩稳定性分析第一节概述地下洞室(underground cavity)是指人工开挖或天然存在于岩土体中作为各种用途的构筑物。
从围岩稳定性研究角度来看，这些地下构筑物是一些不同断面形态和尺寸的地下空间。
较早出现的地下洞室是人类为了居住而开挖的窑洞和采掘地下资源而挖掘的矿山巷道。
如我国铜绿山古铜矿遗址留下的地下采矿巷道，最大埋深60余米，其开采年代至迟始于西周(距今约3000年)。
但从总体来看，早期的地下洞室埋深和规模都很小。
随着生产的不断发展，地下洞室的规模和埋深都在不断增大。
目前，地下洞室的最大埋深已达2 500m，跨度已超过30m；同时还出了多条洞室并列的群洞和巨型地下采空系统，如小浪底水库的泄洪、发电和排砂洞就集中分布在左坝肩，形成由16条隧洞(最大洞径14.5m)并列组成的洞群。
地下洞室的用途也越来越广。
地下洞室按其用途可分为交通隧道、水工隧洞、矿山巷道、地下厂房和仓库、地下铁道及地下军事工程等类型。
按其内壁是否有内水压力作用可分为有压洞室和无压洞室两类。
按其断面形状可分为圆形、矩形、城门洞形和马蹄形洞室等类型。
按洞室轴线与水平面的关系可分为水平洞室、竖井和倾斜洞室三类。
按围岩介质类型可分为土洞和岩洞两类。
另外，还有人工洞室、天然洞室、单式洞室和群洞等类型。
各种类型的洞室所产生的岩体力学问题及对岩体条件的要求各不相同，因而所采用的研究方法和内容也不尽相同。
由于开挖形成了地下空间，破坏了岩体原有的相对平衡状态，因而将产生一系列复杂的岩体力学作用，这些作用可归纳为：(1)地下开挖破坏了岩体天然应力的相对平衡状态，洞室周边岩体将向开挖空间松胀变形，使围岩中的应力产生重分布作用，形成新的应力状态，称为重分布应力状态。
(2)在重分布应力作用下，洞室围岩将向洞内变形位移。
如果围岩重分布应力超过了岩体的承受能力，围岩将产生破坏。
(3)围岩变形破坏将给地下洞室的稳定性带来危害，因而，需对围岩进行支护衬砌，变形破坏的围岩将对支衬结构施加一定的荷载，称为围岩压力(或称山岩压力、地压等)。
工程地质学--第八章斜坡变形破坏工程地质研究
1
1
2019/11/15
中国地质大学工程学院 贾洪彪
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工程地质学概论:第八章 斜坡变形破坏工程地质研究
第三节 斜坡运动的基本形式
崩塌（falling）
滑坡（sliding） 表层流动（surfer flow）
②有统一滑动面，受软弱结构面控制
2019/11/15
中国地质大学工程学院 贾洪彪
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工程地质学概论:第八章 斜坡变形破坏工程地质研究
(3)弯曲倾倒
由陡坡或直立板状岩体组成的斜坡,当 岩层走向与坡面走向大致相同时，在自 重的长期作用下，由前缘开始向临空方 向弯曲、折裂，并逐渐向坡内发展的变 形，称为弯曲倾倒。
H
1、斜坡周围主应力迹线 发生明显偏转：愈接近 临空面,最大主应力1 愈接近平行于临空面， 3与之正交,向坡内逐 渐恢复到原始状态。
H
1
3
2019/11/15
中国地质大学工程学院 贾洪彪
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工程地质学概论:第八章 斜坡变形破坏工程地质研究
2.在临空面附近造成应力集中,但在坡脚区和坡顶及坡 肩附近情况有所不同:
陡坡>60º
缓慢的不连续变形
多数导致崩塌,少数导致滑坡
2019/11/15
中国地质大学工程学院 贾洪彪
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工程地质学概论:第八章 斜坡变形破坏工程地质研究
2019/11/15
中国地质大学工程学院 贾洪彪
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工程地质学概论:第八章 斜坡变形破坏工程地质研究
二、斜坡的破坏
1.崩塌 陡坡上的岩土体所产生的以下落运动为主（移动、滚动、跳 跃）的破坏现象。（土崩、岩崩）
工程地质学--第六章岩体的工程地质性质及岩体工程分类分析
2、剪性结构面是剪应力形成的，破裂面两侧岩体产生相对 滑移，如逆断层、平移断层以及多数正断层等。 • 特点：连续性好，面较平直，延伸较长并有擦痕镜面等 。
2017/5/12
中国地质大学工程学院 贾洪彪
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工程地质学概论:第六章 岩体的工程地质性质及岩体工程分类
二、结构面特征及其对岩体力学性质的影响
1、结构面产状
沉积结 构面
一般与岩层产状 一致，为层间结 构面
岩脉受构造结构 面控制，而原生 节理受岩体接触 面控制
原 生 结 构 面
岩浆岩 结构面
变质结 构面
1片理 2片岩软弱夹层 1节理（X型节理、张 节理） 2断层（冲断层、捩断 层、横断层） 3层间错动 4羽状裂隙、劈理 1卸荷裂隙 2风化裂隙 3风化夹层 4泥化夹层 5次生夹泥层
工程地质学概论:第六章 岩体的工程地质性质及岩体工程分类
2、结构面的连续性
• 结构面的连续性反映结构面的贯通程度。 • 线连续性系数：指沿结构面延伸方向，结构面各段长 度之和(Σ a)与测线长度的比值。
K1 a a b
K1变化在0～1之间，K1值愈大说明结构面的连续性 愈好 K1＝1时，结构面完全贯通。
2017/5/12
中国地质大学工程学院 贾洪彪
2
工程地质学概论:第六章 岩体的工程地质性质及岩体工程分类
第一节 岩体的结构特征
一、结构面的类型
(一)地质成因类型 • 原生结构面 • 构造结构面 • 次生结构面
(二)力学成因类型 • 张性结构面 • 剪性结构面
2017/5/12 中国地质大学工程学院 贾洪彪 3
工程地质学概论:第六章 岩体的工程地质性质及岩体工程分类
岩体力学
2017/3/19
中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系 贾洪彪
第二章 岩体的地质特征
四 连续性
结构面的连续性反映结构面的贯通程度。 1、线连续性系数：指沿结构面延伸方向，结构面各 段长度之和(Σ a)与测线长度的比值。
K1 a a b
好，当K1＝1时，结构面完全贯通。 2、面连续性系数：指沿结构面延伸方向，结构面面 积之和与总面积的比值。
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第二章 岩体的地质特征
岩体结构面的类型及其特征
成因类 型
沉积 结构 面 岩浆 岩结 构面 变质 结构 面
主 地质类型 产 状
1层理层面 2软弱夹层 3不整合面、假整合面 4沉积间断面
要
特
征 工程地质评价 性 质
层面、软弱夹层等结构面较为平整； 不整合面及沉积间断面多由碎屑泥质 物构成，且不平整 国内外较大的坝基滑动及滑坡很多由此类结 构面所造成的，如奥斯汀、圣·弗朗西斯、 马尔帕塞坝的破坏，瓦依昂水库附近的巨大 滑坡
2017/3/19 中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系 贾洪彪 14
第二章 岩体的地质特征
二、结构面的规模
Ⅳ级 指延伸较差的节理、层面、次生裂隙、小断层 及较发育的片理、劈理面等。是构成岩块的边界面， 破坏岩体的完整性，影响岩体的物理力学性质及应 力分布状态。 Ⅳ级结构面主要控制着岩体的结构、完整性和物理 力学性质，数量多且具随机性，其分布规律具统计 规律，需用统计方法进行研究。 Ⅴ级 又称微结构面。常包含在岩块内，主要影响岩 块的物理力学性质，控制岩块的力学性质。
岩体力学 中国地质大学 贾洪彪第四章 岩块的变形与强度性质
第四章岩块的变形与强度性质第一节概述如第二章所述，岩体是由岩块和结构面组成的。
因此，我们研究岩体的力学性质，首先要研究岩块的力学性质。
不仅如此，在某种特定条件下，如岩体中结构面不发育，岩体呈整体状或块状结构时，岩块的变形与强度性质，往往可以近似地代替岩体的变形与强度性质；这时岩体的性质与岩块比较接近，常可通过岩块力学性质的研究外推岩体的力学性质，并解决有关岩体力学问题。
另外，岩块强度还是评价建筑材料和岩体工程分类的重要指标。
因此，开展对岩块变形与强度性质的研究，必然有助于更全面深入地了解岩体的力学性质。
岩块的力学性质研究，主要通过室内岩块试验方法进行。
根据岩块、岩体的应力 应变及时间之间关系，可将其力学属性作如下划分。
弹性(elasticity) 在一定的应力范围内，物体受外力作用产生全部变形，而去除外力(卸荷)后能够立即恢复其原有的形状和尺寸大小的性质，称为弹性。
产生的变形称为弹性变形，并把具有弹性性质的物体称为弹性介质。
弹性按其应力-应变关系又可分为两种类型：即线弹性或虎克型弹性(或称理想弹性)(图4-1(a))，应力-应变呈直线关系，以及应力应变呈非直线的非线性弹性。
实际上，理想的弹性岩体是根本不存在的。
因此，利用弹性理论解决岩体力学问题时，必须注意这种理论的应用条件，以及由于应用条件与实际岩体性状之间的差别可能造成的误差。
图4-1材料的变形性状示意图塑性(plasticity) 物体受力后产生变形，在外力去除(卸荷)后不能完全恢复原状的性质，称为塑性。
不能恢复的那部分变形称为塑性变形，或称永久变形、残余变形。
当物体既有弹性变形又有塑性变形，且具有明显的弹性后效时，弹性变形和塑性变形就难以区别了。
在外力作用下只发生塑性变形，或在一定的应力范围内只发生塑性变形的物体，称为塑性介质。
理想塑性材料的应力-应变关系如图4-1(b)所示，当应力低于屈服应力σs时，材料表现为弹性，应力达到屈服应力后，变形不断增大而应力不变，应力-应变曲线呈水平直线。
岩体力学(专升本) 地质大学期末开卷考试题库及答案
岩体力学(专升本)多选题1. 卸荷后留下残余变形的大小主要取决于结构面的_____等因素。
(3分)(A) 张开度(B) 粗糙度(C) 壁岩强度(D) 加卸载循环次数参考答案：A,B,C,D2. 利用岩块与岩体的纵波速度计算岩体的_____。
(3分)(A) 完整性系数(B) 密度(C) 含水量(D) 强度参考答案：A,D判断题3. 随岩体中含水量的增加导致弹性波速减小。
(2分)参考答案：错误4. 岩体处于正温时，波速随温度增高而增高，处于负温时则相反。
(2分)参考答案：错误5. 沿结构面传播的速度小于垂直结构面传播的速度。
(2分)参考答案：错误6. 当岩体发生剪断破坏时，岩体剪切强度最低。
(2分)参考答案：错误7. 岩体的剪切强度的下限岩体的剪断强度。
(2分)参考答案：错误8. 岩体的剪切强度的上限是结构面的抗剪强度。
(2分)参考答案：错误9. 当沿结构面剪切时，岩体剪切强度最高。
(2分)参考答案：错误10. 不同岩性岩体中弹性波速度不同，岩体愈致密坚硬，波速愈大，反之，则愈小。
(2分)参考答案：正确11. 随结构面组数的增加，岩体的强度趋向于各向异性。
(2分)参考答案：错误12. 在压应力作用下，波速随应力增加而增加，波幅衰减少；反之，在拉应力作用下，则波速降低、衰减增大。
(2分)参考答案：正确填空题13. 岩体的动力变形参数可通过___(1)___ 确定。
(2分)(1).参考答案: 声波测试14. 当含多组结构面、且假定各组结构面具有相同的性质时，可分步运用___(2)___ 确定岩体强度包线及岩体强度。
(2分)(1).参考答案: 单结构面理论15. 经人工开挖或改造形成的斜坡称为___(3)___ 。
(2分)(1).参考答案: 蠕变变形16. 岩体的___(4)___ 是指岩体与水共同作用所表现出来的力学性质。
(2分)(1)参考答案: 水力学性质.17. 岩体的___(5)___ 是岩体在动荷载作用下所表现出来的性质。
三峡库区兴山县档案馆变形体稳定性分析与治理
三峡库区兴山县档案馆变形体稳定性分析与治理
贾洪彪;马淑芝;唐辉明;刘佑荣;胡新丽;练操
【期刊名称】《岩土力学》
【年(卷),期】2005(0)S2
【摘要】兴山县档案馆变形体系——基岩变形体,地表已出现多处开裂,致使原档案馆房屋受损,稳定性已经接近临界状态。
三峡水库蓄水至175m 后,变形体前缘将被淹没。
通过有限元分析及稳定性计算表明,变形体稳定性将变差,会导致失稳破坏,必须进行治理。
采用的治理措施是抗滑桩结合地表排水与地面护坡。
【总页数】4页(P267-270)
【关键词】变形体;稳定性分析;加固治理
【作者】贾洪彪;马淑芝;唐辉明;刘佑荣;胡新丽;练操
【作者单位】中国地质大学工程学院;武汉理工大学土木工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】P642.22
【相关文献】
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1 1 a S 1 V a S tV g tug ua Sr
剪断率 a S
AS A
剪胀率 V V
凸起岩石抗剪强度
r
u tg
C
1 1 a S 1 V a S tV g tug ua Sr
•当很小时，凸起不被剪断， As=>0 (as=>0)且tgi= V=V/ u,则有:
•工程荷载作用下，岩体中应力分布受结构面及其力 学性质的影响。
§ 5.2 结构面的变形性质
一、法向变形性质
1. 法向变形特征
ΔVｔ
ΔVｒ
ΔVｊ
ΔVｊ＝ΔVｔ－ΔVｒ
应力-变形关系曲线
AB C
应力-变形关系曲线特征
• 开始时随着法向应力增加，结构面闭合变形迅速增长，
σn-ΔV及σn-ΔVｊ曲线均呈上凹型。当σn增到一定 值时，σn-ΔVｔ曲线变陡，并与σn-ΔVｒ曲线大致
确 试验法 定 方
现场变形试验
法 本构方程和经验估算
现场变形试验——中心孔承压板法
Kn V ni i1 1 V nii Vn
经验估算——由Bandis方程估算
n
KnV i mVj Vm Vj
Vj
nVm
KnV i m
n
K n ( V n j)( 1 V K j nV im )2
二、结构面的剪切变形性质
1、剪切变形特征 • 脆性变形型 • 塑性变形型 • 结构面变形与风化
程度有关
• 结构面的剪切刚度， 随法向应力的增大 而增大，随结构面 的规模增大而降低。
2. 剪切变形本构方程 • 卡尔哈韦（ Kalhaway）方程
u
m nu
m 1 ,n 1
K si
ult
3.剪切刚度及其确定方法
t tg(b C i)tg
2、不规则起伏结构面
• 自然界岩体中绝大多数结构面的粗糙起伏形态是不 规则的，起伏角也不是常数。其强度包络线不是折
线，而是曲线形式。
• 巴顿（Ｂarton，1973）对８种不同粗糙起伏的结
构面进行了试验研究，提出了剪胀角的概念并用
以代替起伏角，剪胀角αｄ（angle of dilatancy） 的定义为剪切时剪切位移的轨迹线与水平线的夹
形由以结构面的闭合为主转为以岩块的弹性变形为主。
应力-变形关系曲线特征
• 结构面的σn- ΔVｊ曲线大致为以ΔVｊ＝Vｍ为渐近线 的非线性曲线。可用初始法向刚度及最大闭合量来确 定，与结构面的类型及壁岩性质无关 。
• 结构面的最大闭合量始终小于结构面的张开度（ｅ）。
这是因为结构面是凹凸不平的，两壁面间无论如何也 不可能达到100％的接触。
角，即：
d
tg1V u
Barton 方程：
d
JRC lgJCS
2
tg1.78d 32.88
大量的试验资料表明，一般结构面的基本摩擦角u＝ ２５°～３５°。因此，上式右边的第二项应当就是
结构面的基本摩擦角u ，而第一项的系数取整数２。
tg 2 d u
tg JRlg C JCS u
Ladanyi & Archambault方程：
§5.1 概 述
• 在工程荷载(一般小于10MPa)范围内，工程岩体常常是 沿软弱结构面失稳破坏。
工程实例
•在工程荷载作用下，结构面及其充填物的变形是岩 体变形的主要组分，控制着工程岩体的变形特性。
•结构面是岩体渗透水流的主要通道。在工程荷载作 用下，结构面的变形将极大地改变岩体的渗透性、应 力分布及其强度。因此，预测工程荷载作用下岩体渗 透性的变化，必须研究结构面的变形性质及其本构关 系。
平行。说明结构面已基本上完全闭合，其变形主要是
岩块变形贡献的。这时ΔVｊ则趋于结构面最大闭合 量Vｍ。 • 初始压缩阶段，含结构面的岩块变形ΔVｔ主要是由 结构面的闭合造成的。试验表明，当σn＝１MPa时， ΔVｔ/ΔVｒ可达５~３０，说明ΔVｔ占了很大一部分。 • 法向应力σn大约从σｃ/3处开始，含结构面的岩块变
第五章 结构面的变形与强度性质
贾洪彪
中国地质大学 岩土工程与工程地质系
第五章 结构面的变形与强度性质
• §5.1 概述 • §5.2 结构面的变形性质
一、法向变形性质 二、剪切变形性质
• § 5.3 结构面的强度性质
一、平直无充填的结构面 二、粗糙起伏无充填的结构面 三、非贯通断续的结构面 四、具有充填物的软弱结构面
• 平直无充填的结构面包括剪应力作用下形成的 剪性破裂面，如剪节理、剪裂隙等，发育较好 的层理面与片理面。
• 特点是面平直、光滑，只具微弱的风化蚀变。 坚硬岩体中的剪破裂面还发育有镜面、擦痕及 应力矿物薄膜等。
• 这类结构面的抗剪强度大致与人工磨制面的摩 擦强度接近，即：
tgj Cj
二、粗糙起伏无充填的结构面
适合于未经滑错
位移的嵌合结构 面(如层面)的法向 变形
n
KnV i mVj Vm Vj
3.法向刚度及其确定方法
法向刚度Ｋn（normal stiffness）是指在法向应力 作用下，结构面产生单位法向变形所需要的应力，
在数值上等于σn- Vｊ曲线上一点的切线斜率。
Kn
n
Vj
(MPa/mm)
室内变形试验
Kn
Kni
1KniVmnn
2
Bandis经验方程求Kni，Vm
Kn i7.151.75JRC 0.02 JeCS
Vm
AB(JRC )CJCSD e
壁岩强度JCS
lgJ( C)S0.0 0 0R 881.0 1 岩石重度；
R回弹值。
几种结构面的抗剪参数表
岩体结构面直剪试验结果表
便携式直剪仪
• 结构面的初始法向刚度是一个与结构面在地质历史时 期的受力历史及初始应力（σｉ）有关的量，其定义 为σn-Vｊ曲线原点处的切线斜率，即：
K ni
Vnj
Vj0
2.法向变形本构方程 nf(Vj)
1)Goodman 方程
n
V j Vm V
j
1 i
V j
Vm Vm i
1
n
适用于具有一定滑错位移 的非嵌合性结构面
• 结构面强度分为抗拉强度和抗剪强度。 • 结构面的抗拉强度非常小，常可忽略不计，所
以一般认为结构面是不能抗拉的。 • 在工程荷载作用下，岩体破坏常沿某些软弱结
构面的滑动破坏。 • 在岩体力学中，重点研究结构面的抗剪强度。
• • 二、粗糙起伏无充填的结构面 • • 四、具有充填物的软弱结构面
一、平直无充填的结构面
2) Bardis方程
/ V j b
1a
b n V j
当n 时 , Vj V m
baV m
K n i V n j V j 0 a (1 b1 a V j)2 V j 0a 1
a 1K ni
2) Bardis方程
n
Vj abVj
C
tgφ
裂面
岩桥
裂面
岩桥
K 1 C j ( 1 K 1 ) C K 1 tj g ( 1 K 1 ) tg
C
tgφ
C bK 1Cj (1K 1)C
tg bK 1tg j (1K 1)tg
C bt g b
四、具有充填物的软弱结构面
• 具有充填物的软弱结构面包括泥化夹层和各种类型的夹泥 层，其形成多与水的作用和各类滑错作用有关。这类结构 面的力学性质常与充填物的物质成分、结构及充填程度和 厚度
tg (ui)
•当很大时，凸起全部被剪
断发，生,VA=sVA/ (aus =10,)则,无有剪: 胀
rtg C
•从以上讨论可知,阿氏与莱 氏公式是图中曲线3。
三、非贯通断续的结构面
• 假设沿整个剪切面上的应力分布是均匀的，结构面 的线连续性系数为Ｋ1
裂面
岩桥
裂面
岩桥
K 1 C j ( 1 K 1 ) C K 1 tj g ( 1 K 1 ) tg
σ
τ
τ
剪切特点：
• ① 当σ较小时，上盘岩块上下运动，产生爬坡效应， 增大了τ
• ②当σ较大时，将剪断凸起而运动，也增大了τ
1、规则锯齿形结构面 1）σ较小，剪胀作用
n sinicois n coissini
nnt
g () b
tg (b i)
Patton公式
2）σ较大，啃断效用
t g C
上式为法向应力σ≥σt时，结构面的抗剪强度。 剪断凸起的条件为：
• 剪切刚度KS（shear stiffness） 是反映结构面剪切变形性质的 重要参数，其数值等于峰值前 τ-u曲线上任一点的切线斜率。
确 试验法 室内试验
定
方
现场试验
法 经验估算法（Barton方程）
Ks 1L00ntgJRCJlgCn Sr r 结构面残余强度
Ks
u
§5.3 结构面的强度性质