岩体的力学性能及分类

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§4-1 结构面、结构体、岩体
•结构面：是指岩体中存在着的各种不同成因和不同 特性的地质界面，包括物质的分界面、不连续面如 节理、片理、断层、不整合面等。 •结构体：由结构面在岩体中切割而成的几何体称为 结构体（岩石）。 •岩体：结构面和结构体的地质统一体。
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一、结构体的大小
• 按规模结构体可分为： •I级结构体：由I级结构面切割成的结构体(地质体)。 •II级结构体：由I级结构体经II级结构面切割而成的结 构体(山体)。 •III级结构体：II级结构体再经III级结构面切割而成的 结构体。 •IV级结构体：III级结构体再经IV级结构面切割而成的 结构体（完整岩石或岩块）。
• 4个阶段： •（1）裂隙压密阶段（OA）：曲线上凹 •（2）弹性变形阶段（AB）:呈直线 •（3）塑性变形阶段（BC）：曲线下凹 •（4）破坏后阶段（CD）： • 残余强度σD • 峰值强度σC
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3、岩体变形曲线的基本形式
•（1）直线型：坚硬、完整无裂隙岩体 •（2）下凹型：节理裂隙发育，泥质充填，岩性软弱 •（3）上凹型：坚硬但裂隙发育，多呈张开而无充填物
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2、岩体抗剪强度现场测定 •（1）双千斤顶法
•式中： •σ、τ—试件剪切面上的正应力和剪应力； •F—试件剪切面面积； •N—法向力； •Q—斜向力； •α—横向推力与剪切面的夹角，通常为150。
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(2) 单千斤顶法 • 现场无法施加垂直荷载的情况下采用单千斤顶法。
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3、现场三轴强度试验
•试件尺寸：2.8m×1.4m×2.8m,一般 h>2a,矩形截面. •加压装置：千斤顶，应力枕。
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二、岩体强度的测定（现场测试）
•1、岩体单向抗压强度和准岩体强度 •（1）单向抗压强度σc •试件:边长(0.5～1.5）m， 高度不小于边长的立方块。
•式中:P—试件破坏时的作用力，N;
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A—试件横截面面积，m2。
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(2)、 准岩体强度
• 完整性系数K：
•式中：V岩体、 V岩石分别为弹性波在岩体和岩石中传播的纵波速度。 •准岩体抗压强度: σcm=Kσc •准岩体抗拉强度: σtm=Kσt •式中：σc 、σt为岩石试件的单轴抗压强度和单轴抗拉强度。
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一、工程岩体分类的参考影响因素
•1、岩石的质量。主要表现在岩石的强度和变形性质方面。 •2、岩体的完整性。岩体完整性取决于不连续面的组数和密度 。可用结构面频率(裂隙度）、间距、岩心采取率、岩石质量指 标RQD以及完整性系数作为定量指标进行描述。这些定量指标 是表征岩体工程性质的重要参数。 •3、结构面条件。包括结构面产状、粗糙度和充填情况。岩体 的工程性质主要取决于结构面的性质和分布状态以及其间的充 填物性质。
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二、 岩体破坏机理
• （一）拉伸破坏 •1、垂直结构面方向的拉伸破坏。 • 2、沿结构面方向的拉伸破坏。
•3、完整岩体的拉伸破坏 。
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二、 岩体破坏机理
• （二）剪切破坏 •1、沿结构面的剪切破坏（取决于结构面的强度） •2、切穿结构面的剪切破坏（取决于岩石的强度）
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•临空面
•临空面
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三 岩体破坏判据 •1、耶格尔判据：耶格尔提出岩体沿结构面剪切破坏的条件 。 •节理面极限应力平衡方程：
完整性系数 > 0.75 结构面间距 > 1.5 m 岩土工程特征：整体性强度高，岩体稳定，可视为 均质、各向同性的连续介质。
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2、块状结构
节理发育，有若干软弱夹层或贯通微张裂隙将岩体切割 成柱状、块状或菱形等结构体。工程范围内，有两组以上 节理明显发育，构成影响工程稳定性的危险岩块，其尺寸 小于工程几何尺寸。
构造发育，各种结构面与断裂交叉发育，且多为泥质充填 。岩体破碎，呈块状或片状，局部裹有坚硬的大块或条块状 岩石，属不均一的不连续介质，稳定性很差。
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5、散体结构
主要为各种剧烈风化或挤压破碎的岩体或土体。结 构面相当发育，呈网状，岩体极度破碎，并混有断层 泥，呈松散堆积或压密堆积。
完整性系数：<0.2 岩土工程特征：稳定性极差，岩体属性接近松散体 介质。
•岩体变形模量：
•岩体弹性模量：
•式中：p—受荷面单位面积上的压力；b—承压板直径或边 长;ω与承压板形状和刚度有关的系数，方形板为0.88，圆 形板为0.79；μ岩体泊松比。
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2、钻孔承压板法
• 表面承压板法测得的岩 体变形模量偏低，这是由于工 程岩体表面附近岩体大多发生 了不同程度的松动。为了排除 松动的影响，开始采用孔底承 压板法测定岩体变形模量。测 定结果表明：孔底承压板法测 得的原位岩体变形参数比表面 承压板试验测定值高很多，甚 至高达10余倍。
•直线型
•下凹型 •上凹型
•S型
•其它形式可看成是这三种形式的组合，如S型。
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4、岩石与岩体的应力－应变曲线
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二、 岩体剪切变形特征
• 岩体的剪切变形是许多岩体工程特别是边坡工程中最常见 的变形模式。
• 在屈服点以下，变形曲线与压缩变形相似。屈服点以后，岩体 内某个结构面和结构体可能首先被剪坏，随之出现一次应力降， 峰值前可能出现多次应力降。当应力增加到一定程度，没被剪坏 部位以瞬间破坏的方式出现，并伴有一次大的应力降，然后可能 产生稳定滑移。
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§4-4 岩体破坏机理及破坏判据
• 一、岩体破坏的概念 • 岩体在一定的应力条件下丧失其结构联结为岩体破坏 （丧失承载力和稳定性）。岩体在结构丧失之后的运动称为 岩体工程结构的破坏（影响工程使用、报废）。 • 工程岩体破坏可分为两个阶段： •1、岩体结构联结的丧失，包括结构面开裂、错动或滑移， 结构体拉伸破坏或剪切破坏； •2、结构体运动。如边坡滑动、倾倒、滚石、采场冒顶等。
完整性系数：层状 0.3～0.6; 薄层状 <0.4 结构面间距：层状 0.25～0.5 m ；薄层状 <0.25 m 岩土工程特征：工程范围内，一组节理明显发育，在层内具 有均一的地质特征与力学特性，属各向异性、层内均质的连 续介质。其变形和强度特征受层面及岩层组合控制，岩体稳定 性较差。
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4、碎裂结构
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2、霍克－布朗经验判据
•式中:σc——完整岩石单轴抗压强度；
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mb——霍克－布朗常数；
• s，α——取决于岩体特征的常数，对于完整岩石，s=1,
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α=0.5。
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§4-5 岩体的变形特性
• 一、岩体的单轴和三轴压缩变形特性 •1、现场岩体的单轴和三轴压缩试验的应力－应变全过程曲线
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•2、典型的岩体应力－应变全过程曲线
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一、工程岩体分类的参考影响因素
•4、岩体及结构面的风化程度。风化程度越高，岩体越 破碎，强度越低 。 •5、地下水的影响。渗流，软化，膨胀，崩解，静、动 水压力等。 •6、地应力。地应力难于测定，它对工程的影响程度也 难于确定，因此，其影响一般在综合因素中反映。
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§4-2 岩体的结构
• 岩体的结构是指岩体中结构面和结构体的形态和组合特征。
• 按岩体被结构面分割的程度或结构体的形态特征，可将岩体结 构划分为以下几种基本类型：
•岩体结构
•整体结构 •块状结构 •层状结构 •碎裂结构
•散体结构
•镶嵌结构 •层状碎裂结构 •碎裂结构
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1、整体结构
岩性单一，节理不发育，无软弱结构面或夹泥， 层面 结合良好，渗流对岩体特性影响不大，结构尺 寸大于工程尺寸。
岩体的力学性能及分类
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• 授课学时： 4
• 本章重点难点： • 1、岩体结构； • 2、岩体的强度特征 • 3、岩体的破坏机理 • 4、岩体分类。 • 关键术语：岩体结构，岩体强度，准岩体强度
；岩体变形，岩石RQD质量指标；完整性系数 ；岩石坚固性系数
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• 要求：
• 1、掌握本课程重点难点内容； • 2、了解几种有代表性的岩体分类方法； • 3、了解我国工程岩体分级标准（GB50218－94）
•（1）当节理面倾角β满足β1≤β≤β2 ,且φj <β <π/2时， 节理才会对岩体产生影响，这时岩体的强度取决于节理的强度 ； •（2）β＝450＋φj/2时，岩体强度最低，其莫尔圆直径最小。 •（3）当β<β1或β>β2 时，岩体强度与节理无关，取决于岩 石的强度。
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耶格尔判据
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•如图，围压σ3=c增加， 即c1>c2, 岩体的强度随之增大。
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岩体中只有一组结构面：
•(1).当σ1与结构面垂直，岩体 强度与结构面无关，为岩石强度 ； •(2).当θ＝450－φj/2，岩体将 沿结构面破坏，其强度为结构面 强度； •(3).当σ1与结构面平行，结构 面的抗拉强度小，岩体将因结构 面的横向扩展而破坏。
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岩体中有多组结构面：
• 岩体的强度图像将为各单组结构面岩体强度图像的叠 加，如图中阴影部分。如果结构面分布均匀、且强度大体相 同时，则岩体表现出各向同性的特性，但强度却大大削弱了 。
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•岩体动弹性模量Ed的测定： • 采用小量药包爆炸激发地震波，在距震源一定距离设 置检波器，检测弹性波。根据弹性波波速算出动弹性模量Ed 和动泊松比μd。
•式中：vp,,vs纵波波速和横波波速，ρ为岩体密度。 •一般而言：Ed> Ee , μd >μ。
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§4-6 岩体质量评价及其分类
• 岩体分类是对影响岩体稳定性和影响工程设计、施工 和维护的各种因素建立一些评价指标，对工程辖区岩体进行 评价，划分出不同的的级别或类别。 • 分类的目的：为岩体工程建设的勘察、设计、施工和 编制定额提供必要的基本依据。 • 按分类目的，可分为综合性和专题性两种；按其所涉及 的因素多少，可分为单因素分类法和多因素分类法两种。
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§4-3 岩体的强度