第三章 岩体的变形与破坏

第三章岩体的变形与破坏

变形：不发生宏观连续性的变化，只发生形、体变化。

破坏：既发生形、体变化、也发生宏观连续性的变化。

1．岩体变形破坏的一般过程和特点

（1）岩体变形破坏的基本过程及发展阶段

①压密阶段（OA段）：

非线性压缩变形—变形对应力的变化反应明显；

裂隙闭合、充填物压密。

应力-应变曲线呈减速型（下凹型）。

②弹性变形阶段（AB段）：

经压缩变形后，岩体由不连续介质转变为连续介质；

应力-应变呈线性关系；

弹性极限B点。

③稳定破裂发展阶段（BC段）：

超过弹性极限（屈服点）后，进入塑性变形阶段。

a．出现微破裂，随应力增长而发展，应力保持不变、破裂则停止发展；

b.应变：侧向应变加速发展，轴向应变有所增高，体积压缩速率减缓（由于微破裂的出现）；

④不稳定破裂发展阶段（CD段）：

微破裂发展出现质的变化：

a.破裂过程中的应力集中效应显著，即使是荷载应力保持不变，破裂仍会不断地累进性发展；

b. 最薄弱部位首先破坏，应力重分布导致次薄弱部位破坏，直至整体破坏。“累进性破坏”。

c. 应变：体积应变转为膨胀，轴向及侧向应变速率加速增大；

※结构不均匀；起始点为“长期强度”；

⑤强度丧失、完全破坏阶段（DE段）：

破裂面发展为宏观贯通性破坏面，强度迅速降低，

岩体被分割成相互分离的块体—完全破坏。

应重视的问题：

①各发展阶段的界限点，尤其是“长期强度”；

②空隙压力曲线：

a.空隙水压力～体积应变、变形发展阶段；

b.工程意义：滑坡、地震等。

（2）岩体破坏的基本形式

①张性破坏（图示）；

②剪切破坏（图示）：剪断，剪切。

③塑性破坏（图示）。

破坏形式取决于：荷载条件、岩体的岩性及结构特征；

二者的相互关系。

①破坏形式与受力状态的关系：

a.与围压σ

3

有关：

低围压或负围压—拉张破坏（图示）；

中等围压—剪切破坏（图示）；

高围压（150MN/m2=1500kg/cm2）—塑性破坏。

b.与σ

2

的关系：

σ2/σ 3 <4（包括σ 2 =σ3），岩体剪断破坏，破坏角约θ=25°；

σ2/σ 3 >8（包括σ 2 =σ1）：拉断破坏，破坏面∥σ1，破坏角0°;

4≤σ

2/σ

3

≤8：张、剪性破坏，破坏角θ=15°。

②破坏形式与岩体结构的关系：

完整块体状—张性破坏；

碎裂结构、碎块结构—塑性破坏；

裂隙岩体—取决于结构面与各主应力之间的方位关系。2．岩体的强度特性

强度特性取决于：岩性、结构；

受力状态。

一组结构面岩体在三向应力状态下的破坏形式及极限强度性状。

极限应力比 n = σ1/σ3 (岩体破坏时的大、小应力)

（1）当（45°-φ/2）-17<α<（45°-φ/2）+17°

岩体沿结构面滑动破坏，

岩体强度受结构面的C

i 、υ

i

控制；

C=0、α=（45°-υ/2）时，强度最小。随α增大或减小，强度增大。（2）当α>（45°-φ/2）+27°

剪断完整岩石；

岩体强度受岩石的C

E 、υ

E

控制；

岩体强度随结构面间距变小而降低。当间距足够大时，岩体强度接近岩石材料强度。

（3）当0<α<（45°-φ/2）-17°

或（45°-φ/2）+17°<α<（45°-φ/2）+27°

部分沿结构面滑动，部分剪断岩石。

岩体强度与结构面和岩石的抗剪性能均有关，且当α由8°→0°及42°→52°，强度随之增高。

3．岩体在加载过程中的变形破坏

（1）拉断破坏机制

①拉应力条件下的拉断破坏：

岩体单向受拉或负围压。

a.与σ

3

垂直的裂隙，两端拉应力集中，最先拉断；

b.只要应力达到抗拉强度，即使应力不再增加，破裂也要发展。

破坏准则：[σ

3

]≥ S t

②压应力条件下的拉裂：

与σ

1成一定交角的裂隙两端拉应力最高，形成平行于σ

1

的拉裂面。

a.单向受压：[σ

1

] = 8S t

b.三向受力：（σ

1-σ

3

）/（σ

1

+σ

3

）≥ 8S t

（2）剪切变形破坏机制与过程

①完整岩体的剪断破坏机制:

a.纵向张性微破裂发展（图示）；

b.微观横向压碎代发展（图示）；

c.切断“薄梁”，累进性破坏（图示）；

②沿已有结构面的剪切破坏机制:

a.平面摩擦：

层间错动面、剪性断裂、滑动面等。

破坏条件：剪应力≥结构面残余强度，S≥σtgυ

S

；

荷载方向与结构面法线的夹角≥平面摩擦角υ

S

。

b.糙面摩擦：

爬坡-越过凸起体：爬坡角较小、法向应力较低；

抗剪强度 τ=σtg （υS +i ）

剪胀→裂缝收缩，剪胀为负值。

剪断凸起体：爬坡角较大、法向应力较高。但即使是法向应力为零，

i ≥55°的凸起体仍会剪断；

抗剪强度 τ=σtg （υS ）+C

凸起体刻痕或犁槽：

抗剪强度类似于剪断凸起体。

注意：

当σtg υS +C>τ>σtg υr (残余强度、峰值强度)，可能挤入累进性破

坏（原因：凸起体应力集中）；

凸起体的抗剪强度不均一，“各个击破”方式破坏，结构面突然丧失

稳定性，强度急剧降低，破坏具有突发性，迅速释放能量。

c.转动和滚动摩擦：

上滑面运动轨迹—对角点P ；

对角线OP 为半径的圆弧线；

相当于滑块越过一个圆弧形凸起体，任意一点切线与剪切方向的夹角即为该点的爬坡角或下降角。

过程：

起动摩擦角：υt =α=δ=tg -1a/b

起动后摩擦角：υt =δ-γ （γ转动角）

当对角线OP 直立时： γ=δ

υt =0

此时，上滑面抬至最高点，岩块翻转，δ翻转角；