岩体力学岩体力学性质
岩体力学-第8章岩体的力学性质--贺虎
2
σ3=0
1m
3
2(C j 3tg j ) (1 tg jctg )sin 2
当β＝45°＋φj／2时，岩体强度取得最低值
1 3 min
2(C j 3tg j ) 1 tg 2 j tg j
耶格（Jaeger）单结构面理论
含多组结构面，且假定各组结构面具有相同的性质时，可分步运用单结构面 理论确定岩体强度包线及岩体强度。
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。
1、层状岩体变形参数估算
层状岩体的地质力学模型 假设各岩层厚度相等为S，且性质
D—圆(方)板直径(边长)。
定，裂隙越不均匀则要求面积 越大，一般0.25~1.00m2。
ω是与承压板形状与刚度有关的系数。
对于圆形板ω＝0.785；对于方形板ω＝0.886
2、钻孔变形法
优点：①对岩体扰动小；②可以在 地下水位以下和相当深的部位进行；
Hale Waihona Puke Emdp(1 Um )
③试验方向基本上不受限制，而且
第六章 岩体的力学性质
§6.1 岩体的变形性质 §6.2 岩体的强度性质 §6.3 岩体的动力学性质 §6.4 岩体的水力学性质
§6.1 岩体的变形性质
•在受力条件改变时岩体的变形是岩块变形和结构变形的总和， 而结构变形通常包括结构面闭合、充填物的压密及结构体转动和 滑动等变形。从岩体的定义：岩块+结构面=>岩体 •岩体变形=岩块变形+结构面闭合+充填物压缩+其他变形 •在一般情况下，岩体的结构变形起着控制作用。
岩体力学性质-岩体结构
结构、II级结构和过渡型岩体结构；
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岩体结构
定义：不同类型的岩体结构单元在岩体内组合和排列形式.
岩体结构三要素
结构面 岩体结构单元
结构体 岩体结构单元组合
坚硬结构面 软弱结构面 块状结构体 板状结构体
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3.1 概述
岩体赋存环境对于岩体力学性质的影响
地应力的作用（地应力既是赋存条件，又在岩体之 内）
影响岩体的承载力、变形与破坏机制； 影响岩体中应力的传播
地下水的作用（岩体水力学）
因此，岩体力学性质的研究必须考虑岩性、结 构面、岩体结构、地应力以及地下水的影响；
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3.2 岩体结构的基本类型
构面较发育，一般在5组以上．
完整性：完整性破坏较大，整体强度很低．
水的影响：引起岩层软化、泥化及结构面失稳；
工程特性：受断裂等软弱结构面控制，多呈弹塑性介质．稳
定性很差。易引起规模较大的岩体失稳、地下水加剧岩体失稳
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断续岩体结构
结构面发育情况：结构面不连续，对岩体切而不断，个别部分亦有
连续贯通结构。
影响岩体力学性质的因素有：结构体（岩石）的力
学性质、结构面的性质、岩体的结构力学效应和环境因
素；
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3.1 概述
岩体结构是研究岩体力学的基础
岩体
结构面 结构面切割成的结构体
岩体结构
控制岩体的变形、 破坏等力学效应
工程应用
分析岩体结构、结构面特征、对工程岩体稳定性评价
《岩体力学》第六章岩体的力学性质
图6.1 岩体的压力--变形曲线第六章 岩体的力学性质岩体的力学性质包括岩体的变形性质、强度性质、动力学性质和水力学性质等方面。
岩体在外力作用下的力学属性表现出非均质性、非连续、各向异性和非弹性。
岩体的力学性质取决于两个方面： 1）受力条件；2）岩体的地质特征及其赋存环境条件。
其中地质特征包括岩石材料性质、结构面的发育情况及性质（影响岩体的力学性质不同于岩块的本质原因）；赋存环境条件包括天然应力和地下水。
第一节 岩体的变形性质一、 岩体变形试验及其变形参数确定变形参数包括变形模量和弹性模量。
按静力法得到静E ，动力法得到动E 。
⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧法波地震声波法动力法轴压缩试验法双单水压洞室法钻孔变形法扁千斤顶法狭缝法承压板法静力法按原理和方法分原位岩体变形试验)()()( )(1．承压板法刚性承压板法和柔性承压板法 各级压力P －W （岩体变形值）曲线 按布西涅斯克公式计算岩体的变形模量E m （Mpa ）和弹性模量E me （Mpa ）。
⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=-=e m mem m W W PD E W W PD E )1()1(22μμ式中：P —承压板单位面积上的压力（Mpa ）； D —承压板的直径或边长（cm ）；W，W e—为相应P下的总变形和弹性变形；ω—与承压板形状、刚度有关系数，圆形板ω=0.785，方形板ω=0.886。
μm—岩体的泊松比。
★定义：岩体变形模量（E m）：岩体在无侧限受压条件下的应力与总应变之比值。
岩体弹性模量（E me）：岩体在无侧限受压条件下的应力与弹性应变之比值。
图6.2 钻孔变形试验装置示意图②可以在地下水位以下笔图6.3 狭缝法试验装置如图6.3所示。
二、岩体变形参数估算现场原位试验费用昂贵，周期长，一般只在重要的或大型工程中进行，因此，岩体变形参数的很多情况下必须进行估算。
两种方法：① 现场地质调查→建立适当的岩体地质力学模型→室内小试件试验资料→进行估算； ② 岩体质量评价和大量试验资料→建立岩体分类指标与变形参数间的经验关系→进行估算。
第3章岩石结构面、力学性质岩体力学
岩石力学
3.3.1.2 结构面的连续性 结构面的连续性又称为结构面的延展性或贯通性，常用
迹长、线连续性系数和面连续性系数表示。 （1）迹长 结构面与勘测面交线的长度，称为迹长。 国际岩石力学学会(ISRM，1978年) 制订的分级标准(见
3.2.2 岩体结构的类型
在《岩土工程勘察规范（GB 50021-2001）》中，将岩体 结构划分为5大类（见下表）。
岩石力学
岩体结 构
类型 整体状
结构
块状结 构
层状结 构
岩体地质 类型
巨块状 岩浆岩和 变质岩
厚层状 沉积岩， 块状岩浆 岩和变质 岩 多韵律 薄层、中 厚层状沉 积岩，副
结构体 形状
岩石力学
3.1 概述
工程涉及的实际岩体与实验室内测试的岩石试件的力学 性能有着很大的差别，引起这种差别的主要因素有：
（1）岩体的非连续性； （2）岩体的非均质性； （3）岩体的各向异性； （4）岩体的含水性等。 其中最关键的因素是岩体的非连续性。
岩石力学
结构面（亦称弱面）：岩体内存在的各种地质界面，
巨块状
块状 柱状
层状 板状
结构面发育情况
以层面和原生、 构造节理为主， 多呈闭合型，间 距大于1.5m，一 般为1~2组，无 危险结构
有少量贯穿性节 理裂隙，结构面 间距0.7~1.5m， 一般为2~3组， 有少量分离体
有层理、片理、 节理，常有层间 错动
岩土工程特 征
岩体稳定， 可视为均质 弹性各项同 性体
岩石力学
当试件沿结构面发生剪切破坏时，作用在结构面上的应力有：
T A
P cos
第二章 岩体力学性质
无 充 填 有 充 填 充 填 物 性 粘 有 单节理 节理组 节理群 羽毛状 节理
充填 非充填
按 力 学 观 点 的 破 坏 面 和 破 坏 带 分 类
破碎带
三、各类岩体结构的地质分类 完整结构岩体 块裂结构岩体 板裂结构岩体 碎裂结构岩体 断续结构岩体 散体结构岩体
β1 ≤ β ≤ β 2
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：
有关岩体破坏的几点讨论
当
β < β1或β > β2
岩体不会沿结构面破坏
当 β2 < β < β1 •若莫尔圆和岩石强度包络线相离，节理先 若莫尔圆和岩石强度包络线相离， 若莫尔圆和岩石强度包络线相离 破坏，岩体强度小于岩块强度; 破坏，岩体强度小于岩块强度 •若莫尔圆和岩石强度包络线相切，则岩体 若莫尔圆和岩石强度包络线相切， 若莫尔圆和岩石强度包络线相切 沿某一岩石截面破坏， 沿某一岩石截面破坏，破坏角 β = π + ϕ
图4－19 结构面的力学效应
所以，强度准则： 所以，强度准则：
τ m (sin 2β − tgφw cos 2β ) = cw +σntgφw
令
2Cw + 2 fσ3 (1− fctgβ )sin 2β
f = tgφw 则
w
σ1 −σ3 =
①当 β = φ ②当 β =
σ1 −σ3 →∞ （节理的存在不影响岩体的强度）
σ −ε
，分3 ，分3
第一段Ⅰ曲线上凹，——节理闭合——非线弹 第一段Ⅰ曲线上凹，——节理闭合——非线弹 性（很短） 第二段Ⅱ直线——线弹性（很短） 第二段Ⅱ直线——线弹性（很短） 第三段Ⅲ曲线下凹——塑性变形或破坏，至A3 第三段Ⅲ曲线下凹——塑性变形或破坏，至A3 点（较长）体积增大
岩体的力学性质
结构面：指地质过程中在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面或带。
又称不连续面.结构面包括物质分异面和不连续面。
软弱结构面：结构面中规模较大，强度低，易变性的结构面。
结构体：被结构面切割成的岩石块体。
裂隙度K：是指沿取样线方向单位长度上的节理数量。
切割度Xe：指岩体被节理割裂分离的程度。
剪胀现象：规则齿状结构面在正应力很小的时将沿着齿面滑动，结构面张开，发生剪胀现象岩体的强度：指岩体抵抗外力破坏的能力，包括抗压强度和抗剪强度。
抗剪断强度：指正应力作用下岩体发生剪断破坏时的最大切应力。
摩擦强度：着正应力下岩体沿着既有破裂面发生剪切破坏时的最大切应力。
抗切强度：指剪切破坏面上的法向应力为零时的最大切应力。
岩体完整性系数：岩体与岩石中纵波传播速度的比值的平方。
岩体的动力学性质：指动荷载下岩体表现出的性质。
张节理：是岩体在张应力作用下形成的一系列裂隙的组合，一般粗糙，宽窄不一且延展性较差剪节理：指岩体在切应力作用下形成的一系列裂隙的组合，一般平直光滑，延展性相对比较好张性断层：由张应力或与张断层平行的压应力形成的断层。
压性断层：主要是指压性逆断层，逆掩断层，断层面上常有与走向大致垂直的逆冲擦痕，大致平行集中出现的一系列压性断层构成挤压断层带。
剪性断层：主要指平移断层以及部分正断层，剪裂面产状稳定，断面平整光滑。
劈理：指在地应力作用下，岩石沿着一定方向产生大致平行的破裂面。
泥化夹层：是由于水的作用时夹层内的松软物质泥化而成，其产状与岩层基本一致。
影响结构面力学性质的因素：答：1.结构面两侧结构体的力学性质2.结构面的几何特征3.结构面的尺寸效应4.填充物的力学性质5.水对泥夹层的软化作用6.后期加载过程7.泥化夹层的时效性8. 前期变形历史●影响岩体中结构体特征的因素：答：1.切割岩体的结构面组数2.岩石的类型3.区域构造运动的强度4.工程岩体的破坏方式●影响岩体变形性质与试验结果的因素：答：1.岩体性质2.岩体中结构面发育特征3.岩体试验加载速率，加载过快，岩石变形不充分，导致变形模量较大4.温度，一般来说，温度增高，岩体延性加大，屈服点随之降低。
3岩体力学性质(张子兴)
地理环境
瓦依昂山谷独特的地理条件，成为实现上 述构想的最佳地点：山谷呈葫芦型，谷口 狭窄便于修建大坝；山谷内腹宽阔、深度 大，能最大程度地多蓄水。根据规划，瓦 依昂大坝的坝身高达230米。
刚 竣 工 时 的 瓦 依 昂 大 坝
地质环境
数千万年前这里是一片海洋，形成了 石灰岩和粘土相互层叠的结构，石灰岩层 间的粘土层在受水浸润时极易形成泥浆， 使岩层间的摩擦力降低，存在导致滑坡的 隐患。
建设中的瓦伊昂大坝
设计变更
50年代末正值世界核电开发的黄金时 代，核电具有更高、更稳定的发电量，这 无疑是比水电更大的诱惑。1957年4月，罗 马的政客们放了一个大卫星：大坝改成为 核电站配套服务的抽水蓄能电站，高度从 初始的230米增加到264. 6米，这样就使水 位上升到722.5米高程，不但在双曲拱坝中 首屈一指，而且成为世界第二高的大坝； 库容也增加到初始设计的三倍，达1.65亿 立方米。
灾难降临
从滑坡开始到灾难发生，整个过程不 超过7分钟，共有1900余人在这场灾难中丧 命，700余人受伤。巨大的空气冲击波使电 站地下厂房内的行车钢梁发生扭曲剪断， 将廊道内的钢门推出12米，正在厂房内值 班和住宿的60名技术人员除1人幸存外，其 余全部死亡；正在坝顶监视安全的设计者 、工程师和工人们无一幸免。
第三章 岩体力学性质
3.4 结构面的力学性质
3.5 岩体的变形特性
3.6 岩体的强度特性
3.7 岩体的水力学性质
3.4 结构面的力学性质
上次课内容：
主要讲了岩体结构类型、岩体结构面的类型及其 形态
这节课接着讲： 结构面的力学性质、岩体的变形强度特征。 结构面力学性质主要包括三个方面： ①法向变形与刚度； ②剪切变形与刚度； ③抗剪强度。
岩石力学ppt课件第三章 岩体力学性质
含软弱夹层的层状岩体及裂隙岩体 （3）上凸型（弹-塑性岩体）
结构面发育且有泥质充填的岩体。
（4）复合型：阶梯或“S”型（塑-弹-塑性岩体)
20结21/8构/17面发育不均或岩性不均匀的岩体。
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（二）剪切变形特征：
(a)沿软弱结 构面剪切
(b)沿粗糙结构面、 软弱岩体及强风
化岩体剪切
(c)坚硬岩体 受剪切
峰前变形平均斜 率小，破坏位移 大；峰后强度损 失小。
2021/8/17
峰前变形平均斜 率较大，峰值强 度较高；峰后有 明显应力降。
峰前变形斜率大，
峰值强度高，破坏
位移小；峰后残余 强度较低。
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（三）各向异性变形特征：（P101蔡）
岩石的全部或部分物理、力学特性随方向不同而 表现出差异的现象称为岩石的各向异性。
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§3.1 概述
岩体=结构面（弱面）+结构体（岩石块体） 结构面：断层、褶皱、节理……统称
影响岩体力学性质的基本因素：
结构体(岩石)力学性质、结构面力学性质、岩体 结构力学效应和环境因素(特别是水和地应力的作用)
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§3.2岩体结构的基本类型 （地质学、复习、了解）
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孔隙静水压力作用
（三）力学作用：
孔隙动水压力作用
当多孔连续介质岩土体中存在孔隙地下水时， 未充满孔隙的地下水使岩土体的有效应力增加：
p
σα有效应力，σ 总应力，p 孔隙静水水压力
当地下水充满多孔连续介质岩土体时，使有效 应力减小：
p
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σα，σ ，p ： 含义同上
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岩石力学与工程岩体力学性质
岩石力学与工程岩体力学性质
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四、结构面对岩体强度的影响
结构面是通过结构面的产状、形态、延展尺度 等几何特征参数和密集度与充填物等状态，来 描述对岩体强度和工程稳定性影响的。
1.结构面的产状对岩体是否沿某一结构面滑动 起控制作用。
2.结构面形态决定结构面抗滑力的大小，当结 构面的粗糙度越高，其抗滑力就越大。
3.结构面的延展尺度在工程岩体范围内，延展 尺度大的结构面程岩体力学性质
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三、岩体破碎程度的指标(补充)
1.裂隙度
（1）定义 裂隙度K是指沿着取样线方向，单位长度上节理 的数量。
（2）计算
1）设某节理取样线长度为L，沿L内出现节理的数 量为n，则 Kn L
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岩石力学与工程岩体力学性质
划分依据 原生岩体结构呈块状 原生岩体结构呈层状 原生岩体结构呈块状 原生岩体结构呈层状 原生岩体结构呈块状 原生岩体结构呈层状 原生岩体结构呈块状 原生岩体结构呈层状 原生岩体结构呈块状 原生岩体结构呈层状 原生岩体结构特征已消失 原生岩体结构特征已消失
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2）沿取样方向节理的平均间距d为
d 1 L Kn
岩石力学与工程岩体力学性质
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2.切割度
（1）切割度
是指岩体被节理割裂、分离的程度。
（2）计算
1）仅含一个节理面的平直断面，节理面面积 a，平
直断面面积A，其切割度 X e 为
Xe
a A
2）当岩体被完全切割时，Xe 1 ；未被切割时，
级 序 结构类型
划分依据
Ⅰ Ⅰ1 块裂结构 多数软弱结构面切割，块 状结构体
Ⅰ2 板裂结构 一组软弱结构面切割，板 状结构体
4岩体的力学性质及工程分类
0.35~0.15 <0.15
破碎
极破碎
4、按岩芯质量指标（RQD）分类
蒂尔（Deer,1968)提出根据钻探时岩芯完好程度来判断岩 体的质量，对岩体分类。
RQD li 100% L
式中：li —所取岩芯中≥10cm长度的岩芯段的长度； L—钻进岩芯的总程度，m。
RQD（％） 0～25
等级
Ⅰ
分类
很差
25~50 Ⅱ 差
50~75 Ⅲ
较好
75~90 Ⅳ
良好
90～100 Ⅴ
很好
例 某钻孔的长度为250cm，其 中岩芯采取总长度为200cm,而 大于10cm的岩芯总长度为 157cm(如图所示)， 则岩芯采取率： 200/250=80%
RQD=157/250=63% 岩体分类为：Ⅲ类、中等岩体
面
岩体的破坏机制也受控于岩体结构： 结构控制有：岩体破坏难易程度、岩体破坏的规模、岩 体破坏的过程及岩体破坏的主要方式等。
岩体破坏机制受岩体结构控制
整块体结构岩 体
①张破裂 ②剪破坏
块状结构岩 体
结构体沿结 构面滑动
碎裂状结构岩体
①结构体张破裂
②结构体
剪破裂
③结构体流动变形 ④结构体沿
结构面滑动
⑤结构体转动
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。
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
5、地下水的影响。渗流，软化，膨胀，崩解，静、动水 压力等。
岩石力学-岩体力学性质
裂隙度 岩体破碎程度分类 （一）裂隙度K 切割度
单组结构面 多组结构面 实例： k=4/10=0.4/m d=1/k=2.5m
1.单组节理 设勘测线长度为 l ，在 l 上出现的节理的个数为n， 则 k = n l 节理之间的平均间距为
l 1 d = = n k
10m
按间距分类
d>180cm d=30~180 d<30 d<6.5
块裂结构岩体
断续结构岩体
散体结构岩体
碎裂结构岩体
碎裂结构岩体
2.2.4岩体结构的相对性及工程岩体结构的唯一性
2.3岩体结构面及其充填物
结构面：具有一定方向、延展较大而厚度较小的二维面状地质 界面。 2.3.1结构面的类型及特征
沉积结构面 岩浆结构面 原生结构面
结构面分类
变质结构面 构造结构面 次生结构面
抗剪强度
节理Байду номын сангаас切向变形
节理变形 扩容现象
（一）节理强度与剪切变形的关系 节理“τ − δ ”曲线分为4类。见下图 强度准则：τ
= c + σ tg ϕ
a-充填节理
b-齿状节理
c-充填齿状节理
d-复位式
四种典型的节理强度和位移关系曲线
（二）节理抗剪强度和扩容分析
基本理论：库仑准则 τ = c + σ tg ϕ 滚动摩擦 类型：面接触、齿状接触 转动摩擦
δn −ξ = s δ ξ δ
max n
−δ
n
n
t
法向刚度： K
n
K n 0 δ max + δ = K n0 K n 0 δ max = K n0 1 − K JCS = 0 . 02 δ n0 δ
岩体力学-岩体的力学特性.PPT
Xe变化在0－1之间变化； Xe值愈大说明结构面的连续 性愈好； 当Xe=1时，结构面完全贯通。 当Xe=0时，岩体完整。
9
迹长：在岩体中沿结构面延展 迹线的长度。
岩体按切割度Xe的分类表 用结构面的迹长来描述和评 价结构面的连续性，并制订 了相应的分级标准 名称 切割度Xe
国际岩石力学学会(ISRM，1978)建议
III 级
IV 级
划分II类岩体结构 的基本依据 是岩体力学性质和 结构效应基础 坚硬结构面 破坏岩体的完整性， 与其他结构面形成 不同类型边坡破坏 方式。 16
结构面分级-4
级序 分级依据 地质类型 力学属性 影响岩体稳定性
分布随机，降低岩 块强度，是岩块力 学性质效应基础。 硬性结构面 若十分密集，又因 风化，形成松散介 质。
1.结构体的相对大小 2.结构体的块度 3.结构体的形状 板状结构体，柱状结构体，锥状结构体
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2.2 岩体静力学特性：
包括剪切变形和抗剪强度，以及法向变形;以剪切试验为研 究手段。 不连续面在剪切试验，包括室内剪切试验和现场剪切试验， 试验装置和简图 填充物对结构面抗剪强度的影响 1 夹层厚度：随着厚度的增加迅速降低，与法向应力的 大小有关 2 矿物颗粒：随着颗粒直径增大而增大，超过30mm，变 化不大 3 含水量：含水量增大导致抗剪强度大幅度降低
K=n/L ， d’ =1/K=L/n 线密度Kd：若取样线垂直结构面，则裂隙度被称为线密度。 间距d：同一组结构面法线方向上结构面平均距离。 Kd=n/L ， d =1/Kd=L/n
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多组结构面裂隙度K的计算： Ka=1/max =cosξa/da Kb=1/mbx =ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱosξb/db · · · · · · ， Kn=1/mnx =cosξn/dn K=Ka+Kb+· · · +Kn
岩体力学
岩体力学复习题纲第一章1．什么是岩体力学？岩体力学是研究岩石和岩体力学性能的理论及其应用的科学，是探讨岩石和岩体在其周围物理环境（应力场，温度场，地下水等）发生变化后，做出响应的一门力学分支。
2．何谓岩石？何谓岩体？岩石与岩体有何不同之处？岩石：由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集而形成的自然物体。
岩体：一定工程范围内的自然地质体。
不同之处：岩体是由岩石块和各种各样的结构面的综合体。
3．岩体有哪些力学特征？（1）不连续；受结构面控制，岩块可看作连续。
（2）各向异性；结构面有一定的排列趋势，不同方向力学性质不同。
（3）不均匀性；岩体中的结构面方向、分布、密度及被结构面切割成的岩块的大小、形状和镶嵌情况等在各部位不同，各部位的力学性质不同。
（4）赋存地质因子特性（水、气、热、初应力）都会对岩体有一定作用（5）残余强度特性：地质作用破坏岩体的构造后遗留下的构造形迹第二章1．简述岩石刚性试验机的工作原理。
当进行岩石压缩试验时，试验机的金属框架承受了与出力系统大小相等，方向相反的拉力。
此时，框架中将贮存有一定数量，由拉力而产生的弹性应变能。
当岩石达到峰值应力时，岩石产生一个较大量级的应变，正是因为这个应变在瞬间产生，使岩石试件与试验机之间的上压板跟不上岩石的变形速率，从而两者之间在一个极短时间内形成脱离趋势，这一脱离趋势促使受拉的试验机框架向岩石释放出贮存与试验机内的弹性应变能，从而导致岩石试件的崩溃。
2．典型的岩石蠕变曲线有哪些特征？典型的岩石蠕变曲线分三个阶段第Ⅰ阶段：称为初始蠕变段或者叫瞬态蠕变阶段。
在此阶段的应变一时间曲线向下弯曲；应变与时间大致呈对数关系，即ε∝㏒t。
第Ⅱ阶段：称为等速蠕变段或稳定蠕变段。
在此阶段内变形缓慢，应变与时间近于线性关系。
第Ⅲ阶段：称为加速蠕变段非稳态蠕变阶段。
此阶段内呈加速蠕变，将导致岩石的迅速破坏。
3．有哪三种基本的力学介质模型？1）弹性介质模型；2）塑性介质模型（理想塑性模型、有硬化塑.性介质模型）；3)黏性介质模型4．岩石在单轴和三轴压缩应力作用下，其破坏特征有何异同？单轴破坏形态有两类：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），在工程中也会出现；柱状劈裂破坏，张拉破坏（岩石的抗拉强度远小于抗压强度）是岩石单向压缩破坏的真实反映（消除了端部效应），消除试件端部约束的方法，润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部），加长试件。
8 岩体的力学性质
式中：d — 钻孔孔径 ，р— 计算压力，等于实验压力与初 始压力之差，Mpa；V — 径向位移，cm。
(3) 岩体变形曲线类型 由于岩体中结构面的发育情况及岩石坚硬程度等的差异， 岩体变形试验求得的压力P — 变形W曲线是复杂多变的。总括 起来，可归纳为如图所示的三类。 1.直线型：如图P—W曲线呈近似直线关系，反映岩体坚硬、致 密，裂隙不发育，或只有分布均匀的细小裂隙，岩体变形模量 较大，塑性变形小。 2.上凹型：P—W曲线在载荷低时斜率小，塑性变形大，随着载 荷的加大，曲线斜率逐渐增大，塑性变形趋于稳定；反映岩体 的岩性坚硬，裂隙发育，且多呈张开而无充填；在载荷作用下， 裂隙逐渐闭合或发生镶嵌作用而被挤紧。 3.下凹型：P—W曲线在低载荷下近似直线，表现为弹性变形； 当载荷增大时呈曲线，表现为塑性变形；反映岩体的岩性较软 弱，或岩体的较深部位埋藏有软弱夹层，或岩体裂隙发育，且 有泥质充填。
（2）构造结构面
各类岩体在构造运动作用下形成的各种结构面，如劈理、节理、 断层、层间错动面等。 节理面在走向延展及纵深发展上，其范围都是有限的，大者 一般不过上百米，小者仅有几厘米．张节理面一般粗糙，参差 不齐，宽窄不一，延展性较差，剪节理面一般平直光滑，延展 性相对较好，节理面上常见有擦痕和各种泥质薄膜，如高岭石、 绿泥石、滑石等，因此，剪节理面尽管接触紧密，但却易于滑 动。 断层面的规模相差比较悬殊，有的深切岩石圈几十公里，有 的仅限于地壳表层或只在地表数十米．但是，相对工程而言， 断层面一般是延展性较好的结构面．断层面(或帘)的物质成分 主要是构造岩，如断层泥、糜棱岩、角砾岩、压碎岩等．层间 错动带是在层状岩体中常见的一种构造结构面，其产状一般与 岩层一致。 延展性较好，结构面中的物质，因受构造错动的影响，多呈 破碎状、鳞片状，且含泥质物。
岩体力学第四章岩体的基本力学性质
•
•
•
(2) 间距
结构面的间距是指同组相邻结构面的垂直距离 。 通常采用同组结构面的平均间距。间距的大小直接 反映了该组结构面的发育程度，也就是反映了岩体 的完整程度。
(3) 延展性
在一个岩休的露头上，所见到的结构面迹线的长 度。该参数反映了该组结构面的规模大小。
•
(4) 粗糙度和起伏度
相对于结构面平均平面的表面不平整度，通常用 结构面的粗糙度和起伏度表示。这是增加结构面抗 剪强度的一个几何参数。
1．绝对分类——结构面延展长度
细小结构面 延长 ≤1m 中等结构面 延长 1～10m 巨大结构面 延长 ≥10m
2．相对分类——相对工程而言的分类见表4-1。
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•
(3) 按地质力学观点分类
a 破坏面
大面积破坏
缓慢地质作用
b 破坏带
小面积密集破坏 快速地质作用
c 两者之间 过渡类型
•
•单节 理
•节理 组
•
•
•上述Xe，仅是某一平面上节理面所占面积的比 率。有时为了研究岩体空间内部某组节理的切割 程度Xr，可由裂隙度K与平面切割度Xe建立如下 关系式：
•式中：
－岩体体积内部被某组节理切割
的程度，单位m2/m3.
•
岩体破碎程度分类（表4-3）
•
2.2 结构面的定量描述
(1) 产状 产状是指结构面在空间的分相状态。它是由
d= L/ n=1/K
•
•实例： K=4/10=0.4/m •d=1/K=2.5m
•10 m
•
当取样线垂直节理的走向时，则d为节理 走向的垂直间距。
•按垂直间距分类
d>180cm d=30~180 d<30 d<6.5
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变差，变形增大，变形模量减小。
当RQD :100~65时, Em / E随RQD值降低 而迅速降低
当RQD < 65时, Em / E随RQD值降低 变化不大
3. 结构面张开度和充填特征的影响 岩体 Em / E 与 RQD 关系
影响明显：张开度大，且无充填或充填薄时，岩体变 形较大，变形模量小；张开度小，岩体变形较小，变 形模量较大。
4.复合型
曲线呈阶梯或S型 所代表的岩体：结构面发育不均匀，或 岩性不均匀的岩体。
（二）剪切变形曲线
按剪应力-剪切变形曲线的形状和残余强 度与峰值强度的比值,岩体剪切变形曲线 分为3类：
1. 峰值前变形曲线的平均斜率小,峰值强 度较小,破坏位移大,可达2～10cm;峰值后, 应力降不太明显，随位移增大强度损失很 小或不变,τr /τp 1.0 ~ 0.6 岩体剪切试验情况：沿软弱结构面剪切
• 结构面的影响
τ
① 沿结构面剪切(重剪破坏)时，岩体剪 切强度最低，等于结构面的抗剪强度。
岩块
② 横切结构面剪切(剪断破坏)时，岩体
岩体
剪切强度最高。
结构面
③ 沿复合剪切面剪切(复合破坏)时，其
强度介于以上两者之间。
0
σ
岩体剪切强度包络线示意图
说明：岩体的剪切强度是具有上限和下限，其强度包络线
也是有上限和下限的曲线族。上限是岩体的剪断强度,下 限是结构面的抗剪强度。
体变形不同，即结构面导致
岩体变形的各向异性。结构
面组数少时明显，结构面组 数多时不明显。
潜在的平面破坏 倾倒破坏 结构面产状对边坡变形的影响
层状岩体结构面产状对隧道围岩变形的影响
平行结构面方向的变形模量>垂直结构面方向的变形模量
2. 结构面密度的影响
影响岩体变形性质的因素
随着结构面密度增大，岩体完整性
力及地下水条件。
结构面的影响是岩体力学性质不同于岩块力学 性质的本质原因。
§4.2 岩体的变形性质
• 在受力条件改变时岩体的变形是岩块变形 和结构变形的总和，而结构变形通常包括 结构面闭合、充填物的压密及结构体转动 和滑动等变形。
从岩体的定义：岩块+结构面=>岩体 岩体变形=岩块变形+结构面闭合+充填物压
所代表的岩体：垂直层面加压的较 坚硬层状岩体。
（2）加载曲线的斜率随加、卸载 循环次数的增加而增大，即岩体刚 度随循环次数增加而增大。卸载曲 线相对较陡，卸压后变形大部分不 能恢复，为塑性变形。 所代表的岩体：存在软弱夹层的岩 体和裂隙岩体；垂直层面加压的层 状岩体。
3.上凸型
曲线方程：p = f (W),斜率随荷载增大而减小 所代表的岩体：结构面发育且有泥质充 填的岩体；埋藏较深的有软弱夹层的岩 体，或岩性较软弱的岩体(粘土岩、风化 岩)
• 应力的影响
τ
岩体剪切强度包络线
• 应力σ较低时，剪切强度变化范围
较大；随着应力增大，范围逐渐变小
岩块
岩体 结构面
• 应力σ高到一定程度时，包络线 变为一条曲线，岩体剪切强度将不
受结构面影响而趋于各向同性。
0
σ
岩体剪切强度包络线示意图
① 高应力条件下，岩体的剪切强度接近于岩块的抗剪强度。 ② 低应力条件下，岩体的剪切强度主要受结构面发育特征及 其组合关系的控制。起着控制 作用。
• 那么如何研究岩体的变形呢？ （1）岩体原位试验； （2）工程岩体变形监测； （3）物理模拟试验； （4）数值模拟技术； （5）理论分析； （6）经验方法。
岩体的变形性质主要通过岩体变形试验 进行研究。
一、岩体变形试验及其变形参数确定 二、岩体变形参数估算 三、岩体变形曲线类型及其特征 四、影响岩体变形性质的因素
一、岩体变形试验及其变形参数确定
根据曲线斜率大小和卸压曲线特征,可分为2种：
特点:加载-位移曲线呈直线,斜率较 陡,刚度大,不易变形;卸压后变形几 乎恢复到原点;以弹性变形为主。 代表性岩体:岩体接近于均质弹性 体,较坚硬、完 整、致密均匀、 少裂隙。
特点:加载-位移曲线呈直线,斜率较缓, 刚度小,易变形;卸压后变形只有部分 能恢复;有明显的塑性变形和滞回环。 该曲线不是弹性。
峰值
p r
u
四、影响岩体变形性质的因素
主要因素：岩体地质特征（岩性、结构面发育特征）和 试验条件（荷载条件、试件尺寸、试验方法、温度等）。 结构面效应：指结构面方位、密度、充填特征及其组合 关系等对岩体变形性质的影响。
1. 结构面方位的影响 主要表现在：结构面与应力
作用方向的夹角的不同，岩
第四章 岩体力学性质
§4.1 概述 §4.2 岩体的变形性质 §4.3 岩体的强度性质 §4.4 岩体的动力学性质 §4.5 岩体的水力学性质
§4.1 概述
岩体是由结构面网络及其切割的岩块组成。 岩体的力学性质与岩块有着显著区别！！！
岩体力学性质的影响因素： （1）组成岩体的岩石材料性质 （2）结构面的发育特征及其性质 （3）岩体的地质环境条件，尤其是天然应
岩性
花岗岩 石英岩 页岩 石灰岩
岩体
内聚力Cm (MPa) 内摩擦角m (°)
范围：0.1～4.16 30～70
一般：0.2～0.5 45～52
0.01～0.53
22～40
范围：0.03～1.36 33～70
一般：0.1～0.4 38～50
范围：0.02～3.9 13～65
一般：0.1～1
38～52
岩块
内聚力C (MPa) 内摩擦角φ (°)
14～50
45～60
20～60 3～20
50～60 15～30
10～50
35～50
①两者的内摩擦角接近；②岩体内聚力远小于岩块的内聚力。 说明: 结构面的存在主要是降低岩体的连结能力，进而降低其 内聚力。
(二) 岩体的剪切强度特征
研究表明：岩体的剪切强度主要受岩块性质、结构面条 件、应力状态、风化程度及其含水状态等因素的影响
代表性岩体:结构面发育,分布均;或岩性 较软弱但较均质;平行层面加载的层状 岩体。
陡直线型
缓直线型
2.上凹型
曲线方程：p = f (W) 斜率随荷载增大而增加 岩体地质特征：层状和节理岩体。 根据加、卸压曲线特征，可分为2种：
（1）加载曲线的斜率随加、卸载循 环次数的增加而增大,即岩体刚度随 循环次数增加而增大。卸载曲线相 对较缓，且互相近似平行。弹性变 形大于塑性变形,并且随着荷载的增 大,塑性变形减小、弹性变形增加。