大连理工大学岩石力学课件张金利老师---4岩体的力学性质最新

剪应力：
n
1
3
2
sin 2
应力圆方程：
( n
1
3 )2
2
2 n
(1
3
2
)2
其圆心坐标为： (1 3 , 0)
半径为：
2
(
1
3
)
2
§4-3 岩体破坏机理
一、岩体破坏概念
岩体 镶嵌结构 层状碎裂结构 碎裂结构
完整性系数 <0.36 <0.4 <0.3
结构面间距 <0.5m <0.5m <0.5m
结构面级别 Ⅳ、Ⅴ级密集 Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ发育
五、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。属松散介质。
2 n
( 3
1)(3
2 )N 2
1 4
(1
2)2
分别令L，M，N=0，则在σ-τ平面坐标内表示时三个应力圆。
( n
2
3
2
)2
2 n
1 4
( 2
3)2
( n
1
3
2
)2
2 n
1 4
( 3
1)2
( n
1
2
2
)2
2 n
1 4
(1
2)2
1 若令L= M = N= 则得八面体正应力和剪应力：
3
n
完整性系数：层状 0.3～0.6； 薄层状 <0.4
结构面级别: 层状 以Ⅲ、Ⅳ为主；薄层状 Ⅲ、Ⅳ显著
结构面间距：层状 0.3～0.5 m ； 薄层状 <0.3 m
四、碎裂结构
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。
1
3
讨论
1，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。
2，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
则
法向应力：
n 1L2 2M 2 3N 2
剪应力：
2 n
2 1
L2
2 2
M
2
2 3
N
2
2 n
因
L2 M 2 N 2 1
可得：
( n
2
3
2
)2
2 n
(1
2 )(1
3)L2来自百度文库
1 4
( 2
3)2
( n
1
3
2
)2
2 n
( 2
3)( 2
1)M
2
1 4
( 3
1)2
( n
1
2
2
)2
完整性系数：<0.2
§4-2 岩体的强度
一、岩体强度特征
岩体的强度取决于结构面的强度和岩石的强度。 1、岩体的抗剪强度包络线介于结构面强度包络线和 岩石强度包络线之间。
2、岩体强度的各向异性
岩体强度受加载方向与结构面夹角θ的控制，因此，表现 出岩体强度的各向异性。
单轴压 缩情况
3 0
1
石墨片岩在三向压缩下强度随加载方向的变化。
（2） 准岩体强度
完整性系数K： K (V岩体 )2 V岩 石
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与单轴抗拉强 度。
2，岩体抗剪强度
（1）双千斤顶法
N Q sin
完整性系数 > 0.75
结构面级别 Ⅳ、V
结构面间距 > 1m
二、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。
结构面间距 0.5～1 m
完整性系数 0.35～0.75
( n
1
3
2
)2
2 n
(1
3 )2
2
上式在σ-τ平面坐标内表示的曲线是应力圆。
其圆心坐标为 ( 1 3 ,0) ， 半径为
(
1
3
)
2
2
（3）平面状态下的强度计算（ σ1> σ3 ，σ2＝0）
此状态侧压力σ2＝0，为双向应力状态，为平面问题。其应力方 程与上相同 ：
法向应力：
n
1
3
2
1
3
2
cos 2
地下工程中的岩体为三向受力状态，对于重要工程要求进行岩体 的三轴试验（技术复杂、耗时、费用高）。 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，压力枕。
（1） 真三轴试验（σ1>σ2>σ3)的强度计算 在σ1>σ2>σ3状态下，某一斜截面外法线的方向余弦为L，M，N。
ok
1
2
3
3
n
ok
1 3
(1 2 )2 ( 2 3)2 (3 1)2
上式可写为：
ok f ( ok )
（2）假三轴试验（σ1> σ3 ，σ2＝σ3)的强度计算 在σ1> σ3 ，σ2＝σ3状态下，可化为平面问题。
法向应力：
n
1
3
2
1
3
2
cos 2
剪应力：
n
1
3
2
sin 2
由上二式得：
第四章 岩体的力学性质
§4-1 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。
按岩体被结构面切割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 层状结构 块状结构
碎裂结构 散体结构
层状结构 薄层状结构
镶嵌结构 层状碎裂结构 碎裂结构
一、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。可视为均质、各向同性的连续介 质。
FF
Q cos
F
N：法向荷载，kN；Q：倾斜 荷载，kN；F：试件面积，m2 一般至少做5点，斜向推力与 水平面夹角一般采用150，合 力应过剪切面中心。由试验得 到强度曲线。
（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。
Q sin
F
Q cos
Q
F
3、现场三轴强度试验
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。
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; A—试件横截面面积，m2。
结构面级别以Ⅳ、V为主
三、层状结构
由中厚（0.1～0.5 m）及薄层（<0.1m）的均一、 坚硬、软弱或软硬相间的沉积岩或沉积变质岩形成 的岩体。结构面以层理、片理、节理为主，往往有 层间错动，结构体呈板状、片状互相紧密叠合。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。