岩土体的强度及其影响因素-李海亮

工程地质学

读书报告

题目：岩土体的强度及其影响因素学号：20111002833

班级：01211

姓名：李海亮

指导老师：熊承仁

岩土体的强度及其影响因素

岩土体的强度即其在外力作用下的保持稳定的能力。当岩土体受力超过其极限强度时，就会发生破坏，从而影响工程建筑的安全，最终影响到人类的生产，生活及生命财产安全，因此，研究岩土体强度及其影响因素有十分重要的意义。

一 岩体的强度及影响因素

岩体是由各种不同形态的岩块和结构面组成的地质体，因此其强度必然受到岩块的结构面强度及其组合形式的控制。一般情况下，岩体的强度既不等于岩块的强度，也不等于结构面的强度，而是由二者共同影响的。但在某些情况下可以用岩块或结构面的强度来代替。如岩体中的结构面不发育，呈整体或完整结构，则其强度可视为与岩块强度相似或相等。如果岩体是沿着某一结构面的整体滑动破坏，则岩体强度完全取决于该结构面的强度。这是两种特殊情况，多数情况下，岩体强度介于岩块和结构面强度之间。

(一)结构面的剪切强度及其影响因素

根据结构面的形态﹑连续性﹑充填情况及力学性质，可将结构面分为平直光

滑无充填的﹑粗糙起伏无充填的﹑非贯通断续的机软弱充填的4类。各结构面的剪切强度分述如下。

1.平直光滑无充填结构面的强度及其影响因素

这类结构面以光滑破裂面及磨光面为代表，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，但是，一般来说，因多数天然平直光滑结构面仍具有细微的起伏和凹凸，其粗糙度要比人工磨光面大。所以，天然光滑结构面的剪切强度仍由内聚力和摩擦阻力组成。即

式中：σ为法向应力，φj 为结构面的摩擦角。 2.粗糙起伏无填充结构面的强度及其影响因素

这类结构面的基本特点是具有起伏度，在法向应力较小时，剪切过程中可引

起上滑效应，从而增大了结构面的剪切强度。

帕顿曾进行了理想化石膏模型试验，论述了粗糙起伏无填充结构面的剪切强

度机理。假定结构面为规则的锯齿形，起伏角为i ，起伏差为δ。在法向应力（σ） 和剪应力（τ）作用下，锯齿凸起面上受到法向应力（σn ）和剪应力（τn ）为：

j j C

tg +=φστi

i i i n n sin cos cos sin σττστσ-=+=

设产生剪切滑动时，服从库伦强度条件 i n n tg φστ=，则构面剪切强度为

由上式可知，具有一定起伏度的锯齿形结构面的强度随起伏角（i ）的增大而增加。

当法向应力达到一定值σT 时，由于上滑运动所做的功达到并超过了剪短凸

起部分所需要的功，凸起部分被剪短，则结构面强度为

b b tg C φστ+=

式中：C b 和φb 分别为结构面的凸起部分的岩石内聚力和内摩擦角。

以上是规则结构面的强度，但在自然界中多数粗糙结构面的起伏形态是不规则的，起伏角也不是常数。对于这种情况，巴顿用下式计算结构面的强度：

])l o g ([tg b JCS

JRC φσ

στ+= 式中：JRC 为粗糙度系数；JSC 为结构面壁岩的抗压强度；φb 为结构面的基本摩擦角；σ为法向应力。

3.非贯通断续结构面的剪切强度

这类结构面的剪切强度由各段结构面剪切强度和非贯通段岩石的剪切强度两部分组成。因此，整个结构面的剪切强度取决于结构面和岩块性质及结构面的连续性，即 ])1([])1([1111m j m j tg K tg K C K C K φφστ-++-+=

式中：C j ，C m 分别为结构面和岩石的内聚力；φj 和φm 分别为结构面和岩石的内摩擦角；K 1为结构面的连续性系数。

上式为岩桥被剪短时结构面的剪切强度，这是非贯通结构面破坏的一种特殊情况，实际上这类结构面的破坏机理非常复杂，应予以注意。

4.具充填的软弱结构面的剪切强度及其影响因素

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。这类结构面的剪切强度，主要取决于充填物的成分，结构，厚度及充填程度等情况。下表列出了不同软弱夹层的剪切强度指标。由表可知结构面的剪切强度随充填物碎屑含量增加及颗粒变粗而增高，随粘粒含量增加而降低。 夹层成分对结构面抗剪强度的影响

夹层成分 抗剪强度系数 摩擦系数f 内聚力C （kPa ） 泥化夹层和泥夹层

0.15—0.25 5—20 碎屑夹泥层

0.3—0.4 20—40 碎屑夹层

0.5—0.6 0—100 含铁锰质角砾碎屑夹层

0.6—0.85 30—150

)(b tg n n φστ=

(二)岩体的抗剪强度及其影响因素

岩体中任一方向上的剪切面，在一定的法向应力作用下所能抵抗的最大剪应力，称为岩体的抗剪强度。岩体的抗剪强度也细分为剪短强度，摩擦强度和抗切强度3种。

试验和理论都表明：岩体的抗切强度主要受结构面，应力状态，岩性及分化程度等因素控制。由于作用与岩体上的工程载荷，一般在10MPa以下，因此与工程活动有关的破坏，基本上受结构面的控制。又由于岩体中结构面大多数是分组定向排列的，因此多数岩体都具有明显的各向异性。在仅有一组结构面的情况下，结构面剪切时，岩体的剪切强度最小，接近于结构面的剪切强度；而横切结构面是剪切强度最高；沿复合剪切面剪切时，岩体的剪切强度介于两者之间。因此，一般情况下，岩体的剪切强度包络线不是一条简单的曲线，而是有一定上下线的曲线组。下限是结构面的剪切强度，上限是岩块的剪切强度（如下图）。

岩体抗剪强度包络线变化范围

在剧烈风化岩体和软弱岩体中，剪短岩体是内摩擦角多在30º—40º，内聚力多在0.1—1MPa之间。其强度包络线上下限比较接近，变化范围小。

在坚硬岩体中，剪断岩体时内摩擦角多在45º以上，内聚力多为1—4MPa。其强度包络线的上下限差值较大，变化范围也大。此时，正确确定岩体的强度较为困难，一般可依据原位岩体剪切试验或强度估算结果，结合工程载荷及结构面的发育情况等进行确定。

二土体的强度及其影响因素

土的抗剪强度是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力，作为图的力学指标的重要一项，其物理意义是由土体颗粒间的内摩阻力以及胶结物与水膜分子引力所造成的粘聚力构成。许多建筑物地基的破坏，人工和自然斜坡的滑动以及挡土墙移动和倾倒等，都是由于土内剪应力超过其本身的抗剪强度而引起的，因此，研究图的强度特性，主要是研究土的抗剪性。

对于非粘性土来说，其抗剪强度主要是来自土粒间的内摩擦力，包括由于土颗粒粗糙产生的表面摩擦力以及粗颗粒之间互相嵌挤联锁作用。对于粘性土，其抗剪强度主要来自内摩擦力外以及土颗粒之间的电分子吸引力以及土中胶结物