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1、第第二二章章 岩体的力学性质岩体的力学性质 1 1 岩体岩体结构结构 2 2 结构面的几何性质与力学性质结构面的几何性质与力学性质 3 3 岩体的强度性质岩体的强度性质 4 4 岩体的变形性质岩体的变形性质 5 5 岩体质量评价及其分类岩体质量评价及其分类 本章内容： 2-1 岩体结构岩体结构 结构面：结构面：是指岩体中存在着的各种不同是指岩体中存在着的各种不同 成因和不同特性的成因和不同特性的地质界面地质界面，包括物质，包括物质 的分界面、不连续面如节理、片理、断的分界面、不连续面如节理、片理、断 层、不整合面等。层、不整合面等。 结构体结构体：由结构面在岩体中切割而成的：由结构面在岩体中切
2、割而成的 几何体称为结构体（岩石块体）。几何体称为结构体（岩石块体）。 岩体岩体：结构面和结构体的地质统一体。：结构面和结构体的地质统一体。 图图2-1 岩体结构示意岩体结构示意 一、结构面一、结构面 （1 1）地质成因类型）地质成因类型 u 原生结构面原生结构面：岩体在成岩过程中形成的结构面。：岩体在成岩过程中形成的结构面。 沉积结构面沉积结构面是沉积岩在沉积和成岩过程中形成的，有是沉积岩在沉积和成岩过程中形成的，有层理面层理面、软弱夹层软弱夹层、沉积沉积 间断面间断面和和不整合面不整合面等。等。 1 1、成因类型、成因类型 火成结构面火成结构面是岩浆侵入及冷凝过程中形成的结构面，包括岩浆岩
3、体与围岩的接触是岩浆侵入及冷凝过程中形成的结构面，包括岩浆岩体与围岩的接触 面、各期岩浆岩之间的接触面和原生冷凝节理等（如：流层、流线、火山岩流接面、各期岩浆岩之间的接触面和原生冷凝节理等（如：流层、流线、火山岩流接 触面、蚀变带、原生节理等）。触面、蚀变带、原生节理等）。 u变质结构面变质结构面在变质过程中形成（分为残留结构面和重结晶结构面），如：片理、在变质过程中形成（分为残留结构面和重结晶结构面），如：片理、 片麻理、板理、软弱夹层等。片麻理、板理、软弱夹层等。 u构造结构面构造结构面 是岩体形成后在构造应力作用下形成的各种破裂面，包括断层、节理、是岩体形成后在构造应力作用下形成的各种破
4、裂面，包括断层、节理、 劈理和层间错动面等。劈理和层间错动面等。 u 次生结构面次生结构面 是岩体形成后在外是岩体形成后在外 营力作用下产生的结构面，包括卸营力作用下产生的结构面，包括卸 荷裂隙、风化裂隙、次生夹泥层和荷裂隙、风化裂隙、次生夹泥层和 泥化夹层等。泥化夹层等。 （2 2）力学成因类型）力学成因类型 u剪性结构面剪性结构面是剪应力形成的，是剪应力形成的， 破裂面两侧岩体产生相对滑移，破裂面两侧岩体产生相对滑移， 如逆断层、平移断层以及多数如逆断层、平移断层以及多数 正断层等。正断层等。 张性结构面张性结构面是由拉应力形成的，如是由拉应力形成的，如 粘土岩失水收缩节理、岩浆岩中的粘土
5、岩失水收缩节理、岩浆岩中的 冷凝节理等。冷凝节理等。 平移断层平移断层 正断层正断层 逆断层逆断层 2 2、分级、分级 级序级序分级依据分级依据地质类型地质类型对岩体稳定影响对岩体稳定影响 级级 延伸延伸数公里数公里以上（最长达上千公以上（最长达上千公 里），破碎带宽度数米里），破碎带宽度数米数十米数十米 区域性深大断裂区域性深大断裂 影响区域稳定性影响区域稳定性；如通过工程；如通过工程 区，区，形成岩体力学作用边界形成岩体力学作用边界 级级 延伸延伸数百米数百米数公里，破碎带宽度数公里，破碎带宽度 几厘米几厘米几米几米 大中型断层、不整合面、大中型断层、不整合面、 层间错动带、软弱夹层等层间
6、错动带、软弱夹层等 控制工程岩体力学边界条件和控制工程岩体力学边界条件和 破坏方式破坏方式，与与级结构面组合级结构面组合 直接威胁工程稳定直接威胁工程稳定 级级 延伸延伸十米十米数十米数十米，无破碎带，面，无破碎带，面 内不含泥，仅在一个地质年代的地内不含泥，仅在一个地质年代的地 层中分布层中分布 小断层、软弱夹层、层间小断层、软弱夹层、层间 错动带等错动带等 控制工程岩体力学边界条件和控制工程岩体力学边界条件和 破坏方式，直接威胁工程稳定破坏方式，直接威胁工程稳定 级级 延展数延展数厘米厘米数米数米，未错动，有的呈弱，未错动，有的呈弱 结合状态，统计结构面结合状态，统计结构面 节理、劈理、片
7、理、层理、节理、劈理、片理、层理、 卸荷裂隙、风化裂隙卸荷裂隙、风化裂隙 控制岩体的结构、完整性和物控制岩体的结构、完整性和物 理力学性质理力学性质 级级 微米微米毫米毫米，细小或隐微裂面，统，细小或隐微裂面，统 计结构面计结构面 微小节理、隐微裂隙。常微小节理、隐微裂隙。常 包含在岩块内包含在岩块内 控制岩块的力学性质控制岩块的力学性质 二、结构体二、结构体 1 1、结构体分级、结构体分级 I级结构体级结构体：由由I级结构面切割成的结构体级结构面切割成的结构体(地质体地质体)。 II级结构体级结构体：由：由I级结构体经级结构体经II级结构面切割而成的结构体级结构面切割而成的结构体(山体山体)
8、。 III级结构体级结构体：II级结构体再经级结构体再经III级结构面切割而成的结构体。级结构面切割而成的结构体。 IV级结构体级结构体：III级结构体再经级结构体再经IV级结构面切割而成的结构体（完整岩石级结构面切割而成的结构体（完整岩石 或岩块）。或岩块）。 2 2、结构体的块度、结构体的块度 结构体的块度通常指最小结构体的尺寸。在岩体工程稳定性分结构体的块度通常指最小结构体的尺寸。在岩体工程稳定性分 析中，析中，结构体的块度决定了工程围岩的破坏方式，从而决定了支结构体的块度决定了工程围岩的破坏方式，从而决定了支 护和加固方法护和加固方法。在开挖过程中结构体的块度影响施工及临时支护。在开挖
9、过程中结构体的块度影响施工及临时支护。 三、岩体结构类型三、岩体结构类型 按岩体I级结构被大规模结构面分割的形态特征可将岩体结构分为块状结构和板层状 结构。 I级 岩体结构 整体结构 板层状结构 块状结构 碎裂结构 散体结构 块状碎裂结构 层状碎裂结构 块状结构块状结构 将大规模结构面切割成的岩体结构定义为将大规模结构面切割成的岩体结构定义为I级结构级结构；在；在I级结构基础上，次级结构面级结构基础上，次级结构面 切割成的岩体结构定义为切割成的岩体结构定义为II级结构级结构。 按岩体按岩体II级结构被次级结构面切割的级结构被次级结构面切割的程度程度和和形态特征，可将岩体结构划分：形态特征，可将
10、岩体结构划分： II II级岩体结构级岩体结构 Vpm岩体弹性波纵波速度（m/s) Vpr 岩石弹性波纵波速度（m/s) 2 )( pr pm v V V K 岩体完整性系数岩体完整性系数 表征岩体结构特征的一个重要参数 1 1、整体结构、整体结构 完整性系数 0.75 结构面间距 1.5 m 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。 岩土工程特征：整体强度高，岩体稳定，可视为均质、各向同性的连 续介质。 2 2、块状结构、块状结构 完整性系数 0.350.75 结构面间距 0.71.5 m 节理发育，有若干贯通微张裂隙将岩体切割
11、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。 岩土工程特征：整体性强度高，结构面相互牵制，岩体基本稳定，接近 弹性各向同性体。 4 4、碎裂结构、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，稳定性很差。 岩体岩体完整性系数完整性系数 结构面间距结构面间距 块状碎裂结构块状碎裂结构 0.36 0.5m 层状碎裂结构层状碎裂结构 0.4 0.5m 5、散体结构、散体结构 完整性系数：0.2 主要为各种剧烈风化或挤压破碎的岩
12、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。 岩土工程特征：稳定性极差，岩体属性接近松散体介质。 完整性系数：层状 0.30.6; 薄层状0.4 结构面间距：层状 0.250.5 m ；薄层状0.25 m 由中厚（0.250.5 m）及薄层（0.25m）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。 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
13、定性较差。 3 3、板板层状结构层状结构 1 1、产状、产状 结构面产状三要素：走向、倾向、倾角；结构面产状三要素：走向、倾向、倾角； 与主应力之间的关系：控制岩体的破坏机理与强度。与主应力之间的关系：控制岩体的破坏机理与强度。 2-2 岩体结构面的几何与力学性质 一、结构面的几何性质一、结构面的几何性质 结构面的分步密度反映结构面发育的密集程度，以裂隙度和切割度表示。 裂隙度K ：沿取样线方向单位长度上的结构面数量。 设取样线长度为L,单位m,该长度内出现的结构面数量n，沿取样线方向结构面 平均间距为d，则 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
14、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/Ld ， d =1/Kd=Ld /n 2、分布密度 多组结构面裂隙度K 的计算： Ka=1/max =cosa/da ， Kb=1/mbx =cosb/db ， ， Kn=1/mnx =cosn/dn K=Ka+Kb+Kn 切割度切割度Xe：岩体被节理割裂分离的程度。当岩体仅含一个节理时，眼节理面在岩体：岩体被节理割裂分离的程度。当岩体仅含一个节理时，眼节理面在岩体 中取一贯通整体的平直断面，节理面积中取一贯通整体的平直断面，节理面积a与该断面面积与该断面面积A之比成为岩体的切割度之比成为岩体的切割度Xe。 若沿着岩体某断面上
15、同时存在面积为若沿着岩体某断面上同时存在面积为a1，a2，an的几个节理面，则岩体沿该断面的几个节理面，则岩体沿该断面 的切割度为的切割度为 Xe=（ a1+a2+an） ）/A 某组节理切割的程度可用某组节理切割的程度可用Xv表示：表示： Xv= Xe .K 3、张开度 结构面的张开度是指结构面两壁面间的垂直距离。结构面的张开度是指结构面两壁面间的垂直距离。 结构面的形态可以用侧壁的起伏形态及粗糙度来反映。结构面的形态可以用侧壁的起伏形态及粗糙度来反映。 结构面侧壁的起伏形态分为：平直的、台阶状的、锯齿状的、波状的和不规则状的。结构面侧壁的起伏形态分为：平直的、台阶状的、锯齿状的、波状的和不
16、规则状的。 4、形态 侧壁的起伏程度可用起伏角侧壁的起伏程度可用起伏角i表示：表示： 2 arctan h i l 可以用线密度来估算岩体质量指标可以用线密度来估算岩体质量指标RQD (rock quality designation) ： RQD的原始定义为：长度大于的原始定义为：长度大于10cm的岩心长度之和与钻孔总进尺的百分比，按下的岩心长度之和与钻孔总进尺的百分比，按下 式计算：式计算： 0.1 100(0.11) d k d R Q Dek 10 100% cm R Q D 长 度 大 于的 岩 心 长 度 之 和 钻 孔 总 进 尺 结构面的粗糙度用粗糙度系数结构面的粗糙度用粗糙度
17、系数JRC (Joint Roughness Coefficient)表示。根据标准粗表示。根据标准粗 糙度剖面将结构面的粗糙度系数划分为糙度剖面将结构面的粗糙度系数划分为10 级。随粗糙度的增大，结构面的摩擦角也级。随粗糙度的增大，结构面的摩擦角也 增大。增大。 标准粗糙度剖面见右图。标准粗糙度剖面见右图。 二、结构面的力学性质二、结构面的力学性质 为何要研 究结构面 的力学性 质？ 1 引起工程岩体失稳破坏 2 控制岩体变形 3 控制地下水渗透 4 影响岩体中应力分布 （1）法向变形特征 曲线形状，先凹，后陡；归结为接触微凸体的 弹性变形、压碎、间接拉裂隙产生、新的接触点 和面的增加。 初
18、始阶段，结构面变形为主， 当n=c / 3时结构面变形基本完成 最大闭合量小于张开度。 卸除荷载后，有明显的迟滞和非弹性效应。 1 1、法向变形与法向刚度、法向变形与法向刚度 （2）法向应力与法向变形）法向应力与法向变形的关系的关系 （Goodman,1974 ） 式中：式中： ：原位压力：原位压力 ：最大可能闭合量：最大可能闭合量 s，t：与结构面几何特征、岩石力学性质有关：与结构面几何特征、岩石力学性质有关 的两个参数的两个参数 m ax t nn n s m ax 1 1、法向变形与法向刚度、法向变形与法向刚度 （3）法向刚度）法向刚度Kn （Goodman,1974） 式中式中Kn0：
19、结构面的初始刚度：结构面的初始刚度 2 0m ax 0 0m ax nn nn n K KK K Bandis (1984) 提出的非充填节理提出的非充填节理法向应力与法向变形法向应力与法向变形的关系的关系 式中：式中：a、b为常数为常数 法向刚度法向刚度Kn: Bandis得出由初始法向刚度和最大得出由初始法向刚度和最大 闭合量表达的经验公式：闭合量表达的经验公式： n n n ba 2 )( 1 nn n n ba K n n n ba 2 0 0max (1) n nn nn KK K 0 0 0.02()1.757 n n JCS KJRC max 0 ()() D n JCS AB
20、JRCC （1）剪切变形特征）剪切变形特征 A.粗糙结构面（且无充填物），剪应粗糙结构面（且无充填物），剪应 力上升较快，当剪应力达到峰值后力上升较快，当剪应力达到峰值后 抗剪能力下降较大，并产生不规则抗剪能力下降较大，并产生不规则 的峰后变形或粘滑现象。的峰后变形或粘滑现象。 B.平坦结构面（或有充填物），初始平坦结构面（或有充填物），初始 阶段剪切变形曲线斜率逐渐减小，阶段剪切变形曲线斜率逐渐减小， 曲线没有明显的峰值出现，最终恒曲线没有明显的峰值出现，最终恒 定，或出现剪切硬化。定，或出现剪切硬化。 C.随着法向应力减小、剪切规模增大，随着法向应力减小、剪切规模增大， 剪切刚度减小剪切刚
21、度减小 2 2、剪切变形与剪切刚度、剪切变形与剪切刚度 （2）剪切变形方程）剪切变形方程 1975，卡尔哈维（，卡尔哈维（Kalhaway)提出：提出： 式中：式中：m=1/k0, k0:初始剪切刚度初始剪切刚度 n=1/0, 0产生较大剪切位移时的产生较大剪切位移时的 剪应力渐近值剪应力渐近值 t t nm （3）剪切刚度）剪切刚度Kt 剪切刚度：剪切刚度： 1974年年Goodman提出：提出： 式中：式中：Kt0初始剪切刚度初始剪切刚度 s产生较大剪切位移时的剪应产生较大剪切位移时的剪应 力渐近值力渐近值 对于较坚硬结构面，剪切刚度一般对于较坚硬结构面，剪切刚度一般 为常数；对松软结构面
22、，剪切刚度为常数；对松软结构面，剪切刚度 随法向应力的大小而改变。随法向应力的大小而改变。 t t K 0 1 tt s KK 1）平直结构面平直结构面的剪切强度的剪切强度 jj ctan 3、结构面的抗剪强度、结构面的抗剪强度 2）粗糙起伏结构面粗糙起伏结构面的剪切强度的剪切强度 两种情况：剪胀、剪断两种情况：剪胀、剪断 剪胀：剪胀： (无粘结），无粘结）， 剪断：剪断： )tan(i j jybjyb ctan jyjy ctan （有粘结）（有粘结） 2）剪胀剪胀现象与现象与剪断剪断现象现象 岩石强度高，爬坡角岩石强度高，爬坡角i小，法向力小，法向力N小，发生剪胀现象小，发生剪胀现象(b
23、) 岩石强度低，爬坡角岩石强度低，爬坡角i大，法向力大，法向力N大，发生剪断现象大，发生剪断现象(c) 4、结构面力学性质的尺寸效应、结构面力学性质的尺寸效应 Barton和和Bandis（1982）的试验结果表明：）的试验结果表明： 随着试块长度的增大，平均峰值摩擦角降低；随着试块长度的增大，平均峰值摩擦角降低； 随着试块面积的增大，平均峰值剪切应力降低，达到峰值强度时的位移量增大；随着试块面积的增大，平均峰值剪切应力降低，达到峰值强度时的位移量增大； 随着试块尺寸的增加，剪切破坏形式由脆性破坏向延性破坏转化；随着试块尺寸的增加，剪切破坏形式由脆性破坏向延性破坏转化； 随着试块尺寸的增加，峰
24、值剪胀角变小；随着试块尺寸的增加，峰值剪胀角变小； 随着结构面粗糙度的减小或法向应力的增大，尺寸效应降低。随着结构面粗糙度的减小或法向应力的增大，尺寸效应降低。 作业 1 1、简述结构面的级别及其特点。、简述结构面的级别及其特点。 2 2、说出描述结构面状态的指标。、说出描述结构面状态的指标。 3 3、结构面的剪切变形、法向变形与结构面的哪些因素有关？、结构面的剪切变形、法向变形与结构面的哪些因素有关？ （2 2）力学成因类型）力学成因类型 u剪性结构面剪性结构面是剪应力形成的，是剪应力形成的， 破裂面两侧岩体产生相对滑移，破裂面两侧岩体产生相对滑移， 如逆断层、平移断层以及多数如逆断层、平移断层以及多数 正断层等。正断层等。 张性结构面张性结构面是由拉应力形成的，如是由拉应力形成的，如 粘土岩失水收缩节理、岩浆岩中的粘土岩失水收缩节理、岩浆岩中的 冷凝节理等。冷凝节理等。 平移断层平移断层 正断层正断层 逆断层逆断层 5、散体结构、散体结构 完整性系数：0.2 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。 岩土工程特征：稳定性极差，岩体属性接近松散体介质。 切割度切割度Xe：岩体被节理割裂分离的程度。当岩体仅含一个节理时，眼节理面在岩体：岩体被节理割裂分离的程度。当岩体仅含一个节理时，眼节理面在
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