巖體力學03-巖體的力學性質

1、第三章 巖體的力學性質,§3.1 巖體結構的概念及巖體結構分類§3.2 結構面的力學性質§3.3 巖體的變形特性§3.4 巖體的強度特性§3.4 巖體質量評價及其分類,在工程荷載(一般小于10MPa)范圍內，工程巖體常常是沿軟弱結構面失穩(wěn)破壞。,工程實例,在工程荷載作用下，結構面及其充填物的變形是巖體變形的主要組分，控制著工程巖體的變形特性。結構面是巖體滲透水流的主要

2、通道。在工程荷載作用下，結構面的變形將極大地改變巖體的滲透性、應力分布及其強度。因此，預測工程荷載作用下巖體滲透性的變化，必須研究結構面的變形性質及其本構關系。工程荷載作用下，巖體中應力分布受結構面及其力學性質的影響。,5,一、結構面（一）結構面的成因類型,1、地質成因類型原生結構面構造結構面次生結構面2、力學成因類型張性結構面剪性結構面,巖體結構面的成因類型及其特征,1、地質成因類型1）原生結構面 巖體在成巖過程中

3、形成的結構面。沉積結構面 是沉積巖在沉積和成巖過程中形成的，有層理面、軟弱夾層、沉積間斷面和不整合面等。巖漿結構面 是巖漿侵入及冷凝過程中形成的結構面，包括巖漿巖體與圍巖的接觸面、各期巖漿巖之間的接觸面和原生冷凝節(jié)理等。變質結構面 是在變質過程中形成，分為殘留結構面和重結晶結構面。2）構造結構面 是巖體形成后在構造應力作用下形成的各種破裂面，包括斷層、節(jié)理、劈理和層間錯動面等。3）次生結構面 是巖體形成后在外營力作用下產生

4、的結構面，包括卸荷裂隙、風化裂隙、次生夾泥層和泥化夾層等。,結構面類型及其主要特征：,2、力學成因類型1）張性結構面 是由拉應力形成的，如羽毛狀張裂面、縱張及橫張破裂面、巖漿巖中的冷凝節(jié)理等特點：張開度大、連續(xù)性差、形態(tài)不規(guī)則、面粗糙，起伏度大及破碎帶較寬,易被充填,常含水豐富，導水性強2）剪性結構面是剪應力形成的，破裂面兩側巖體產生相對滑移，如逆斷層、平移斷層以及多數(shù)正斷層等。特點：連續(xù)性好，面較平直，延伸較長并有擦痕鏡面等。

5、,（二）結構面的規(guī)模,按結構面延伸長度、切割深度、破碎帶寬度及其力學效應，可將結構面劃分為如下五級：Ⅰ級結構面：對區(qū)域構造起控制作用的斷裂帶，包括大小構造單元接壤的深大斷裂帶。是地殼或區(qū)域內巨型的構造斷裂面，走向延伸往往很遠（一般在數(shù)十千米以上），破碎帶寬度數(shù)米以上。沿縱深方向至少可以切穿一個構造層，規(guī)模巨大區(qū)域性大斷層往往具有現(xiàn)代活動性，對工程建設有很大的危害，影響到區(qū)域穩(wěn)定性，并影響山體穩(wěn)定性和巖體穩(wěn)定性。一般工程應盡量避

6、開，如不能避開，則應進行研究并采取適當?shù)奶幚泶胧?Ⅱ級結構面：延伸長而寬度有限的區(qū)域性地質界面，如較大的斷層、層間錯動、接觸破碎帶、不整合面、原生軟弱夾層、風化夾層等。貫穿整個工程巖體，長度一般數(shù)百米~數(shù)千米，破碎帶寬度數(shù)十厘米~數(shù)米。主要在一個構造層內分布，可能切穿幾個地質時代的地層。與其他結構面組合，會形成較大規(guī)模的破壞。?？刂乒こ虆^(qū)的山體穩(wěn)定性或巖體穩(wěn)定性，影響工程布局，具體建筑物應避開或采取必要的處理措施。,Ⅲ級結構面

7、：局部性的斷裂構造，主要為小斷層，延伸長度一般數(shù)十米~數(shù)百米，破碎帶寬度小于1m。還包括寬度在數(shù)厘米的、走向和縱深延伸斷續(xù)的原生軟弱夾層、層間錯動等以及區(qū)域性節(jié)理等。發(fā)育在同一地質時代的地層中，有時僅在某一種巖性中分布。主要影響或控制工程巖體，如地下洞室圍巖及邊坡巖體的穩(wěn)定性。若與II級結構面相組合，會形成較大的塊體運動；若是自身組合，則僅能形成局部的或小規(guī)模的破壞。Ⅱ、Ⅲ級結構面控制著工程巖體力學作用的邊界條件和破壞方式，它們

8、的組合往往構成可能滑移巖體的邊界面，直接威脅工程安全穩(wěn)定性。,Ⅳ級結構面：延伸性較差的節(jié)理、層面、次生裂隙、小斷層及較發(fā)育的片理、劈理等。長度一般數(shù)十厘米~二、三十米。破碎帶寬度近于0~數(shù)厘米。是構成巖塊的邊界面。數(shù)量多，分布具隨機性，破壞了巖體的完整性，影響巖體的物理力學性質及應力分布狀態(tài)，是巖體分類和巖體結構研究的基礎，也是結構面統(tǒng)計分析和模擬的對象。Ⅳ級結構面主要控制著巖體的結構、完整性和物理力學性質，數(shù)量多且具隨機性，

9、其分布規(guī)律具統(tǒng)計規(guī)律，需用統(tǒng)計方法進行研究。,Ⅴ級 結構面：又稱微結構面，包括隱節(jié)理、微層面、微裂隙及不發(fā)育的片理、劈理等。規(guī)模小，連續(xù)性差，常包含在巖塊中。主要影響巖塊的物理力學性質。,結構面分級及其特性,走向、傾向、傾角結構面與最大主應力間的關系控制著巖體的破壞機理與強度。,（三）結構面產狀,據單結構面理論，巖體中存在一組結構面時，巖體的極限強度與結構面傾角間的關系為：,（四）結構面連續(xù)性結構面的連續(xù)性反映結構面的貫通程度

10、，用切割度評價。切割度（又稱面連續(xù)性系數(shù)）：指沿結構面延伸方向，結構面面積之和(?a)與總面積(A)的比值，即,有時候用線切割度（線連續(xù)性系數(shù)）評價：指沿結構面延伸方向，結構面各段長度之和(?a)與測線長度的比值，即,Xe變化在0～1之間，K1值愈大說明結構面的連續(xù)性愈好，當Xe＝1時，結構面完全貫通。,巖體按結構面連續(xù)性的分級表,（五）結構面密度結構面的密度反映結構面發(fā)育的密集程度。1、裂隙度(K)是指結構面法線方向單位測線長度

11、上交切結構面的條數(shù)(條/m)。2、裂隙平均間距(d)則是指同一組結構面法線方向上兩相鄰結構面的平均距離。K與d互為倒數(shù)關系如果測線水平布置，且與結構面法線的夾角為?，結構面的傾角為β時:如果有多組結構面，則裂隙度等于各組結構面的裂隙度之和。,結構面間距分級表,用線密度來估算巖體質量指標RQD(rock quality designation),巖體質量指標RQD：長度大于10cm的巖心長度之和與鉆孔總進尺的百分比。,（六）結構

12、面張開度結構面的張開度是指結構面兩壁面間的垂直距離。結構面兩壁面一般不是緊密接觸，使結構面實際接觸面積減少，導致結構面粘聚力降低和滲透性增大。如在層流條件下，平直而兩壁平行的單個結構面的滲透系數(shù)(Kf)可表達為：,結構面張開度分級表,Ⅳ級及部分Ⅲ級結構面的產狀、跡長、間距及張開度等幾何特征參數(shù)，服從一定的隨機分布規(guī)律。,（七）結構面形態(tài)結構面的形態(tài)可以用側壁的起伏形態(tài)及粗糙度來反映。結構面?zhèn)缺诘钠鸱螒B(tài)分為：平直的、臺階狀的、

13、鋸齒狀的、波狀的和不規(guī)則狀的。,側壁的起伏程度可用起伏角(i)表示。,結構面的粗糙度用粗糙度系JRC(joint roughness coefficient)表示。隨粗糙度的增大，結構面的摩擦角也增大。根據標準粗糙度剖面將結構面的粗糙度系數(shù)劃分為10級。,（八）結構面充填膠結特征,結構面膠結后力學性質有所增強，F(xiàn)e質膠結的強度最高，泥質與易溶鹽類膠結的結構面強度最低，且抗水性差。,未膠結的結構面，力學性質取決于其充填情況，可分為：

14、薄膜充填、斷續(xù)充填、連續(xù)充填及厚層充填4類：1）薄膜充填是結構面兩壁附著一層極薄的礦物膜，厚度多小于1mm，多明顯降低結構面的強度。2）斷續(xù)充填結構面的力學性質與充填物性質、壁巖性質及結構面的形態(tài)有關。3）連續(xù)充填結構面的力學性質主要取決于充填物性質。4）厚層充填結構面的力學性質很差，主要取決于充填物性質，巖體往往易于沿這種結構面滑移而失穩(wěn)。,（九）軟弱結構面,軟弱結構面是巖體中具有一定厚度的軟弱帶(層)，與兩盤巖體相比具有高壓

15、縮和低強度等特征，在產狀上多屬緩傾角結構面。主要包括原生軟弱夾層、構造及擠壓破碎帶、泥化夾層及其他夾泥層等。軟弱結構面對巖體的變形、破壞及穩(wěn)定性往往起控制作用。其中，泥化夾層的危害更大。泥化夾層是含泥質的軟弱夾層經一系列的地質演化作用形成的(往往與水有關)，是含水量較大，處于塑性狀態(tài)的含泥質的軟弱夾層。多分布于上下相對堅硬而中間相對軟弱、剛柔相間的巖層組合條件下。,泥化夾層的形成：由于構造等原因，使原巖破碎，巖石顆粒分散，含水量

16、增加，巖石處于塑性狀態(tài)；水溶解巖石中可溶鹽類，引起離子交換，改變巖石了的物理力學性質。泥化夾層特性： （1）由原巖的超固結膠結式結構變成了泥質散狀結構或泥質定向結構； （2）粘粒含量很高； （3）含水量接近或超過塑限； （4）密度比原巖小 ； （5）常具有一定的脹縮性； （6）力學性質比原巖差，表現(xiàn)為強度降低、壓縮性增高； （7）易產生滲透變形。,（十）結構面的組合關系結構面的組合關系控制著可能滑移巖

17、體的幾何邊界條件、形態(tài)、規(guī)模、滑動方向及滑移破壞類型，它是工程巖體穩(wěn)定性預測與評價的基礎。任何堅硬巖體的塊體滑移破壞，都必須具備一定的幾何邊界條件。因此，在研究巖體穩(wěn)定性時，必須研究結構面之間及其與臨空面之間的組合關系，確定可能失穩(wěn)塊體的形態(tài)、規(guī)模和可能滑移方向等。結構面組合關系的分析可用赤平投影、立體投影和三角幾何計算法等進行。,二、巖體的結構特征,（一）巖體的組成巖體是由結構面網絡及其所圍限的巖塊 (結構體)所組成。具有一定

18、的結構是巖體的顯著特征之一。巖體中存在著復雜的天然應力狀態(tài)和地下水，這是巖體與其他材料的根本區(qū)別之一。,（二）巖體的結構巖體結構(rockmass structure)指巖體中結構面與結構體的排列組合關系。1、結構體特征結構體(structural element)指巖體中被結構面切割圍限的巖石塊體。它不同于巖塊的概念。結構體的規(guī)模取決于結構面的密度，密度愈小，結構體的規(guī)模愈大,與結構面對應,劃分為五級。常用塊度模數(shù)（單位

19、體積內的Ⅳ級結構體數(shù)) 或結構體體積來表示結構體規(guī)模。,結構體的形狀示意圖,結構體常見的形狀:柱狀、板狀、楔形、菱形形狀不同，穩(wěn)定性不同。,不穩(wěn)定,穩(wěn)定,2、巖體的結構類型,,巖體結構類型劃分的依據：（1）第一依據——結構面類型，它規(guī)定結構級序：軟弱結構面——I級巖體結構；堅硬結構面——II級巖體結構。（2）第二依據——結構面切割程度或結構體類型，它規(guī)定巖體結構基本類型：I級巖體結構面——塊狀結構體—快裂結構；板狀結構體—板裂結構

20、。II級結構面——結構面貫通切割—碎裂結構；結構面斷續(xù)切割—斷續(xù)結構；無顯結構面切割—完整結構。過渡型巖體結構——軟硬結構混雜、結構面無序狀排列—散體結構。（3）亞類劃分依據——亞類的劃分主要是依據巖體的原生結構。如碎裂結構可劃分為：塊狀的——塊狀碎裂結構；層狀的——層狀碎裂結構,2、巖體的結構類型,,2、巖體的結構類型,,(a) (b) (c) (d)

21、 (e)a—完整結構；b—塊裂結構；c—板裂結構；d—碎裂結構；e—散體結構,散體結構是指斷層破碎帶及強化風帶中存在的一種結構類型。其特點是：①結構面和結構體呈無序狀排列；②結構面有的為軟弱結構面，有的為堅硬結構面，有的為軟、硬混雜。這種結構類型既不屬于I級結構，也不屬于II級結構。其規(guī)模一般不大，常呈夾層或帶狀存在。在工程中常存在于應力消散、地下水暢通、巖體失穩(wěn)的關鍵地段。,巖體的結構類型及其主要特征：,,,

22、（三）巖體成因與巖體特征,1、巖漿巖體 無層理，產狀復雜。根據巖漿活動方式，巖漿巖可分為深成巖、淺成巖和噴出巖三類。2、沉積巖體 具有層理構造，巖體呈層狀結構。沉積巖包括他生沉積巖和自生沉積巖兩大類。3、變質巖體 多數(shù)巖石變質后都經歷了不同程度的重結晶作用，結構較致密，抗水性增強，孔隙率較低，透水性弱，抗變形性能好，強度高。因此與沉積巖相比，變質巖的性質一般要好些。,第三章 巖體力學性質,§3.1 巖體結構的

23、概念及巖體結構分類§3.2 結構面的力學性質§3.3 巖體的變形特性§3.4 巖體的強度特性§3.5 巖體質量評價及其分類,一、結構面的變形性質(一)結構面的法向變形性質1、法向變形特征,ΔVｊ＝ΔVｔ－ΔVｒ,結構面變形量=巖體變形量-巖塊變形量,法向變形是在法向荷載作用下，結構面的閉合（壓縮荷載）與張開位移（拉伸荷載）。通常法向荷載以壓縮荷載為主，因此法向變形也以結構面法

24、向壓縮變形為主。,應力-變形關系曲線：,開始時隨著法向應力增加，結構面閉合變形迅速增長， σn-ΔV及σn-ΔVｊ曲線均呈上凹型。當σn增到一定值時，σn-ΔVｔ曲線變陡，并與σn-ΔVｒ曲線大致平行。說明結構面已基本上完全閉合，其變形主要是巖塊變形貢獻的。這時ΔVｊ則趨于結構面最大閉合量Vｍ。初始壓縮階段，含結構面的巖塊變形ΔVｔ主要是由結構面的閉合造成的。試驗表明，當σn＝１MPa時，ΔVｔ/ΔVｒ可達5~30，說明ΔVｔ占了很大

25、一部分。法向應力σn大約從σｃ/3處開始，含結構面的巖塊變形由以結構面的閉合為主轉為以巖塊的彈性變形為主。,應力-變形關系曲線特征：,結構面的σn- ΔVｊ曲線大致為以ΔVｊ＝Vｍ為漸近線的非線性曲線（大體為指數(shù)曲線）。與結構面的類型及壁巖性質無關 。結構面的最大閉合量始終小于結構面的張開度（ｅ）。這是因為結構面是凹凸不平的，兩壁面間無論如何也不可能達到100％的接觸。上述的非線性力學行為歸結于接觸微凸體彈性變形、壓碎和間接拉裂

26、隙的產生，以及新的接觸點、接觸面積的增加。當荷載去除后，會存在明顯的后滯和非彈性效應。,法向剛度Ｋn是指在法向應力作用下，結構面產生單位法向變形所需要的應力，在數(shù)值上等于σn- ?Vｊ曲線上一點的切線斜率。,確定方法,試驗法,2、法向剛度,室內變形試驗,現(xiàn)場變形試驗,本構方程和經驗估算,,,,幾種結構面的法向剛度：,,（二）結構面的剪切變形性質1、剪切變形特征,,剪切變形是在一定法向壓力作用下，結構面在剪切力作用下產生切向（沿結構面）

27、的變形。1）變形形式（1）對于非充填粗糙結構面隨著剪切變形的產生，剪應力相對上升較快，當達到剪應力峰值后，結構面抗剪強度出現(xiàn)較大的下降，并產生不規(guī)則的峰后變形(圖中線A)或滯滑現(xiàn)象。,,（2）對于平坦或有充填物的結構面當?shù)蛧鷫簳r，初始階段的剪切變形曲線呈下凹型，隨著剪切變形的持續(xù)發(fā)展，剪應力逐漸升高，但沒有明顯的峰值，最終達到恒定值或繼續(xù)上升（及應變硬化）(圖中線B)。,,當圍壓較高時，在剪切過程中，可呈現(xiàn)一種特殊的運動方式——

28、粘滑震蕩（下圖）。,粘滑振蕩可以用彈簧牽引塊體在剛性平面上的滑動模型來說明。對彈簧一端施加力的作用使其以較低的速度運動，當彈簧上施加的力逐漸增加到足以克服塊體與剛性平面間的靜摩擦時，塊體將在彈簧的牽引下發(fā)生滑動。由于動摩擦小于靜摩擦，一旦塊體與平面發(fā)生相對運動，摩擦力即突然下降，塊體在彈簧牽引下以大于彈簧原來伸長的速度突然向前運動，彈簧中的力則將降低直至小于保持滑動所需的力時，滑塊運動停止。而彈簧施力的一端仍繼續(xù)以原有的速度運動，當彈簧

29、中的力足以克服靜摩擦時，又重復上述過程，形成這種張弛、跳躍式的運動。研究表明，粘滑不僅發(fā)生于磨光面上，在較粗糙的裂隙面也較普遍發(fā)生。對于粗糙面上的粘滑，一種解釋認為是面沿面上的突起發(fā)生剪脹變形和突起被剪斷后的快速變形的交替——粘滑脆性破壞機制。另外一種解釋是剪切停止時，由于蠕動而使突起嵌入到相對的結構面中，使接觸面積增加，當繼續(xù)加力使滑動時，隨著滑動的開始，接觸面積減小，導致摩擦阻力突然降低而產生粘滑——突起體蠕動機制。粘滑機制研究

30、的研究具有十分現(xiàn)實的意義。地殼中早已存在的斷層常呈這種運動形式。斷層面在穩(wěn)定剪切位移中突然發(fā)生快速滑動，產生地震。然后應力被釋放，斷層面又被鎖固在一起，直到某一時間再次發(fā)生突然滑動。,,根據剪切變形曲線的形態(tài)，一般將剪切變形曲線分為兩個區(qū)域，峰前應力上升區(qū)為彈性區(qū)，峰值前后的區(qū)域為塑性區(qū)。由于在剪切變形的過程中，伴隨有微凸體的彈性變形、劈裂、磨粒的產生與位移、結構面的相對錯動等多種力學過程，因此，剪切變形一般是不可恢復的變形，即使在彈性

31、區(qū)，剪切變形一般也不能完全恢復。對于凹凸不平的結構面，可簡化為下圖a的力學模型。受剪結構面上有突起，突起物坡角為i，模型上半部作用剪切力和法向力，模型下半部固定不動。在法向應力較小的情況下，在剪切力作用下，具有明顯的剪脹（剪切變形過程中的法向變形），即結構面相對滑動時，由于結構面上突起體的影響，結構面沿突起體的斜面上升，結構面張開，發(fā)生膨脹（下圖b）；當法向應力較大時，將限制結構面沿突起體斜面的向上滑動，突起體在剪切力的作用下被剪斷，

32、此時就不存在剪脹性（下圖c）。因此，結構的剪切變形與巖石的強度、結構面的粗糙性和法向力有關。,剪切剛度KS是反映結構面剪切變形性質的重要參數(shù)，其數(shù)值等于峰值前τ-?u曲線上任一點的切線斜率。,2、剪切剛度及其確定方法,,,確定方法,試驗法 室內試驗 現(xiàn)場試驗經驗估算法（Barton方程）,,幾種結構面的剪切剛度及抗剪參數(shù)：,,巖體結構面直剪試驗結果表,,二、結構面的強度性質,結構面強度分為抗拉強度和抗剪強度。結構面

33、的抗拉強度非常小，常可忽略不計，所以一般認為結構面是不能抗拉的。在工程荷載作用下，巖體破壞常沿某些軟弱結構面的滑動破壞。在巖體力學中，重點研究結構面的抗剪強度。,,,（一）平直無充填的結構面,平直無充填的結構面包括剪應力作用下形成的剪性破裂面，如剪節(jié)理、剪裂隙等，發(fā)育較好的層理面與片理面。特點是面平直、光滑，只具微弱的風化蝕變。堅硬巖體中的剪破裂面還發(fā)育有鏡面、擦痕及應力礦物薄膜等。這類結構面的抗剪強度大致與人工磨制面的摩擦強度

34、接近，即：,,,（二）粗糙起伏無充填的結構面,剪切特點：① 當σ較小時，上盤巖塊上下運動，產生爬坡效應，增大了τ；②當σ較大時，將剪斷凸起而運動，也增大了τ。,,,,,,σ,τ,τ,,,1、規(guī)則鋸齒形結構面 1）σ較小，剪脹作用,,,Patton公式,,?b——巖石平坦表面基本摩擦角，與光滑程度有關，結構面越光滑，其值越小。,2）σ較大，啃斷效用,上式為法向應力σ≥σt時，結構面的抗剪強度。剪斷凸起的條件為：,,2、不規(guī)則起

35、伏結構面,自然界巖體中絕大多數(shù)結構面的粗糙起伏形態(tài)是不規(guī)則的，起伏角也不是常數(shù)。其強度包絡線不是折線，而是曲線形式。,,巴頓（Ｂarton，1973）對８種不同粗糙起伏的結構面進行了試驗研究，提出了剪脹角的概念并用以代替起伏角，剪脹角αｄ（angle of dilatancy）的定義為剪切時剪切位移的軌跡線與水平線的夾角，即：,,Barton 抗剪強度經驗方程：,,大量的試驗資料表明，一般結構面的基本摩擦角?u＝25°～35&

36、#176;。因此，上式右邊的第二項應當就是結構面的基本摩擦角?u ，而第一項的系數(shù)取整數(shù)2。,（三）非貫通斷續(xù)的結構面,假設沿整個剪切面上的應力分布是均勻的，結構面的線連續(xù)性系數(shù)為Ｋ1,,裂面,巖橋,,,四、具有充填物的軟弱結構面,具有充填物的軟弱結構面包括泥化夾層和各種類型的夾泥層，其形成多與水的作用和各類滑錯作用有關。這類結構面的力學性質常與充填物的物質成分、結構及充填程度和厚度等因素密切相關。,,,第三章 巖體力學性質,§

37、;3.1 巖體結構的概念及巖體結構分類§3.2 結構面的力學性質§3.3 巖體的變形特性§3.4 巖體的強度特性§3.5 巖體質量評價及其分類,在受力條件改變時巖體的變形是巖塊變形和結構變形的總和，而結構變形通常包括結構面閉合、充填物的壓密及結構體轉動和滑動等變形。,從巖體的定義表明：巖塊+結構面=>巖體巖體變形=巖塊變形+結構面閉合+充填物壓縮+其他變形,在一般情況

38、下，巖體的結構變形起著控制作用。,一、巖體變形試驗及其變形參數(shù)確定,靜力法的基本原理：在選定的巖體表面、槽壁或鉆孔壁面上施加法向荷載，并測定其巖體的變形值；然后繪制出壓力-變形關系曲線，計算出巖體的變形參數(shù)。動力法的基本原理：用人工方法對巖體發(fā)射(或激發(fā))彈性波(聲波或地震波)，并測定其在巖體中的傳播速度，然后根據波動理論求巖體的變形參數(shù)。,1、承壓板法,ω是與承壓板形狀與剛度有關的系數(shù)。對于圓形板ω＝0.785；對于方形板ω＝0

39、.886,2、鉆孔變形法,優(yōu)點：①對巖體擾動??；②可以在地下水位以下和相當深的部位進行；③試驗方向基本上不受限制，而且試驗壓力可以達到很大；④在一次試驗中可以同時量測幾個方向的變形，便于研究巖體的各向異性。缺點：試驗涉及的巖體體積小，代表性受到局限。,3、狹縫法,常見巖體的彈性模量和變形模量,幾種巖體用不同試驗方法測定的彈性模量,巖體的變形模量比巖塊的小，而且受結構面發(fā)育程度及風化程度等因素影響十分明顯。不同地質條件下的同一巖體，其

40、變形模量相差較大。試驗方法不同、壓力大小不同，巖體變形模量不同。,二、巖體變形參數(shù)估算,一是在現(xiàn)場地質調查的基礎上，建立適當?shù)膸r體地質力學模型，利用室內小試件試驗資料來估算。二是在巖體質量評價和大量試驗資料的基礎上，建立巖體分類指標與變形參數(shù)之間的經驗關系，并用于變形參數(shù)估算。,1、層狀巖體變形參數(shù)估算,層狀巖體的地質力學模型假設各巖層厚度相等為S，且性質相同。層面的張開度可忽略不計假設巖塊的變形參數(shù)為E、μ和G，層面的變形

41、參數(shù)為Kn、Ks。取n-t坐標系，n垂直層面，t平行層面。由巖塊和層面組成單元體。,1）法向應力σn作用下的巖體變形參數(shù),(1)沿n方向加荷,(2)沿t方向加荷,,2)剪應力作用下的巖體變形參數(shù),,2、裂隙巖體變形參數(shù)的估算,1）用RMR值估算巖體變形模量,2）用Q值估算縱波速度和巖體平均變形模量,三、巖體變形曲線類型及其特征,1、法向變形曲線直線型 上凹型 上凸型 復合型,直線型,通過原點的直線，其方程為p＝f(W)＝K

42、W加壓過程中W隨p成正比增加巖體巖性均勻、結構面不發(fā)育或結構面分布均勻,巖體剛度大，不易變形，巖體較堅硬、完整、致密均勻、少裂隙，以彈性變形為主，接近于均質彈性體。,巖體剛度低、易變形，由多組結構面切割且分布較均勻或巖性較軟弱且均質或平行層面加壓。有明顯的塑性變形和回滯環(huán)，非彈性變形。,陡直線型,緩直線型,,,上凹型,曲線方程為p＝f(W)，dp/dW隨p增大而遞增，dp/dW＞0層狀及節(jié)理巖體多呈這類曲線,巖體剛度隨循環(huán)次數(shù)增加

43、而增大，彈性變形成分較大。多為垂直層面加壓的較堅硬層狀巖體。,卸壓曲線較陡，變形大部分為塑性變形。多為存在軟弱夾層的層狀巖體及裂隙巖體或垂直層面加壓的層狀巖體。,第二種情況,第一種情況,,,上凸型,曲線方程為p＝f(W)，dp/dW隨p增加而遞減，d2p/dW2＜0。結構面發(fā)育且有泥質充填的巖體、較深處埋藏有軟弱夾層或巖性軟弱的巖體常呈這類曲線。,復合型,p-W曲線呈階梯或“S”型。結構面發(fā)育不均或巖性不均勻的巖體，常呈此類曲線。,

44、2、剪切變形曲線,峰值前曲線平均斜率小，破壞位移大；峰值后應力降很小或不變。多為沿軟弱結構面剪切。峰值前曲線平均斜率較大，峰值強度較高。峰值后應力降較大。多為沿粗糙結構面、軟弱巖體及劇風化巖體剪切。峰值前曲線斜率大，線性段和非線性段明顯，峰值強度高，破壞位移小。峰值后應力降大，殘余強度較低。多為剪斷堅硬巖體。,四、影響巖體變形性質的因素,影響因素：巖性、結構面特征、風化程度、試驗方法、試件尺寸、加荷條件、溫度、濕度等。這里僅介紹結

45、構面對巖體變形的影響：1、結構面密度右圖分別表示了RQD、波速比(Vm/Vr)2 與模量降低系數(shù)（巖體Em/巖塊E）之間的統(tǒng)計關系。RQD、波速比是反映裂隙發(fā)育程度的指標?？梢钥闯?，當波速比由近于1降至0.65時，模量比迅速下降。由0.65繼續(xù)下降時，模量比變化不大。相應于波速比=0.65的模量降低值為0.14，也即當巖體中結構發(fā)育至一定程度時（波速比=0.65），巖體變形可達巖塊變形的1/0.14=7.14倍。此后，若結構面密度再

46、增加，對巖體變形的影響就不大了。,2、結構面的張開度及充填特征結構面對巖體變形特性的影響與結構面本身的特性(張開程度、充填程度、充填物性質等)有密切關系。下圖為具裂隙和片麻理的片麻巖硐室徑向變形圖。圖中，線1為垂直片麻理的方向。由圖可見，對于不同的應力水平，巖體最大變形方向會改變。在應力較低時(0.4-0.9MPa)最大變形為水平方向(線2)，而在應力增高后(1.9-2.4MPa)，則垂直于片麻理的方向變形最大。由灌漿前后的變形對比可

47、見，灌漿消除了2方向上結構面的影響，但對1方向影響甚微。由此可見，結構面性質不同，對巖體變形的影響程度也不同。在2方向，壓力垂直于一組無充填的張開裂隙。因此，在較低壓力下，田裂隙閉合而產生很大變形，加之裂隙張開后又無充填，灌漿時漿液易進入，故灌漿后這組結構面的影響大為減弱。由硬礦物和軟礦物交替組成的具片麻理巖體，只在壓力較大時，軟礦物層才能壓密，且由于其閉合或被充填，灌漿時漿液難進入，灌漿后巖體在這個方向的變形仍然很大。,3、結構面方

48、位 結構面導致巖體變形的各向異性。垂直層面的壓縮變形量主要是由巖塊和結構面（軟弱夾層）壓密而成；平行層面方向的壓縮變形主要由巖塊和少量結構面錯動構成。在層狀巖體中，不僅開裂層面壓縮變形量大，而且成巖過程中由于沉積韻律的變化，層面出現(xiàn)在礦物連結力弱、致密度又低的部位，是層面壓縮量大的又一個原因。因此，構成巖體變形的各向異性的兩個基本要素是：物質成分和物質結構的方向性；裂隙、層面等結構面的方向性。裂隙巖體各方向力學性質的差異均由

49、此產生。 各向異性在結構面組數(shù)較少時表現(xiàn)得更明顯。下圖是泥質巖體變形與結構面方向的關系。由圖可見，無論是彈性變形還是總變形，其最大值均出現(xiàn)在荷載與結構面向垂直的方向上，而平行方向上則最小。由圖還可以看出，雖然總變形和彈性變形曲線形狀相似，但彈性變形與總變形的比值卻因方向而異。在結構面與荷載作用垂直方向上，比值最小，反映巖體總變形中，結構面的壓密變形占很大的比例，而在平行方向上，總變形與彈性變形幾乎相等，說明在平行結構面加載時

50、（有側限），巖體變形主要為巖石的變形。,第三章 巖體力學性質,§3.1 巖體結構的概念及巖體結構分類§3.2 結構面的力學性質§3.3 巖體的變形特性§3.4 巖體的強度特性§3.5 巖體質量評價及其分類,巖體強度是指巖體抵抗外力破壞的能力。巖體的強度既不同于巖塊的強度，也不同于結構面的強度，一般情況下，其強度介于巖塊與結構面強度之間。巖體和巖塊一樣，巖體強度也有抗壓

51、強度、抗拉強度和剪切強度之分。,一、巖體的剪切強度,巖體的剪切強度是指巖體內任一方向剪切面，在法向應力作用下所能抵抗的最大剪應力。剪切強度分為抗剪斷強度、抗剪強度和抗切強度。 抗剪斷強度是指在任一法向應力下，橫切結構面剪切破壞時巖體能抵抗的最大剪應力?？辜魪姸仁侵冈谌我环ㄏ驊ο?，巖體沿已有破裂面剪切破壞時的最大應力?？骨袕姸仁侵讣羟忻嫔系姆ㄏ驊榱銜r的抗剪斷強度。,1、原位巖體剪切試驗及其強度參數(shù)確定,雙千斤頂法直剪試驗,

52、巖體剪應力(τ)-剪位移(u)曲線及法向應力(σ)-法向變形(W)曲線。剪切強度曲線及巖體剪切強度參數(shù)Cm，φm值,各類巖體的剪切強度參數(shù)表,巖體內摩擦角與巖塊較接近，而內聚力則大大低于巖塊。說明結構面的存在主要是降低了巖體的連結能力，進而降低其內聚力。,2、巖體的剪切強度特征,巖體的剪切強度是具有上限和下限的值域，其強度包絡線也是有上限和下限的曲線族。上限是巖體的剪斷強度,下限是結構面的抗剪強度。應力σ較低時，強度變化范圍較大，隨

53、著應力增大，范圍逐漸變小。應力σ高到一定程度時，包絡線變?yōu)橐粭l曲線，巖體強度將不受結構面影響而趨于各向同性體。,沿結構面剪切(重剪破壞)時，巖體剪切強度最低，等于結構 面的抗剪強度。橫切結構面剪切(剪斷破壞)時，巖體剪切強度最高。沿復合剪切面剪切(復合破壞)時，其強度介于以上兩者之間。,二、裂隙巖體的壓縮強度,巖體的壓縮強度分為單軸抗壓強度和三軸壓縮強度。在生產實際中，通常是采用原位單軸壓縮和三軸壓縮試驗來確定。,單軸壓縮

54、,三軸壓縮,單結構面時的巖體強度分析：,,巖體的強度(σ1－σ3) 隨結構面傾角β的變化而變化。當β→φj或β→90°時，巖體不可能沿結構面破壞，而只能產生剪斷巖體破壞。只有當β1≤β≤β2時，巖體才能沿結構面破壞。,當β＝45°＋φj／2時，巖體強度取得最低值,σ3=0,,,多結構面時巖體強度分析：,含多組結構面，且假定各組結構面具有相同的性質時，可分步運用單結構面理論確定巖體強度包線及巖體強度。隨結構面組數(shù)