山东科技大学~岩体力学~第四章

岩体力学宁建国副教授矿业与安全工程学院第四章岩体的基本力学性质4.1概述4.2岩体结构面与结构体分析4.3结构面力学性质4.4岩体强度4.5岩体变形特征4.6岩体力学性质的现场测试山东科技大学资源与环境工程学院岩体=岩块+结构面节理：岩体在生成过程中往往具有明显的地质遗迹，如不整合、褶皱、断层、劈理、解理、层理、片理，在岩体力学中一般都称为节理节理的界面称为结构面σ岩块强度岩体强度节理强度4.1概述山东科技大学资源与环境工程学院完整性很好——连续介质力学方法非常破碎——土力学方法两者之间——岩体力学、断裂力学、损伤力学等方法岩体岩体不连续性，各向异性反映区域性地质构造降低岩体强度结构面4.1概述山东科技大学资源与环境工程学院4.2.1岩体结构面分析一、结构面定量描述的基本参数(1)产状定义：结构面在空间的分布状态，由走向、倾向、倾角三要素描述作用：直接影响岩体的稳定性(2)间距定义：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距离。作用：反映该组结构面的发育程度，即岩体的完整程度山东科技大学资源与环境工程学院4.2岩体结构面与结构体分析（3）延展性（持续性）定义：在一个岩体的露头上所见到的结构面迹线的长度。作用：反映结构面规模大小。可利用与倾向方向上的延展性的乘积推算结构面的面积，评价结构面切割岩体的程度。4.2岩体结构面与结构体分析山东科技大学资源与环境工程学院（4）粗糙度和起伏度定义：相对于结构面平均平面不平整度。作用：粗糙度可增加结构面的抗剪强度。起伏度较大可影响结构面的局部产状。起伏度粗糙度（5）结构面面壁强度作用：在岩体中由于长期的地质作用，该表面发生不同程度的风化，进而影响其表面的力学特性。结构面的面壁风化程度母岩（原岩）结构面的面壁强度母岩强度（强度较小）（6）结构面的开度与充填物开度：结构面两个面壁之间的垂直距离。充填物：结构面缝隙中的物质，如水流中的物质残留，结构面的面壁风化。4.2岩体结构面与结构体分析山东科技大学资源与环境工程学院充填物d开度（7）结构面的渗透性定义：在单个结构面或整个岩体中所见到的水流和水量的状态（8）结构面的组数和岩块的尺寸作用：结构面的组数反映了结构面的发育程度，同时反映岩体被结构面切割所形成的岩块的大小。4.2岩体结构面与结构体分析山东科技大学资源与环境工程学院二、结构面的分类按照工程的要求分类（1）绝对分类（2）相对分类——相对工程而言的分类见表4-1。按照结构面成因分类中等结构面L≤1～10m巨大结构面L≥10m细小结构面L≤1m原生节理-成岩过程中所形成的结构面，如岩层的层面。构造节理-构造运动所形成的结构面，如断层。次生节理-成岩后期因风化作用形成的结构面，如风化节理。4.2岩体结构面与结构体分析山东科技大学资源与环境工程学院工程结构尺寸（m）影响带直径（m）结构面的长度（m）LD细小中等大型平洞小型基础φ=3b=310100~0.20.2~2＞2隧洞斜坡φ=30h=1001001000~22~20＞20洞穴小型水坝h=40h=40＞100＞1000~2.52.5~25＞25大井水坝高斜坡h=100h=3003003000~66~60＞60表4－1结构面的相对分类Φ—洞径；b—基础高度；h—工程结构体高度破坏面—大面积的破坏，大而粗的节理破坏带—小面积的密集的破坏，以细节理、局部机理、风化节理为代表两者之间的过渡类型—具有破坏面和破坏带的力学特点按照地质力学观点进行的结构面分类由于自然地质体内存在有各种各样的结构面：稀松、密集、充填、未充填、有规律地相互排列或贯通。单个节理节理组节理群节理带破坏带糜棱岩4.2岩体结构面与结构体分析山东科技大学资源与环境工程学院地质破坏结构面单节理节理组节理群羽毛状节理破坏带破碎带、糜棱岩无充填有充填有粘性充填物三、岩体破碎程度分类裂隙度切割度1.单组结构面沿某个取样线方向上，单位长度上节理的数量单位面积的岩体中结构面面积所占的比例设取样线长度为,在沿长度内出现节理的数量为n，则该岩体的裂隙度为沿取样线方向上结构面平均间距d为（一）裂隙度K4.2岩体结构面与结构体分析山东科技大学资源与环境工程学院当取样线垂直节理的走向时，d为节理走向的垂直间距。（4.1）（4.2）d180cm整体结构d=30~180块状结构d30破裂结构d6.5极破裂结构按间距分类按裂隙度分类当岩体上有几组不同方向的节理时,4.2岩体结构面与结构体分析山东科技大学资源与环境工程学院2.多组节理K=0~1/m疏节理K=1~10/m密节理K=10~100/m很密节理K=100~1000/m糜棱节理（4.3）（4.4）4.2岩体结构面与结构体分析山东科技大学资源与环境工程学院1aK2aK2bK1bK212d1d2m1m（二）切割度节理并非在岩体内全部贯通，用“切割度”来描述节理贯通度，在岩体中取一平直断面，总截面积为A，其中被节理面切割的面积为a；则切割度为多处不连续切割叠加：4.2岩体结构面与结构体分析0.1eX0.10eX0.1eX1a2a3aA1d2d3d节理面通过岩石断面平行节理断面（4.5）表4-2按切割度分类切割度与裂隙度的关系:名称Xε完整的0.1～0.2弱节理化0.2～0.4中等节理化0.4～0.6强节理化0.6～0.8完全节理化0.8～1.04.2岩体结构面与结构体分析山东科技大学资源与环境工程学院（4.6）式中:为在岩体给定的体积内部由同组节理所产生的实际切割程度，其单位为。裂隙度切割度4.2岩体结构面与结构体分析山东科技大学资源与环境工程学院节理化程度节理岩体疏节理密节理非常密集节理压碎或糜棱岩体完整的弱节理化节理化强节理化完全节理化00.20.40.60.81.01101001000（m-1)岩体强度的降临弱节理化节理化强节理化完全节理化似均质性（三）岩体破碎程度分类表4.3岩体破碎程度分类4.2.2岩体结构体分析结构体：岩体被结构面切割出的各种分离块体或岩块。结构面组数越多，结构体形状越复杂结构面间距越大，结构体块度越大结构体等级划分依据结构面类型或等级结构体典型形状：结构体与结构面的依存关系4.2岩体结构面与结构体分析山东科技大学资源与环境工程学院板状结构体：较为发育的一组结构面切割形成。柱状结构体：两组以上陡倾斜或竖直结构面切割形成。六面体状结构体：轻微构造变形地区的岩体被棋盘格式节理切割形成。四面体状结构体：由四组以上结构面切割形成。4.2岩体结构面与结构体分析lllmmpgppr（a）（b）（c）（d）（e）（j）（i）（h）（g）（f）结构体产状：用长轴方位表示。如l、m、p、g、r等山东科技大学资源与环境工程学院柱状结构体短柱状或板状结构体楔形或锥形结构体板状结构体4.2岩体结构面与结构体分析山东科技大学资源与环境工程学院4.2.3岩体结构类型根据结构面的等级及组合型式对岩体结构进行分类：由I、Ⅱ级结构面切割的岩体定义为整体块状结构岩体，把由Ⅲ、Ⅳ级结构面切割的岩体定义为层状结构及破碎结构岩体，而存在于断层破碎带（未胶结）及风化破裂带中的破碎岩体则被定义为散体结构岩体。（1）整体块状结构整体结构：结构面间距≥100cm块状结构：50cm≤结构面间距100cm（2）层状结构层状结构:30cm≤结构面间距50cm薄层状结构:结构面间距30cm4.2岩体结构面与结构体分析山东科技大学资源与环境工程学院镶嵌结构:结构体形态及大小不一，棱角分明层状碎裂结构：结构体大小不等，形状各异岩块碎裂结构：结构体大小不等，形状各异岩块或碎屑（3）碎裂结构（4）散体结构：结构体为碎块、碎屑、碎片、岩粉夹泥等4.3结构面力学性质4.3.1结构面力学性质基本特点（1）结构面的法向变形特性①结构面的法向弹性变形基本假设：接触面的接触是面接触，接触面是边长为h的正方形，且有n个接触面；每个接触面所受的力是相等的；每个接触面的力学特性是相同的。山东科技大学资源与环境工程学院结构面岩壁面有平滑与粗糙,当结构面两个岩壁面平滑时，两侧岩壁接触为面接触;如果两个岩壁面是粗糙的，则结构面两侧岩壁接触呈部分接触，是点接触。式中:d-为块体的边长;n-为接触面的个数;-为每个接触面的面积;-为泊松比；E-为弹性模量。结构面的法向弹性变形结构面面壁的法向弹性变形4.3结构面力学性质山东科技大学资源与环境工程学院按弹性力学布辛涅斯克公式计算齿状节理接触面弹性变形引起的闭合变形：（4.7）（4.8）步骤：（1）备制试件；（2）作σ-ε曲线（a）；（3）将试件切开，并配称接触再作曲线（b）；（4）非配称接触，作曲线（c）;（2）结构面的法向闭合变形齿状接触，开始是齿顶的压缩→压碎→闭合。下面介绍Goodman方法：4.3结构面力学性质山东科技大学资源与环境工程学院（5）两种节理的可压缩性4.3结构面力学性质山东科技大学资源与环境工程学院配称节理的压缩量：非配称节理的压缩量：00.010.020.030.040.0510.020.030.0（A）（B）岩石配称节理岩石P（C）非配称岩石轴向位移（cm）（a）0.0600.010.020.030.040.050.06非配称岩石节理闭合（cm）（b）配称节理（C）—（A）VmcVmc（3）结构面闭合变形的本构方程（数学表达式）①张开节理无抗拉强度②结构面在压应力下存在极限闭合量,且＜e（节理的厚度）（1）基本假设（2）状态方程mcVVA，t－回归参数古德曼通过试验用如下的方法描述结构面的闭合变形应力变化率变形变化率4.3结构面力学性质山东科技大学资源与环境工程学院（4.8）状态方程的几何表示:（b）（c）（a）VOeVmcVO压缩mc=V=fe（）mcV（）1当t=1A=1时，有山东科技大学资源与环境工程学院塑性剪切变形表现：在前期阶段剪应力随着变形量增加而一直呈非线性递增，最终剪应力将稳定于某一值，即使变形继续发展下去，而剪应力也保持不变。a—塑性剪切变形；b—脆性剪切变形。塑性剪切变形脆性剪切变形4.3结构面力学性质山东科技大学资源与环境工程学院4.3.1.2结构面剪切变形baOτnτfτm脆性剪切变形表现：剪应力达到剪切强度极限后，发生显著的应力下降直到稳定于某一值，曲线上的峰值剪应力为结构面剪切强度极限。剪切刚度Kτ结构面较坚硬时，剪切变形曲线为常刚度型如图a所示。4.3结构面力学性质山东科技大学资源与环境工程学院60.51.064242105000.51.0张夏灰岩岗山灰岩(a)常刚度型曲线(b)变刚度型曲线u/mmuσn=8MPa24u/mmτ/MPaτ/MPaσn=8MPa00结构面较软弱时，剪切变形曲线为变刚度型，如图b所示。4.3.1.3结构面抗剪强度抗剪强度：岩体中结构面发生剪切变形达到破坏时的极限剪应力结构面抗剪强度式中σn—作用于结构面上的法向应力；φ和c—结构面的内摩擦角及黏聚力。抗剪断强度τ=σntanφ+c抗剪强度τ=σntanφ抗切强度τ=c4.3结构面力学性质山东科技大学资源与环境工程学院岩体中结构面破坏的控制量是变形。据此，可以采用结构面极限变形建立其破坏判据，即（4.9）式中—结构面剪切刚度。结构面极限变形与法向应力的关系如下：00246810张夏灰岩2468101214σn/MPa[μ]×0.01mm4.3结构面力学性质山东科技大学资源与环境工程学院u0fu常刚度型结构面抗剪强度的位移判据如下式所示：对于软弱结构面来说，绝大部分属于变刚度型。变刚度型结构面抗剪强度的位移判断如下式所示：（4.11）4.3.2平直光滑无充填物硬性结构面力学性质4.3结构面力学性质山东科技大学资源与环境工程学院（4.10）平直光滑无充填物硬性结构面表现为扭性与压扭性脆性断层及节理，如共轭X型节理。结构面剪切变形曲线：剪应力随着位移增长达到最大值后便保持不变，剪应力峰值强度也就是残余强度。Oμτ结构面上只有内摩擦力，而无黏聚力，所以其抗剪强度可以采用下列式子表示，即（4.12）式中:—作用于结构面上法向压应力；—结构面内摩擦角。4.3结构面力