第四章岩体的基本力学性质

第四章岩体的基本力学性质1、岩体结构面的分析；2、结构面的变形特征；3、结构面的力学效应；4、岩体的应力-应变分析；难点：1、结构面的变形特征；2、结构面的力学效应；重点:第四章岩体的基本力学性质4.1概述岩体是地质体，它经历过多次反复地质作用，经受过变形，遭受过破坏，形成一定的岩石成分和结构，赋存于一定的地质环境中。结构面：断层、节理、褶皱……统称岩体结构面影响完整性很好——连续介质力学方法非常破碎——土力学方法两者之间——裂隙体力学方法岩体不连续性，各向异性反映区域性地质构造降低岩体强度结构面岩体结构单元结构体坚硬结构面（干净的）软弱结构面（夹泥的，夹层）块状结构体（短轴的）板状结构体（长厚比大于15的）岩体抵抗外力作用的能力称为岩体的力学性质。包括岩体的稳定性特征、强度特征、变形特征。岩体强度=岩块强度+结构面强度影响岩体力学性质的基本因素：结构体（岩石）力学性质、结构面力学性质、岩体结构力学效应和环境因素特别是水和地应力的作用。岩体的赋存环境对岩体的力学性质有重要的影响。其赋存环境包括地应力、地下水、地温三部分。地应力对岩体力学性质的影响主要体现在：(1)地应力影响岩体的承载能力；(2)地应力影响岩体的变形和破坏机制；(3)地应力影响岩体中的应力传播的法则。岩体结构分类依据将软弱结构面切割成的岩体结构定为I级结构，坚硬结构面切割成的岩体结构可定义为II级结构。分类依据第一个依据是结构面类型，第二个依据是结构面切割程度或结构体类型软弱结构面——I级岩体结构坚硬结构面——II级岩体结构块状的——块状碎裂结构层状的——层状碎裂结构I级岩体结构II级岩体结构块状结构体——块裂结构板状结构体——板裂结构结构面贯通切割——碎裂结构结构面断续切割——断续结构无显结构面切割——完整结构过渡型岩体结构：软弱结构面混杂、结构面无序排列——散体结构分类方案各类岩体结构的地质特征散体结构岩体碎裂结构岩体碎裂结构岩体块裂结构岩体断续结构岩体岩体结构的唯一性及工程岩体结构的相对性一、结构面定量描述的基本参数1、产状：走向、倾向、倾角，例如：N30oE2、间距：同组相邻结构面的垂直距离，平均间距3、延展性（持续性）：结构面迹线长度4、粗糙度和起伏度：起伏度：较大一级的起伏程度，如波浪、锯齿、台阶等。粗糙度：较小一级的凹凸不平的程度。5、结构面面壁强度反映结构面表面的风化特征。6、结构面的开度和充填物7、结构面的渗透性8、结构面的组数和岩块的尺寸结构面：没有或者具有极低抗拉强度的力学不连续面，包括一切地质分离面。4.2岩体结构面分析•结构面侧壁的起伏形态分为：平直的a、波状的b、锯齿状的c、台阶状的d和不规则状的e。)2(Lharctgi侧壁的起伏程度可用起伏角(i)表示：•结构面的粗糙度用粗糙度系JRC表示(jointroughnesscoefficient)•随粗糙度的增大，结构面的摩擦角也增大。•根据标准粗糙度剖面将结构面的粗糙度系数划分为10级。在实际工作中可用结构面纵剖面仪测出所研究结构面的粗糙剖面后与图所示的标准剖面进行对比得到。•1.按成因分类(1)原生结构面沉积结构面：层面、层理、夹层等火成结构面：原生节理、流纹面变质结构面：片理二、结构面的分类（一）按照成因分类：原生、次生、构造(2)构造结构面断裂面破碎带(3)次生结构面风化裂隙泥化夹层（二）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。中等结构面≤1～10m巨大结构面≥10m细小结构面延长≤1m单节理节理组节理群羽毛状节理破碎带无充填有充填有粘性充填物破坏面破坏带两者之间（三）按地质力学观点分类结构面按贯通情况分非贯通性的结构面半贯通性的结构面贯通性的结构面（四）结构面按贯通情况分（五）结构面按尺度级别分结构面的发育程度、规模大小、组合形式等是决定结构体的形状、方位和大小，控制岩体稳定性的重要因素。尤以结构面的规模是最重要的控制因素。按结构面发育程度和规模可以划分为如下五级：I级结构面--区域构造起控制作用的断裂带Ⅱ级结构面--延展性强而宽度有限的地质界面Ⅲ级结构面--局部性的断裂构造Ⅳ级结构面--节理面V级结构面--细小的结构面实测结构面统计结构面•Ⅰ级指大断层或区域性断层。控制工程建设地区的地壳稳定性，直接影响工程岩体稳定性；•Ⅱ级指延伸长而宽度不大的区域性地质界面。•Ⅲ级指长度数十米至数百米的断层、区域性节理、延伸较好的层面及层间错动等。Ⅱ、Ⅲ级结构面控制着工程岩体力学作用的边界条件和破坏方式，它们的组合往往构成可能滑移岩体的边界面，直接威胁工程安全稳定性•Ⅳ级指延伸较差的节理、层面、次生裂隙、小断层及较发育的片理、劈理面等。是构成岩块的边界面，破坏岩体的完整性，影响岩体的物理力学性质及应力分布状态。Ⅳ级结构面主要控制着岩体的结构、完整性和物理力学性质，数量多且具随机性，其分布规律不太容易搞清楚，需用统计方法进行研究。•Ⅴ级又称微结构面。常包含在岩块内，主要影响岩块的物理力学性质。控制岩块的力学性质。结构面的状态对岩体的工程性质的影响是指结构面的产状、形态、延展尺度、发育程度、密集程度。结构面的产状：结构面的产状对岩体是否沿某一结构面滑动起控制作用。结构面的形态：结构面的形态决定结构面抗滑力的大小，当结构面的起伏程度较大，粗糙度高时，其抗滑力就大。结构面的延展尺度：在工程岩体范围内，延展尺度大的结构面，完全控制岩体的强度。结构面的密集程度：以岩体的裂隙度和切割度表征岩体结构面的密集程度。三、岩体破碎程度分类1、单组节理设勘测线长度为，在上出现的节理的个数为n，则：节理之间的平均间距为：裂隙度切割度单组结构面多组结构面nKKnld110m实例：k=4/10=0.4/md=1/k=2.5m（一）裂隙度Kd180cm整体结构d=30~180块状结构d30破裂结构d6.5极破裂结构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糜棱节理按垂直间距分类按裂隙度分类图4－3两组节理的裂隙度计算图bbaabxaxbaddmmKKKcoscos11niiidK1cos2、多组节理（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eXAaXeniiaa多处不连续切割叠加：式中：－岩体体积内部被某组节理切割的程度，单位m2/m3.KXXer表4-2按切割度分类rX切割度与裂隙度的关系：（三）岩体破碎程度分类（表4-3）切割度eX裂隙度K4.3结构面的变形特性一、结构面的法向变形（一）结构面法向弹性变形法向切向1、假设条件（1）有n个点接触,每个接触面边长为h（2）每个接触面受力相同（3）每个接触面力学特性相同2、计算公式半无限体上作用一个集中力的布辛涅斯克（Boussnisq）解δ－变形量；Q－荷载；A－荷载作用面积；E、μ－弹性模量、泊松比；m－与荷载面积形状因素有关的系数，方形面积m=0.95设节理面的边长为d，作用于节理面上的应力为σ，则作用在每一个接触面上的荷载又A=h2，节理面的法向弹性变形量δ0=2δ，代入Boussnisq解，得接触面为方形时，m=0.95，μ≅0.25，则上式变为（1）结构面闭合试验（VmC的确定）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）;5）两种节理的可压缩性配称节理的压缩量：非配称节理的压缩量：abVacVa.无节理b.径向劈裂d.非配称接触c.配称接触（二）节理的闭合变形含啮合变形（配称实验）和压碎变形（非配称实验）。下面介绍Goodman方法：图4－7一条张开裂缝的压缩变形曲线弹性啮合压碎下面介绍Goodman方法：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－原位应力，即ΔV＝0时的应力mcVmcVA，t－回归参数tmcVVVA)(ΔV－闭合变形量MCmcVVV（3）状态方程的几何表示：当t=tA=1时，有：tmcVVVA)(最大闭合mcV(4)指数形式二、结构面的剪切位移特征在一定的法向应力作用下，结构面在剪切作用下产生切向变形。a)非充填粗糙结构面，随剪切变形发生，剪切应力相对上升较快，达到峰值后，结构面抗剪能力下降，产生不规则的峰后变形或滞滑现象。b)对于平坦(或有充填物)的结构面，初始阶段的剪切变形曲线呈下凹形，随着剪切变形的持续发展，剪切应力逐渐升高但没有明显的峰值出现，最终达到恒定值。（一）结构面剪切位移曲线通常将“弹性区”单位变形内的应力梯度称为剪切刚度：sttKK10剪切变形曲线从形式上可划分为“弹性区”(峰前应力上升区)、剪应力峰值区和“塑性区”(峰后应力降低区或恒应力区)。初始剪切刚度产生较大剪切位移时的剪应力渐进值Goodman(1974)节理“”曲线分为4类。见下图强度准则：tanca-充填节理（重新胶结、脆断型）b-齿状节理（硬性）c-充填齿状节理（多次剪断）d-软弱型（塑性）剪胀现象与剪断现象①岩石强度↑，爬坡角i↓，法向力N↓，发生剪胀现象(b)②岩石强度↓，爬坡角i↑，法向力N↑，发生剪断现象(c)规律：1、轴向应力增大，结构面开度变小，扩容程度降低；2、轴向应力增大，峰值抗剪强度强度随之增大，符合摩尔库伦准则。1、脆断型（一）结构面剪切位移曲线的本构方程应力应变关系直接用直线表示，简单。常刚度变刚度2、软弱型（一）结构面剪切位移曲线的本构方程应力应变关系借用土力学成果变刚度4.4结构面的剪切强度特征结构面最重要的力学性质之一是抗剪强度。结构面在剪切过程中的力学机制比较复杂，构成结构面抗剪强度因素是多方面的，大量试验结果表明，结构面抗剪强度一般可用莫尔－库伦准则表示：式中：c、φ分别是结构面上的粘结力和摩擦角，φ＝φb+β,φb是岩石平坦表面基本摩擦角，β是结构面的爬坡角；σ是作用在结构面上的法向正应力。tgc一、平直结构面的抗剪强度“自锁”现象合力的夹角与剪切位移的关系1、静摩擦角大于动摩擦角2、循环一、平直结构面的抗剪强度结构面呈平直状，没有波状起伏。1、平直结构面的剪切变形曲线（1）τ很小时，τ－δ呈线性，弹性状态；（2）τ很大，大到足以克服移动摩擦阻力之后，τ－δ呈非线性；（（3）τ达到峰值τP后，δ突然增大，表面试件已沿结构面破坏，此后τ迅速下降，并趋于一常量（残余强度）。PPPctgoRR残余强度P峰值强度pCRRtgPPPctgP(1)、峰值剪切强度（2）残余剪切强度式中：CP结构面的粘结力；φP、φR是结构面的峰值摩擦角和残余摩擦角，一般φPφR。RRtg一、平直结构面的抗剪强度二、理想化粗糙结构面模型－楔摩擦效应（1）爬坡角β与剪胀现象（2）剪切强度作用在斜面A’B上的法向力和切向力分别为：sincos'TNNcossin'TNT式中：σ,τ为结构面AB上的正应力和剪应力，φj为A’B面上的摩擦角。Patton公式σ较小时，抗剪强度τ＝σtg(φj+β);爬坡效应σ较大时，抗剪强度τ＝c+σtgφj,其中c为视内聚力。切齿效应试验表明：低法向应力的剪切，结构面有剪切位移和剪胀；高法向应力的剪切，凸台剪断，结构面抗剪强度最终变成残余抗剪强度。在剪切过程中，凸台起伏形成的粗糙度以及岩石强度对结构面的抗剪强度起着重要作用。)tg()(jjNtgTjNTtg''（1）规则（2）不规则齿形结构（一）规则-帕顿公式在实际应用中应注意：(1)对结构面进行直剪试验时，法向应力应与实际工程中的一致。一般认为齿面与齿尖的内摩擦角一致.(2)β是各向不同的，因此，测量时应使所测β角与所讨论的方向一致。（T的方向是上坡方向取“+”