第3章岩体结构控制论..

工程地质学基础勘查技术与工程学院曲力群QQ7052312142015年11月第3章岩体结构控制论第3章主要内容3.1概述3.2岩体结构的物质基础3.3岩体结构3.4岩体结构的力学效应第3章重点内容1.岩体力学性能特点；2.岩体结构的定义和基本类型；3.结构体的定义；4.结构面的定义和类型；5.软弱结构面的类型；6.岩体变形机制；7.岩体破坏机制和类型；8.岩体力学介质分类；9.各种岩体力学介质的力学特性。3.1概述3.2岩体结构的物质基础岩体力学性能具有不连续性、不均一性和各向异性。岩体结构组成要素有两个基本单元，即结构面和结构体。结构面：是指岩体中的地质界面，如层面、断裂、风化卸荷裂隙等；结构体：是指由结构面所切割成的岩石块体，即岩块。岩体结构是在一定地质环境中经过建造、构造形变和次生改造形成的。在岩体结构中，结构面居主导地位，随着结构面的类型、发育程度、性状与组合情况不同，岩体结构类型迥然不同。岩石是岩体结构的物质基础。任何岩体都要经历岩石的建造过程，它既是建立岩体的物质基础过程，也是各种原生结构面与岩性组合的形成过程。另一方面，岩体结构组成的两个基本单元之一的结构体完全是由岩石构成的，它的性质完全由岩石块体决定。工程地质工作，首先要对地层岩性进行系统的研究，分析岩性岩相变化特征，并进行岩体工程地质分类，即工程地质岩组的划分。在进行工程地质岩组划分时，要特别关注软弱、松软、破碎岩层，以便于在进行工程地质综合评价时，加以全面论证与重点分析。岩体结构的物质基础1.岩石的成分与结构2.岩石的成岩环境与岩相变化3.岩石的成层条件及厚度变化4.岩石组合特征及其划分依据5.岩石的物理力学性质3.3岩体结构结构面可分为两大类：（1）物质分异面：如层面、片理面、软弱夹层、岩浆侵入接触面等；（2）岩体中的不连续面：如断层、节理、风化与卸荷裂隙等。岩体是由结构面和结构体共同组成的结构形态，不同类型的基本单元在岩体内组合、排列的形式称为岩体结构。1.结构面的类型及特征（1）结构面成因类型和特征按成因对结构面进行分类，有五大成因类型：沉积结构面、火成结构面、变质结构面、构造结构面、表生结构面。（课本41页表3-1结构面成因类型）（2）结构面的力学类型和特性按影响结构面力学特性的主要因素，可将结构面划分为以下四种力学类型：破裂结构面、破碎结构面、层状结构面、泥化结构面。（3）结构面分级（课本43页表3-2结构面分级及其特征）2.岩体结构基本类型和特征（1）划分的依据岩体结构类型的划分依据：首先要依据岩石组合特征，其次应充分反映岩体的不均一性和不连续性。（2）岩体结构基本类型的具体划分和特征以硬性结构面和软弱结构面为基础，可对岩体结构基本类型进行划分。（课本43页表3-3，表3-4岩体结构分类和44页表3-5岩体结构基本类型）岩体结构基本类型：整体块状结构、层状结构、碎裂结构和散体结构。3.4岩体结构的力学效应岩体的应力传播、岩体的变形破坏以及岩体力学介质无不受控于岩体结构。软弱结构面是岩体变形破坏的重要控制因素或边界；硬性结构面是划分岩体结构、鉴别岩体力学介质类型的重要依据。1.岩体变形机制岩体变形与连续介质变形明显不同，它由结构体变形与结构面变形两部分构成。岩体的变形主要决定于结构面发育状况；结构面发育特征不仅控制岩体变形量的大小，而且控制岩体变形性质及变形过程。块裂结构岩体变形主要沿贯通性结构面滑移而成；碎裂结构岩体变形则由三、四级结构面滑移及部分岩块变形构成；只有完整岩体的变形才受控于组成岩体的岩石变形特征。2.岩体破坏机制岩体的破坏机制受控于（岩体）结构。结构控制的主要方面有：岩体破坏的难易程度、岩体破坏的规模、岩体破坏的过程及岩体破坏的主要方式等。岩体破坏的力学过程是岩体破坏机制。岩体破坏机制类型如下：（课本47页表3-7）（1）整体块状结构岩体：张破裂、剪破坏、流动变形；（2）块裂结构岩体：结构体沿结构面滑动；（3）碎裂结构岩体：结构体破裂、结构体剪破裂、结构体流动变形、结构体沿结构面滑动、结构体滚动、结构体组合体倾倒、结构体组合体溃屈；（4）散体结构岩体：剪破坏、流动变形。名词回顾与解释岩体破坏岩体结构改组和结构丧失联结现象的总称。岩体中的应力超过岩体的最大强度，产生岩体破坏。岩体破坏时破裂面上应力作用方式和破坏过程称为破坏机理，它是研究岩体破坏的核心问题。名词回顾与解释简介岩体破坏failureofrockmass岩块压碎、岩体结构改组和结构丧失联结的现象。岩体破坏时力学作用方式和过程称岩体破坏机理，它是研究岩体破坏的核心问题。岩体破坏与岩体结构及环境应力（见岩体中应力）状态密切相关。完整结构岩体在低的环境应力(地应力)条件下呈脆性的张破裂，在高的环境应力条件下呈柔性的剪破坏或塑性流动变形。块裂结构岩体的破坏主要是岩块沿软弱结构面滑动。其破坏机理和破坏判据正在研究中。板裂结构岩体的破坏以板的溃屈破坏为主。碎裂结构岩体破坏比较复杂，是晚近才认识到的破坏现象，在低的环境应力条件下，极大程度上受结构面发育状况控制；在高的环境应力条件下结构面作用消失，其破坏机理类似完整结构岩体，主要受岩石性质制约。名词回顾与解释破坏类型不同结构的岩体，破坏时破坏机理不同，破坏类型也不同。基本的破坏类型共有6种：①张破裂；②剪破坏；③结构体滚动；④结构体沿结构面滑动；⑤梁板溃屈和弯折破坏；⑥倾倒失稳。完整结构岩体在低应力条件下呈脆性张破裂，在高应力条件下呈柔性剪破坏或塑性流动变形。块裂结构岩体的破坏主要是岩块沿软弱结构面滑动。板裂结构岩体的破坏，常以板裂体溃屈弯折、岩块沿结构面滑动以及倾倒失稳为主。碎裂结构岩体的破坏比较复杂，在低应力条例下，极大程度上受结构面及结构体形状控制，除结构体张破裂、沿结构面滑动以外，结构体滚动占有重要地位。在高应力条件下，结构面控制作用消失，其破坏作用机理与完整结构岩体基本相同，主要受岩石材料性质控制。名词回顾与解释破坏判据即岩体破坏的力学条件。破坏判据是以破坏机理为依据建立起来的。破坏类型不同，破坏判据也不同。①张破裂判据。岩石在压应力作用下，除在最大主应力方向产生纵向压缩变形外，在垂直于最大主应力方向还产生横向扩张变形，即产生张应变。脆性岩石在压应力作用下产生的横向扩张变形达到一定极限时，便在平行于最大主应力方向产生张破裂。以此建立起来的破坏判据称为张破裂判据。它主要用于判断岩石在压应力作用下能否产生张破坏。②剪破坏判据。在不等向应力作用下岩石内部不同方向的切面内可形成不同数值的剪应力，其中某一切面内的剪应力达到岩石剪破坏条件时，岩石便产生剪破坏。以此建立起来的破坏判据称为剪破坏判据,也称为库仑-莫尔判据。它适用于判断柔性岩石在压应力作用下能否产生剪破坏。名词回顾与解释破坏判据③结构体滚动破坏判据。在破裂岩体内部的应力作用下，结构体滚动的力学条件称为结构体滚动破坏判据。它主要用于判断破裂结构岩体受力状况改变时能否产生结构体滚动破坏。④结构体沿结构面滑动破坏判据。以结构面为参照面可将岩体内应力分解为垂直于结构面的法向应力及平行于结构面的剪应力。在一定应力条件下，平行于结构面的剪应力超过结构面的抗剪阻力时，结构体便沿着结构面产生滑动。在作用于结构面上的剪应力与抗剪阻力达到平衡条件下建立起来的力学条件称为结构体沿结构面滑动破坏判据，也称为库仑判据。它适用于块裂结构岩体稳定性分析，也适用于检核碎裂结构岩体及板裂结构岩体能否沿结构面滑动。名词回顾与解释破坏判据⑤溃屈破坏判据。在轴向力作用下板裂结构体产生弯折破坏的力学条件。这是一种结构失稳判据。这种破坏条件主要控制于板裂体的刚度及几何特征，而与材料强度无直接关系。它不仅适用于板裂结构岩体稳定性分析，也适用于检核碎裂结构岩体产生板裂化后能否产生破坏。3.岩体力学性质与力学介质研究岩体力学性质的科学研究方法：典型地质单元岩体力学试验与岩体地质研究相结合的综合研究方法。根据岩性、岩体结构与围压情况，可对岩体的力学介质的类型和力学特性进行划分。岩体力学介质分类：块裂介质、碎裂介质、连续介质。（课本47页表3-8）各种岩体力学介质的力学特性：力学作用控制因素、变形机制、破坏机制、应力传播机制、岩体力学性质控制因素、岩体力学原理及方法。（课本47页表3-9）4.岩体赋存环境因素及结构的力学效应环境因素的力学效应：（1）对岩体力学性质的影响；（2）对岩体变形和破坏机制的影响。（脆性破坏，柔性破坏，破坏强度等）在环境因素中，地应力与地下水（孔隙-裂隙水压力作用，软化作用）是重要的因素。孙广忠等归纳出岩体结构力学效应的三大法则：（1）爬坡角法则；（2）结构面密度的力学效应法则——尺寸效应法则；（3）结构面产状力学效应法则。孙广忠，男，中国科学院地质研究所研究员、博士研究生导师、有突出贡献科学家。辽宁省庄河县人，1928年10月生。1953年大连工学院水利工程系毕业，1956年长春地质学院工程地质研究生毕业，1957年到中国科学院地质研究所从事土质学、土力学、工程地质、构造地质、岩体力学、地质工程、地质灾害防治等研究工作。孙广忠突出贡献在科研和生产两个方面做出了突出贡献，概况起来有：（1）广泛地参加了水利水电、冶金煤炭矿山、铁路、国防工程及地质灾害防治的工程地质、岩体力学及地质工程实践，主持和参加完成的有“二滩电站岩体力学研究”、“大同煤矿坚硬顶板放顶理论与技术研究”、“军都山隧道快速施工地质超前预报”、“南桐煤矿煤与瓦斯突出综合治理”、“长江三峡水库库岸稳定性研究”、“长江三峡链子崖危岩体及黄蜡石滑坡地质灾害防治”等各种类型地质工程实践及科研工作60余项，到过150多个工程现场考察和咨询，开创了地质超前预报新领域，在地质体改造理论和实践方面都作出了显著成绩，为发展地质工程事业作出了重要贡献，多次受到国家和中国科学院表彰和奖励；（2）提出了“岩体结构控制论”学说，创立了以“岩体结构控制论”为基础理论的《岩体结构力学》理论体系，获中国科学院自然科学奖一等奖，“岩体结构控制论”以当代高新科技成果的条目选编入《中国当代科技精华》（1995年，地学卷），在国内外讲学40余次；（3）创办了工程地质力学开放研究实验室，为工程地质力学基础理论研究打下了基础。孙广忠荣誉成就1990年被美国国立传记研究所选入国际卓越领导人名人录（第五卷），1993年被中国作家协会创联部《名人传》编辑室选入《当代世界名人传》（中国卷），同年被选入《当代科学家与发明家大辞典》，中国《地学名人大辞典》，1994年被英国国际传记中心选入世界名人录（11卷），1995年被选入《中国当代科技精华》（地学卷）。曾任中国科学院地质研究所工程地质研究室主任、第一届工程地质力学开放研究实验室主任、第二届工程地质力学开放研究实验室学术委员会主任、国家发明奖评审委员会委员、国务院长江三峡链子崖、黄蜡石地质灾害防治领导小组专家组组长、国家科委、水电部三峡工程论证专家组专家等职。现任中国科学院自然灾害研究委员会副主任、地质矿产部长江三峡链子崖、黄蜡石地质灾害整治专家组组长、中国地质学会工程地质专业委员会名誉委员、中国岩石力学与工程学会名誉理事、中国地质灾害研究会名誉理事、中国锚固工程协会科学技术顾问、中国岩石力学与工程学会灌浆与锚固专业委员会科学技术顾问、联合国教科文组织地质技术联合会滑坡编录委员会委员、国际岩石力学学会教育委员会委员等职。大连理工大学、河海大学、中国地质大学（北京）、长春地质学院、葛洲坝水电学院、中国矿业大学聘请为兼职教授。孙广忠代表著作主要著作有：①《岩体力学基础》（1983年，科学出版社）1985年获中国科学院科技进步奖二等奖；②《岩体结构力学》（1988年，科学出版社）1990年获中国科学院自然科学奖一等奖；③《西北黄土工程地质力学特性和地质工程问题研究》（1989年，兰州大学出版社）；④《中国自然灾害》（1990年，学术书刊出版社）；⑤《军都山隧道快速施工超前地质预报指南》（1990年，中国铁道出版社）；⑥《工程地质与地质工程》（1993年，地震出版社）；⑦《地质工程学原理》（2004年，地质出版社）；⑧《岩体力学原理》（2