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第三章岩体的变形与破坏

变形：不发生宏观连续性的变化，只发生形、体变化。

破坏：既发生形、体变化、也发生宏观连续性的变化。

1.岩体变形破坏的一般过程和特点

（1）岩体变形破坏的基本过程及发展阶段

图3—1三轴圧应力作用下岩石的变形破坏过程

（据Lane. Bieniawski等，1970）

①压密阶段（0A段）：

非线性压缩变形一变形对应力的变化反应明显；裂隙闭合、充填物压

密。

应力-应变曲线呈减速型（下凹型）。

②弹性变形阶段（AB段）：

经压缩变形后，岩体由不连续介质转变为连续介质；应力-应变呈线性

关系；

弹性极限B点。

③稳定破裂发展阶段（BC段）:

超过弹性极限（屈服点）后，进入塑性变形阶段。

a.出现微破裂，随应力增t而发展，应力保持不变、破裂则停止发展；

b.应变：侧向应变加速发展，轴向应变有所增高，体积压缩速率减缓（由于微破裂的出现）;

④ 不稳定破裂发展阶段（CD 段）： 微破裂发展出现质的变化：

3?破裂过程小的应力集小效应显著，即使是荷载应力保持不变，破裂

仍会不断地累进性发展；

b.最薄弱部位首先破坏，应力重分布导致次薄弱部位破坏，直至整 体

破坏。“累进性破坏”。

C.应变：体积应变转为膨胀，轴向及侧向应变速率加速增大；

探结构不均匀；起始点为“长期强度”； ⑤ 强度丧失、完全破坏阶段（DE 段）：

破裂面发展为宏观贯通性破坏面，强度迅速降低， 岩体被分割成相互分离的块体一完全破坏。 应重视的问题：

① 各发展阶段的界限点，尤其是“长期强度”； ② 空隙压力曲线：

a. 空隙水压力~体积应变、变形发展阶段； b ?工程意义：滑坡、地震等。

（2）岩体破坏的基本形式

① 张性破坏（图示）；

② 剪切破坏（图示）：剪断，剪切。 ③ 塑性破坏（图示）。

破坏形式取决于：荷载条件、岩体的岩性及结构特征；

二者的相互关系。

①破坏形式与受力状态的关系

:

s

图3—2岩石的三向应力状态与破坏方式

（据伯奈克斯,1974）

（a ）拉断破坏；（b ）剪断破坏；（c ）塑性破坏

比与围压O 3有关：低围压或负围压一拉张破坏（图示）；屮等围压一剪切破坏（图示）；高围压（150MN/m2=1500kg/cm2）—塑性破

坏。

b?与。2的关系：

o 2/ 0 3 <4 （包括。2二。3）,岩体剪断破坏，破坏角约0二25°； o

/ a 3 >8 （包括。2二。）拉断破坏，破坏面〃O”破坏角0°

2

4^O2/O3^8：张、剪性破坏，破坏角0二15°。

②破坏形式与岩体结构的关系：完整块体状一张性破坏；碎裂结构、碎

块结构一塑性破坏；裂隙岩体一取决于结构面与各主应力Z间的方

位关系。

2.岩体的强度特性

强度特性取决于：岩性、结构；

受力状态。

一组结构面岩体在三向应力状态下的破坏形式及极限强度性状。

极限应力比n二。］/。3 （岩体破坏吋的大、小应力）

图3—4三种破坏形式的极限应力系数3）

（据K? W. John, 1969）

①一沿结构面滑动；②一剪断完整岩石；③■■部分沿结构面, 部分剪断完整岩石；围压：

（1）当（45。-4）/2） -17/2） +17°

岩体沿结构面滑动破坏，

岩体强度受结构面的Ci、>控制；

00、a二(45。-(1)/2)时，强度最小。随a增大或减小，强度增大。

(2)当a> (45° -4>/2) +27°

剪断完整岩石；

岩体强度受岩石的C E、(1)E控制；

岩体强度随结构面间距变小而降低。当间距足够大时，岩体强度接近岩石材料强度。

(3)当0

或(45。一G/2) +17° /2) +27°

部分沿结构面滑动，部分剪断岩石。

岩体强度与结构而和岩石的抗剪性能均有关，且当a由8° -0。及42° -52。,强度随Z增高。

3.岩体在加载过程中的变形破坏

(1)拉断破坏机制

①拉应力条件下的拉断破坏：

岩体单向受拉或负围压。

乩与s垂直的裂隙，两端拉应力集中，最先拉断;

b.只要应力达到抗拉强度，即使应力不再增加，破裂也要发展。

破坏准则：［。3］上S t

②压应力条件下的拉裂：

与O I成一定交角的裂隙两端拉应力最高，形成平行于O I的拉裂面。

图3—7压应力条件下岩体的拉断破坏过程

a.单向受压：［o J二8S t

b ?三向受力：（。厂。3） / （。i+。3）上

（2）剪切变形破坏机制与过程

① 完整岩体的剪断破坏机制：

a ?纵向张性微破裂发展（图示）；

b ?微观横向压碎代发展（图示）；

c ?切断“薄梁”，累进性破坏（图示）;

重直应力

图3—13不同摩擦特征结构面的强度曲线

O ■平面摩擦；②、③一糙面摩擦

a.平面摩擦：

层间错动面、剪性断裂、滑动面等。

破坏条件：剪应力2结构面残余强度，S2otg （l ）s ；

荷载方向与结构面法线的夹角2平面摩擦角So

b. 糙而摩擦: 爬坡-越过凸起体：爬坡角较小、法向应力较低；

抗剪强度T = a tg （ 4>s+i ）

剪胀一裂缝收缩，

② 沿已有结构面的剪切破坏机制:

剪应力

c<

de

nnnnn

(a) (b) (c)

(d)

图3—9岩体剪断破坏过程模式图

（据 Lajitai, 1974）

（a ） 一 （b ）为稳定破裂阶段；（c ） — （d ）为不稳定破裂阶段；（e ）为剪断

n

T

②

1

T

③ T = 0 tg +c

H H m LE

② T = o tg(4)s+i) 二 o t g d e

二二辽

T

4)s

剪胀为负值。

剪断凸起体：爬坡角较大、法向应力较高。但即使是法向应力为零,

i255°的凸起体仍会剪断；抗剪强度T = 0 tg （ 4>S）

+C

图3-15粗糙结构面的表面形态

（a） a—凸齿状，Ifig齿状，c—波状；（b） a—第二级呂伏，b-第一级起伏

凸起体刻痕或犁槽：抗剪强度类似于剪断凸起体。

注意：

当0tgd）s+C>T>0 tg（M残余强度、峰值强度），可能挤入累进性破坏（原因：凸起体应力集中）；

凸起体的抗剪强度不均一，“各个击破”方式破坏，结构面突然丧失稳定性，强度急剧降低，破坏具有突发性，迅速释放能量。

C.转动和滚动摩擦：

上滑面运动轨迹一对角点P；

对角线0P为半径的圆弧线；

相当于滑块越过一个圆弧形凸起体，任意一点切线与剪切方向的夹角即

为该点的爬坡角或下降角。

过程：

起动摩擦角：e I二a二6二tg a/b

起动后摩擦角：（I）t= 8 - y （Y转动角）

当对角线0P直立吋：Y = 5

A =0

此吋，上滑面抬至最高点，岩块翻转，§翻转角; 继续滑动一上下滑面间

距缩短，4）为负值，滑面承受拉应力。

图3—19平行六面体碎块转动摩擦模式图解

（据纳西曼托，1977）

（a ）分离的：（b ）紧贴的

?-模式图；②一法向位移（剪胀）V 与剪切位移y 随转动角（剪应变）Y 的变化；③一摩擦角e

随转动角Y 的变化

注意：

a. 翻转角5 ＜结构面的静摩擦角（I ）；

b. 分割碎块的结构面愈密（§角越小），转动摩擦愈易发生； c ?转动剪切一旦起动，摩擦角随Z 降低，甚至为负值；

d.碎块边角越多（趋于圆球形），翻转角越小，甚至接近0°。此时, 转动

摩擦可变为滚动摩擦。

（3）剪切发展过程中的累进性破坏

岩体应力一旦超过其长期强度，则进入累进性破坏阶段。 此时，平面滑动强度相当于残余强度；

糙面摩擦（或不连续结构面）强度则高于残余强度。

① 累进性破坏：

乩结构不均一，剪应力集中不均一，

b. 各凸起体强度不同；

c. 齐凸起体强度降低速度不一。

② 应力-强度关系类型：

a ?突破】」处的剪应力〉岩石的极限强度：突然破坏，时间短； b.长期强度〈突破口处的剪应力〈岩石的极限强度：

加载至破坏的时间较长；

c. 突破口处的剪应力〈长期强度（较接近）

:

①

工程年代内某一阶段将破坏，取决于强度降低速度（外营力）；

d.突破口处的剪应力W长期强度：工程年代内不破坏。

③如何确定剪应力与长期強度的关系：

3?裂面连通率>50%：不考虑间断处（凸起体）的C值；

b?长期稳定，只考虑一级平缓起伏角；

短期稳定，可考虑次级较陡的凸起体；

c?Kc23?5?4.0

（3）摩擦滑动过程中的粘滑与稳滑

①基本特点与产生条件：

a?稳滑：缓慢、持续地滑动，剪切位移无突变；

应力不发生突然释放（应力降），不产生振动。多发生在低围

压条件下。

b?粘滑：间歇性、跳跃性滑动，剪切位移发生突变；

产生很大的应力降（突然释放应力）和振动。多发生在高围压

条件下。

注意：

含有蒙脱石等膨胀性粘土矿物、或含水且透水性低，高围压下仍可表现为稳滑；

高温、高空隙压力，可使发生粘滑的围压条件提高。

②粘滑产生的机制：

结构而的摩擦阻力急剧降低，引起岩体突然失稳。

a?热软化效应：滑动面温度升高、抗剪强度降低；

静摩擦 >> 动摩擦

突然滑动前应有稳滑阶段（为证实）。

b?嵌入蠕动效应：较硬的凸起体逐渐嵌入对盘较软岩体，“刹车”形成“锁固”效应；

静摩擦 >> 动摩擦

c?脆性破坏：剪断“凸起体”；

间断“锁固段”。

4.岩体在卸荷过程中的变形破坏

卸荷：①临空面附近岩体应力重分布导致应力集中效应；

②弟异回弹在岩体中形成残余应力体系；（1）差异卸荷回弹造成的张性破裂

①岩体材料性能差别；

图3-30两个紧密联结的颗粒体系中的残余应力和张性破裂 （据

拉吉太，1977）

② 应力历史不同（颗粒和胶结物的受力不同）；

③ 裂隙端部的扩展机制；

图3-32原有裂纹在压应力集中情况下出现永久破坏所造成的残余拉应力

（据拉吉大.1977）

伍）原有裂纹张性破裂图式（b ）原有裂纹端部应力集中

（c ）端部压碎，应力集中部位转移（d ）卸徜时压碎部位产生残氽拉应力

（2）差异卸荷回弹造成的剪切破裂

(a)

(b) (c)

1

1 1 1

1

1 1 ■

图3-31碎旧岩在“加荷胶结”情况下, 由加荷及卸荷所引起的张性破裂

（据拉吉太）

（a ） 加荷时破裂切穿颗粒

（b ） 卸荷时破裂沿颗粒边界产生

①岩芯裂饼现象:

图3-33雅碧江某电站河心钻孔中所见正长岩“岩饼” （据中国

人民解放军00300部队，1978）

Ihi(0

|h2 (2)

⑶

h4 (4)

(a)

图3-34钻进过程中储有弹性应变能的岩芯柱受限左异回弹应力状态示意图

力学机制：

乩岩柱受根部约束，不能充分回弹。回弹的充分程度随距受限面高度h 增加；

b?受限面只能约束一定高度岩柱回弹，超过某一临界高度h°的岩柱已充分回弹（取决于岩性、岩柱直径）；

c?岩柱短轴垂而上的残余法向压应力与受限而上的残余剪应力的关系（上图）；

当岩柱边缘的最大剪应力突破岩石的抗剪强度，沿受限面迅速剪断，破裂面向岩柱中心发展，剪应力集中也随Z向岩柱中心转移，直至剪断。

所以，-?定的地应力环境、同类岩石的岩饼，厚度与直径的比值基本-?致。

②坡脚根部的差异回弹:

图3-35长江葛洲坝机窠开挖剖面（撫长江流域规划办公室，1978〉

1 一地层代号（白垩系）；2—粉砂岩；3—粘土质粉砂岩；4-粘土岩团块；5—粘土岩；6—软弱夹层编号；7—岩体错动方向

及错距（M）:8—错动部位；9-观测孔号、错距及观测时间

（3 ）河谷卸荷变形破裂发育的基本模式

①宽谷：

边坡一水平位移；

底部一隆起、逆冲、形成空洞；

②窄谷：

边坡一水平剪切位移；

坡脚、谷底一高地应力集屮，存积很高的应变能。

河谷区卸荷变形破裂发育组合模式图

③其它类型（图示）？？？

4.岩体在动荷载作用下的的变形破坏

动荷载一在岩体中传播的应力波。

①地震、爆破：岩体存在阻尼，由此激发的应力波最终逐渐消失；

②机械振动：应力波以强迫振动方式传播（干扰力），运动频率稳定;

（"爆破能动：（b）机械振动

（1 ）动应力与动参数之间的关系

①纵波在岩体小传播引起动态正应力（拉、压人

J?质点加速度创、振动频率fp、波速C P、弹模E；

②横波在岩体屮传播引起剪应力:

J?质点加速度as、振动频率fs、波速cs、刚度（剪切模量）G；

（2）岩体结构对应力波传播的影响

应力波穿过地质界面，产生透射波应力。七、反射波应力

Ot、0”?两侧介质性质（弹模及密度El、p 1, E2> P2）的差异。

①应力波由硬质岩体传入软质岩体，即EAE2（图示人

反射波引起拉应力为拉应力），界面附近张性破裂；

②应力波由软质岩体传入硬质岩体，即E I

反射波应力为压应力，对稳定性无明显影响；

③应力波穿过软弱带（图示人

应力波的反射机制和低强度岩石吸收大量能量，软弱带对应力传播起屏蔽作用。

图3—38软弱夹层对应力波传播的影响

(3 )动荷载作用下岩体破坏特征

① 触发效应：

a. 稳定性接近临界状态；

b. 对振动特别皱感的岩土体(保水的碎裂岩体及松散岩体、保水疏松

砂土、敏感粘土)；

② 累积效应：

多次位移积累，最终导致破坏。

5. 岩体变形破坏过程的时间效应

(1)岩体具有流变特性

蠕变：在恒定荷载作用下，变形随时间持续发展；

松弛：在变形恒定的条件下，岩体内的应力随时间逐渐降低。

(2 )岩体(粘弹性介质)蠕变发展过程

应力解除

图3—40弹塑性介质蠕变试验的一般变形曲线

① 减速蠕变一相当于压缩变形阶段； ② 等速蠕变一和当于稳定破裂发展阶段； ③ 加速蠕变：

应力超过长期强度，进入累进性破坏阶段。

6. 空隙水压力在岩体变形破坏中的作用

空隙、孔隙及裂隙中的地下水效应：

① 机械、物理及化学作用一岩性不断变化、稳定性不断下降; ② 力学作用一改变作用双方的受力状态。

(1)有效应力原理在岩体中的适用性

①裂隙岩体：

\初

始(减速)蠕变

八E

应变

第二级(等速)蠕变

「常数 dt

破坏

;第三级(加速)蠕变

永久变形

A 时间

&结构面上的正应力O S二。-Ow (有效应力);

b.剪应力T s二T (空隙水压力变化对结构面上的剪应力无影响);

C?抗剪强度：天然:T = O tg(I)+C

饱水：T s= 0 s tg 4)+C = (o — °w) tg4>+C

强度降低△ T二- O w tg e

Of

(b) (c)

图3—45岩体中空隙水压力、有效应力图解

(a) T燥岩体：(b〉饱水封闭岩体：(c) AB面应力莫尔圆图

5、。3—施于岩体的绘大和最小主应力；P■—空隙水压力；J'、。3‘一有效主应力：。、T T燥岩体承压后AB 面上

的正应力和剪应力；。?、T水封闭岩体承压后AB面上的有效正应力与剪应力；a-o,与AB面之夹角

②孔隙岩体：

有效应力原理应用于空隙岩体时，须考虑孔隙水压力作用的有效面

积系数n o

有效应力0 s二0 -几0 w

抗剪强度T S 二(o - n 0 w) tgd)+C

有效面积系数n(o?i)： n=i-B/B c

B二E/3 (1-211 )

B, &—岩体、岩块的体积弹模；混凝土

H 二0. 84

花岗岩H二0. 65

软弱岩体：低应力n=o. 5?1

高应力有效应力不适用。

注意：研究破坏问题时，无论是裂隙岩体还是孔隙岩体，n=i；研

究变形问题时，裂席岩体，n=i；完整岩体，n

(2)引起空隙水压力变化的因素

①气象、水文条件变化（降雨、水库蓄水）:

导致地卜'水位大面积变化；

空隙水压力变化滞后于气彖水文条件的变化。

②岩体受力状态的变化：

a.饱水土体：

保水土体所承受的附加应力P由颗粒和水共同承担（有效压力匕、中性压力PQ,由附加应力引起的小性压力％区别于土体屮原有的静水压力, 称Z为超孔隙水压力（或剩余孔隙水压力）。

受力前（孔隙水压力）T s= 0s tg4）+c = （。一tge+c 受力后（超

孔隙水压力）Ts二（o s-o Wc） Lg4）+c

=(o - o w- O We) t g(l)+C

排水：O w^f 0、O S~ O ；

变化过程取决丁一加载速率、岩土体透水性、

b.岩体：

裂隙发育，透水性较好；

静力一难以形成很高的超孔隙水压力；

动荷载可形成很高的瞬时超空隙水压力，岩体强度急剧降低。③岩体变形破裂：

a. 饱水封闭条件：体积膨胀一孔隙水压力降低为负值一有效应力增加

岩体强度“膨胀强化”；

b. 非封闭条件：

变形速率W进出水速率：空隙水压力不变，岩体抗剪强度不变;

变形速率M进岀水速率：“膨胀强化”后孔隙水压力迅速上升；

c. 水击机制：

图3-49冰川崩裂过程图示

（据F.Sange, 1966）