第3章岩体的变形与破坏修改

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第3章岩石结构面、力学性质岩体力学

第3章岩石结构面、力学性质岩体力学
nˆ =(sinαsinβ , sinαcosβ , conα )
岩石力学
3.3.1.2 结构面的连续性 结构面的连续性又称为结构面的延展性或贯通性,常用
迹长、线连续性系数和面连续性系数表示。 (1)迹长 结构面与勘测面交线的长度,称为迹长。 国际岩石力学学会(ISRM,1978年) 制订的分级标准(见
3.2.2 岩体结构的类型
在《岩土工程勘察规范(GB 50021-2001)》中,将岩体 结构划分为5大类(见下表)。
岩石力学
岩体结 构
类型 整体状
结构
块状结 构
层状结 构
岩体地质 类型
巨块状 岩浆岩和 变质岩
厚层状 沉积岩, 块状岩浆 岩和变质 岩 多韵律 薄层、中 厚层状沉 积岩,副
结构体 形状
岩石力学
3.1 概述
工程涉及的实际岩体与实验室内测试的岩石试件的力学 性能有着很大的差别,引起这种差别的主要因素有:
(1)岩体的非连续性; (2)岩体的非均质性; (3)岩体的各向异性; (4)岩体的含水性等。 其中最关键的因素是岩体的非连续性。
岩石力学
结构面(亦称弱面):岩体内存在的各种地质界面,
巨块状
块状 柱状
层状 板状
结构面发育情况
以层面和原生、 构造节理为主, 多呈闭合型,间 距大于1.5m,一 般为1~2组,无 危险结构
有少量贯穿性节 理裂隙,结构面 间距0.7~1.5m, 一般为2~3组, 有少量分离体
有层理、片理、 节理,常有层间 错动
岩土工程特 征
岩体稳定, 可视为均质 弹性各项同 性体
岩石力学
当试件沿结构面发生剪切破坏时,作用在结构面上的应力有:
T A
P cos

第3讲-岩石力学-岩石的变形、破坏特征

第3讲-岩石力学-岩石的变形、破坏特征
岩石的微结构面
微结构面:指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒间的软弱面或 缺陷,包括矿物解理、晶格缺陷、粒间空隙、微裂隙、微层 理及片理面、片麻理面等。
① 降低岩石强度
② 导致岩石力学性质各向异性
1、岩石的组构特征
岩石的主要胶结类型:
基底型:彼此不发生接触的矿物颗粒埋在玻璃体中,这种情况下 胶结程度很高,岩石强度与胶结物有关。
岩石的饱和吸水率(Wp):是指岩石试件在高压(一般压力为15MPa)或真空条
件下吸入水的质量(mw2)与岩样干质量(ms)之比,用百分数表示。 岩石的吸水率(Wa)与饱和吸水率(Wp)之比,称为饱水系数。它反映了岩石中
大、小开空隙的相对比例关系。
Wp
m w2 100 % ms
mw1 Wa 100% ms
2.岩石变形特征
变形参数的一般确定方法: 实验数据分析
2
2 1 Et 2 1
弹性模量:弹性段的斜率
50
割线模量:极限强度50%所 对应点的斜率
Ei
1 i o
50 50
Ei i i
1 50 2 i L
初始模量:初始段 应力-应变曲线的切 线的斜率
2、岩石的物理性质
岩石的水理性质
岩石在水溶液作用下表现出来的性质,称为水理性质。主要包括: 吸 水性、软化性、 抗冻性、 膨胀性、 崩解性。
吸水性:岩石在一定的实验条件下吸收水分的能力,称为岩石的吸水性。
吸水率(Wa):岩石试件在大气压力和室温条件下自由吸入水的质量(mw1)与 岩样干质量(ms)之比,用百分数表示。
不能恢复的 当物体既有弹性变形又有塑性变形,且具有明显的弹性后效时,弹性变形 和塑性变形就难以区别了。

裂隙岩体的爆破理论

裂隙岩体的爆破理论

第三章裂隙岩体的爆破理论第一节岩体破坏的主要因素一. 岩石、岩体、结构面和结构体岩石:由一种或几种矿物在地质作用下,按一定规律聚集成的自然体。

岩体:经受地质作用的地质体。

结构面:通常把岩体内开裂和易于开裂的地质面统称为结构面。

结构体:含有结构面的岩体。

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧风化裂隙卸载裂隙次生结构面劈理节理断层褶皱构造结构面变质结构面火成结构面沉积结构面原生结构面岩体结构面二. 岩体破碎的主要因素:炸药爆炸产生的应力波在传播过程中与岩体结构面相遇,使原有裂隙扩大或产生新的裂隙,形成裂隙网,岩石发生破碎,即应力波与结构面的相互作用是岩体破碎的主要因素。

1. 试验研究:美国马里兰大学等采用高速摄影和动光弹相结合的方法,进行了一系列室内和现场试验。

1)微小裂隙模型的破裂:室内用Homalite-100型塑胶(具有较大的脆性,易于模拟脆性岩石),采用双条纹材料制作,利用动光弹可清晰地显示应力波与裂隙在破碎过程中的相互作用。

在板的不同位置和方向上都作了人造裂隙,实验结果有四点发现。

A 在无裂隙模型上,炸药爆炸后,由于径向压应力的作用,孔壁上发生压碎现象。

当P波自孔壁向外传播,在切向拉应力的作用下,产生径向裂隙;B 应力波从自由面反射,并与向外扩展的径向裂隙相互作用,引起裂隙的分岔,直到裂隙扩展终止;C 裂隙的产生和扩展完全是各种应力波相互作用的结果。

D 向外传播的径向裂隙,在反射波的作用下产生“栅栏分枝”,形成密集的环状裂隙网,使岩石得以全面破碎。

与无裂隙模型相比,微小裂隙模型的块度要小得多。

2)岩石板模型的破裂:用300×300×50mm的花岗岩板A 若P波自炮孔到达自由面所需时间为t,只有当2t时在自由面处见到新裂隙出现。

说明P波在裂隙岩体中的传播速度大大减慢;B 原有裂隙可以形成新的裂隙源,新的裂隙在原有裂隙的基础上产生和发展;C 岩块从主岩体上分离以后仍然继续破碎,这与塑胶板模型上分离的碎片上观察到的由截留应力波造成的裂隙继续传播的情况类似。

工程地质学-第三章 岩体的工程地质性质与岩体分类-1-结构面特征与结构面类型

工程地质学-第三章 岩体的工程地质性质与岩体分类-1-结构面特征与结构面类型

1)产状:结构面的产状常用走向、倾向和倾角三要素 表示。 2)连续性:结构面的连续性反映结构面的贯通程度, 常用线连续性系数、迹长和面连续性系数等表示。 3)密度:结构面的密度反映结构面发育的密集程度, 常用线密度、面密度和间距等指标表示Байду номын сангаас 4)张开度与填充胶结特征:结构面的张开度e是结构 面两壁面间的垂直距离(mm) 5)形态:结构面的形态对岩体的力学性质及水力学性 质存在明显的影响。 6)结构面的组合关系:控制着可能滑岩的岩体的几何 边界条件、形态、规模、滑动方向及滑移破坏类型, 它是工程岩体稳定性预测与评价的基础。
1)原生结构面:是岩体在成岩过程中形成的结构面,其特征与 岩体成因密切相关。因此,又可将其分为沉积结构面、岩浆结 构面和变质结构面三类。原生结构面除部分经风化卸荷作用裂 开外,多具有不同程度的连接力和较高的强度。 (1)沉积结构面
沉积岩的层理、层面、沉积间断面及沉积软弱夹层等都属 于沉积结构面。 (2)火成结构面
在岩体的强度性质中,最重要的是抗剪强度。
它是影响工程安全和造价的重要因素,在岩基抗滑稳 定、边坡岩体稳定和地下硐室围岩稳定性分析与近似 中,岩体的抗剪强度参数是必不可少的。
二、岩体的流变特征
蠕变:指在应力一定的条件下,变形随时间的持续而逐 渐增长的现象; 松弛:变形保持一定时,应力随时间的增长而逐渐减 小的现象。 长期强度:出现蠕变破坏的最低应力值
2.结构面的规格和等级 按结构面延伸长度、切割深度、破碎带宽度及其
力学效应,可将结构面划分为如下五级: Ⅰ级:指大断层或区域性断层。 Ⅱ级:指延伸长而宽度不大的区域性地质界面,如较 大的断层、层间错动、不整合面及原生软弱夹层等。 Ⅲ级:指长度为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。 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、剪理面等。其长度一般为数十米至 二三十米,宽度近于零至数厘米不等,是构成岩块的 边界面。 Ⅴ级:又称微结构面,指隐节理、微层面、微裂隙及 不发育的片理、劈理等,其规模小,连续性差,常包 括在岩块内,主要影响沿块的物理力学性质。

第3章岩体结构控制论

第3章岩体结构控制论

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。
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。
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》(2011年,科学出 版社);主要论文有:论“岩体结构控制论”等100余篇。

《岩体的变形与破坏》课件

《岩体的变形与破坏》课件
岩体的变形与破坏
通过本课件,我们将深入探讨岩体的变形与破坏,了解其定义、力学性质、 类型、影响因素、预测与评估,以及案例研究。
岩体变形与破坏的定义
岩体变形与破坏是指在各种外力的作用下,岩石内部发生形状或结构的改变,导致其承载能力下降,甚 至发生破裂的过程。
岩体的力学性质
弹性模量
岩体的变形量与应力之间 的关系。
抗பைடு நூலகம்强度
岩体能够抵抗外部拉力的 能力。
抗压强度
岩体能够抵抗外部压力的 能力。
岩体变形的类型
弯曲变形
岩体发生弯曲形变,如曲线状 折叠。
压性变形
岩体由于受到较大的压缩力而 发生的形变,如褶皱形变。
剪切变形
岩体因剪切力的作用而产生的 变形,如剪切断裂。
岩体破坏的过程
1
裂隙形成
岩石内部发生裂隙,开始出现微小破坏。
2
裂隙扩展
裂隙逐渐扩大,岩石结构受到更大压力。
3
破裂破碎
岩石不可逆地破碎,并形成断裂面。
岩体变形与破坏的影响因素
岩体变形与破坏的影响因素包括应力水平、孔隙水压力、岩石结构特性、温 度等因素。
岩体变形与破坏的预测与评估
1 地质勘探
通过地质勘探技术获取地下岩体信息,进行岩体变形与破坏的预测与评估。
2 工程监测
对工程中的岩体进行实时监测,及时预测和评估变形与破坏的风险。
岩体变形与破坏案例研究
三峡工程
大规模岩体变形与破坏的案 例研究,提出了相应的预测 与评估方法。
地铁隧道
岩体变形与破坏对地铁隧道 施工的影响及控制措施。
高耸悬崖
对岩体变形与破坏的安全评 估,确保悬崖地区的人员和 财产安全。

岩体力学第三章PPt 刘佑荣 化学工业出版社1

岩体力学第三章PPt 刘佑荣 化学工业出版社1
JRC为结构面的粗糙度系数,可用标准剖面对比法(参考第1章图1-5)、倾斜试验及结构面推拉试验等方法求得。
ห้องสมุดไป่ตู้
法向刚度及其确定方法
(3)经验公式
JCS为结构面的壁岩强度,一般用L型回弹仪在野外测定,确定方法是用试验测得的回弹值R与岩石重度,查图3-9或用式(3-19)计算求得JCS(MPa)
3.2.2结构面的剪切变形性质
⚪大量的实验资料表明,一般结构面的基本摩擦角φu在25°-35°之间,。因此上式第二个式子右边第二项应当就是结构面的基本摩擦角,而第一项的系数取整数2。处理后变为: 再代入上式第一个式子得到巴顿不规则粗糙起伏结构面的抗剪强度公式:
壁岩强度
粗糙度系数
不规则起伏结构面
⚪莱旦依和阿彻姆包特:从理论和实验方法对结构面由剪胀到啃断过程进行全面研究提出经验方程:
古德曼提出双曲线拟合法向应力与闭合面变形间的本构方程:
Goodman方程所给曲线与实验曲线区别 Goodman方程所给曲线的起点不在原点而是在轴左边无穷远处。出现了一个所谓的初始应力σi适用范围:对于那些有一定滑错位移的非合性结构面,大致可以来描述其法向变形本构关系
法向变形本构方程
班迪斯在大量实验的基础上提出的本构方程:
一件含结构面的岩石试块(灰岩)
剪切仪上进行剪切试验。
得到应力应变曲线,如图(3-11)
剪切变形特征
卡尔哈韦方程
τ=△u/(m+n△u)式中,m,n为双曲线的形状系数,m=1/Ksi,n=1/τult,Ksi为初始剪切刚度 (定义为曲线 原点处的切线斜率);τult为水平渐近线在τ轴上的截距。
剪切变形本构方程
将上式与库仑-纳维尔方程(τn =σntanφb)对比:

工程地质课后练习答案

工程地质课后练习答案

工程地质及水文地质(课后作业)第一章:地球的基础知识2.什么是矿物?什么是岩石?答:矿物是地壳中及地球内层的化学元素在各种地质作用下形成的具有一定形态、化学成分和物理性质的单质元素或化合物,它是构成地壳岩石的物质基础。

岩石是在各种不同地质作用下产生的,由一种或多种矿物有规律地组合而成的矿物集合体。

4.地质年代和地层年代如何划分?答:地质年代的单位是宙、代、纪、世、期;相对应的地层年代是宇、界、系、统、阶。

6.什么事侵入接触?什么是沉积接触?如何确定火成岩及变质岩的形成时代?答:侵入接触:第2章:岩石2.简述矿物和岩石的关系?答:矿物是岩石的重要组成部分,岩石是在不同的地质作用下产生的,由一种或多种矿物有规律地组合而成的矿物集合体。

矿物是构成地壳岩石的物质基础。

4.沉积岩是怎样形成的?它的组成物质和结构、构造特征有哪些?答:沉积岩是地表或近地表的岩石遭受风华破坏、搬运作用、沉积作用、及固结成岩这几个阶段形成的。

组成物质主要有:各种岩石碎屑、造岩矿物和溶解物质。

结构:碎屑结构、泥质结构、结晶状结构、生物结构。

构造特征:层理构造(水平层理、斜交层理、交错层理),层面构造(波痕、雨痕、泥痕、结核、化石)6.沉积岩区别于岩浆岩和变质岩的重要特征有哪些?答:首先是形成的条件和因素不同,岩浆岩是岩浆活动的产物,变质岩是受地壳运动和岩浆活动等造成物理、化学条件变化导致原来岩石成分、结构等变化形成的岩石,而沉积岩是又沉积作用形成。

其次从结构上可以区分,沉积岩有明显的层理和层面构造,在沉积岩中能够找到古生物的印记。

8.简述岩石三大类的主要地质特征。

答:(1)火成岩:火成岩力学强度较高,可作为各种建筑物良好地基及天然建筑材料,但易风化,形成风化层带影响岩石工程性能。

(2)沉积岩:沉积岩按成分分为碎屑岩、黏土岩、化学岩及化学生物岩。

1.碎屑岩,工程地质性质一般较好,但其胶结物的成分和胶结类型影响显著。

2.黏土岩,抗压强度和抗剪强度低,亲水后易软化和泥化。

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§3.1 基本概念及研究意义
研究这两个问题的意义 因为岩体在变形发展与破坏过程中,除岩体内部结构与 外形不断发生变化外,岩体的应力状态也随之调整,并引 起弹性能的积存和释放等效应。 区域稳定和岩体稳定问题工程地质分析中的一个核心 问题就是要对上述变化和效应作出预测和评价,并论证它 们对人类工程活动的影响。 本章首先讨论不同荷载条件下岩体的变形破坏机制和 过程;在此基础上讨论变形破坏过程中的时间效应及岩体 中空隙水压力对岩体变形破坏的影响。
4. 微破裂的发展出现了质的变化:即使工 作应力保持不变,由于应力的集中效应, 破裂仍会不断地累进性发展。首先某些最 薄弱的环节首先破坏,应力重分布的结果 又引起次薄弱环节破坏,依次下去,直至 整体破坏。体积应变转为膨胀,轴应变速
率和侧向应变速率加速增大(CD段)
屈服 强度
3. 超过弹性极限(屈服 点),岩体进入塑性变 形阶段,体内开始出现 微破裂,且随应力差的 增大而发展,当应力保 持不变时,破裂也停止 发展。由于微破裂的出 现,岩体体积压缩速率 减缓,而轴向应变速率 和侧向应变速率均有所
以上讨论的为岩体的极限强度。而岩体稳定性评价往往 更关切的是岩体变形破坏各阶段的强度性状。
3.1.3 岩体的强度特征
岩体的强度不能简单地用岩石的强度来表 示。 它不仅与岩体的岩性、结构、岩体的受力状 态有关,而且还决定于岩体的可能破坏方式。 设结构面与最大主应力夹角α。模拟实验表明:
① 沿结构面滑动; ② 剪断完整岩石; ③ 部分沿结构面,部
分剪断岩石
图3-4 三种破坏形式的极限应力系数(n)
(2)岩体破坏形式与岩体结构特征的关系
在低围压条件下岩石的三轴试验表明: 在相同的应力状态下,完整块体状坚硬岩石表现为 张性破坏,通常释放出较高的弹性应变能; 含有软弱结构面的块状岩体,当结构面与最大主应 力之间角度合适时,则表现为沿结构面的剪切滑动破坏; 碎裂状岩体的破坏方式介于二者之间; 碎块状或散体状岩体,表现为塑性破坏。
表 3-1 岩体破坏机制转化围压
岩石名称 大理岩 大理岩 泥灰岩 石灰岩、大理岩 岩盐
拉断—剪断 ≈1/4 〔σ〕 ≈1/5 〔σ〕
剪断—塑性
1/3 —1/2 〔σ〕
1/3 —1/2 〔σ〕
2/3 〔σ〕
/1 3.4
〔σ〕
/1 3.3
〔σ〕
资料来源 长沙矿冶所 Karmen Б.В.Матвиев 茂木清夫 美国垦务局
(1)岩体的最终破坏是以形成贯通性破坏面,并被分裂 成相互脱离的块体为其标志。
(2)变形。
(3)变形过程中还包含恒定应力长期作用下的蠕变(或 流变)。即变形到破坏有时要经历一个相当长的时期,过程中 蠕变效应意义重大。岩体的不稳定破裂发展阶段相当于加速蠕 变阶段,进入此阶段的岩体达到最终破坏已势在必然,仅仅是 时间问题。判断进入加速蠕变阶段的变形标志和临界应力状态 是一个重要的课题。
(1)岩体变形破坏形式与受力状态的关系
岩石的三轴实验表明,岩石破坏形式与围压的大小 有明显的关系(见图3-2)。 当在负围压及低围压条件下岩石表现为拉断破坏; 随着围压增高将转化为剪断破坏; 当围压升高到一定值以后,表现为塑性破坏。
破坏机制转化的界限围压称为破坏机制转化围压 (如表3-1)。从表中可以看出,由拉断破坏转化为剪断 破坏的转化围压为1/5~1/4 [σ](岩石单轴抗压强度), 由剪切转化为塑性破坏的转化围压为1/3~2/3 [σ]。
§3.1 基本概念及研究意义
3.1.1 岩体变形破坏的基本过程和阶段划分
根据裂隙岩石的三轴压缩试验过程曲线,可大致将 块状岩体受力变形破坏过程划分为五个阶段:
5. 强度丧失和完全破坏阶段:岩体 内部的微破裂面发展为贯通性破裂 面,岩体强度迅速减弱,变形继续 发展,直至岩体被分成相互脱离的
块体而完全破坏(DE段)
(1)8º< α<42º;(φj=40°) 岩体的破坏将采取沿结构面剪切滑动的形式。此时, 岩体的强度受结构面抗剪性能及其方位所控制。 (2)α>52º时; 岩体破坏为剪断完整岩石。
(3)0º< α<8º或42º< α<52º;
岩体破坏破坏形式将部分沿结构面剪切滑动、部分剪断 完整岩石,此时岩体的强度与结构面和岩石的抗剪性能均 有关。
第三章 岩体的变形 与破坏
§3.1 基本概念及研究意义
➢ 变形:岩体承受应力,就会在体积、形状或宏观连续性 上发生某种变化。宏观连续性无显著变化者称为变形 (deformation )。
➢ 破坏:如果宏观连续性发生了显著变化,称为破坏 (failure)。
岩体变形破坏的方式与过程既取决于岩体的岩性、 结构,也与所承受的应力状态及其变化有关。
3.1.2 岩体破坏的基本形式
✓ 分类:根据岩体破坏机制可将岩体破坏划分为剪切破坏和张性 破坏(或拉断破坏)两类。 √
破坏方式影响因素:受荷载条件、岩性、结构以及所处的环境特 征及两者相互配合的情况等因素影响。
剪切破坏
岩 体 破 坏
张性破坏
剪切滑动破坏 剪断破坏 塑性破坏
(a)拉断破坏;(b)剪断破坏; (c) 塑性破坏
在三向应力状态下,中间主应力( σ 2)与最大主应 力、最小主应力之间的比值关系是决定岩石破坏性质的一
个重要因素。纳达(1970)提出用σ 2偏向最大主应力或 最小主应力的程度的“应力状态类型参数” —α来划分应
力状态类型:
;
当α=1时,即σ 2 = σ 1,为拉伸应力状态; 当α=-1时,即σ 2 = σ 3,为压缩应力状态。
增高(BC段)
图 3-1 三轴压应力作用下 岩石的变形破坏过程
1.原有张开的结构 面逐渐闭合,充填 物被压密,压缩变 形具非线性特征, 应力应变曲线呈缓 坡下凹型(OA段)
2.经压密后,岩体 从不连续介质转化 为似连续介质,进 入弹性变形阶段。 该过程的长短视岩 石坚硬程度而定
(AB段)
上述各阶段的具体特点会因岩体的特征和所受应力状况 的不同而有所差异,但所有岩体都具有如下一些共性:
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