工程地质学第二章 岩体力学
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岩土力学
岩体力学的发展可分为两个阶段： 连续介质力学阶段。把岩体视为一种完整的连续介质材料，将连 续介质力学的理论和方法，特别是把土力学理论移植过来，用于 解决在工程建设中遇到的岩体力学问题。 碎裂岩体力学阶段。在20世纪50年代末和60年代初，国际上发生 了几次大型水坝工程事故。在对这些重大事故研究过程中，逐渐 注意到岩体并不是完整一块，而是由节理、断裂等切割成的碎裂 岩体。在岩体力学研究中重视了节理、断裂面等力学作用，提出 了不连续性、不均匀性、各向异性是岩体的重要特征；注意到尺 寸效应等现象。在力学分析上出现了块体分析的理论和方法。 当 前，连续介质力学理论仍具有支配作用。同时，正在注意研究碎 裂介质岩体力学分析理论和方法；研究结构力学的理论和方法在 岩体力学研究中的应用；研究运用岩体变形观测反分析与岩体改 造措施相结合的实用岩体力学问题，不断地深入认识岩体，修改 设计，补充岩体改造措施，使岩体工程设计逐步完善，并有了一 套应用岩体力学的理论和方法。
拉伸破坏
劈裂破坏
剪切破坏
延性破坏
岩石材料的试验机
非刚性机
刚性机
岩石的强度
岩石的强度——表示岩石抵抗外力破坏能力的大小 峰值强度——在临近破坏时具有的最大承载能力。 残余强度——在发生破坏后仍然具有的承载能力。 岩石的抗压强度、抗剪强度及抗拉强度——岩石在
压缩、剪切或拉伸应力作用下的抗破坏能力各不相同，与 之相对应的强度值分别为抗压强度、抗剪强度和抗拉强度。
o B、沉积岩 o 是由风化剥蚀作用或火山作用形成的物质，在 原地或被外力搬运，在适当条件下沉积下来， 经胶结和成岩作用而形成的，具层理构造。
o C、变质岩 o 是在已有岩石的基础上，经过变质混合作用后 形成的。由于温度、压力的不同，则有高温变 质、中温变质及低温变质，再加上作用力的不 同，又有更多的组合的变质混合条件。
岩体力学-2-岩石的物理力学性质-王亚军-2020
1.示底 构造
（1）层理构造
沉积岩在沉积过程中， 由于气候、季节等周期性 变化，必然引起搬运介质 如水的流向、水量的大小 等变化，从而使搬运物质 的数量、成分、颗粒大小、 有机质成分的多少等也发 生变化，甚至出现一定时 间的沉积间断，这样就会 使沉积物在垂直方向由于 成分、颜色、结构及层的 厚度的不同，而形成层状 构造，总称为层理构造。
33
第2章 岩石的物理力学性质
•根据岩石的含水状况，将容重分为天然容重
和饱和容重 w。
、干容重 d
•测定岩石的容重可采用量积法（直接法）、水中法或蜡封 法。具体采取何种方法，应根据岩石的性质和岩样形态来确 定。
•岩石容重取决于组成岩石的矿物成分、孔隙发育程度及其 含水量。岩石容重的大小，在一定程度上反映出岩石力学性 质的优劣。
变质作用不彻底而保留下来的原岩的构造 变余层理构造、变余气孔构造、变余杏仁构造等. 变余构造是恢复原岩类型的主要依据。
• 变质岩的条带状构造（德钦）
• 变质岩的水平条带状构造（德钦）
• 变质岩的条带状构造（新平县哀牢山变质岩带）
• 肠状构造---肠褶皱（新平县戛洒镇 哀牢山变质带）
• 肠状结构---肠褶皱
• 晶粒的自形程度主要决定于结晶的先后，在岩浆中早期结晶矿物 常为自形晶，晚期结晶矿物常为他形晶。
5.岩浆岩的构造
块状构造 流纹构造 流动构造 气孔构造 杏仁构造
二、沉积岩结构
岩 类
结构名称
形 成条件
碎屑结构 形成于地表，经过搬运滚动的条件，包 括碎屑和胶结物
泥质结构 形成于较少流动的水体中或呈悬浮状态
• 粗粒结构——晶粒直径大于5mm； • 中粒结构——晶粒直径1～5mm；(2～5mm) • 细粒结构——晶粒直径0.1～1mm (<2mm)
最新2019-CH2第二章岩石力学-PPT课件
ss s 1 3 m 2 in C j f3 /1 ( f2 f)
用图解法亦可得该结论
（3）多节理的力学效应 （叠加）
两组以上的节理同样处理，分三种情况： A仅有一组节理符合 12条件时，沿该节理破坏；
B两组节理最符合 12 时，考察 s1 s3 大小，沿应力圆直
2218 02j 21
s 22j si 1n (m cjcoj)tsin j
t
m
结论
• 1 或 2
岩体强度取决于岩石强度，而与节理面的存在无关
• 12
岩体会首先沿着节理破坏，岩体强度取决于结构面 强度ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
三、结构面的力学效应
对结构面表面光滑平整和 表面粗糙两种情形，则显 然，表面光滑时较容易发 生滑坡；表面粗糙时则边 坡稳定性显著提高，不容 易发生滑坡。 因此，结构面表面的粗糙 度，对这类工程的稳定性， 有显著影响。
粗糙度大——抗滑力大
3、结构面的延展尺度和规模
延展尺度： 主要指结构面本身的长度。可分为 1. 细小——延展尺度＜1米； 2. 中等——延展尺度 1米 – 10米； 3. 巨大——延展尺度＞10米.
散体结构
（1）整体结构
岩性单一，节理不发育，无软弱结构面或夹泥， 层面 结合良好，渗流对岩体特性影响不大，结构尺 寸大于工程尺寸。
完整性系数 > 0.75 结构面间距 > 1.0 m 岩土工程特征：整体性强度高，岩体稳定，可视为 均质、各向同性的连续介质。
（2）块状结构
节理发育，有若干软弱夹层或贯通微张裂隙将岩体切割成柱 状、块状或菱形等结构体。工程范围内，有两组以上节理明显 发育，构成影响工程稳定性的可能危险岩块，其尺寸小于工程 几何尺寸。
岩体力学概述
(1) 岩体和地质体是同一物体在不同场合的两个名词。 (2) 就具体问题研究而言，岩体即为地质体的一部分。 (3) 岩体是工程地质学和岩体力学的专有名词。有时将土 体作为一种特殊岩体对待。
岩体的组成要素
岩体——在地质历史过程中所形成的，已经遭受过变形和破坏，具 有一定物质成分和结构并赋存于一定地质环境中的地质体。岩体是 工程地质学和岩体力学的专有术语。
∵岩体是长期地质作用的产物 ∴其非均质性是绝对的，而均质性是相对的和有条件的。
∵岩体具有非均质性 ∴同一岩体不同部位的工程性质可有较显著的不同，表现为试验结
果具有较大的离散性。
各向异性
岩体的各向异性——岩体的物理力学性质随取向不同而具有明显方 向性差异的性质。
各向异性的主要原因是存在于岩体中的结构面具有优势方位 及岩体赋存环境具各向异性。
改造过程
在建造过程中形成的岩体，其岩石成分、原生岩体结构和赋存 环境是与当时的物理化学环境相适应的，而且只适应当时的环境。
当条件变化时，它们也随之改变，以适应新的环境条件。岩体 一经在建造过程中形成，就要遭受后期多次反复的内外动力地质作 用的巨大改变，这一过程称为岩体的改造过程。 经过内外动力地质作用，岩体得到了全面的改造，包括岩石成分、 岩体结构和赋存环境的改造。
物质成分
岩石结构、构造
岩 地质特征 成因类型
石
岩性岩相变化
的
成层条件、厚度变化
特 物理(水理)性质
性 力学性质
岩石＝结构体
结构体特性
结构面特征
岩
体 的
特 性
＝＞岩体力学中非常重视对岩石的物理力学性质及其影响因素的研究， 这是整个岩体力学基础之一。
必须对工程区地层有系统全面的了解
岩体力学资料整理
01、什么是岩石、矿物。
岩石：是由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律凝聚而成的自然地质体。
一般认为它是均质的和连续的。
矿物：指存在于地壳中的具有一定化学成分和物理性质的自然元素和化合物。
岩体：岩块+结构面岩体是指一定工程范围内的自然地质体，他经历了漫长的自然历史过程，经受了各种地质作用，并在地应力的长期作用下，在其内部保留了各种永久变形和各种地质构造行迹结构面：岩体内具有一定方向、延展较大、厚度较小的面状地质界面，包括物质的分界面和不连续面，它是在地质发展历史中，尤其是在地质构造变形过程中形成的。
结构体：被结构面分割而形成的岩块，四周均被结构面所包围，这种由不同产状的结构面组合切割而形成的单元体成为结构体。
02、岩石的成因分类：分为岩浆岩、沉积岩、变质岩。
03、不连续面：包括岩性不连续性和结构不连续性。
岩性不连续性：指岩体内岩石性质沿一些界面发生突变；结构不连续性：指岩体中一系列宏观分离面，如断层、节理、劈理等。
包括节理、裂隙、孔隙、断面、孔洞、层面。
04、岩体的力学特征不连续性、各项异性、不均匀性、赋存地质因子的特性05、岩石与岩体的区别岩石是矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集而形成的自然物体。
岩体，是指一定工程范围内的自然地质体，它经历了漫长的自然历史过程，经受了各种地质作用，并在地应力的长期作用下，在其内部保留了各种永久变形和各种各样的地质构造形迹（不整合、褶皱、断层、层里、节理、劈理等不连续面。
岩体=岩块+结构面。
岩石和岩体的重要区别就是岩体包含若干连续面，岩体的强度远低于岩石强度。
06、岩石的密度指标天然密度、饱和密度、干密度、重力密度、颗粒密度07、岩石的含水性质含水率w：天然状态下岩石中水的重量Ww与岩石烘干重量Ws的百分比。
w=WW / Ws ×100%吸水率Wa：指干燥岩石试样在一个大气压和室温条件下吸入水的重量Ww与岩样干重量Ws的百分率。
wa=WW / Ws=（Wo-Ws）/ Ws ×100%08、岩石的渗透性、膨胀性渗透性：岩石在一定水力梯度作用下，岩石的孔隙和裂隙透过水的能力。
岩体力学(1,2,4,5章)
VH H / H (%) VD D / D (%)
武汉化工学院环境与城市建设学院
《岩土力学》
ZXM
式中： H , D —分别是浸水后岩石试件轴向、径向变 形量； H、D—分别是岩石试件试验前的高度、直径。 2．岩石的侧和风吹草动约束膨胀率（VHP） 与岩石自由膨胀率不同，计算式如下：
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《岩土力学》
ZXM
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ZXM
§4 岩体力学在其他学科中的地位
一、地质学科在在岩体力学中的作用 岩体力学与工程地质学紧密联系。
§4 岩体力学在其他学科中的地位 一、地质学科在在岩体力学中的作用 岩体力学与工程地质学紧密联系。 二、力学学科在岩体力学中的作用 岩体力学学科中的一个分支，属固体力学范畴。
Rt P / A
试验关键：①岩石试件与夹具间必须有足够的粘结力或摩 擦力；②所施加的拉力必须与岩石试件同轴心。
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ZXM
（二）抗弯法
t MC / I
式中 t — 由三点或四点抗弯试验所求得的最大拉应力 M—作用在试件截面上的最大弯矩 C—梁的边缘到中性轴的距离 I—梁截面在绕中性轴的惯性矩。 此法应用比直接法少些。 （三）劈裂法（巴西法） 试件破坏时作用在试件中心的最大拉应力为：
《岩土力学》
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2．岩石吸水率
Wd ( d ) / c (%)
（二）岩石的渗透性
dh q x k A (m 3 / s) dx
式中qx 沿x方向水流量 h 水头高度 A 垂直于x方向的截面面积 K 岩石的渗透系数(m/s) 四、岩石的抗风化指标 （一）软化系数()
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式中： H , D —分别是浸水后岩石试件轴向、径向变 形量； H、D—分别是岩石试件试验前的高度、直径。 2．岩石的侧和风吹草动约束膨胀率（VHP） 与岩石自由膨胀率不同，计算式如下：
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§4 岩体力学在其他学科中的地位
一、地质学科在在岩体力学中的作用 岩体力学与工程地质学紧密联系。
§4 岩体力学在其他学科中的地位 一、地质学科在在岩体力学中的作用 岩体力学与工程地质学紧密联系。 二、力学学科在岩体力学中的作用 岩体力学学科中的一个分支，属固体力学范畴。
Rt P / A
试验关键：①岩石试件与夹具间必须有足够的粘结力或摩 擦力；②所施加的拉力必须与岩石试件同轴心。
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（二）抗弯法
t MC / I
式中 t — 由三点或四点抗弯试验所求得的最大拉应力 M—作用在试件截面上的最大弯矩 C—梁的边缘到中性轴的距离 I—梁截面在绕中性轴的惯性矩。 此法应用比直接法少些。 （三）劈裂法（巴西法） 试件破坏时作用在试件中心的最大拉应力为：
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2．岩石吸水率
Wd ( d ) / c (%)
（二）岩石的渗透性
dh q x k A (m 3 / s) dx
式中qx 沿x方向水流量 h 水头高度 A 垂直于x方向的截面面积 K 岩石的渗透系数(m/s) 四、岩石的抗风化指标 （一）软化系数()
工程地质学课件 02岩体结构控制论
①形成块裂体边界；②控 制岩体变形和破坏方式； ③构成次级地应力边界
软弱结构面 较大的断层
软弱结构面
小断层、层间错 动带
①参与块裂岩体切割；② 划分Ⅱ级岩体结构类型的 重要依据；③构成次级地 应力场边界
①划分岩体Ⅱ级岩体结构 类型的重要依据；②是岩 体力学性质、结构效应的 基础；③有的为次级地应 力场边界
5
表生 结构面
卸荷裂隙，风化裂隙， 风化夹层，泥化夹层， 层面及裂隙夹泥
在地表部位发育，延续性不强，产 状变化大，结构面常有泥质物充填
第二章 岩体结构控制论
2.2.1 结构面的类型及特征 1）结构面成因类型和特征（力学成因类型）
剪性结构面：剪应力形成的，破裂面两侧岩体产生相对滑移 如逆断层、平移断层以及多数正断层等。
③变质岩大多形成于高温高压下，其物质成分和结构 均发生剧烈变化，往往产生软弱的岩层与岩组。
如千枚岩、绿泥石片岩、石墨片岩等；
第二章 岩体结构控制论
2.2.3 岩石的成层条件及其厚度变化
对沉积岩及负变质岩，岩石成层特点直接关系到岩体 介质的连续性与各向异性：
①沉积岩，应特别重视滨海及河湖相岩层，其厚度往 往特别大。
均一性与各向异性：
①沉积岩成岩环境复杂，形成过程差别很大，由此决 定岩性、岩相变化与层厚；
②岩浆岩成因类型同样复杂，岩性岩相随之变化。 要特别注意岩浆分异及其岩性岩相分带、岩脉的分布 及其接触带。
第二章 岩体结构控制论
火山岩分布很广，成因类型不同，其岩性岩相变化显 著，岩石组合更为复杂。
海底喷发的火山岩类型，它往往与海底沉积岩交互产 生，构成不利的岩石组合，形成较差的工程地质条件。
物性质，岩体往往易于沿这种结构面滑移而失稳。
软弱结构面 较大的断层
软弱结构面
小断层、层间错 动带
①参与块裂岩体切割；② 划分Ⅱ级岩体结构类型的 重要依据；③构成次级地 应力场边界
①划分岩体Ⅱ级岩体结构 类型的重要依据；②是岩 体力学性质、结构效应的 基础；③有的为次级地应 力场边界
5
表生 结构面
卸荷裂隙，风化裂隙， 风化夹层，泥化夹层， 层面及裂隙夹泥
在地表部位发育，延续性不强，产 状变化大，结构面常有泥质物充填
第二章 岩体结构控制论
2.2.1 结构面的类型及特征 1）结构面成因类型和特征（力学成因类型）
剪性结构面：剪应力形成的，破裂面两侧岩体产生相对滑移 如逆断层、平移断层以及多数正断层等。
③变质岩大多形成于高温高压下，其物质成分和结构 均发生剧烈变化，往往产生软弱的岩层与岩组。
如千枚岩、绿泥石片岩、石墨片岩等；
第二章 岩体结构控制论
2.2.3 岩石的成层条件及其厚度变化
对沉积岩及负变质岩，岩石成层特点直接关系到岩体 介质的连续性与各向异性：
①沉积岩，应特别重视滨海及河湖相岩层，其厚度往 往特别大。
均一性与各向异性：
①沉积岩成岩环境复杂，形成过程差别很大，由此决 定岩性、岩相变化与层厚；
②岩浆岩成因类型同样复杂，岩性岩相随之变化。 要特别注意岩浆分异及其岩性岩相分带、岩脉的分布 及其接触带。
第二章 岩体结构控制论
火山岩分布很广，成因类型不同，其岩性岩相变化显 著，岩石组合更为复杂。
海底喷发的火山岩类型，它往往与海底沉积岩交互产 生，构成不利的岩石组合，形成较差的工程地质条件。
物性质，岩体往往易于沿这种结构面滑移而失稳。
岩石力学第二章 岩体力学性质ppt课件
存于一定地应力环境中的岩体来说，地应 力对岩体构成的围压越大，其承载才干越 大。
②、地应力影响岩体的变形和破坏机制， 许多低围压下呈脆性破坏的岩石在高围压 下呈剪塑性变形，这种变形和破坏机制的 变化阐明岩体赋存的条件不同，岩体的本 构关系也不同。
岩石力学
六、地应力的影响
③、地应力影响岩体中的应力传播的法 那么，严厉来说岩体是非延续介质，但由于 岩块间存在摩擦作用，赋存于高应力地域的 岩体，在地应力围压的作用下那么变为具有 延续介质特征的岩体，即地应力可以使不延 续变形的岩体转化为延续变形的岩体。
特别是水和地应力的作用。
岩石力学
一、岩石与岩体的概念
岩体内存在各种地质界面，它包括 物质分异面和不延续面，如断层、层 理、节理、片理、假整合、不整合和 褶皱等。
这些不同成因、不同特性的地质界 面统称为构造面(弱面)。
岩石力学
一、岩石与岩体的概念
构造面(弱面) 在横向延展上具有面的 几何特性，常充填有一定物质、具有一定 厚度。
断层泥主要是由糜棱岩风化而成而糜棱岩主要为压力愈合连结当压力卸去后又转化为糜棱岩粉糜棱岩体风化后便转化为断岩石力学中国科学研究院地质研究所岩体结构分类名称结构面间距cm完整性系数i主要结主要结构面类型主要结压强度mpa散体结构020节理密集呈无序状分布表现为泥包块或020无实际意岩石力学岩体结构类型岩体完整性主要结构面及其抗剪特性压强度10pa结构面间距cm完整性系数i主要结构面摩擦系数f代号名称代号名称整体块状结构整体结构100075存在刚性结构面060600块状结构10050075035级为主刚性结构面局部为破碎结构面0406300般大于600层状结构层状结构50300603级为主刚性结构面柔性结构面0305300薄层状结构30040级显著柔软结构面030o40300100碎裂结构镶嵌结构50036密集刚性结构面破碎结构面040060600层状碎裂结构50骨架岩层中较大040均发育泥化结构面020040300骨架岩层在300上下碎裂结构50030破碎结构面016040300散体结构020节理密集呈无序状分布表现为020无实际意义岩石力学岩体结构类型岩体完整性主要结构面及其抗剪特性压强度10pa结构面间距cm完整性系数i主要结构面摩擦系数f代号名称代号名称整体块状结构整体结构100075存在刚性结构面060600块状结构10050075035级为主刚性结构面局部为破碎结构面0406300般大于600层状结构层状结构50300603级为主刚性结构面柔性结构面0305300薄层状结构30040级显著柔软结构面030o40300100碎裂结构镶嵌结构50036密集刚性结构面破碎结构面040060600层状碎裂结构50骨架岩层中较大040均发育泥化结构面020040300骨架岩层在300上下碎裂结构50030破碎结构面016040300散体结构020节理密集呈无序状分布表现为020无实际意义岩石力学四岩体结构的相对性工程岩体结构的唯一性岩体结构分类的最终目的在于为岩石工程的建设服务对于工程岩体而言由于工程规模和尺寸的变化岩体结构也发生相对变化具有相对性
②、地应力影响岩体的变形和破坏机制， 许多低围压下呈脆性破坏的岩石在高围压 下呈剪塑性变形，这种变形和破坏机制的 变化阐明岩体赋存的条件不同，岩体的本 构关系也不同。
岩石力学
六、地应力的影响
③、地应力影响岩体中的应力传播的法 那么，严厉来说岩体是非延续介质，但由于 岩块间存在摩擦作用，赋存于高应力地域的 岩体，在地应力围压的作用下那么变为具有 延续介质特征的岩体，即地应力可以使不延 续变形的岩体转化为延续变形的岩体。
特别是水和地应力的作用。
岩石力学
一、岩石与岩体的概念
岩体内存在各种地质界面，它包括 物质分异面和不延续面，如断层、层 理、节理、片理、假整合、不整合和 褶皱等。
这些不同成因、不同特性的地质界 面统称为构造面(弱面)。
岩石力学
一、岩石与岩体的概念
构造面(弱面) 在横向延展上具有面的 几何特性，常充填有一定物质、具有一定 厚度。
断层泥主要是由糜棱岩风化而成而糜棱岩主要为压力愈合连结当压力卸去后又转化为糜棱岩粉糜棱岩体风化后便转化为断岩石力学中国科学研究院地质研究所岩体结构分类名称结构面间距cm完整性系数i主要结主要结构面类型主要结压强度mpa散体结构020节理密集呈无序状分布表现为泥包块或020无实际意岩石力学岩体结构类型岩体完整性主要结构面及其抗剪特性压强度10pa结构面间距cm完整性系数i主要结构面摩擦系数f代号名称代号名称整体块状结构整体结构100075存在刚性结构面060600块状结构10050075035级为主刚性结构面局部为破碎结构面0406300般大于600层状结构层状结构50300603级为主刚性结构面柔性结构面0305300薄层状结构30040级显著柔软结构面030o40300100碎裂结构镶嵌结构50036密集刚性结构面破碎结构面040060600层状碎裂结构50骨架岩层中较大040均发育泥化结构面020040300骨架岩层在300上下碎裂结构50030破碎结构面016040300散体结构020节理密集呈无序状分布表现为020无实际意义岩石力学岩体结构类型岩体完整性主要结构面及其抗剪特性压强度10pa结构面间距cm完整性系数i主要结构面摩擦系数f代号名称代号名称整体块状结构整体结构100075存在刚性结构面060600块状结构10050075035级为主刚性结构面局部为破碎结构面0406300般大于600层状结构层状结构50300603级为主刚性结构面柔性结构面0305300薄层状结构30040级显著柔软结构面030o40300100碎裂结构镶嵌结构50036密集刚性结构面破碎结构面040060600层状碎裂结构50骨架岩层中较大040均发育泥化结构面020040300骨架岩层在300上下碎裂结构50030破碎结构面016040300散体结构020节理密集呈无序状分布表现为020无实际意义岩石力学四岩体结构的相对性工程岩体结构的唯一性岩体结构分类的最终目的在于为岩石工程的建设服务对于工程岩体而言由于工程规模和尺寸的变化岩体结构也发生相对变化具有相对性
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• 岩体的压缩强度估算： 1. 利用单结构面理论估算岩体强度：
1
3
2(C j 3 tan j ) (1 tan j cot ) sin 2
2. Hoek和Brown根据岩体性质的理论与实践 经验，依据试验资料导出了岩体的强度方 程。
1 3
m
c 3
S
2 c
第三节 岩体的工程分类
• 岩体的工程分类是工程地质学中一个重要 的研究课题。它是通过岩体一些简单和易 实测的指标，把工程地质条件与岩体力学 性质联系起来进行归类。并对各类岩体质 量、工程建筑条件予以定性或定量的评价， 给人们质量好坏的改良，为工程设计和施 工提供地质依据。
• RQD分类
• RQD值：大于10cm的岩芯累计长度与钻孔进尺长 度之比的百分数。
• RMR分类没有考虑岩体中结构面性质的影响，也 没有考虑岩块性质的影响及这些因素的综合效应。
• RMR分类
• 由岩块强度、RQD值、节理间距、节理条件及地 下水5类参数组成。
• Q分类
Q RQD J r J w J n J a SRF
RMR评分与岩体质量分级
一般岩体，岩体内聚力200~300KPa，内摩擦角为25°~35°， 5m直径的隧道自稳时间为一周，如果修建10m的隧道，围岩 发生失稳的可能性较大，建议对其进行初期支护。
风化岩体的工程地质特征
• 岩体在各种风化营力，如太阳能、大气、 水及动植物有机体等的作用下，发生物理 化学变化的过程，成为岩体风化作用。
岩石的变形参数
• 变形模量：指岩石在单向受压时，轴向压力与轴 向应变之比，当岩石变形为弹性变形时，应力应 变曲线为一直线，该模量为弹性模量，数值等于 直线斜率。
初始模量 切线模量 割线模量
• 泊松比：岩石单向受压时，横向应变与轴 向应变之比。在实际工作中常采用抗压强 度50%处的横向应变与轴向应变之比计算泊 松比。
• 风化岩体的工程地质特征主要有：
• 岩体完整性遭到破坏； • 岩石的矿物成分和化学成分发生变化； • 岩体的工程地质性质发生变化；
岩体的风化分带
• 我国岩石风化壳分带的标准： • 1. 风化岩石的颜色； • 2. 岩体的破碎程度； • 3. 原生矿物的变异和新出想矿物的种类和
含量； • 4. 物理力学性质的变化； • 5. 声波特征及其变化； • 6. 钻探掘进及开挖中的技术特性。
空隙率表示。 总空隙率、总开空隙率、大开空隙率、小开
空隙率和闭空隙率。
• 岩石的吸水性：岩石在一定试验条件下吸 收水分的能力。
岩石的吸水率：指岩石试件在一个大气压和 室温条件下自由吸入水的质量与试件干质 量之比。
岩石的饱和吸水率：是指岩石试件在高压 （一般为15MPa）或真空条件下吸入水的质 量与岩样干质量之比。
Cj j C
K1
裂隙面的粘聚力和摩擦角； 岩石粘聚力和摩擦角； 结构面的线连续性系数。
K1
a a b
• 具有填充物的软弱结构面
曲线Ⅰ为粘粒含量 较高的泥化夹层的 剪切曲线，而曲线 Ⅱ-Ⅴ的粗碎屑成分 逐渐增加。
岩体的变形
研究岩体变形的意义：1. 防止岩体各部分形变差过大 而在建筑物结构中产生附加应力；2.岩体形变量过大 导致建筑物形变量过大。 岩体的形变是岩块材料变形和结构变形的总和，而结 构变形通常包括结构面闭合、填充物压密、结构体转 动和滑动等变形，一般情况下，岩体的结构变形起着 控制作用。
规 则 锯 齿 形 结 构 面
当法向应力较低： tg(i i)
当法向应力足够大时： tan C
不规则起伏结构面
tan(JRC lg
JCS
u )
JRC-结构面的粗糙度系数； JCS-结构面的壁岩强度；
u - 结构面的基本摩擦角，等于结构面
壁岩平直表面的摩擦角
• 非连续贯通的结构面
K1C j(1 K1)C [K1 tan j (1 K1) tan]
• 质量损失率是指冻融前后岩样干质量之差与冻融 前干质量之比，以百分数表示。
• 当抗冻系数大于75%，质量损失率小于2%时，认 为岩石抗冻性好，吸水率小于5%，软化系数大于 0.75以及饱水系数小于0.8的岩石，具有足够的抗 冻能力。
• 岩石的透水性：岩石能被水透过的性质， 用渗透系数表示。它的大小取决于空隙的 数量、大小、方向和连通情况。
• 岩体变形参数的测定方法：
• 一般采用原位测试：承压板法、钻孔变形 法、狭缝法、声波法和地震波法。
• 岩体变形参数的估算： • 比尼卫斯基： Em 2RMR 100
RMR10
Serafim 和Pereira： Em 10 40
RMR>55 RMR≤55
岩体的强度性质 • 岩体的剪切强度
• 原位岩体剪切试验
• 式中6个参数的组合，反映了岩体质量的3个方面， 即岩体的完整性；结构面（节理）的形态、填充 物特征及其次生变化程度；水与其他应力存在时 对岩体质量的影响。
• BQ法
• 国标《工程岩体分级标准》（GB50218-94）提出 二级分级法，先按岩体的基本质量指标BQ进行初 步分级；然后考虑其他影响因素对BQ进行修正， 再按修正后的[BQ]进行详细分级。
• 岩石的蠕变：岩石在大小和方向不变的外 力作用下，变形量随时间延续而不断增长 的现象。
页岩、砂岩和花岗岩在 一定压力下蠕变曲线
岩石的典型蠕变曲线
第二节 岩体的工程地质性质及岩体工程分类
• 岩体包括结构面和结构体两个部分。 • 结构面的类型：原生结构面、构造结构面
和次生结构面。不同的结构面成因不同， 工程地质特性也不相同。
第二章 岩体力学
第一节 岩石的工程地质性质
• 几个概念： • 岩石、岩块和岩体：岩石是指不含显著结
构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石 单元体；岩体由岩块和结构面组成。
• 岩石与土的主要区别：1.岩石矿物颗粒间具 有更为牢固的连接；2. 岩体存在结构面；3. 岩体具有高地应力。
岩石的物理性质
• 岩石的密度： 颗粒密度 块体密度：干密度、天然密度和饱和密度。 • 空隙性：岩石孔隙性和裂隙性的统称，用
应变 曲线和变形模量。根据这些成果可
以分析岩块在三轴压缩条件下的变形与强 度性质。
• 三轴压缩强度：试件在三向压力下能抵抗的最大轴向应力，称为岩块 的三轴压缩强度。通过三轴压缩试验可以得到相应围压的三轴压缩强 度、剪切强度参数、单轴抗拉强度。
1m
pm A
sin
(1m 3 ) / 2
(1m 3 ) / 2 C cot
岩石的力学性质
• 岩石在外力作用下所变现出来的性质，这 里主要研究变形、破坏及其强度。
单轴受压下岩石的变形与强度
岩石单轴 受压应力 应变曲线
d
V
L
Ⅰ孔隙裂隙压密阶段； Ⅲ微破裂稳定发展阶段； Ⅴ破坏后阶段
Ⅱ弹性变形； Ⅳ非稳定破裂发展阶段；
根据美国学者米勒（1965）对28种岩石的试验成果， 可以将岩块峰值前应力-轴向应变曲线分为6类。
结构面的变形与强度性质
• 结构面的法向变形特征
法向刚度：法向应力作用下，结构面产生 单位法向变形所需要的应力，数值上等于
n V j 某一点的切线斜率。
切向变形特征：
结构面切向刚度
• 结构面的强度，这里重点研究其抗剪强度。 • 结构面的抗剪强度主要受结构面的形态、
连续性、胶结填充特征、壁岩性质、次生 变化和受力历史等因素的影响。
• Ⅳ级结构面切割的Ⅳ结构体成为岩块，其内部还有微裂隙、 隐节理等Ⅴ级结构面。
• 岩体结构类型
岩体结构控制论
• 岩体的应力传播、变形破坏以及岩体力学 介质属性无不受控于岩体结构。岩体结构 对工程岩体的控制作用主要表现在三方面：
• 应力传播特征 • 岩体的变形与破坏特征 • 工程岩体的稳定性
不同 结构 岩体 的变 形破 坏方 式
围压对岩石强度的影响
• 岩石的三轴压缩强度 1m 均随围压 3 的 增加而增大，但是 1m 的增加速率小于 3 的增加速率，即两者呈非线性关系。
• 当围压为零或者很低时，应力达到峰值后 曲线迅速下降至接近零，岩块残余强度很 低，随着围压增大，其残余强度也逐渐增 大，直到产生应变硬化。
岩石的蠕变特性
• 抗切强度：指法向应力为零时，沿预定剪 切面剪断时的最大剪应力。它反映了岩石 的内聚力。
三向应力下岩石的变形与强度
三轴应力下岩石的变形与强度测试： 真三轴或不等压三轴： 1 > 2 > 3 > 0 假三轴： 1 > 2 = 3 > 0
• 三轴压缩试验可以得出：（1）不同围压 3 下三轴压缩强度 1m；（2）强度包络线及剪 切强度参数；（3）压力差（1 3 ）-轴向
BQ 90 3 cw 250 Kv
Kv
( vmp )2 vrp
[BQ] BQ 100 (K1 K2 K3 )
工程岩体分类的具体应用
• 工程岩体分类广泛应用于岩体参数估算、稳定性 评价及其加固与支护。
• 例子：某隧道位于地下200m处的泥岩中，岩体内发育有3组主要结构 面：第一组结构面为层面，其特点为强风化，表面较为粗糙，产状为 180°∠10°，该组节理条件评分为15°；第二组结构面为节面，其 特点为中等风化，表面较粗糙，产状为185° ∠75°，该组节理条件 评分为21，第三组结构面为节理面，其特点为为中等风化，表面较为 粗糙，产状为90° ∠80°，该组节理条件评分为21；岩石抗压强度为 55MPa，RQD值为60%，平均裂隙宽度为0.4m。试采用RMR系统对该 岩体进行分类，估算岩体力学参数，评估由东向西开挖10m隧道的稳 定性。
• 岩石的抗拉强度远小于其抗压强度。
• 岩石的剪切强度：受剪力作用时抵抗剪切 破坏的最大剪应力，称为剪切强度。
• 抗剪断强度：指在一定的法向应力作用下， 沿预定剪切面剪断时的最大剪应力。它反 映了岩石的内聚力和内摩擦阻力。