2-3岩体力学性质-结构面力学效应
岩体力学性质-岩体结构
结构、II级结构和过渡型岩体结构；
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岩体结构
定义：不同类型的岩体结构单元在岩体内组合和排列形式.
岩体结构三要素
结构面 岩体结构单元
结构体 岩体结构单元组合
坚硬结构面 软弱结构面 块状结构体 板状结构体
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3.1 概述
岩体赋存环境对于岩体力学性质的影响
地应力的作用（地应力既是赋存条件，又在岩体之 内）
影响岩体的承载力、变形与破坏机制； 影响岩体中应力的传播
地下水的作用（岩体水力学）
因此，岩体力学性质的研究必须考虑岩性、结 构面、岩体结构、地应力以及地下水的影响；
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11
3.2 岩体结构的基本类型
构面较发育，一般在5组以上．
完整性：完整性破坏较大，整体强度很低．
水的影响：引起岩层软化、泥化及结构面失稳；
工程特性：受断裂等软弱结构面控制，多呈弹塑性介质．稳
定性很差。易引起规模较大的岩体失稳、地下水加剧岩体失稳
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17
断续岩体结构
结构面发育情况：结构面不连续，对岩体切而不断，个别部分亦有
连续贯通结构。
影响岩体力学性质的因素有：结构体（岩石）的力
学性质、结构面的性质、岩体的结构力学效应和环境因
素；
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6
3.1 概述
岩体结构是研究岩体力学的基础
岩体
结构面 结构面切割成的结构体
岩体结构
控制岩体的变形、 破坏等力学效应
工程应用
分析岩体结构、结构面特征、对工程岩体稳定性评价
岩石力学---第二章 岩体的力学性质
①结构面的接触是点接触，接触点为边长为h的正方形，接触 点有n个； ②每个接触点所受的力是相等的； ③每个接触点的力学特性是相同的。
点接触荷载表面平均位移：
m1 Q 2 m d212
EA
nEh2
弹性位移， 作用于结构面上的均布载荷;
m与接触面形状有关的系数，当接触面为圆形，m0.96
3、充填结构面抗剪强度
当结构面中充填有某种软弱物质时，随着充填厚度的增大， 结构面的抗剪强度显著下降，一旦充填物厚度超过结构面表面 起伏幅值时，则结构面抗剪强度由充填物的厚度缩控制。
第四节 结构面的力学效应
一、单结构面力学效应
1 2121 213co 2 s
1213sin2
结构面抗剪强度符合库仑准则：
描述结构面密集程度的基本概念
裂隙度:沿测线方向单位长度所穿过的结构面数量。
Kn L
dL n
n：节理数；L：测线长度 d ：节理平均间距
当岩体中存在多组节理时，此时裂隙度K为各组节理裂隙度之
和
KK aK b K n
切割度:表示岩体被结构面切割的程度。
Xe
a A
a：结构面面积；A：假想断面面积
当岩体中存在多组结构面时，此时切割度为：
结构面抗剪强度与与结构面位置关系：
1
3
0 j 45 j 90
2
例2-1 某岩石边坡由闪长岩组成，其抗剪强度指标 C40k0g/cm2,
30 , 边坡内有一结构面。结构面强度性质 Cj 20k0 g /cm 2,j 20,
结构面倾角 45,为防止下滑，而采取加固措施，使边坡获得侧 向应力 310k0g/cm2。求边坡极限抗压强度；如果结构面倾角为30 度，求极限抗压强度是增大还是减小？
《岩体力学》第六章岩体的力学性质
图6.1 岩体的压力--变形曲线第六章 岩体的力学性质岩体的力学性质包括岩体的变形性质、强度性质、动力学性质和水力学性质等方面。
岩体在外力作用下的力学属性表现出非均质性、非连续、各向异性和非弹性。
岩体的力学性质取决于两个方面： 1）受力条件；2）岩体的地质特征及其赋存环境条件。
其中地质特征包括岩石材料性质、结构面的发育情况及性质（影响岩体的力学性质不同于岩块的本质原因）；赋存环境条件包括天然应力和地下水。
第一节 岩体的变形性质一、 岩体变形试验及其变形参数确定变形参数包括变形模量和弹性模量。
按静力法得到静E ，动力法得到动E 。
⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧法波地震声波法动力法轴压缩试验法双单水压洞室法钻孔变形法扁千斤顶法狭缝法承压板法静力法按原理和方法分原位岩体变形试验)()()( )(1．承压板法刚性承压板法和柔性承压板法 各级压力P －W （岩体变形值）曲线 按布西涅斯克公式计算岩体的变形模量E m （Mpa ）和弹性模量E me （Mpa ）。
⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=-=e m mem m W W PD E W W PD E )1()1(22μμ式中：P —承压板单位面积上的压力（Mpa ）； D —承压板的直径或边长（cm ）；W，W e—为相应P下的总变形和弹性变形；ω—与承压板形状、刚度有关系数，圆形板ω=0.785，方形板ω=0.886。
μm—岩体的泊松比。
★定义：岩体变形模量（E m）：岩体在无侧限受压条件下的应力与总应变之比值。
岩体弹性模量（E me）：岩体在无侧限受压条件下的应力与弹性应变之比值。
图6.2 钻孔变形试验装置示意图②可以在地下水位以下笔图6.3 狭缝法试验装置如图6.3所示。
二、岩体变形参数估算现场原位试验费用昂贵，周期长，一般只在重要的或大型工程中进行，因此，岩体变形参数的很多情况下必须进行估算。
两种方法：① 现场地质调查→建立适当的岩体地质力学模型→室内小试件试验资料→进行估算； ② 岩体质量评价和大量试验资料→建立岩体分类指标与变形参数间的经验关系→进行估算。
第二章 岩体力学性质
无 充 填 有 充 填 充 填 物 性 粘 有 单节理 节理组 节理群 羽毛状 节理
充填 非充填
按 力 学 观 点 的 破 坏 面 和 破 坏 带 分 类
破碎带
三、各类岩体结构的地质分类 完整结构岩体 块裂结构岩体 板裂结构岩体 碎裂结构岩体 断续结构岩体 散体结构岩体
β1 ≤ β ≤ β 2
对岩体强度有影响的节理方位角： 对岩体强度有影响的节理方位角：
有关岩体破坏的几点讨论
当
β < β1或β > β2
岩体不会沿结构面破坏
当 β2 < β < β1 •若莫尔圆和岩石强度包络线相离，节理先 若莫尔圆和岩石强度包络线相离， 若莫尔圆和岩石强度包络线相离 破坏，岩体强度小于岩块强度; 破坏，岩体强度小于岩块强度 •若莫尔圆和岩石强度包络线相切，则岩体 若莫尔圆和岩石强度包络线相切， 若莫尔圆和岩石强度包络线相切 沿某一岩石截面破坏， 沿某一岩石截面破坏，破坏角 β = π + ϕ
图4－19 结构面的力学效应
所以，强度准则： 所以，强度准则：
τ m (sin 2β − tgφw cos 2β ) = cw +σntgφw
令
2Cw + 2 fσ3 (1− fctgβ )sin 2β
f = tgφw 则
w
σ1 −σ3 =
①当 β = φ ②当 β =
σ1 −σ3 →∞ （节理的存在不影响岩体的强度）
σ −ε
，分3 ，分3
第一段Ⅰ曲线上凹，——节理闭合——非线弹 第一段Ⅰ曲线上凹，——节理闭合——非线弹 性（很短） 第二段Ⅱ直线——线弹性（很短） 第二段Ⅱ直线——线弹性（很短） 第三段Ⅲ曲线下凹——塑性变形或破坏，至A3 第三段Ⅲ曲线下凹——塑性变形或破坏，至A3 点（较长）体积增大
第讲-岩体结构与结构面性质
§2-2 岩体结构面的几何与力学性质
一、结构面的几何性质
1、产状
结构面产状三要素：走向、倾向、倾角； 与主应力之间的关系：控制岩体的破坏机理与强度。
2、分布密度
结构面的分步密度反映结构面发育的密集程度，以裂隙度和切 割度表示。 ①裂隙度K ：沿取样线方向单位长度上的结构面数量。 设取样线长度为L,单位m,该长度内出现的结构面数量n，沿取 样线方向结构面平均间距为d′，则
延伸十米~数十米，无破碎 带，面内不含泥，仅在一个 地质年代的地层中分布
延展数厘米~数米，未错动，有 的呈弱结合状态，统计结构面
微米~毫米，细小或隐微裂 面，统计结构面
区域性深大断裂
影响区域稳定性；如通过 工程区，形成岩体力学作 用边界
大中型断层、不整合 面、层间错动带、软 弱夹层等
小断层、软弱夹层、 层间错动带等
（2）力学成因类型
剪性结构面是剪应力 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。
张性结构面是由拉应力形成 的，如粘土岩失水收缩节理、 岩浆岩中的冷凝节理等。
逆断层 正断层
平移断层
2、分级
级序
分级依据
地质类型
对岩体稳定影响
Ⅰ级 Ⅱ级 Ⅲ级 Ⅳ级 Ⅴ级
延伸数公里以上（最长达上 千公里），破碎带宽度数米 ~数十米 延伸数百米~数公里，破碎 带宽度几厘米~几米
1、法向变形与法向刚度
（1）法向变形特征 ①曲线形状，先凹，后陡；归结为接触 微凸体的弹性变形、压碎、间接拉裂隙 产生、新的接触点和面的增加。 ②初始阶段，结构面变形为主， 当σn=σc / 3时结构面变形基本完成 ③最大闭合量小于张开度。 ④卸除荷载后，有明显的迟滞和非弹性 效应。
岩体的基本力学性能
图4－5 节理面的起伏度与粗糙度
A↑和 ↓的节理表面起伏越急峻。
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第二节 结构面的变形特性 法向
切向 一、节理的法向变形 （一）节理弹性变形（齿状接触）
022m d n2(1 hE 2)
按弹性力学
式中:d-为块体的边长; n-为接触面的个数;
Boussinesq公式 计算齿状节理接 触面弹性变形引
A( V )t VmcV
－原位应力 V Vmc A，t－回归参数
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（3）状态方程的 几何表示
A(Vm c VV)t
当t=t A=1时，有
V VmcV MC
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最大闭 合V mc
(4)试验方法（VmC的确定） a.无节理 c.配称接触
步骤：
（1）备制试件；
（2）作σ-ε曲线（a）；
JRC arctan(n)b lg(JCSn)
JRC为节理粗糙系数 JCS为节理壁抗压强度
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3、转动摩擦
（1）基本假设
在张开节理中，经常有块状充填物，或 节理切割成碎块。当剪切时，可使充填物或 碎块发生转动。设转动的碎块为平行六面体， 其模型见图4-15。假设模型受法向力N；剪切 力T。
（2）稳定性分析
4、滚动摩擦
当碎块的翻倒角 减少时，其内摩擦角也将 减小。当碎块剖面为n个边的规则多角形时， 其翻倒角为：
1800
n
当碎块的边数不断增加，则碎块趋向球， 0
对于一个完全圆球质点，其抗翻倒阻力就是 它的滚动摩力，其摩擦系数为
fR
T N
tanR
钢圆柱滚动其摩擦系数为 fR [0 .00,0 .0 40 ]返2回
1 3 m 2 C in f 3 1 f 2 f
岩体力学第二章 岩块、结构面及岩体的地质特征
第二章 岩块和岩体的地质特征
二、岩块的结构、构造特征
胶结方式：是指胶结物与碎屑颗粒之间的联结 方式，胶结方式主要有： 基底式胶结－在岩石中胶结物的数量多，颗粒 与颗粒之间互不接触，颗粒散布在胶结物之中。 孔隙式胶结－当胶结物不多时，碎屑颗粒相互 接触，胶结物充填在颗粒之间的孔隙中。 接触式胶结－胶结物不多，只在颗粒之间的接 触处才有，颗粒之间的孔隙仍是空洞。
2 断续充填（不连续，厚度小于h）.结构面的力学性质与充 填物性质、壁岩性质及结构面的形态有关。 3 连续充填(连续,厚度大于h)结构面力学性质取决充填物性质。 4 厚层充填（充填物厚度远大于h）结构面的力学性质很差，主
要取决于充填物性质，岩体往往易于沿这种结构面滑移而失稳。
五 密度
•结构面的密度反映结构面发育的密集程度。 •1、线密度(Kd)是指结构面法线方向单位测线长 度上交切结构面的条数(条／m)。 •2、间距(d)则是指同一组结构面法线方向上两相 邻结构面的平均距离。 Kd与d互为倒数关系 •如果测线是水平布置的，且与结构面法线的夹角 为α ，结构面的倾角为β 时:
RQD 100e
0.1kd
(0.1k d 1)
岩体质量指标RQD：长度大于10cm的岩心
长度之和与钻孔总进尺的百分比。
长度大于 cm的岩心长度之和 10 RQD 100% 钻孔总进尺
第二章 岩块、结构面和岩体的地质特征
六 张开度
结构面的张开度是指结构面两壁面间的垂直距离。 结构面两壁面一般不是紧密接触，这就使结构面实际接触 面积减少，导致结构面粘聚力降低和渗透性增大。
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。控制工程岩体稳定
岩体力学
岩体：是位于一定地质环境中，在各种宏观地质界面分割下形成的有一定结构的地质体。
结构体：被结构面切割成的岩石块体。
结构面：是指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面或带。
岩体复杂性表现：一.不连续性，二.非均质性，三.各向异性，四.岩体中存在着不同于自重应力场的天然应力场，五.岩体赋存于一定地质环境中，对岩体影响较大。
岩石的变形性状：1.塑性。
2.弹性。
3.粘性。
弹性：指材料在外力作用下产生变形，而撤去外力后立即恢复到它原有的形状和尺寸的性质。
弹性变形：外力撤去后能够恢复的变形。
如应力—应变关系呈直线关系，称线弹性，不呈直线关系称非线弹性。
塑性：指材料受力后，在应力超过屈服应力时仍能继续变形而不即行断裂，撤去外力后变形又不能完全恢复的性质。
不能恢复的变形，称塑性变形。
应变硬化：在屈服点之后，应力—应变关系呈上升曲线，说明晶粒滑到新位置后，导致粒间相嵌、挤紧和晶粒增大，如使之继续滑动，要相应增大应力的现象。
粘性：指材料受力后变形不能在瞬间完成，且应变的速率随应力的大小而改变的性质。
流动变形：应变速率随应力而变化的变形。
峰值前变形机理：1.以裂纹行为为主导的变形。
2.以弹性变形为主的变形。
3.以塑性变形为主的变形。
轴向应力—应变曲线：直线型（弹），下凹型（弹—塑），上凹形（塑—弹），S型（塑—弹—塑）。
扩容：随着裂纹的继续发生和扩展，岩石体积应变增量由压缩专为膨胀的力学过程。
弹性模量：E是指单轴压缩条件下轴向压应力与轴向应变之比。
有效弹性模量：包含裂纹的弹性模量。
固有弹性模量：E未受裂纹的存在所影响的岩石弹性模量。
刚性压力机：用岩石试件的变形作为控制变量，并用着一信号的反噬来控制机器压板的位移速率或加速速率的压力机。
单调加载：岩石在峰值前承受的荷载一直增加。
它可分为等加载速率加载和等应变速率加载两种方式。
循环加载：逐级循环加载：指在试验过程中，当荷载加到一定值时，将荷载全部卸除，然后又加载至比原来卸载点高的压力值，再卸载，如此不断循环的加载方式。
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本节主要内容
• 1单节理面的力学效应
• 2多节理面的力学效应 • 3 C=0时节理面的力学效应
2
3.5结构面的力学效应
3.5.1 单节理的力学效应
设结构面的强度条件: 设节理的方向角为 节面上的应力(图）
c tg
3
结构面的力学效应图
结构面应力状态：
1 3
2
①当
f tg
2C 2 f 3 1 3 则 1 fctg sin 2
1 3 （节理的存在不影响岩体的强度）？
2
②当
1 3
可见
2
tg 2
？
1 45 f 2
③对 求一阶导数，并令其为零得
6
⑤ 几点讨论
2 或 1
岩块先破坏，岩体强度等于岩块强度 • 1 2 节理先破坏，岩体强度小 于岩块强度
•
1 或 2
岩石节理同时破坏，岩体强度等于岩块强度
7
3.5.2 多节理的力学效应（叠加）
两组以上的节理同样处理，不过岩体总 是沿一组最有利破坏的节理首先破坏。
此时节理面对岩体的强度削弱最大，岩体有最小强度
1min 3 2C f 3 /( 1 f 2 f )
5
④对岩体强度有影响的节理方位角： 1 2
直接在图量取，也可以由正弦 定律推出：
2 2 sin 1{[ m c cot ) / m ] sin } 21 sin 1{[ m c cot ) / m ] sin }
tg 3 1 tg
岩体所需的最小支护力
9
结束语
10
图4－20 σ1与 β的关系曲线
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图4－21
两组节理力学模型
8
3.5.3 当C=0时节理面的力学效应
这时库仑准则 由式推导得：
tg
1 tg 3 tg
，
此时岩体的强度只靠碎块之间的摩擦力来提供， 已知 1 由此式可计算出维持岩体极限稳定的侧 向挤压力 3 。
1 3
2
cos 2 m m cos 2
强度条件：
1 1 3 sin 2 m sin 2 2
c tg
4
应力带入强度准则，经整理可得：
m (sin 2 tg cos2 ) c m tg
令