巖石力學與工程-巖體力學性質(zhì)

2023/9/214巖體力學性質(zhì)

4.1概述一、巖體的特點

天然巖體是由各種結構面分割形成巖石塊的組合體,它具有不連續(xù)性、不均質(zhì)性和各向異性等特點。

二、結構面1.定義：不同成因、不同特征的地質(zhì)界面的統(tǒng)稱。2.特點：有一定方向、橫向延展較大、厚度較小具有面的幾何特征。它的變形機理是兩盤閉合或滑移，在破壞上，或是沿著結構面滑移，或是沿著它追蹤開裂。

三、結構體

由結構面彼此組合將巖體切割而成形態(tài)不一，大小不等和成分各異的巖石塊體。四、巖體結構單元或要素2023/9/22五、巖體結構不同類型的巖體結構單元在巖體中的各種組合、排列形式的總稱。六、巖體力學性質(zhì)是巖體抵抗外力作用的能力，它包括巖體穩(wěn)定性特征、強度特征和變性特征，它是由組成巖體的結構體、結構面、賦存條件決定的。2023/9/23七、影響巖體力學性質(zhì)的基本因素2023/9/242023/9/254.2巖體結構面特征及類型

一、巖體結構面類型1.按結構面成因分類2.按結構面切割程度或結構體類型分類2023/9/26二、巖體結構類型

級序結構類型劃分依據(jù)亞類劃分依據(jù)ⅠⅠ1塊裂結構多數(shù)軟弱結構面切割，塊狀結構體塊狀塊裂結構原生巖體結構呈塊狀層狀塊裂結構原生巖體結構呈層狀Ⅰ2板裂結構一組軟弱結構面切割，板狀結構體塊狀板裂結構原生巖體結構呈塊狀層狀板裂結構原生巖體結構呈層狀ⅡⅡ1完整結構無明顯結構面切割塊狀完整結構原生巖體結構呈塊狀板狀完整結構原生巖體結構呈層狀Ⅱ2斷續(xù)結構顯結構面斷續(xù)切割塊狀斷續(xù)結構原生巖體結構呈塊狀層狀斷續(xù)結構原生巖體結構呈層狀Ⅱ3碎裂結構堅硬結構面貫通切割，結構體為塊狀塊狀碎裂結構原生巖體結構呈塊狀層狀碎裂結構原生巖體結構呈層狀過度型散體結構軟硬結構面混雜、無序排列切割碎屑狀散體結構原生巖體結構特征已消失糜棱化散體結構原生巖體結構特征已消失2023/9/27三、各類結構的地質(zhì)特征2023/9/28四、結構面對巖體強度的影響結構面是通過結構面的產(chǎn)狀、形態(tài)、延展尺度等幾何特征參數(shù)和密集度與充填物等狀態(tài)，來描述對巖體強度和工程穩(wěn)定性影響的。1.結構面的產(chǎn)狀對巖體是否沿某一結構面滑動起控制作用。2.結構面形態(tài)決定結構面抗滑力的大小，當結構面的粗糙度越高，其抗滑力就越大。3.結構面的延展尺度在工程巖體范圍內(nèi)，延展尺度大的結構面，完全控制了巖體的強度。2023/9/292023/9/210三、巖體破碎程度的指標(補充)1.裂隙度（1）定義

裂隙度K是指沿著取樣線方向，單位長度上節(jié)理的數(shù)量。（2）計算1）設某節(jié)理取樣線長度為L，沿L內(nèi)出現(xiàn)節(jié)理的數(shù)量為n，則

2）沿取樣方向節(jié)理的平均間距d為2023/9/2112.切割度（1）切割度是指巖體被節(jié)理割裂、分離的程度。（2）計算1）僅含一個節(jié)理面的平直斷面，節(jié)理面面積，平直斷面面積A，其切割度為2）當巖體被完全切割時，；未被切割時，；可見，當時，巖體是部分被切割3）若在同一平直斷面出現(xiàn)面積為的幾個節(jié)理面，則切割度為4.3結構面的力學性質(zhì)

結構面的力學性質(zhì)主要包括三個方面：法向變形、剪切變形和抗剪強度。4.3.1法向變形1.在法向載荷作用下，巖石粗糙結構面的接觸面積和接觸點數(shù)隨載荷增大而增加，結構面間隙呈非線性減小，應力與法向變形之間呈指數(shù)關系，如圖4-9所示。2023/9/2122023/9/2132.古德曼法，法向應力與結構面閉合量的關系：式中：為原始壓力；為最大可能閉合量；是與結構面幾何特征、巖塊力學性質(zhì)有關的兩個參數(shù)；（4-2）2023/9/214圖4-9結構面法向變形曲線2023/9/2153.法向變形剛度

（1）反映結構面產(chǎn)生單位法向變形的法向應力梯度。

（2）法向變形剛度的古德曼法表示式：式中：結構面的初始剛度。

（3）其大小主要取決于粗糙結構面接觸點數(shù)、接觸面積和結構面兩側(cè)微凸體相互嚙合程度。（4-3）4.1984年，班迪斯提出雙曲線形關系式法向應力：法向剛度：（4-4）（4-5）2023/9/2174.3.2剪切變形1.剪切變形形式（1）非充填型粗糙結構面剪切變形剪切應力上升相對較快，達到峰值后結構面的抗剪能力出現(xiàn)較大的下降，并產(chǎn)生不規(guī)則的峰后變形或滯滑現(xiàn)象，如圖4-10b的A曲線；（2）平坦（或有充填物）的結構面剪切變形初始階段的剪切變形曲線呈下凹型，隨著剪切變形的持續(xù)發(fā)展，剪切應力逐漸上升，但沒有明顯的峰值出現(xiàn)，最終達到恒定值，其曲線如圖4-10b的B所示。2023/9/218圖4-10結構面剪切變形曲線2.古德曼將剪切變形曲線從形式上分為：1）峰前應力上升的彈性區(qū)；2）剪應力峰值區(qū)；3）峰后應力降低或恒應力的塑性區(qū)。

3.結構面在剪切中的力學過程結構面微凸體的彈性變形、劈裂、磨粒的產(chǎn)生與遷移、結構面的相對錯動等，但是剪切變形不管在那個過程中，剪切變形是不可完全恢復的。2023/9/2192023/9/2204.剪切剛度將“彈性區(qū)”單位變形內(nèi)的應力梯度稱為剪切剛度Kt。5.古德曼法，剪切剛度可以由下式表示：

式中，是初始剪切剛度，是產(chǎn)生最大剪切位移時的剪應力漸進值。（4-6）

2023/9/2216.從下圖模型可以看出，結構面的剪切變形與巖石強度、結構面粗糙性和法向力有密切關。圖4-11結構面剪切力學模型7.剪脹對于粗糙的結構面，在剪應力作用下，結構面上半部沿凸臺斜面向上滑動，產(chǎn)生法向移動分量稱之為剪脹。2023/9/2224.3.3抗剪強度1.結構面抗剪強度一般可以用庫侖公式描述：

式中分別是結構面上的粘結力和摩擦角，是巖石平坦表面基本摩擦角，是結構面上凸臺斜坡角。是作用在結構面上的法向應力。（4-7）

2.實驗表明，低法向應力時，結構面上有剪切位移和剪脹；高法向應力時，凸臺被剪斷，結構面抗剪強度最終變成殘余抗剪強度。在剪切過程中，凸臺起伏形成的粗糙度以及巖石強度對結構面的抗剪強度起著重要作用。2023/9/2232023/9/224圖4-12凸臺模型的剪應力與法向應力的關系曲線2023/9/2253.巴頓準則1）考慮法向力、粗糙度和結構面壁巖石強度三因素的影響，巴頓提出了抗剪強度準則，該準則為一經(jīng)驗公式：

式中，是結構面的抗壓強度，是巖石表面的基本摩擦角，為結構面粗糙性系數(shù)。2）當，上式變?yōu)椋?/p>

即轉(zhuǎn)化成平滑節(jié)理（無黏結力）的庫侖準則。（4-8）2023/9/2264.3.4影響結構面力學性質(zhì)的因素1.尺寸效應因素（1）隨著試塊結構面面積增加，平均峰值剪切應力呈較小趨勢；（2）隨著結構面尺寸的增大，達到峰值強度時的位移量增大；（3）由于尺寸的增加，剪切破壞形式由脆性破壞向延性破壞轉(zhuǎn)化；（4）隨著結構面尺寸的增大，峰值剪脹角減小.2.變形歷史因素新鮮結構面的抗剪強度明顯高于受過剪切作用的結構面的抗剪強度。3.充填性質(zhì)因素（1）充填物的厚度；（2）顆粒大小與級配；（3）礦物組分和含水程度。4.含水性因素2023/9/2272023/9/2284.4巖體的力學性質(zhì)4.4.1巖體變形曲線及其特征一、巖體壓縮變形曲線圖4-13巖體壓縮——變形曲線類型示意（a）直線型；（b）上凹型；（c）上凸型；（d）復合型

二、巖體剪切變形特征圖4-14巖體原位抗剪試驗曲線2023/9/2292023/9/2301.在曲線到達屈服點以前，變形曲線與抗壓變形曲線相似；2.在曲線到達屈服點之后，巖體內(nèi)某個結構體或結構面首先被剪壞，隨之出現(xiàn)一次應力降，峰前可能出現(xiàn)多次這樣的應力降，應力降的大小與被破壞的結構體或結構面的強度有關。當巖體的破碎程度越高，則其應力降反而不明顯；3.當剪應力增加到一定水平后，巖體的剪切變形已累積到一定程度，沒有被剪壞的部位以瞬間破壞的方式出現(xiàn)，并伴有一次較大的應力降；4.當出現(xiàn)一次較大的應力降后，整體在一定應力水平下產(chǎn)生穩(wěn)定的滑移。2023/9/2314.4.2巖體力學試驗一、一般概念1.巖體與巖塊的差異1）組構方面

巖塊含巖石材料及微小節(jié)理；巖體含巖塊及多組較大的節(jié)理；2）力學性質(zhì)方面

巖體比巖塊彈模小、峰值強度低、殘值強度低、變形（蠕變）大、泊松比大、各向異性強；極端堅固完整巖體的強度≈巖塊強度，節(jié)理極端發(fā)育巖體的強度<<巖塊強度（幾分之一至幾十分之一）。2023/9/2332023/9/2342.尺寸效應1）巖體與巖塊的尺寸界限，由尺度效應（scaleeffect）試驗決定；2）各種巖石的尺度效應不同；3）大部分巖石在>0.5~1.0m時，性狀即穩(wěn)定，故通?？烧J為在該尺寸以上即代表巖體；（A為試件的橫截面積）2023/9/235二、巖體力學試驗特點與方法1.原則上，與巖塊試驗無異。不同的是：試體大、設備大、代價高；2.巖體試驗多在現(xiàn)場原位（in-situ）切割試體，進行單軸壓縮、三軸壓縮及壓剪試驗，一般試體尺寸為0.5~1.5m；3.加載設備用普通千斤頂、矮千斤頂和扁千斤頂；4.原始切割試體的工程浩大，費用高昂；5.現(xiàn)場原位試驗，要求一次將測試目標：，應力應變曲線，強度指標等全部測定。

2023/9/2362023/9/2376.結構面實驗方法1）實驗室試驗法傾斜儀法直剪儀法三軸儀法傾斜儀法

直剪儀法2023/9/2382）現(xiàn)場試驗法

巖體、弱面、軟夾層的現(xiàn)場壓剪方法示意圖2023/9/239三、巖體力學計算指標的選取與修正1.原則上：巖體指標≈巖塊指標，取巖塊指標；巖體指標<<巖塊指標，取巖體指標；2.巖體指標：有條件的，可作試驗測定；不能試驗的，可暫先選取經(jīng)驗數(shù)據(jù)；3.巖體內(nèi)摩擦角≈巖塊內(nèi)摩擦角；4.已知巖體的C和φ，可近似求得巖體單軸抗壓強度：再根據(jù)格氏準則，可近似求得巖體抗拉強度：5.用巖體力學性質(zhì)經(jīng)驗數(shù)據(jù)對工程進行的初步計算，在工程開工后，應根據(jù)實測的應力，對經(jīng)驗數(shù)據(jù)加以適當修正。2023/9/2404.4.3巖體變形特性一、巖體的單軸和三軸壓縮變形特征現(xiàn)場巖體循環(huán)壓縮應力—應變?nèi)^程曲線2023/9/2411.巖體在加載開始階段，由于巖體內(nèi)部的結構調(diào)整、結構面壓密與閉合，應力-應變曲線呈上凹型；2.曲線中可以看到，若在中途卸載回彈變形有滯后現(xiàn)象，并出現(xiàn)不可恢復的殘余變形；3.每一級加載與卸載循環(huán)曲線都是開環(huán)型的，當外載荷增加，殘余變形量的增長速度變小，累計殘余變形增大；4.當加載達到巖體峰值強度后，巖體出現(xiàn)破壞，其破壞過程一般呈柔性破壞特征，應力下降比較緩慢，巖體越破碎，應力降越小，表現(xiàn)出的脆性也越低；5.從破壞后曲線來看，巖石破壞后并非完全失去承載能力，而是保持一個較小的數(shù)值。也就是說，試件完全破壞經(jīng)過較大變形后，應力下降到一定值之后便保持為常數(shù)，此時對應的應力為巖體的殘余強度。2023/9/2422023/9/243二、現(xiàn)場巖體變形模量測量現(xiàn)場巖體變形模量測量過程曲線2023/9/244

圖中的b段稱之為巖體的彈性變形量，a段稱之為巖體的殘余變形量。因而采用變形模量來表征巖體變形特征，變形模量可按下式確定：

式中：是應力；是巖體永久變形(殘余變形)的應變；是巖體彈性變形的應變。2023/9/245四、影響巖體變形性質(zhì)的因素1.結構面方位；2.結構面的密度；3.結構面的張開度及充填特征；2023/9/2464.5巖體的強度特征一、一般概念1.節(jié)理發(fā)育巖體，抗拉強度極弱，可概括為無拉力準則；2.巖體的單軸壓縮、三軸壓縮及壓剪試驗證實，大部分巖體在受壓區(qū)符合庫侖準則，但其強度低于巖塊強度；3.巖體強度必介于巖塊強度與最弱面強度之間的一個范圍；4.巖體強度的具體情況，應根據(jù)試驗具體確定。2023/9/247二、單結構面理論(補充)

1.建立模型為了從理論上用分析法研究裂隙巖體的壓縮強度，耶格（Jaeger）提出單結構面理論。圖所示為巖體中發(fā)育一組結構面AB，假定AB面（其法線方向）與最大主應力方向夾角為。單結構面理論分析圖2023/9/2482.莫爾應力圓3.結構面強度服從庫侖準則4.沿結構面AB產(chǎn)生剪切破壞的條件：5.這是上兩式的綜合表達式，其物理含義是：當作用在巖體上的主應力值滿足本方程時，結構面上的應力處于極限平衡狀態(tài)。2023/9/2492023/9/250三、單結構面巖體的強度分析1.當時，；2.當時，；這就是說明當和時，試件不可能沿此結構面破壞，將會沿巖石內(nèi)其他某個方向破壞。3.當時，主應力只要達到一定值就有可能沿此結構面破壞。4.求主應力的最小值的條件對求導，并令一階導數(shù)為零，可得即此時的莫爾圓與結構面的強度包絡線相切。2023/9/2515.當結構面角度變化時，其破壞主應力相應增大。但主應力增大達到一定值后，巖體并沒有沿結構面破壞而是沿巖石的某一方向破壞，此時巖體的強度就等于巖石的強度。這時破壞面與的夾角應滿足：2023/9/2522023/9/2536.下圖中，為結構面的強度包絡線；而為巖石的強度包絡線，根據(jù)莫爾強度理論，若應力莫爾圓上的點落在強度包絡線之下，則試件不會沿此截面破壞。即結構面與主應力的夾角滿足下式時，就不會沿此結構面破壞。2023/9/254單結構面巖體強度分析2023/9/2557.的確定方法1）可通過作圖法確定；2）可通過下列計算方法確定：根據(jù)上圖，由正弦定律可得簡化整理后可求得：同理可求得：2023/9/2568.當為定值時，巖體的承載強度與