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1、岩体力学岩体的力学特性.PPT汇编岩体、结构面岩体、结构面(不连续面不连续面)、结构体的关系：、结构体的关系：1.结构体和结构面是岩体的基本组成部分；2.结构面的存在导致岩体构造上不连续和不均匀性；2.岩体的力学特性包括稳定性特征，强度和变形特征，不是固定不变的；3.岩体的力学特性基本影响因素包括，结构体和结构面的力学特性，岩体结构，地应力。4.在结构体强度高时，岩体的力学特性由结构面的力学特性决定，在某些情况下，其力学特性由结构面决定;5.研究岩体的力学特性，必须研究结构面结构面(第二章第二章)，岩体结构岩体结构(第第三章三章)的力学性质和地应力地应力(第四章第四章)2 22.1.1 2.1
2、.1 结构面的状态：结构面的状态：包括几何形态，充填和胶结情况，产状，贯通性和连贯性，密集状态和发育程度等等。A.结构面结构面(不连续面不连续面)的几何形态：的几何形态：包括起伏形态，粗糙度和形貌 起伏形态包括 平直：开裂层理，片理，原生节理及剪切破裂面；台阶状：层间错动后期受断层切割而成；齿状：X型剪切节理追踪而成的张性不连续面；波状：压性断层，节理，波痕层理不规则状：张性不连续面 粗糙度是不连续面起伏特性的定量描述，用起伏角和起伏齿根宽度描述。形貌是不连续面的二维特征，和地形相似。3 3B.结构面结构面(不连续面不连续面)的充填和胶结：的充填和胶结：分为胶结和非胶结不连续面；1.胶结分为泥
3、质，可溶性盐类，钙质，铁质和硅质胶结，强度依次增大。2.非胶结不连续面分为无填充和有充填物两种。无充填物不连续面无充填物不连续面取决于不连续面两侧岩石的力学特性以及不连续面的粗糙度；有充填物不连续面有充填物不连续面取决于其成分和厚度。充填物的粒度成分，对不连续面的强度影响较大，粗颗粒含量越多，力学性能较好，反之，较差。按其厚度，不连续面分为薄膜充填，薄层充填和厚层充填4 4C.结构面产状：指结构面的走向，倾向和倾角,用倾向倾角表示。方位角:从标准方向的北端起,顺时针方向到直线的水平角称为该直线的方位角。方位角的取值范围为0360。5 5D.结构面贯通类型和连续性贯通类型贯通类型非贯通性结构面：
4、较短、不能贯通,岩块强度降低、变形增大.半贯通性结构面：有一定长度、不能贯通,岩块强度降低、变形增大贯通性结构面：长度较长、连续好、贯通整个岩体、构成岩体边界，它对岩体有较大的影响，破坏常受这种结构面控制 6 6结构面的连续性：反映结构面的贯通程度，可用线连续性系数和面连续性系数表示。线连续性系数K1：沿结构面延伸方向上，结构面各段长度之和与测线长度比值 K1=a/(a+b)K1K1变化在变化在0 01 1之间变化之间变化,当当K1=1K1=1时，结构面完全时，结构面完全贯通。贯通。7 7面连续性系数（面切割度）Xe：在岩体中沿结构面延展平面上，结构面各块面积之和a与该断面面积A之比 Xe=a
5、/AXeXe变化在变化在0 01 1之间变化；之间变化；XeXe值愈大说明结构面的连续值愈大说明结构面的连续性愈好；性愈好；当当Xe=1Xe=1时，结构面完全贯通。时，结构面完全贯通。当当Xe=0Xe=0时，岩体完整。时，岩体完整。8 8迹长：在岩体中沿结构面延展迹线的长度。用结构面的迹长来描述和评价结构面的连续性，并制订了相应的分级标准国际岩石力学学会(ISRM，1978)建议 描描 述述 迹长迹长(m)(m)很低连续性很低连续性 1 20 20岩体按切割度Xe的分类表名称名称切割度切割度XeXe完整的完整的0.10.10.20.2弱节理化弱节理化0.20.20.40.4中等节理化中等节理化
6、 0.40.40.60.6强节理化强节理化0.60.60.80.8完全节理化完全节理化 0.80.81.01.09 9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K=n/L ，d=1/K=L/n线密度Kd：若取样线垂直结构面，则裂隙度被称为线密度。间距d：同一组结构面法线方向上结构面平均距离。Kd=n/L ，d=1/Kd=L/nE.结构面密集程度：结构面的密集程度反映结构面发育的密集程度1010多组结构面裂隙度K的计算：Ka=1/max=cosa/daKb=1/mbx=cosb/db，Kn=1/mnx=c
7、osn/dn K=Ka+Kb+Kn1111按结构面间距d的分级表 描描 述述间间 距距(mm)(mm)极密集的间距极密集的间距2060006000结构面按裂隙度K分类：k=0-1为疏节理，k=1-10为密节理，k=10-100为非常密集节理k=100-1000为压碎、糜棱化。1212F.结构面分级-1结构面的发育程度，规模大小，组合形式等因素决定了结构体的形状，方位和大小，是控制岩体稳定性的重要因素。结构面发育程度和规模分为五级级结构面：对区域构造起控制作用的断裂带。级结构面：延展性强而宽度有限的地址界面，不整合面，级结构面：局部性的断裂构造，主要是小断层级结构面：延展性较差，无明显宽度，主要
8、是 节理面级结构面：延性甚差，无宽度之别，分布随机，细小结构面。1313结构面分级结构面分级-2级序级序分级依据分级依据地质类型地质类型力学属性力学属性影响岩体稳定性影响岩体稳定性I I级级延伸延伸数十公里数十公里深度深度可切穿一可切穿一个构造层个构造层破碎带破碎带宽度在宽度在数米、数十米数米、数十米以上以上区域性深大断区域性深大断裂裂或大断裂或大断裂软弱结构面软弱结构面构成独立的构成独立的力学介质单力学介质单元元影响区域稳定性影响区域稳定性是岩体变形或破坏是岩体变形或破坏的控制条件，的控制条件，形成岩体力学作用形成岩体力学作用边界。边界。IIII级级延伸延伸数百米至数百米至数公里，数公里，破
9、碎带破碎带宽度比宽度比较窄，几厘米较窄，几厘米至数米至数米不整合面不整合面假整合面假整合面原生软弱夹层原生软弱夹层层间错动带层间错动带风化夹层风化夹层软弱结构面软弱结构面形成块裂边形成块裂边界界控制山体稳定性控制山体稳定性与与I I级结构面可形级结构面可形成大规模的块体破成大规模的块体破坏，即控制岩体变坏，即控制岩体变形和破坏方式。形和破坏方式。1414结构面分级结构面分级-3级序级序分级依据分级依据地质类型地质类型力学属性力学属性影响岩体稳定性影响岩体稳定性IIIIII级级延展十米或数延展十米或数十米，十米，无破碎带，无破碎带，面内不含泥，面内不含泥，有泥膜。有泥膜。在一在一个地质时代地个地
10、质时代地层中分布。层中分布。各种类型断层各种类型断层原生软弱夹层原生软弱夹层层间错动带等层间错动带等多数属于坚多数属于坚硬结构面硬结构面少数属软弱少数属软弱结构面。结构面。控制岩体的稳定性控制岩体的稳定性与与I I、IIII级结构面级结构面组合可形成不同规组合可形成不同规模的块体破坏模的块体破坏划分划分IIII类岩体结构类岩体结构的重要依据的重要依据IVIV级级延展数米，延展数米，未错动，未错动，不夹泥，不夹泥，有的呈弱结合有的呈弱结合状态，状态，统计结统计结构面构面节理、节理、劈理、劈理、片理、片理、层理、层理、卸荷裂隙卸荷裂隙坚硬结构面坚硬结构面划分划分IIII类岩体结构类岩体结构的基本依
11、据的基本依据是岩体力学性质和是岩体力学性质和结构效应基础结构效应基础破坏岩体的完整性，破坏岩体的完整性，与其他结构面形成与其他结构面形成不同类型边坡破坏不同类型边坡破坏方式。方式。1515结构面分级结构面分级-4级序级序分级依据分级依据地质类型地质类型力学属性力学属性影响岩体稳定性影响岩体稳定性V V级级连续性极差、连续性极差、刚性接触的细刚性接触的细小或隐微裂面，小或隐微裂面，统计结构面统计结构面微小节理微小节理隐微裂隙隐微裂隙线理等。线理等。硬性结构面硬性结构面分布随机，降低岩分布随机，降低岩块强度，是岩块力块强度，是岩块力学性质效应基础。学性质效应基础。若十分密集，又因若十分密集，又因风
12、化，形成松散介风化，形成松散介质。质。1616G.结构面分类根据结构面成因，结构面类型分为原生结构面，构造结构面和次生结构面沉积结构面层面、层理、沉积间断面（不整合面、假整合面）、原生软弱夹层火成结构面流层、流线、火山岩流接触面，蚀变带、挤压破碎带、原生节理变质结构面片理、板理、软弱夹层原生结构面构造结构面劈理节理断层层间错动次生结构面卸荷裂隙爆破裂隙风化裂隙风化夹层泥化夹层17172.1.2结构体的特征：结构体的特征：结构体的块度和形状1.结构体的相对大小2.结构体的块度3.结构体的形状板状结构体，柱状结构体，锥状结构体以上重点介绍了结构面的状态：以上重点介绍了结构面的状态：包括A.几何形态
13、，B.充填和胶结情况，C.产状，D.贯通性和连贯性，E.密集程度，F.结构面分级和G.分类等7个方面的内容。18182.2 岩体静力学特性：岩体静力学特性：包括剪切变形和抗剪强度，以及法向变形;以剪切试验为研究手段。不连续面在剪切试验，包括室内剪切试验和现场剪切试验，试验装置和简图填充物对结构面抗剪强度的影响1 夹层厚度：随着厚度的增加迅速降低，与法向应力的大小有关2 矿物颗粒：随着颗粒直径增大而增大，超过30mm，变化不大3 含水量：含水量增大导致抗剪强度大幅度降低19192.2.1 不连续面剪切变形和抗剪强度不连续面剪切变形和抗剪强度类型类型类型类型特征特征特征特征曲线曲线曲线曲线抗剪强度
14、抗剪强度抗剪强度抗剪强度无无无无充充充充填填填填不不不不连连连连续续续续面面面面平直光平直光滑不连续滑不连续面面 剪切过程中基本不发生剪切过程中基本不发生垂直位移，屈服强度和残垂直位移，屈服强度和残余抗剪强度相近。峰值前余抗剪强度相近。峰值前曲线平均斜率小，破坏位曲线平均斜率小，破坏位移大；峰值后应力降很小移大；峰值后应力降很小或不变。多为沿软弱结构或不变。多为沿软弱结构面剪切面剪切平直、平直、光滑但局光滑但局部连接或部连接或相互咬合相互咬合成台阶状成台阶状不连续面不连续面 峰值与残余强度相差较峰值与残余强度相差较大。峰值前曲线斜率大，大。峰值前曲线斜率大，线性段和非线性段明显，线性段和非线性
15、段明显，峰值强度高，破坏位移小。峰值强度高，破坏位移小。峰值后应力降大，残余强峰值后应力降大，残余强度较低。多为剪断坚硬岩度较低。多为剪断坚硬岩体。体。20202.2.1 不连续面剪切变形和抗剪强度不连续面剪切变形和抗剪强度类型类型类型类型特征特征特征特征曲线曲线曲线曲线抗剪强度抗剪强度抗剪强度抗剪强度无无无无充充充充填填填填不不不不连连连连续续续续面面面面规则规则齿状或者齿状或者波状不连波状不连续面续面 在垂直压力较在垂直压力较小时发生爬坡现小时发生爬坡现象，垂直压力较象，垂直压力较大时，不连续面大时，不连续面沿着齿根剪断沿着齿根剪断不规不规则则闭合齿状闭合齿状不连续面不连续面发生剪胀发生剪
16、胀(dilatancy)dilatancy)，巴，巴顿定义剪胀角顿定义剪胀角2121类型类型类型类型特征特征特征特征曲线曲线曲线曲线抗剪强度抗剪强度抗剪强度抗剪强度未闭合未闭合不规则齿不规则齿状不连续状不连续面面 很少发生很少发生剪胀，剪应力剪胀，剪应力增长缓慢，趋增长缓慢，趋于定值。于定值。充充充充填填填填不不不不连连连连续续续续面面面面软夹层软夹层 塑性破坏塑性破坏或者接近塑性或者接近塑性破坏时，峰值破坏时，峰值强度和残余强强度和残余强度相近。度相近。2.2.1 不连续面剪切变形和抗剪强度不连续面剪切变形和抗剪强度22222.2.1 不连续面剪切变形和抗剪强度不连续面剪切变形和抗剪强度2）
17、剪胀现象与剪断现象岩石强度岩石强度，爬坡角，爬坡角ii，法向力，法向力NN，发生剪胀现象，发生剪胀现象(b)(b)岩石强度岩石强度，爬坡角，爬坡角ii，法向力，法向力NN，发生剪断现象，发生剪断现象(c)(c)23232.2.1 不连续面剪切变形不连续面剪切变形 和抗剪强度和抗剪强度粗糙度标准和粗糙度系数：JRC（joint roughness coefficient)巴顿（Barton，1977）提出，挪威岩土工程研究所(Norwegian Geotechnical Institute)24242.2.1 法向变形法向变形曲线形状，先凹，后陡；可由初始法向刚度和最大闭合量确定初始阶段，结构面
18、变形为主，当n=c/3时结构面变形基本完成最大闭合量小于张开度。25252.2.2 岩体破坏机理：岩体破坏机理：岩体破坏：岩体在一定的应力条件下丧失其结构联结称为岩体破坏。导致岩体丧失其承载力和稳定性。分为拉伸破坏和剪切破坏。岩体工程结构破坏：岩体结构联结丧失之后的移动活运动。拉伸破坏垂直结构面方向沿结构面方向完整岩体的拉伸破坏剪切破坏单组结构面用耶格尔判据没有结构面或多组结构面用霍克布朗经验判据2626耶格尔判据（单组结构面）：耶格尔判据（单组结构面）：2727耶格尔判据（单组结构面）：耶格尔判据（单组结构面）：2828耶格尔判据（单组结构面）：耶格尔判据（单组结构面）：岩体破坏与结构面倾角
19、的关系图2929耶格尔判据（单组结构面）：耶格尔判据（单组结构面）：结构面倾角对岩体破坏强度的影响1.岩体可能会发生沿着结构面破坏或者穿切结构面破坏，岩体的强度介于结构面抗剪强度和岩石抗剪强度之间；2.结构面倾角小于临界破坏角1或大于临界破坏角2时，岩体发生岩石剪切破坏，而不是发生沿着结构面破坏；3.结构面倾角处于临界破坏角1和临界破坏角2时，岩体发生沿着结构面破坏。在此范围内，结构面倾角的增大，岩体的抗剪强度减小，结构面倾角与结构面破坏面角度相等时，岩体强度最小，结构面倾角继续增大，岩体的抗剪强度增加。4.临界破坏角1和临界破坏角2之和为90+0.5结构面内摩擦角。5.临界破坏角为岩体同时发
20、生岩石剪切破坏和沿着结构面破坏。30301.结构面倾角小于结构面内摩擦角时，不会发生沿着结构面破坏。2.结构面倾角小于结构面破坏倾角时，有可能发生沿着结构面破坏 3.一定倾角的结构面导致岩体发生沿着结构面破坏，其必定存在另一个共轭结构面同样使得岩体发生破坏，该两共轭结构面倾角相等。4.结构面倾角等于结构面破坏倾角时，岩体承载力最小，其值为结构面承载力。5.岩体最大承载力为岩石承载力，其破坏倾角为岩石破坏倾角。6.通常岩体承载力位于结构面承载力和岩石承载力之间，受到结构面倾角的影响，随着结构面倾角的减小而增大。耶格尔判据（单组结构面）：耶格尔判据（单组结构面）：概念题3131耶格尔判据（单组结构
21、面）：耶格尔判据（单组结构面）：已知结构面和岩石的力学参数，结构面与最大主平面的角度，分析判别岩体的破坏？解题思路之一，如下：3232耶格尔判据（单组结构面）：耶格尔判据（单组结构面）：3333耶格尔判据（单组结构面）：耶格尔判据（单组结构面）：已知结构面和岩石的力学参数，结构面与最大主平面的角度，分析判别岩体的破坏？解题思路之二，如下：3434裂隙岩体强度霍克布朗经验判据裂隙岩体强度霍克布朗经验判据在岩体力学的实验室试验结果和岩体力学参数之间架了一座桥梁，克服了借助经验方法将岩石力学参数进行折减的缺陷,岩体破坏时，主应力之间满足如上公式，属于经验判据。单轴抗压强度：中等质量岩体：完整岩石：质
22、量差的岩体：3535裂隙岩体强度霍克布朗经验判据裂隙岩体强度霍克布朗经验判据在岩体力学的实验室试验结果和岩体力学参数之间架了一座桥梁，克服了借助经验方法将岩石力学参数进行折减的缺陷,岩体质量越差，s取值越低，取值范围为01岩体质量越差，取值越高，取值范围为0.50.65岩体质量采用GSI进行描述，GSI大于25，岩体质量好或质量中等；反之，岩体质量差岩体地质强度指标GSI(geological strength index)：确定霍克布朗经验判据的三参数。一般岩石霍克布朗常数确定和岩体特征常数3636裂隙岩体强度霍克布朗经验判据裂隙岩体强度霍克布朗经验判据在岩体力学的实验室试验结果和岩体力学参
23、数之间架了一座桥梁，克服了借助经验方法将岩石力学参数进行折减的缺陷。中等质量岩体单轴抗拉强度：岩体剪切强度：莫尔强度包络线方程 37371.用霍克布朗经验判据结合试验确定完整岩石单轴抗压强度及mi通过最小二乘法获得完整岩石单轴抗压和mi霍克布朗经验判据参数计算：霍克布朗经验判据参数计算：2.用霍克布朗经验判据结合试验确定摩尔库仑理论参数，莫尔包络线方程 3838霍克布朗经验判据参数计算：霍克布朗经验判据参数计算：尺寸的影响:运用霍克布朗公式估算莫尔强度包络线方程步骤：1.取0.25c为3，将其等分为若干分，一般为78份；2.计算霍克布朗公式的参数mb,s,，根据霍克布朗公式计算13.根据Bal
24、mer公式计算有效主应力n和4.根据莫尔包络线计算参数A，B5.根据公式（24042）计算，C，c3939由霍克布朗经验判据得到当单轴抗压强度小于100MPa时，4040霍克-布朗经验判据和耶格尔 库克判据的联系与区别:1.含一或二组结构面，一般采用耶格尔判据，含多组结构面采用霍克布朗经验判据。2.霍克布朗判据可以用来估算岩体的莫尔强度包络线，莫尔库仑准则中强度参数估计。3.霍克-布朗经验判据在岩体力学的实验室试验结果和岩体力学参数之间架了一座桥梁，克服了借助经验方法将岩石力学参数进行折减的缺陷;而耶格尔库克判据仅能够适用于结构面较少的情况。4141原位岩体变形参数与强度测定原位岩体变形参数与
25、强度测定重大岩体工程需要测定原位岩体的变形参数和强度原位测量方法：表面承压板试验和钻孔承压板试验岩体变形模量：岩体弹性模量：42422.3 岩体的动力学特性岩体的动力学特性岩体的动力学特性包括动荷载效应和弹性波传播特性弹性波表面波(表面传播)体波(弹性体内部传播)勒夫(Love)波瑞利(Rayleigh)波纵波(P)横波(S)弹性波的波速和动弹性参数：弹性波在介质交界面上的反射、折射、绕射和散射4343岩体中弹性波的频谱特性岩体中弹性波的频谱特性任何复杂的周期波形都可视为由许多不同频率振幅和相位的简谐波组成。不同频率的谐波具有不同的振幅谱和相位谱弹性波主要参数：最大振幅，持续时间，波数，振动周
26、期，能量频谱分析借助傅里叶变换，和窗口傅里叶变换，小波变换，小波包分析。岩体中弹性波的衰减特性，品质因数：在一周期内的总能量与振动消耗的能量之比4444弹性波探测技术弹性波探测技术影响弹性波的因素结构面，岩性，地质年代，分化程度，温度弹性波探测仪有四种触发方式：平面内，平面锤击，钻孔内和电火花波速测定应用：波速测定应用：.测定岩体动弹性参数，岩体的完整性和各向异性.测定坑硐围岩松动圈厚度.测定岩柱的稳定性.测定岩层分布和风化破碎情况.测定底层层位，有反射波法和折射波法弹性波衰减参数测试弹性波衰减参数测试了解岩体结构构造和所出的温度，压力环境4545声发射技术声发射技术(Acoustic Emi
27、ssion,AE)：材料变形破坏时发出声波的现象凯塞效应：凯塞效应：当外加应力小于岩石历史上所受过的最大应力时，声发射活动不明显，而当外加应力超过历史上所受到的最大应力时，声发射活动突然加剧，而且在各个方向受力都如此。声发射 信号的表征参数：声发射事件数，单个事件的能量和单位时间声发射的能率。声发射技术应用1.岩体破坏监测及预报2.岩体应力测量46462.4 岩体水力学特性岩体水力学特性岩体力学特性是岩体与水共同作用所表现的力学特性，岩体中孔隙和裂隙为地表水和地下水的运流创造了条件。岩体水文地质结构基本单元：岩体水文地质结构基本单元：水文地质结构含水层隔水层孔隙含水体裂隙含水体管道含水体层状隔
28、水层块状隔水体水文地质结构水文地质结构(谷德振教授谷德振教授)：含水体和隔水体这两种水文地质结构单元随着褶皱变形而呈现的空间分布，组合形式以及含水层的水动力特性四种水文地质结构分类：统一含水体结构，层状含水体，脉状含水体和管道含水体。47472.4.2 2.4.2 岩体中的渗流：岩体中的渗流：压水试验和抽水试验地下水对岩体稳定性的影响：.软化，泥化和崩解作用，改变不连续面的抗剪作用.静水压力作用，导致不连续面上的有效应力减小，从而抗剪强度减小.动水压力作用，渗流会受到岩石的阻力，同时他对岩石产生一个大小相等，方向相反的力，这个力是一种体积力，称为动水力。取决于地下水头的大小。达西定律：适用于层
29、流4848.5.5 岩石热力学特性岩石热力学特性容热性：岩石的容热性就是进行热交换时岩石吸收热量的能力。用比热和容积热容表示，矿物成分和含量决定了岩石的比热。比热：在不存在相互转换的条件下，使单位质量岩石温度变换度时所需要输入的热量。用表示。容积热容：单位体积的岩石，温度变化度时所需要的热量，从v表示。导热性：温度梯度为度时，单位时间内通过单位面积岩石所传导的热量。用表示。4949.5.5 岩石热力学特性岩石热力学特性热膨胀性：岩石温度升高度所引起的线行伸长量，与其在温度为度时的长度之比值。热力学效应：热力学效应：.地表岩体日气温变化地下核废料因反射性同位素衰变5050此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢