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1、第十一章 岩体的力学性质 岩体的力学性质与岩块有显著的差别。一般情况下，岩体比岩块易变形，且其强度也显著低于岩块的强度。造成这种差别的根本原因，是岩体中存在有各种类型不同、规模不等的结构面，并赋存于一定的天然应力与地下水等地质环境中。正因为如此，岩体在外力作用下，其力学属性往往表现以非均质、非连续、各向异性和非弹性。所以无论在什么情况下，都不能把岩体和岩块(石)两个概念等同起来。岩体的力学性质，一方面取决于它的受力条件；另一方面则受岩体的地质特征和赋存的环境条件的影响。影响因素主要包括：组成岩体的岩石变形与强度性质；各种结构面的发育特征及其变形与强度性质；岩体的赋存环境，尤其是天然应力及地下水
2、的影响。其中，结构面的影响是岩体力学性质不同于岩石的本质原因。本章将主要讲述岩体的变形与强度性质及其动力学性质。第一节 岩体的变形性质 由于岩体中包含有大量的结构面，结构面中还往往有各种充填物存在，因此，岩体在外力作用下的变形是岩石变形、结构面闭合相充填物变形三者的总和，且在一般情况下，结构面和充填物变形常起控制作用。下面主要讨论结构面与岩体的变形性质。一、结构面的变形特征1法向变形特征 在同一岩体中，取一块不含结构面的完整岩块试件和一块含结构面的岩石试件；然后，分别对这两块试件进行单向压缩试验，可得到如图111所示的法向应力n法向变形v关系曲线。设不含结构面试件的法向变形为v r，含结构面试
3、件的法向变形为v t，则结构面的法向闭合变形vj为：利用vj可得到结构面的nvj关系曲线(见图111)。从这些曲线可知，结构面的法向变形具有如下特征：首先，在法向应力作用下，结构面闭合变形开始较快，变形量也较大，随后逐渐变慢，变形量趋于常量vm；其次，nvj曲线为一以vvm(结构面最大闭合量)为渐近线的双曲线，说明结构面的变形大部分在低应力下就趋于完成；再次，含结构面岩块的变形vt。开始随n增加呈非线性增加，当n达到某一定值后，nvr曲线变陡，且近似与nvt曲线平行；最后，由非线性变形转变为线性变形的法向应力大约在岩石抗压强度的13处，n高于q3后的vt主要是岩块变形贡献的。在法向应力作用下，
4、结构面产生单位法向变形所需要的法向应力，称为结构面的法向刚度Kn,其大小等于nvj曲线上某点处切线的斜率。它是反映结构面法向变形性质的主要参数。表111给出了几种结构面的抗剪试验参数。2剪切变形特征 在岩体中取含有结构面的岩块试件，在一定的法向应力下进行剪切试验，可得到结构面的剪应力剪位移j关系曲线，如图112所示。结构面的剪切变形有二种基本类型：一类为塑性变形型，如泥化夹层、光滑平直破裂面等一般具这类变形特征；另一类为脆性变形型，j曲线有明显的峰值点和应力降，当应力降至一定值后趋于稳定，不再随位移变化而变化，如粗糙结构面常具这种变形特征。在剪应力作用下，结构面产生单位剪位移所需要的剪应力，称
5、为结构面的剪切刚度KS，数值上等于j曲线上任一点的切线斜率。它是反映结构面剪切变形特性的主要参数。结构面剪切刚度受结构面本身性质、规模及法向应力大小等的影响。几种结构面的剪切刚度值见表111。二、岩体变形参数的测定 岩体变形参数的测定方法有静力法和动力法两类。静力法又可分承压板法、狭缝法、钻孔变形法及水压洞室法等。这类方法都是在岩体表面或槽壁和孔壁上施加一定的荷载，然后测定加荷所引起的岩体变形值，进而求得压力变形曲线相变形参数。动力法则是通过测定弹性波在岩体中的传播速度，依据一定的公式求取岩体的变形参数，主要有地震法和声波法。目前，国内应用较广的是承压板法、钻孔变形法及声波法等，已将其列入了有
6、关规程。1.承压板法 承压板法试验，又称平板载荷试验，一般在平巷中进行，试验装置如图113所示。利用巷道顶板作为反力装置，采用分级加荷卸荷法，用油压干斤顶施加法向荷载，通过具有足够刚性的承压板(直径一般约为50一100cm)将压力传递到岩面上。在加压过程中，同时测记各级压力p下的岩体变形值W，并绘制出压力P变形W曲线(图114)。通过某级压力下的变形值，用下式计算岩体的变形模量Em(MPa)和弹性模量Eme(MPa)：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；0、e分别为相应于p下岩体的总变形和弹性变形，cm，w与承压板形状与刚度有关的系数，对刚性承压板来说，圆形板取
7、0.78，方形板0.88；岩体的泊松比。岩体的变形模量与弹性模量是反映岩体变形性质的重要参数，在岩体力学数值计算和稳定性评价中，都是不可缺少的指标。其大小受岩性、结构面发育特征、地下水及试验条件等因素影响。常见岩体的变形模量列于表112。2钻孔变形法 钻孔变形法是利用钻孔膨胀计等设备，通过水泵对一定长度的钻孔孔壁施加径向压力同时测记孔壁的径向位移。按下式计算岩体的变形模量，即：式中：d钻孔孔径，cm；P计算压力，等于试验压力与初始压力之差，MPa；V一径向位移，cm。与承压板法相比较，钻孔变形法有如下优点：对岩体扰动小；可以在地下水位以下和较深的部位进行试验；试验方向基本上不受限制，而且试验压
8、力可以达到相当大；在一次试验中可同时量测几个方向的变形，便于研究变形的各向异性。这种方法的主要缺点是试验涉及的岩体体积小，代表性受到局限。三、岩体变形曲线类型 由于岩体中结构面的发育情况及岩石坚硬程度等的差异，岩体变形试验求得的压力p-变形w曲线是复杂多变的。总括起来，可归纳为如图115所示的三类，即：(1)直线型：如图115a，p-w曲线呈近似直线关系，反映岩体坚硬、致密，裂隙不发育，或只有分布均匀的细小裂隙，岩体变形模量较大，塑性变形小。(2)上凹型：如图115b，p-w曲线在荷载低时斜率小，塑性变形大；随着荷载的加大，曲线斜率逐渐增大，塑性变形趋于稳定；反映岩体的岩性坚硬，裂隙发育，且多
9、呈张开而无充填；在荷载作用下，裂隙逐渐闭合或发生镶嵌作用而被挤紧。(3)下凹型：如图115c，p-w曲线在低荷载下近似直线，表现为弹性变形；当荷载增大时呈曲线，表现为塑性变形；反映岩体的岩性较软弱，或岩体的较深部位埋藏有软弱夹层，或岩体裂隙发育，且有泥质充填。第二节 岩体的强度性质 岩体是由各种不同形态的岩块和结构面组成的地质体。强度必然受到岩块、结构面及其组合形式的控制。一般情况下，岩体的强度既不等于岩块的强度，也不等于结构面的强度，而是两者共同影响表现出来的强度。但在某些情况下，可以近似用岩块或结构面的强度代替它。如岩体中结构面很不发育，呈整体或完整结构，则其强度可视为与岩块强度相近或相等
10、。又如岩体是沿某一结构面整体滑移破坏，则岩体的强度完全取决于该结构面的抗剪强度。这是两种特殊的情况。在多数情况下，岩体的强度介于岩块和结构面强度之间。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，在岩某抗滑稳定、边坡岩体稳定和地下洞室围岩稳定性分析与计算中，岩体的抗剪强度参数是必不可少的。本节主要讨论结构面与岩体的抗剪强度。一、结构面的抗剪强度 根据结构面的形态、连续性、充填情况及其力学性质，可将结构面分为平直光滑无充填的、粗糙起伏无充填的、非贯通断续的及有充填的软弱结构面四类。各类结构面的抗剪强度持征，分述如下。1.平直光滑无充填结构面的抗剪强度 这类结构面以光滑
11、破裂面及摩擦镜面(如剪切理、片理面等)为代表，是摩擦剪切作用的产物，一般无充填，并附有动力变质矿物薄膜。其抗剪强度接近于人工磨光面的摩擦强度，即；tgj (11-5)式中：法向应力；j结构面的摩擦角。但是，一般来说，多数天然平直光滑结构面仍具有细微的起伏和凸起，其粗糙度要比人工磨光面大。所以，天然平直光滑的结构面仍有一定的内聚力Cj，其抗剪强度仍由粘聚力和摩擦阻力两部分组成。其中，j一般为2040，Cj在00.1MPa之间变化。其中，平直且摩擦细微的摩擦镜面，如片状矿物含量高，且较平直的片理面，以及贯通性好、平直的粘土岩、泥灰岩层面，其抗剪强度接近于下限。2粗糙起伏无充填结构面的抗剪强度 这类
12、结构面的特点是具有粗糙起伏度，在法向应力较小时,剪切过程中可引起上滑效应(或称剪胀效应)，从而增大了结构面的抗剪强度。帕顿(Patton，1966)曾进行过理想化的石膏模型试验，论述了粗糙起伏无充填结构面的抗剪强度机理。假定结构面为规则规则锯齿形(图116a)，起伏角为i。在不大的法向应力作用下，上盘岩块将沿锯齿面滑动，而滑移一旦出现，其背坡面即被拉开。出现所谓空化现象(图116b)。这时，背坡面将不起抗滑作用，法向应力也全由滑移面承担。从图116中取单个锯齿面来进行分析，如图117。将法向应力和水平剪应力沿锯齿面分解，可得到锯齿面上受到的法向应力n和剪应力n为：设沿结构面产生滑动时，服从库仑
13、强度条件 nntgb，则可推导出结构面的抗剪强度为：式中，b为结构面的摩擦角，其余符号意义如图117示。式(117)是法向应力较低时结构面的抗剪强度。由此可见，具有一定起伏度的锯齿形结构面的抗剪强度随起伏角i的增大而增加，其强度包络线如图11-8中(2)所示。当法向应力不断增大，并达到一定值时，由于岩块上滑运动所需的功达到并超过了剪断锯齿体所需要的功，锯齿将被剪断，这时结构面的抗剪强度为：式中，、C分别为结构面壁岩的内摩擦角和内聚力。式(118)为法向应力较大时，结构面的抗剪强度，其强度包络线如图118中(3)所示。以上是规则起伏结构面的抗剪强度，但自然界多数结构面的起伏形态是不规则的，起伏角
14、也不是常数(图119)。因此，结构面的强度包络线不是图118所示的折线状，而是一曲线。巴顿(Batton，1973)主张用剪胀角d来代替起伏角i。剪胀角为剪切时剪切位移的轨迹与水平线的夹角(图119)，即：式中：n剪胀量(mm)；L水平位移量通过对八种不同粗糙起伏结构面的试验研究，他得到了如下统计方程：大量的试验资料表明，一般结构面的基本摩擦角u2535之间。因此，(1111)式中右边的第二项应当就是结构面的基本摩擦角u，而第一项中的1.78取整数为2。这样处理后，(1111)式变为将(1110)式代入(1112)式得：式中，结构面的基本摩擦角u，一般认为是结构面壁岩平直表面的摩擦角，可用倾斜
15、试验求得。其方法是取结构面壁岩试块，将其锯成两半，除去岩粉，风干后合在一起。试验时，缓缓地抬起试块一端，直到上盘岩块开始下滑为止，此时的试块倾角即为u。对每种岩石进行试验的试块数需10块以上。在没有试验资料时，常取u30，或用结构面的残余摩擦角代替。JRC的确定方法是，测出所研究结构面的表现粗糙度轮廓线，与图1110所示的标准剖面对照确定。JCS为结构面壁岩强度，常用回弹试验求得。式(1113)是巴顿不规则组糙起伏结构面的抗剪强度公式。利用该式确定结构面抗剪强度时，只需知道JRC、JCS和u三个参数即可，无须进行大型现场抗剪强度试验。部分粗糙结构面的抗剪强度，见表11l。3非贯通断续结构面的抗
16、剪强度 这类结构面的抗剪强度由各段结构面抗剪强度和非贯通段岩石(岩桥)的抗剪断强度两部分组成。因此，整个结构面的强度取决于结构面和岩石性质，以及结构面的连续性，即，式中，Ci、j分别为结构面的粘聚力和摩擦角；Cm、m分别为岩石的内聚力和内摩擦角；K1为结构面曲线连续系数。式(1114)为岩桥被剪断时结构面的抗剪断强度,这是非贯通结构面破坏的一种特例。实际上这类结构面的破坏机理较复杂，应于注意。4.具充填的软弱结构面的抗剪强度 这类结构面的抗剪强度，主要取决于充填物的成分、结构、厚度及充填度和含水状况等。充填物的粒度成分不同，结构面的强度各异。表113列出了不同软弱夹层的抗剪强度指标。可见，结构
17、面的抗剪强度随充填碎屑含量增加及颗粒变粗而增高，随粘粒含量增加而降低。另外，充填物成分不同，其剪应力剪位移曲线也不同。图1111为不同颗粒成分软弱夹层的-u曲线。图中，曲线为粘粒含量较高的泥化夹层的剪切曲线，呈较典型的塑性曲线，特点是强度低，并随位移变化小，屈服后无明显的应力降。曲线至曲线是随粗碎屑成分增多的不同夹层的剪切曲线，说明随夹层中粗碎屑含量增加，剪切曲线逐渐由塑性型向脆性型破坏过渡。结构面的充填度常用充填物厚度d与结构面的起伏差之比来表示。它对结构面剪切强度的影响是，强度随充填度(d)增大而降低，如图1112所示。当充填度小于100时，影响最大，结构面的摩擦系数f随d值增加降低较快；
18、当充填度达到200时，结构面的摩擦系数趋于稳定，并达到最低值。这时，结构面的抗剪强度主要取决于充填物性质。此外，充填物的结构特征及含水率对结构面的强度也有明显的影响。一般来说，充填物结构疏松，且具定向排列时，结构面的抗剪强度较低，且具各向异性；反之，结构面的抗剪强度较高。含水率的影响也是如此，即结构面的抗剪强度随充填物含水率增高而降低。我国一些工程中的软弱夹层的抗剪强度参数，列于表114中。二、岩体的剪切试验及抗剪强度 岩体中任一方向的剪切面，在一定的法向应力作用下所能抵抗的最大剪应力，称为岩体的抗剪强度。岩体的抗剪强度也可细分为抗剪断强度、抗切强度及摩擦强度三种。在生产实际中，常用抗剪断强度
19、参数。为了研究岩体的抗剪强度，常需进行原位岩体剪切试验。其中，应用最普遍的是双千斤顶直剪试验。该方法是在平硐中制备试件，并以两个千斤顶分别在垂直和水平方向施加外力，进行直接剪切岩体的试验，其装置如图1113所示。试件尺寸，视裂隙发育情况而定，其断面积不宜小于50cm50tm，试件高一般为断面边长的0.5倍，每组试件为5个以上。试验时，先加预定的垂直荷载，待试件变形稳定后再逐级施加剪切荷载，直至试件被剪坏。通过试验，可获得如下资料：岩体剪应力剪位移曲线及法向应力法向变形曲线；岩体剪切强度包络线及抗剪强度参数cm、m值。各类岩体的抗剪强度参数cm、m值，列于表115。由表115及表103比较可知，
20、岩体的内摩擦角与岩石相差不大或接近，而岩体的内聚力则大大地低于岩石的内聚力，说明岩体中结构面的存在主要是削减了岩体的内聚力。研究表明，岩体的抗剪强度主要受结构面、应力状态、岩性及风化程度等因素控制。在高应力条件下，岩体的抗剪强度接近岩石强度；在低应力条件下，岩体的抗剪强度主要受结构面控制。由于作用于岩体上的工程荷载，一般在10MPa以下，因此与工程活动有关的破坏，基本上受结构面控制。又由于岩体中的结构面大多数是分组定向排列的，所以多数岩体都具有明显的备向异性。沿结构面滑动时，岩体的抗剪强度最小，接近于结构面的抗剪强度，而垂直结构面剪断时，岩体的抗剪强度最大；沿复合剪切而剪切时，岩体强度介于上述
21、二者之间。因此，在一般情况下，岩体的抗剪强度包络线并不是一条简单的曲线，面是有一定上、下限的曲线族。下限是结构面的抗剪强度，上限是岩块的抗剪强度(图1114)。剧风化岩体和软弱岩体被剪断时的内摩擦角多为3040 ，内聚力多为0.11MPa。其抗剪强度包络线的上、下限比较接近，变化范围小。坚硬岩体被剪断时的内摩擦角多在450以上，内聚力多为l4MPa。其强度包络线的上、下限相差较大，变化范围也大。此时，准确确定岩体的强度较为困难。一般可依据原位岩体剪切试验或强度估算成果，结合工程荷载和结构面的发育情况等确定。第三节 岩体的动力性质 岩体的动力性质岩体的动力性质是指岩体在动荷载作用下表现出来的力学
22、性质，包括岩体中弹性波的传播规律及岩体动力变形与强度特性。这些性质在岩体动力稳定性评价及岩体物理力学性质参数确定中具有重要的意义。一、岩体中弹性波的传播规律 当岩体(岩块)受到振动、冲击或爆破作用时，在岩体中将有各种不同动力特性的波传播。这些波包括塑性波和弹性波，在应力值较低时，岩体中只有弹性波产生。弹性波的传播也称声波的传播，又分为体波和面波。体波是在岩体内部传播的波，主要有纵波和横波两种，纵波(P波)又称为压缩波，波的传播方向与质点振动方向一致；横波(S波)又称剪切波，其传播方向与质点振动方向垂直。面波又有瑞利波和勒夫波之分。根据波动理沦，传播于连续、均匀、各向同性弹性介质中的纵波速度Vp
23、和横波速度Vs，为：由上两式可知，弹性波在介质中的传播速度仅与介质密度动弹性模量Ed和动泊松比有关。因此，可以通过测定岩体的Vp，Vs来确定岩体动力性质参数。在现场，通常应用声波法和地震法实测岩体的声波速度。声波法的测试原理如图1115所示。选择代表性测线布置测点和安装仪表。测点可布置在岩体表面或钻孔内。测试时，通过声波仪4的触发电路振荡发生正弦脉冲，经发射技能器l向岩体发射声波。声波在岩体中传播，并为接收换能器2所接收，经放大器3放大后，由计时系统记录。测得纵、横波的传播时间，由下式计算岩体的纵、横波速Vmp、Vms。式中，D2为声波传播的距离；tp,ts分别为纵、横波在岩体中的传播时间。表
24、116给出了常见岩体的纵波速度值。二、岩体的动变形与动强度参数 1.岩体的动变形参数 反映岩体动变形性质的参数，常见的有岩体动弹性模量Ed、动泊松比d和动剪切棋量Gd。这些参数均可根据声波法测定资料求得。式中：Ed岩体动弹性模量，GPa；Gd岩体动剪切模量，GPa；d岩体动泊松比；岩体密度，g/m3；Vmp、Vms分别为岩体的纵、横波速度，kms。利用声波法测定岩体动力学参数的优点在于不扰动被测岩体的天然结构和天然应力状态，测定方法简单，省时省力，能在岩体中的各个部位广泛进行。书中表117给出了某些岩体动、静弹性模量及其比值。该表及大量的研究资料表明，不论是岩体还是岩石，其动弹性模星都普遍大于
25、静弹性模量，两者的比值Ed/Eme。对于坚硬完整岩体一般约为1.22.0左右，而风化且裂隙发育的岩体和软弱岩体，Ed/Eme值较大一般为1.510.0左右，最大可超过20。造成这种差别的原因可能有以下几方面：（1）静力法采用的最大应力大部分为1.010.0MPa，甚至更大，变形量常以毫米计；而动力法的应力则为104MPa量级，引起的变形量微小，因此静力法必然会测出较大的不可递变形，而动力法则测不到。（2）静力法持续的时间较长，而动力法的试验时间极短。（3）静力法扰动了岩体的天然结构和天然应力状态。尽管如此，由于静力法试验的受力情况接近于工程岩体的实际受力状态，故在实际应用中，除特殊要求外，多数
26、工程仍多以静力变形参数为主要设计依据。常可通过动弹性模量Ed乘以某一系数来推求岩体的静弹性模量Eme，即 式中，j为系数，可根据岩体的完整性系数Kv。，查表118得。2岩体的动强度参数 在进行岩石力学试验时，施加在试件上的荷载并非是完全静止的。从这个意义上讲，静态加载和动态加载没有根本的区别，而仅仅是加载速度的范围不同当加载速率(应变率)在10-4-10-6s范围内时，被认为属于准静态加载。大于这一范围，则认为是动态加载。研究表明，动态加载下的岩石强度比静态加载时的强度高。这实际上是一个时间效应问题。加载速率慢时，岩石的塑性变形得以充分发展，反映出强度较低；反之，强度高。特别是在爆破等冲击荷载
27、作用下，岩石强度的提高尤为明显。表119给出了几种岩石在不同荷载速率下的强度值。有资料表明，岩石在冲击荷载下的动抗压强度约为静抗压强度的1.22倍。目前，由于岩体动力强度试验的方法不很成熟，试验资料也很少，因而有些研究者试图用声波试验所获得的资料来推算岩体的强度。如中科院王思敬等人提出了如下的经验公式：式中：Rm岩体的准抗压强度，MPa；Vmp、Vrp分别为岩体和岩块的纵波速度，m/s；R岩块的单轴抗压强度，MPa。引入岩体完整性系数Kv，则可转化为：此外，还有人提出用岩块的动、静弹性模量及相应于岩体在单向压缩时的极限变形量来求岩体的单向抗压强度等。目前，这方面的研究仍在探索之中，所提出的计算方法仅限于经验方法，在实际应用中应注意与其它方法进行对比。