第四章岩体的基本力学性质.ppt

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第四章第四章岩体的基本力学性质岩体的基本力学性质1、岩体结构面的分析；、岩体结构面的分析；2、结构面的变形特征；、结构面的变形特征；3、结构面的力学效应；、结构面的力学效应；4、岩体的应力、岩体的应力-应变分析；应变分析；难点：

难点：

1、结构面的变形特征；、结构面的变形特征；2、结构面的力学效应；、结构面的力学效应；重点重点:

第四章第四章岩体的基本力学性质岩体的基本力学性质4.1概述概述岩体是地质体，它经历过多次反复地质作用，经受过变形，遭岩体是地质体，它经历过多次反复地质作用，经受过变形，遭受过破坏，形成一定的岩石成分和结构，赋存于一定的地质环境中。

受过破坏，形成一定的岩石成分和结构，赋存于一定的地质环境中。

结构面：

断层、节理、褶皱结构面：

断层、节理、褶皱统称统称岩体岩体结构面影响结构面影响完整性很好完整性很好连续介质力学方法连续介质力学方法非常破碎非常破碎土力学方法土力学方法两者之间两者之间裂隙体力学方法裂隙体力学方法岩体不连续性，各向异性岩体不连续性，各向异性反映区域性地质构造反映区域性地质构造降低岩体强度降低岩体强度结构面结构面岩体结构单元岩体结构单元结构体结构体坚硬结构面（干净的）坚硬结构面（干净的）软弱结构面（夹泥的，夹层）软弱结构面（夹泥的，夹层）块状结构体（短轴的）块状结构体（短轴的）板状结构体（长厚比大于板状结构体（长厚比大于1515的）的）岩体抵抗外力作用的能力称为岩体的力学性质。

包括岩岩体抵抗外力作用的能力称为岩体的力学性质。

包括岩体的稳定性特征、强度特征、变形特征。

体的稳定性特征、强度特征、变形特征。

岩体强度岩体强度=岩块强度岩块强度+结构面强度结构面强度影响岩体力学性质的基本因素：

影响岩体力学性质的基本因素：

结构体（岩石）力学性质、结构体（岩石）力学性质、结构面力学性质、岩体结构力学效应和环境因素特别是水和地应结构面力学性质、岩体结构力学效应和环境因素特别是水和地应力的作用。

力的作用。

岩体的赋存环境对岩体的力学性质有重要的影响。

其赋存环岩体的赋存环境对岩体的力学性质有重要的影响。

其赋存环境包括地应力、地下水、地温三部分。

境包括地应力、地下水、地温三部分。

地应力对岩体力学性质的影响主要体现在：

地应力对岩体力学性质的影响主要体现在：

（1）

（1）地应力影响岩体的承载能力；地应力影响岩体的承载能力；

（2）

（2）地应力影响岩体的变形和破坏机制；地应力影响岩体的变形和破坏机制；（3）（3）地应力影响岩体中的应力传播的法则。

地应力影响岩体中的应力传播的法则。

岩体结构分类依据岩体结构分类依据将软弱结构面切割成的岩体结构定为将软弱结构面切割成的岩体结构定为I级结构，坚硬结构面切级结构，坚硬结构面切割成的岩体结构可定义为割成的岩体结构可定义为II级结构。

级结构。

分类依据分类依据第一个依据是结构面类型，第二个依据是结构面切割程度或第一个依据是结构面类型，第二个依据是结构面切割程度或结构体类型结构体类型软弱结构面软弱结构面I级岩体结构级岩体结构坚硬结构面坚硬结构面II级岩体结构级岩体结构块状的块状的块状碎裂结构块状碎裂结构层状的层状的层状碎裂结构层状碎裂结构II级岩体结构级岩体结构IIII级岩体结构级岩体结构块状结构体块状结构体块裂结构块裂结构板状结构体板状结构体板裂结构板裂结构结构面贯通切割结构面贯通切割碎裂结构碎裂结构结构面断续切割结构面断续切割断续结构断续结构无显结构面切割无显结构面切割完整结构完整结构过过渡渡型型岩岩体体结结构构：

软软弱弱结结构构面面混混杂杂、结结构构面面无无序序排排列列散体结构散体结构分类方案分类方案各类岩体结构的地质特征各类岩体结构的地质特征散体结构岩体散体结构岩体碎裂结构岩体碎裂结构岩体碎裂结构岩体碎裂结构岩体块裂结构岩体块裂结构岩体断续结构岩体断续结构岩体岩体结构的唯一性及工程岩体结构的相对性岩体结构的唯一性及工程岩体结构的相对性一、结构面定量描述的基本参数一、结构面定量描述的基本参数1、产状：

走向、倾向、倾角，例如：

、产状：

走向、倾向、倾角，例如：

N30oE2、间距：

同组相邻结构面的垂直距离，平均间距、间距：

同组相邻结构面的垂直距离，平均间距3、延展性（持续性）：

结构面迹线长度、延展性（持续性）：

结构面迹线长度4、粗糙度和起伏度：

、粗糙度和起伏度：

起伏度：

较大一级的起伏程度，如波浪、锯齿、台阶等。

起伏度：

较大一级的起伏程度，如波浪、锯齿、台阶等。

粗糙度：

较小一级的凹凸不平的程度。

粗糙度：

较小一级的凹凸不平的程度。

5、结构面面壁强度、结构面面壁强度反映结构面表面的风化特征。

反映结构面表面的风化特征。

6、结构面的开度和充填物、结构面的开度和充填物7、结构面的渗透性、结构面的渗透性8、结构面的组数和岩块的尺寸、结构面的组数和岩块的尺寸结构面：

结构面：

没有或者具有极低抗拉强度的力学不连续面，包括一切地没有或者具有极低抗拉强度的力学不连续面，包括一切地质分离面。

质分离面。

4.2岩体结构面分析岩体结构面分析结构面侧壁的起伏形态分为：

平直的结构面侧壁的起伏形态分为：

平直的a、波状的、波状的b、锯齿状的、锯齿状的c、台阶状的、台阶状的d和不规则状的和不规则状的e。

侧壁的起伏程度可用起伏角侧壁的起伏程度可用起伏角（i）表示：

表示：

结构面的粗糙度用粗糙度系结构面的粗糙度用粗糙度系JRC表示表示（jointroughnesscoefficient）随粗糙度的增大，结构面的摩随粗糙度的增大，结构面的摩擦角也增大。

擦角也增大。

根据标准粗糙度剖面将结构面根据标准粗糙度剖面将结构面的粗糙度系数划分为的粗糙度系数划分为10级。

级。

在实际工作中可用结构面纵在实际工作中可用结构面纵剖面仪测出所研究结构面的粗糙剖面仪测出所研究结构面的粗糙剖面后与图所示的标准剖面进行剖面后与图所示的标准剖面进行对比得到。

对比得到。

1.按成因分类按成因分类

（1）原生结构面原生结构面沉积结构面：

层面、层理、夹沉积结构面：

层面、层理、夹层等层等火成结构面：

原生节理、流纹火成结构面：

原生节理、流纹面面变质结构面：

片理变质结构面：

片理二、结构面的分类二、结构面的分类

（一）按照成因分类：

原生、次生、构造

（一）按照成因分类：

原生、次生、构造

（2）构造结构面构造结构面断裂面断裂面破碎带破碎带（3）次生结构面次生结构面风化裂隙风化裂隙泥化夹层泥化夹层

（二）按照工程的要求分类

（二）按照工程的要求分类1、绝对分类、绝对分类2、相对分类、相对分类相对工程而言的分类见表相对工程而言的分类见表4-1。

中等结构面中等结构面110m巨巨大结构面大结构面10m细小结构面细小结构面延长延长1m单节理单节理节理组节理组节理群节理群羽毛状羽毛状节理节理破碎带破碎带无无充充填填有有充充填填有有粘粘性性充充填填物物破坏面破坏面破坏带破坏带两者之间两者之间（三）按地质力学观点分类（三）按地质力学观点分类结构面按贯通情况分结构面按贯通情况分非贯通性的结构面非贯通性的结构面半贯通性的结构面半贯通性的结构面贯通性的结构面贯通性的结构面（四）结构面按贯通情况分（四）结构面按贯通情况分（五）结构面按尺度级别分（五）结构面按尺度级别分结构面的发育程度、规模大小、组合形式等是决定结构体结构面的发育程度、规模大小、组合形式等是决定结构体的形状、方位和大小，控制岩体稳定性的重要因素。

尤以结的形状、方位和大小，控制岩体稳定性的重要因素。

尤以结构面的规模是最重要的控制因素。

按结构面发育程度和规模构面的规模是最重要的控制因素。

按结构面发育程度和规模可以划分为如下五级：

可以划分为如下五级：

I级结构面级结构面-区域构造起控制作用的断裂带区域构造起控制作用的断裂带级结构面级结构面-延展性强而宽度有限的地质界面延展性强而宽度有限的地质界面级结构面级结构面-局部性的断裂构造局部性的断裂构造级结构面级结构面-节理面节理面V级结构面级结构面-细小的结构面细小的结构面实测结构面实测结构面统计结构面统计结构面级级指指大断层大断层或或区域性断层区域性断层。

控制工程建设地区的地壳稳定。

控制工程建设地区的地壳稳定性，直接影响工程岩体稳定性；性，直接影响工程岩体稳定性；级级指延伸长而宽度不大的指延伸长而宽度不大的区域性地质界面区域性地质界面。

级级指长度数指长度数十米十米至数百米的断层、区域性节理、延伸较至数百米的断层、区域性节理、延伸较好的层面及层间错动等。

好的层面及层间错动等。

、级结构面控制着工程岩体力学作用的边界条件级结构面控制着工程岩体力学作用的边界条件和破坏方式，它们的组合往往构成可能滑移岩体的边界面，和破坏方式，它们的组合往往构成可能滑移岩体的边界面，直接威胁工程安全稳定性直接威胁工程安全稳定性级级指延伸较差的节理、层面、次生裂隙、小断层及较发育指延伸较差的节理、层面、次生裂隙、小断层及较发育的片理、劈理面等。

是构成的片理、劈理面等。

是构成岩块岩块的边界面，破坏岩体的完整的边界面，破坏岩体的完整性，影响岩体的物理力学性质及应力分布状态。

性，影响岩体的物理力学性质及应力分布状态。

级结构面主要控制着岩体的结构、完整性和物理力学级结构面主要控制着岩体的结构、完整性和物理力学性质，数量多且具随机性，其分布规律不太容易搞清楚，需性质，数量多且具随机性，其分布规律不太容易搞清楚，需用统计方法进行研究。

用统计方法进行研究。

级级又称微结构面。

常包含在岩块内，主要影响岩块的物理又称微结构面。

常包含在岩块内，主要影响岩块的物理力学性质。

控制岩块的力学性质。

力学性质。

控制岩块的力学性质。

结构面的状态对岩体的工程性质的影响是指结构面的状态对岩体的工程性质的影响是指结构面的产状、形结构面的产状、形态、延展尺度、发育程度、密集程度。

态、延展尺度、发育程度、密集程度。

结构面的产状：

结构面的产状对岩体是否沿某一结构面滑动起控结构面的产状：

结构面的产状对岩体是否沿某一结构面滑动起控制作用。

制作用。

结构面的形态：

结构面的形态决定结构面抗滑力的大小，当结构结构面的形态：

结构面的形态决定结构面抗滑力的大小，当结构面的起伏程度较大，粗糙度高时，其抗滑力就大。

面的起伏程度较大，粗糙度高时，其抗滑力就大。

结构面的延展尺度：

在工程岩体范围内，延展尺度大的结构面，结构面的延展尺度：

在工程岩体范围内，延展尺度大的结构面，完全控制岩体的强度。

完全控制岩体的强度。

结构面的密集程度：

以岩体的结构面的密集程度：

以岩体的裂隙度裂隙度和和切割度切割度表征岩体结构面的表征岩体结构面的密集程度。

密集程度。

三、岩体破碎程度分类三、岩体破碎程度分类11、单组节理、单组节理、单组节理、单组节理设勘测线长度为设勘测线长度为，在，在上出现的上出现的节理的个数为节理的个数为n，则则：

节理之间的平均间距为：

节理之间的平均间距为：

裂隙度裂隙度切割度切割度单组结构面单组结构面多组结构面多组结构面1010mm实例：

实例：

实例：

实例：

k=4/10=0.4/mk=4/10=0.4/md=1/k=2.5md=1/k=2.5m

（一）裂隙度

（一）裂隙度Kd180cm整体结构整体结构d=30180块状结构块状结构d30破裂结构破裂结构dR。

一、平直结构面的抗剪强度一、平直结构面的抗剪强度二、二、理想化粗糙结构面模型楔摩擦效应

（1）爬坡角爬坡角与与剪胀现象剪胀现象

（2）剪切强度）剪切强度作用在斜面作用在斜面AB上的法向力和切向力分别为：

上的法向力和切向力分别为：

式中：

式中：

为结构面为结构面AB上的正应力和剪应力，上的正应力和剪应力，j为为AB面上面上的摩擦角。

的摩擦角。

PattonPatton公式公式较小时，抗剪强度较小时，抗剪强度tg（j+）;爬坡效应爬坡效应较大时，抗剪强度较大时，抗剪强度c+tgj,其中其中c为视内聚力。

为视内聚力。

切齿效应切齿效应试验试验表明：

表明：

低法向应力的剪切，结构面有剪切位移和剪胀；高法向应力的剪切，低法向应力的剪切，结构面有剪切位移和剪胀；高法向应力的剪切，凸台剪断，结构面抗剪强度最终变成残余抗剪强度。

在剪切过程中，凸台起伏凸台剪断，结构面抗剪强度最终变成残余抗剪强度。

在剪切过程中，凸台起伏形成的粗糙度以及岩石强度对结构面的抗剪强度起着重要作用。

形成的粗糙度以及岩石强