第3章 岩体的力学性质ppt课件.ppt

第3章 岩体的力学性质,本章内容概述岩体结构基本类型岩体结构面结构面的力学性质岩体的变形特征岩体的强度特征岩体的水力学性质岩体质量评价及其分类,本章重点难点：1、岩体结构；2、结构面的力学特征 3、岩体的强度特征 4、岩体的破坏机理 5、岩体分类。关键术语：岩体结构，岩体强度，准岩体强度；岩体变形，岩石RQD质量指标；完整性系数；岩石坚固性系数要求：1、掌握本课程重点难点内容；2、了解几种有代表性的岩体分类方法；3、了解我国工程岩体分级标准（GB5021894）,3.1 概述,结构面：是指岩体中存在着的各种不同成因和不同特性的地质界面，包括物质的分界面、不连续面如节理、片理、断层、不整合面等。坚硬结构面（干净的）软弱结构面（夹泥的夹层的）结构体：由结构面在岩体中切割而成的几何体称为结构体（岩石）。块状结构体（三维相差不大）板状结构体（板状）岩体：结构面和结构体的地质统一体。,岩体的力学性质：岩体抵抗外力作用的的能力岩体力学性质的影响因素：结构体的力学性质：结构体本身强度 结构面的力学性质：粗糙起伏、尺寸效应、各向异性、开闭 岩体结构的力学效应：结构面空间分布、组合 环境影响：水：主要是岩石的水理性质和水压力作用 温度：地下温度与深度的关系 地应力：三维应力状态影响承载能力 地应力影响岩体变形与破坏机制 应力传播-不连续的岩体变成连续岩体的力学性质要研究的具体对象,3.2 岩体结构基本类型,3.2.1 岩体结构分类依据第一依据-结构面类型，它规定了结构级序 软弱结构面：级结构 坚硬结构面：级结构第二依据-结构面切割程度及结构体类型，它规定了岩体结构的基本类型 级结构：块状结构体-块裂结构 板状结构体-板裂结构 级结构：结构面贯通切割-碎裂结构 结构面断续切割-断续结构 无显结构面切割-完整结构 过渡型岩体结构：软硬面混杂、无序排列-散体结构亚类划分依据：依据岩体的原生结构 如碎裂结构可分为：块状碎裂结构、层状碎裂结构,3.2.2 岩体结构分类方案,级结构：切割形成的结构面大多与区域构造有关 或与不连续层面有关 贯通切割 不是一个完整体 无约束将自然分离级结构：由次级结构面切割而成 完整结构（无显结构面切割）断续结构（断续结构面切割）碎裂结构（坚硬贯通结构面切割）,过渡型结构：,散体结构（软硬结构面混杂切割）多为断层破碎带和强风化带中 关于断层破碎带 关于强风化带（四川石棉矿大坪分矿山例）两种特点：结构面排列无序 结构面软硬混杂参见Tab 3-1，Page78,3.2.3 各类岩体结构的地质特征,1、完整结构岩体 碎裂结构后天愈合而成 愈合形式有两种：压力愈合，胶结愈合 压力愈合，使具有粘性散体粘接在一起 胶结愈合，含硅、钙、铁质成分侵入“粘的不如原生的牢”2、块裂结构岩体 一组或数组软硬结构面切割而成（多为错动过）参与切割的结构面一般延展较长 形成形状各异的块体,3、板裂结构岩体,主要是层状岩体受褶皱作用产生层间错动所致4、碎裂结构岩体 多组结构面 结构面贯通 结构体尺寸大（常以米计）5、断续结构岩体 不连续结构面切割所致 不形成结构体 受力后结构面端部应力集中而破坏6、散体结构 碎屑状散体结构：结构面软硬混杂、无序切割，结构体呈砾状，大小不一（块度较碎裂结构小）。分构造型和风化型 糜棱化散体结构：断层内磨蚀，或风化所致,结构体的形状,1、板状结构体：,2、柱状结构体：,3、锥形结构体：,结构体的形状与岩石类型有关；与区域构造运动强度有关；与工程围岩的破坏方式有关。,3.2.4 岩体结构对于工程的相对性,之所以要研究岩体结构，是因为人类要在岩体内部或上方作工程 工程尺寸不同，岩体结构对其稳定性影响也不同 同一岩体，在其内部开挖隧道或钻孔，稳定性不同,3.3 结构面及其充填特征,结构面具有一定方向、延展较大、厚度较小、变化复杂、二维地质界面 使岩体构造上不连续、非均质3.3.1 结构面的类型及其特征1、原生结构面 沉积结构面：沉积岩成岩石过程中形成的地质界面 常见形式：层面、层理、沉积间断面（不整合、假整合）、原生软弱面等。沉积结构面产状与岩层相同 沉积面特征决定于沉积环境 海相：延展范围广、分布稳定 陆相：易尖灭、透镜或扁豆体 沉积结构面的特征：常见泥裂、波痕、交错层理、缝合线、古生物遗迹、古风化残积物、软弱夹层等,火成结构面：岩浆侵入、冷凝、喷溢所形成的结构面 常见形式：流层、流线、火山岩流接触面、各种蚀变面挤压破碎带、原生节理等 接触带延展强 原生节理延展不强，粗糙起伏，平行或垂直接触面，有时充填 充填节理、挤压破碎带、蚀变带较弱变质结构面：岩体变质过程中所形成的结构面 常见形式：片理、片麻理、板理、软弱夹层等 结构面产状：与岩层一致 延展性差，分布密集，除板理外，其余都较粗糙 抗剪强度低，含水后更差2、构造结构面 构造结构面是地壳构造运动作用产生的结构面 常见形式：劈理、节理、断层、层间错动等 大小不一、宽窄不一、起伏粗糙不一、充填不一,3、次生结构面 次生结构面？地表附近外部影响引起产生的结构面 风化所致 地下水所致 卸载所致 冲击震动所致（如爆破、天外陨石）结构面类型及特征：参见Tab 2-2,Page 843.3.2 结构面的分级 级结构面：区域构造控制面，如断层，延展范围大，公里级 级结构面：一般构造断裂延展性强而宽度有限，米到公里级 级结构面：延展性差的小型构造断裂，米到百米级 级结构面：延展性较差的成组分布的节理，米级 级结构面：延展性极差的随机性小节理，米级及其以下 前三级为实测结构面，后两种为统计结构面 结构面分级及其特征：参见Tab 2-3，Page 87,3.3.3 结构面状态 结构面的分类：按照贯通与否，可分作三类 非贯通结构面 半贯通结构面 贯通结构面,结构面的分布 结构面对岩体强度影响，与结构面性态、结构面的分布相关 结构面的产状 结构面的形态 结构面的延展度 结构面的密集度 岩体裂隙度 K 节理平均间距 d 岩体中有多组节理时,岩体的切割度 Xe 岩体的切割度是指岩体被切割分离的程度 切割度：等于某节理的岩体中的面积除以该方向岩体截面积 当一贯截面方向多个节理时 某个节理组产生的切割度 结构面的充填物 充填物的 C、值较两壁小得多 当充填物含水时，降低更明显,3.4 结构面的力学性质,1、结构面的法向变形Goodman理论：法向变形与压力关系 刚度系数,Bandis理论：法向变形与压力关系 刚度系数（理论）刚度系数（经验）初始刚度系数与最大闭合量,2、剪切变形结构面粗糙无充填时 结构面剪切变形过程：分光滑结构面与粗糙起伏结构面 剪切过程（在正压力作用下）：初始表现弹性 不同起伏粗糙度剪切变形曲线不同 剪切刚度 Goodman经验公式,粗糙起伏节理面的剪切骑越,结构面含有充填物时 张性结构面常常含有充填物。当充填物较两壁软弱时，对结构面剪切试验充填物厚度大于结构面起伏度时充填物厚度小于结构面起伏度时 讨论：剪切应力与位移关系变化,3、抗剪强度,平直结构面问题 张性结构面 未贯通或胶结结构面,粗糙结构面 剪胀的概念 剪胀角的概念 剪胀角的几何含义,JRC的确定 结构面分形曲线的测定 目测确定 计算确定 p-峰值剪切角，可用倾斜滑移倾角确定，亦可用下式计算 结构面峰值剪切强度的尺寸效应（随着尺寸增大而减小）随着尺寸增大：峰值强度时位移增大 剪切破坏由脆性向延性变化 峰值剪胀减小 随着粗糙度减小，尺寸效应减小,结构面接触的尺寸效应 结构面面积大，接触面积大，接触点少 结构面面积小，接触面积小，接触点多结构面抗剪强度与结构面形成历史关系 新鲜结构面抗剪强度大 古老结构面抗剪强度小结构面抗剪强度与剪切试验次数的关系 初次剪切，抗剪强度高 随着剪切次数的增加，抗剪强度逐渐降低 剪切次数充分多，结构面磨平，无剪切峰值，摩擦问题讨论：结构面抗剪强度受充填层的影响 充填层厚度大于起伏度 充填层厚度小于起伏度 充填物含水的情形,岩体中含有结构面，岩体的受理变形受结构面力学特性、分布情况和产状直接影响1、岩体的单轴和三轴压缩变形 岩体单轴压缩变形特性 试验方法：岩柱试验（常用来测强度）表面承压板法,3.5 岩体的变形特性,采用何种加荷方式，可根据岩体结构和工程要求而定。完整岩体：可采用大循环加荷方式，以确定岩体在不同荷载下的变形特性；,多裂隙岩体：可采用多循环或单循环加荷方式，以了解各种结构面对岩体变形的影响。,加荷方式,（1）直线型：坚硬、完整无裂隙岩体,（2）下凹型：节理裂隙发育，泥质充填，岩性软弱,（3）上凹型：坚硬但裂隙发育，多呈张开而无充填物,单调加载时 压密阶段明显 逐级循环加载时 形成回滞环不断后移，且有一定弹性滞后 峰值后应力下降缓慢，且有残余应力 岩柱试验测得变形模量,当存在弹性后效（滞弹性）,三轴压缩变形特征 类似单轴压缩试验，底板保留水平约束，垂直方向单轴施加压力进行压缩实验,另施围压试验 应力应变曲线与单轴类似,上述承压板法测得弹性模量或变形模量偏低 岩体动弹性模量Ed的测定：采用小量药包爆炸激发地震波，在距震源一定距离设置检波器，检测弹性波。根据弹性波波速算出动弹性模量 Ed 和动泊松比d。,式中：vp,vs-分别为纵波波速和横波波速，-为岩体密度。一般而言：Ed Ee,d。,2、岩体剪切变形特征 剪应变与剪应力关系曲线 屈服前与压应力应变曲线相近 屈服以后应力反复升降 峰值后陡降，然后残余抗剪强度,3、岩体各向异性特征 主要有两个因素决定了岩体的非各向同性 其一是组成岩石结构体物质结构的方向性 其二是结构面的方向性 结构面的方向性的影响：分离度=1/3和=2/3两组结构面,3.6 岩体的强度特性,岩体的强度的概念岩体的抗压强度与抗剪强度岩体强度的影响因素，结构面力学性能与方位较突出1、岩体强度的测定岩体单轴抗压强度的测定,岩体抗剪强度的测定 双千斤顶法,单千斤顶法,岩体三轴压缩强度试验 试验方法 试验数据处理：不同围压 不同轴向压力强度,2、单结构面的强度效应 岩体中有单一结构面如图 在加载试验中，结构面上应力,将前两式代入结构面强度曲线方程,F,将前两式代入结构面强度曲线方程 得结构面剪切破坏条件,或用摩擦系数表示之,上式左边大于右边，岩石将沿着结构面破坏，等式成立则极限平衡,岩体沿着结构面破坏条件讨论 上式中为/2和w，使等式成立需1所以说不会沿着结构面破坏 研究1的最小值，将其对求导并令之等于0 则有,若不沿着该结构面破坏,沿着结构面破坏的取之范围 通过几何关系可以确定,岩体三轴抗压强度 对于结构面 对于无结构面的岩石 当 岩体强度就是结构面的强度 当 岩体的强度就是岩石结构体的强度 当3=0，岩体单轴应力状态下结构面影响问题,3、多结构面岩体的强度,4、岩体强度的估算 准岩体强度 关于弹性波的概念 声波或超声波在岩石或岩体中的传播速度 岩体完整性系数 准岩体强度 Hoek-Brown经验方程,3.7 岩体质量评价及分类,岩体分类的意义：人类生产生活活动与岩体的关系（地下工程、低级工程、边坡工程等）岩体的特殊性：特殊地质体（成岩年代、矿物组成、结晶类型、风化程度、原岩应力、构造行迹、结构面.）1、按岩芯质量指标分类,蒂尔（Deer,1968)提出根据钻探时岩芯完好程度来判断岩体的质量，对岩体分类。,式中：li 所取岩芯中10cm长度的岩芯段的长度；L钻进岩芯的总程度，m。,2、按岩体结构类型分类 中国科学院地质研究所，将岩体按照结构类型分成四类，每一类又分成23个亚类,3、按岩体质量分级,我国工程岩体分级标准（GB50218-94),、工程岩体分级的基本方法确定岩体基本质量 标准认为岩石的坚硬程度和岩体完整程度决定岩体的基本质量。岩体基本质量好，则稳定性好；反之，稳定性差。,A、采用饱和岩石单轴抗压强度C划分岩石坚硬程度,C与点荷载强度指数的关系：,是指直径50mm圆柱试件径向加压时的点荷载强度。,B、采用完整性系数Kv划分岩体完整程度,岩体体积节理数Jv(条/m3)：,式中：Sn第 n组节理每米长测线上节理的条数；Sk每立方米岩体非成组节理条数。Jv与Kv的对照关系：,岩体基本质量分级,A、岩体基本质量指标（BQ)的计算,注意：当C 90Kv+30 时，应以C=90Kv+30 代入上式计算Q值；当Kv 0.04C+0.4时，应以Kv=0.04C+0.4代入上式计算Q值；,式中：BQ岩体基本质量指标；C岩石饱和单轴抗压强度(Mpa);Kv岩体完整性系数。,B、按BQ值进行岩体基本质量分级,基本质量指标BQ值的修正,结合工程具体情况，对BQ进行修正，修正值BQ按下式计算：式中：K1地下水影响修正系数；K2主要软弱结构面产状影响修正系数；K3初始应力状态修正系数。,A 地下水影响修正系数 K1,B 主要软弱结构面产状影响修正系数 K2,C 初始应力状态修正系数 K3,、工程岩体分类标准的应用,岩体物理参数的选用 工程岩体的级别一旦确定，可按表选用岩体的物理参数和结构面的抗剪强度参数。地下工程岩体自稳能力的确定 自稳能力：工程跨度、自稳时间、落块、塌方,岩体级别与岩体物理力学参数,岩体级别与岩体结构面抗剪强度参数,岩体级别与地下工程岩体自稳能力,注：小塌方：塌方高度6m，或塌方体积 100m3,4、岩体地质力学分级（CSIR分类）南非科学与工业研究委员会（一说是宾尼奥夫斯基）提出CSIR分类指标值RMR，然后进行修正,RMR(Rock Mass Rating)由下列6种指标组成：（1）岩块强度(R1)（2）RQD值(R2)（3）节理间距(R3)（4）节理条件(R4)（5）地下水(R5)（6）节理方向对工程的影响的修正参数（R6）即：,（1）对应岩石强度的岩体评分值R1,（2）对应于岩芯质量指标的岩体评分值R2,（3）对应于最有影响的节理组间距的岩体评分值R3,（4）对应于节理状态的岩体评分值R4,（5）取决于地下水状态的岩体评分值R5,（6）节理方位对RMR的修正值R6,节理走向与倾角对隧道掘进的影响,根据总分确定岩体分级,岩体分级的意义 考虑不支护隧道的自稳时间,该分类法已得到比较广泛的应用。,5、巴顿岩体质量（Q）分类,挪威巴顿（Barton）等人于1974年根据隧道工程调查，提出一个用6个参数表达的岩体质量指标Q，作为岩体质量分类依据。,式中：RQD岩石质量指标；Jn节理组数评分；Jr节理面粗糙度评分；Jw按裂隙水条件评分；Ja节理蚀变程度评分；SRF按地应力影响评分（应力折减系数）。Q 反映了岩体质量的三个方面：,为岩体的完整性；,表示结构面的形态、充填物特征及次生变化程度；,表示水与其他应力存在时对岩体质量的影响。,（1）节理组数影响（Jn),（2）节理粗糙度影响（Jr),（3）节理蚀变程度影响（Ja),（4）裂隙水影响（Jw),（5）地应力影响（SRF),地下开挖当量直径：,根据Q值，可将岩体分为9类，如图：,Q分类法评价：考虑的地质因素较全面 定性分析与定量评价相结合 软硬岩均适用-处理极软弱岩层推荐采用 宾尼奥夫斯基（Bieniawski，1976)在大量实测统计的基础上，发现 Q 值与 RMR 值之间具有如下条件关系：,式中：c岩石单轴抗压强度，Mpa f 20 为1级，最坚固；f 0.3为第10级，最软弱。优点：形式简单，使用方便。缺点：未考虑岩体的完整性、岩体结构特征对稳定性影响，故不能准确评价岩体的稳定性。,6、普氏分类法 以岩石试件的单轴抗压强度作为分类依据，根据普氏坚固性系数 f 将岩石分为十级。f 值越大，岩体越稳定。,7、岩石单轴抗压强度分类,我国工程界按岩石单轴抗压强度将岩体分为四类：,8、按岩体完整性系数Kv（龟裂系数）分类,式中：Vpm、Vpr岩体、岩石弹性纵波速度（m/s)。,9、以弹性波速度分类,岩体质量评价与分类的发展趋势,多因素综合评价定性向定量发展利用简易测试手段新理论、新手段结合电算与工程应用想联系,