岩石结构面、力学性质岩体力学.ppt
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1、3.1 概述 工程涉及的实际岩体与实验室内测试的岩石试件的力学性能有着很大的差别,引起这种差别的主要因素有:(1)岩体的非连续性;(2)岩体的非均质性;(3)岩体的各向异性;(4)岩体的含水性等。其中最关键的因素是岩体的非连续性。,结构面(亦称弱面):岩体内存在的各种地质界面,包括:不连续面和物质分异面,如裂隙、节理、层理、软弱夹层、断层及断裂破碎带等。,结构体(亦称岩块):岩体中的各种结构面依其本身的产状,彼此组合将岩体切割成形态不一、大小不等以及成分各异的岩石块体,称为结构体。,岩体的变形与强度,取决于构成岩体的岩块和结构面的力学性能。结构面弱化了岩体的力学性能,决定了岩体工程的稳定性,导
2、致岩体的各向异性,成为岩体渗流的主要通道。大至地震、滑坡,小到地下工程的冒顶、片邦,一般都是沿结构面活动和发展的。,3.2 岩体结构的基本类型 岩体结构是指岩体中结构面与结构体的空间排列组合特征。岩体结构包括两个基本要素或称结构单元,即结构面和结构体。3.2.1 结构体特征 结构体的大小及形态主要取决于结构面的密度及其空间组合关系。结构体常见的形状有:块状、柱状、层状、板状、碎块状及碎屑状。,3.2.2 岩体结构的类型 在岩土工程勘察规范(GB 50021-2001)中,将岩体结构划分为5大类(见下表)。,3.3 结构面的特性3.3.1 结构面的几何特征3.3.1.1 结构面的产状 是指结构面
3、在空间的分布状态,可由走向、倾向和倾角三要素来表示。(1)走向:是指结构面与水平面相交的交线方向;(2)倾向:是与走向成垂直的方向,它是结构面上倾斜线最陡的方向;(3)倾角:是指水平面与结构面之间所夹的最大角度。由于走向可根据倾向来加以推算,故一般只用倾向、倾角来表示。,结构面产状由倾向角和 倾角确定。表示结构面的外法线,设为单位矢量,则在坐标轴上的分量分别为:sinsin,sincos,con。这样,结构面的空间方位就可用单位矢量来表示,即=(sinsin,sincos,con),3.3.1.2 结构面的连续性 结构面的连续性又称为结构面的延展性或贯通性,常用迹长、线连续性系数和面连续性系数
4、表示。(1)迹长 结构面与勘测面交线的长度,称为迹长。国际岩石力学学会(ISRM,1978年)制订的分级标准(见下表)。,(2)线连续性系数 Kl 是指沿结构面延伸方向上,结构面各段长度之和与测线长度的比值。,(3)面连续性系数 Ka 是指结构面延伸方向,结构面面积之和与被测试岩体总面积的比值,即 式中:a结构面面积之和,m2;A被测试岩体总面积,m2;,3.3.1.3 结构面的密度 是指结构面发育的密集程度,常用线密度、间距等指标表示。(1)线密度 K:是指结构面法线方向单位测线长度上交切结构面的条数(条m);(2)间距d:是指同一组结构面法线方向上两相邻结构面的平均距离。两者互为倒数关系,
5、即,当岩体上有组方向的结构面时,如下图所示,有两组结构面:则沿测线上的n组结构面间距为:,.,结构面的密度为:ISRM(1978年)结构面密度分级标准(见下表)。,3.3.1.4 结构面的张开度 是指结构面两壁面间的垂直距离,分级见下表。,注意:一般张开结构面具有较大的张开度,往往成为地下水的通道。在漫长的地质年代作用下,水流中得一部分物质残留或沉积在结构面中;结构面的面壁被风化后,也会有一部分物质遗留下来;另外,由于后期的地质作用,使得张开的裂缝由一些矿物重新胶结在一起等。这些处在结构面裂缝中的物质被称作充填物,此时结构面的强度将主要由充填物决定。,3.3.1.5 结构面的形态 通常用结构面
6、侧壁的粗糙度及起伏度来描述。(1)结构面的粗糙度 可用粗糙度系数JRC(Joint Roughness Cocfficient)来表示。巴顿(Barton,1977)提出将结构面粗糙度分为10级,分别给出了典型剖面及JRC的值,见右图。,在实际工作中,可用结构面纵剖面仪测出待测结构面的实际粗糙剖面,然后与上图的标准剖面对比确定结构面的粗糙度系数。这种方法显然带有目测的主观性,误差较大。比较准确的方法是采用巴顿提出的结构面抗剪强度公式,通过结构面压剪试验,反算结构面粗糙度系数,即,式中:结构面压剪试验峰值时的剪应力,MPa;结构面压剪试验峰值时的正应力,MPa;基本摩擦角(未风化平滑结构面的摩擦
7、角),;JCS结构面壁面抗压强度,MPa。,国际岩石力学学会(ISRM)建议采用施密特锤(Schmidt锤,即回弹仪)测试结构面壁面抗压强度。根据实验测定的回弹值,按下式计算,即 式中:岩石的重度,kN/m3;R回弹值(无因次)。,(2)结构面的起伏度 可用起伏角来描述,见下图。,3.3.2 结构面的分类按地质成因分类 根据地质成因的不同,可将结构面划分为:(1)原生结构面 沉积结构面;岩浆结构面;变质结构面。(2)构造结构面(3)次生结构面,3.3.2.2 按结构面破坏属性分类 缪勒(Mller)根据岩体结构面的破坏属性和分布密度两方面的因素,将结构面分为5大类型:(1)单个节理;(2)节理
8、组;(3)节理群;(4)节理带;(5)破坏带或糜棱岩。再考虑按节理中的充填材料性质和充填程度,又将每种类型分成3个细类。这样,共将结构面分为15个细类。,1a-粗节理;2a-粗节理组;3a-巨节理群;4a-带有羽毛状节理的粗节理;5a-破裂带;1b-充填风化物的粗节理;2b-充填风化物的粗节理组;3b-带有巨节理的破坏带;4b-带有边缘粗节理的破坏带;5b-近糜棱岩(构造角砾)带;1c-有粘土充填的粗节理;1-由粘土组成的破坏带的粗节理;2c-充填粘土的粗节理群;3c-带有糜棱岩的巨节理;4c-带有粗节理的糜棱岩带;5c-糜棱岩带,3.3.3 结构面的分级(见下表),3.3.4 结构面的试验方
9、法 对于结构面,其尺寸从几厘米到数十千米。在进行岩体的稳定性分析时,对于结构面的影响不可能不分巨细地一概单独考虑。通常认为极细小的结构面,其影响包含在岩块的变形或强度试验指标中;较小的结构面,其影响则包含在岩体的变形或强度试验指标中;对于与工程尺度相当的较大型结构面,如隧道围岩中长度大于45m的结构面,其影响应该专门考虑,并进行必要的试验研究。如在有限元等数值计算方法中,一般将结构面划分为特有的“节理单元”。,结构面力学性质的研究,同样可以通过试验的方法。结构面一般为软弱的地质界面,其破坏方式一般为剪切破坏,所以研究结构面在剪应力作用下的抗剪强度及其变形性质显得格外重要。,3.3.4.1 倾斜
10、仪法 将带有弱面的岩块放在倾斜仪上,施加水平推力P,使试件沿弱面发生剪切破坏,见下图。,当试件沿结构面发生剪切破坏时,作用在结构面上的应力有:,式中:P试件沿结构面发生剪切破坏时所施加的最大荷载,MN;A剪切破坏面(即结构面)的面积,m2;倾角,;结构面的抗剪强度,MPa;作用在结构面上的正应力,MPa。,如变动倾角,就可得到一组(,)数据,并在坐标系上画出结构面的抗剪强度曲线,见下图。,3.3.4.2 直剪仪法 利用直接剪切仪测定结构面的抗剪强度及其变形性质,见下图。,一般压剪(容许剪胀),刚性压剪(不容许剪胀),首先施加正应力N,并保持其恒定不变。然后施加切向力T,并按一定加载速度增大T值
11、,直到试件沿结构面发生剪切破坏为止。当试件沿结构面发生剪切破坏时,作用在结构面上的应力有:,式中:T试件沿弱面发生剪切破坏时所施加的最大切向力,MN;N正压力,MN:A剪切破坏面(即结构面)的面积,m2;结构面的抗剪强度,MPa;作用在结构面上的正应力,MPa。,试验时,取n个相同的岩石试件,并含有相同的结构面。每次试验时所施加的N值都不相同,这样便得到n组(,)数据,并在坐标系中标出这些试验点,同样可获得结构面的抗剪强度曲线。,3.3.4.3 三轴仪法 当结构面具有很大的倾角时,可采用三轴压缩试验的方法确定结构面的抗剪强度曲线。采用圆柱形试件,含有结构面,如下图所示。,首先保持围压恒定不变,
12、并按一定加载速度增加轴压直至试件沿结构面发生剪切破坏,记录下试件沿结构面发生剪切破坏时的轴向应力和围压。,试验时,取n个相同的岩石试件,并含有相同的结构面。但每次施加的围压都不相同,这样便可得到n组剪切破坏时的(1,3)数据,从而可画出一组极限应力圆,如下图所示。在极限应力圆上找出代表弱面的点,连接这些点便得到结构面的强度曲线。,3.3.4.4 现场试验法(原位)在现场就地切割岩体,靠千斤顶或扁千斤顶施加正应力和剪切力,从而测定结构面的抗剪强度。,1施加正压力的扁千斤顶;2施加剪切力的扁千斤顶;3混凝土垫层;4石灰岩;5褐煤,3.3.5 结构面的变形性质结构面在受压时可能闭合,充填物被压密;受
13、拉时可能脱开;受剪时其上下岩面可能沿弱面发生相对错动。,3.3.5.1 结构面的压缩变形性质(1)“-v”曲线 在法向应力作用下结构面的法向变形特征通常用“-v”曲线来表示(为作用在结构面上的法向应力,v为结构面法向相对变形)。采用上述试验方法不施加剪应力,便可获得结构面的“-v”曲线。,(a)具有抗拉能力的结构面;(b)无抗拉能力的结构面。结构面在天然岩体中的初始应力;St 结构面的抗拉强度;Vmc 结构面的极限压密量,试验结果表明,“-v”曲线不是线性的,因而其法向刚度系数Kn(“-v”曲线的切线斜率)也不是常数。当法向应力大于初始应力(。)时,结构面闭合。当法向应力小于初始应力(。)时,
14、结构面要张开。有抗拉能力的结构面和无抗拉能力的结构面的曲线形式有所不同。一般情况下,只研究。条件下结构面的压缩变形性质及其本构关系。,(2)古德曼与班迪斯()经验方程“-v”曲线可以通过上述试验方法确定,古德曼(R.E.Goodman,1974年)提出用下面的经验方程来拟合,即,式中:。结构面在天然岩体中的初始应力,MPa;Vmc 极限压密量(即结构面的法向最大压缩量),mm;A,t试验参数。,班迪斯(S.C.Bandis,1984年)提出了双曲线形关系式,即,式中:a,b试验参数。,3.3.5.2 结构面的剪切变形性质(1)“-u”曲线 在法向应力恒定条件下结构面的剪切变形特征通常用“-u”
15、曲线来表示(为作用在结构面上的剪应力,u为结构面相对剪切位移),简称为剪切位移曲线。大量的试验结果表明,单组结构面的“-u”曲线均为非线性曲线。根据剪切变形机理不同,可分为脆性变形型(下图的A曲线)和塑性变形型(下图的B曲线)两类曲线。,曲线的切线斜率Ks(称为“切向刚度系数”),(2)力学模型及本构方程 塑性变形型一般简化为弹塑性模型。,脆性变形型一般简化为多线性模型。,(3)法向应力的影响,值越大,产生同样剪切位移所需的剪应力越大,3.3.5.3 剪切膨胀特性 许多岩体在剪切破坏过程中要发生体积膨胀,这是因为结构面或软弱夹层两壁不可能十分光滑,剪切破坏面也不可能很平整的缘故。我们把在法向应
16、力作用下沿着具有一定粗糙度的裂面剪切时所产生的体积膨胀现象称为剪胀现象,亦称扩容现象。下图给出了某地大理岩夹层面剪切试验时的实测“vu”曲线。,剪胀现象也是近年来研究较多的重要现象,由于岩体的剪胀或碎胀,对支护体要产生较大的附加压力。,3.3.6 结构面的抗剪强度 在工程荷载作用下,岩体破坏常以沿某结构面的滑动破坏为主。因此,在岩体力学中主要研究结构面的抗剪强度。结构面的抗剪强度取决于:结构面的接触类型;壁面情况及粗糙程度;两侧岩石的性质;充填物的性质等。,结构面的接触类型主要有6种:,(a)开口节理;(b)充填节理;(c)啮合齿状节理;(d)非啮合节理;(e)单层块状充填节理;(f)多层块状
17、充填节理,3.3.6.1 充填节理的抗剪强度准则 对于充填节理,其抗剪强度主要取决于充填物的性质。一般认为服从库仑准则,即,式中:Ci 充填物的粘结力,MPa;i 充填物的内摩擦角,;,结构面发生剪切破坏时的剪应力与正应力,MPa。,3.3.6.2 啮合齿状结构面的抗剪强度准则天然状态中的岩体结构面多数都是粗糙起伏的,通常把这种起伏假设为齿状,当结构面发生剪切破坏时,岩体的上盘顺齿面上升,显示出剪胀效应(俗称“爬坡效应”),这种效应增加了结构面的抗剪强度。其剪胀程度与结构面上的法向应力密切相关,法向应力越大,剪胀越小。这是因为推动上盘岩体滑动所需的剪切力随着法向应力增加而增大,当增大到某极限时
18、,结构面的接触齿就会被剪断(俗称“切齿效应”)。齿被剪断后变为充填物,此时啮合齿状结构面转变为充填结构面。,(1)齿的作用分析 无齿时(平直结构面):或 时,即滑动。有齿时(规则齿状结构面):则,有齿时的滑动(极限平衡)条件为:,对于规则齿形结构面,与无齿时的平直结构面相比较,相当于内摩擦角增加了“i”角,i称为滑升角。这说明,由于起伏齿的作用,使得结构面的内摩擦角从增加到(+i),从而提高了结构面的抗剪强度,这是爬坡效应爬坡效应所产生的必然结果。,事实上,啮合齿状节理不可能为规则的锯齿形。那么滑升角i值应该怎样确定呢?巴顿(N.Barton,1977年)通过试验建立了下面的经验公式,即,式中
19、:JRC结构面粗糙度系数,无因次;JCS壁面抗压强度,MPa;结构面所受的正应力,MPa。,(2)佩顿()双线性强度准则,当 t 时,剪切滑移时齿互相骑越,产生爬坡效应,齿没有被剪断,表现为摩擦强度特征,则式中:i滑升角,;基本内摩擦角(未风化平直结构面的内摩擦角),。,当t 时,剪切滑移时齿被剪断,产生切齿效应,从而表现出似粘结力 Cr,结构面的内摩擦角降低至r,则 式中:Cr 因齿被剪断而呈现出的似(等效)粘结力,MPa;r 齿剪断后结构面的内摩擦角,。,(3)莱旦尼(Ladanyi)与阿彻姆包特(Archambault)准则(简称L&A准则)莱旦尼与阿彻姆包特认为,结构面的总剪切破坏力是
20、由四部分组成的,即:克服平直结构面摩擦力所需要的剪切力;使倾斜结构面上块滑升所需要的剪切力;克服结构面斜齿面在垂直投影面上摩擦力所需要的剪切力;使一部分齿被剪断所需要的剪切力。,准则方程为:,式中:s 比例系数(即齿被剪断部位总面积与结构面总剪切面积之比),其值为0s 1;Kv剪胀率(结构面的垂直位移与水平位移之比,即);C0 结构面两侧岩石的粘结力,MPa;0结构面两侧岩石的内摩擦角,;,s和Kv 的经验公式:,式中:L,K 经验系数,对粗糙岩面K=4;L=1.5。,几点讨论:1)L&A准则图形如下图所示,为一连续的弯转曲线。试验结果表明,该准则方程及其曲线能很好地拟合一些齿状结构面的试验结
21、果。,2)当结构面上的正应力较低时,不会出现切齿现象,则s=0,可得Kv=tan i,=tan(+i)与佩顿双线性强度准则相同;3)当结构面的正应力达到了结构面的壁面抗压强度,即=JRS时,可得s=1,Kv=0,=C0+tan0,转化为岩块强度的库仑准则;4)当无剪胀时,Kv=0,可得:,L&A准则同时考虑了齿被部分剪断和剪胀现象,是比较完善的结构面强度理论。但由于比例系数s与结构面的接触类型、结构面所受正应力、节理的啮合情况等许多因素有关,其值较难精确确定,故在一定程度上限制了该理论的实际应用。而对于双线性强度准则,由于概念清晰,参数少,在工程中应用较为广泛。,3.3.6.3 结构面剪切破坏
22、的判断方法及影响区间 在实际工程中,往往可以通过测试手段测出主应力的大小及作用方向,也可探明结构面与主应力方向相交的角度,如下图所示。,在这种条件下,怎样判断作用在结构面上的剪应力是否达到或超过其抗剪强度而使结构面发生剪切破坏呢?,首先在坐标系统绘制拟判断结构面的强度曲线。然后在同一图上,根据岩体中的最大主应力1和最小主应力3绘制应力圆,并在应力圆上定出代表结构面应力状态的点。因为结构面与最小主应力3的夹角为,所以应当从3做一直线AB与轴呈角。直线AB与应力圆相交于M点,该点就是代表结构面应力状态的点,M点的坐标(,)即为作用于结构面上的应力值。根据M点是落在强度曲线上方或下方,来判断结构面是
23、否发生破坏。当M点落在AF弧(不包括F点)或DE弧(不包括D点)上时,(为结构面抗剪强度),表示M点代表的结构面不会发生剪切破坏;当M点落在F、D两点上时,表示刚好沿结构面发生剪切破坏(或称之为极限平衡状态);当M点落在FD弧(不包括F、D点)上时,表示岩体早已沿结构面发生剪切破坏,这种状态事实上不可能存在。,从上述分析可以看出,当结构面与最小主应力3作用方向的夹角在1与2区间内时,岩体才会沿结构面破坏。如果结构面不是位于这两个角度范围内,它就不能对岩体强度起控制作用,岩体将沿新的某个剪切面破坏。则1,2定义为结构面的影响区间。,3.3.7 影响结构面力学性质的因素结构面是岩体中的薄弱环节,其
24、力学性质的影响因素包括:结构面两侧岩石的力学性质(已讲);结构面几何特征(已讲);充填物的性质(已讲);结构面的尺寸大小;前期变形历史;含水量;后期加载过程等。,3.3.7.1 尺寸效应(表现规律)(1)随着结构面面积的增加,峰值剪应力(峰值强度)呈现减小趋势;(2)随着结构面尺寸的增大,达到峰值强度的位移量增大;(3)随着尺寸的增大,剪切破坏形式由脆性变形型向塑性变形型转化;(4)尺寸加大,峰值剪胀率减小;(5)随结构面粗糙度减小,尺寸效应也减小。,3.3.7.2 前期变形历史天然岩体中的结构面在形成过程中和形成之后,大多经历过位移或变形。新鲜结构面的抗剪强度明显高于受过剪切作用结构面的抗剪
25、强度,即结构面的抗剪强度与变形历史密切相关。耶格()通过试验发现,当第1次进行新鲜结构面剪切试验时,试样具有很高的抗剪强度。沿同一方向重复进行到第7次剪切试验时,试验还保留峰值与残余值的区别,当进行到第15次时,峰值与残余值已非常接近。,3.3.7.3 含水量水对泥夹层有软化作用,含水量的增加使泥质矿物粘结力和结构面内摩擦角急剧下降,使结构面的抗剪强度大幅度下降。暴雨引发岩体沿结构面发生滑坡事故,正是由于结构面含水量增加的缘故。水对岩体稳定性的影响是不可忽视的。,3.3.7.4 时效性(监测的重要性)有些结构面具有时效性,在恒定荷载下会产生蠕变变形。一般认为,充填结构面长期抗剪强度比瞬时抗剪强
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