矿山压力及岩层控制第一章.ppt

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1、第一章 矿山岩石和岩体的基本性质,岩石的物理力学性质是岩体最基本、最重要的性质之一，也是岩石力学中研究最早、最完善的内容之一。本章介绍：岩石的地质构成及分类；岩石物理、力学性质及测定；岩石的破坏机理和强度理论；岩体及其力学特征。,第一节 岩石的基本物理性质,1.概念 岩石：矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集形成的自然物体。（岩石=矿物颗粒+胶结物+孔隙+水）矿物：存在地壳中的具有一定化学成分和物理性质的自然元素和化合物。结构：组成岩石的物质成分、颗粒大小和形状以及其相互结合的情况。(结晶、胶结)构造:组成成分的空间分布及其相互间排列关系。（节理、裂隙、空隙、边界、缺陷）矿物、结构、构造 是影

2、响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素。,一、岩石的基本概念,岩浆岩：强度高、均质性好2.岩石地质分类 沉积岩：强度不稳定，各向异性 变质岩：不稳定，与变质程度和岩性有关,3.沉积岩石的力学特性：不连续性；（物质不能充满空间，有空隙存在）各向异性；（任一点的物理、力学性质沿不同方向均不相同）不均匀性；（由不同物质组成，各点物理力学性质都不相同）岩块单元的可移动性；地质因素影响特性（水、气、热、初应力）（上述特性导致岩石力学的研究方法以实验测试为主）,岩石由固体，水，空气等三相组成。（一）密度（）和重度(体积力)：单位体积的岩石的质量称为岩石的密度。单位体积的岩石的重力称为岩石的重度。所谓单位体

3、积就是包括孔隙体积在内的体积。（g/cm3），g(kN/m3)岩石的密度可分为天然密度、干密度和饱和密度。相应地，岩石的重度可分为天然重度、干重度和饱和重度。,二、岩石的基本物理性质,固体,水,空气,1、天然密度（）和天然重度（）指岩石在天然状态下的密度和重度。,（g/cm3）,(kN/m3),式中：W天然状态下岩石试件的质量(g；)V岩石试件的体积(cm3)；g重力加速度（N/g）。,干密度是指岩石孔隙中的液体全部被蒸发后单位体积岩石的质量，相应的重度即为干重度。,2、干密度（d）和干重度(d),（g/cm3）,(kN/m3),式中：Ws岩石试件烘干后的质量(g)；V岩石试件的体积(cm3)

4、；g重力加速度。,3、饱和密度（）和饱和重度(w),饱和密度就是饱水状态下岩石试件的密度。,式中：WW饱水状态下岩石试件的质量(g)；V岩石试件的体积(cm3)；g重力加速度。,（g/cm3）,(kN/m3),（二）比重（相对密度）(),岩石的比重就是指岩石固体的质量与同体积水的质量之比值。岩石固体体积，就是指不包括孔隙体积在内的体积。岩石的比重可在实验室进行测定，其计算公式为：,式中：岩石的比重；Ws干燥岩石的质量(g);Vs岩石固体体积(cm3);W 40C时水的密重。,（三）岩石的空隙性,空隙：岩石中孔隙和裂隙的总称。,闭型空隙：岩石中不与外界相通的空隙。开型空隙：岩石中与外界相通的空隙

5、。包括大开型空隙和小开型空隙。在常温下水能进入大开型空隙，而不能进入小开型空隙。只有在真空中或在150个大气压以上，水才能进入小开型空隙。,空隙度：指岩石的裂隙和孔隙发育程度，其衡量指标为空隙率(n)或空隙比（e）。,根据岩石空隙类型不同，岩石的空隙率分为：(1)总空隙率n(2)大开空隙率nb(3)小开空隙率nl(4)总开空隙率n0(5)闭空隙率nc一般提到岩石的空隙率时系指岩石的总空隙率。,1、空隙率,(1)总空隙率n:即岩石试件内空隙的体积（VV)占试件总体积(V)的百分比。,(2)大开空隙率nb:即岩石试件内大开型空隙的体积（Vnb)占试件总体积(V)的百分比。,(3)小开空隙率nl:即

6、岩石试件内小开型空隙的体积（Vnl)占试件总体积(V)的百分比。,(4)总开空隙率（孔隙率）n0:即岩石试件内开型空隙的总体积（Vn0)占试件总体积(V)的百分比。,(5)闭空隙率nc:即岩石试件内闭型空隙的体积（Vnc)占试件总体积(V)的百分比。,所谓空隙比是指岩石试件内空隙的体积（V V)与岩石试件内固体矿物颗粒的体积（Vs)之比。,2、空隙比(e),（四）岩石的水理性质,岩石遇水后会引起某些物理、化学和力学性质的改变，岩石的这种性质称为岩石的水理性。1、岩石的吸水性 岩石吸收水分的性能称为岩石的吸水性，其吸水量的大小取决于岩石孔隙体积的大小及其密闭程度。岩石的吸水性指标有吸水率、饱水率

7、和饱水系数。,（1）岩石吸水率(1)：,是指岩石试件在标准大气压力下吸入水的重量W1与岩石干重量Ws之比。,岩石的吸水率的大小，取决于岩石所含孔隙、裂隙的数量、大小、开闭程度及其分布情况，并且还与试验条件（整体和碎块，浸水时间等）有关。根据岩石的吸水率可求得岩石的大开空隙率nb：,式中：W s为干燥岩石的重量；d,w分别为干燥岩石和水的重度。,（2）岩石的饱水率（2）,岩石的饱水率指在高压（150个大气压）或真空条件下，岩石吸入水的重量W2与岩石干重量Ws之比，即：,根据饱水率求得岩石的总开空隙率n0：,式中：Ws为干燥岩石重量；d,w干燥岩石和水的重度。,（3）岩石的饱水系数（Ks）,岩石吸

8、水率与饱水率之比称为岩石的饱水系数，即,饱水系数反映了岩石中大开空隙和小开空隙的相对含量。饱水系数越大，岩石中的大开空隙越多，而小开空隙越少。吸水性较大的岩石吸水后往往会产生膨胀，给井巷支护造成很大压力。,2、岩石的软化性,岩石的软化性是指岩石在饱水状态下其强度相对于干燥状态下降低的性能，可用软化系数表示。软化系数指岩石试样在饱水状态下的抗压强度cb与在干燥状态下的抗压强度c之比，即,各类岩石的c=0.450.9之间。c 0.75,岩石软化性弱、抗水、抗风化能力强；c 0.75，岩石的工程地质性质较差。,3、岩石的膨胀性,岩石的膨胀性是指岩石浸水后体积增大的性质。岩石的膨胀性大小一般用膨胀力和

9、膨胀率指标表示。其测定方法是平衡加压法。,试验中不断加压，并保持体积不变，所测得的最大压力即为岩石的最大膨胀力；然后逐级减压，直至荷载为0，测定其最大膨胀变形量，膨胀变形量与试件原始厚度的比值即为膨胀率。,4、岩石的崩解性,岩石的崩解性是指岩石与水相互作用时失去粘结性并变为完全丧失强度的松散物质的性质。岩石的崩解性一般用耐崩解指数 Id2 的表示。其指标可在实验室用干湿循环试验确定。,试验过程：将经过烘干的试块（500g,分成约10块），放在带有筛孔的圆筒内，使该圆筒在水槽中以20r/min,连续旋转10 min,然后将留在圆筒内的岩块取出烘干称重，如此反复进行两次，按下试计算耐崩解指数。,式

10、中：Id2 两次循环试验求得的耐崩解指数，在0100%之间变化；md试验前试块的烘干质量；mr残留在圆筒内试块的烘干质量；W1 试验前试件和圆筒的烘干重量；W2第二次循环后试件和圆筒的烘干重量；W0试验结束冲洗干净后圆筒的烘干重量。岩石的崩解性指数反映了岩石在浸水和温度变化的环境下抵抗风化作用的能力。,5、岩石的抗冻性,岩石的抗冻性是指岩石抵抗冻融破坏的性能，是评价岩石抗风化稳定性的重要指标。岩石的抗冻性用抗冻系数Cf表示，指岩石试样在250C的温度期间内，反复降温、冻结、融解、升温，然后测量其抗压强度的下降值（c-cf）,以此强度下降值与融冻试验前的抗压强度c之比的百分比代表抗冻系数Cf，即

11、,可见：抗冻系数Cf 越小，岩石抗冻融破坏的能力越强。,6、岩石的透水性,地下水存在于岩石孔隙、裂隙之中，而且大多数岩石的孔隙裂隙是连通的，因而在一定的压力作用下，地下水可以在岩石中渗透。岩石的这种能透水的性能称为岩石的透水性。岩石的透水性大小不仅与岩石的孔隙度大小有关，而且还与孔隙大小及其贯通程度有关。衡量岩石透水性的指标为渗透系数(K)。一般来说，完整密实的岩石的渗透系数往往很小。岩石的渗透系数一般是在钻孔中进行抽水或压水试验而测定的。,（五）岩石的碎胀性,岩石破碎后的体积VP比原体积V增大的性能称为岩石的碎胀性，用碎胀系数来表示。,碎胀系数不是一个固定值，是随时间而变化的。永久碎胀系数（

12、残余碎胀系数）不能再压密时的碎胀系数称为永久碎胀系数.,弹性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形能够恢复的性质。塑性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形不能恢复的性质。粘性（流变性）：物体受力后变形不能在瞬间完成，且应变速度（d/dt）随应力大小而变化的性质。脆性：物体在外力作用下变形很小时就发生破坏的性质。延性：物体能够承受较大的塑性变形而不丧失其承载能力的性质。,第二节 岩石的强度和变形特性,岩石的力学性质包括：变形性质：研究岩石在受力情况下的变形规律 强度特性：研究岩石受力破坏的规律,一、岩石的弹性和塑性：变形分析的重要性（直观、易测、建立模型、准则）1、弹性变形：,

13、线弹性,非线弹性,滞弹性,线弹性直线型；当岩石致密，强度大，压力不高时，为此状态。非线弹性单向曲线型；基本没有。滞弹性双向曲线型，岩石多属滞弹性：滞弹性应力应变不是唯一的对应关系，应变的产生（变化）较应力 的变化有一段时间的滞后。原因：物理学认为，当作用在滞弹性体上的力发生改变时，由于受力体内部物质的粘性或内摩擦的原因，引起变形效应滞后和迟延。滞弹性体具有两个重要性质：弹性滞后由于内摩擦原因，岩石随应力变化出现的变形滞后。弹性后效由于热传导等原因，外力停止变化，而变形仍随时间而缓慢变化。,理想塑性,具有应变硬化的塑性,2、塑性变形：岩石塑性普遍存在；岩石塑性与岩石的组成、结构、构造及外界环境有

14、关。（颗粒及胶结物物质成分、排列结合、含水、温度、应力等）理想塑性超过弹性极限，进入完全塑性状态（极少）；应变硬化超过弹性极限，承载能力随应变增加而增加。,3、一般岩石的变形：瞬时弹性变形 后效弹性变形 塑性变形 岩石与其它金属及晶体矿物不同，因其有节理、裂隙存在，在应力不高阶段，内部结构即有破坏，在产生弹性变形的同时，产生塑性变形。,岩石不是理想的弹性体、塑性体、粘性体，是混合体。有弹塑；塑弹；弹粘塑；粘弹等多种变形特性。（粘性变形不能在瞬间完成，变形速率随应力变化。）典型变形性质：,塑弹塑,S 型,二、岩石单向压缩变形性质：1、轴向变形：2、横向变形：,普通试验机下岩石应力、应变曲线,刚性

15、试验机下岩石应力、应变曲线,刚性试验机,（1）0A段：微裂隙闭合阶段,微裂隙压密极限A。（2）AB段：近似直线，弹性阶段，B 为弹性极限。（3）BC段：屈服阶段，C为屈服极限。（4）CD段：破坏阶段，D为强度极限，即单轴抗压强度。（5）DE段：即破坏后阶段,E为残余强度。,3、全应力应变曲线：,4、岩石的变形指标及其确定：,弹性摸量E：（抵抗变形的能力、应力应变比值）线弹性：直线斜率 非线弹性：切线斜率（变形曲线导数）；割线斜率（割线斜率）；弹塑性：弹性摸量：E=加载曲线段切线斜率=卸载曲线段割线斜率；变形摸量：,曲线呈线性关系（线弹性类岩石），曲线上任一点P的弹性模量E：,曲线呈非线性关系,

16、初始模量:,切线模量（直线段）：,割线模量：,工程上常用E50：,泊松比：（变形传递能力）泊松比岩石横向应变与纵向应变的比值。在弹性阶段：其为常数。在塑性阶段：不为常数。（严格讲，仅在弹性范围适用，对塑性部分不适用,由于引入变形摸量，塑性区可用，最大为0.5。)剪切模量G剪切虎克定律比例系数。拉梅常数将应力应变联系起来的弹性常数。体积模量Kv体积弹性摸量。,5、岩石变形中的扩容现象：扩容现象岩石破坏前，因微裂隙产生及内部小块体相对滑移，导致体积扩大的现象。体应变变形后的体积增量与变形前体积之比。体应变曲线：三个阶段：体积减小阶段0F 体积不变阶段F 体积扩大阶段FT,纵向,横向,体积,T,三、

17、岩石三轴压缩变形性质：1、三轴实验：（真三轴、假三轴）2、三轴抗压强度：3、三轴变形特征：与单轴试验结果基本类似（E、基本相同）；围压增加三向抗压强度增加；峰值变形增加；弹性极限增加；岩石由弹脆性弹塑性应变硬化转变,干砂岩,湿砂岩,四、岩石流变性质：1、岩石流变性质岩石 随时间增长而变化的性质。2、流变现象：蠕 变应力不变，应变随时间增加而增长的现象。（当 时）松 弛应变不变，应力随时间增加而减小的现象。（当 时）弹性后效停止加、卸载，应变需经一段时间达到应有值的现象。粘性流动蠕变后卸载，部分变形不能恢复的现象。,3、蠕变曲线：岩石蠕变的类型：稳定蠕变（低应力）不稳定蠕变（高应力）典型蠕变曲线

18、：（蠕变三阶段）初始蠕变阶段应变增加，但应变增加速率降低；定常蠕变阶段应变增加速率保持不变；加速蠕变阶段应变增加速率迅速增加，直至破坏。,稳定蠕变,不稳定蠕变,典型蠕变曲线,瞬时应变,初始应变,定常蠕变,加速蠕变,与岩石类别有关（粘土矿物岩石蠕变显著）岩石蠕变 与应力大小有关（高应力蠕变明显，超过极限 应力，蠕变进入不稳定阶段）蠕变试验：时间长；测量要求精度高（用千分表）；载荷恒定。研究蠕变的意义：了解岩石的长时强度。长时强度岩石蠕变破坏时的最低应力值。长时强度对岩土工程更为重要。长时强度 强度 瞬时强度,五、岩石的强度性质及测定方法 岩石试件抗压、抗拉、抗剪、三向抗压强度及测定岩石的极限强度

19、岩石破坏时所能承受的最大应力。研究岩石强度的意义：作为岩石分类以及巷道、采煤工作面，顶板分类的主要指标；判断工程稳定性的强度准则的基本参数；地下工程变形区域计算的判据。,（一）岩石的采样与加工：实验所测岩石的各种强度均不是岩石的固有性质。强度指标要受试件尺寸大小、三维比例、形状规格、含水、加载速率等因素影响。国际岩石力学学会（ISRM）对标准试件进行了规定，不标准的要予以修正。要确保试验岩样的天然状态。岩样应具有一定的代表性。钻孔采样时应尽量垂直于层面打孔，偏斜角不大于0.5。采取的岩(煤)块规格大体为长宽高=202015cm。上下端面的不平整度不大于0.1mm，上下端面的直径差不大于0.2m

20、m。试件端面垂直于试件轴的偏差不大于0.001rad。圆柱形试件：4.85.2cm，高H=（22.5)长方体试件：边长L=4.85.2cm,高H=（22.5)L,（二）岩石的单向抗压强度：单轴抗压强度岩石在单轴压缩下，破坏前所能承受的最大压应力。1、试验测试：试验设备：普通压力机（60t、100t、200t）试件：5cm，高径比为2的圆柱体（或5*5*5立方体），每组不少于3块；（国际ISRM规定高径比为2.53，我国为122.5）加载：0.51.0 MPa/s；2、试件破坏形式：X型共轭斜面剪切破坏软塑性岩石多发生，属压剪破坏；单斜面剪切破坏偶尔发生，属压剪破坏；拉伸（劈裂）破坏脆硬型岩石多

21、发生，为泊松效应引起。,单轴压缩试验机,单轴压缩岩石试件破坏形态,3、数据处理：测岩石强度时，需对同一岩样的多个试块进行测试（数量多少依据精度，经济确定），用统计方法，求得平均抗压强度，作为该种岩石的强度指标。单一试件：平均值：各试件偏差：单一测值与平均值的差值 标准方差：反映正负偏差的绝对大小 离散系数：反映平均值的可靠程度（单一强度偏离平均强度的程度），要求小于1520%,（三）岩石单向抗拉强度：抗拉强度在单轴拉伸载荷作用下，破坏时所能承受的最大拉应力。试验设备：直接拉伸万能材料试验机（试件的夹固、轴力共线困难，少用）间接拉伸巴西试验装置（劈裂法）试件破坏形式：拉断、劈裂 抗拉强度：（巴西

22、法）式中：试件破坏时最大压力，N 分别为试件的直径与厚度，m,巴西法,y,x,岩石的抗拉强度最小，约为抗压强度的330%,（四）抗剪切强度：抗剪强度岩石在剪切载荷作用下，破坏时所能承受的最大剪应力。1、试验装置：非限制性剪切（单、双面、冲剪、扭剪）（无正应力）限制性剪切（直剪仪、角摸压剪试验仪）2、试件破坏形式：沿剪切面剪断,3、抗剪强度：纯剪强度（抗切）剪切面上无法向应力时；纯剪强度=内聚力C压剪强度（抗剪）剪切面受法向压应力作用时；抗剪强度=内聚力+内摩擦力重剪强度（摩擦）已有裂面受法向压力，再剪切时；摩擦强度=内摩擦力一般情况下，岩石抵抗剪切的能力由两部分组成：抗剪能力=内聚力+内摩擦力

23、（C、为岩石固有）显然：抗剪强度是一个变化量,4、抗剪强度测试：倾斜压模法用两个钢制的变角剪切夹具改变剪切面的方向，强制剪断，得到该面上的正应力、剪应力，描点得到抗剪强度曲线。,依据强制剪切面上的全应力、及剪切面倾角也可得到抗剪强度曲线。,（五）三轴抗压强度：三轴抗压强度三向压缩作用下，破坏时所能承受的最大压应力。试验设备：真三轴试验机：伪三轴试验机：试件破坏形式：压剪破坏随侧压力增大，可表现为明显的塑性变形。强度计算：MPa强度指标：经测试：三向抗压强度随围压的增加而增大，是一个变量。一系列实验可得岩石的三向抗压曲线,常规（伪）三轴实验装置,六、影响岩石强度的因素：1、岩石的性质组织结构、矿

24、物类别、颗粒大小、分布状态、胶结 物；2、岩石的生成条件 深部岩石强度大、浅部岩石强度低 3、岩石构造特征延展规模、裂隙性质、壁面强度、充填物；4、试件尺寸尺寸增大，强度降低；5、风化、水、温度作用含水量大，强度低；温度高，强度低 6、加载速率及次数加载速率增加，强度加大（变形不充分）；7、受载状态三轴等压抗压三轴不等压抗压双轴抗压单轴抗压抗剪抗弯单轴抗拉,1.破坏形式脆性破坏围压小、温度较低、岩石坚硬的情况下发生的，特点是破坏前变形小，当继续加载时岩石突然破坏，岩石碎块强烈弹出。通常把在外力作用下破坏总应变小于3的岩石称为脆性岩石。塑性破坏又称延性破坏、韧性破坏，多发生围压大、温度高、岩石软

25、的情况下发生的，特点是破坏前变形大，表现出明显的塑性变形。通常把在外力作用下破坏总应变大于5的岩石称为塑性岩石。2.破坏机理 只有两种基本类型：拉坏和剪坏,第三节 岩石的破坏机理和强度理论,一、岩石的破坏机理,（一）一点的应力状态,1、应力符号规定（1）正应力以压应力为正，拉应力为负；（2）剪应力以使物体产生逆时针转为正，反之为负；（3）角度以x轴正向沿逆时针方向转动所形成的夹角为正，反之为负。2、一点应力状态,6个应力分量：x,y,z,xy,yz,zx,二、岩石的强度理论,3、平面问题的简化,在实际工程中，可根据不同的受力状态，将三维问题简化为平面问题。（1）平面应力问题；（2）平面应变问题

26、。,4、基本应力公式 以平面应力问题为例，如图，任意角度截面的应力计算公式如下：,最大最小主应力：,最大主应力与 x轴的夹角可按下式求得：,任一斜面上的正应力和剪应力用主应力表示为：,莫尔应力圆的方程：,（二）最大拉应变理论,该理论认为，无论在什么应力状态下，只要岩石的最大拉伸应变达到一定的极限应变t时，岩石就会发生拉伸断裂破坏，其强度条件为：,式中：t 单轴拉伸破坏时的极限应变；E 岩石的弹性模量；t单轴抗拉强度。,讨论：,1、在单轴拉伸条件下：岩石发生拉伸断裂破坏，其强度条件为：,2、在单轴压缩条件下：岩石发生纵向拉伸断裂破坏，其强度条件为：,即：,3、在三轴压缩条件下：3方向的应变为,如

27、果3(1+2),则为拉应变，其强度条件为,而：,故，强度条件又可表示为：,在常规三轴条件下（3 2）强度条件为：,（三）库伦（Coulomb)准则,1773年库伦提出了一个重要的准则（“摩擦”准则）。库伦认为，材料的破坏主要是剪切破坏，当材料某一斜面上的剪应力达到或超过该破坏面上的粘结力和摩擦阻力之和，便会造成材料沿该斜面产生剪切滑移破坏。,式中：f 材料剪切面上的抗剪强度；c材料的粘结力；剪切面上的正应力。,（四）莫尔强度理论,1、莫尔强度理论的基本思想：莫尔强度理论是建立在试验数据的统计分析基础之上的。1910年莫尔提出材料的破坏是剪切破坏，材料在复杂应力状态下，某一斜面上的剪应力达到一极

28、限值，造成材料沿该斜面产生剪切滑移破坏，且破坏面平行于中间主应力2作用方向（即2不影响材料的剪切破坏），破坏面上的剪应力f 是该面上法向应力的函数,即：f f(),2、莫尔强度包络线：指各极限应力圆的破坏点所组成的轨迹线。f f()在f 坐标中是一条曲线，称为莫尔包络线，表示材料受到不同应力作用达到极限状态时，滑动面上的法向应力与剪应力f 的关系。极限应力圆上的某点与强度包络线相切，即表示在该应力状态下材料发生破坏。,用极限应力表示的莫尔圆称为极限莫尔应力圆（简称极限应力圆）。,莫尔强度包络线的意义：包络线上任意一点的坐标都代表岩石沿某一剪切面剪切破坏所需的剪应力和正应力，即任意一点都对应了一

29、个与之相切的极限应力圆。,莫尔强度包络线的应用：运用强度曲线可以直接判断岩石能否破坏。将应力圆与强度曲线放在同一个坐标系中，若莫尔应力圆在包络线之内，则岩石不破坏；若莫尔应力圆与强度曲线相切，则岩石处于极限平衡状态；若莫尔应力圆与强度曲线相交，则岩石肯定破坏。,3、莫尔库仑强度理论,f=f()所表达的是一条曲线，该曲线的型式有：直线型、抛物线型、双曲线型、摆线型。而直线型与库伦准则表达式相同，因此，也称为库伦莫尔强度理论。由库仑公式表示莫尔包络线的强度理论，称为莫尔库仑强度理论。,用主应力表示：,上式也称为极限平衡方程。莫尔库仑强度理论不适合剪切面上正应力为拉应力的情况。,如图的几何关系，有：

30、,其中：,（五）格里菲斯强度理论（Griffith的脆性断裂理论）,1921年格里菲斯在研究脆性材料的基础上，提出了评价脆性材料的强度理论。该理论大约在上世纪70年代末80年代初引入到岩石力学研究领域。,（1）在脆性材料内部存在着许多杂乱无章的扁平微小张开裂纹。在外力作用下，这些裂纹尖端附近产生很大的拉应力集中，导致新裂纹产生，原有裂纹扩展、贯通，从而使材料产生宏观破坏。,1、格里菲斯强度理论的基本思想：,（2）裂纹将沿着与最大拉应力作用方向相垂直的方向扩展。,式中：新裂纹长轴与原裂纹长轴的夹角；原裂纹长轴与最大主应力的夹角。,2、格里菲斯强度判据,根据椭圆孔应力状态的解析解，得出了格里菲斯的

31、强度判据：,（1）,破裂条件为：,危险裂纹方位角：,（2）,破裂条件为：,危险裂纹方位角：,Griffith准则图解,讨论：,（1）单轴拉伸应力状态下,1=0,3 0,满足1+33 0,破裂条件为：,危险裂纹方位角：,破裂条件为：,危险裂纹方位角：,（2）双向拉伸应力状态下,10,30,满足1+33 0,（3）单轴压缩应力状态下,10,3=0,满足1+33 0,破裂条件为：,危险裂纹方位角：,破裂条件为：,危险裂纹方位角：,（4）双向压缩应力状态下,=/6,10,3 0,满足1+33 0,0/4,第六节 岩体基本特征和类型,一、岩体概念：岩体赋存于一定地质环境中的自然地质体。（一般1m3）岩体

32、=岩块+结构面 结构面（弱面）地质界面，如断层、裂隙、层理、节理、片理。（坚硬无充填结构面、软弱有充填结构面、夹层）结构体（岩块）被各类结构面切割成的岩石块体。（块状、板状）,岩体=岩块+结构面,岩体的力学处理：完整性很好连续介质力学方法；非常破碎土力学方法；两者之间裂隙体力学方法。岩体结构基本类型：（按结构面切割状况及结构体类型分为六种）完整结构 块状结构 层状结构 碎裂结构 断续结构 松散结构,岩体的基本特征1 非均质性：岩体物理力学性质随空间位置的不同，其性质也不相同的性质；2 各向异性：岩体全部或部分物理力学特征随方向而表现不同性质的特征；3非连续性：岩体被结构面所切割而非连续,二、岩

33、体的变形特征,岩体力学性质取决于岩石、结构面的力学性质及结构面的空间组合状况。1、岩体实验：主要测定：变形曲线、弹性常数、强度 试 件：现场切割制作，保护原结构不受破坏。设 备：现场安装，主要为剪切实验。2、岩体变形特征：（1）总变形量大（2）在变形的过程中体积明显增大（扩容）（3）破坏后仍能承受一定载荷而继续变形（4）层状岩体可呈现比较明显的各向异性,压密阶段：裂隙被压闭合，纵向变形明显，侧向变形不明显（1为转化点）；弹性阶段：结构体开始承载变形，应力应变正比，呈弹性（2为屈服点）；塑性阶段：过屈服点，结构体变形，结构面产生滑移变形，扩容、应变强化（3为极限强度）；破坏阶段：强度限后，出现沿

34、结构面滑移和结构体转动，扩容，出现新裂缝。破坏后，由于岩体尺寸大，仍能够靠块体间摩擦承受一定载荷。,3、岩体变形曲线：,三、岩体的强度特征,岩体强度是岩块、弱面强度的综合反映，介于岩块、弱面强度之间。包括：抗压、抗剪、抗拉（受结构面影响很大，现场主要测抗压、抗剪强度）1、结构面及其强度：1）结构面分类：按成因：原生结构面成岩阶段形成的结构面；构造结构面在构造运动作用下形成的结构面；次生结构面在地表由于外力作用形成的结构面；按工程要求：细小结构面 延长L1m 中等结构面 1m延长L10m 巨大结构面 延长L10m,2）结构面的接触类型：,3）结构面强度特征：不能承受拉应力；可承受垂直面的压应力；

35、可承受沿面剪应力（与其上正应力有关）；以剪切破坏为主。,2、岩块的强度：可承受压、剪或低值拉应力，以剪切破坏为主：3、岩体强度：介于结构面、岩快之间。满足无拉力准则（受 拉处即破坏）,4、结构面对岩体强度的影响：,结构面方位对岩体强度的影响,结构面与主应力方向不同，对岩体强度影响不同。结构面位于剪切面位置时，岩体强度最小。,结构面组数越多，岩体强度越接近结构面强度。结构面组数越多，岩体越呈现各向同性。对现场松散破碎岩体，不能使用岩块强度，只能使用弱面强度或弱面摩擦强度研究破坏问题。,四、岩体强度的测定：试 件现场切割（保持原有结构）仪器设备现场安装 1、单向压缩强度测定：式中：P试件破坏载荷

36、kN；A试件横截面积 m2。,2、抗剪强度测定：,对多个试件，通过改变正压力，获得岩体抗剪强度曲线,3、三轴压缩强度试验：真三轴：伪三轴：,除非大型重要工程，一般不进行现场实测。目前，现场多用间接方法测定准岩体强度。,准岩体强度：实质：考虑裂隙发育程度，以经过修正的岩石强度作为岩体强度（准岩体强度）。准岩体抗压强度：准岩体抗拉强度：式中：为岩体完整性系数。岩体、岩块中弹性波纵波传播速度。,第七节 岩体质量评价及其分类,岩体分类是对影响岩体稳定性和影响工程设计、施工和维护的各种因素建立一些评价指标，对工程辖区岩体进行评价，划分出不同的的级别或类别。分类的目的：为岩体工程建设的勘察、设计、施工和编

37、制定额提供必要的基本依据。按分类目的，可分为综合性和专题性两种；按其所涉及的因素多少，可分为单因素分类法和多因素分类法两种。,一、工程岩体分类的参考影响因素,1、岩石的质量。主要表现在岩石的强度和变形性质方面。2、岩体的完整性。岩体完整性取决于不连续面的组数和密度。可用结构面频率(裂隙度）、间距、岩心采取率、岩石质量指标RQD以及完整性系数作为定量指标进行描述。这些定量指标是表征岩体工程性质的重要参数。3、结构面条件。包括结构面产状、粗糙度和充填情况。岩体的工程性质主要取决于结构面的性质和分布状态以及其间的充填物性质。,4、岩体及结构面的风化程度。风化程度越高，岩体越破碎，强度越低。5、地下水

38、的影响。渗流，软化，膨胀，崩解，静、动水压力等。6、地应力。地应力难于测定，它对工程的影响程度也难于确定，因此，其影响一般在综合因素中反映。,二、几种有代表性的工程岩体分类方法,式中：Rc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。,1、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。,2、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：,3、按岩体完整性系数Kv（龟裂

39、系数）分类,式中：Vpm、Vpr岩体、岩石弹性纵波速度（m/s)。,4、按岩芯质量指标（RQD）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。,5、以弹性波速度分类,6、宾尼奥夫斯基节理岩体地质力学分类（RMR分级系统）,宾尼奥夫斯基（Bieniawski，1976)提出的分类指标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

40、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,（7）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。,7、巴顿岩体质量（Q）分类,挪威巴顿（Barton）等人于1974年根据隧道工程的调查，提出一个用6个参数表达的岩体质量指标Q，作为岩体质量分类的依据。,式中：RQD岩石质量指标；Jn节理组数评分；Jr节

41、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（Ja),（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分类法考虑的地质因素较全面，而且把定性分析与定量评价结合起来了，软硬岩均适用，在处理极软弱的岩层中推荐采用此分类法。宾尼奥夫斯基（Bieniawski，1976)

42、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：,三、我国工程岩体分级标准（GB50218-94),1、工程岩体分级的基本方法（1）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：,（2）岩体基本质量分级,A、岩

43、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 0.04 C+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,（3）基本质量指标BQ值的修正,结合工程具有情况，对BQ进行修正，修正值BQ按下式计算：BQ=BQ-100(K1+K2+K3)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K3,2、工程岩体分类标准的应用,（1）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。（2）地下工程岩体自稳能力的确定,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,