11巖石的力學(xué)性質(zhì)－巖石的變形21.5巖石變形性質(zhì)的幾個基本概念1）彈性(elasticity)：

物體在受外力作用的瞬間即產(chǎn)生全部變形，而去除外力(卸載)後又能立即恢復(fù)其原有形狀和尺寸的性質(zhì)稱為彈性。彈性體按其應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)係又可分為兩種類型：線彈性體：應(yīng)力－應(yīng)變呈直線關(guān)係。非線性彈性體：應(yīng)力—應(yīng)變呈非直線的關(guān)係。3線彈性體，其應(yīng)力－應(yīng)變呈直線關(guān)係

σ=Eε非線性彈性體，其應(yīng)力—應(yīng)變呈非直線的關(guān)係σ=f(ε)42）塑性（plasticity）：物體受力後產(chǎn)生變形，在外力去除（卸載）後變形不能完全恢復(fù)的性質(zhì)，稱為塑性。不能恢復(fù)的那部分變形稱為塑性變形，或稱永久變形，殘餘變形。在外力作用下只發(fā)生塑性變形的物體，稱為理想塑性體。理想塑性體，當(dāng)應(yīng)力低於屈服極限時，材料沒有變形，應(yīng)力達到後，變形不斷增大而應(yīng)力不變，應(yīng)力－應(yīng)變曲線呈水準(zhǔn)直線.5理想塑性體的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)係:當(dāng)σ

<σs

時，ε=0當(dāng)σ

≥σs

時，ε－＞∞

σ

σso

ε63）黏性(viscosity):

物體受力後變形不能在暫態(tài)完成，且應(yīng)變速率隨應(yīng)力增加而增加的性質(zhì)，稱為粘性。應(yīng)變速率與時間有關(guān)，－>黏性與時間有關(guān)其應(yīng)力－應(yīng)變速率關(guān)係為過座標(biāo)原點的直線的物質(zhì)稱為理想粘性體（如牛頓流體），如圖所示。

σ應(yīng)力－應(yīng)變速率關(guān)係：σ=η

dε/dtodε/dt74）脆性(brittle):

物體受力後，變形很小時就發(fā)生破裂的性質(zhì)。工程上一般以5％為標(biāo)準(zhǔn)進行劃分，總應(yīng)變大於5％者為塑性材料，反之為脆性材料。赫德(Heard，1963)以3％和5％為界限，將巖石劃分三類：總應(yīng)變小於3％者為脆性巖石；總應(yīng)變在3％～5％者為半脆性或脆－塑性巖石；總應(yīng)變大於5％者為塑性巖石。按以上標(biāo)準(zhǔn)，大部分地表巖石在低圍壓條件下都是脆性或半脆性的。當(dāng)然巖石的塑性與脆性是相對的，在一定的條件下可以相互轉(zhuǎn)化，如在高溫高壓條件下，脆性巖石可表現(xiàn)很高的塑性。85）延性(ductile):

物體能承受較大塑性變形而不喪失其承載力的性質(zhì)，稱為延性。巖石是礦物的集合體，具有複雜的組成成分和結(jié)構(gòu)，因此其力學(xué)屬性也是很複雜的。這一面受巖石成分與結(jié)構(gòu)的影響；另一方面還和它的受力條件，如荷載的大小及其組合情況、加載方式與速率及應(yīng)力路徑等密切相關(guān)。例如，在常溫常壓下，巖石既不是理想的彈性材料，也不簡單的塑性和粘性材料，而往往表現(xiàn)出彈一塑性、塑一彈性、彈一粘一塑或粘一彈性等性質(zhì)。此外，巖體賦存的環(huán)境條件，如溫度、地下水與地應(yīng)力對其性狀的影響也很大。91.6單軸壓縮條件巖石應(yīng)力－應(yīng)變曲線6種類型巖石的應(yīng)力—應(yīng)變曲線隨著巖石性質(zhì)不同有各種不同的類型。米勒（Müller）採用28種巖石進行大量的單軸試驗後，據(jù)峰值前應(yīng)力—應(yīng)變曲線將巖石分成六種類型，如圖所示。10類型Ⅰ

應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)係是一直線或者近似直線，直到試件發(fā)生突然破壞為止。由於塑性階段不明顯，這些巖石被稱為彈性巖石。例如：玄武巖、石英巖、白雲(yún)巖以及極堅固的石灰?guī)r。類型Ⅱ

應(yīng)力較低時，應(yīng)力—應(yīng)變曲線近似於直線，當(dāng)應(yīng)力增加到一定數(shù)值後，應(yīng)力—應(yīng)變曲線向下彎曲，隨著應(yīng)力逐漸增加而曲線斜率也就越變越小，直至破壞。由於這些巖石低應(yīng)力時表現(xiàn)出彈性，高應(yīng)力時表現(xiàn)出塑性，所以被稱為彈—塑性巖石。例如：較弱的石灰?guī)r、泥巖以及凝灰?guī)r等。類型Ⅲ

在應(yīng)力較低時，應(yīng)力—應(yīng)變曲線略向上彎曲。當(dāng)應(yīng)力增加到一定數(shù)值後，應(yīng)力—應(yīng)變曲線逐漸變?yōu)橹本€，直至發(fā)生破壞。由於這些巖石低應(yīng)力時表現(xiàn)出塑性，高應(yīng)力時表現(xiàn)出彈性，所以被稱為塑—彈性巖石。例如：砂巖、花崗巖、片理平行於壓力方向的片巖以及某些輝綠巖等。11類型Ⅳ

應(yīng)力較低時，應(yīng)力—應(yīng)變曲線向上彎曲，當(dāng)壓力增加到一定值後，變形曲線成為直線，最後，曲線向下彎曲，曲線似S型。由於這些巖石低應(yīng)力時表現(xiàn)出塑性，高應(yīng)力時表現(xiàn)出彈性，破壞前又表現(xiàn)出塑性，所以被稱為塑—彈—塑性巖石。例如：大多數(shù)為變質(zhì)巖（大理巖、片麻巖等）。類型Ⅴ

基本上與類型Ⅳ相同，也呈S型，不過曲線斜率較平緩。一般發(fā)生在壓縮性較高的巖石中。應(yīng)力垂直於片理的片巖具有這種性質(zhì)。類型Ⅵ

應(yīng)力—應(yīng)變曲線開始先有很小一段直線部分，然後有非彈性的曲線部分，並繼續(xù)不斷地蠕變。這類材料被稱為彈—粘性巖石。例如：巖鹽、某些軟弱巖石。121.7巖石變形指標(biāo)及其確定巖石的變形特性通常用彈性模量、變形模量和泊松比等指標(biāo)表示。1)彈性模量和變形模量13a.線彈性巖石①應(yīng)力—應(yīng)變曲線具有近似直線的形式。②彈性模量：直線的斜率,也即應(yīng)力（σ

）與應(yīng)變（ε）的比率被稱為巖石的彈性模量，記為E。③其應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)係：

σ=Eε④反復(fù)加卸載應(yīng)力—應(yīng)變曲線仍為直線。14b.完全彈性巖石①巖石的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)係不是直線，而是曲線。②對於任一應(yīng)變ε，都有唯一的應(yīng)力σ與之對應(yīng)，應(yīng)力是應(yīng)變的函數(shù)關(guān)係，即

σ=f（ε）③切線模量、初始模量和割線模量：由於應(yīng)力—應(yīng)變是一曲線關(guān)係，所以這裏沒有唯一的模量。但對於曲線上任一點的值，都有一個。譬如對應(yīng)於P點的值，切線模量就是P點在曲線上的切線PQ的斜率Et，曲線原點處的切線斜率Eo即為初始模量，而割線模量就是割線OP的斜率Es，通常取σc/2處的割線模量。

Et

=

dσ/dε;

Es

=

σ/ε④反復(fù)加卸載當(dāng)荷載逐漸施加到任何點P，得加載曲線OP。如果在P點將荷載卸去，則卸載曲線仍沿原曲線OP路線退到原點O。15c.彈性巖石①巖石的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)係不是直線，而是曲線，且卸載曲線不沿原加載路徑返回原點。②對於任一應(yīng)變ε，不是唯一的應(yīng)力σ與之對應(yīng)，應(yīng)力不是應(yīng)變的函數(shù)關(guān)係。③切線模量和割線模量：卸載曲線P點的切線PQ‘的斜率就是相應(yīng)於該應(yīng)力的卸載切線模量，它與加載切線模量不同。而加、卸載的割線模量相同。④反復(fù)加卸載當(dāng)荷載逐漸施加到任何點P，得加載曲線OP。如果在P點將荷載卸去，則卸載曲線不沿原曲線OP路線退到原點O，如圖中虛線所示，這時產(chǎn)生了所謂滯回效應(yīng)。16d.彈塑性巖石①巖石的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)係不是直線，而是曲線，卸載曲線不沿原加載路徑返回，且應(yīng)變也不能恢復(fù)到原點O。②對於任一應(yīng)變ε，不是唯一的應(yīng)力σ與之對應(yīng)，應(yīng)力不是應(yīng)變的函數(shù)關(guān)係。③彈性模量和變形模量：彈性變形，以εe表示；塑性變形，以εp表示；總變形，以ε表示。彈性模量E：把卸載曲線的割線的斜率作為彈性模量，即:E=PM/NM=σ/εe

變形模量Eo：是正應(yīng)力與總應(yīng)變(ε)之比，即：Eo=PM/OM=σ/ε=σ/(εe+εp)④塑性滯回環(huán)：加載曲線與卸載曲線所組成的環(huán)，叫做塑性滯回環(huán)。171.8彈塑性巖石在迴圈荷載條件下的變形特徵在迴圈荷載條件下，彈性巖石變形如何？非彈性巖石（彈塑性）的變形又如何呢？181)彈塑性巖石等荷載迴圈加載變形特徵

①等荷載迴圈加載：如果多次反復(fù)加載與卸載，且每次施加的最大荷載與第一次施加的最大荷載一樣。②塑性滯回環(huán)：則每次加、卸載曲線都形成一個塑性滯回環(huán)。這些塑性滯回環(huán)隨著加、卸載的次數(shù)增加而愈來愈狹窄，並且彼此愈來愈近，巖石愈來愈接近彈性變形，一直到某次迴圈沒有塑性變形為止，如圖中的HH‘環(huán)。③臨界應(yīng)力：當(dāng)迴圈應(yīng)力峰值小於某一數(shù)值時，迴圈次數(shù)即使很多，也不會導(dǎo)致試件破壞；而超過這一數(shù)值巖石將在某次迴圈中發(fā)生破壞（疲勞破壞），這一數(shù)值稱為臨界應(yīng)力。此時，給定的應(yīng)力稱為疲勞強度。

192)彈塑性巖石增荷載迴圈加載變形特徵

①增荷載迴圈加載：如果多次反復(fù)加載、卸載迴圈，每次施加的最大荷載比前一次迴圈的最大荷載為大。②塑性滯回環(huán)：每次加、卸載曲線都形成一個塑性滯回環(huán)。隨著迴圈次數(shù)的增加，塑性滯回環(huán)的面積也有所擴大，卸載曲線的斜率（它代表著巖石的彈性模量）也逐次略有增加，表明卸載應(yīng)力下的巖石材料彈性有所增強。③巖石的記憶性：每次卸載後再加載，在荷載超過上一次迴圈的最大荷載以後，變形曲線仍沿著原來的單調(diào)加載曲線上升（圖中的OC線），好象不曾受到反復(fù)加載的影響似的，這種現(xiàn)象稱為巖石的變形記憶。201.9單軸壓縮條件下的巖石全應(yīng)力－應(yīng)變曲線1）全應(yīng)力－應(yīng)變曲線產(chǎn)生的背景①普通柔性實驗機只能獲得峰值以前的應(yīng)力－應(yīng)變曲線。1966年以前所獲的的巖石應(yīng)力－應(yīng)變曲線均是峰值以前的曲線。在普通柔性實驗機上的試驗現(xiàn)象是：巖石破壞的形式都是突發(fā)的：瞬間崩裂、碎塊四面飛射、伴有很大聲響。

σ

o

ε21②在普通的試驗機上，巖石達到其峰值強度後發(fā)生突發(fā)性破壞的根本原因：是試驗機的剛度不夠大，這類試驗機稱為“柔”性試驗機（Softtestingmachine）。由於試驗機的剛度不夠大，在試驗過程中試件受壓，試驗機框架受拉，如圖所示。試驗機受拉產(chǎn)生的彈性變形以應(yīng)變能的形式存在機器中。當(dāng)施加的壓縮應(yīng)力超過巖石抗壓強度後，試件破壞。此時，試驗機架迅速回彈，並將其內(nèi)部貯存的應(yīng)變能釋放到巖石試件上，從而引起巖石試件的急劇破裂和崩解。22③普通柔性實驗機獲得結(jié)果與工程的矛盾：試驗結(jié)果表明，巖石超過其峰值強度後就完全破壞了，沒有任何承載能力了。與事實矛盾。事實上，巖石超過其峰值強度後，發(fā)生了破壞，內(nèi)部出現(xiàn)破裂，其承載能力因而下降，但並沒有降到零，而是仍然具有一定的強度。特別是在具有限制應(yīng)力的條件下，情況更是如此。巖石開挖工程的圍巖一般都處在周圍巖石的限制中，因而破壞時不可能發(fā)生突然崩解現(xiàn)象。從另一方面看，地下巖石在漫長的地質(zhì)年代中受到過各種力場的作用，經(jīng)歷過多次破壞，因而我們在巖石工程中面對的就是已經(jīng)發(fā)生過破壞的巖石（巖體）。研究巖石超過其峰值強度破壞後的強度特徵對巖石工程本身具有重要意義。23④試驗改進途徑提高試驗機剛度，降低巖石試件剛度，增加伺服控制系統(tǒng)。試驗系統(tǒng)組成：鋼架構(gòu)件、液壓柱、巖石試件。a.提高試驗機鋼架構(gòu)件的剛度：鋼架構(gòu)件的剛度係數(shù)Ks=EA/L.增加鋼構(gòu)件的截面積A，減小其長度L。因此在許多剛性試驗機上使用了幾個粗矮鋼柱以加強。b.提高試驗機液壓柱剛度：液壓柱剛度係數(shù)Kf=kA/H.應(yīng)增加液壓柱的截面積A，減小其長度H；同時要增大液壓油的體積模量K。為此，在少數(shù)剛性試驗機的液壓系統(tǒng)中用水銀代替普通液壓油。c.減少巖石試件的剛度：減小試件截面積，增加其長度。d.增加伺服控制系統(tǒng)，控制巖石變形速度恒定。242）全應(yīng)力－應(yīng)變曲線的特徵

1966年庫克（Cook)教授利用自製的剛性試驗機獲得了的一條大理巖的全應(yīng)力－應(yīng)變曲線,可將巖石變形分為下列四個階段:①

孔隙裂隙壓密階段（OA段）：即試件中原有張開性結(jié)構(gòu)面或微裂隙逐漸閉合，巖石被壓密，形成早期的非線性變形，σ－ε曲線呈上凹型。在此階段試件橫向膨脹較小，試件體積隨載荷增大而減小。本階段變形對裂隙化巖石來說較明顯，而對堅硬少裂隙的巖石則不明顯，甚至不顯現(xiàn)。②

彈性變形至微彈性裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段（AC段〕：該階段的應(yīng)力—應(yīng)變曲線成近似直線型。其中，AB段為彈性變形階段，BC段為微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段。25③非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段，或稱累進性破裂階段（CD段）：C點是巖石從彈性變?yōu)樗苄缘霓D(zhuǎn)捩點，稱為屈服點。相應(yīng)於該點的應(yīng)力為屈服極限，其值約為峰值強度的2/3。進入本階段後，微破裂的發(fā)展出現(xiàn)了質(zhì)的變化，破裂不斷發(fā)展，直至試件完全破壞。試件由體積壓縮轉(zhuǎn)為擴容，軸向應(yīng)變和體積應(yīng)變速率迅速增大。本階段的上界應(yīng)力稱為峰值強度。④破裂後階段（D點以後段）：巖塊承載力達到峰值強度後，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，但試件基本保持整體狀。到本階段，裂隙快速發(fā)展，交叉且相互聯(lián)合形成宏觀斷裂面。此後，巖塊變形主要表現(xiàn)為沿宏觀斷裂面的塊體滑移，試件承載力隨變形增大迅速下降，但並不降到零，說明破裂的巖石仍有一定的承載力。263）全應(yīng)力－應(yīng)變曲線的工程意義①揭示巖石試件破裂後，仍具有一定的承載能力。27②預(yù)測巖爆。若A>B，會產(chǎn)生巖爆若B>A，不產(chǎn)生巖爆。28關(guān)於“巖爆”發(fā)生機理的解釋29③預(yù)測蠕變破壞。當(dāng)應(yīng)力水準(zhǔn)在H點以下時保持應(yīng)力恒定，巖石試件不會發(fā)生蠕變。應(yīng)力水準(zhǔn)在G－H點之間保持恒定。蠕變應(yīng)變發(fā)展會和蠕變終止軌跡相交，蠕變將停止，巖石試件不會破壞。若應(yīng)力水準(zhǔn)在G點及以上保持恒定，則蠕變應(yīng)變發(fā)展就和全應(yīng)力—應(yīng)變曲線的右半部，試件將發(fā)生破壞。30④預(yù)測迴圈加載條件下巖石的破壞。迴圈荷載：爆破，而且是動荷載。在高應(yīng)力水準(zhǔn)下迴圈加載，巖石在很短時間內(nèi)就破壞。在低應(yīng)力水準(zhǔn)下迴圈加載，巖石可以經(jīng)歷相對較長一段時間，巖石工程才會發(fā)生破壞。所以，根據(jù)巖石受力水準(zhǔn)，迴圈荷載的大小、週期、全應(yīng)力—應(yīng)變曲線來預(yù)測迴圈加載條件下巖石破壞時間。311.10三軸壓縮條件下的巖石變形特徵如圖所示的大理巖，在圍壓為零或較低的情況下，巖石呈脆性狀態(tài)；當(dāng)圍壓增大至50MPa時，巖石顯示出由脆性到塑性轉(zhuǎn)化的過渡狀態(tài)：把巖石由脆性轉(zhuǎn)化為塑性的臨界圍壓稱為轉(zhuǎn)化壓力。圍壓增加到68.5MPa時，呈現(xiàn)出塑性流動狀態(tài)；圍壓增至165MPa時,試件承載力則隨圍壓穩(wěn)定增長，出現(xiàn)所謂應(yīng)變硬化現(xiàn)象。32圍壓對巖石變形的影響得出如下結(jié)論：①隨著圍壓的增大，巖石的抗壓強度顯著增加；②隨著圍壓的增大，巖石的變形顯著增大；③隨著圍壓的增大，巖石的彈性極限顯著增大；④隨著圍壓的增大，巖石的應(yīng)力—應(yīng)變曲線形態(tài)發(fā)生明顯改變；巖石的性質(zhì)發(fā)生了變化：由彈脆性→彈塑性→應(yīng)變硬化。

花崗巖應(yīng)力－應(yīng)變曲線331.11巖石的擴容擴容：當(dāng)外力繼續(xù)增加，巖石試件的體積不是減小，而是大幅度增加，且增長速率越來越大，最終將導(dǎo)致巖石試件的破壞，這種體積明顯擴大的現(xiàn)象稱為擴容。實驗表明：體積應(yīng)變曲線可以分為三個階段：①體積變形階段體積應(yīng)變在彈性階段內(nèi)隨應(yīng)力增加而呈線性變化（體積減?。诖穗A段內(nèi)，軸向壓縮應(yīng)變大於側(cè)向膨脹。稱為體積變形階段。在此階段後期，隨應(yīng)力增加，巖石的體積變形曲線向左轉(zhuǎn)彎，開始偏離直線段，出現(xiàn)擴容。在一般情況下，巖石開始出現(xiàn)擴容時的應(yīng)力約為其抗壓強度的1/3～1/2左右。34②體積不變階段在這一階段內(nèi)，隨著應(yīng)力的增加，巖石雖有變形，但體積應(yīng)變增量近於零，即巖石體積大小幾乎沒有變化。在此階段內(nèi)可認(rèn)為軸向壓縮應(yīng)變等於側(cè)向膨脹，因此稱為體積不變階段。③擴容階段當(dāng)外力繼續(xù)增加，巖石試件的體積不是減小，而是大幅度增加，且增長速率越來越大，最終將導(dǎo)致巖石試件的破壞，這種體積明顯擴大的現(xiàn)象稱為擴容，此階段稱為擴容階段。在此階段內(nèi)，當(dāng)試件臨近破壞時，兩側(cè)向膨脹變形之和超過最大主應(yīng)力方向上的壓縮變形值。這時，巖石試件的泊松比已經(jīng)不是一個常量。351.12影響巖石力學(xué)性質(zhì)的主要因素

1)水對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響

結(jié)合水：產(chǎn)生三種作用：連結(jié)作用、潤滑作用、水楔作用。連結(jié)作用：將礦物顆粒拉近、接緊，起連結(jié)作用。潤滑作用：可溶鹽溶解，膠體水解，使原有的連結(jié)變成水膠連結(jié)，導(dǎo)致礦物顆粒間連結(jié)力減弱，摩擦力減低，水起到潤滑劑的作用。水楔作用：當(dāng)兩個礦物顆?？康煤芙兴肿友a充到礦物表面時，礦物顆粒利用其表面吸著力將水分子拉到自己周圍，在兩個顆粒接觸處由於吸著力作用使水分子向兩個礦物顆粒之間的縫隙內(nèi)擠入。36當(dāng)巖石受壓時：如壓應(yīng)力大於吸著力，水分子就被壓力從接觸點中擠出。反之如壓應(yīng)力減小至低於吸著力，水分子就又?jǐn)D入兩顆粒之間，使兩顆粒間距增大。這樣便產(chǎn)生兩種結(jié)果：一是巖石體積膨脹，如巖石處於不可變形的條件，便產(chǎn)生膨脹壓力；二是水膠連結(jié)代替膠體及可溶鹽連結(jié)，產(chǎn)生潤滑作用，巖石強度降低。37重力水：對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響主要表現(xiàn)在孔隙水壓力作用和溶蝕、潛蝕作用?？紫秹毫ψ饔茫嚎紫秹毫?，減小了顆粒之間的壓應(yīng)力，從而降低了巖石的抗剪強度，使巖石的微裂隙端部處於受拉狀態(tài)從而破壞巖石的連結(jié)。溶蝕－潛蝕作用：巖石中滲透水在其流動過程中可將巖石中可溶物質(zhì)溶解帶走，有時將巖石中小顆粒沖走，使巖石強度大為降低，變形加大。除了上述五種作用外，水在凍融時的脹縮作用對巖石力學(xué)強度破壞很大。38巖漿巖沉積巖變質(zhì)巖巖石名稱軟化係數(shù)巖石名稱軟化係數(shù)巖石名稱軟化係數(shù)花崗巖0.72－0.97火山集塊巖0.6－0.8片麻巖0.75－0.97閃長巖0.60－0.80火山角礫巖0.57－0.95石英片麻巖0.44－0.84閃長玢巖0.78－0.81安山凝灰集塊巖0.61－0.74角閃片巖0.44－0.84輝綠巖0.33－0.90凝灰?guī)r0.52－0.86雲(yún)母片巖0.53－0.69流紋巖0.75－0.95礫巖0.50－0.96綠泥石片巖0.53－0.69安山巖0.81－0.91石英砂巖0.65－0.97千枚巖0.67－0.96玄武巖0.30－0.95泥質(zhì)砂巖，粉砂巖0.21－0.75矽質(zhì)板巖0.75－0.79泥巖0.40－0.60泥質(zhì)板巖0.39－0.52葉巖0.24－0.74石英巖0.94－0.96石灰?guī)r0.70－0.94泥灰?guī)r0.44－0.54392)溫度對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響

一般地?zé)崦吭黾?00米深度，溫度升高3℃。高硫礦山、自燃礦物溫度高地下深部研究、核廢料處理研究一般來說，隨著溫度的增高，巖石的延性加大，屈服點降低，強度降低。如圖所示即為三種不同巖石在圍壓為500MPa，溫度由25℃升高到800℃時應(yīng)力－應(yīng)變特徵。40

玄武巖花崗巖白雲(yún)巖

413)加載速率對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響

加載速率愈大，彈性模量愈大；加荷速率愈小，彈性模量愈小。加載速率越大，獲得的強度指標(biāo)值越高。國際巖石力學(xué)學(xué)會（ISRM）建議：加載速率為0.5~1MPa/秒，一般從開始試驗直至試件破壞的時間為5~10分鐘。424)圍壓對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響

由三軸壓縮試驗可知：巖石的脆性和塑性並非巖石固有的性質(zhì)，它與其受力狀態(tài)有關(guān)，隨著受力狀態(tài)的改變，其脆性和塑性是可以相互轉(zhuǎn)化的。在三軸壓縮條件下，巖石的變形、強度和彈性極限都有顯著增大。例如：歐洲阿爾卑斯山的山嶺隧道穿過很堅硬的花崗巖，由於山勢陡峭，花崗巖處於很高的三維地應(yīng)力狀態(tài)下，表現(xiàn)出明顯的塑性變形。435)風(fēng)化對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響

風(fēng)化作用：是一種表生的自然營力和人類作用的共同產(chǎn)物，是一種很複雜的地質(zhì)作用，將涉及到氣溫、大氣、水分、生物、原巖的成因、原巖的礦物成分、原巖的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等諸因素的綜合作用。風(fēng)化作用降低巖體的物理力學(xué)性質(zhì)：①降低巖體結(jié)構(gòu)面的粗糙程度,產(chǎn)生新的裂隙，破壞巖體的完整性。巖石結(jié)構(gòu)連結(jié)被削弱,堅硬巖石變?yōu)榘雸杂矌r石、疏鬆土。②在化學(xué)風(fēng)化過程中，礦物成分發(fā)生變化，原生礦物經(jīng)受水解、水化、氧化等作用，逐漸為次生礦物，特別是產(chǎn)生粘土礦物（如蒙脫石、高嶺石等）。③成分結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的變化,導(dǎo)致抗水性降低、親水性增高（如膨脹性、崩解性、軟化性增強）；力學(xué)強度降低，壓縮性加大。44風(fēng)化作用程度的評價方法：1964年以來，水電部成都勘察設(shè)計研究院科研所提出用巖石風(fēng)化程度係數(shù)(Ky)來評定巖石的風(fēng)化程度。

Ky＝(Kn＋Kr＋Kw)/3 式中：Kn=n1/n2(孔隙率係數(shù))；

Kr=r2/r1(強度係數(shù))；

Kw=ω1/ω2(吸水率係數(shù))；

n1，r1，ω1－新鮮巖石的孔隙率、抗壓強度、吸水率；

n2，r2，ω2－風(fēng)化巖石的孔隙率、抗壓強度、吸水率；45

巖石風(fēng)化程度分級如下:

Ky≤0.1 劇風(fēng)化

Ky＝0.1－0.35強風(fēng)化

Ky＝0.35－0.65 弱風(fēng)化

Ky＝0.65－0.90 微風(fēng)化

Ky＝0.90－1.00 新鮮巖石巖石風(fēng)化程度Ky的概念，是表示巖石風(fēng)化程度深淺的一個相對指標(biāo)，不是絕對值。巖石力學(xué)與工程ROCKMECHANICSANDENGINEERING巖石流變理論RHEOLOGICALTHEORYOFROCK472.1流變理論－主要內(nèi)容1流變的概念2蠕變的類型和特點3描述流變性質(zhì)的三個基本元件4組合模型及其性質(zhì)482.1.1流變的概念三個概念：彈性變形塑性變形粘性流動492.1.1流變的概念三個概念：彈性變形塑性變形粘性流動與時間無關(guān)，只從變形能否恢復(fù)的角度502.1.1流變的概念三個概念：彈性變形塑性變形

粘性流動與變形速率有關(guān)，與時間有關(guān)512.1.1流變的概念三個概念：彈性變形塑性變形粘性流動流變現(xiàn)象：材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)係與時間因素有關(guān)的性質(zhì)，稱為流變性。材料變形過程中具有時間效應(yīng)的現(xiàn)象，稱為流變現(xiàn)象。522.1.1流變的概念三個概念：彈性變形塑性變形粘性流動流變現(xiàn)象：材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)係與時間因素有關(guān)的性質(zhì)，稱為流變性。材料變形過程中具有時間效應(yīng)的現(xiàn)象，稱為流變現(xiàn)象。流變的種類：蠕變鬆弛彈性後效532.1.1流變的概念三個概念：彈性變形塑性變形粘性流動流變現(xiàn)象：材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)係與時間因素有關(guān)的性質(zhì)，稱為流變性。材料變形過程中具有時間效應(yīng)的現(xiàn)象，稱為流變現(xiàn)象。流變的種類：蠕變

鬆弛彈性後效應(yīng)力不變，應(yīng)變隨時間增加而增長542.1.1流變的概念1940.051939.0155阿爾卑斯山谷反傾巖層中蠕動

56湖南五強溪板溪群輕度變質(zhì)砂巖、石英巖、板巖中的蠕動，深達40～50m572.1.1流變的概念三個概念：彈性變形塑性變形粘性流動流變現(xiàn)象：材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)係與時間因素有關(guān)的性質(zhì)，稱為流變性。材料變形過程中具有時間效應(yīng)的現(xiàn)象，稱為流變現(xiàn)象。流變的種類：蠕變

鬆弛

彈性後效應(yīng)變不變，應(yīng)力隨時間增加而減小582.1.1流變的概念三個概念：彈性變形塑性變形粘性流動流變現(xiàn)象：材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)係與時間因素有關(guān)的性質(zhì)，稱為流變性。材料變形過程中具有時間效應(yīng)的現(xiàn)象，稱為流變現(xiàn)象。流變的種類：蠕變鬆弛

彈性後效加載或卸載時，彈性應(yīng)變滯後於應(yīng)力的現(xiàn)象592.1.2蠕變的類型和特點a.穩(wěn)定蠕變：低應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生的蠕變，圖中sCb.不穩(wěn)定蠕變：較高應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生的蠕變，圖中sA

、sB（1）蠕變的兩種類型602.1.2蠕變的類型和特點第一階段(a-b)，減速蠕變階段：應(yīng)變速率隨時間增加而減小。第二階段(b-c)，等速蠕變階段：應(yīng)變速率保持不變。第三階段(c-d)：加速蠕變階段：應(yīng)變速率隨時間增加而增加。（2）典型蠕變?nèi)齻€階段612.1.3描述流變性質(zhì)的三個基本元件(1)彈性元件力學(xué)模型：材料性質(zhì)：物體在荷載作用下，其變形完全符合虎克

(Hooke)定律。稱其為虎克體，是理想的線性彈性體。本構(gòu)方程：s=ke應(yīng)力應(yīng)變曲線（見右圖）：模型符號：H虎克體的性能：a.瞬變性b.無彈性後效

c.無應(yīng)力鬆弛d.無蠕變流動622.1.3描述流變性質(zhì)的三個基本元件(2)塑性元件材料性質(zhì)：物體受應(yīng)力達到屈服極限s0時便開始產(chǎn)生塑性變形，即使應(yīng)力不再增加，變形仍不斷增長，其變形符合庫侖摩擦定律，稱其為庫侖(Coulomb)體。是理想的塑性體。力學(xué)模型：

本構(gòu)方程：

ε=0，（當(dāng)s<s0時）

ε→∞，（當(dāng)s

s0時）632.1.3描述流變性質(zhì)的三個基本元件(2)塑性元件應(yīng)力－應(yīng)變曲線

模型符號：C

庫侖體的性能：當(dāng)s<s0時，ε=0，低應(yīng)力時無變形當(dāng)s

s0時，ε→∞，達到塑性極限時有蠕變642.1.3描述流變性質(zhì)的三個基本元件(3)粘性元件材料性質(zhì)：物體在外力作用下，應(yīng)力與應(yīng)變速率成正比，符合牛頓(Newton)流動定律。稱其為牛頓流體，是理想的粘性體。力學(xué)模型：

本構(gòu)方程：應(yīng)力－應(yīng)變速率曲線（見右圖）模型符號：N652.1.3描述流變性質(zhì)的三個基本元件(3)粘性元件牛頓體的性能：

a.有蠕變

即有蠕變現(xiàn)象應(yīng)變-時間曲線662.1.3描述流變性質(zhì)的三個基本元件(3)粘性元件牛頓體的性能：

b.無瞬變

c.無鬆弛

d.無彈性後效

672.1.3描述流變性質(zhì)的三個基本元件(4)注意點（小結(jié)）

a.塑性流動與粘性流動的區(qū)別當(dāng)s

s0時，才發(fā)生塑性流動，當(dāng)s<s0

完全塑性體，表現(xiàn)出剛體的特點。當(dāng)s>0時，就可以發(fā)生粘性流動，不需要應(yīng)力超過某一定值。

b.實際巖石的流變性是複雜的，是三種基本元件的不同組合的性質(zhì)，不是單一元件的性質(zhì)。

c.用粘彈性體：研究應(yīng)力小於屈服應(yīng)力時的流變性；用粘彈塑性體：研究應(yīng)力大於屈服應(yīng)力時的流變性。682.1.4組合模型及其性質(zhì)(1)串聯(lián)和並聯(lián)的性質(zhì)串連即兩個或多個元件首尾依次相聯(lián)的模型。並聯(lián)即兩個或多個元件首與首、尾與尾相聯(lián)的模型。例如串連模型：並聯(lián)模型：692.1.4組合模型及其性質(zhì)(1)串聯(lián)和並聯(lián)的性質(zhì)

702.1.4組合模型及其性質(zhì)（2）馬克斯威爾(Maxwell)體①本構(gòu)方程：由串聯(lián)性質(zhì)：

σ=σ1=σ2

模型符號：M=H-N71（2）馬克斯威爾(Maxwell)體對H體：對N體：本構(gòu)關(guān)係：72（2）馬克斯威爾(Maxwell)體②蠕變方程當(dāng)t=0時，突然施加代入本購方程：得積分初始條件t=073（2）馬克斯威爾(Maxwell)體

蠕變方程:

蠕變曲線

等速蠕變，且不穩(wěn)定74（2）馬克斯威爾(Maxwell)體③鬆弛方程當(dāng)t=0時，保持應(yīng)變不變初始條件：t=0,σ=σ0(σ0為暫態(tài)應(yīng)力)，得代入本構(gòu)方程得到一個一階可分離變數(shù)的微分方程積分代入上式整理得：則75（2）馬克斯威爾(Maxwell)體鬆弛曲線76瞬變應(yīng)變量（2）馬克斯威爾(Maxwell)體④有瞬變性⑤無彈性後效⑥描述巖石的特點具有瞬變性有不穩(wěn)定的蠕變有鬆弛有殘餘（永久）變形77（3）開爾文（kelvin）體模型符號：K=H|N2.1.4組合模型及其性質(zhì)78（3）開爾文（kelvin）體由並聯(lián)性質(zhì)：ε=ε1=ε2

①本構(gòu)方程：對N體：對H體：本構(gòu)方程79（3）開爾文（kelvin）體②

蠕變方程：得當(dāng)t=0時，突然施加一階線性微分方程初始條件：當(dāng)t=0時代入本方程80（3）開爾文（kelvin）體蠕變方程：蠕變曲線：81（3）開爾文（kelvin）體初始條件t=t1，ε=ε1卸載方程③有彈性後效：卸載時，也是如此，下麵研究卸載方程如果t=t1時卸載，σ=0代入本構(gòu)方程82（3）開爾文（kelvin）體卸載曲線83（3）開爾文（kelvin）體④

無鬆弛代入本構(gòu)方程得表明無鬆弛現(xiàn)象⑤無瞬變性（顯然）⑥描述巖石的特點有穩(wěn)定蠕變有彈性後效無鬆弛無瞬變性84結(jié)束語85巖石力學(xué)與工程ROCKMECHANICSANDENGINEERING巖石強度理論STRENGTHTHEORYOFROCK862.2強度理論－主要內(nèi)容1強度理論概述2Coulomb強度準(zhǔn)則3Mohr強度理論4Griffith強度理論872.2巖石強度理論2.2.1概述強度理論：關(guān)於材料破壞原因和條件的假說?；舅枷耄孩俅_認(rèn)材料失效的力學(xué)原因，提出破壞條件假說。②用簡單受力情況下的破壞實驗指標(biāo)，建立複雜應(yīng)力狀態(tài)下的彈性失效準(zhǔn)則。巖石破壞類型：

①斷裂破壞：單軸拉斷、劈裂——由拉應(yīng)力引起；②剪切破壞：塑性流動、剪斷——由剪應(yīng)力引起。88古典強度理論與巖石強度表現(xiàn)不符：①最大拉應(yīng)力理論沒有考慮σ2

和σ3

的影響。②最大伸長線應(yīng)變理論雖考慮σ2

和σ3的影響，但多向拉比單向拉安全，與事實矛盾。89③最大剪應(yīng)力理論與巖石試驗結(jié)果不符

σ1－σ3≤[σ]a.最大剪應(yīng)力理論破壞面與σ1

的夾角為45°；而巖石破壞面與σ1

的夾角為45°－φ/2。b.最大剪應(yīng)力理論破壞面上剪應(yīng)力最大；而巖石破壞面上剪應(yīng)力不是最大。90④歪形能理論只與σ1

、σ2

和σ3三者之間的差的絕對值有關(guān)；而與應(yīng)力大小無關(guān)，這與巖石破壞現(xiàn)象不符。912.2.2庫侖準(zhǔn)則：

（1773年）

觀點：①巖石破壞為剪切破壞；

②巖石抗能力由兩部分組成（內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦力）。

③強度準(zhǔn)則形式－直線型：922θ庫侖準(zhǔn)則可由AL直線表示任意斜截面上應(yīng)力為：當(dāng)任意斜截面為破壞面時，其上應(yīng)力滿足庫侖準(zhǔn)則。93

由圖：

破壞面方向：由圖：化簡得：（有兩種方法推導(dǎo)：代數(shù)、幾何）94強度準(zhǔn)則：

剪切式：

三向應(yīng)力式：

單向應(yīng)力式：95應(yīng)用：

①判斷巖石在某一應(yīng)力狀態(tài)下是否破壞（用應(yīng)力圓）。

②預(yù)測破壞面的方向：（與最大主平面成）；（X型節(jié)理銳角平分線方向為最大主應(yīng)力方向）。

③進行巖石強度計算。評價：①是最簡單的強度準(zhǔn)則，是莫爾強度理論的一個特例。②不僅適用於巖石壓剪破壞，也適用於結(jié)構(gòu)面壓剪破壞。③不適用於受拉破壞。

962.2.3莫爾強度理論：（1900）理論要點：①巖石的剪切破壞由剪應(yīng)力引起；但不是發(fā)生在最大剪應(yīng)力作用面上；②剪切強度取決於剪切面上的正應(yīng)力和巖石的性質(zhì)，是剪切面上正應(yīng)力的函數(shù)；③剪切強度與剪切面上正應(yīng)力的函數(shù)形式有多種：直線型、二次拋物線型、雙曲線型，等等；是一系列極限莫爾圓的包絡(luò)線，它由試驗擬合獲得；④剪切強度是關(guān)於σ軸對稱的曲線，破壞面成對成簇出現(xiàn)；⑤莫爾圓與強度曲線相切或相割研究點破壞，否則不破壞；⑥不考慮σ2的影響。

97莫爾理論建立與古典理論區(qū)別：①不致力於尋找材料失效的共同力學(xué)原因；②盡可能多地佔有不同應(yīng)力狀態(tài)下材料失效的試驗資料，極限應(yīng)力狀態(tài)；③用宏觀唯象的處理方法建立失效條件。98莫爾強度曲線繪製：

（由單拉、單壓、三壓強度實驗得到）特點：

曲線左側(cè)閉合，向由側(cè)開放（耐壓、不耐拉）；曲線的斜率各處不同（內(nèi)摩擦角、似內(nèi)聚力變化，與所受應(yīng)力有關(guān)）；曲線對稱於正應(yīng)力軸（破壞面成對出現(xiàn)，形成X型節(jié)理）；不同巖石其強度曲線不同（不同巖石具有不同的強度性）。99莫爾包絡(luò)線的三種形式：

（不同巖石具有不同的強度性質(zhì)，其強度曲線可分為三個類型）

a)直線型：

（與庫侖準(zhǔn)則相同）可進行強度計算：

單直線型雙直線型100b)二次拋物線型：運算式：

式中：—單向抗拉強度

—待定係數(shù)由圖：N點座標(biāo)及NM半徑為

N101強度運算式：主、剪應(yīng)力運算式：主應(yīng)力運算式：n係數(shù)：確定n係數(shù)的方法：102c)雙曲線型：運算式：（強度條件）

式中：φ1—為包絡(luò)線漸進線夾角

103對莫爾強度理論的評價：

優(yōu)點：①適用於塑性巖石，也適用於脆性巖石的剪切破壞；②較好解釋了巖石抗拉強度遠遠低於抗壓強度特徵；③解釋了三向等拉時破壞，三向等壓時不破壞現(xiàn)象；④簡單、方便:同時考慮拉、壓、剪,可判斷破壞方向.不足：①忽視了σ2

的作用，誤差：±10％；②沒有考慮結(jié)構(gòu)面的影響；③不適用於拉斷破壞；④不適用於膨脹、蠕變破壞。1042.2.4格裏菲斯強度理論（1920、1921）

1）基本假設(shè)（觀點）：

①物體內(nèi)隨機分佈許多裂隙；

②所有裂隙都張開、貫通、獨立；

③裂隙斷面呈扁平橢圓狀態(tài)；

④在任何應(yīng)力狀態(tài)下，裂隙尖端產(chǎn)生拉應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂隙沿某個有利方向進一步擴展。

⑤最終在本質(zhì)上都是拉應(yīng)力引起巖石破壞。

1052）兩個關(guān)鍵點：①最容易破壞的裂隙方向；②最大應(yīng)力集中點（危險點）。在壓應(yīng)力條件下裂隙開列及擴展方向帶橢圓孔薄板的孔邊應(yīng)力集中問題106①數(shù)學(xué)式

③Griffith準(zhǔn)則幾何表示

Griffith準(zhǔn)則圖解

②最有利破裂的方向角3）Griffth（張拉）準(zhǔn)則（a）在座標(biāo)下

由此區(qū)可見，當(dāng)時，即壓拉強度比為8。107（b）在座標(biāo)下

設(shè)－應(yīng)力圓圓心；－應(yīng)力圓半徑

又設(shè)，則Griffith強度準(zhǔn)則第二式寫成

應(yīng)力圓方程：

（1）代入（2）得：

108

（3）式是滿足強度判據(jù)的極限莫爾應(yīng)力圓的運算式

（3）式對

求導(dǎo)得把（4）式帶入（3）得在座標(biāo)下的準(zhǔn)則與庫侖準(zhǔn)則相似－－拋物線型。109Griffith強度曲線①在座標(biāo)下:110Griffith強度曲線

②在座標(biāo)下Griffth準(zhǔn)則圖解111Grriffith強度準(zhǔn)則評價：優(yōu)點：①巖石抗壓強度為抗拉強度的8倍，反映了巖石的真實情況；②證明了巖石在任何應(yīng)力狀態(tài)下都是由於拉伸引起破壞；③指出微裂隙延展方向最終與最大主應(yīng)力方向一致。

不足：①僅適用於脆性巖石，對一般巖石莫爾強度準(zhǔn)則適用性遠大於Griffith準(zhǔn)則。②對裂隙被壓閉合，抗剪強度增高解釋不夠。③Griffith準(zhǔn)則是巖石微裂隙擴展的條件，並非宏觀破壞。112結(jié)束語1133巖體力學(xué)性質(zhì)巖石力學(xué)與工程ROCKMECHANICSANDENGINEERING巖體結(jié)構(gòu)ROCKMASSSTRUCTURE1153.1巖體結(jié)構(gòu)－主要內(nèi)容1巖體結(jié)構(gòu)要素2結(jié)構(gòu)面類型3結(jié)構(gòu)面分級及其特性4結(jié)構(gòu)面狀態(tài)5

巖體結(jié)構(gòu)類型1163.1.1巖體結(jié)構(gòu)要素1173.1.2結(jié)構(gòu)面（Structuralplane)類型－1成因類型地質(zhì)類型原生結(jié)構(gòu)面沉積結(jié)構(gòu)面層面、層理、沉積間斷面（不整合面、假整合面）、原生軟弱夾層火成結(jié)構(gòu)面流層、流線、火山巖流接觸面，蝕變帶、擠壓破碎帶、原生節(jié)理變質(zhì)結(jié)構(gòu)面片理、板理、軟弱夾層1183.1.2結(jié)構(gòu)面（Structuralplane)類型－2成因類型地質(zhì)類型構(gòu)造結(jié)構(gòu)面劈理節(jié)理斷層層間破碎夾層1193.1.2結(jié)構(gòu)面（Structuralplane)類型－3成因類型地質(zhì)類型次生結(jié)構(gòu)面卸荷裂隙爆破裂隙風(fēng)化裂隙風(fēng)化夾層泥化夾層1203.1.3結(jié)構(gòu)面分級及其特性－1級序分級依據(jù)地質(zhì)類型力學(xué)屬性對巖體穩(wěn)定性影響I級延伸數(shù)十公里深度可切穿一個構(gòu)造層破碎帶寬度在數(shù)米、數(shù)十米以上區(qū)域性深大斷裂或大斷裂屬於軟弱結(jié)構(gòu)面，構(gòu)成獨立的力學(xué)介質(zhì)單元影響區(qū)域穩(wěn)定性是巖體變形或破壞的控制條件，形成巖體力學(xué)作用邊界。1213.1.3結(jié)構(gòu)面分級及其特性－2級序分級依據(jù)地質(zhì)類型力學(xué)屬性對巖體穩(wěn)定性影響II級延伸數(shù)百米至數(shù)公里，破碎帶寬度比較窄，幾釐米至數(shù)米不整合面假整合面原生軟弱夾層層間錯動帶風(fēng)化夾層屬於軟弱結(jié)構(gòu)面形成塊裂邊界控制山體穩(wěn)定性與I級結(jié)構(gòu)面可形成大規(guī)模的塊體破壞，即控制巖體變形和破壞方式。1223.1.3結(jié)構(gòu)面分級及其特性－3級序分級依據(jù)地質(zhì)類型力學(xué)屬性對巖體穩(wěn)定性影響III級延展十米或數(shù)十米，無破碎帶，面內(nèi)不含泥，有泥膜。在一個地質(zhì)時代地層中分布。各種類型的斷層原生軟弱夾層層間錯動帶等多數(shù)屬於堅硬結(jié)構(gòu)面少數(shù)屬軟弱結(jié)構(gòu)面。控制巖體的穩(wěn)定性與I、II級結(jié)構(gòu)面組合可形成不同規(guī)模的塊體破壞劃分II類巖體結(jié)構(gòu)的重要依據(jù)1233.1.3結(jié)構(gòu)面分級及其特性－4級序分級依據(jù)地質(zhì)類型力學(xué)屬性對巖體穩(wěn)定性影響IV級延展數(shù)米，未錯動，不夾泥，有的呈弱結(jié)合狀態(tài)，統(tǒng)計結(jié)構(gòu)面節(jié)理、劈理、片理、層理、卸荷裂隙等。堅硬結(jié)構(gòu)面劃分II類巖體結(jié)構(gòu)的基本依據(jù)是巖體力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)效應(yīng)基礎(chǔ)破壞巖體的完整性，與其他結(jié)構(gòu)面形成不同類型邊坡破壞方式。1243.1.3結(jié)構(gòu)面分級及其特性－5級序分級依據(jù)地質(zhì)類型力學(xué)屬性對巖體穩(wěn)定性影響V級連續(xù)性極差、剛性接觸的細小或隱微裂面，統(tǒng)計結(jié)構(gòu)面微小節(jié)理隱微裂隙線理等。硬性結(jié)構(gòu)面分佈隨機，降低巖塊強度，是巖塊力學(xué)性質(zhì)效應(yīng)基礎(chǔ)。若十分密集，又因風(fēng)化，形成鬆散介質(zhì)。1253.1.4結(jié)構(gòu)面狀態(tài)1）結(jié)構(gòu)面貫通類型和連續(xù)性a.貫通類型①非貫通性結(jié)構(gòu)面：較短、不能貫通,巖塊強度降低、變形增大.②半貫通性結(jié)構(gòu)面：有一定長度、不能貫通,巖塊強度降低、變形增大．③貫通性結(jié)構(gòu)面：長度較長、連續(xù)好、貫通整個巖體、構(gòu)成巖體邊界，它對巖體有較大的影響，破壞常受這種結(jié)構(gòu)面控制．126b.連續(xù)性結(jié)構(gòu)面的連續(xù)性反映結(jié)構(gòu)面的貫通程度。①線連續(xù)性係數(shù)K1

：沿結(jié)構(gòu)面延伸方向上，結(jié)構(gòu)面各段長度之和與測線長度比值．K1=∑a/(∑a+∑b)

K1變化在0～1之間變化,K1值愈大說明結(jié)構(gòu)面的連續(xù)性愈好,當(dāng)K1=1時，結(jié)構(gòu)面完全貫通。127②面連續(xù)性係數(shù)（面切割度）Xe：在巖體中沿結(jié)構(gòu)面延展平面上，結(jié)構(gòu)面各塊面積之和∑a與該斷面面積A之比．Xe=∑a/AXe變化在0～1之間變化；Xe值愈大說明結(jié)構(gòu)面的連續(xù)性愈好；當(dāng)Xe=1時，結(jié)構(gòu)面完全貫。當(dāng)Xe=0時，巖體完整。128巖體按切割度Xe的分類表名稱切割度Xe完整的0.1～0.2弱節(jié)理化0.2～0.4中等節(jié)理化0.4～0.6強節(jié)理化0.6～0.8完全節(jié)理化0.8～1.0129③跡長：在巖體中沿結(jié)構(gòu)面延展跡線的長度。國際巖石力學(xué)學(xué)會(ISRM，1978)建議：用結(jié)構(gòu)面的跡長來描述和評價結(jié)構(gòu)面的連續(xù)性，並制訂了相應(yīng)的分級標(biāo)準(zhǔn)

描述

跡長(m)

很低連續(xù)性<1

低的連續(xù)性1～3

中等連續(xù)性3～l0

高連續(xù)性10～20

很高連續(xù)性>20130結(jié)構(gòu)面的密集程度反映結(jié)構(gòu)面發(fā)育的密集程度。①裂隙度K：沿取樣線方向單位長度上的結(jié)構(gòu)面數(shù)量。設(shè)取樣線長度為L,單位m,該長度內(nèi)出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)面數(shù)量n，沿取樣線方向結(jié)構(gòu)面平均間距為d′，則K=n/L，d′=1/K=L/n線密度Kd：若取樣線垂直結(jié)構(gòu)面，則裂隙度被稱為線密度。間距d：同一組結(jié)構(gòu)面法線方向上結(jié)構(gòu)面平均距離。Kd=n/L，d=1/Kd=L/n2）結(jié)構(gòu)面密集程度131按結(jié)構(gòu)面間距d的分級表

描述

削距(mm)

極密集的間距<20

很密的間距20～60

密集的間距60～200

中等的間距200～600

寬的間距600～2000

很寬的間距2000～6000

極寬的間距>6000132多組結(jié)構(gòu)面裂隙度K的計算：Ka=1/max=cosξa/da

，Kb=1/mbx=cosξb/db，······，Kn=1/mnx=cosξn/dn

K=Ka+Kb+···+Kn結(jié)構(gòu)面按裂隙度K分類：k=0~1為蔬節(jié)理，k=1~10為密節(jié)理，k=10~100為非常密集節(jié)理，k=100~1000為壓碎、糜棱化。133②裂隙度K與的線密度Kd關(guān)係：假設(shè)測線OC是水準(zhǔn)佈置的，且與結(jié)構(gòu)面法線OA在水平面上的投影線OB的夾角為α，結(jié)構(gòu)面的傾角為β，則③體切割度Xv：面切割度Xe與裂隙度K的乘積；表示一組結(jié)構(gòu)面對巖體的切割程度。Xv＝K·Xe1343）結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀：①要素：走向、傾向、傾角②與主應(yīng)力之間的關(guān)係：控制巖體的破壞機理與強度。1354）結(jié)構(gòu)面形態(tài)：①要素：起伏形態(tài)、起伏角、粗糙度。②對巖體的力學(xué)性質(zhì)和剪切強度有影響。③起伏角:i=arctan(2h/L)136④粗糙度係數(shù)：JRC（jointroughnesscoefficent)巴頓（Barton，1977）提出：

粗糙度標(biāo)準(zhǔn)及粗糙係數(shù)挪威巖土工程研究所(NorwegianGeotechnicalIinsitute)1375）結(jié)構(gòu)面張開度：①張開度：結(jié)構(gòu)面兩壁間的垂直距離。②點接觸：起伏、鋸齒的凸起點，粘聚力降低。③張開:強度決定於充填物。描述結(jié)構(gòu)面張開度(mm)張開情況很緊密緊密部分張開<0.10.1～0.250.25～0.5閉合結(jié)構(gòu)面張開中等寬的寬的0.5～2.52.5～10>10裂開結(jié)構(gòu)面很寬的極寬的似洞穴的10～100100～l000>1000張開結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)面按張開度分級1386）結(jié)構(gòu)面的膠結(jié)充填物：a.膠結(jié)充填物成分對結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)的影響：①鐵矽質(zhì)膠結(jié)強度高；②鈣質(zhì)膠結(jié)強度較差；③黏土、泥質(zhì)膠結(jié)強度最差。b.膠結(jié)充填物厚度對結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)的影響：①薄膜充填：厚度小於1mm、應(yīng)力礦物、強度明顯降低；②端續(xù)充填：厚度小於起伏、強度與充填物和結(jié)構(gòu)面有關(guān)；③連續(xù)充填：厚度稍大於起伏、強度取決於充填物。④後層充填：厚度遠大於起伏、強度取決於充填物、易滑移。1393.1.5巖體結(jié)構(gòu)類型－1巖體構(gòu)類型巖體地質(zhì)類型主要結(jié)構(gòu)體形狀結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況巖土工程特徵可能發(fā)生的巖上工程問題整體狀結(jié)構(gòu)均質(zhì)，巨塊狀巖漿巖、變質(zhì)巖．巨厚層沉積巖、正變質(zhì)巖巨塊狀以原生構(gòu)造節(jié)理為主．多呈閉合型，裂隙結(jié)構(gòu)面間距大於1.5m,一般不超過l～2組．無危險結(jié)構(gòu)面組成的落石掉塊整體性強度高，巖體穩(wěn)定，可視為均質(zhì)彈性各向同性體不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體的局部滑動或坍．深埋洞室的巖爆1403.1.5巖體結(jié)構(gòu)類型－2巖體構(gòu)類型巖體地質(zhì)類型主要結(jié)構(gòu)體形狀結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況巖土工程特徵可能發(fā)生的巖上工程問題塊狀結(jié)構(gòu)厚層狀機積巖、正變質(zhì)巖、塊狀巖漿巖、變質(zhì)巖塊狀柱狀只具有少量貫穿性較好的節(jié)理裂隙．裂隙結(jié)構(gòu)面問距0.7～1.5m。一般為2～3組．有少量分離體整體強度較高．結(jié)構(gòu)面互相牽制．巖基本穩(wěn)定，接近彈性各向同性體不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體的局部滑動或坍塌．深埋洞室的巖爆1413.1.5巖體結(jié)構(gòu)類型－3巖體構(gòu)類型巖體地質(zhì)類型主要結(jié)構(gòu)體形狀結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況巖土工程特徵可能發(fā)生的巖上工程問題層狀結(jié)構(gòu)多韻律的薄層及中厚層狀沉積巖、副變質(zhì)巖層狀板狀透鏡體有層理、片理、節(jié)理帶有層間錯動面接近均一的各向異性體．其變形及強度特徵受層面及巖層組合控．可視為彈塑性體．穩(wěn)定性較差不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體可能產(chǎn)生滑塌．特別是巖層的彎張破壞及軟弱巖層的塑性變形1423.1.5巖體結(jié)構(gòu)類型－4巖體構(gòu)類型巖體地質(zhì)類型主要結(jié)構(gòu)體形狀結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況巖土工程特徵可能發(fā)生的巖上工程問題碎裂狀結(jié)構(gòu)構(gòu)造影嚴(yán)重的破碎巖層碎塊狀斷層、斷層破碎帶、片理、層理及層間結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，裂隙結(jié)構(gòu)面間距0.25—0.5m，一般在3組以上．由許多分離體形成完整性破壞較大，整體強度很低．並受斷裂等軟弱結(jié)構(gòu)面控制，多呈彈塑性介．穩(wěn)定性很差易引起規(guī)模較大的巖體失穩(wěn)、地下水加劇巖體失穩(wěn)1433.1.5巖體結(jié)構(gòu)類型－5巖體構(gòu)類型巖體地質(zhì)類型主要結(jié)構(gòu)體形狀結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況巖土工程特徵可能發(fā)生的巖上工程問題散體狀結(jié)構(gòu)構(gòu)造影響劇烈的斷層破碎帶，強風(fēng)化帶，全風(fēng)化帶碎屑狀顆粒狀斷層破碎帶交叉．構(gòu)造及風(fēng)化裂隙密集．結(jié)構(gòu)及組合錯綜複雜，並多充填粘性土．形成許多大小不一的分離巖塊完整性遭到極大破壞．穩(wěn)定性極差．巖體屬性接近鬆散體介質(zhì)易引起規(guī)模較大的巖體失穩(wěn)、地下水加劇巖體失穩(wěn)144結(jié)束語145巖石力學(xué)與工程ROCKMECHANICSANDENGINEERING3.2巖體分類理論與方法1463.2巖體分類理論與方法－主要內(nèi)容1巖體分類的目的和意義2巖體分類的原則3分類的獨立因素4幾種典型的分類理論和方法147

3.2巖體分類的理論與方法

3.2.1分類的目的與意義（1）分析、評價工程巖體穩(wěn)定性的需要。（2）為巖石工程建設(shè)的勘察、設(shè)計、施工和編制定額和概預(yù)算提供必要的基本依據(jù)。

（3）便於設(shè)計、施工方法的總結(jié),交流,推廣。（4）為便於行業(yè)內(nèi)技術(shù)改革和管理。體現(xiàn)：安全、經(jīng)濟、發(fā)展的思想，巖體分類是巖石力學(xué)研究領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)性課題。舉例說明1483.2.2.分類原則

(1）有明確的類級和適用對象（專題性的、綜合性的)。（2）根據(jù)適用對象，選擇考慮因素（單因素、多因素）。（3）有定量的指標(biāo)。（4）類級一般分五級為宜。（5）分類方法簡單明瞭、數(shù)字便於記憶和應(yīng)用。發(fā)展趨勢：“多因素、綜合特徵值”分類法1493.2.3分類的獨立因素

（1）巖石材料的品質(zhì)（強度指標(biāo)）。（2）巖體的完整性，密集度、切割度、連續(xù)性等。（3）巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與巖體工程的相對空間位置關(guān)係等。（4）地下水（軟化、沖蝕、降低有效正應(yīng)力、c、φ）（5）地應(yīng)力（大小、最大主應(yīng)力方向）（6）其他因素（自穩(wěn)時間、位移率）其中（1）（2）是巖石基本品質(zhì)，（3）－（6）是考慮工程巖體特點的其他因素1503.2.4幾種典型巖體分類理論和方法

1.按巖石的單軸抗壓強度σc分類巖石普氏係數(shù)(f=σc/10)分類法（Ｍ．Ｍ．Продотьяконов，1907

）極硬（f＝20）、很硬（f＝15）、堅硬（f＝8～10）、較硬（f＝5～6）、普通（f＝3～4）、較軟（f＝1.5～2）、軟層（f＝0.8～1）、鬆軟（f＜1）等8類。優(yōu)點：簡單方便、工程早期，普氏係數(shù)在我國現(xiàn)行設(shè)計手冊、工程定額、概預(yù)算仍沿用。缺點：小尺寸試件不能反映巖體強度，應(yīng)予淘汰。由此可推按單軸抗壓強度進行分類的方法均應(yīng)予淘汰。1512.按巖體完整性分類a.按巖石品質(zhì)指標(biāo)RQD

分類（RockQualityDesignation）迪爾（Deere,D.U.),1963提出,

又與裂隙特性聯(lián)繫1967,1969

美國伊利諾斯大學(xué)（IllinoisUniversity）教授規(guī)定：內(nèi)徑56mm金剛石鑽頭RQD是選用堅固完整的、其長度大於等於10cm的巖芯總長度與鑽孔長度的比，百分?jǐn)?shù)表示為：

工程實踐說明，RQD是一種比巖芯採取率更好的指標(biāo)。152用RQD值來描述巖石的品質(zhì)分級153例某鑽孔的長度為250cm，其中巖芯採取總長度為200cm,而大於10cm的巖芯總長度為157cm(如圖所示)，則巖芯採取率：200/250=80%

RQD=157/250=63%巖體分類為：Ⅲ類、中等巖體154b.以彈性波（縱波）速度分類依據(jù)：彈性波速變化來反映巖體結(jié)構(gòu)特性和完整性。

①梅裏特（Merritt)提出龜裂係數(shù)(Kv)：Merritt的龜裂係數(shù)巖體分類Kv0.8~10.8~0.60.6~0.40.4~0.20.2~0級次ⅠⅡⅢⅣⅤ巖體類別非常好好較好不好非常不好155②

中科院地質(zhì)所根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)的分類，列出了彈性波在各類巖體中傳播特性。156③

日本，池田和彥，1969年提出了日本鐵路隧道圍巖分類；先將巖質(zhì)分6類,再根據(jù)彈性波在巖體中的速度,將圍巖分為7類157①巖體的地質(zhì)力學(xué)分類（CSIR分類)

畢昂斯基(Bieniaski,1973)提出RMR(RockMassRating)值分類法南非科學(xué)和工業(yè)委員會（CSIR)式中：R1-巖石抗壓強度評分，R2-RQD評分，R3-節(jié)理間距評分，R4-節(jié)理狀態(tài)評分，R5-地下水狀態(tài)評分，R6-節(jié)理的方向?qū)こ痰挠绊懶拚u分，這6個指標(biāo)分別由如下各表來確定。3.按巖體綜合指標(biāo)分類－11581）與巖石強度相關(guān)的巖體評分值R1可以用標(biāo)準(zhǔn)試件進行單軸壓縮來確定，也可由點荷載試驗確定。1592）巖石品質(zhì)指標(biāo)RQD評分R23）對應(yīng)於節(jié)理組間距的巖石評分值R3節(jié)理間距評分值R3節(jié)理間距/cm≥20060~20020~606~20＜6R3評分值201510851604）與節(jié)理狀態(tài)相關(guān)的巖體評分值R41615）與地下水狀態(tài)相關(guān)的巖體評分值R5162@1973，南非科學(xué)和工業(yè)委員會（CSIR)畢昂斯基(Bieniaski)提出RMR計算式@1979年，提出修正RMR計算式@為什麼要考慮節(jié)理方向?qū)こ淌欠裼欣≧6）修正前五個評分之和？@看下麵的幾幅圖的情況，如何？

1631646）考慮節(jié)理方向?qū)こ淌欠裼欣麃硇拚拔鍌€評分之和R6

165€

根據(jù)6個參數(shù)之和RMR值，把巖體的品質(zhì)劃分為五類166

@本分類還給出了對巖體穩(wěn)定性（隧洞巖體自穩(wěn)時間）以及對應(yīng)的巖體c,φ值適用：堅硬、節(jié)理巖體，淺埋隧道不適用：擠壓、膨脹、湧水的及軟巖體。167②巴頓巖體質(zhì)量分類（Q分類)

巴頓(Barton,1974)提出Q值分類法挪威巖土工程研究所（NorwegianGeotechnicalInstitute)（NGI)式中：RQD-巖石品質(zhì)指標(biāo)，Jn-節(jié)理組數(shù)，Jr-節(jié)理粗糙係數(shù)，Ja-節(jié)理蝕變係數(shù)，Jw-節(jié)理水折減係數(shù)，SRF-應(yīng)力折減係數(shù)，

3.按巖體綜合指標(biāo)分類－2168169Q分類的優(yōu)點：1）考慮因素相對全面；2）適用於各種巖石（軟、硬）；

Q分類的缺點：沒有考慮節(jié)理方位（怕失去簡單的特點，影響通用性）170③我國工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)（GB50218-94）

分兩步計算：1）巖體基本品質(zhì)分級－－計算BQ2）巖體穩(wěn)定性分級－－計算[BQ],判斷分類。

3.按巖體綜合指標(biāo)分類－31711工程巖體分級的基本方法1）計算BQ(1）確定巖體基本品質(zhì)

兩個指標(biāo)：巖石的堅硬程度σc；巖體完整性指數(shù)Kv。

a.巖石堅硬程度的確定

巖石堅硬程度採用巖石單軸飽和抗壓強（σc

）172σc與定性劃分的巖石堅硬程度的關(guān)係b.巖體完整性指數(shù)（Kv）的確定。①用彈性波測試，計算龜裂係數(shù)Kv。②選擇有代表性露頭或開挖面，對不同的工程地質(zhì)巖組進行節(jié)理裂隙統(tǒng)計，節(jié)理數(shù)（Jv）(條/m3)173Jv與

Kv的對照關(guān)係Kv與巖體完整性程度定性劃分的對應(yīng)關(guān)係174（2）基本品質(zhì)分級a.計算巖體基本品質(zhì)指標(biāo)BQBQ=90+3σC+250KV式中：σC－巖石單軸飽和抗壓強度,MPa;

KV－巖體完整性指數(shù)值注：①當(dāng)σC

>90KV+30,代σC

＝90KV+30②當(dāng)KV>0.04RC+0.4,代KV＝0.04RC+0.4175b.按計算所得的BQ值分級1762）結(jié)合工程情況，計算巖體基本品質(zhì)指標(biāo)修正值[BQ][BQ]＝BQ－100(K1+K2+K3)

K1－地下水影響修正係數(shù)；K2－結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正係數(shù)；K3－地應(yīng)力影響修正係數(shù)。177178179[BQ]＝BQ－100(K1+K2+K3)BQ=90+3σC+250KV180按計算所得的[BQ]值分級[BQ]＝BQ－100(K1+K2+K3)1812.工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用－2條（1）巖體物理力學(xué)參數(shù)的選用182183（2）地下工程巖體自穩(wěn)能力的確定

注：小塌方：塌方高度<3m，或體積<30m3；中塌方：塌方高度3～6m，或體積30～100m3；

大塌方：塌方高度>6m，或體積>100m3；184我國工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)（GB50218-94）的評價

優(yōu)點：1）對地下隧道適用性較強；2）能反映巖體基本品質(zhì)分級－－計算BQ3）考慮工程巖體特性（地下水、節(jié)理與工程位置關(guān)系、地應(yīng)力－－計算[BQ],判斷分類。缺點：對邊坡巖體和地基巖體的分級研究較少。

185結(jié)束語巖石力學(xué)與工程ROCKMECHANICSANDENGINEERING結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)q本節(jié)主要內(nèi)容1結(jié)構(gòu)面法向變形與剛度2結(jié)構(gòu)面切向變形與剛度3結(jié)構(gòu)面的抗剪強度3.3結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)為什麼要研究結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)？1引起工程巖體失穩(wěn)破壞（義大利瓦依昂水庫庫