10/12/202514巖體力學(xué)性質(zhì)

4.1概述一、巖體的特點(diǎn)

天然巖體是由各種結(jié)構(gòu)面分割形成巖石塊的組合體,它具有不連續(xù)性、不均質(zhì)性和各向異性等特點(diǎn)。

二、結(jié)構(gòu)面1.定義：不同成因、不同特征的地質(zhì)界面的統(tǒng)稱。2.特點(diǎn)：有一定方向、橫向延展較大、厚度較小具有面的幾何特征。它的變形機(jī)理是兩盤閉合或滑移，在破壞上，或是沿著結(jié)構(gòu)面滑移，或是沿著它追蹤開裂。

三、結(jié)構(gòu)體

由結(jié)構(gòu)面彼此組合將巖體切割而成形態(tài)不一，大小不等和成分各異的巖石塊體。四、巖體結(jié)構(gòu)單元或要素10/12/20252五、巖體結(jié)構(gòu)不同類型的巖體結(jié)構(gòu)單元在巖體中的各種組合、排列形式的總稱。六、巖體力學(xué)性質(zhì)是巖體抵抗外力作用的能力，它包括巖體穩(wěn)定性特征、強(qiáng)度特征和變性特征，它是由組成巖體的結(jié)構(gòu)體、結(jié)構(gòu)面、賦存條件決定的。10/12/20253七、影響巖體力學(xué)性質(zhì)的基本因素10/12/2025410/12/202554.2巖體結(jié)構(gòu)面特征及類型

一、巖體結(jié)構(gòu)面類型1.按結(jié)構(gòu)面成因分類2.按結(jié)構(gòu)面切割程度或結(jié)構(gòu)體類型分類10/12/20256二、巖體結(jié)構(gòu)類型

級(jí)序結(jié)構(gòu)類型劃分依據(jù)亞類劃分依據(jù)ⅠⅠ1塊裂結(jié)構(gòu)多數(shù)軟弱結(jié)構(gòu)面切割，塊狀結(jié)構(gòu)體塊狀塊裂結(jié)構(gòu)原生巖體結(jié)構(gòu)呈塊狀層狀塊裂結(jié)構(gòu)原生巖體結(jié)構(gòu)呈層狀Ⅰ2板裂結(jié)構(gòu)一組軟弱結(jié)構(gòu)面切割，板狀結(jié)構(gòu)體塊狀板裂結(jié)構(gòu)原生巖體結(jié)構(gòu)呈塊狀層狀板裂結(jié)構(gòu)原生巖體結(jié)構(gòu)呈層狀ⅡⅡ1完整結(jié)構(gòu)無明顯結(jié)構(gòu)面切割塊狀完整結(jié)構(gòu)原生巖體結(jié)構(gòu)呈塊狀板狀完整結(jié)構(gòu)原生巖體結(jié)構(gòu)呈層狀Ⅱ2斷續(xù)結(jié)構(gòu)顯結(jié)構(gòu)面斷續(xù)切割塊狀斷續(xù)結(jié)構(gòu)原生巖體結(jié)構(gòu)呈塊狀層狀斷續(xù)結(jié)構(gòu)原生巖體結(jié)構(gòu)呈層狀Ⅱ3碎裂結(jié)構(gòu)堅(jiān)硬結(jié)構(gòu)面貫通切割，結(jié)構(gòu)體為塊狀塊狀碎裂結(jié)構(gòu)原生巖體結(jié)構(gòu)呈塊狀層狀碎裂結(jié)構(gòu)原生巖體結(jié)構(gòu)呈層狀過度型散體結(jié)構(gòu)軟硬結(jié)構(gòu)面混雜、無序排列切割碎屑狀散體結(jié)構(gòu)原生巖體結(jié)構(gòu)特征已消失糜棱化散體結(jié)構(gòu)原生巖體結(jié)構(gòu)特征已消失10/12/20257三、各類結(jié)構(gòu)的地質(zhì)特征10/12/20258四、結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體強(qiáng)度的影響結(jié)構(gòu)面是通過結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、形態(tài)、延展尺度等幾何特征參數(shù)和密集度與充填物等狀態(tài)，來描述對(duì)巖體強(qiáng)度和工程穩(wěn)定性影響的。1.結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀對(duì)巖體是否沿某一結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)起控制作用。2.結(jié)構(gòu)面形態(tài)決定結(jié)構(gòu)面抗滑力的大小，當(dāng)結(jié)構(gòu)面的粗糙度越高，其抗滑力就越大。3.結(jié)構(gòu)面的延展尺度在工程巖體范圍內(nèi)，延展尺度大的結(jié)構(gòu)面，完全控制了巖體的強(qiáng)度。10/12/2025910/12/202510三、巖體破碎程度的指標(biāo)(補(bǔ)充)1.裂隙度（1）定義

裂隙度K是指沿著取樣線方向，單位長度上節(jié)理的數(shù)量。（2）計(jì)算1）設(shè)某節(jié)理取樣線長度為L，沿L內(nèi)出現(xiàn)節(jié)理的數(shù)量為n，則

2）沿取樣方向節(jié)理的平均間距d為10/12/2025112.切割度（1）切割度是指巖體被節(jié)理割裂、分離的程度。（2）計(jì)算1）僅含一個(gè)節(jié)理面的平直斷面，節(jié)理面面積，平直斷面面積A，其切割度為2）當(dāng)巖體被完全切割時(shí)，；未被切割時(shí)，；可見，當(dāng)時(shí)，巖體是部分被切割3）若在同一平直斷面出現(xiàn)面積為的幾個(gè)節(jié)理面，則切割度為4.3結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)

結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)主要包括三個(gè)方面：法向變形、剪切變形和抗剪強(qiáng)度。4.3.1法向變形1.在法向載荷作用下，巖石粗糙結(jié)構(gòu)面的接觸面積和接觸點(diǎn)數(shù)隨載荷增大而增加，結(jié)構(gòu)面間隙呈非線性減小，應(yīng)力與法向變形之間呈指數(shù)關(guān)系，如圖4-9所示。10/12/20251210/12/2025132.古德曼法，法向應(yīng)力與結(jié)構(gòu)面閉合量的關(guān)系：式中：為原始?jí)毫Γ粸樽畲罂赡荛]合量；是與結(jié)構(gòu)面幾何特征、巖塊力學(xué)性質(zhì)有關(guān)的兩個(gè)參數(shù)；（4-2）10/12/202514圖4-9結(jié)構(gòu)面法向變形曲線10/12/2025153.法向變形剛度

（1）反映結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生單位法向變形的法向應(yīng)力梯度。

（2）法向變形剛度的古德曼法表示式：式中：結(jié)構(gòu)面的初始剛度。

（3）其大小主要取決于粗糙結(jié)構(gòu)面接觸點(diǎn)數(shù)、接觸面積和結(jié)構(gòu)面兩側(cè)微凸體相互嚙合程度。（4-3）4.1984年，班迪斯提出雙曲線形關(guān)系式法向應(yīng)力：法向剛度：（4-4）（4-5）10/12/2025174.3.2剪切變形1.剪切變形形式（1）非充填型粗糙結(jié)構(gòu)面剪切變形剪切應(yīng)力上升相對(duì)較快，達(dá)到峰值后結(jié)構(gòu)面的抗剪能力出現(xiàn)較大的下降，并產(chǎn)生不規(guī)則的峰后變形或滯滑現(xiàn)象，如圖4-10b的A曲線；（2）平坦（或有充填物）的結(jié)構(gòu)面剪切變形初始階段的剪切變形曲線呈下凹型，隨著剪切變形的持續(xù)發(fā)展，剪切應(yīng)力逐漸上升，但沒有明顯的峰值出現(xiàn)，最終達(dá)到恒定值，其曲線如圖4-10b的B所示。10/12/202518圖4-10結(jié)構(gòu)面剪切變形曲線2.古德曼將剪切變形曲線從形式上分為：1）峰前應(yīng)力上升的彈性區(qū)；2）剪應(yīng)力峰值區(qū)；3）峰后應(yīng)力降低或恒應(yīng)力的塑性區(qū)。

3.結(jié)構(gòu)面在剪切中的力學(xué)過程結(jié)構(gòu)面微凸體的彈性變形、劈裂、磨粒的產(chǎn)生與遷移、結(jié)構(gòu)面的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)等，但是剪切變形不管在那個(gè)過程中，剪切變形是不可完全恢復(fù)的。10/12/20251910/12/2025204.剪切剛度將“彈性區(qū)”單位變形內(nèi)的應(yīng)力梯度稱為剪切剛度Kt。5.古德曼法，剪切剛度可以由下式表示：

式中，是初始剪切剛度，是產(chǎn)生最大剪切位移時(shí)的剪應(yīng)力漸進(jìn)值。（4-6）

10/12/2025216.從下圖模型可以看出，結(jié)構(gòu)面的剪切變形與巖石強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面粗糙性和法向力有密切關(guān)。圖4-11結(jié)構(gòu)面剪切力學(xué)模型7.剪脹對(duì)于粗糙的結(jié)構(gòu)面，在剪應(yīng)力作用下，結(jié)構(gòu)面上半部沿凸臺(tái)斜面向上滑動(dòng)，產(chǎn)生法向移動(dòng)分量稱之為剪脹。10/12/2025224.3.3抗剪強(qiáng)度1.結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度一般可以用庫侖公式描述：

式中分別是結(jié)構(gòu)面上的粘結(jié)力和摩擦角，是巖石平坦表面基本摩擦角，

是結(jié)構(gòu)面上凸臺(tái)斜坡角。是作用在結(jié)構(gòu)面上的法向應(yīng)力。（4-7）

2.實(shí)驗(yàn)表明，低法向應(yīng)力時(shí)，結(jié)構(gòu)面上有剪切位移和剪脹；高法向應(yīng)力時(shí)，凸臺(tái)被剪斷，結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度最終變成殘余抗剪強(qiáng)度。在剪切過程中，凸臺(tái)起伏形成的粗糙度以及巖石強(qiáng)度對(duì)結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度起著重要作用。10/12/20252310/12/202524圖4-12凸臺(tái)模型的剪應(yīng)力與法向應(yīng)力的關(guān)系曲線10/12/2025253.巴頓準(zhǔn)則1）考慮法向力、粗糙度和結(jié)構(gòu)面壁巖石強(qiáng)度三因素的影響，巴頓提出了抗剪強(qiáng)度準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則為一經(jīng)驗(yàn)公式：

式中，是結(jié)構(gòu)面的抗壓強(qiáng)度，是巖石表面的基本摩擦角，為結(jié)構(gòu)面粗糙性系數(shù)。2）當(dāng)，上式變?yōu)椋?/p>

即轉(zhuǎn)化成平滑節(jié)理（無黏結(jié)力）的庫侖準(zhǔn)則。（4-8）10/12/2025264.3.4影響結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)的因素1.尺寸效應(yīng)因素（1）隨著試塊結(jié)構(gòu)面面積增加，平均峰值剪切應(yīng)力呈較小趨勢；（2）隨著結(jié)構(gòu)面尺寸的增大，達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)的位移量增大；（3）由于尺寸的增加，剪切破壞形式由脆性破壞向延性破壞轉(zhuǎn)化；（4）隨著結(jié)構(gòu)面尺寸的增大，峰值剪脹角減小.2.變形歷史因素新鮮結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度明顯高于受過剪切作用的結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度。3.充填性質(zhì)因素（1）充填物的厚度；（2）顆粒大小與級(jí)配；（3）礦物組分和含水程度。4.含水性因素10/12/20252710/12/2025284.4巖體的力學(xué)性質(zhì)4.4.1巖體變形曲線及其特征一、巖體壓縮變形曲線圖4-13巖體壓縮——變形曲線類型示意（a）直線型；（b）上凹型；（c）上凸型；（d）復(fù)合型

二、巖體剪切變形特征圖4-14巖體原位抗剪試驗(yàn)曲線10/12/20252910/12/2025301.在曲線到達(dá)屈服點(diǎn)以前，變形曲線與抗壓變形曲線相似；2.在曲線到達(dá)屈服點(diǎn)之后，巖體內(nèi)某個(gè)結(jié)構(gòu)體或結(jié)構(gòu)面首先被剪壞，隨之出現(xiàn)一次應(yīng)力降，峰前可能出現(xiàn)多次這樣的應(yīng)力降，應(yīng)力降的大小與被破壞的結(jié)構(gòu)體或結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度有關(guān)。當(dāng)巖體的破碎程度越高，則其應(yīng)力降反而不明顯；3.當(dāng)剪應(yīng)力增加到一定水平后，巖體的剪切變形已累積到一定程度，沒有被剪壞的部位以瞬間破壞的方式出現(xiàn)，并伴有一次較大的應(yīng)力降；4.當(dāng)出現(xiàn)一次較大的應(yīng)力降后，整體在一定應(yīng)力水平下產(chǎn)生穩(wěn)定的滑移。10/12/2025314.4.2巖體力學(xué)試驗(yàn)一、一般概念1.巖體與巖塊的差異1）組構(gòu)方面

巖塊含巖石材料及微小節(jié)理；巖體含巖塊及多組較大的節(jié)理；2）力學(xué)性質(zhì)方面

巖體比巖塊彈模小、峰值強(qiáng)度低、殘值強(qiáng)度低、變形（蠕變）大、泊松比大、各向異性強(qiáng)；極端堅(jiān)固完整巖體的強(qiáng)度≈巖塊強(qiáng)度，節(jié)理極端發(fā)育巖體的強(qiáng)度<<巖塊強(qiáng)度（幾分之一至幾十分之一）。10/12/20253310/12/2025342.尺寸效應(yīng)1）巖體與巖塊的尺寸界限，由尺度效應(yīng)（scaleeffect）試驗(yàn)決定；2）各種巖石的尺度效應(yīng)不同；3）大部分巖石在>0.5~1.0m時(shí)，性狀即穩(wěn)定，故通?？烧J(rèn)為在該尺寸以上即代表巖體；（A為試件的橫截面積）10/12/202535二、巖體力學(xué)試驗(yàn)特點(diǎn)與方法1.原則上，與巖塊試驗(yàn)無異。不同的是：試體大、設(shè)備大、代價(jià)高；2.巖體試驗(yàn)多在現(xiàn)場原位（in-situ）切割試體，進(jìn)行單軸壓縮、三軸壓縮及壓剪試驗(yàn)，一般試體尺寸為0.5~1.5m；3.加載設(shè)備用普通千斤頂、矮千斤頂和扁千斤頂；4.原始切割試體的工程浩大，費(fèi)用高昂；5.現(xiàn)場原位試驗(yàn)，要求一次將測試目標(biāo)：，應(yīng)力應(yīng)變曲線，強(qiáng)度指標(biāo)等全部測定。

10/12/20253610/12/2025376.結(jié)構(gòu)面實(shí)驗(yàn)方法1）實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)法傾斜儀法直剪儀法三軸儀法傾斜儀法

直剪儀法10/12/2025382）現(xiàn)場試驗(yàn)法

巖體、弱面、軟夾層的現(xiàn)場壓剪方法示意圖10/12/202539三、巖體力學(xué)計(jì)算指標(biāo)的選取與修正1.原則上：巖體指標(biāo)≈巖塊指標(biāo)，取巖塊指標(biāo)；巖體指標(biāo)<<巖塊指標(biāo)，取巖體指標(biāo)；2.巖體指標(biāo)：有條件的，可作試驗(yàn)測定；不能試驗(yàn)的，可暫先選取經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)；3.巖體內(nèi)摩擦角≈巖塊內(nèi)摩擦角；4.已知巖體的C和φ，可近似求得巖體單軸抗壓強(qiáng)度：再根據(jù)格氏準(zhǔn)則，可近似求得巖體抗拉強(qiáng)度：5.用巖體力學(xué)性質(zhì)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)工程進(jìn)行的初步計(jì)算，在工程開工后，應(yīng)根據(jù)實(shí)測的應(yīng)力，對(duì)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以適當(dāng)修正。10/12/2025404.4.3巖體變形特性一、巖體的單軸和三軸壓縮變形特征現(xiàn)場巖體循環(huán)壓縮應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)^程曲線10/12/2025411.巖體在加載開始階段，由于巖體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)調(diào)整、結(jié)構(gòu)面壓密與閉合，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈上凹型；2.曲線中可以看到，若在中途卸載回彈變形有滯后現(xiàn)象，并出現(xiàn)不可恢復(fù)的殘余變形；3.每一級(jí)加載與卸載循環(huán)曲線都是開環(huán)型的，當(dāng)外載荷增加，殘余變形量的增長速度變小，累計(jì)殘余變形增大；4.當(dāng)加載達(dá)到巖體峰值強(qiáng)度后，巖體出現(xiàn)破壞，其破壞過程一般呈柔性破壞特征，應(yīng)力下降比較緩慢，巖體越破碎，應(yīng)力降越小，表現(xiàn)出的脆性也越低；5.從破壞后曲線來看，巖石破壞后并非完全失去承載能力，而是保持一個(gè)較小的數(shù)值。也就是說，試件完全破壞經(jīng)過較大變形后，應(yīng)力下降到一定值之后便保持為常數(shù)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為巖體的殘余強(qiáng)度。10/12/20254210/12/202543二、現(xiàn)場巖體變形模量測量現(xiàn)場巖體變形模量測量過程曲線10/12/202544圖中的b段稱之為巖體的彈性變形量，a段稱之為巖體的殘余變形量。因而采用變形模量來表征巖體變形特征，變形模量可按下式確定：

式中：是應(yīng)力；是巖體永久變形(殘余變形)的應(yīng)變；是巖體彈性變形的應(yīng)變。10/12/202545四、影響巖體變形性質(zhì)的因素1.結(jié)構(gòu)面方位；2.結(jié)構(gòu)面的密度；3.結(jié)構(gòu)面的張開度及充填特征；10/12/2025464.5巖體的強(qiáng)度特征一、一般概念1.節(jié)理發(fā)育巖體，抗拉強(qiáng)度極弱，可概括為無拉力準(zhǔn)則；2.巖體的單軸壓縮、三軸壓縮及壓剪試驗(yàn)證實(shí)，大部分巖體在受壓區(qū)符合庫侖準(zhǔn)則，但其強(qiáng)度低于巖塊強(qiáng)度；3.巖體強(qiáng)度必介于巖塊強(qiáng)度與最弱面強(qiáng)度之間的一個(gè)范圍；4.巖體強(qiáng)度的具體情況，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)具體確定。10/12/202547二、單結(jié)構(gòu)面理論(補(bǔ)充)

1.建立模型為了從理論上用分析法研究裂隙巖體的壓縮強(qiáng)度，耶格（Jaeger）提出單結(jié)構(gòu)面理論。圖所示為巖體中發(fā)育一組結(jié)構(gòu)面AB，假定AB面（其法線方向）與最大主應(yīng)力方向夾角為。單結(jié)構(gòu)面理論分析圖10/12/2025482.莫爾應(yīng)力圓3.結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度服從庫侖準(zhǔn)則4.沿結(jié)構(gòu)面AB產(chǎn)生剪切破壞的條件：5.這是上兩式的綜合表達(dá)式，其物理含義是：當(dāng)作用在巖體上的主應(yīng)力值滿足本方程時(shí)，結(jié)構(gòu)面上的應(yīng)力處于極限平衡狀態(tài)。10/12/20254910/12/202550三、單結(jié)構(gòu)面巖體的強(qiáng)度分析1.當(dāng)時(shí)，；2.當(dāng)時(shí)，；這就是說明當(dāng)和時(shí)，試件不可能沿此結(jié)構(gòu)面破壞，將會(huì)沿巖石內(nèi)其他某個(gè)方向破壞。3.當(dāng)時(shí)，主應(yīng)力只要達(dá)到一定值就有可能沿此結(jié)構(gòu)面破壞。4.求主應(yīng)力的最小值的條件對(duì)求導(dǎo)，并令一階導(dǎo)數(shù)為零，可得即此時(shí)的莫爾圓與結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度包絡(luò)線相切。10/12/2025515.當(dāng)結(jié)構(gòu)面角度變化時(shí)，其破壞主應(yīng)力相應(yīng)增大。但主應(yīng)力增大達(dá)到一定值后，巖體并沒有沿結(jié)構(gòu)面破壞而是沿巖石的某一方向破壞，此時(shí)巖體的強(qiáng)度就等于巖石的強(qiáng)度。這時(shí)破壞面與的夾角應(yīng)滿足：10/12/20255210/12/2025536.下圖中，為結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度包絡(luò)線；而為巖石的強(qiáng)度包絡(luò)線，根據(jù)莫爾強(qiáng)度理論，若應(yīng)力莫爾圓上的點(diǎn)落在強(qiáng)度包絡(luò)線之下，則試件不會(huì)沿此截面破壞。即結(jié)構(gòu)面與主應(yīng)力的夾角滿足下式時(shí)，就不會(huì)沿此結(jié)構(gòu)面破壞。10/12/