1、,巖石力學(xué)與工程,ROCK MECHANICS AND ENGINEERING,巖體結(jié)構(gòu),ROCKMASS STRUCTURE,2,巖體力學(xué)性質(zhì)巖體結(jié)構(gòu),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,3,巖石與巖體,巖石與巖體：巖石是構(gòu)成巖體的物質(zhì)。巖體是由結(jié)構(gòu)面及結(jié)構(gòu)體(被結(jié)構(gòu)面所包圍的巖塊)兩個基本單元組成；巖石的物理力學(xué)性質(zhì)和水理性質(zhì)取決于巖石的礦物成分，而巖體的物理力學(xué)性質(zhì)，既取決于結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)，又取決于巖石的力學(xué)性質(zhì)。 與巖石相比，巖體具有以下性質(zhì)： 巖體是地殼的一部分，對 巖體的研究不能脫離它所處 的環(huán)境,地質(zhì)環(huán)境，包括地 應(yīng)力、水

2、、空氣、地溫等.,巖 體,結(jié)構(gòu)面,巖塊,巖體=巖塊+結(jié)構(gòu)面,4,巖體是一種多裂隙介 質(zhì)，存在各種尺度、規(guī)模 不等的結(jié)構(gòu)面。這些結(jié)構(gòu) 面切割的巖體形成多種典型的巖體結(jié)構(gòu)，其兩個極端是裂隙極多的松散碎塊，和裂隙較少的整體結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行礦山工程設(shè)計時必須首先確定巖體結(jié)構(gòu)的類型，然后分別選用適當(dāng)?shù)牧W(xué)方法進(jìn)行分析。,巖體,5,2.2 巖體結(jié)構(gòu)的基本類型,定義：不同類型的巖體結(jié)構(gòu)單元在巖體內(nèi)組合和排列形式.,巖體結(jié)構(gòu)三要素,巖體結(jié)構(gòu):,6,2.3 巖體結(jié)構(gòu)面及其充填特征,結(jié)構(gòu)面 定義：巖體內(nèi)開裂的和易開裂的地質(zhì)界面，如節(jié)理、層理、劈理、裂隙、斷層等等。結(jié)構(gòu)面的作用與其規(guī)模和形態(tài)有關(guān)。 特點： 橫向延展表現(xiàn)

3、出面的幾何特性； 物質(zhì)分異面或不連續(xù)面； 常具有一定厚度，充有一定物質(zhì)（例如：節(jié)理由兩個面及面間的水或氣組成；斷層及層間錯動是由上下盤兩個面及其間充填的斷層泥和水構(gòu)成的實體組成）； 變形機(jī)理是兩面閉合或滑移； 破壞機(jī)理是沿面滑動或開裂。,7,結(jié)構(gòu)面（Structural plane)類型1,8,結(jié)構(gòu)面（Structural plane)類型2,9,結(jié)構(gòu)面（Structural plane)類型3,10,結(jié)構(gòu)面的分級,按照結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度和規(guī)模，可分為： I 級結(jié)構(gòu)面：泛指對區(qū)域構(gòu)造其控制作用的斷裂帶，包括深大斷裂帶，延伸10公里以上，其存在直接關(guān)系都工程區(qū)域的穩(wěn)定性； II 級結(jié)構(gòu)面：指延展性

4、強(qiáng)而寬度有限的地質(zhì)界面，延伸幾百至數(shù)千米； III級結(jié)構(gòu)面：一般為局部的斷裂構(gòu)造，主要是小斷層，延展幾十到數(shù)十米，寬半米左右； IV級結(jié)構(gòu)面：延展性差，無明顯的寬度，主要指節(jié)理面，僅在小范圍內(nèi)分布； V 級結(jié)構(gòu)面：延展性級差，無寬度分別，分布隨機(jī)；,11,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 非貫通性結(jié)構(gòu)面：較短、不能貫通,巖塊強(qiáng)度降低、變形增大. 半貫通性結(jié)構(gòu)面：有一定長度、不能貫通,巖塊強(qiáng)度降低、變形增大 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,12,1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

5、的抗剪強(qiáng)度,2.4 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì),13,2.4 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)(法向變形),一、結(jié)構(gòu)面的法向變形：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數(shù)隨著載荷的增加而增加，結(jié)構(gòu)面的間隙減小，應(yīng)力與法向變形之間呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系； 1、Goodman（1974）提出的法向應(yīng)力與結(jié)構(gòu)面閉合量的關(guān)系：, 為原位壓力；max為最大的可能閉和量；s和t為參數(shù),t,14,法向剛度Kn:單位法向變形的法向應(yīng)力的梯度. （Goodman,1974） 式中Kn0：結(jié)構(gòu)面的初始剛度,2.4 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì),15,2、班迪斯（Bandis,1984）:通過大量的天然的,不同風(fēng)化程度和表面粗糙度的非充填結(jié)構(gòu)面實驗研

6、究. 雙曲線型法向應(yīng)力與法向變形的關(guān)系. 式中：a、b為常數(shù),2.4 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì) (法向變形),16,3.法向變形的特征 曲線形狀，先凹，后陡；可由 初始法向剛度和最大閉合量確定 初始階段，結(jié)構(gòu)面變形為主，當(dāng) n=c/3時結(jié)構(gòu)面變形基本完成 最大閉合量小于張開度。,2.4 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì),17,2.4 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)(剪切變形),1.兩種類型 A.粗糙結(jié)構(gòu)面（無充填物），剪應(yīng)力上升較快，當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到峰值后抗剪能力下降較大，并產(chǎn)生不規(guī)則的峰后變形或滯滑現(xiàn)象。 B.平坦結(jié)構(gòu)面（有充填物），初始階段剪切變形曲線斜率逐漸減小，曲線沒有明顯的峰值出現(xiàn)，最后恒定,二、結(jié)構(gòu)面的剪切變形：在法向應(yīng)力

7、作用下，結(jié)構(gòu)面在剪切作用下產(chǎn)生切向變形。,18,剪切剛度： 1974年Goodman提出： 式中：Kt0初始剪切剛度 s產(chǎn)生較大剪切位移時的剪應(yīng)力漸近值,2.4 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)(剪切變形),2.剪切變形曲線 從形式上可劃分為:彈性區(qū)、剪應(yīng)力峰值區(qū)和塑性區(qū)。在結(jié)構(gòu)面剪切過程中，伴隨有微凸體的變形、劈裂、結(jié)構(gòu)面間的相互錯動，變形有時是不可恢復(fù)的。,19,2.4 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)（剪切變形）,3.剪切變形特征 兩種類型： a.堅硬、無充填物脆性變形 有明顯的峰值、應(yīng)力降 b.軟弱、有充填物塑性變形 無明顯的峰值、應(yīng)力降 風(fēng)化結(jié)構(gòu)面，峰值位移變大、剪切剛度變小 隨法向應(yīng)力減小、剪切規(guī)模增大，剪切剛度

8、減小,20,2.4 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)(剪切變形),4.剪脹: 剪切過程中產(chǎn)生的法向移動分量.,巖石強(qiáng)度高，凸臺角i小，法向力N小，發(fā)生剪脹現(xiàn)象(b) 巖石強(qiáng)度低，凸臺角i大，法向力N大，發(fā)生剪斷現(xiàn)象(c),21,三. 結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度(庫侖準(zhǔn)則) 結(jié)構(gòu)面剪切強(qiáng)度,2.4 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)(抗剪強(qiáng)度),是結(jié)構(gòu)面的粘結(jié)力和摩擦角。,22,2.4 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)(抗剪強(qiáng)度),結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度,C,:結(jié)構(gòu)面上的粘結(jié)力和 摩擦角 n:結(jié)構(gòu)面上的法向應(yīng)力 = b + i b:巖石平坦表面摩擦角 i :結(jié)構(gòu)面上的凸臺斜坡角,23,四、結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)的尺寸效應(yīng) 1、隨著試塊面積增加，平均峰值剪應(yīng)力呈減小趨勢

9、，平均摩擦角下降； 2、隨著結(jié)構(gòu)面面積增大，峰值強(qiáng)度時的位移量增大； 3、隨著尺度增加，剪切破壞由脆性向延性轉(zhuǎn)化； 4、尺寸加大，峰值剪脹角減??； 5、隨結(jié)構(gòu)面粗糙度減小， 尺寸效應(yīng)減小。,2.4 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì),24,五、充填物對結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)影響 1、隨夾層厚度增大，強(qiáng)度迅速降低； 2、隨夾層顆粒增大，強(qiáng)度增大，但超過30mm以后變化不大； 3、隨含水量增加，使粘結(jié)力和摩擦力下降，強(qiáng)度下降 4、泥化夾層的影響，時效性，恒定荷載下產(chǎn)生蠕變。,2.4 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì),25,2.5 巖體的變形特征,1巖體受壓變形性質(zhì) 2巖體受剪變形性質(zhì) 3巖體各向異性特征,26,一、巖體的單軸和三軸壓縮下變

10、形特征 （1）巖體應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線 在加載過程，結(jié)構(gòu)面壓密與閉合，應(yīng)力應(yīng)變曲線，呈上凹型。 中途卸載有彈性后效現(xiàn)象和不可恢復(fù)殘余變形。這是結(jié)構(gòu)面閉合、滑移、錯動造成的。 完全卸載，再加載形成形 式上的“開環(huán)型”曲線，這 也是彈性后效造成的。 峰值強(qiáng)度后，巖體開始破 壞，應(yīng)力下降較緩慢，仍 有殘余應(yīng)力，這是巖體結(jié)構(gòu)效應(yīng)。,2.5 巖體的變形特征（單軸和三軸壓縮變形特征）,27,（2）卸載時荷載不降至零時的應(yīng)力應(yīng)變曲線 卸荷不降至零時的循環(huán)加載應(yīng)力應(yīng)變曲線呈“閉環(huán)型”。 隨著外荷加大、循環(huán)次數(shù)增多，閉環(huán)后移，這是結(jié)構(gòu)面逐級被壓密與嚙合，這是結(jié)構(gòu)面逐級被壓密與嚙合所致。 閉環(huán)逐漸變窄演變呈一條線，

11、 這是壓密程度越來越高，彈性 后效變小的原因。 當(dāng)卸荷至零持續(xù)一定時間后， 有較大回彈變形，這是彈性后效。,2.5 巖體的變形特征（單軸和三軸壓縮變形特征）,28,二、 巖體剪切變形特征 在屈服點前，變形曲線與抗壓變形相似，上凹型。 屈服點后，某個結(jié)構(gòu)面或結(jié)構(gòu)體首先剪壞，隨之出現(xiàn)一次應(yīng)力下降。峰值前可能發(fā)現(xiàn)多次應(yīng)力升降。升降程度與結(jié)構(gòu)面或結(jié)構(gòu)體強(qiáng)度有關(guān)，巖體越破碎，應(yīng)力降反而不明顯。 當(dāng)應(yīng)力增加到一定應(yīng)力水平時， 巖體剪切變形已積累到一定程度 沒剪破的部位以瞬間破壞方式出 現(xiàn)，并伴有一次大的應(yīng)力降。 隨后產(chǎn)生穩(wěn)定滑移,2.5 巖體的變形特征（剪切變形特征）,有關(guān)的工程問題：邊坡滑坡、壩基底部滑

12、移等；,29,2.6 巖體的強(qiáng)度特性,巖體的強(qiáng)度：巖體抵抗外力破壞的能力，包括抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度之分. 但對于裂隙巖體來說，其抗拉強(qiáng)度很小，加上巖體抗拉強(qiáng)度測試技術(shù)難度大，所以目前對巖體抗拉強(qiáng)度研究的很少。 巖體強(qiáng)度受結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體強(qiáng)度及其組合方式（巖體結(jié)構(gòu)）影響。,一、巖體強(qiáng)度的測定 巖體強(qiáng)度試驗是在現(xiàn)場原位切割較大尺寸的試件進(jìn)行單軸壓縮、三軸壓縮和抗剪強(qiáng)度試驗。,30,1、巖體單軸抗壓強(qiáng)度的測定：在試件表面抹水泥砂漿，將表面抹平，并在上方設(shè)置墊層，以便將載荷均勻傳給試體。計算強(qiáng)度同巖石單軸抗壓強(qiáng)度。,3、巖體三軸壓縮強(qiáng)度試驗 千斤頂施加軸向載荷，用壓力枕施加圍巖載荷,一、巖體強(qiáng)度

13、的測定,2、巖體抗剪強(qiáng)度的測定 一般采用千斤頂法：一個垂直千斤頂施加正壓力，另一個千斤頂施加橫推力合力應(yīng)通過剪切面中心，橫向千斤頂傾角一般15度。 計算公式：,真三軸和假三軸,31,結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度為：,-結(jié)構(gòu)面上的粘結(jié)力、摩擦角,-作用在結(jié)構(gòu)面上的法向應(yīng)力,二、結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度效應(yīng)-單結(jié)構(gòu)面,其中，摩擦角可寫成,32,二、結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度效應(yīng)-單結(jié)構(gòu)面,節(jié) 面 上 的 應(yīng) 力,將帶入得,33,巖體不會沿結(jié)構(gòu)面破壞,若莫爾圓和巖石強(qiáng)度包絡(luò)線相離，節(jié)理先破壞，巖體強(qiáng)度小于巖塊強(qiáng)度 若莫爾圓和巖石強(qiáng)度包絡(luò)線相切，則巖體沿某一巖石截面破壞，破壞角,a.當(dāng),b.當(dāng),若莫爾圓和巖體強(qiáng)度包絡(luò)線相離，則巖體不發(fā)生破

14、壞，既不沿結(jié)構(gòu)面破壞，也不沿巖石面破壞,有關(guān)巖體破壞的討論,34,兩組以上的節(jié)理同樣處理，不過巖體總 是沿一組最有利破壞的節(jié)理首先破壞。,二、結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度效應(yīng)-多結(jié)構(gòu)面,35,準(zhǔn)巖體強(qiáng)度,Hoek-Brown經(jīng)驗強(qiáng)度準(zhǔn)則,其中: m, s為與巖體結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù),三.巖體強(qiáng)度的估算,36,巖體分級的意義 工程巖體： 各類巖石工程周圍的巖體，包括地下工程、邊坡工程及與巖石有關(guān)的地面工程。 意義： 在工程設(shè)計與施工中區(qū)分復(fù)雜多變的巖體的質(zhì)量好壞，及其表現(xiàn)在穩(wěn)定性上的差異，為選擇工程結(jié)構(gòu)參數(shù)、科學(xué)管理生產(chǎn)以及評價經(jīng)濟(jì)效益提供依據(jù)。 分級方法概述： 現(xiàn)有方法包括單因素法向多因素法，綜合性的和專題性的。,2.8 巖體質(zhì)量評價及其分類,37,一、按巖石的質(zhì)量指標(biāo)RQD（Rock Quality Designation）分類 RQD是選用堅固完整的、其長度大于等于10mm的巖芯總長度與鉆孔長度的比，百分?jǐn)?shù)表示為： 按RQD大小將巖石分為五類。工程實踐說明，RQD是一種比巖芯采取率更好的指標(biāo)。,2.8 巖體質(zhì)量評價及其分類,38,二、巖體基本質(zhì)量分級： 認(rèn)為巖石的堅硬程度和