CH3-岩体的力学性质

2015-9-211本章主要内容1.概述2.岩体结构基本类型3.岩体结构面及其充填特征4.结构面的力学性质5.岩体的变形特性6.岩体的强度特征7.岩体质量评价及其分类第3章岩体的力学性质2015-9-212本章学习要点：掌握岩体、岩块、结构面等重要概念及结构面的力学特征；掌握岩体的强度特征；掌握岩体的破坏机理；了解我国工程岩体的分类方法。基本概念：岩体、岩块、结构面、岩体结构、岩体强度、结构面间距与线密度、岩石RQD质量指标、连续性系数、岩石坚固性系数。第3章岩体的力学性质2015-9-2133.1概述1.结构面与结构体结构面structuralplane：又称为弱面，外文称为不连续面(discontinuities)或节理(joint)，是指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面或带，它包括物质分异面和不连续面。软弱结构面：在结构面中，规模较大、强度低、易变形的结构面。结构面对工程岩体的完整性、渗透性、物理力学性质及应力传递等都有显著影响，是造成岩体非均质、非连续、各向异性和非线弹性的本质原因之一。第3章岩体的力学性质2015-9-2143.1概述1.结构面与结构体结构体structuralelement：是指被结构面切割围限的岩石块体(有别于rockmass，因结构体有级序)。结构体的特征用其规模、形态及产状等描述。结构面和结构体称为岩体结构单元或岩体结构要素，岩体就是岩石和这些结构面的统一体。岩体的力学性质：岩体抵抗外力作用的的能力，包括岩体的稳定性特征、强度特征和变形特征。岩体力学性质的影响因素：①结构体的力学性质(结构体本身强度)；②结构面的力学性质(粗糙起伏、尺寸效应、各向异性、开闭)；③岩体结构的力学效应(结构面空间分布、组合)；④地质环境影响(水、地应力)。第3章岩体的力学性质2015-9-2153.1概述1.结构面与结构体第3章岩体的力学性质2015-9-2163.2岩体结构基本类型岩体结构单元：结构面和结构体。结构面：软弱结构面，坚硬结构面。结构体：按力学作用分为块状结构体、板状结构体。结构体划分依据：①结构面类型；②结构体类型或结构面切割程度。①第一依据：结构面类型，它规定了结构级序软弱结构面：Ⅰ级岩体结构，包括ⅠⅡⅢ级结构面。坚硬结构面：Ⅱ级岩体结构，包括ⅣⅤ级结构面。第3章岩体的力学性质2015-9-2173.2岩体结构基本类型②第二依据：结构体类型，它规定了岩体结构的基本类型。Ⅰ级岩体结构：块状结构体－块裂结构板状结构体－板裂结构Ⅱ级岩体结构：结构面贯通切割－碎裂结构结构面断续切割－断续结构无显结构面切割－完整结构过渡型岩体结构：软硬面混杂，结构面无序排列－散体结构③亚类划分依据：依据岩体的原生结构，如碎裂结构可分为：块状碎裂结构、层状碎裂结构。第3章岩体的力学性质2015-9-2183.2岩体结构基本类型结构体与结构面一样也是有级序的，一般划分为4级：I级结构体：由I级结构面切割成的结构体(地质体)。II级结构体：由I级结构体经II级结构面切割而成的结构体(山体)。III级结构体：II级结构体再经III级结构面切割而成的结构体。IV级结构体：III级结构体再经IV级结构面切割而成的结构体(完整岩石或岩块)。第3章岩体的力学性质2015-9-2193.2岩体结构基本类型结构体形态即为复杂，其形态不同，结构体稳定性也不同。常见的形状有：第3章岩体的力学性质2015-9-21103.2岩体结构基本类型按岩体被结构面分割的程度或结构体的形态特征，可将岩体结构划分为5大基本类型：第3章岩体的力学性质岩体结构整体结构层状结构块状结构碎裂结构散体结构2015-9-21113.2岩体结构基本类型按岩体被结构面分割的程度或结构体的形态特征，可将岩体结构划分为5大基本类型：第3章岩体的力学性质岩体结构整体结构层状结构块状结构碎裂结构散体结构2015-9-21123.2岩体结构基本类型工程实践表明，岩体的应力传播、变形破坏以及岩体力学介质属性无不受控于岩体结构。结构面是抵抗外力的薄弱环节，软弱结构面是岩体变形破坏的重要控制因素或边界。岩体的变形主要由结构体变形与结构面变形两部分构成。块状结构岩体变形主要沿贯通性结构面滑移形成；碎裂状结构岩体变形则由Ⅲ、Ⅳ级结构面滑移及部分岩块变形构成；只有完整岩体的变形才受控于组成岩体的岩石变形特征。第3章岩体的力学性质2015-9-21133.2岩体结构基本类型第3章岩体的力学性质岩体变形机制受岩体结构控制岩体结构整体状结构碎裂状结构块状结构主要的岩块压缩变形结构面滑移变形结构体滑移及压缩变形次要的微结构面错动结构体及结构面压缩及结构体性状改变结构体压缩及形状改变侧胀系数小于0.5常大于0.5极微小变形系数结构体压缩及形状改变压密沿结构面滑移控制岩体变形的主要因素岩石、岩相特征及Ⅴ级结构面特征开裂的不连续的Ⅲ、Ⅳ级结构面贯通的Ⅰ、Ⅱ级结构面，主要为软弱结构面变形成分2015-9-21143.2岩体结构基本类型岩体的破坏机制也受控于岩体结构，岩体结构控制着岩体破坏难易程度、岩体破坏的规模、岩体破坏的过程及岩体破坏的主要方式等。第3章岩体的力学性质岩体破坏机制受岩体结构控制整块体结构岩体块状结构岩体碎裂状结构岩体散体状结构岩体①张破裂②剪破坏结构体沿结构面滑动①结构体张破裂②结构体剪破裂③结构体流动变形④结构体沿结构面滑动⑤结构体转动⑥结构体组合体倾倒⑦结构体组合体溃屈①剪破坏②流动变形2015-9-21153.2岩体结构基本类型岩体的破坏机制也受控于岩体结构，岩体结构控制着岩体破坏难易程度、岩体破坏的规模、岩体破坏的过程及岩体破坏的主要方式等。第3章岩体的力学性质岩体变形破坏方式2015-9-21163.2岩体结构基本类型岩体的破坏机制也受控于岩体结构，岩体结构控制着岩体破坏难易程度、岩体破坏的规模、岩体破坏的过程及岩体破坏的主要方式等。第3章岩体的力学性质岩体变形破坏方式2015-9-21173.3岩体结构面及其充填特征结构面是具有一定方向、延展较大、厚度较小、变化复杂的二维面状地质界面，使岩体在构造上不连续、非均质。1.结构面的类型及其特征第3章岩体的力学性质⎩⎨⎧软弱结构面(夹泥的，夹层)坚硬结构面(干净的)结构面根据结构面的形成原因，通常将其分为三种类型：原生结构面、构造结构面、次生结构面。2015-9-21183.3岩体结构面及其充填特征1.结构面的类型及其特征第3章岩体的力学性质成因类型地质类型沉积结构面层面、层理、沉积间断面（不整合面、假整合面）、原生软弱夹层火成结构面流层、流线、火山岩流接触面，蚀变带、挤压破碎带、原生节理变质结构面片理、板理、软弱夹层原生结构面2015-9-21193.3岩体结构面及其充填特征1.结构面的类型及其特征第3章岩体的力学性质成因类型地质类型劈理节理断层层间破碎夹层构造结构面成因类型地质类型卸荷裂隙爆破裂隙风化裂隙风化夹层泥化夹层次生结构面2015-9-21203.3岩体结构面及其充填特征2.结构面的分级结构面的规模大小影响着岩体的力学性质、工程岩体力学作用及其稳定性。按结构面延伸长度、切割深度、破碎带宽度及其力学效应，将结构面分为5级：第3章岩体的力学性质级序分级依据地质类型力学属性对岩体稳定性影响I级延伸数十公里；深度可切穿一个构造层；破碎带宽度在数米、数十米以上。区域性深大断裂或大断裂。属于软弱结构面，构成独立的力学介质单元。影响区域稳定性，是岩体变形或破坏的控制条件，形成岩体力学作用边界。2015-9-21213.3岩体结构面及其充填特征2.结构面的分级按结构面延伸长度、切割深度、破碎带宽度及其力学效应，将结构面分为5级：第3章岩体的力学性质级序分级依据地质类型力学属性对岩体稳定性影响II级延伸数百米至数公里；破碎带宽度比较窄，几厘米至数米。不整合面；假整合面；原生软弱夹层；层间错动带；风化夹层。属于软弱结构面，形成块裂边界。控制山体稳定性，与I级结构面可形成大规模的块体破坏，即控制岩体变形和破坏方式。2015-9-21223.3岩体结构面及其充填特征2.结构面的分级按结构面延伸长度、切割深度、破碎带宽度及其力学效应，将结构面分为5级：第3章岩体的力学性质级序分级依据地质类型力学属性对岩体稳定性影响IV级延展数米；未错动，不夹泥；有的呈弱结合状态，统计结构面。节理、劈理、片理、层理、卸荷裂隙等。坚硬结构面。划分II类岩体结构的基本依据，是岩体力学性质和结构效应基础；破坏岩体的完整性，与其他结构面形成不同类型边坡破坏方式。2015-9-21233.3岩体结构面及其充填特征2.结构面的分级按结构面延伸长度、切割深度、破碎带宽度及其力学效应，将结构面分为5级：第3章岩体的力学性质级序分级依据地质类型力学属性对岩体稳定性影响V级连续性极差、刚性接触的细小或隐微裂面，统计结构面。微小节理，隐微裂隙，线理等。硬性结构面分布随机，降低岩块强度，是岩块力学性质效应基础；若十分密集，又因风化，形成松散介质。2015-9-21243.3岩体结构面及其充填特征2.结构面的分级按结构面延伸长度、切割深度、破碎带宽度及其力学效应，将结构面分为5级：第3章岩体的力学性质结构面分级实测结构面统计结构面Ⅰ级结构面Ⅱ级结构面Ⅲ级结构面Ⅳ级结构面Ⅴ级结构面2015-9-21253.3岩体结构面及其充填特征3.结构面状态(1)贯通类型：在工程岩体范围内，结构面按贯通情况可分为贯通性的、半贯通性的和非贯通性的三种类型。第3章岩体的力学性质(a)非贯通性结构面：较短、不能贯通，岩块强度降低、变形增大。(b)半贯通性结构面：有一定长度、不能贯通,岩块强度降低、变形增大。(c)贯通性结构面：长度较长、连续好、贯通整个岩体、构成岩体边界，它对岩体有较大的影响，破坏常受这种结构面控制。2015-9-21263.3岩体结构面及其充填特征3.结构面状态(2)连续性：结构面的连续性反映结构面的贯通程度，用线连续性系数、迹长和面连续性系数等描述。(a)线连续性系数K1：沿结构面延伸方向上，结构面各段长度之和与测线长度比值，即第3章岩体的力学性质⎩⎨⎧=+=∑∑∑完全贯通11~01iiibaaK(b)迹长：是指结构面与露头面交线的长度，ISRM(1978)制定了描述与评价结构面连续性的分级标准：2015-9-21273.3岩体结构面及其充填特征3.结构面状态(2)连续性：用线连续性系数、迹长和面连续性系数描述。第3章岩体的力学性质(b)迹长：是指结构面与露头面交线的长度，SRM(1978)制定了描述与评价结构面连续性的分级标准：2015-9-21283.3岩体结构面及其充填特征3.结构面状态(2)连续性：用线连续性系数、迹长和面连续性系数描述.第3章岩体的力学性质(c)面连续性系数(面切割度)：是指在岩体中沿结构面延展平面上，结构面各块面积之和与该断面面积之比。⎪⎩⎪⎨⎧==∑岩体完整完全贯通011~0AaXe2015-9-21293.3岩体结构面及其充填特征3.结构面状态(2)连续性：用线连续性系数、迹长和面连续性系数描述.第3章岩体的力学性质(c)面连续性系数(面切割度)岩体按面切割度Xe的分类岩体类型切割度Xe完整岩体0.1～0.2弱节理化0.2～0.4中等节理化0.4～0.6强节理化0.6～0.8完全节理化0.8～1.02015-9-21303.3岩体结构面及其充填特征3.结构面状态(3)结构面的密集程度：反映了结构面发育的密集程度，用岩体裂隙度和切割度表征。①岩体裂隙度K：是指沿取样线方向单位长度上的节理数量。沿取样线方向结构面平均间距为d，则有第3章岩体的力学性质nLKdLnK===1,②线密度Kd：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)；间距d则是同一组结构面法线法线上两相邻结构面的平均距离，于是有dKd1=2015-9-21313.3岩体结构面及其充填特征3.结构面状态第3章岩体的力学性质②线密度Kd：若测线是水平方向布置的，且与结构面法线的夹角为为α，结构面的倾角为β，则αβαβcossin'c