CH2第二章岩石力学-PPT资料83页

第二章岩体力学性质与岩体分类2.1岩体的特点前一章讨论了岩石的力学性质。有关结果都是由岩石试块在实验室试验所获得的。室内试验的结果能否反映现实工程中材料的力学性质？在机械行业中，回答是肯定的。岩石工程中呢？奥地利岩石力学专家Müller的例子：花岗岩，室内试验的岩石抗压强度为250MPa;根据边坡破坏情况反推的现场岩石的抗压强度：1.25MPa。因此：室内试验的结果不能代表现场的工程岩石。为什么相差如此之大？是偶然还是普遍情形？回答：普遍。尺寸较大的现场岩石，其强度通常都远低于小块岩石的强度。原因何在？现场岩石中的断层、层面、节理、裂隙等各种软弱结构面，是造成岩石强度下降的主要原因。室内试验的小试块，只包含微裂隙，不会有断层、节理存在，因此，强度相对较高。工程现场的岩石，尺寸要大得多，节理、裂隙和断层等都可能包含在其中。结构面——岩石节理岩体定义：由结构面和结构体组成的地质体，是定义岩体不可缺一的两个要素。结构面：指岩体中存在着的各种不同成因和不同特性的地质界面，包括物质的分界面、不连续面，如节理、片理、断层、不整合面等。结构体：由结构面在岩体中切割而成的几何体称为结构体（岩石）。要掌握岩体的力学特性，更重要的是掌握结构面的特性一结构面结构面是在地球长期地质历史中形成的，成因复杂，其分类方法也有多种。按地质成因的不同，可将结构面分为如下三类：1.原生结构面：在成岩过程中形成的结构面。又分为(a)沉积结构面。如层理面。(b)火成结构面。如岩浆与其他岩体的接触面。(c)变质结构面。如片理。1.1结构面的分类2.构造结构面指由地球构造活动所产生的结构面。包含：节理、劈理、断层等。3.次生结构面指在次生作用下形成的结构面。如风化裂隙、泥化夹层等。1.2结构面的几何特征结构面的存在，会使岩体的性质发生很大变化，强度大大降低。然而，随着结构面产状、形态、延展尺度、规模大小、发育程度等因素的变化，岩体强度也会发生极大变化。因此，在岩体工程中，通常需要对结构面的形态进行详细的研究。1、结构面的产状结构面在空间的分布状态，通常用走向、倾向、倾角描述。对岩体中的结构面而言，结构面与岩石工程之间的相互关系直接影响岩体的稳定性。(a)(b)(c)(d)2、结构面表面粗糙度的影响粗糙度系数JRC；巴顿：粗糙度系数可分10级(标准粗糙度剖面)对右图所示的露天矿边坡，对结构面表面光滑平整和表面粗糙两种情形，则显然，表面光滑时较容易发生滑坡；表面粗糙时则边坡稳定性显著提高，不容易发生滑坡。因此，结构面表面的粗糙度，对这类工程的稳定性，有显著影响。粗糙度大——抗滑力大3、结构面的延展尺度和规模延展尺度：主要指结构面本身的长度。可分为1.细小——延展尺度＜1米；2.中等——延展尺度1米–10米；3.巨大——延展尺度＞10米.贯通情况：主要指结构面长度与岩石工程尺度之间的关系。可分为1.非贯通2.半贯通3.贯通结构面是否贯通，对岩石工程的稳定性有很大影响。4、结构面的密集度结构面发育的密集程度，通常可以用两个指标来衡量：1.裂隙度k——指单位长度上节理的条数；2.切割度d——岩体被结构面切割分离的程度，结构面面积与评价断面面积之比。统计结构面密集程度的方法——详细观测线法。（1）裂隙度Ka.单组节理设观测线长度为，在上出现的节理的个数为n，则节理之间的平均间距为单组结构面多组结构面nkknld110m实例：k=4/10=0.4/md=1/k=2.5m22112121coscos11ddmmKKKniiidK1cosb.多组节理d180cm岩体为整体结构d=30~180cm岩体为块状结构d=6.5~30cm岩体为碎裂结构d6.5cm极碎裂结构（2）切割度节理并非在岩体内全部贯通，用“切割度”来描述节理贯通度，在岩体中取一平直断面，总截面积为A，其中被节理面切割的面积为a；则切割度为：exAaXeniiaa5、结构面的充填物结构面强度与有无充填物及充填物的性质密切相关。1.2岩体结构的类型岩体结构：指岩体中结构面和结构体的形态及组合特征。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以下几种基本类型：岩体结构整体结构层状结构块状结构碎裂结构散体结构（1）整体结构岩性单一，节理不发育，无软弱结构面或夹泥，层面结合良好，渗流对岩体特性影响不大，结构尺寸大于工程尺寸。完整性系数0.75结构面间距1.0m岩土工程特征：整体性强度高，岩体稳定，可视为均质、各向同性的连续介质。（2）块状结构节理发育，有若干软弱夹层或贯通微张裂隙将岩体切割成柱状、块状或菱形等结构体。工程范围内，有两组以上节理明显发育，构成影响工程稳定性的可能危险岩块，其尺寸小于工程几何尺寸。完整性系数0.35～0.75结构面间距0.5～1.0m岩土工程特征：整体性强度较高，结构面相互牵制，岩体基本稳定，接近弹性各向同性体。（3）层状结构由中厚（0.25～0.5m）及薄层（0.25m）的均一、坚硬、软弱或软硬相间的沉积岩或沉积变质岩形成的岩体。结构面以层理、片理、节理为主，往往有层间错动，结构体呈板状、片状互相紧密叠合。完整性系数：层状0.3～0.6;薄层状0.4结构面间距：层状0.3～0.5m；薄层状0.3m岩土工程特征：工程范围内，一组节理明显发育，在层内具有均一的地质特征与力学特性，属各向异性、层内均质的连续介质。其变形和强度特征受层面及岩层组合控制，岩体稳定性较差。（4）碎裂结构构造发育，各种结构面与断裂交叉发育，且多为泥质充填。岩体破碎，呈块状或片状，局部裹有坚硬的大块或条块状岩石，属不均一的不连续介质，稳定性很差。岩体完整性系数结构面间距镶嵌结构0.360.5m层状碎裂结构0.41m破碎结构0.30.5m（5）散体结构主要为各种剧烈风化或挤压破碎的岩体或土体。结构面相当发育，呈网状，岩体极度破碎，并混有断层泥，呈松散堆积或压密堆积。完整性系数：0.2岩土工程特征：稳定性极差，岩体属性接近松散体介质。二结构面的强度结构面对岩体强度的主要影响是，岩体容易沿着结构面发生剪切破坏，产生滑移。因此，对结构面，一般不做压缩和拉伸强度试验，而做直接剪切试验。1、平直结构面的抗剪强度使用不同的试样，施加不同的正应力si，可以得出不同的结构面抗剪强度ti。于是可计算出结构面的抗剪强度Cj和fj。对任一次剪切试验，可绘出剪应力-剪切位移曲线：剪应力随剪切位移的增加而增大，当剪应力达到峰值后，剪切位移突然增大，表明试件已破坏；此后，只需很小的剪应力便能使试件继续产生切向位移，该剪应力称为残余抗剪强度。峰值抗剪强度和残余抗剪强度大多数结构面，两表面之间相互还有一定粘结力。因此，试验所得结果，C值一般不为零。(等同于抗剪断试验)。抗剪断试验以后，如果对这同一组试样再做一次直剪试验（抗摩擦试验，即残余抗剪强度），此时所得的C值等于零。ppCsttanr为残余摩擦角，一般比峰值摩擦角小。p2、粗糙结构面的抗剪强度设结构面表面不平，并具有角度为i(粗糙角)的规则齿状突起。于是，在直剪试验中，在推力T的作用下，上半部分就会沿齿向上移动。两个概念：剪胀：在沿斜面滑动时，将产生沿水平方向的切向位移u和垂直方向的法向位移v，导致整个岩块体积膨胀(膨胀是由新增空隙所致)，这种体积膨胀现象称为剪胀。爬坡(爬坡角)：沿斜面的滑动现象称为爬坡；粗糙角i又称爬坡角。2、粗糙结构面的抗剪强度于是，作用在锯齿上的正应力si和剪应力ti，可分别由下式计算：在推力T达到极大值，试样即将发生破坏的瞬间，正应力si和剪应力ti应该满足下式：iiisincostssiiisincossttsttgii即或整理，化简，得将此式与没有齿状突起的结构面的试验结果相比较，可知，对于具有角度为i的齿的结构面，齿的效应是使结构面的内摩擦角提高，提高的幅度就等于角度i。tssttgiiii)sincos(sincos)sincossin(cos)cossinsin(cosiiiist)(stitg以上结果是正应力较小时候的情形。当正应力较大时，则显然，齿将被剪掉。此时的结果类似于没有结构面的岩石试验：摩擦角没有提高，但出现凝聚力C′（称视凝聚力）。此时的强度方程：Ctgjst总结：1.结构面平直：2.结构面粗糙：正应力较小时:（i也称爬坡角）正应力较大时（锯齿被剪断）：jjtgCst)(itgjstjjCtgst残余抗剪强度rrtgst三、结构面的力学效应（1）单节理的力学效应设结构面的强度条件：设节理的方向角为：岩石的强度条件为：sttgcjjtgcst考察应力改变时(以最大主应力不断增大为考察条件)，是否会沿已知结构面发生破坏。直线1是结构面强度曲线，直线2是岩石强度曲线考察应力圆与直线1相切、相割时的含义。可知：二者相割时代表在该组应力状态下，岩体已经沿着切线上方的部分结构面发生了破坏。因此，判断岩体是否会沿着已知结构面破坏的条件是：mjjjmjctssin)cot(sin21221222)sin)cot(sin211mjjjmjCts12221802j12岩体强度取决于岩石强度，而与节理面的存在无关•或岩体会首先沿着节理破坏，岩体强度取决于结构面强度结论•21三、结构面的力学效应（2）岩体的破坏准则设结构面的强度条件：设节理的方向角为：前已证明，单元体中任一面上的应力可表示为：jjtgcstsssss2cos223131sst2sin231所以，岩体沿结构面破坏的强度准则为：jjjtgCtgssss2)2cos2(sin23131令则1)当可见只有上式才有意义，即岩体才有可能沿节理破坏2)对求一阶导数，并令其为零得此时节理面对岩体的强度削弱最大，岩体有最小强度jtgfsss2sincot122331ffCj312ss24512tanjf)1/(223min31fffCjsss31ssj2j用图解法亦可得该结论（3）多节理的力学效应（叠加）两组以上的节理同样处理，分三种情况：A仅有一组节理符合条件时，沿该节理破坏；B两组节理最符合时，考察大小，沿应力圆直径小的节理发生破坏；C如果都不符合，则岩体强度取决于岩石强度，不受节理存在的影响。2131ss2121（4）当Cj=0时节理面的力学效应这时库仑准则由强度准则公式推导可得：jtgstjtgtgss3150MPa21s该式的意义在哪？假如如图所示的平硐沿岩层走向开挖，岩层倾角，由上覆岩层引起的垂直应力，节理面的内聚力为0，内摩擦角为40度，求维持巷道平衡所需的最小水平推力。总结当岩体中存在结构面时，强度是否会受到影响？莫尔圆：圆上一点，体上一面。方向相同，夹角两倍因此，岩体是否会沿结构面破坏，取决于代表结构面的点是否在结构面的强度曲线之上。由莫尔圆和结构面强度曲线间的关系可知：(a)当结构面的角度在1和2之间时，代表结构面的点位于结构面强度曲线之上。因此，岩体将沿结构面破坏；(b)当结构面的角度小于1或大于2时，代表结构面的点位于结构面强度曲线之下。因此，岩体将不会沿结构面破坏。因此，岩体是否会沿结构面破坏的判断方法是：当时会，2＜或＜1不会。21例题,35,0jjMPaCMPaMPa45,1013ss岩体试件等围压三轴试验，已知某一节理面与最小主应力方向的夹角为45°，且结构面的岩石的在此应力状态下，岩体是否会沿结构面破坏？若不会，则给出其破裂面的方向。48,10MPaC2