当前位置：文档之家 › 第四章 岩体的力学特性

第四章 岩体的力学特性

  • 格式：ppt
  • 大小：18.15 MB
  • 文档页数：17

下载文档原格式

  / 17

合集下载

第四章 岩体的结构特征与主要力学特征-党

第四章 岩体的结构特征与主要力学特征-党

岩体结构特征的研究意义
岩体的结构特征是指岩体中结构面和结构体的形状、 规模、性质及其组合关系的特征。 岩体中的软弱结构面，常常成为决定岩体稳定 性的控制面。 靠近地表的岩体，其结构特征在很大程度上确 定了外营力对岩体的改造进程。这是由于结构面往 往是风化、地下水等各种外营力较活动的部位，也 常常是这些营力的改造作用能深入岩体内部的重要 通道，往往发展为重要的控制面。 研究结构面最关键的是研究各类结构面的分布规律、 发育密度、表面特征、连续特征以及它们的空间组 合形式等。
力学强度：较原岩大为降低，压缩性大
抗冲刷能力低，易于产生渗透变形
四、岩体的结构类型
表4-6 岩体结构分类表

《水利水电工程 地质勘察规范》， 将岩体结构划分 为：4个大类和 11个亚类，其基 本特征见表4-6。
类型 亚类 整体 整体状结构 块状 块状结构 结构 次块状结构 层状 整体层状结 结构 构 块层状结构 互层状结构 薄层状结构 碎裂 镶嵌碎裂结 结构 构 碎裂结构 散体 碎块状结构 结构 碎屑状结构
软弱夹层
特点
厚度薄
多呈相互平行，延伸长度和宽度不一的多层状
结构松散
岩性、厚度、性状和延伸范围，常有很大变化
力学强度低，与其结构、矿物成分和颗粒组成有关
泥化夹层 特点
成分：粘粒含量明显增多
结构：由固结或超固结变成了泥质散状结构
物理状态：干容重减小,天然含水量增高,接近塑限
具有一定的膨胀性
蠕变：在应力一定的条件下，应变随时间的持续而逐 渐增长的现象。 松弛：在变形保持不变时，应力随时间的增长而逐渐 减小的现象。 试验和工程实践表明，岩石和岩体具有流变性。



2、典型的蠕变曲线

高等岩石力学-3结构面+岩体的力学特性

高等岩石力学-3结构面+岩体的力学特性

3.2 岩体空隙的结构类型 D 按岩体结构面的连续性 连续介质 等效连续介质 非连续介质
3.3 岩体的渗流问题
A.岩体的渗透性 B.岩体的渗透率 C.岩体的渗透系数 D.岩体的渗透张量和渗透张量场 E.渗透系数张量和渗透系数张量场
3.3 岩体的渗流问题 A.岩体的渗透性
B.岩体的渗透率
3.3 岩体的渗流问题
2.3 结构面的强度效应 b 岩体强度与结构面倾角的关系
岩石块体：
结构面：
2.3 结构面的强度效应
1
3


3 0
岩体强度受加载方 向与结构面夹角θ的控 制，因此，表现出岩 体强度的各向异性。
2.3 结构面的强度效应
1
3


2.3 结构面的强度效应 岩体强度的各向异性－－单一结构面：
B 化学作用
离子交换 溶解作用和溶蚀作用 水化作用 水解作用 氧化还原作用
2.3 剪切刚度
2.4 结构面剪切凸台力学模型
对于凹凸不平的结构面，可简化成下图所示的结构面剪切 凸台力学模型，其剪切结构面上有一凸台，模型上半部作用 有剪切力S和法向力N，模型下半部固定不动。在剪应力作用 下，模型上半部将沿凸台斜面滑动，除有切向运动外，还将 产生向上的移动．把这种剪切过程中产生的法向移动分量称 之为剪胀。在剪切变形过程中，由于剪应力与法向应力的复 合作用，可使凸台剪断或拉断，此时剪胀现象消失；当法向 应力较大或结构面 剪应力持续增加， 最终将使凸台沿 根部剪断或拉断。
3.2 Barton的结构面抗剪强度公式
JRC取值：
右 图 为 Barton 和 Choubey给出的10 种典型剖面及其 JRC取值
计算公式：
JRC p b

岩石力学-岩体的变形特性

岩石力学-岩体的变形特性

2.5 岩体的变形特性
2.5.3 岩体各向异性变形 试件模型：
12mmX12mmX36mm的 块体单元 x＝1表示贯通， x ＝0为完整试 件， x为分离度
①岩体力学性质具有各向异性， 变形、破坏机制、强度特征 不同。
②工程布置要考虑如何扬长避短， 充分发挥岩体自身强度，维 持工程稳定性。
④当卸荷至零并持续一定时间后，
有较大回弹变形，这是弹性后
效的表现。

⑤残余变形模量
E
a b
2.5 岩体的变形特性
2.5.2 岩体剪切变形特征 ①在屈服点前，变形曲线与抗压
变形相似，上凹型。 ②屈服点后，某个结构面或结构
体首先剪坏，随之出现一次应 力下降。峰值前可能发现多次 应力升降。升降程度与结构面 或结构体强度有关，岩体越破 碎，应力降反而不明显。 ③当应力增加到一定应力水平时， 岩体剪切变形已积累到一定程 度，没剪破的部位以瞬间破坏 方式出现，并伴有一次大的应 力降。 ④随后产生稳定滑移
2.5 岩体的变形特性
2.5.1 岩体的单轴和三轴压缩变形 特征
（1）岩体应力－应变全过程曲线 ①在加载过程，结构面压密与闭合，
应力－应变曲线，呈上凹型。 ②中途卸载有弹性后效现象和不可
恢复残余变形。这是结构面闭 合、滑移、错动造成的。 ③完全卸载，再加载形成形式上的 “开环型”曲线，这也是弹性 后效造成的。 ④峰值强度后，岩体开始破坏，应 力下降较缓慢，仍有残余应力， 这是岩体结构效应。
2.5 岩体的变形特性（单轴和三轴压缩变形特征）
（2）卸载时荷载不降至零时的应 力－应变曲线
①卸荷不降至零时的循环加载应力 －应变曲线呈“闭环型”。
②随着外荷加大、循环次数增多， 闭环后效，这是结构面逐级被 压密与啮合，这是结构面逐级 被压密与啮合所致。

岩体力学课后习题解答(同济大学版)

岩体力学课后习题解答(同济大学版)

第二章 岩体的基本物理力学性质10、一个5510cm cm cm ⨯⨯试样，其质量为678g ，用球磨机磨成岩粉并进行风干，天平秤称得其质量为650g ，取其中岩粉60g 作颗粒密度试验，岩粉装入李氏瓶前，煤油的度数为0.53cm ，装入岩粉后静置半小时，得读数为20.33cm ，求：该岩石的天然密度、干密度、颗粒密度、岩石天然空隙率。

解：天然密度3678 2.71/5510m g cm V ρ===⨯⨯ 干密度36502.6/5510s d m g cm V ρ===⨯⨯颗粒密度360 3.03/20.30.5s s s m g cm V ρ===- 天然孔隙率 2.6110.143.03V d s V n V ρρ==-=-=12、已知岩石单元体A —E 的应力状态如图所示，并已知岩石的4c MPa =,35ϕ=︒,试求：（1）各单元的主应力的大小、方向，并作出莫尔应力图。

（2）判断在此应力下，岩石单元体按莫尔-库伦理论是否会破坏？ 解：（1）A 单元：主应力大小：135.00 5.0022x yMPa σσσσ++===方向：与x σ的夹角20tan 200 5.0xyx yτθσσ===--，0θ=︒ 莫尔应力图：圆心：135.002.522σσ++==半径：13 5.002.522σσ--==B单元：主应力大小：1222234.00000()() 4.04.02222x y x yxyMPa σσσσστσ+-+-=±+=±+=-方向：与xσ的夹角2 4.0tan2xyx yτθσσ===∞-，45θ=︒莫尔应力图：圆心：134.0 4.022σσ+-==半径：134.0( 4.0)4.022σσ---==C单元：主应力大小：1222235.705.00 5.00()() 2.00.702222x y x yxyMPa σσσσστσ+-+-=±+=±+=-方向：与xσ的夹角22 2.0tan20.85.00xyx yτθσσ⨯===--莫尔应力图：圆心：135.70.72.522σσ+-==半径：135.7(0.7)3.222σσ---==D单元：主应力大小：1222236.06.0 6.0 6.0 6.0()()06.02222x y x yxyMPa σσσσστσ+-+-=+=±+=方向：与xσ的夹角20tan206.0 6.0xyx yτθσσ===--，0θ=︒莫尔应力图：圆心：136.0 6.06.022σσ++==半径：136.0 6.022σσ--==E单元：主应力大小：12222310.9110.0 1.010.0 1.0()() 3.00.092222x y x yxyMPa σσσσστσ+-+-=±+=±+=方向：与xσ的夹角22 3.0tan20.6710.0 1.0xyx yτθσσ⨯===--莫尔应力图：圆心：1310.910.095.522σσ++==半径：1310.910.095.4122σσ--==（2）A单元：21335tan(45)2tan(45)24tan(45)15.37 5.0222c MPa MPaϕϕσσ︒=︒++︒+=⨯︒+=>不破坏； B 单元：2135354.0tan (45)24tan(45)0.61 4.022MPa MPa σ︒︒=-⨯︒++⨯︒+=< 破坏； C 单元：2135350.7tan (45)24tan(45)12.78 5.722MPa MPa σ︒︒=-⨯︒++⨯︒+=> 不破坏； D 单元：2135356.0tan (45)24tan(45)37.51 6.022MPa MPa σ︒︒=⨯︒++⨯︒+=> 不破坏； E 单元：2135350.09tan (45)24tan(45)15.7010.9122MPa MPa σ︒︒=⨯︒++⨯︒+=> 不破坏；13、对某种砂岩做一组三轴压缩实验得到的如表所示峰值应力。

第四章岩体的基本力学性质

第四章岩体的基本力学性质

结构面的状态对岩体的工程性质的影响是指结构面的产状、形 态、延展尺度、发育程度、密集程度。 结构面的产状：结构面的产状对岩体是否沿某一结构面滑动起控 制作用。 结构面的形态：结构面的形态决定结构面抗滑力的大小，当结构 面的起伏程度较大，粗糙度高时，其抗滑力就大。 结构面的延展尺度：在工程岩体范围内，延展尺度大的结构面， 完全控制岩体的强度。 结构面的密集程度：以岩体的裂隙度和切割度表征岩体结构面的 密集程度。
又A=h2，节理面的法向弹性变形量δ0=2δ，代入Boussnisq解，得 接触面为方形时，m=0.95，μ≅0.25，则上式变为
（二）节理的闭合变形 含啮合变形（配称实验）和压碎变形（非配称实验）。 下面介绍Goodman方法：
（1）结构面闭合试验（VmC的确定） 步骤： 1）备制试件； 2）作ζ-ε曲线（a）； 3）将试件切开，并配 称接触再作曲线（b）； 4）非配称接触，作曲线（c）; 5）两种节理的可压缩性法向 Nhomakorabea切向
（1）有n个点接触,每个接触 面边长为h
（2）每个接触面受力相同
（3）每个接触面力学特性 相同
2、计算公式 半无限体上作用一个集中力的布辛涅斯克（Boussnisq）解
δ－变形量；Q－荷载；A－荷载作用面积；E、μ－弹性模量、泊 松比；m－与荷载面积形状因素有关的系数，方形面积m=0.95 设节理面的边长为d，作用于节理面上的应力为ζ，则作用 在每一个接触面上的荷载
统计结构面 实测结构面
V 级结构面--细小的结构面
• Ⅰ级 指大断层或区域性断层。控制工程建设地区的地壳稳 定性，直接影响工程岩体稳定性；
• Ⅱ级 指延伸长而宽度不大的区域性地质界面。 • Ⅲ级 指长度数十米至数百米的断层、区域性节理、延伸较 好的层面及层间错动等。 Ⅱ、Ⅲ级结构面控制着工程岩体力学作用的边界条件 和破坏方式，它们的组合往往构成可能滑移岩体的边界面 ，直接威胁工程安全稳定性

第四章 岩石的强度

第四章 岩石的强度

第四章岩石的强度岩石强度是岩石的一种重要的力学特性。

是指岩石抵抗载荷（外力）而不受屈服或破裂的能力,是岩石承受外力的极限应力值。

岩石受力后会发生变形，一旦应力达到岩石的极限应力值，岩石就会发生破坏。

在岩石强度应力值之前，存在屈服点(应变明显增大，而应力不再需要明显增大时的应力)，超过屈服点和达到极限强度(岩石破裂要达到的最大应力值)前，一般仍有一些抵抗应变而恢复原形的能力，但达到极限强度后岩石破裂，就完全失去恢复能力。

通常所讲的岩石强度，一般是指岩石样件的测量强度，它仅代表岩体内岩块的强度，不能代表整个岩体的强度。

但在涉及岩石强度的工程问题中，一般是针对岩体的强度，而岩体往往包含一些软弱的结构面。

几组软弱结构面可以将岩体分割成各种形状和大小不同的岩块。

因此，岩体的强度取决于这些岩块强度和结构面的强度，岩块内微结构面的作用将直接反映到岩石的力学性质上。

岩石受力方式的不同，表现出的强度特性不尽相同。

如在张力、压力和剪切力的作用下，同种岩石会呈现出不同的强度特性。

因此岩石具有抗张、抗压和抗剪切强度等之分。

岩石受力条件的不同，可表现出变形、破裂、蠕变等现象，这些现象有着一定的规律性。

岩石的强度是衡量岩石基本力学性质的重要指标，是建立岩石破坏判据的重要指标，还可估计其他力学参数。

岩石的这些力学特性广泛用于建筑行业、水利水电工程、地质灾害研究与预防、断裂构造研究等方面。

4.1影响岩石强度的主要因素1)岩石成分和结构组成岩石的矿物种类及含量、矿物颗粒大小、固结程度、胶结物种类、矿物形态与分布等均影响到岩石的各种强度。

固结程度高、硅质胶结、细粒、交错结构的强度大。

2)岩石中不连续面和间断面岩石中微裂缝、微小断裂、节理层理等的发育程度和分布情况直接影响到岩石的强度，这些不连续或间断面会降低岩石在不同方向上的强度。

3)岩石孔隙度及流体性状岩石的孔隙度以及其中所含流体种类、饱和度、渗透率等因素以较复杂的关系影响着岩石强度。

岩体力学课后习题解答同济大学版

第二章 岩体的基本物理力学性质10、一个5510cm cm cm ⨯⨯试样，其质量为678g ，用球磨机磨成岩粉并进行风干，天平秤称得其质量为650g ，取其中岩粉60g 作颗粒密度试验，岩粉装入李氏瓶前，煤油的度数为0.53cm ，装入岩粉后静置半小时，得读数为20.33cm ，求：该岩石的天然密度、干密度、颗粒密度、岩石天然空隙率。

解：天然密度36782.71/5510m g cm V ρ===⨯⨯干密度36502.6/5510s d m g cm V ρ===⨯⨯颗粒密度360 3.03/20.30.5s s s m g cm V ρ===- 天然孔隙率 2.6110.143.03V d s V n V ρρ==-=-=12、已知岩石单元体A —E 的应力状态如图所示，并已知岩石的4c MPa =,35ϕ=︒,试求：（1）各单元的主应力的大小、方向，并作出莫尔应力图。

（2）判断在此应力下，岩石单元体按莫尔-库伦理论是否会破坏？ 解：（1）A 单元：主应力大小：135.00 5.0022x yMPa σσσσ++===方向：与x σ的夹角20tan 200 5.0xyx yτθσσ===--，0θ=︒ 莫尔应力图：圆心：135.002.522σσ++==半径：13 5.002.522σσ--==B 单元：主应力大小：13 4.000 4.022x y MPa σσσσ++=±==- 方向：与x σ的夹角2 4.0tan 20xyx yτθσσ===∞-，45θ=︒ 莫尔应力图：圆心：134.0 4.0022σσ+-==半径：13 4.0( 4.0)4.022σσ---==C 单元：主应力大小：13 5.705.000.7022x y MPa σσσσ++=±==-方向：与x σ的夹角22 2.0tan 20.85.00xyx yτθσσ⨯===-- 莫尔应力图：圆心：135.70.72.522σσ+-==半径：13 5.7(0.7)3.222σσ---==D 单元：主应力大小：13 6.06.0 6.0 6.022x y MPa σσσσ++==±= 方向：与x σ的夹角20tan 206.0 6.0xyx yτθσσ===--，0θ=︒莫尔应力图：圆心：136.0 6.06.022σσ++==半径：13 6.0 6.0022σσ--==E 单元：主应力大小：1310.9110.0 1.00.0922x y MPa σσσσ++=±=±= 方向：与x σ的夹角22 3.0tan 20.6710.0 1.0xyx yτθσσ⨯===--莫尔应力图：圆心：1310.910.095.522σσ++==半径：1310.910.095.4122σσ--==（2）A 单元：21335tan (45)2tan(45)24tan(45)15.37 5.0222c MPa MPa ϕϕσσ︒=︒++︒+=⨯︒+=>不破坏； B 单元：2135354.0tan (45)24tan(45)0.61 4.022MPa MPa σ︒︒=-⨯︒++⨯︒+=< 破坏； C 单元：2135350.7tan (45)24tan(45)12.78 5.722MPa MPa σ︒︒=-⨯︒++⨯︒+=> 不破坏； D 单元：2135356.0tan (45)24tan(45)37.51 6.022MPa MPa σ︒︒=⨯︒++⨯︒+=> 不破坏； E 单元：2135350.09tan (45)24tan(45)15.7010.9122MPa MPa σ︒︒=⨯︒++⨯︒+=> 不破坏；13、对某种砂岩做一组三轴压缩实验得到的如表所示峰值应力。

岩石的力学特性及强度准则

岩石的力学特性及强度准则岩石力学性质主要是指岩石的变形特征及岩石的强度。

由于在石油工程中，并壁稳定、出砂分析、水力压裂、储层物性变化等都与岩石力学性质亲密相关，因此有必要讨论岩石的力学性质及其在物理环境下应力场中的反映。

影响岩石力学性质的因素许多，例如岩石的类型、组构、围压、温度、应变率、含水量、载荷时间以及载荷性质等。

要讨论这些简单因素对岩石力学性质的影响，只能在试验艾博希室内严格掌握某些因素的状况下进行。

岩石的变形特性，最直观的表达方法是通过应力一应变关系曲线及应变随时间变化的曲线来表示。

通常首先讨论在常温、常压（即室温与通常大气压）条件下岩石的力学性质，然后再考虑其他影响因素下岩石的力学性质。

这样才能渐渐弄清在地质条件下，综合因素对岩石力学性质的影响。

岩石在常温、常压下一般产生脆性破坏，但深埋地下的岩石却表现为明显的延性。

，岩石这一性质的变化是由于所处物理环境的转变造成的。

所谓脆性与延性至今尚无非常明确的定义。

一'般所谓脆性破坏是指由弹性变形发生急剧破坏，破坏后塑性变形较小。

延性是指弹性变形之后产生较大的塑性变形而导致破坏，或直接进展为延性流淌。

所谓延性流淌IC现货商是指有大量的永久变形而不至于破坏的性质* 对于岩石而言，破坏前的应变或永久应变在3%以下可作为脆性破坏，5%以上作为延性破坏，3% 一5%为过渡状况。

由于地下的岩体和井壁围岩均处于三向应力状态，所以对岩石力学性态的测定不能靠简单的单轴压缩试验方法，而必需在肯定的围压作用厂（必要时还要考虑温度的作用）进行试验测定。

真三轴试验（岩石上三个主方向的作用力均不等）非常简单，一般均不采纳。

普退采纳的是常规三轴压缩试验方法，一般用圆柱形岩样，在其横向施加液体围压，即在水平的两个主方向上的应力相等且等于围压久，如图1—1所示。

假如上下垫块是带孔可渗透的，亦可通入孔隙流体压力以讨论孔隙压力的影响。

在试验过程中把岩样放在高压室中先对岩样四周用围压油加压至所需的值9c（需要时亦可加孔隙压至所需的夕。

第四章岩体断裂损伤力学


θ — r 矢量与x轴（裂纹长轴）夹角
K I — Ι型应力强度因子, 其定义为 K I = lim [σ y 2πr ]
r ,θ →0
Ⅱ型：
3θ sin 2 + cos cos σx = 2 2 2 2πr KⅡ 3θ θ θ cos sin cos σy = 2 2 2 2πr KⅡ 3θ θ θ cos 1 − sin sin τ xy = 2 2 2 2πr KⅡ 2r 3θ θ u= (2k + 3)sin 2 + sin 2 8µ π K Ⅱ 2r θ 3θ v= − (2k + 3) cos 2 + cos 2 8µ π
τ
x
τ
-a
a
τ
σ
τl
图 含有中心裂纹的无限板在远场应力作用的情况
（四）断裂判断 断裂判断 断裂韧性：裂纹在临界荷载作用下出现不稳定扩展时的应力强度因 子 K ic ，故含裂纹构件断裂条件（在单一荷载作用下）
K Ι = K Ιc , K ΙΙ = K ΙΙc , K ΙΙΙ = K ΙΙΙc
它是材料固有性质的一种度量不依赖于裂纹的形状和载荷的变化而 变化。
可区分以下两种情况来预测裂纹扩展 ①裂纹开始沿着应变能密度因子最小的方向扩展，即在
{
}
∂s ∂2s =0 >0 θ = θ 0处 — 预测θ 0的大小 2 ∂θ ∂θ ②s达到临界值时，裂纹开始扩展，此时
sθ =θ 0 = scr — 预测s的大小
式中
1 [(1 + cosθ )(k − cos θ )] a11 = 16πµ 1 a12 = sin θ (2 cos θ − k + 1) 16πµ 1 [(k + 1)(1 − cosθ ) + (1 + cos θ )(3 cos− 1)] a 22 = 16πµ 1 a33 = 4πµ

岩体力学特性及其参数确定复习进程


岩体力学参数的合理确定
一、描述岩体力学特性的参数
岩石的力学参数是通过实验室三轴压缩试验获得的，主要包括杨氏模量E、 材料的泊松比μ、抗拉强度σt、体积力γ、粘聚力C、内摩擦角 、剪胀角ψ等。
在岩土工程中，一般常用粘聚力和内摩擦角描述岩石的力学特性。本文从 工程实用的角度出发，根据粘聚力和内摩擦角的概念，引入广义粘聚力、广 义内摩擦角和广义剪胀角，以此描述岩体的力学特性。
岩体力学参数的合理确定
三、岩体变形模量的确定
(1)岩体的变形特性一般由变形模量Em来表征，如果岩体包含一组相对平行、连 续并具均匀间距的节理时，可以将岩体视为等价的横观各向同性连续体，由下式 进行岩体变形模量的估计：
式中
Em——岩体杨氏模量； Er——完整岩石杨氏模量； Kn——节理法向刚度； S——节理间距。
一、岩石单轴压缩试验
岩体的力学特性
图5-1 不同岩性岩石单轴压缩试验的全应力-应变曲线 (a)泥岩；(b)砂质页岩；(c)细砂岩；(d)中砂岩
二、岩石三轴压缩试验
岩体的力学特性
图5-2 岩石全应力-应变曲线及体积应变曲线 (a)应力-应变曲线；(b)体积应变曲线
大量的岩石三轴试验表明：岩石的塑性软化特性和剪胀性是岩石材料的特 有性质，研究煤矿巷道围岩稳定性时，尤其要充分考虑这两大特性。
Hale Waihona Puke 基于Hoek- Brown强度准则的岩体力学参数确定方法
岩体力学参数的合理确定
一、描述岩体力学特性的参数
根据库仑准则τ=C+σtan，τ是C和tan的线性函数，可以通过弱化C 和 tan 来描述岩石的峰后软化特性。根据实验室试验，假设C和tan服从软化 规律：
式中 rp——广义塑性应变偏量， εijp——塑性应变偏量。
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
在法向应力作用下，结构面产生单位法向变形 所需要的应力，在数值上等于σn- V曲线上一 点的切线斜率。 试验法 室内变形试验 现场变形试验
确定方法
本构方程和经验估算
岩体结构与压缩变形的关系
A
B
C
2.2.2 不连续面的切向变形
1）曲线类型
a. 脆断型 b. 切齿型 c. 间断起伏型 d. 软弱型
5）剪切位移曲线的本构方程 常用计算模型
常刚度模型
变刚度模型
软弱型本构方程
2.3 不连续面的强度特性
2.3.1 面摩擦（平整的不连续面） 2.3.2 规则齿形不连续面的抗剪强度 1、Patton（佩顿）公式 2、Ladany（勒单尼）公式 3、 不规则齿形不连续面的抗剪强度 Barton（巴顿）公式
2.3.3 不规则齿形不连续面的抗剪强度
Barton经过300块天然结构面的剪切试验，经统计 分析后，得出一经验公式计算结构面的剪切强度。
1、Barton公式
中低应力σn 时
高应力σn 时
式中 JRC－结构面的粗糙度系数； JCS－结构面的面壁强度;
ϕb－结构面基本摩擦角。
标准粗糙度剖面JRC
2、Barton公式讨论
2.1 引言/Introduction
•在工程荷载作用下，结构面及其充填物的变形 是岩体变形的主要组分，控制着工程岩体的变 形特性。 •结构面是岩体渗透水流的主要通道。在工程荷 载作用下，结构面的变形将极大地改变岩体的渗 透性、应力分布及其强度。因此，预测工程荷载 作用下岩体渗透性的变化，必须研究结构面的变 形性质及其本构关系。 •工程荷载作用下，岩体中应力分布受结构面及 其力学性质的影响。
四、试验成果
1）不连续面上的应力计算：
式中：F--不连续面受力面积；斜向 力Q与不连续面夹角，通常取15º 度
2)抗剪强度曲线： 可获得同类不连续面的抗剪强度曲线，其形式与岩石的抗剪强度曲 线相似，但在应用上有所不同。 3)不连续面的剪切变形曲线
可以得到剪应力与剪位移关系曲线，剪应力与垂直位移关系曲线和剪位 移与垂直位移关系曲线。
单(双)轴压缩试验法
声波法
地震波法
静力法的 基本原理：
在选定的岩体表面、槽壁或钻孔壁面上施加法 向荷载，并测定其岩体的变形值；然后绘制出 压力-变形关系曲线，计算出岩体的变形参数。
动力法的 基本原理：
用人工方法对岩体发射(或激发)弹性波 (声波或地震波)，并测定其在岩体中的 传播速度，然后根据波动理论求岩体的 变形参数。
不连续面三维形貌 不连续面形貌仪
不面连续面形貌度量
二、不连续面的充填和胶结情况
泥质胶结 可溶性盐类胶结 胶结 钙质胶结 铁质胶结 硅质胶结 无充填物 非胶结 力学性质取决于不连续面两侧岩石 的力学性质及不连续面的粗糙度 力学特征除和充填物与两侧岩石 接触面的力学性质有关外，主要 取决于充填物的成分和厚度
岩体结构
Tang Lizhong . Institute of Rock & Soil Mechanics and Engineering, Central South University
Chapter 4 Mechanical Properties of Rock Mass
2.1 引言/Introduction
不连续面胶结状况
有充填物
充填物的成分 充填物的粒度(granularity) 薄膜充填 充填物厚度：
不连续面两侧岩石之间附着一层极薄的矿物薄膜。厚 度多在一毫米以下 薄层充填 充填物厚度与不连续面起伏差相当 厚层充填 厚度大于几十厘米，实际上巳不能简单地视为不连续面--软弱夹层
2.2.2 结构体的的结构特征
Tang Lizhong . Institute of Rock & Soil Mechanics and Engineering, Central South University
2.2岩体中的结构面和结构体的结构特征
2.2.1 结构面的结构特征
结构面: (structure plane) 不连续面： discontinuity plane) 岩体中开裂的或易于开裂的地质界面，叫做结构面。
公路边坡岩体-不连续面/层面
Tang Lizhong . Institute of Rock & Soil Mechanics and Engineering, Central South University
Chapter 4 Mechanical Properties of Rock Mass
b j
d. 正应力σn
三个公式的比较
Heok曾作过比较，如图所示。 当法向应力较低、JRC＝20时， Barton方程与Ladany方程基 本一致。随着法向应力增高， 两方程差别显著。
2.4 不连续面剪切试验
一、室内试验
从现场取回含天然不连续面岩块，分别在垂直于和平行于不连续面 方向进行切割加工，形成高×宽×长＝20×20×25厘米的试件。
开裂的或垂直于结构面方向抗拉强度很小的结构面 又称为不连续面，如断层(fault)、节理(joint)、劈理 (cleavage)等
一、不连续面的几何特征
1）不连续面的起伏形态 (configuration)
a、平直的(straight) b、台阶状的(stepped) c、齿状的(dentate) d、波状的（undulated) e、不规则齿状的(anomalous dentate)
（1） 物理意义
引用附加爬坡角的概念：
计算值即为角度，无需换算
（2）强度的影响因素 a.粗糙度系数JRC，Joint Roughness Coefficient b.面壁强度JCS，Joint Compress Strength。 c. 基本摩擦角ϕb 为岩石平滑锯开面的内摩擦角，方法：取结构面壁岩石试块，将试 块锯成两半，去除岩粉并风干后合在一起，使试块缓缓地加大其倾 角直到上盘岩块开始下滑为止，此时的试块倾角即为ϕb。
剪切时，剪切位移的轨迹 线与总剪切平面的夹角 生垂直变形而使岩体体积增大 的现象。
u
（4）不规则齿状（或波状）不连续面
闭合：
剪胀角 n JRC为不连续面粗糙度系数
未闭合：
确定JRC• 值的典型粗糙剖面 （不规则）(据巴顿)
未闭合任意结构面之v-u和τ- u 关系曲线
4）充填不连续面
(a)型，峰值强度与残余强度相等 (b)型，峰值强度大于残余强度
式中ϕ、c－结构面两壁岩石材料内 摩擦角和内聚力。
（3）Patton公式的讨论
a .对于一定的起伏角i，存在一临界σT，当 爬坡 切齿 b.σT的大小 σT随 i 的增大而减小
c. 不足之处
没有表现既爬坡又切齿的破坏机理。
2、Ladany公式
考虑了结构面在剪切过程中的既爬坡又切齿的破坏机理。
as—剪切面积比，为被剪断
2.1 引言/Introduction
受不连续面强烈切割的岩体
Tang Lizhong . Institute of Rock & Soil Mechanics and Engineering, Central South University
Chapter 4 Mechanical Properties of Rock Mass
锯齿的面积与剪切面的总面 积比。
Ladany公式讨论：
（1）物理意义明确，同时考虑爬坡和切齿 效应，弥补了Patton公式的不足； （2）引入剪切面积比as的重要概念，合理地分摊了结构面在 剪切过程中，爬坡和切齿破坏机理所作出的贡献。
（3）两个特例 as=0时， 只产生爬坡 as=1时， 不产生爬坡，切齿 （4）不足之处 a.公式较复杂，参数多，不易求； b.描述的只是规则齿型结构面。
2.1 引言/Introduction
露天矿边坡岩体-不连续面/断层
Tang Lizhong . Institute of Rock & Soil Mechanics and Engineering, Central South University
Chapter 4 Mechanical Properties of Rock Mass
2）影响因素
a. 正应力 b. 表面形态 c. 充填物及厚度 d. 两侧岩石性质
3）无充填物（或干净的）不连续面
（1）平直光滑不连续面
峰值（peak value)抗剪强度与残余强 度（remainder)抗剪强度相近
（2）平直但局部连结或相 互咬合之台阶状不连续面
（3）规则齿状（或波状）不连续面
2.5 岩体的变形性质
从岩体的定义：岩块+结构面=>岩体 岩体变形=岩块变形+结构面闭合+充填物压缩+其他变形 2.5.1 岩体变形试验及其变形参数确定 2.5.2 岩体变形曲线类型及其特征
2.5.1 岩体变形试验及其变形参数确定
承压板法 钻孔变形法
静力法
原位岩体 变形试验 动力法
狭缝法 水压洞室法
结构体存在级序 结构体的块度 构体的形状
板状结构体
柱状结构体
锥形结构体
2.2 不连续面的变形特性
2.2.1 不连续面的法向变形
不连续面法向闭合变形=弹性变形+塑性变形+（或）压碎变形
不连续面法向闭合变形本构方程
1）Goormal stiffness), MPa/mm
2.3.1 面摩擦（平整的结构面）
抗剪强度计算公式
α－摩擦角（倾斜角）
而滑动时的摩擦角称为残余内摩擦角（动 摩擦角），用ϕk 来表示，可知
滑块在地面滑动
2.3.2 规则状不连续面的抗剪强度
1、Patton（佩顿）公式
Patton采用理想化的规则齿形结构面 的石膏模型进行试验。