3第三章岩体的变形与破坏(教案).docx

第三章岩体的变形与破坏变形：不发生宏观连续性的变化，只发生形、体变化。

破坏：既发生形、体变化、也发生宏观连续性的变化。

1.岩体变形破坏的一般过程和特点（1）岩体变形破坏的基本过程及发展阶段图3—1三轴圧应力作用下岩石的变形破坏过程（据Lane. Bieniawski等，1970）①压密阶段（0A段）：非线性压缩变形一变形对应力的变化反应明显；裂隙闭合、充填物压密。

应力-应变曲线呈减速型（下凹型）。

②弹性变形阶段（AB段）：经压缩变形后，岩体由不连续介质转变为连续介质；应力-应变呈线性关系；弹性极限B点。

③稳定破裂发展阶段（BC段）:超过弹性极限（屈服点）后，进入塑性变形阶段。

a.出现微破裂，随应力增t而发展，应力保持不变、破裂则停止发展；b.应变：侧向应变加速发展，轴向应变有所增高，体积压缩速率减缓（由于微破裂的出现）;④ 不稳定破裂发展阶段（CD 段）：微破裂发展出现质的变化：3•破裂过程小的应力集小效应显著，即使是荷载应力保持不变，破裂仍会不断地累进性发展；b.最薄弱部位首先破坏，应力重分布导致次薄弱部位破坏，直至整 体破坏。

“累进性破坏”。

C.应变：体积应变转为膨胀，轴向及侧向应变速率加速增大； 探结构不均匀；起始点为“长期强度”；⑤ 强度丧失、完全破坏阶段（DE 段）：破裂面发展为宏观贯通性破坏面，强度迅速降低，岩体被分割成相互分离的块体一完全破坏。

应重视的问题：① 各发展阶段的界限点，尤其是“长期强度”；② 空隙压力曲线：a. 空隙水压力~体积应变、变形发展阶段；b ・工程意义：滑坡、地震等。

（2）岩体破坏的基本形式① 张性破坏（图示）；② 剪切破坏（图示）：剪断，剪切。

③ 塑性破坏（图示）。

破坏形式取决于：荷载条件、岩体的岩性及结构特征；二者的相互关系。

①破坏形式与受力状态的关系:s图3—2岩石的三向应力状态与破坏方式（据伯奈克斯,1974）（a ）拉断破坏；（b ）剪断破坏；（c ）塑性破坏0 0比与围压O 3有关：低围压或负围压一拉张破坏（图示）；屮等围压一剪切破坏（图示）；高围压（150MN/m2=1500kg/cm2）—塑性破坏。

b・与。

2的关系：o 2/ 0 3 <4 （包括。

2二。

3）,岩体剪断破坏，破坏角约0二25°； o/ a 3 >8 （包括。

2二。

）拉断破坏，破坏面〃O”破坏角0°24^O2/O3^8：张、剪性破坏，破坏角0二15°。

②破坏形式与岩体结构的关系：完整块体状一张性破坏；碎裂结构、碎块结构一塑性破坏；裂隙岩体一取决于结构面与各主应力Z间的方位关系。

2.岩体的强度特性强度特性取决于：岩性、结构；受力状态。

一组结构面岩体在三向应力状态下的破坏形式及极限强度性状。

极限应力比n二。

］/。

3 （岩体破坏吋的大、小应力）图3—4三种破坏形式的极限应力系数3）（据K・ W. John, 1969）①一沿结构面滑动；②一剪断完整岩石；③■■部分沿结构面, 部分剪断完整岩石；围压：（1）当（45。

-4）/2） -17<a< （45° -4>/2） +17°岩体沿结构面滑动破坏，岩体强度受结构面的Ci、>控制；00、a二(45。

-(1)/2)时，强度最小。

随a增大或减小，强度增大。

(2)当a> (45° -4>/2) +27°剪断完整岩石；岩体强度受岩石的C E、(1)E控制；岩体强度随结构面间距变小而降低。

当间距足够大时，岩体强度接近岩石材料强度。

(3)当0<a< (45° -4)/2) -17°或(45。

一G/2) +17° <a< (45°一4>/2) +27°部分沿结构面滑动，部分剪断岩石。

岩体强度与结构而和岩石的抗剪性能均有关，且当a由8° -0。

及42° -52。

,强度随Z增高。

3.岩体在加载过程中的变形破坏(1)拉断破坏机制①拉应力条件下的拉断破坏：岩体单向受拉或负围压。

乩与s垂直的裂隙，两端拉应力集中，最先拉断;b.只要应力达到抗拉强度，即使应力不再增加，破裂也要发展。

破坏准则：［。

3］上S t②压应力条件下的拉裂：与O I成一定交角的裂隙两端拉应力最高，形成平行于O I的拉裂面。

图3—7压应力条件下岩体的拉断破坏过程a.单向受压：［o J二8S tb •三向受力：（。

厂。

3） / （。

i+。

3）上（2）剪切变形破坏机制与过程① 完整岩体的剪断破坏机制：a ・纵向张性微破裂发展（图示）；b ・微观横向压碎代发展（图示）；c ・切断“薄梁”，累进性破坏（图示）;重直应力 图3—13不同摩擦特征结构面的强度曲线O ■平面摩擦；②、③一糙面摩擦a.平面摩擦：层间错动面、剪性断裂、滑动面等。

破坏条件：剪应力2结构面残余强度，S2otg （l ）s ；荷载方向与结构面法线的夹角2平面摩擦角<l>Sob. 糙而摩擦: 爬坡-越过凸起体：爬坡角较小、法向应力较低；抗剪强度T = a tg （ 4>s+i ）剪胀一裂缝收缩，② 沿已有结构面的剪切破坏机制:剪应力 c< de nnnnn(a) (b) (c) (d)图3—9岩体剪断破坏过程模式图（据 Lajitai, 1974）（a ） 一 （b ）为稳定破裂阶段；（c ） — （d ）为不稳定破裂阶段；（e ）为剪断n T② 1 T③ T = 0 tg <i>+cH H m LE② T = o tg(4)s+i) 二 o t g d e 二二辽T 4)s剪胀为负值。

剪断凸起体：爬坡角较大、法向应力较高。

但即使是法向应力为零,i255°的凸起体仍会剪断；抗剪强度T = 0 tg （ 4>S）+C图3-15粗糙结构面的表面形态（a） a—凸齿状，Ifig齿状，c—波状；（b） a—第二级呂伏，b-第一级起伏凸起体刻痕或犁槽：抗剪强度类似于剪断凸起体。

注意：当0tgd）s+C>T>0 tg（M残余强度、峰值强度），可能挤入累进性破坏（原因：凸起体应力集中）；凸起体的抗剪强度不均一，“各个击破”方式破坏，结构面突然丧失稳定性，强度急剧降低，破坏具有突发性，迅速释放能量。

C.转动和滚动摩擦：上滑面运动轨迹一对角点P；对角线0P为半径的圆弧线；相当于滑块越过一个圆弧形凸起体，任意一点切线与剪切方向的夹角即为该点的爬坡角或下降角。

过程：起动摩擦角：e I二a二6二tg a/b起动后摩擦角：（I）t= 8 - y （Y转动角）当对角线0P直立吋：Y = 5A =0此吋，上滑面抬至最高点，岩块翻转，§翻转角; 继续滑动一上下滑面间距缩短，4）为负值，滑面承受拉应力。

图3—19平行六面体碎块转动摩擦模式图解（据纳西曼托，1977）（a ）分离的：（b ）紧贴的©-模式图；②一法向位移（剪胀）V 与剪切位移y 随转动角（剪应变）Y 的变化；③一摩擦角e随转动角Y 的变化注意：a. 翻转角5 ＜结构面的静摩擦角（I ）；b. 分割碎块的结构面愈密（§角越小），转动摩擦愈易发生； c ・转动剪切一旦起动，摩擦角随Z 降低，甚至为负值；d.碎块边角越多（趋于圆球形），翻转角越小，甚至接近0°。

此时, 转动摩擦可变为滚动摩擦。

（3）剪切发展过程中的累进性破坏岩体应力一旦超过其长期强度，则进入累进性破坏阶段。

此时，平面滑动强度相当于残余强度；糙面摩擦（或不连续结构面）强度则高于残余强度。

① 累进性破坏：乩结构不均一，剪应力集中不均一，b. 各凸起体强度不同；c. 齐凸起体强度降低速度不一。

② 应力-强度关系类型：a ・突破】」处的剪应力〉岩石的极限强度：突然破坏，时间短； b.长期强度〈突破口处的剪应力〈岩石的极限强度：加载至破坏的时间较长；c. 突破口处的剪应力〈长期强度（较接近）: ①工程年代内某一阶段将破坏，取决于强度降低速度（外营力）；d.突破口处的剪应力W长期强度：工程年代内不破坏。

③如何确定剪应力与长期強度的关系：3•裂面连通率>50%：不考虑间断处（凸起体）的C值；b・长期稳定，只考虑一级平缓起伏角；短期稳定，可考虑次级较陡的凸起体；c・Kc23・5〜4.0（3）摩擦滑动过程中的粘滑与稳滑①基本特点与产生条件：a・稳滑：缓慢、持续地滑动，剪切位移无突变；应力不发生突然释放（应力降），不产生振动。

多发生在低围压条件下。

b・粘滑：间歇性、跳跃性滑动，剪切位移发生突变；产生很大的应力降（突然释放应力）和振动。

多发生在高围压条件下。

注意：含有蒙脱石等膨胀性粘土矿物、或含水且透水性低，高围压下仍可表现为稳滑；高温、高空隙压力，可使发生粘滑的围压条件提高。

②粘滑产生的机制：结构而的摩擦阻力急剧降低，引起岩体突然失稳。

a・热软化效应：滑动面温度升高、抗剪强度降低；静摩擦 >> 动摩擦突然滑动前应有稳滑阶段（为证实）。

b・嵌入蠕动效应：较硬的凸起体逐渐嵌入对盘较软岩体，“刹车”形成“锁固”效应；静摩擦 >> 动摩擦c・脆性破坏：剪断“凸起体”；间断“锁固段”。

4.岩体在卸荷过程中的变形破坏卸荷：①临空面附近岩体应力重分布导致应力集中效应；②弟异回弹在岩体中形成残余应力体系；（1）差异卸荷回弹造成的张性破裂①岩体材料性能差别；图3-30两个紧密联结的颗粒体系中的残余应力和张性破裂 （据拉吉太，1977）② 应力历史不同（颗粒和胶结物的受力不同）；③ 裂隙端部的扩展机制；图3-32原有裂纹在压应力集中情况下出现永久破坏所造成的残余拉应力（据拉吉大.1977）伍）原有裂纹张性破裂图式（b ）原有裂纹端部应力集中（c ）端部压碎，应力集中部位转移（d ）卸徜时压碎部位产生残氽拉应力（2）差异卸荷回弹造成的剪切破裂(a)(b) (c)11 1 111 1 ■图3-31碎旧岩在“加荷胶结”情况下, 由加荷及卸荷所引起的张性破裂（据拉吉太）（a ） 加荷时破裂切穿颗粒（b ） 卸荷时破裂沿颗粒边界产生①岩芯裂饼现象:图3-33雅碧江某电站河心钻孔中所见正长岩“岩饼” （据中国人民解放军00300部队，1978）Ihi(0|h2 (2)⑶h4 (4)(a)图3-34钻进过程中储有弹性应变能的岩芯柱受限左异回弹应力状态示意图力学机制：乩岩柱受根部约束，不能充分回弹。

回弹的充分程度随距受限面高度h 增加；b・受限面只能约束一定高度岩柱回弹，超过某一临界高度h°的岩柱已充分回弹（取决于岩性、岩柱直径）；c・岩柱短轴垂而上的残余法向压应力与受限而上的残余剪应力的关系（上图）；当岩柱边缘的最大剪应力突破岩石的抗剪强度，沿受限面迅速剪断，破裂面向岩柱中心发展，剪应力集中也随Z向岩柱中心转移，直至剪断。