5 岩体力学特性及其参数确定

第一章岩石的力学性质岩石和岩体的力学性质，是矿山岩体力学的大体问题。

岩石的力学性质主要指：在各类载荷作用下，它们的变形特征，出现塑性流动和发生破坏的条件。

表征岩石力学性质的参数如下：变形参数：岩石的变形摸量，弹性摸量，切变摸量，泊松比和流变性等。

强度特性参数：岩石抗拉，抗弯，抗煎，抗压等各类强度极限。

第一节、岩石的成份及结构与其力学性质的关系岩石是多种矿物颗粒的集合体。

岩石一般有下列十余中主要矿物组成，即长石(正长石、斜长石)、石英、云母(黑云母、白云母)、角闪石、辉石、橄榄石、方解石、白云石、高岭土、赤铁矿等。

它们在矿石中的含量按岩石成因此异。

岩层按成因分类为：岩浆岩—系由岩浆在地壳内不同深度冷凝而成；沉积岩—是由已有岩体经风化、崩溃、搬迁、再胶结或化学作用而形成；变质岩—则由已有岩石在高温高压条件下通过改变而形成的。

大体概念(1)、岩石的结构：岩石的矿物颗粒的大小、形状、表面特征、颗粒彼此关系、胶结类型等特征。

(2)、岩石的构造：岩石的组成部份在定向的排列情形。

如层面、断层（几何特征）。

晶体结构是岩浆岩和变质岩的最大特征，也是很多沉积岩的特征。

(3)、矿物的晶体：组成矿物的各类化学元素的原子（离子）在空间必然规律排列，使其具有规则的几何形状的固体称为晶体。

(4)、矿物的晶体的结构类型：等粒结构，不等粒结构，斑状结构。

图1-1是典型晶体结构类型岩浆岩和变质岩的晶体结构与岩石力学性质的关系：晶粒细小，等粒状，岩石强度大。

颗粒大的斑状结构晶体内部或晶粒间含有缺点，岩石强度低。

沉积岩的结构与力学性质的关系沉积岩中的岩石碎屑之间由胶结物将连结在一路。

其力学性质取决于胶结物和胶结类型。

图1-2基质胶结：岩石碎屑被胶结物包围，强度取决于胶结物。

接触胶结：仅颗粒接触处有胶结物，胶结不牢，强度低，透水性强。

孔隙胶结：胶结物完全成部份地充填与颗粒孔隙之间。

胶结牢固，所以岩石强度和透水性主要由胶结物性质及充填程度肯定。

基坑各向平均厚度〔m〕重度内摩擦角凝聚力土体与锚固体极限摩阻力标准值东向南向西向北向γφ CBC DE CD EF FA AB填土8 5 9 4 5 10 19 10 13 18 粘土12 15 30 圆砾 1 1 20 35 / 120 粉质粘土19 25 60 强风化板岩7 30 30 150 中风化板岩15 15 15 15 15 15 35 35 220常用岩土材料力学参数(E, ν) 与(K, G)的转换关系如下：)21(3ν-=EK)1(2ν+=EG 〔7.2〕当ν值接近0.5的时候不能盲目的使用公式3.5，因为计算的K 值将会非常的高，偏离实际值很多。

最好是确定好K 值(利用压缩试验或者P 波速度试验估计)，然后再用K 和ν来计算G 值。

给出了岩土体的一些典型弹性特性值。

岩石的弹性〔实验室值〕〔Goodman,1980〕土的弹性特性值〔实验室值〕〔Das,1980〕 表各向异性弹性特性——作为各向异性弹性体的特殊情况，横切各向同性弹性模型需要5中弹性常量：E 1, E 3, ν12,ν13和G 13；正交各向异性弹性模型有9个弹性模量E 1,E 2,E 3, ν12,ν13,ν23,G 12,G 13和G 23。

这些常量的定义见理论篇。

均质的节理或是层状的岩石一般表现出横切各向同性弹性特性。

一些学者已经给出了用各向同性弹性特性参数、节理刚度和空间参数来表示的弹性常数的公式。

表3.7给出了各向异性岩石的一些典型的特性值。

横切各向同性弹性岩石的弹性常数〔实验室〕 表7.3 固有的强度特性在FLAC 3D 中，描述材料破坏的根本准那么是摩尔-库仑准那么，这一准那么把剪切破坏面看作直线破坏面：s 13N f φσσ=-+ 〔〕其中 )sin 1/()sin 1(N φφφ-+=1σ——最大主应力 (压缩应力为负);3σ——最小主应力φ——摩擦角c ——粘聚力当0f s <时进入剪切屈服。

岩体变形特征参数
岩体(见岩石和岩体)在外力作用下体积和形状的变化。

它是岩体力学的研究对象。

岩体变形受岩性、岩体结构、环境(围压、孔隙水压力)、应力作用时间等因素的影响。

岩体力学研究的岩体变形是，工程活动如岩体开挖或表面加载条件下的变形。

岩体变形和岩石变形既有联系，又有区别。

岩体变形特征参数一是由原位岩体变形实验法(静力法:承压板法钻孔变形法狭缝法水压洞室法单(双)轴压缩试验法动力法:声波法地震波法)等确定的岩体变形模量Em和弹性变形模量Eme参数.二是由岩体变形参数估算(1)在现场地质调查的基础上,建立适当的岩体地质力学模型利用岩块的资料估算岩体的(2)在岩体质量评价和大量实验资料的基础上,建立分类指标与岩体变形参数之间的关系,并用于岩体变形参数的估算.利用此方法可以确定出表征层状岩体变形性质的5个参数:Emn μnt Emt μtn Gmt
岩体的变形通常包括结构面变形和结构体变形两个部分。

一般建筑物的荷载远达不到岩体的极限强度值，因此，设计人员所关心的主要是岩体的变形特性。

岩体变形参数是由变形模量或弹性模量来反映的。

围岩分级的5个参数
1. 岩石类型：包括火山岩、沉积岩、变质岩等，不同类型的岩石具有不同的物理特性和力学性质。

2. 岩石结构：岩石的结构包括岩性层理、节理、裂隙、溶洞等，这些结构对岩石的储集、渗透、破碎等质量影响很大。

3. 岩体整体性：岩体整体性指岩体在坚固性、部分应力、弹性等方面的表现，如强度、刚度、变形特征等。

4. 岩体应力态：岩体应力态是指岩体的内部应力状态，包括主应力方向和大小、应力分布等。

5. 岩体地形位置：岩体地形位置指岩体所处的地形环境，包括高度、坡度、坡向等，对岩体稳定性和安全性有很大影响。

岩体力学研究内容简介岩体力学是力学的一个分文学科，是研究岩体在各种力场作用下变形与破坏规律的理论及其实际应用的科学，是一门应用型基础学科。

岩体力学的研究对象是各类岩体，而服务对象则涉及到许多领域和学科。

如水利水电工程、采矿工程、道路交通工程、国防工程、海洋工程、重要工厂（如核电站、大型发电厂及大型钢铁厂等）以及地震地质学、地球物理学和构造地质学等地学学科都应用到岩体力学的理论和方法。

但不同的领域和学科对岩体力学的要求和研究重点是不同的。

概括起来，可分为三个方面：①为各类建筑工程及采矿工程等服务的岩体力学，重点是研究工程活动引起的岩体重分布应力以及在这种应力场作用下工程岩体（如边坡岩体、地基岩体和地下洞室围岩等）的变形和稳定性。

②为掘进、钻井及爆破工程服务的岩体力学，主要是研究岩石的切割和破碎理论以及岩体动力学特性。

③为构造地质学、找矿及地层预报等服务的岩体力学，重点是探索地壳深部岩体的变形与断裂机理，为此需研究高温高压下岩石的变形与破坏规律以及与时间效应有关的流变特征。

以上三方面的研究虽各有侧重点，但对岩石及岩体基本物理力学性质的研究却是共同的。

由于岩体力学的研究对象，不是一般的人工材料，而是在天然地质作用下形成的地质体。

又由于岩体中具有天然应力、地下水等，并发育有各种结构面，所以它不仅具有弹性、脆性、塑性和流变性，而且还具有非线弹性、非连续性，以及非均质和各向异性等特征。

对于这样一种复杂的介质，不仅研究内容非常复杂，而且其研究方法和手段也应与连续介质力学有所不同。

一、研究内容由于岩体力学服务对象的广泛性和研究对象的复杂性，决定了岩体力学研究的内容也必然是广泛而复杂的。

从工程观点出发，大致可归纳为如下几方面的内容。

(1) 岩块、岩体地质特征的研究。

岩块与岩体的许多性质，都是在其形成的地质历史过程中形成的。

因此、岩块与岩体地质特征的研究是岩体力学分析的基础。

主要包括；①岩石的物质组成和结构特征；②结构面特征及其对岩体力学性质的影响；③岩体结构及其力学特征；④岩体工程分类。