岩体力学 中国地质大学 贾洪彪第六章 岩体的力学性质

第三章 岩体结构与岩体力学性质

第一节 概述

成岩之初岩体是连续的，以后由于构造运动的影响，在岩体中形成各种地质界面，因此被各种结构面切割是岩体的主要特征。岩石是构成岩体的物质，岩体是由结构面和结构体(被结构面包围的岩块)两个基本单元组成。岩体的物理力学性质取决于结构面和结构体的力学性质，从总体上说，岩体具有以下几个主要特征：

(1)、岩体是预应力体，在进行开挖工程前，岩体中已存在初始应力场。开挖岩体形成的应力集中势必迭加到初始应力场上。

(2)、岩体是一种含有多种介质的裂体。有两个极端情况，一种是弱面极少或几乎没有的整体性质，可视为连续介质。另一种是弱面充分发育的松散体，在这两种情况之间有松散体—弱面体—连续体的一个系列。将这由连续到不连续的系列划分为几种力学介质，如连续介质、块体介质、松散介质等。

岩体中的结构面：断层、节理、裂隙、片理等不连续面；

假整合、不整合、充填物等物质分界面。

结构面有厚度、有充填物、结构面是弱面

岩体被结构面切割成岩块

岩体破坏可沿结构面发生成追踪开裂

结构体和结构面是构成岩体结构的要素

概念：岩体结构——不同类型的岩体结构单元在岩体内的排列、组合形式，称为岩体结构。

基本的岩体结构单元有两类四种

岩体力学性质取决于岩体大小尺度和赋存条件(地质环境)。影响因素有结构体力学性质、结构面力学性质、岩体结构力学效应(实际是结构形式)、地质环境(尤其是水和地应力)。

当岩体强度很高时，结构面的力学性质控制了岩体的力学性质；反之则岩块的力学性质控制了结构体的力学性质。

岩体结构的力学效应主要体现在：爬坡角、尺寸效应和各向异性

地壳中的岩体本身是受载体，周围岩体施于它的应力是地应力。

围压对岩体力学性能的影响主要有：

1、围压越大，承载能力或者强度越大；

2、低围压下呈脆性，高围压下呈塑性；

3、围压越大波传播的衰减越小。 岩体结构单元

图6.1 岩体的压力--变形曲线

第六章 岩体的力学性质

岩体的力学性质包括岩体的变形性质、强度性质、动力学性质和水力学性质等方面。

岩体在外力作用下的力学属性表现出非均质性、非连续、各向异性和非弹性。

岩体的力学性质取决于两个方面：

1）受力条件；

2）岩体的地质特征及其赋存环境条件。

其中地质特征包括岩石材料性质、结构面的发育情况及性质（影响岩体的力学性质不同于岩块的本质原因）；赋存环境条件包括天然应力和地下水。

第一节 岩体的变形性质

一、 岩体变形试验及其变形参数确定

变形参数包括变形模量和弹性模量。按静力法得到静E，动力法得到动E。

法波地震声波法动力法轴压缩试验法双单水压洞室法钻孔变形法扁千斤顶法狭缝法承压板法静力法按原理和方法分原位岩体变形试验)()()(

)(

1．承压板法

刚性承压板法和柔性承压板法

各级压力P－W（岩体变形值）曲线

按布西涅斯克公式计算岩体的变形模量Em（Mpa）和弹性模量Eme（Mpa）。

emmemmWWPDEWWPDE)1()1(22

式中：P—承压板单位面积上的压力（Mpa）；

D—承压板的直径或边长（cm）； W，We—为相应P下的总变形和弹性变形；

ω—与承压板形状、刚度有关系数，圆形板ω=0.785，方形板ω=0.886。

μm—岩体的泊松比。

★定义：

岩体变形模量（Em）：岩体在无侧限受压条件下的应力与总应变之比值。

岩体弹性模量（Eme）：岩体在无侧限受压条件下的应力与弹性应变之比值。

2．钻孔变形法

钻孔膨胀计

利用厚壁筒理论（弹性力学）得：

udPEmm)1(

式中：d为钻孔孔隙（cm）；

P为计算压力（Mpa）；

u为法向变形（cm）。

与承压板比较其优点：

①对岩体扰动小；

②可以在地下水位以下笔相当深的部位进行；

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第六章 岩体的力学性质

第一节 概 述

岩体的力学性质与岩块有显著的差别。一般情况下，岩体比岩块易于变形，其强度也显著低于岩块的强度。造成这种差别的根本原因在于岩体中存在各种类型不同、规模不等的结构面，并受到天然应力和地下水等环境因素的影响。正因为如此，岩体在外力的作用下其力学属性往往表现出非均质、非连续、各向异性和非弹性。所以，无论在什么情况下，都不能把岩体和岩块两个概念等同起来。另外，人类的工程活动都是在岩体表面或岩体内部进行的。因此，研究

岩体的力学性质比研究岩块力学性质更重要、更具有实际意义。

岩体的力学性质，一方面取决于它的受力条件，另一方面还受岩体的地质特征及其赋存环境条件的影响。其影响因素主要包括：组成岩体的岩石材料性质；结构面的发育特征及其性质和岩体的地质环境条件，尤其是天然应力及地下水条件。其中结构面的影响是岩体的力学性质不同于岩块力学性质的本质原因。实践表明：研究岩体的变形与强度性质是岩体力学的根本任务之一。因此，本章将主要讲述岩体的变形与强度性质，同时对岩体的动力学性质及水力学性质也作一简要介绍。

第二节 岩体的变形性质

岩体变形是评价工程岩体稳定性的重要指标，也是岩体工程设计的基本准则之一。例如在修建拱坝和有压隧洞时，除研究岩体的强度外，还必须研究岩体的变形性能。当岩体中各部分岩体的变形性能差别较大时，将会在建筑物结构中引起附加应力；或者虽然各部分岩体变形性质差别不大，但如果岩体软弱抗变形性能差时，将会使建筑物产生过量的变形等。这些都会导致工程建筑物破坏或无法使用。

由于岩体中存在有大量的结构面，结构面中还往往有各种充填物。因此，在受力条件改变时岩体的变形是岩块材料变形和结构变形的总和，而结构变形通常包括结构面闭合、充填物压密及结构体转动和滑动等变形。在一般情况下，岩体的结构变形起着控制作用。目前，岩体的变形性质主要通过原位岩体变形试验进行研究。

一、岩体变形试验及其变形参数确定

第一章 绪 论

第一节岩体力学与工程实践

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岩体力学(rockmass mechanics)是力学的一个分支学科，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、找矿及地震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。本书主要是以各类建筑工程和采矿工程为服务对象编写的，因此，也可称为工程岩体力学。

在岩体表面或其内部进行任何工程活动，都必须符合安全、经济和正常运营的原则。以露天采矿边坡坡角选择为例，坡角选择过陡，会使边坡不稳定，无法正常采矿作业，坡角选择过缓，又会加大其剥采量，增加其采矿成本。然而，要使岩体工程既安全稳定又经济合理，必须通过准确地预测工程岩体的变形与稳定性、正确的工程设计和良好的施工质量等来保证。其中，准确地预测岩体在各种应力场作用下的变形与稳定性，进而从岩体力学观点出发，选择相对优良的工程场址，防止重大事故，为合理的工程设计提供岩体力学依据，是工程岩体力学研究的根本目的和任务。