巖體力學(xué)03-巖體的力學(xué)性質(zhì)

1、第三章 巖體的力學(xué)性質(zhì),§3.1 巖體結(jié)構(gòu)的概念及巖體結(jié)構(gòu)分類§3.2 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)§3.3 巖體的變形特性§3.4 巖體的強度特性§3.4 巖體質(zhì)量評價及其分類,在工程荷載(一般小于10MPa)范圍內(nèi)，工程巖體常常是沿軟弱結(jié)構(gòu)面失穩(wěn)破壞。,工程實例,在工程荷載作用下，結(jié)構(gòu)面及其充填物的變形是巖體變形的主要組分，控制著工程巖體的變形特性。結(jié)構(gòu)面是巖體滲透水流的主要

2、通道。在工程荷載作用下，結(jié)構(gòu)面的變形將極大地改變巖體的滲透性、應(yīng)力分布及其強度。因此，預(yù)測工程荷載作用下巖體滲透性的變化，必須研究結(jié)構(gòu)面的變形性質(zhì)及其本構(gòu)關(guān)系。工程荷載作用下，巖體中應(yīng)力分布受結(jié)構(gòu)面及其力學(xué)性質(zhì)的影響。,5,一、結(jié)構(gòu)面（一）結(jié)構(gòu)面的成因類型,1、地質(zhì)成因類型原生結(jié)構(gòu)面構(gòu)造結(jié)構(gòu)面次生結(jié)構(gòu)面2、力學(xué)成因類型張性結(jié)構(gòu)面剪性結(jié)構(gòu)面,巖體結(jié)構(gòu)面的成因類型及其特征,1、地質(zhì)成因類型1）原生結(jié)構(gòu)面 巖體在成巖過程中

3、形成的結(jié)構(gòu)面。沉積結(jié)構(gòu)面 是沉積巖在沉積和成巖過程中形成的，有層理面、軟弱夾層、沉積間斷面和不整合面等。巖漿結(jié)構(gòu)面 是巖漿侵入及冷凝過程中形成的結(jié)構(gòu)面，包括巖漿巖體與圍巖的接觸面、各期巖漿巖之間的接觸面和原生冷凝節(jié)理等。變質(zhì)結(jié)構(gòu)面 是在變質(zhì)過程中形成，分為殘留結(jié)構(gòu)面和重結(jié)晶結(jié)構(gòu)面。2）構(gòu)造結(jié)構(gòu)面 是巖體形成后在構(gòu)造應(yīng)力作用下形成的各種破裂面，包括斷層、節(jié)理、劈理和層間錯動面等。3）次生結(jié)構(gòu)面 是巖體形成后在外營力作用下產(chǎn)生

4、的結(jié)構(gòu)面，包括卸荷裂隙、風(fēng)化裂隙、次生夾泥層和泥化夾層等。,結(jié)構(gòu)面類型及其主要特征：,2、力學(xué)成因類型1）張性結(jié)構(gòu)面 是由拉應(yīng)力形成的，如羽毛狀張裂面、縱張及橫張破裂面、巖漿巖中的冷凝節(jié)理等特點：張開度大、連續(xù)性差、形態(tài)不規(guī)則、面粗糙，起伏度大及破碎帶較寬,易被充填,常含水豐富，導(dǎo)水性強2）剪性結(jié)構(gòu)面是剪應(yīng)力形成的，破裂面兩側(cè)巖體產(chǎn)生相對滑移，如逆斷層、平移斷層以及多數(shù)正斷層等。特點：連續(xù)性好，面較平直，延伸較長并有擦痕鏡面等。

5、,（二）結(jié)構(gòu)面的規(guī)模,按結(jié)構(gòu)面延伸長度、切割深度、破碎帶寬度及其力學(xué)效應(yīng)，可將結(jié)構(gòu)面劃分為如下五級：Ⅰ級結(jié)構(gòu)面：對區(qū)域構(gòu)造起控制作用的斷裂帶，包括大小構(gòu)造單元接壤的深大斷裂帶。是地殼或區(qū)域內(nèi)巨型的構(gòu)造斷裂面，走向延伸往往很遠（一般在數(shù)十千米以上），破碎帶寬度數(shù)米以上。沿縱深方向至少可以切穿一個構(gòu)造層，規(guī)模巨大區(qū)域性大斷層往往具有現(xiàn)代活動性，對工程建設(shè)有很大的危害，影響到區(qū)域穩(wěn)定性，并影響山體穩(wěn)定性和巖體穩(wěn)定性。一般工程應(yīng)盡量避

6、開，如不能避開，則應(yīng)進行研究并采取適當(dāng)?shù)奶幚泶胧?Ⅱ級結(jié)構(gòu)面：延伸長而寬度有限的區(qū)域性地質(zhì)界面，如較大的斷層、層間錯動、接觸破碎帶、不整合面、原生軟弱夾層、風(fēng)化夾層等。貫穿整個工程巖體，長度一般數(shù)百米~數(shù)千米，破碎帶寬度數(shù)十厘米~數(shù)米。主要在一個構(gòu)造層內(nèi)分布，可能切穿幾個地質(zhì)時代的地層。與其他結(jié)構(gòu)面組合，會形成較大規(guī)模的破壞。?？刂乒こ虆^(qū)的山體穩(wěn)定性或巖體穩(wěn)定性，影響工程布局，具體建筑物應(yīng)避開或采取必要的處理措施。,Ⅲ級結(jié)構(gòu)面

7、：局部性的斷裂構(gòu)造，主要為小斷層，延伸長度一般數(shù)十米~數(shù)百米，破碎帶寬度小于1m。還包括寬度在數(shù)厘米的、走向和縱深延伸斷續(xù)的原生軟弱夾層、層間錯動等以及區(qū)域性節(jié)理等。發(fā)育在同一地質(zhì)時代的地層中，有時僅在某一種巖性中分布。主要影響或控制工程巖體，如地下洞室圍巖及邊坡巖體的穩(wěn)定性。若與II級結(jié)構(gòu)面相組合，會形成較大的塊體運動；若是自身組合，則僅能形成局部的或小規(guī)模的破壞。Ⅱ、Ⅲ級結(jié)構(gòu)面控制著工程巖體力學(xué)作用的邊界條件和破壞方式，它們

8、的組合往往構(gòu)成可能滑移巖體的邊界面，直接威脅工程安全穩(wěn)定性。,Ⅳ級結(jié)構(gòu)面：延伸性較差的節(jié)理、層面、次生裂隙、小斷層及較發(fā)育的片理、劈理等。長度一般數(shù)十厘米~二、三十米。破碎帶寬度近于0~數(shù)厘米。是構(gòu)成巖塊的邊界面。數(shù)量多，分布具隨機性，破壞了巖體的完整性，影響巖體的物理力學(xué)性質(zhì)及應(yīng)力分布狀態(tài)，是巖體分類和巖體結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)，也是結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計分析和模擬的對象。Ⅳ級結(jié)構(gòu)面主要控制著巖體的結(jié)構(gòu)、完整性和物理力學(xué)性質(zhì)，數(shù)量多且具隨機性，

9、其分布規(guī)律具統(tǒng)計規(guī)律，需用統(tǒng)計方法進行研究。,Ⅴ級 結(jié)構(gòu)面：又稱微結(jié)構(gòu)面，包括隱節(jié)理、微層面、微裂隙及不發(fā)育的片理、劈理等。規(guī)模小，連續(xù)性差，常包含在巖塊中。主要影響巖塊的物理力學(xué)性質(zhì)。,結(jié)構(gòu)面分級及其特性,走向、傾向、傾角結(jié)構(gòu)面與最大主應(yīng)力間的關(guān)系控制著巖體的破壞機理與強度。,（三）結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀,據(jù)單結(jié)構(gòu)面理論，巖體中存在一組結(jié)構(gòu)面時，巖體的極限強度與結(jié)構(gòu)面傾角間的關(guān)系為：,（四）結(jié)構(gòu)面連續(xù)性結(jié)構(gòu)面的連續(xù)性反映結(jié)構(gòu)面的貫通程度

10、，用切割度評價。切割度（又稱面連續(xù)性系數(shù)）：指沿結(jié)構(gòu)面延伸方向，結(jié)構(gòu)面面積之和(?a)與總面積(A)的比值，即,有時候用線切割度（線連續(xù)性系數(shù)）評價：指沿結(jié)構(gòu)面延伸方向，結(jié)構(gòu)面各段長度之和(?a)與測線長度的比值，即,Xe變化在0～1之間，K1值愈大說明結(jié)構(gòu)面的連續(xù)性愈好，當(dāng)Xe＝1時，結(jié)構(gòu)面完全貫通。,巖體按結(jié)構(gòu)面連續(xù)性的分級表,（五）結(jié)構(gòu)面密度結(jié)構(gòu)面的密度反映結(jié)構(gòu)面發(fā)育的密集程度。1、裂隙度(K)是指結(jié)構(gòu)面法線方向單位測線長度

11、上交切結(jié)構(gòu)面的條數(shù)(條/m)。2、裂隙平均間距(d)則是指同一組結(jié)構(gòu)面法線方向上兩相鄰結(jié)構(gòu)面的平均距離。K與d互為倒數(shù)關(guān)系如果測線水平布置，且與結(jié)構(gòu)面法線的夾角為?，結(jié)構(gòu)面的傾角為β時:如果有多組結(jié)構(gòu)面，則裂隙度等于各組結(jié)構(gòu)面的裂隙度之和。,結(jié)構(gòu)面間距分級表,用線密度來估算巖體質(zhì)量指標(biāo)RQD(rock quality designation),巖體質(zhì)量指標(biāo)RQD：長度大于10cm的巖心長度之和與鉆孔總進尺的百分比。,（六）結(jié)構(gòu)

12、面張開度結(jié)構(gòu)面的張開度是指結(jié)構(gòu)面兩壁面間的垂直距離。結(jié)構(gòu)面兩壁面一般不是緊密接觸，使結(jié)構(gòu)面實際接觸面積減少，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面粘聚力降低和滲透性增大。如在層流條件下，平直而兩壁平行的單個結(jié)構(gòu)面的滲透系數(shù)(Kf)可表達為：,結(jié)構(gòu)面張開度分級表,Ⅳ級及部分Ⅲ級結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、跡長、間距及張開度等幾何特征參數(shù)，服從一定的隨機分布規(guī)律。,（七）結(jié)構(gòu)面形態(tài)結(jié)構(gòu)面的形態(tài)可以用側(cè)壁的起伏形態(tài)及粗糙度來反映。結(jié)構(gòu)面?zhèn)缺诘钠鸱螒B(tài)分為：平直的、臺階狀的、

13、鋸齒狀的、波狀的和不規(guī)則狀的。,側(cè)壁的起伏程度可用起伏角(i)表示。,結(jié)構(gòu)面的粗糙度用粗糙度系JRC(joint roughness coefficient)表示。隨粗糙度的增大，結(jié)構(gòu)面的摩擦角也增大。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)粗糙度剖面將結(jié)構(gòu)面的粗糙度系數(shù)劃分為10級。,（八）結(jié)構(gòu)面充填膠結(jié)特征,結(jié)構(gòu)面膠結(jié)后力學(xué)性質(zhì)有所增強，F(xiàn)e質(zhì)膠結(jié)的強度最高，泥質(zhì)與易溶鹽類膠結(jié)的結(jié)構(gòu)面強度最低，且抗水性差。,未膠結(jié)的結(jié)構(gòu)面，力學(xué)性質(zhì)取決于其充填情況，可分為：

14、薄膜充填、斷續(xù)充填、連續(xù)充填及厚層充填4類：1）薄膜充填是結(jié)構(gòu)面兩壁附著一層極薄的礦物膜，厚度多小于1mm，多明顯降低結(jié)構(gòu)面的強度。2）斷續(xù)充填結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)與充填物性質(zhì)、壁巖性質(zhì)及結(jié)構(gòu)面的形態(tài)有關(guān)。3）連續(xù)充填結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)主要取決于充填物性質(zhì)。4）厚層充填結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)很差，主要取決于充填物性質(zhì)，巖體往往易于沿這種結(jié)構(gòu)面滑移而失穩(wěn)。,（九）軟弱結(jié)構(gòu)面,軟弱結(jié)構(gòu)面是巖體中具有一定厚度的軟弱帶(層)，與兩盤巖體相比具有高壓

15、縮和低強度等特征，在產(chǎn)狀上多屬緩傾角結(jié)構(gòu)面。主要包括原生軟弱夾層、構(gòu)造及擠壓破碎帶、泥化夾層及其他夾泥層等。軟弱結(jié)構(gòu)面對巖體的變形、破壞及穩(wěn)定性往往起控制作用。其中，泥化夾層的危害更大。泥化夾層是含泥質(zhì)的軟弱夾層經(jīng)一系列的地質(zhì)演化作用形成的(往往與水有關(guān))，是含水量較大，處于塑性狀態(tài)的含泥質(zhì)的軟弱夾層。多分布于上下相對堅硬而中間相對軟弱、剛?cè)嵯嚅g的巖層組合條件下。,泥化夾層的形成：由于構(gòu)造等原因，使原巖破碎，巖石顆粒分散，含水量

16、增加，巖石處于塑性狀態(tài)；水溶解巖石中可溶鹽類，引起離子交換，改變巖石了的物理力學(xué)性質(zhì)。泥化夾層特性： （1）由原巖的超固結(jié)膠結(jié)式結(jié)構(gòu)變成了泥質(zhì)散狀結(jié)構(gòu)或泥質(zhì)定向結(jié)構(gòu)； （2）粘粒含量很高； （3）含水量接近或超過塑限； （4）密度比原巖小 ； （5）常具有一定的脹縮性； （6）力學(xué)性質(zhì)比原巖差，表現(xiàn)為強度降低、壓縮性增高； （7）易產(chǎn)生滲透變形。,（十）結(jié)構(gòu)面的組合關(guān)系結(jié)構(gòu)面的組合關(guān)系控制著可能滑移巖

17、體的幾何邊界條件、形態(tài)、規(guī)模、滑動方向及滑移破壞類型，它是工程巖體穩(wěn)定性預(yù)測與評價的基礎(chǔ)。任何堅硬巖體的塊體滑移破壞，都必須具備一定的幾何邊界條件。因此，在研究巖體穩(wěn)定性時，必須研究結(jié)構(gòu)面之間及其與臨空面之間的組合關(guān)系，確定可能失穩(wěn)塊體的形態(tài)、規(guī)模和可能滑移方向等。結(jié)構(gòu)面組合關(guān)系的分析可用赤平投影、立體投影和三角幾何計算法等進行。,二、巖體的結(jié)構(gòu)特征,（一）巖體的組成巖體是由結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)及其所圍限的巖塊 (結(jié)構(gòu)體)所組成。具有一定

18、的結(jié)構(gòu)是巖體的顯著特征之一。巖體中存在著復(fù)雜的天然應(yīng)力狀態(tài)和地下水，這是巖體與其他材料的根本區(qū)別之一。,（二）巖體的結(jié)構(gòu)巖體結(jié)構(gòu)(rockmass structure)指巖體中結(jié)構(gòu)面與結(jié)構(gòu)體的排列組合關(guān)系。1、結(jié)構(gòu)體特征結(jié)構(gòu)體(structural element)指巖體中被結(jié)構(gòu)面切割圍限的巖石塊體。它不同于巖塊的概念。結(jié)構(gòu)體的規(guī)模取決于結(jié)構(gòu)面的密度，密度愈小，結(jié)構(gòu)體的規(guī)模愈大,與結(jié)構(gòu)面對應(yīng),劃分為五級。常用塊度模數(shù)（單位

19、體積內(nèi)的Ⅳ級結(jié)構(gòu)體數(shù)) 或結(jié)構(gòu)體體積來表示結(jié)構(gòu)體規(guī)模。,結(jié)構(gòu)體的形狀示意圖,結(jié)構(gòu)體常見的形狀:柱狀、板狀、楔形、菱形形狀不同，穩(wěn)定性不同。,不穩(wěn)定,穩(wěn)定,2、巖體的結(jié)構(gòu)類型,,巖體結(jié)構(gòu)類型劃分的依據(jù)：（1）第一依據(jù)——結(jié)構(gòu)面類型，它規(guī)定結(jié)構(gòu)級序：軟弱結(jié)構(gòu)面——I級巖體結(jié)構(gòu)；堅硬結(jié)構(gòu)面——II級巖體結(jié)構(gòu)。（2）第二依據(jù)——結(jié)構(gòu)面切割程度或結(jié)構(gòu)體類型，它規(guī)定巖體結(jié)構(gòu)基本類型：I級巖體結(jié)構(gòu)面——塊狀結(jié)構(gòu)體—快裂結(jié)構(gòu)；板狀結(jié)構(gòu)體—板裂結(jié)構(gòu)

20、。II級結(jié)構(gòu)面——結(jié)構(gòu)面貫通切割—碎裂結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)面斷續(xù)切割—斷續(xù)結(jié)構(gòu)；無顯結(jié)構(gòu)面切割—完整結(jié)構(gòu)。過渡型巖體結(jié)構(gòu)——軟硬結(jié)構(gòu)混雜、結(jié)構(gòu)面無序狀排列—散體結(jié)構(gòu)。（3）亞類劃分依據(jù)——亞類的劃分主要是依據(jù)巖體的原生結(jié)構(gòu)。如碎裂結(jié)構(gòu)可劃分為：塊狀的——塊狀碎裂結(jié)構(gòu)；層狀的——層狀碎裂結(jié)構(gòu),2、巖體的結(jié)構(gòu)類型,,2、巖體的結(jié)構(gòu)類型,,(a) (b) (c) (d)

21、 (e)a—完整結(jié)構(gòu)；b—塊裂結(jié)構(gòu)；c—板裂結(jié)構(gòu)；d—碎裂結(jié)構(gòu)；e—散體結(jié)構(gòu),散體結(jié)構(gòu)是指斷層破碎帶及強化風(fēng)帶中存在的一種結(jié)構(gòu)類型。其特點是：①結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體呈無序狀排列；②結(jié)構(gòu)面有的為軟弱結(jié)構(gòu)面，有的為堅硬結(jié)構(gòu)面，有的為軟、硬混雜。這種結(jié)構(gòu)類型既不屬于I級結(jié)構(gòu)，也不屬于II級結(jié)構(gòu)。其規(guī)模一般不大，常呈夾層或帶狀存在。在工程中常存在于應(yīng)力消散、地下水暢通、巖體失穩(wěn)的關(guān)鍵地段。,巖體的結(jié)構(gòu)類型及其主要特征：,,,

22、（三）巖體成因與巖體特征,1、巖漿巖體 無層理，產(chǎn)狀復(fù)雜。根據(jù)巖漿活動方式，巖漿巖可分為深成巖、淺成巖和噴出巖三類。2、沉積巖體 具有層理構(gòu)造，巖體呈層狀結(jié)構(gòu)。沉積巖包括他生沉積巖和自生沉積巖兩大類。3、變質(zhì)巖體 多數(shù)巖石變質(zhì)后都經(jīng)歷了不同程度的重結(jié)晶作用，結(jié)構(gòu)較致密，抗水性增強，孔隙率較低，透水性弱，抗變形性能好，強度高。因此與沉積巖相比，變質(zhì)巖的性質(zhì)一般要好些。,第三章 巖體力學(xué)性質(zhì),§3.1 巖體結(jié)構(gòu)的

23、概念及巖體結(jié)構(gòu)分類§3.2 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)§3.3 巖體的變形特性§3.4 巖體的強度特性§3.5 巖體質(zhì)量評價及其分類,一、結(jié)構(gòu)面的變形性質(zhì)(一)結(jié)構(gòu)面的法向變形性質(zhì)1、法向變形特征,ΔVｊ＝ΔVｔ－ΔVｒ,結(jié)構(gòu)面變形量=巖體變形量-巖塊變形量,法向變形是在法向荷載作用下，結(jié)構(gòu)面的閉合（壓縮荷載）與張開位移（拉伸荷載）。通常法向荷載以壓縮荷載為主，因此法向變形也以結(jié)構(gòu)面法

24、向壓縮變形為主。,應(yīng)力-變形關(guān)系曲線：,開始時隨著法向應(yīng)力增加，結(jié)構(gòu)面閉合變形迅速增長， σn-ΔV及σn-ΔVｊ曲線均呈上凹型。當(dāng)σn增到一定值時，σn-ΔVｔ曲線變陡，并與σn-ΔVｒ曲線大致平行。說明結(jié)構(gòu)面已基本上完全閉合，其變形主要是巖塊變形貢獻的。這時ΔVｊ則趨于結(jié)構(gòu)面最大閉合量Vｍ。初始壓縮階段，含結(jié)構(gòu)面的巖塊變形ΔVｔ主要是由結(jié)構(gòu)面的閉合造成的。試驗表明，當(dāng)σn＝１MPa時，ΔVｔ/ΔVｒ可達5~30，說明ΔVｔ占了很大

25、一部分。法向應(yīng)力σn大約從σｃ/3處開始，含結(jié)構(gòu)面的巖塊變形由以結(jié)構(gòu)面的閉合為主轉(zhuǎn)為以巖塊的彈性變形為主。,應(yīng)力-變形關(guān)系曲線特征：,結(jié)構(gòu)面的σn- ΔVｊ曲線大致為以ΔVｊ＝Vｍ為漸近線的非線性曲線（大體為指數(shù)曲線）。與結(jié)構(gòu)面的類型及壁巖性質(zhì)無關(guān) 。結(jié)構(gòu)面的最大閉合量始終小于結(jié)構(gòu)面的張開度（ｅ）。這是因為結(jié)構(gòu)面是凹凸不平的，兩壁面間無論如何也不可能達到100％的接觸。上述的非線性力學(xué)行為歸結(jié)于接觸微凸體彈性變形、壓碎和間接拉裂

26、隙的產(chǎn)生，以及新的接觸點、接觸面積的增加。當(dāng)荷載去除后，會存在明顯的后滯和非彈性效應(yīng)。,法向剛度Ｋn是指在法向應(yīng)力作用下，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生單位法向變形所需要的應(yīng)力，在數(shù)值上等于σn- ?Vｊ曲線上一點的切線斜率。,確定方法,試驗法,2、法向剛度,室內(nèi)變形試驗,現(xiàn)場變形試驗,本構(gòu)方程和經(jīng)驗估算,,,,幾種結(jié)構(gòu)面的法向剛度：,,（二）結(jié)構(gòu)面的剪切變形性質(zhì)1、剪切變形特征,,剪切變形是在一定法向壓力作用下，結(jié)構(gòu)面在剪切力作用下產(chǎn)生切向（沿結(jié)構(gòu)面）

27、的變形。1）變形形式（1）對于非充填粗糙結(jié)構(gòu)面隨著剪切變形的產(chǎn)生，剪應(yīng)力相對上升較快，當(dāng)達到剪應(yīng)力峰值后，結(jié)構(gòu)面抗剪強度出現(xiàn)較大的下降，并產(chǎn)生不規(guī)則的峰后變形(圖中線A)或滯滑現(xiàn)象。,,（2）對于平坦或有充填物的結(jié)構(gòu)面當(dāng)?shù)蛧鷫簳r，初始階段的剪切變形曲線呈下凹型，隨著剪切變形的持續(xù)發(fā)展，剪應(yīng)力逐漸升高，但沒有明顯的峰值，最終達到恒定值或繼續(xù)上升（及應(yīng)變硬化）(圖中線B)。,,當(dāng)圍壓較高時，在剪切過程中，可呈現(xiàn)一種特殊的運動方式——

28、粘滑震蕩（下圖）。,粘滑振蕩可以用彈簧牽引塊體在剛性平面上的滑動模型來說明。對彈簧一端施加力的作用使其以較低的速度運動，當(dāng)彈簧上施加的力逐漸增加到足以克服塊體與剛性平面間的靜摩擦?xí)r，塊體將在彈簧的牽引下發(fā)生滑動。由于動摩擦小于靜摩擦，一旦塊體與平面發(fā)生相對運動，摩擦力即突然下降，塊體在彈簧牽引下以大于彈簧原來伸長的速度突然向前運動，彈簧中的力則將降低直至小于保持滑動所需的力時，滑塊運動停止。而彈簧施力的一端仍繼續(xù)以原有的速度運動，當(dāng)彈簧

29、中的力足以克服靜摩擦?xí)r，又重復(fù)上述過程，形成這種張弛、跳躍式的運動。研究表明，粘滑不僅發(fā)生于磨光面上，在較粗糙的裂隙面也較普遍發(fā)生。對于粗糙面上的粘滑，一種解釋認為是面沿面上的突起發(fā)生剪脹變形和突起被剪斷后的快速變形的交替——粘滑脆性破壞機制。另外一種解釋是剪切停止時，由于蠕動而使突起嵌入到相對的結(jié)構(gòu)面中，使接觸面積增加，當(dāng)繼續(xù)加力使滑動時，隨著滑動的開始，接觸面積減小，導(dǎo)致摩擦阻力突然降低而產(chǎn)生粘滑——突起體蠕動機制。粘滑機制研究

30、的研究具有十分現(xiàn)實的意義。地殼中早已存在的斷層常呈這種運動形式。斷層面在穩(wěn)定剪切位移中突然發(fā)生快速滑動，產(chǎn)生地震。然后應(yīng)力被釋放，斷層面又被鎖固在一起，直到某一時間再次發(fā)生突然滑動。,,根據(jù)剪切變形曲線的形態(tài)，一般將剪切變形曲線分為兩個區(qū)域，峰前應(yīng)力上升區(qū)為彈性區(qū)，峰值前后的區(qū)域為塑性區(qū)。由于在剪切變形的過程中，伴隨有微凸體的彈性變形、劈裂、磨粒的產(chǎn)生與位移、結(jié)構(gòu)面的相對錯動等多種力學(xué)過程，因此，剪切變形一般是不可恢復(fù)的變形，即使在彈性

31、區(qū)，剪切變形一般也不能完全恢復(fù)。對于凹凸不平的結(jié)構(gòu)面，可簡化為下圖a的力學(xué)模型。受剪結(jié)構(gòu)面上有突起，突起物坡角為i，模型上半部作用剪切力和法向力，模型下半部固定不動。在法向應(yīng)力較小的情況下，在剪切力作用下，具有明顯的剪脹（剪切變形過程中的法向變形），即結(jié)構(gòu)面相對滑動時，由于結(jié)構(gòu)面上突起體的影響，結(jié)構(gòu)面沿突起體的斜面上升，結(jié)構(gòu)面張開，發(fā)生膨脹（下圖b）；當(dāng)法向應(yīng)力較大時，將限制結(jié)構(gòu)面沿突起體斜面的向上滑動，突起體在剪切力的作用下被剪斷，

32、此時就不存在剪脹性（下圖c）。因此，結(jié)構(gòu)的剪切變形與巖石的強度、結(jié)構(gòu)面的粗糙性和法向力有關(guān)。,剪切剛度KS是反映結(jié)構(gòu)面剪切變形性質(zhì)的重要參數(shù)，其數(shù)值等于峰值前τ-?u曲線上任一點的切線斜率。,2、剪切剛度及其確定方法,,,確定方法,試驗法 室內(nèi)試驗 現(xiàn)場試驗經(jīng)驗估算法（Barton方程）,,幾種結(jié)構(gòu)面的剪切剛度及抗剪參數(shù)：,,巖體結(jié)構(gòu)面直剪試驗結(jié)果表,,二、結(jié)構(gòu)面的強度性質(zhì),結(jié)構(gòu)面強度分為抗拉強度和抗剪強度。結(jié)構(gòu)面

33、的抗拉強度非常小，常可忽略不計，所以一般認為結(jié)構(gòu)面是不能抗拉的。在工程荷載作用下，巖體破壞常沿某些軟弱結(jié)構(gòu)面的滑動破壞。在巖體力學(xué)中，重點研究結(jié)構(gòu)面的抗剪強度。,,,（一）平直無充填的結(jié)構(gòu)面,平直無充填的結(jié)構(gòu)面包括剪應(yīng)力作用下形成的剪性破裂面，如剪節(jié)理、剪裂隙等，發(fā)育較好的層理面與片理面。特點是面平直、光滑，只具微弱的風(fēng)化蝕變。堅硬巖體中的剪破裂面還發(fā)育有鏡面、擦痕及應(yīng)力礦物薄膜等。這類結(jié)構(gòu)面的抗剪強度大致與人工磨制面的摩擦強度

34、接近，即：,,,（二）粗糙起伏無充填的結(jié)構(gòu)面,剪切特點：① 當(dāng)σ較小時，上盤巖塊上下運動，產(chǎn)生爬坡效應(yīng)，增大了τ；②當(dāng)σ較大時，將剪斷凸起而運動，也增大了τ。,,,,,,σ,τ,τ,,,1、規(guī)則鋸齒形結(jié)構(gòu)面 1）σ較小，剪脹作用,,,Patton公式,,?b——巖石平坦表面基本摩擦角，與光滑程度有關(guān)，結(jié)構(gòu)面越光滑，其值越小。,2）σ較大，啃斷效用,上式為法向應(yīng)力σ≥σt時，結(jié)構(gòu)面的抗剪強度。剪斷凸起的條件為：,,2、不規(guī)則起

35、伏結(jié)構(gòu)面,自然界巖體中絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)面的粗糙起伏形態(tài)是不規(guī)則的，起伏角也不是常數(shù)。其強度包絡(luò)線不是折線，而是曲線形式。,,巴頓（Ｂarton，1973）對８種不同粗糙起伏的結(jié)構(gòu)面進行了試驗研究，提出了剪脹角的概念并用以代替起伏角，剪脹角αｄ（angle of dilatancy）的定義為剪切時剪切位移的軌跡線與水平線的夾角，即：,,Barton 抗剪強度經(jīng)驗方程：,,大量的試驗資料表明，一般結(jié)構(gòu)面的基本摩擦角?u＝25°～35&

36、#176;。因此，上式右邊的第二項應(yīng)當(dāng)就是結(jié)構(gòu)面的基本摩擦角?u ，而第一項的系數(shù)取整數(shù)2。,（三）非貫通斷續(xù)的結(jié)構(gòu)面,假設(shè)沿整個剪切面上的應(yīng)力分布是均勻的，結(jié)構(gòu)面的線連續(xù)性系數(shù)為Ｋ1,,裂面,巖橋,,,四、具有充填物的軟弱結(jié)構(gòu)面,具有充填物的軟弱結(jié)構(gòu)面包括泥化夾層和各種類型的夾泥層，其形成多與水的作用和各類滑錯作用有關(guān)。這類結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)常與充填物的物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)及充填程度和厚度等因素密切相關(guān)。,,,第三章 巖體力學(xué)性質(zhì),§

37、;3.1 巖體結(jié)構(gòu)的概念及巖體結(jié)構(gòu)分類§3.2 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)§3.3 巖體的變形特性§3.4 巖體的強度特性§3.5 巖體質(zhì)量評價及其分類,在受力條件改變時巖體的變形是巖塊變形和結(jié)構(gòu)變形的總和，而結(jié)構(gòu)變形通常包括結(jié)構(gòu)面閉合、充填物的壓密及結(jié)構(gòu)體轉(zhuǎn)動和滑動等變形。,從巖體的定義表明：巖塊+結(jié)構(gòu)面=>巖體巖體變形=巖塊變形+結(jié)構(gòu)面閉合+充填物壓縮+其他變形,在一般情況

38、下，巖體的結(jié)構(gòu)變形起著控制作用。,一、巖體變形試驗及其變形參數(shù)確定,靜力法的基本原理：在選定的巖體表面、槽壁或鉆孔壁面上施加法向荷載，并測定其巖體的變形值；然后繪制出壓力-變形關(guān)系曲線，計算出巖體的變形參數(shù)。動力法的基本原理：用人工方法對巖體發(fā)射(或激發(fā))彈性波(聲波或地震波)，并測定其在巖體中的傳播速度，然后根據(jù)波動理論求巖體的變形參數(shù)。,1、承壓板法,ω是與承壓板形狀與剛度有關(guān)的系數(shù)。對于圓形板ω＝0.785；對于方形板ω＝0

39、.886,2、鉆孔變形法,優(yōu)點：①對巖體擾動?。虎诳梢栽诘叵滤灰韵潞拖喈?dāng)深的部位進行；③試驗方向基本上不受限制，而且試驗壓力可以達到很大；④在一次試驗中可以同時量測幾個方向的變形，便于研究巖體的各向異性。缺點：試驗涉及的巖體體積小，代表性受到局限。,3、狹縫法,常見巖體的彈性模量和變形模量,幾種巖體用不同試驗方法測定的彈性模量,巖體的變形模量比巖塊的小，而且受結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度及風(fēng)化程度等因素影響十分明顯。不同地質(zhì)條件下的同一巖體，其

40、變形模量相差較大。試驗方法不同、壓力大小不同，巖體變形模量不同。,二、巖體變形參數(shù)估算,一是在現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，建立適當(dāng)?shù)膸r體地質(zhì)力學(xué)模型，利用室內(nèi)小試件試驗資料來估算。二是在巖體質(zhì)量評價和大量試驗資料的基礎(chǔ)上，建立巖體分類指標(biāo)與變形參數(shù)之間的經(jīng)驗關(guān)系，并用于變形參數(shù)估算。,1、層狀巖體變形參數(shù)估算,層狀巖體的地質(zhì)力學(xué)模型假設(shè)各巖層厚度相等為S，且性質(zhì)相同。層面的張開度可忽略不計假設(shè)巖塊的變形參數(shù)為E、μ和G，層面的變形

41、參數(shù)為Kn、Ks。取n-t坐標(biāo)系，n垂直層面，t平行層面。由巖塊和層面組成單元體。,1）法向應(yīng)力σn作用下的巖體變形參數(shù),(1)沿n方向加荷,(2)沿t方向加荷,,2)剪應(yīng)力作用下的巖體變形參數(shù),,2、裂隙巖體變形參數(shù)的估算,1）用RMR值估算巖體變形模量,2）用Q值估算縱波速度和巖體平均變形模量,三、巖體變形曲線類型及其特征,1、法向變形曲線直線型 上凹型 上凸型 復(fù)合型,直線型,通過原點的直線，其方程為p＝f(W)＝K

42、W加壓過程中W隨p成正比增加巖體巖性均勻、結(jié)構(gòu)面不發(fā)育或結(jié)構(gòu)面分布均勻,巖體剛度大，不易變形，巖體較堅硬、完整、致密均勻、少裂隙，以彈性變形為主，接近于均質(zhì)彈性體。,巖體剛度低、易變形，由多組結(jié)構(gòu)面切割且分布較均勻或巖性較軟弱且均質(zhì)或平行層面加壓。有明顯的塑性變形和回滯環(huán)，非彈性變形。,陡直線型,緩直線型,,,上凹型,曲線方程為p＝f(W)，dp/dW隨p增大而遞增，dp/dW＞0層狀及節(jié)理巖體多呈這類曲線,巖體剛度隨循環(huán)次數(shù)增加

43、而增大，彈性變形成分較大。多為垂直層面加壓的較堅硬層狀巖體。,卸壓曲線較陡，變形大部分為塑性變形。多為存在軟弱夾層的層狀巖體及裂隙巖體或垂直層面加壓的層狀巖體。,第二種情況,第一種情況,,,上凸型,曲線方程為p＝f(W)，dp/dW隨p增加而遞減，d2p/dW2＜0。結(jié)構(gòu)面發(fā)育且有泥質(zhì)充填的巖體、較深處埋藏有軟弱夾層或巖性軟弱的巖體常呈這類曲線。,復(fù)合型,p-W曲線呈階梯或“S”型。結(jié)構(gòu)面發(fā)育不均或巖性不均勻的巖體，常呈此類曲線。,

44、2、剪切變形曲線,峰值前曲線平均斜率小，破壞位移大；峰值后應(yīng)力降很小或不變。多為沿軟弱結(jié)構(gòu)面剪切。峰值前曲線平均斜率較大，峰值強度較高。峰值后應(yīng)力降較大。多為沿粗糙結(jié)構(gòu)面、軟弱巖體及劇風(fēng)化巖體剪切。峰值前曲線斜率大，線性段和非線性段明顯，峰值強度高，破壞位移小。峰值后應(yīng)力降大，殘余強度較低。多為剪斷堅硬巖體。,四、影響巖體變形性質(zhì)的因素,影響因素：巖性、結(jié)構(gòu)面特征、風(fēng)化程度、試驗方法、試件尺寸、加荷條件、溫度、濕度等。這里僅介紹結(jié)

45、構(gòu)面對巖體變形的影響：1、結(jié)構(gòu)面密度右圖分別表示了RQD、波速比(Vm/Vr)2 與模量降低系數(shù)（巖體Em/巖塊E）之間的統(tǒng)計關(guān)系。RQD、波速比是反映裂隙發(fā)育程度的指標(biāo)。可以看出，當(dāng)波速比由近于1降至0.65時，模量比迅速下降。由0.65繼續(xù)下降時，模量比變化不大。相應(yīng)于波速比=0.65的模量降低值為0.14，也即當(dāng)巖體中結(jié)構(gòu)發(fā)育至一定程度時（波速比=0.65），巖體變形可達巖塊變形的1/0.14=7.14倍。此后，若結(jié)構(gòu)面密度再

46、增加，對巖體變形的影響就不大了。,2、結(jié)構(gòu)面的張開度及充填特征結(jié)構(gòu)面對巖體變形特性的影響與結(jié)構(gòu)面本身的特性(張開程度、充填程度、充填物性質(zhì)等)有密切關(guān)系。下圖為具裂隙和片麻理的片麻巖硐室徑向變形圖。圖中，線1為垂直片麻理的方向。由圖可見，對于不同的應(yīng)力水平，巖體最大變形方向會改變。在應(yīng)力較低時(0.4-0.9MPa)最大變形為水平方向(線2)，而在應(yīng)力增高后(1.9-2.4MPa)，則垂直于片麻理的方向變形最大。由灌漿前后的變形對比可

47、見，灌漿消除了2方向上結(jié)構(gòu)面的影響，但對1方向影響甚微。由此可見，結(jié)構(gòu)面性質(zhì)不同，對巖體變形的影響程度也不同。在2方向，壓力垂直于一組無充填的張開裂隙。因此，在較低壓力下，田裂隙閉合而產(chǎn)生很大變形，加之裂隙張開后又無充填，灌漿時漿液易進入，故灌漿后這組結(jié)構(gòu)面的影響大為減弱。由硬礦物和軟礦物交替組成的具片麻理巖體，只在壓力較大時，軟礦物層才能壓密，且由于其閉合或被充填，灌漿時漿液難進入，灌漿后巖體在這個方向的變形仍然很大。,3、結(jié)構(gòu)面方

48、位 結(jié)構(gòu)面導(dǎo)致巖體變形的各向異性。垂直層面的壓縮變形量主要是由巖塊和結(jié)構(gòu)面（軟弱夾層）壓密而成；平行層面方向的壓縮變形主要由巖塊和少量結(jié)構(gòu)面錯動構(gòu)成。在層狀巖體中，不僅開裂層面壓縮變形量大，而且成巖過程中由于沉積韻律的變化，層面出現(xiàn)在礦物連結(jié)力弱、致密度又低的部位，是層面壓縮量大的又一個原因。因此，構(gòu)成巖體變形的各向異性的兩個基本要素是：物質(zhì)成分和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的方向性；裂隙、層面等結(jié)構(gòu)面的方向性。裂隙巖體各方向力學(xué)性質(zhì)的差異均由

49、此產(chǎn)生。 各向異性在結(jié)構(gòu)面組數(shù)較少時表現(xiàn)得更明顯。下圖是泥質(zhì)巖體變形與結(jié)構(gòu)面方向的關(guān)系。由圖可見，無論是彈性變形還是總變形，其最大值均出現(xiàn)在荷載與結(jié)構(gòu)面向垂直的方向上，而平行方向上則最小。由圖還可以看出，雖然總變形和彈性變形曲線形狀相似，但彈性變形與總變形的比值卻因方向而異。在結(jié)構(gòu)面與荷載作用垂直方向上，比值最小，反映巖體總變形中，結(jié)構(gòu)面的壓密變形占很大的比例，而在平行方向上，總變形與彈性變形幾乎相等，說明在平行結(jié)構(gòu)面加載時

50、（有側(cè)限），巖體變形主要為巖石的變形。,第三章 巖體力學(xué)性質(zhì),§3.1 巖體結(jié)構(gòu)的概念及巖體結(jié)構(gòu)分類§3.2 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)§3.3 巖體的變形特性§3.4 巖體的強度特性§3.5 巖體質(zhì)量評價及其分類,巖體強度是指巖體抵抗外力破壞的能力。巖體的強度既不同于巖塊的強度，也不同于結(jié)構(gòu)面的強度，一般情況下，其強度介于巖塊與結(jié)構(gòu)面強度之間。巖體和巖塊一樣，巖體強度也有抗壓

51、強度、抗拉強度和剪切強度之分。,一、巖體的剪切強度,巖體的剪切強度是指巖體內(nèi)任一方向剪切面，在法向應(yīng)力作用下所能抵抗的最大剪應(yīng)力。剪切強度分為抗剪斷強度、抗剪強度和抗切強度。 抗剪斷強度是指在任一法向應(yīng)力下，橫切結(jié)構(gòu)面剪切破壞時巖體能抵抗的最大剪應(yīng)力?？辜魪姸仁侵冈谌我环ㄏ驊?yīng)力下，巖體沿已有破裂面剪切破壞時的最大應(yīng)力?？骨袕姸仁侵讣羟忻嫔系姆ㄏ驊?yīng)力為零時的抗剪斷強度。,1、原位巖體剪切試驗及其強度參數(shù)確定,雙千斤頂法直剪試驗,

52、巖體剪應(yīng)力(τ)-剪位移(u)曲線及法向應(yīng)力(σ)-法向變形(W)曲線。剪切強度曲線及巖體剪切強度參數(shù)Cm，φm值,各類巖體的剪切強度參數(shù)表,巖體內(nèi)摩擦角與巖塊較接近，而內(nèi)聚力則大大低于巖塊。說明結(jié)構(gòu)面的存在主要是降低了巖體的連結(jié)能力，進而降低其內(nèi)聚力。,2、巖體的剪切強度特征,巖體的剪切強度是具有上限和下限的值域，其強度包絡(luò)線也是有上限和下限的曲線族。上限是巖體的剪斷強度,下限是結(jié)構(gòu)面的抗剪強度。應(yīng)力σ較低時，強度變化范圍較大，隨

53、著應(yīng)力增大，范圍逐漸變小。應(yīng)力σ高到一定程度時，包絡(luò)線變?yōu)橐粭l曲線，巖體強度將不受結(jié)構(gòu)面影響而趨于各向同性體。,沿結(jié)構(gòu)面剪切(重剪破壞)時，巖體剪切強度最低，等于結(jié)構(gòu) 面的抗剪強度。橫切結(jié)構(gòu)面剪切(剪斷破壞)時，巖體剪切強度最高。沿復(fù)合剪切面剪切(復(fù)合破壞)時，其強度介于以上兩者之間。,二、裂隙巖體的壓縮強度,巖體的壓縮強度分為單軸抗壓強度和三軸壓縮強度。在生產(chǎn)實際中，通常是采用原位單軸壓縮和三軸壓縮試驗來確定。,單軸壓縮

54、,三軸壓縮,單結(jié)構(gòu)面時的巖體強度分析：,,巖體的強度(σ1－σ3) 隨結(jié)構(gòu)面傾角β的變化而變化。當(dāng)β→φj或β→90°時，巖體不可能沿結(jié)構(gòu)面破壞，而只能產(chǎn)生剪斷巖體破壞。只有當(dāng)β1≤β≤β2時，巖體才能沿結(jié)構(gòu)面破壞。,當(dāng)β＝45°＋φj／2時，巖體強度取得最低值,σ3=0,,,多結(jié)構(gòu)面時巖體強度分析：,含多組結(jié)構(gòu)面，且假定各組結(jié)構(gòu)面具有相同的性質(zhì)時，可分步運用單結(jié)構(gòu)面理論確定巖體強度包線及巖體強度。隨結(jié)構(gòu)面組數(shù)