第五講 巖體的力學(xué)特性

1、第三章 巖體的力學(xué)特性第3.1節(jié)第3.2節(jié)3.1 巖體結(jié)構(gòu) 巖體：由結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體組成的地質(zhì)體，結(jié)構(gòu)體和結(jié)構(gòu)面稱為巖體結(jié)構(gòu)單元或結(jié)構(gòu)要素； 巖體結(jié)構(gòu)：是指結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的規(guī)模、發(fā)育程度和組合方式； 巖體結(jié)構(gòu)的類型和特征： 中國科學(xué)院地質(zhì)研究所的古德振教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組提出的分類及其特征描述在我國應(yīng)用得比較普遍：見第一章P4P4上的表1-1。巖體的特征：結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體3.1.1 結(jié)構(gòu)面的類型1.結(jié)構(gòu)面的成因和類型（1）原生結(jié)構(gòu)面：成巖過程中所形成的結(jié)構(gòu)面，其特征與巖體成因密切相關(guān)，分為以下三類：巖漿結(jié)構(gòu)面：巖漿侵入和冷凝過程中形成的結(jié)構(gòu)面；沉積結(jié)構(gòu)面：沉積過程中形成的巖層分界面；變質(zhì)結(jié)構(gòu)面：在區(qū)域

2、變質(zhì)作用中形成的結(jié)構(gòu)面。（2）構(gòu)造結(jié)構(gòu)面：地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用（內(nèi)外動(dòng)力地質(zhì)作用）所形成的結(jié)構(gòu)面。 斷層：兩側(cè)具有明顯位移（錯(cuò)動(dòng)）的不連續(xù)面 張性斷層：張拉應(yīng)力產(chǎn)生，也稱為正斷層：斷層面上粗糙不平、很少擦痕； 壓剪性斷層：壓、剪應(yīng)力產(chǎn)生，一般會(huì)產(chǎn)生逆斷層和平移斷層：斷層面平整光滑、有平移擦痕； 節(jié)理：兩側(cè)不具有明顯位移的不連續(xù)面 張節(jié)理：張拉應(yīng)力作用產(chǎn)生； 剪節(jié)理：壓剪應(yīng)力作用產(chǎn)生； 層面節(jié)理：構(gòu)造應(yīng)力作用下在層狀上產(chǎn)生； 劈理：在地應(yīng)力作用下，巖石沿著一定方向產(chǎn)生密集的、大致平行的剪切破裂面。（3）次生結(jié)構(gòu)面：在外地質(zhì)營(yíng)力（如風(fēng)化作用）和人為活動(dòng)（如爆破、開挖）作用下形成的結(jié)構(gòu)面。 對(duì)于不同的作

3、用，所產(chǎn)生的次生結(jié)構(gòu)面的特點(diǎn)不同。一般對(duì)于風(fēng)化作用的次生結(jié)構(gòu)面有一定的規(guī)律可尋，但對(duì)于人為活動(dòng)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)面隨產(chǎn)生的原因不同而不同。總體上，這種結(jié)構(gòu)面的特點(diǎn)是發(fā)育呈無序狀態(tài)，結(jié)構(gòu)面不平整、不連續(xù)。2. 巖體軟弱夾層：巖層之間的一層性質(zhì) 原生軟弱夾層： 沉積型：包括粘土夾層、頁巖夾層、泥灰?guī)r夾層和石膏夾層； 變質(zhì)型：包括云母片巖、綠泥石片巖、滑石片巖等； 火成型：包括一些凝灰質(zhì)軟弱夾層。 構(gòu)造軟弱夾層： 由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在原有的弱面和軟弱夾層的基礎(chǔ)上或原斷層上產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)而形成，斷層破碎帶就是典型的構(gòu)造軟弱夾層。 次生軟弱夾層：風(fēng)化和地下水作用產(chǎn)生的軟弱夾層。3.1.2 結(jié)構(gòu)面的自然特征：1. 充填特征：

4、 結(jié)構(gòu)面之間無充填 結(jié)構(gòu)面之間有充填：u 薄膜充填：厚度小于2mm的礦物薄膜。u 斷續(xù)充填：厚度小于結(jié)構(gòu)面的起伏差。u 連續(xù)充填：厚度稍小于結(jié)構(gòu)面的起伏差。u 厚層充填：厚度大，數(shù)十cm或數(shù)m。2. 形態(tài)特征： 平直型 波浪型 鋸齒型 臺(tái)階型見圖3-6所示3. 結(jié)構(gòu)面的空間分布：是指結(jié)構(gòu)面的空間產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)面的延展性、密集程度和空間組合關(guān)系。 結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀：結(jié)構(gòu)面的走向、傾向、傾角及其變化規(guī)律。 結(jié)構(gòu)面的延展性：指結(jié)構(gòu)面在某方向上的延續(xù)性及其長(zhǎng)短程度，用切割度表示：切割度是指巖體被節(jié)理割裂分離的程度，用Xe。 當(dāng)某一橫貫所考慮巖體且面積為A的橫截面與單一面積為a的結(jié)構(gòu)面重疊時(shí)，其切割度為：AaX

5、eAa 當(dāng)與多個(gè)結(jié)構(gòu)面重合時(shí)，則為：AaAaaXie21a1a2aiA 結(jié)構(gòu)面密度：是指結(jié)構(gòu)面發(fā)育的程度，可用結(jié)構(gòu)面的裂隙度、間距、面密度或體密度表示。裂隙度（K）：是指沿著取樣方向，單位長(zhǎng)度上節(jié)理的數(shù)量，設(shè)取樣長(zhǎng)度為L(zhǎng)，其上的節(jié)理?xiàng)l數(shù)為n，則K的表達(dá)式為：當(dāng) L與結(jié)構(gòu)面法線方向l一致時(shí)，裂隙度就是線密度： n組節(jié)理時(shí)，裂隙度K為各組節(jié)理的裂隙度之和：nbaKKKK 兩組節(jié)理面，分組計(jì)算再求和兩組節(jié)理面，分組計(jì)算再求和nKLnKl （3-3）注意：這里的公式表示與教材的有所不同。結(jié)構(gòu)面間距：指結(jié)構(gòu)面沿取樣線上的平均間距（偽間距），即是裂隙度的倒數(shù)，用d表示為：結(jié)構(gòu)面的張開度：是指結(jié)構(gòu)面裂口張開

6、的程度，一般用測(cè)量量化的方式表示：很密閉：小于0.1mm；密閉：0.11mm；中等張開：15mm；張開：大于5mm。1LdKn或者垂直間距：（3-6）1ndKl 3.1.3 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)： 包括：結(jié)構(gòu)面的變形（法向和切向變形）性質(zhì)和強(qiáng)度性質(zhì)。1.法向變形（包括法向壓縮和法向拉伸變形） 結(jié)構(gòu)面的法向壓縮變形：試驗(yàn)研究表明法向應(yīng)力與法向變形之間呈非線性關(guān)系：ntnnnsmax（3-7）Goodman等人試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)公式，s和t是與結(jié)構(gòu)面幾何特征、巖石力學(xué)性質(zhì)相關(guān)的兩個(gè)試驗(yàn)參數(shù)，可由試驗(yàn)確定。 由初始條件確定，見下頁： 式中 是原位應(yīng)力，由試驗(yàn)時(shí)的初始條件決定，見下圖所示。 n max n 法向變形

7、剛度（Kn）：結(jié)構(gòu)面法向變形的能力，反映結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生單位法向變形的法向應(yīng)力梯度，見圖3-10所示 。2max0max00nnnnnKKKK（3-8）Bandis等人（1984）通過大量的實(shí)驗(yàn)也給出了：法向應(yīng)力和法向變形之間的關(guān)系式如下（為雙曲線型關(guān)系式）：nnnba（3-9）式中a、b為常數(shù)，由試驗(yàn)所測(cè)得。則由上式（3-9）求導(dǎo)數(shù)得到，法向變形剛度（Kn）：2nnnnbaaddK（3-103-10）結(jié)構(gòu)面的法向拉伸變形： 結(jié)構(gòu)面的拉伸變形性質(zhì)見圖3-11所示：小的拉伸變形和小的拉伸強(qiáng)度。 結(jié)構(gòu)面的拉伸變形一般很小，工程中一般不用這個(gè)性質(zhì)。圖3-11 結(jié)構(gòu)面壓拉全過程曲線（拉）（閉合）（壓縮）t

8、0（張開）t結(jié)構(gòu)面所受的初始應(yīng)力拉伸應(yīng)力狀態(tài)，峰值強(qiáng)度很低。峰值強(qiáng)度后迅速降低至零。根據(jù)巖土力學(xué)壓正拉負(fù)的規(guī)定，此圖正負(fù)搞反了。2.結(jié)構(gòu)面的剪切變形： 結(jié)構(gòu)面的剪切變形在巖體的力學(xué)性質(zhì)中占有重要的地位，也是同結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度一起研究得最多的一個(gè)力學(xué)性質(zhì)之一。（1）非充填粗糙結(jié)構(gòu)面： 變形特征如圖3-12(b)中的曲線A，變形快速達(dá)到剪切峰值后開始衰減， 有粘滑現(xiàn)象產(chǎn)生，并最終趨于某一穩(wěn)定值；（2）平坦結(jié)構(gòu)面(含充填物)： 變形特征如圖3-12（b）中的曲線B，剪切強(qiáng)度隨剪切變形逐漸增大，最終達(dá)到某一穩(wěn)定值。粗糙結(jié)構(gòu)面平坦結(jié)構(gòu)面粘滑現(xiàn)象，高應(yīng)力條件下斷粘滑現(xiàn)象，高應(yīng)力條件下斷層地震機(jī)制。層地震機(jī)制。

9、剪切變形剛度： 與法向變形剛度一樣，首先應(yīng)建立法向剪應(yīng)力與法向變形量之間的關(guān)系，然后來求算Kt。在沒有確定的剪應(yīng)力-變形關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式時(shí)，在彈性區(qū)內(nèi)剪切變形剛度定義為：剪切方向上單位變形內(nèi)的應(yīng)力梯度，用Kt表示：ttddK（3-11）根據(jù)Goodman的研究，Kt可表示為：sttKK10（3-12）式（3-10）和式（3-12）均是通過試驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)于研究工作來說只有一定的指導(dǎo)作用。 堅(jiān)硬的結(jié)構(gòu)面：對(duì)于堅(jiān)硬的結(jié)構(gòu)面，Kt值比較穩(wěn)定。 松軟的結(jié)構(gòu)面：對(duì)于松軟的結(jié)構(gòu)面，Kt與法向應(yīng)力的大小有關(guān)，不是一個(gè)穩(wěn)定值。結(jié)構(gòu)面剛度的作用：體現(xiàn)結(jié)構(gòu)面法向和切向的應(yīng)力-變形之關(guān)系（本構(gòu)關(guān)系）；在不連續(xù)

10、巖體工程數(shù)值模擬分析中為必不可少的參數(shù)。（3）充填粗糙結(jié)構(gòu)面：a. 充填物厚度低于結(jié)構(gòu)面主力突臺(tái)時(shí)：類似無充填粗糙結(jié)構(gòu)面，如圖3-12（b）中的A類曲線的情形；b. 充填物厚度超過結(jié)構(gòu)面主力突臺(tái)時(shí)：取決于充填物的性質(zhì)（如充填層厚度、充填物顆粒大小、含水量）。3. 結(jié)構(gòu)面的抗剪切強(qiáng)度 抗剪切強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)面抵抗剪切破壞的能力，是結(jié)構(gòu)面的最主要的力學(xué)性質(zhì)之一，也是不連續(xù)巖體力學(xué)研究的重點(diǎn)方向和難點(diǎn)，這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)面的復(fù)雜性決定的。 平直無充填的結(jié)構(gòu)面：結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度為： j和Cj分別為結(jié)構(gòu)面的摩擦角和粘聚力。需要指出的是，這兩個(gè)參數(shù)是采用這種平直型巖石結(jié)構(gòu)面進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試得到的值。平直剪切面模型jjCt

11、g（3-13） 凹凸不平結(jié)構(gòu)面的力學(xué)模型： 見圖3-13所示：爬坡型：法向壓力較小時(shí)，爬坡越坡。出現(xiàn)法向位移，這種現(xiàn)象稱為剪脹現(xiàn)象。爬坡剪斷型：法向應(yīng)力增大，初期爬坡，后期剪斷；前期爬坡剪脹，后期剪斷時(shí)剪脹消失。直接剪斷型：法向壓力大，沒有初期爬坡，直接剪斷 突臺(tái)的根部；剪脹現(xiàn)象不明顯。剪漲試驗(yàn)研究表明，結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度可以用庫侖準(zhǔn)則表述為：注意b為巖石平坦表面的基本摩擦角，實(shí)驗(yàn)中要求采用平面型的巖石結(jié)構(gòu)面進(jìn)行測(cè)試得出其值的大小。結(jié)構(gòu)面受剪初期，產(chǎn)生爬坡剪脹現(xiàn)象，剪應(yīng)力與法向應(yīng)力近似呈線性關(guān)系。隨著剪應(yīng)力增加，變形的發(fā)展，爬坡到突臺(tái)上部時(shí)，產(chǎn)生剪斷突臺(tái)頂部的現(xiàn)象，此時(shí)爬坡角i=0，進(jìn)入剪切變形

12、階段，直至達(dá)到峰值剪切強(qiáng)度。tannbctan(+ )nbi較低的法向應(yīng)力時(shí)：較高的法向應(yīng)力時(shí)：虛線pBarton等人提出的抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式：JCS為結(jié)構(gòu)面壁巖石單軸抗壓強(qiáng)度；JRC為結(jié)構(gòu)面粗糙性系數(shù)，它可以根據(jù)試驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)公式（3-15）確定，也可以根據(jù)由Barton等人給出的結(jié)構(gòu)面粗糙性圖譜圖（3-15）確定。)log(tanbnnJCSJRC（3-14）nbpJCSJRC/log（3-15）是對(duì)應(yīng)的峰值剪切角，見教材圖3-14。p4.影響結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)的因素：尺寸效應(yīng)：隨著尺寸的加大，有下列影響：平均摩擦角減?。黄骄逯导魬?yīng)力減?。环逯导魸q角減小；破壞形式由脆性向延性破壞轉(zhuǎn)化；達(dá)到峰值

13、強(qiáng)度時(shí)的位移量增大；隨著結(jié)構(gòu)面粗糙度的減小，尺寸效應(yīng)也減小。前期變形歷史：新鮮的結(jié)構(gòu)面的抗剪切強(qiáng)度比產(chǎn)生過變形的剪切面的強(qiáng)度明顯要高，反復(fù)剪切實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一點(diǎn)。后期充填性質(zhì)：結(jié)構(gòu)面形成后的充填物是影響結(jié)構(gòu)面性質(zhì)的主要因素之一，泥化夾層（蒙脫石、伊利石、高嶺土等）影響明顯。 什么是工程巖體分類？ 通過巖體的一些簡(jiǎn)單和容易實(shí)測(cè)的指標(biāo)，把地質(zhì)條件和巖體力學(xué)性質(zhì)參數(shù)聯(lián)合起來，并借鑒已建工程設(shè)計(jì)、施工和處理等成功與失敗方面的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，對(duì)巖體質(zhì)量進(jìn)行歸類的一種方法就叫做工程巖體分類。 工程巖體分類的意義 通過分類，概括地反應(yīng)各類巖體的質(zhì)量好壞，預(yù)計(jì)可能會(huì)出現(xiàn)的巖體工程力學(xué)問題，為工程設(shè)計(jì)、支護(hù)襯砌、建筑選

14、型和施工方法等提供參考依據(jù)。 （把復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化）3.2 工程巖體分類1.簡(jiǎn)易分類法：一般憑經(jīng)驗(yàn)和觀察而定，為定性方法，分類方法見表3-4。鉆進(jìn)長(zhǎng)度的巖芯累積長(zhǎng)度）（100)(10cmptLLRQD（3-16）2. 巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD值法：由美國的Deere等人于1964年提出，是工程中常用的量化方法之一：鉆孔中10cm以上巖芯的累積長(zhǎng)度與鉆孔長(zhǎng)度的比值。分類方法見表3-5。 巖芯鉆取與RQD值的計(jì)算實(shí)例學(xué)生課堂計(jì)算：答案？3.巖體地質(zhì)力學(xué)分類法（RMR法）：由南非科學(xué)和工業(yè)研究委員會(huì)（CSIR）提出，RMR分類法包括：巖塊強(qiáng)度、RQD值、節(jié)理間距、節(jié)理?xiàng)l件及地下水五個(gè)指標(biāo)組成，見表3-6。（

15、對(duì)照表3-6具體講解）通過表3-6得到基本得分值。（由于巖體節(jié)理對(duì)巖體質(zhì)量的重要影響）后來對(duì)表3-6進(jìn)行了修正。即先根據(jù)表3-8中的節(jié)理產(chǎn)狀得到對(duì)隧道開挖的影響程度。再根據(jù)影響程度參照表3-7給出修正評(píng)分值。將表3-7中的修正評(píng)分值與表3-6的基本得分值相加，得到修正后的得分值。最后，根據(jù)修正后的得分值從表3-9中得到巖體的類級(jí)。需要指出的是：1.從順序上，表3-7應(yīng)該編排在表3-8的后面，便于教學(xué)。2.在表3-8中，是專門針對(duì)隧道工程而言的；而對(duì)于表3-7中涉及的地基和邊坡問題，本書則沒有介紹節(jié)理產(chǎn)狀的影響程度。4. 巴頓巖體質(zhì)量分類（Q法）：挪威地質(zhì)學(xué)家（N.Barton，1974）等人提出的分類方法，其分類指標(biāo)Q值為：SRFJJJJRQDQwarn5. 巖體BQ分類法（國家工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（GB50218-94）：使用時(shí)分三個(gè)步驟進(jìn)行：首先確定巖體基本指標(biāo)BQ值：根據(jù)公式（3-19）；Rcw巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度；Kv為巖體完整性系數(shù)，為巖體中縱波傳播速度與巖石中縱波傳播速度之比的平方，即：2mpvrpvKv（3-20）903250cwvBQRK（3-19） 由計(jì)算得到的BQ值，采用公式（3-21）進(jìn)行工程修正，得到BQ；K1