工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)講義第二章巖體力學(xué)56

第二章巖體體力學(xué)第一節(jié)巖石石的工程地質(zhì)質(zhì)性質(zhì)幾個(gè)概念：巖石：是由具具有一定結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)造的礦物物（含結(jié)晶和和非結(jié)晶）集集合體組成。。巖塊：是指不不含顯著結(jié)構(gòu)構(gòu)面的巖石塊塊體，是構(gòu)成成巖體的最小小巖石單元體體。巖體：由巖塊塊和結(jié)構(gòu)面組組成。巖石與土的主主要區(qū)別：1.巖石礦物顆粒粒間具有更為為牢固的連接接；2.巖體存在結(jié)構(gòu)構(gòu)面；3.巖體具有高地地應(yīng)力。巖石的物理性性質(zhì)巖石的密度：：顆粒密度塊體密度：干干密度、天然然密度和飽和和密度?？障缎裕簬r石石孔隙性和裂裂隙性的統(tǒng)稱稱，用空隙率率表示?？偪障堵省⒖偪傞_(kāi)空隙率、、大開(kāi)空隙率率、小開(kāi)空隙隙率和閉空隙隙率。巖石的吸水性性：巖石在一一定試驗(yàn)條件件下吸收水分分的能力。巖石的吸水率率：指巖石試試件在一個(gè)大大氣壓和室溫溫條件下自由由吸入水的質(zhì)質(zhì)量與試件干干質(zhì)量之比。。巖石的飽和吸吸水率：是指指巖石試件在在高壓（一般般為15MPa）或真空條件件下吸入水的的質(zhì)量與巖樣樣干質(zhì)量之比比。飽水系數(shù)：吸吸水率與飽和和吸水率之比比。反映巖石石中大、小空空隙的相對(duì)比比例關(guān)系。巖石的軟化性性：巖石浸水水后強(qiáng)度降低低的性質(zhì)。巖巖石的軟化性性取決于它的的礦物組成及及空隙性。軟化系數(shù)為飽飽和抗壓強(qiáng)度度與干燥抗壓壓強(qiáng)度之比。。當(dāng)軟化系數(shù)數(shù)大于0.75時(shí)，軟化性弱弱，同時(shí)也說(shuō)說(shuō)明巖石的抗抗凍性和抗風(fēng)風(fēng)化能力強(qiáng)；；反之亦反。。巖石的抗凍性性：巖石抵抗抗凍融破壞的的性質(zhì)。巖石的抗凍性性常用抗凍系系數(shù)和質(zhì)量損損失率兩個(gè)指指標(biāo)表示?？箖鱿禂?shù)是指指巖石凍融實(shí)實(shí)驗(yàn)后干抗壓壓強(qiáng)度與凍融融前抗壓強(qiáng)度度之比，以百百分?jǐn)?shù)表示。。質(zhì)量損失率是是指凍融前后后巖樣干質(zhì)量量之差與凍融融前干質(zhì)量之之比，以百分分?jǐn)?shù)表示。當(dāng)抗凍凍系數(shù)數(shù)大于于75%，質(zhì)量量損失失率小小于2%時(shí)，認(rèn)認(rèn)為巖巖石抗抗凍性性好；；吸水水率小小于5%，軟化化系數(shù)數(shù)大于于0.75以及飽飽水系系數(shù)小小于0.8的巖石石，具具有足足夠的的抗凍凍能力力。巖石的的透水水性：：巖石石能被被水透透過(guò)的的性質(zhì)質(zhì)，用用滲透透系數(shù)數(shù)表示示。它它的大大小取取決于于空隙隙的數(shù)數(shù)量、、大小小、方方向和和連通通情況況。巖石的的力學(xué)學(xué)性質(zhì)質(zhì)巖石在在外力力作用用下所所變現(xiàn)現(xiàn)出來(lái)來(lái)的性性質(zhì)，，這里里主要要研究究變形形、破破壞及及其強(qiáng)強(qiáng)度。。單軸受受壓下下巖石石的變變形與與強(qiáng)度度巖石單單軸受受壓應(yīng)應(yīng)力應(yīng)應(yīng)變曲曲線Ⅰ孔隙裂裂隙壓壓密階階段；；Ⅲ微破裂裂穩(wěn)定定發(fā)展展階段段；Ⅴ破壞后后階段段Ⅱ彈性變變形；；Ⅳ非穩(wěn)定定破裂裂發(fā)展展階段段；根據(jù)美美國(guó)學(xué)學(xué)者米米勒（（1965）對(duì)28種巖石石的試試驗(yàn)成成果，，可以以將巖巖塊峰峰值前前應(yīng)力力-軸向應(yīng)應(yīng)變曲曲線分分為6類。玄武巖巖鹽巖片巖片麻巖巖花崗巖巖灰?guī)r巖石的的變形形參數(shù)數(shù)變形模模量：：指巖巖石在在單向向受壓壓時(shí)，，軸向向壓力力與軸軸向應(yīng)應(yīng)變之之比，，當(dāng)巖巖石變變形為為彈性性變形形時(shí)，，應(yīng)力力應(yīng)變變曲線線為一一直線線，該該模量量為彈彈性模模量，，數(shù)值值等于于直線線斜率率。初始模模量切線模模量割線模模量泊松比比：巖巖石單單向受受壓時(shí)時(shí)，橫橫向應(yīng)應(yīng)變與與軸向向應(yīng)變變之比比。在在實(shí)際際工作作中常常采用用抗壓壓強(qiáng)度度50%處的橫橫向應(yīng)應(yīng)變與與軸向向應(yīng)變變之比比計(jì)算算泊松松比。。巖石的的變形形模量量和泊泊松比比往往往具有有各向向異性性，當(dāng)當(dāng)平行行于微微結(jié)構(gòu)構(gòu)面加加載時(shí)時(shí)，變變形模模量最最大；；當(dāng)垂垂直于于微結(jié)結(jié)構(gòu)面面的變變形模模量最最小。。循環(huán)荷荷載條條件下下巖石石變形形特征征在彈性性極限限以內(nèi)內(nèi)卸荷荷在彈性性極限限以外外卸荷荷反復(fù)加加載卸卸載應(yīng)應(yīng)力應(yīng)應(yīng)變曲曲線單向受受力條條件下下的巖巖石強(qiáng)強(qiáng)度巖石的的強(qiáng)度度主要要包括括抗壓壓、抗抗拉和和剪切切強(qiáng)度度?？箟簭?qiáng)強(qiáng)度：：巖石石單向向受壓壓時(shí)，，能夠夠承受受的最最大壓壓應(yīng)力力，稱稱為單單軸抗抗壓強(qiáng)強(qiáng)度，，簡(jiǎn)稱稱抗壓壓強(qiáng)度度。影響巖巖石抗抗壓強(qiáng)強(qiáng)度的的因素素：1.巖石本本身的的因素素，如如礦物物組成成、結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)造、、風(fēng)化化程度度及含含水狀狀態(tài)等等；2.試驗(yàn)條條件，，如試試件形形狀、、大小小、高高徑比比及加加工精精度、、加荷荷速率率等。?？估瓘?qiáng)強(qiáng)度：：巖石石試件件單向向受拉拉時(shí)，，能承承受的的最大大拉應(yīng)應(yīng)力，，稱為為巖石石的抗抗拉強(qiáng)強(qiáng)度。。影響巖巖石抗抗拉強(qiáng)強(qiáng)度的的因素素與抗抗壓強(qiáng)強(qiáng)度影影響因因素相相同，，但其其控制制作用用的因因素是是巖石石的結(jié)結(jié)構(gòu)，，特別別是空空隙性性的影影響尤尤為嚴(yán)嚴(yán)重。。巖石的的抗拉拉強(qiáng)度度遠(yuǎn)小小于其其抗壓壓強(qiáng)度度。巖石的的剪切切強(qiáng)度度：受受剪力力作用用時(shí)抵抵抗剪剪切破破壞的的最大大剪應(yīng)應(yīng)力，，稱為為剪切切強(qiáng)度度?？辜魯鄶鄰?qiáng)度度：指指在一一定的的法向向應(yīng)力力作用用下，，沿預(yù)預(yù)定剪剪切面面剪斷斷時(shí)的的最大大剪應(yīng)應(yīng)力。。它反反映了了巖石石的內(nèi)內(nèi)聚力力和內(nèi)內(nèi)摩擦擦阻力力?？辜魪?qiáng)強(qiáng)度：：指在在一定定的法法向應(yīng)應(yīng)力作作用下下，沿沿已有有破裂裂面再再次剪剪壞時(shí)時(shí)的最最大剪剪應(yīng)力力。它它反映映了巖巖石中中微結(jié)結(jié)構(gòu)面面（裂裂隙、、層理理等））或人人工破破裂面面上的的摩擦擦阻力力?？骨星袕?qiáng)強(qiáng)度度：：指指法法向向應(yīng)應(yīng)力力為為零零時(shí)時(shí)，，沿沿預(yù)預(yù)定定剪剪切切面面剪剪斷斷時(shí)時(shí)的的最最大大剪剪應(yīng)應(yīng)力力。。它它反反映映了了巖巖石石的的內(nèi)內(nèi)聚聚力力。。三向向應(yīng)應(yīng)力力下下巖巖石石的的變變形形與與強(qiáng)強(qiáng)度度三軸軸應(yīng)應(yīng)力力下下巖巖石石的的變變形形與與強(qiáng)強(qiáng)度度測(cè)測(cè)試試：：真三三軸軸或或不假三三軸軸：：>=>0三軸軸壓壓縮縮試試驗(yàn)驗(yàn)可可以以得得出出：：（（1）不不同同圍圍壓壓下下三三軸軸壓壓縮縮強(qiáng)強(qiáng)度度；；（（2）強(qiáng)強(qiáng)度度包包絡(luò)絡(luò)線線及及剪剪切切強(qiáng)強(qiáng)度度參參數(shù)數(shù)；；（（3）壓壓力力差差（（））-軸向向應(yīng)應(yīng)變變曲曲線線和和變變形形模模量量。。根根據(jù)據(jù)這這些些成成果果可可以以分分析析巖巖塊塊在在三三軸軸壓壓縮縮條條件件下下的的變變形形與與強(qiáng)強(qiáng)度度性性質(zhì)質(zhì)。。三軸軸壓壓縮縮強(qiáng)強(qiáng)度度：：試試件件在在三三向向壓壓力力下下能能抵抵抗抗的的最最大大軸軸向向應(yīng)應(yīng)力力，，稱稱為為巖巖塊塊的的三三軸軸壓壓縮縮強(qiáng)強(qiáng)度度。。通通過(guò)過(guò)三三軸軸壓壓縮縮試試驗(yàn)驗(yàn)可可以以得得到到相相應(yīng)應(yīng)圍圍壓壓的的三三軸軸壓壓縮縮強(qiáng)強(qiáng)度度、、剪剪切切強(qiáng)強(qiáng)度度參參數(shù)數(shù)、、單單軸軸抗抗拉拉強(qiáng)強(qiáng)度度。。圍壓壓對(duì)對(duì)巖巖塊塊變變形形破破壞壞的的影影響響：：巖石石破破壞壞前前的的應(yīng)應(yīng)變變隨隨圍圍壓壓增增大大而而增增加加；；巖石石逐逐漸漸由由脆脆性性轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)為為延延性性；；對(duì)變變形形模模量量的的影影響響；；總總體體說(shuō)說(shuō)來(lái)來(lái)，，變變形形模模量量和和泊泊松松比比隨隨著著圍圍壓壓增增大大都都有有一一定定程程度度的的增增加加。。圍壓壓對(duì)對(duì)巖巖石石強(qiáng)強(qiáng)度度的的影影響響巖石石的的三三軸軸壓壓縮縮強(qiáng)強(qiáng)度度均均隨隨圍圍壓壓的的增增加加而而增增大大，，但但是是的的增增加加速速率率小小于于的的增增加加速速率率，，即即兩兩者者呈呈非非線線性性關(guān)關(guān)系系。。當(dāng)圍圍壓壓為為零零或或者者很很低低時(shí)時(shí)，，應(yīng)應(yīng)力力達(dá)達(dá)到到峰峰值值后后曲曲線線迅迅速速下下降降至至接接近近零零，，巖巖塊塊殘殘余余強(qiáng)強(qiáng)度度很很低低，，隨隨著著圍圍壓壓增增大大，，其其殘殘余余強(qiáng)強(qiáng)度度也也逐逐漸漸增增大大，，直直到到產(chǎn)產(chǎn)生生應(yīng)應(yīng)變變硬硬化化。。巖石石的的蠕蠕變變特特性性巖石石的的蠕蠕變變：：巖巖石石在在大大小小和和方方向向不不變變的的外外力力作作用用下下，，變變形形量量隨隨時(shí)時(shí)間間延延續(xù)續(xù)而而不不斷斷增增長(zhǎng)長(zhǎng)的的現(xiàn)現(xiàn)象象。。巖石石的的典典型型蠕蠕變變曲曲線線頁(yè)巖巖、、砂砂巖巖和和花花崗崗巖巖在在10MPa壓力力下下蠕蠕變變曲曲線線第二二節(jié)節(jié)巖巖體體的的工工程程地地質(zhì)質(zhì)性性質(zhì)質(zhì)及及巖巖體體工工程程分分類類巖體體包包括括結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)面面和和結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)體體兩兩個(gè)個(gè)部部分分。。結(jié)構(gòu)構(gòu)面面的的類類型型：：原原生生結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)面面、、構(gòu)構(gòu)造造結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)面面和和次次生生結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)面面。。不不同同的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)面面成成因因不不同同，，工工程程地地質(zhì)質(zhì)特特性性也也不不相相同同。。結(jié)構(gòu)構(gòu)面面特特征征及及其其對(duì)對(duì)巖巖體體力力學(xué)學(xué)性性質(zhì)質(zhì)的的影影響響：：結(jié)構(gòu)構(gòu)面面產(chǎn)產(chǎn)狀狀；；結(jié)構(gòu)構(gòu)面面連連續(xù)續(xù)性性；；結(jié)構(gòu)構(gòu)面面密密度度；；結(jié)構(gòu)構(gòu)面面形形態(tài)態(tài)；；結(jié)構(gòu)構(gòu)面面張張開(kāi)開(kāi)度度；；結(jié)構(gòu)構(gòu)面面沖沖填填膠膠結(jié)結(jié)程程度度；；結(jié)構(gòu)構(gòu)面面的的規(guī)規(guī)模模及及分分級(jí)級(jí)；；結(jié)構(gòu)面分分級(jí)及特特征按結(jié)構(gòu)面面的延伸伸長(zhǎng)度、、切割深深度、破破碎帶寬寬度及其其力學(xué)效效應(yīng)，將將其分為5級(jí)：I級(jí)：指大大斷層或或區(qū)域性性斷層，，一般延延伸約數(shù)數(shù)公里至至數(shù)十公公里以上上，破碎帶寬寬度約數(shù)數(shù)米至數(shù)數(shù)百米以以上。如如郯廬大大斷裂。。П級(jí)：指延延伸長(zhǎng)而而寬度不不大的區(qū)區(qū)域性地地質(zhì)界面面，如較較大的斷斷層、層層間錯(cuò)動(dòng)、、不整合合面及原原生軟弱弱夾層等等。長(zhǎng)度度一般數(shù)數(shù)百米至至數(shù)千米米，破碎帶寬寬度數(shù)十十厘米至至數(shù)米。。如西南南區(qū)煤系系地層。。Ш級(jí)：指長(zhǎng)長(zhǎng)度數(shù)十十米至數(shù)數(shù)百米的的斷層、、區(qū)域性性節(jié)理、、延伸較較好的層層面及層間間錯(cuò)動(dòng)等等。寬度度一般數(shù)數(shù)厘米至至1米。如房房山巖體體區(qū)域性性節(jié)理。。Ⅳ級(jí)：指延延展性較較差的節(jié)節(jié)理、層層面、次次生裂隙隙、小斷斷層及較較發(fā)育的的片理、劈劈理面等等。一般般長(zhǎng)度為為數(shù)十厘厘米至20-30米，寬度度數(shù)厘米米至十幾厘米米。如卸卸荷裂隙隙。Ⅴ級(jí)：微結(jié)結(jié)構(gòu)面。。指隱節(jié)節(jié)理、微微層面、、微裂隙隙及不發(fā)發(fā)育的片片理、劈理等。。結(jié)構(gòu)體：：被結(jié)構(gòu)構(gòu)面切割割成的巖巖石塊體體。結(jié)構(gòu)體分分級(jí)，可可以分為為4級(jí)，不同同級(jí)別的的結(jié)構(gòu)面面所切割割圍限的的巖石塊塊體（結(jié)結(jié)構(gòu)體））的規(guī)模模是不同同的。結(jié)結(jié)構(gòu)體一一般分為為4級(jí)。Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面面切割的的Ⅳ結(jié)構(gòu)體稱稱為巖塊塊，其內(nèi)內(nèi)部還有有微裂隙隙、隱節(jié)節(jié)理等Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)面。巖體結(jié)構(gòu)：巖巖體中結(jié)構(gòu)面面和結(jié)構(gòu)體的的成因、特征征、及其排列列組合關(guān)系。。巖體結(jié)構(gòu)類型型巖體結(jié)構(gòu)控制制論巖體的應(yīng)力傳傳播、變形破破壞以及巖體體力學(xué)介質(zhì)屬屬性無(wú)不受控控于巖體結(jié)構(gòu)構(gòu)。巖體結(jié)構(gòu)構(gòu)對(duì)工程巖體體的控制作用用主要表現(xiàn)在在三方面：應(yīng)力傳播特征征巖體的變形與與破壞特征工程巖體的穩(wěn)穩(wěn)定性不同結(jié)構(gòu)巖體體的變形破壞壞方式結(jié)構(gòu)面的變形形與強(qiáng)度性質(zhì)質(zhì)結(jié)構(gòu)面的法向向變形特征法向剛度：法法向應(yīng)力作用用下，結(jié)構(gòu)面面產(chǎn)生單位法法向變形所需需要的應(yīng)力，，數(shù)值上等于于某一點(diǎn)的切線線斜率。切向變形特征征：結(jié)構(gòu)面切向剛剛度結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度度，這里重點(diǎn)點(diǎn)研究其抗剪剪強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)面的抗剪剪強(qiáng)度主要受受結(jié)構(gòu)面的形形態(tài)、連續(xù)性性、膠結(jié)填充充特征、壁巖巖性質(zhì)、次生生變化和受力力歷史等因素素的影響。根據(jù)結(jié)構(gòu)面的的形態(tài)、填充充情況及連續(xù)續(xù)性特征，將將其劃分為：：平直無(wú)填充充的結(jié)構(gòu)面、、粗糙起伏無(wú)無(wú)填充的結(jié)構(gòu)構(gòu)面、非貫通通連續(xù)的結(jié)構(gòu)構(gòu)面和具有填填充物的軟弱弱結(jié)構(gòu)面。平直無(wú)填充的的結(jié)構(gòu)面：特特點(diǎn)是面平直直、光滑，只只有微弱的風(fēng)風(fēng)化。粗糙起伏無(wú)填填充的結(jié)構(gòu)面面：具有明顯顯的粗糙度，，是影響結(jié)構(gòu)構(gòu)面剪切強(qiáng)度度的一個(gè)重要要因素。當(dāng)法向應(yīng)力較較低：當(dāng)法向應(yīng)力足足夠大時(shí)：規(guī)則鋸齒形結(jié)結(jié)構(gòu)面不規(guī)則起伏結(jié)結(jié)構(gòu)面JRC-結(jié)構(gòu)面的粗糙糙度系數(shù)；JCS-結(jié)構(gòu)面的壁巖巖強(qiáng)度；-結(jié)構(gòu)面的基本本摩擦角，等等于結(jié)構(gòu)面壁巖平直表面面的摩擦角非連續(xù)貫通的的結(jié)構(gòu)面裂隙面的粘聚聚力和摩擦角角；巖石粘聚力和和摩擦角；結(jié)構(gòu)面的線連連續(xù)性系數(shù)。。具有填充物的的軟弱結(jié)構(gòu)面面曲線Ⅰ為粘粒含量較較高的泥化夾夾層的剪切曲曲線，而曲線線Ⅱ-Ⅴ的粗碎屑成分分逐漸增加。。巖體的變形研究巖體變形形的意義：1.防止巖體各部部分形變差過(guò)過(guò)大而在建筑筑物結(jié)構(gòu)中產(chǎn)產(chǎn)生附加應(yīng)力力；2.巖體形變量過(guò)過(guò)大導(dǎo)致建筑筑物形變量過(guò)過(guò)大。巖體的形變是是巖塊材料變變形和結(jié)構(gòu)變變形的總和，，而結(jié)構(gòu)變形形通常包括結(jié)結(jié)構(gòu)面閉合、、填充物壓密密、結(jié)構(gòu)體轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)和滑動(dòng)等等變形，一般般情況下，巖巖體的結(jié)構(gòu)變變形起著控制制作用。巖體變形參數(shù)數(shù)的測(cè)定方法法：一般采用原位位測(cè)試：承壓壓板法、鉆孔孔變形法、狹狹縫法、聲波波法和地震波波法。節(jié)理化巖體變變形參數(shù)的估估算：比尼衛(wèi)斯基：：Serafim和Pereira：RMR≤55RMR>55巖體的強(qiáng)度性性質(zhì)巖體的剪切強(qiáng)強(qiáng)度原位巖體剪切切試驗(yàn)巖體的壓縮強(qiáng)強(qiáng)度估算：利用單結(jié)構(gòu)面面理論估算巖巖體強(qiáng)度：Hoek和Brown根據(jù)巖體性質(zhì)質(zhì)的理論與實(shí)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，依依據(jù)試驗(yàn)資料料導(dǎo)出了裂隙隙巖體的強(qiáng)度度方程。第三節(jié)巖體體的工程分類類巖體的工程分分類是工程地地質(zhì)學(xué)中一個(gè)個(gè)重要的研究究課題。它是是通過(guò)巖體一一些簡(jiǎn)單和易易實(shí)測(cè)的指標(biāo)標(biāo)，把工程地地質(zhì)條件與巖巖體力學(xué)性質(zhì)質(zhì)聯(lián)系起來(lái)進(jìn)進(jìn)行歸類。并并對(duì)各類巖體體質(zhì)量、工程程建筑條件予予以定性或定定量的評(píng)價(jià)，，給人們質(zhì)量量好壞的改良良，為工程設(shè)設(shè)計(jì)和施工提提供地質(zhì)依據(jù)據(jù)。RQD分類RQD值：大于10cm的巖芯累計(jì)長(zhǎng)長(zhǎng)度與鉆孔進(jìn)進(jìn)尺長(zhǎng)度之比