工程巖土學(xué)第五章

一.巖體的力學(xué)性質(zhì)——巖體在力的作用下所表現(xiàn)的性質(zhì)

①變形性——

巖體承受力的作用而發(fā)生變形的性能包括：②抗破壞性——巖體抵抗力的作用而保持其自身完整性的性能概述§5.1注意：1.巖體的變形和破壞不是兩個(gè)截然分開的階段，而是一個(gè)統(tǒng)一的、連續(xù)的過(guò)程，破壞是累進(jìn)性的。2.巖體的力學(xué)性質(zhì)是由結(jié)構(gòu)體（巖石）和結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)共同決定的，二者在巖體力學(xué)性質(zhì)中各自所占的地位，與巖體的完整性有關(guān)。但當(dāng)破壞面部分沿已有裂隙，部分通過(guò)完整巖石時(shí)，并不能將巖石力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)按照它們?cè)谄茐拿嬷懈髯运嫉谋壤?jiǎn)單地進(jìn)行加權(quán)，用以表征巖體的力學(xué)性質(zhì)。參考《巖石力學(xué)》。二．本章主要內(nèi)容

1.巖石的變形性

2.巖石的抗破壞性

3.結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度

4.巖體的變形性

5.巖體的抗破壞性一．基本概念1.彈性——物體在力的作用下發(fā)生變形，而當(dāng)撤除外力后能夠恢復(fù)原狀的性質(zhì)2.塑性——物體在力的作用下發(fā)生不可逆變形的性質(zhì)。這種不可逆的變形也稱塑性變形或殘余變形、永久變形3.脆性——物體在力的作用下應(yīng)變量很小時(shí)即發(fā)生破壞的性質(zhì)（ε＜3％）4.延性——物體在力的作用下破壞前能夠發(fā)生大量應(yīng)變的性質(zhì)（ε＞5％）5.粘性——在力的作用下物體能夠抑止瞬間變形，使變形因時(shí)間效應(yīng)而滯后的性質(zhì)。注：自然界中的巖石主要表現(xiàn)出上述哪種性質(zhì)，與受力環(huán)境(尤其是溫度、圍壓)和作用力的延續(xù)時(shí)間有關(guān)。在常溫常壓下，可將巖石看作近似的彈脆性體。巖石的變形性§5.2本節(jié)主要研究巖石在各種方式和條件的力的作用下所表現(xiàn)出的變形性質(zhì)⒈巖石在單軸壓力作用下的變形⒉巖石在三軸壓力作用下的變形⒊巖石在單軸拉伸和剪切作用下的變形⒋巖石在輻射狀壓力下的變形⒌巖石的蠕變普通試驗(yàn)機(jī):

試件在峰值后，試驗(yàn)機(jī)突然釋放應(yīng)變能，試件崩解，無(wú)法得到應(yīng)力~應(yīng)變?nèi)^(guò)程;剛性試驗(yàn)機(jī)：壓力機(jī)剛度大于試件剛度，能得到應(yīng)力~應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線;

試件制備二．巖石在單軸壓力作用下的變形加載、測(cè)量系統(tǒng)分級(jí)施加單軸壓力，測(cè)量變形（一）應(yīng)力與應(yīng)變間的關(guān)系

巖石的變形性，只有通過(guò)在應(yīng)力作用下的變形過(guò)程才能表現(xiàn)出來(lái)。因此必須研究應(yīng)力與應(yīng)變（軸應(yīng)變?chǔ)臿、周應(yīng)變?chǔ)與、體應(yīng)變?chǔ)舦

）之間的關(guān)系（圖5－1），應(yīng)用最廣的是σ－εa曲線。

巖石的全應(yīng)力－應(yīng)變曲線通過(guò)在壓力機(jī)上對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣分級(jí)施加單軸壓力，測(cè)量各級(jí)應(yīng)力下變形停止后的累計(jì)應(yīng)變量。以應(yīng)力σ為縱坐標(biāo)、應(yīng)變?chǔ)臿為橫坐標(biāo)，繪制σ－εa關(guān)系曲線

要求：繪制應(yīng)力－應(yīng)變曲線，掌握曲線上四個(gè)階段的劃分，各階段的變形特征及曲線特征，比例極限、峰值應(yīng)力的概念。巖石典型的全應(yīng)力－應(yīng)變曲線εaσCBAO并非所有巖石都有以上明顯的變形階段巖石中原來(lái)存在的微裂隙閉合或被進(jìn)一步壓緊。此線段呈曲線型式，斜率隨應(yīng)力增大而逐漸增加，說(shuō)明微裂隙的變化開始很快，隨壓力增加而減緩。這個(gè)階段中的變形，以塑性變形為主，也包含少量的彈性變形。εaσCBAO①微裂隙閉合階段（OA段）—又叫“壓密階段”

巖石中的微裂隙進(jìn)一步閉合，孔隙被壓縮，晶體受壓而發(fā)生彈性變形。沒有或者基本上還沒有新裂隙產(chǎn)生，已有裂隙也還沒有或基本上沒有新的發(fā)展。應(yīng)力與應(yīng)變大致成正比關(guān)系，線段呈準(zhǔn)直線型式。變形以彈性為主。B點(diǎn)相應(yīng)的應(yīng)力稱為比例極限（彈性極限）。εaσCBAO②直線變形階段（AB段）—又叫“彈性變形階段”

σ超過(guò)比例極限以后，巖石中產(chǎn)生了新的裂隙，已有裂隙也得到發(fā)展，應(yīng)變的增加速率超過(guò)應(yīng)力的增加速率，呈曲線形式且斜率逐漸降低。體積變形由壓縮逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)脹。裂隙進(jìn)一步地發(fā)展，巖石中形成了貫通的破壞面，巖石被破壞（圖中C點(diǎn)），應(yīng)力達(dá)到了最大值。在這一階段中，變形主要是塑性的。C點(diǎn)相應(yīng)的應(yīng)力，稱為峰值應(yīng)力，單軸應(yīng)力狀況下即巖石的單軸抗壓強(qiáng)度。εaσCBAO③裂隙發(fā)展和破壞階段（BC段）巖石在單軸壓力作用下的破壞在一般非剛性試驗(yàn)機(jī)上，由于試件破壞時(shí)試驗(yàn)機(jī)的變形能突然釋放，無(wú)法測(cè)出試件破壞以后的應(yīng)力和變形，因此，繪制曲線的這一區(qū)段必須采用剛性試驗(yàn)機(jī)。巖石破壞以后，應(yīng)力和應(yīng)變都會(huì)發(fā)生急劇變化，曲線的形狀多種多樣（圖5-3,圖5-4，破壞后階段的曲線可歸納為3種類型——軟弱巖石、堅(jiān)硬巖石、高塑性巖石）。εaσCBAO④破壞后階段（C點(diǎn)以后階段）巖石的應(yīng)力—應(yīng)變曲線的形狀決定于巖石的礦物成分和結(jié)構(gòu)特征，因而不同巖石，甚至相同巖石的不同試件，其應(yīng)力—應(yīng)變曲線的形狀都會(huì)有不同程度的差異。美國(guó)學(xué)者米勒研究了對(duì)28種巖石的試驗(yàn)結(jié)果，將單軸壓力下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線分為六種類型（圖5—5）。

類型a：彈性的玄武巖，石英巖等類型b：彈—塑性的粉砂巖，石灰?guī)r等類型c：塑—彈性的類型d和e：塑—彈—塑性的類型f：彈—塑—蠕變性的鹽巖巖石在單軸壓力下應(yīng)力-應(yīng)變曲線的幾種類型直線型下凹型上凹型S型彈性塑—彈性塑—彈—塑性彈—塑性彈—塑—蠕變性（二）表征巖石變形性的基本指標(biāo)由于在工程建筑實(shí)踐中建筑物所能作用于巖石的壓應(yīng)力水平往往都比較低，可以在一定程度上將其作為準(zhǔn)彈性體來(lái)看待，所以用彈性參數(shù)表征其變形性是有一定意義的。彈性理論指出，彈性體的變形性能可以用彈性模量E和泊松比μ這兩個(gè)基本指標(biāo)來(lái)表示。對(duì)于均質(zhì)，各向同性、理想彈性體來(lái)說(shuō)，表征其彈性變形性質(zhì)的這兩個(gè)基本指標(biāo)是定值，但巖石的變形性能因受力條件（力的性質(zhì)、應(yīng)力水平、圍壓大小、應(yīng)力增加速率、應(yīng)力持續(xù)時(shí)間、應(yīng)力的增減歷程）的不同而有很大的變化。

（第六章）彈性模量E＝σ/εa

應(yīng)力-應(yīng)變呈直線關(guān)系（P97圖5-6）初始彈性模量Ei切線彈性模量Et割線彈性模量Es，常用E

50

巖石的各種模量的確定EiEtE

50

泊松比—巖石在單軸力（單軸壓力、單軸拉力）的作用下，側(cè)應(yīng)變與軸應(yīng)變之比，適用于彈性變形階段

μ＝εl/εa

主要類型巖石的彈性模量和泊松比

（P98表5-1）（三）巖石在重復(fù)加荷、卸荷條件下的變形性能1.

巖石發(fā)生的總變形分為彈性變形和塑性變形（P97圖5-7），對(duì)應(yīng)的模量分別稱為變形模量E

0

彈性模量E

e

塑性模量E

p

變形模量：E0=σ/（εp+εe）彈性模量：Ee=σ/εe塑性模量：Ep=σ/εp

變形模量E0

、彈性模量Ee和塑性模量Ep

三者之間的關(guān)系如下：1E0＝1Ee＋1Ep2.

重復(fù)荷載條件——加荷，卸荷次數(shù)愈多，塑性應(yīng)變的增量逐漸減小，巖石愈接近于彈性體（P99圖5-8）；3.

循環(huán)荷載條件——連接各個(gè)卸荷起點(diǎn)所成曲線的形狀與連續(xù)加荷情況下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線的形狀基本一致，這說(shuō)明受荷歷程并未改變巖石變形性的基本特點(diǎn)（P99圖5-9）循環(huán)荷載條件下巖石的應(yīng)力—應(yīng)變曲線三．巖石在三軸壓力作用下的變形a.

研究的必要性——三軸壓力狀態(tài)的普遍性—作為建筑物地基或建筑環(huán)境的巖體，多處于三維應(yīng)力狀態(tài)（三個(gè)主應(yīng)力σ1、σ2

、σ3互相垂直）

b.

三軸壓力狀態(tài)的分類（按照主應(yīng)力的組合情況）等圍壓三軸狀態(tài)（常規(guī)三軸狀態(tài)）σ1＞σ2＝σ3不等圍壓三軸狀態(tài)（真三軸狀態(tài)）

σ1＞σ2＞

σ3等壓三軸狀態(tài)（靜水壓力狀態(tài)）

σ1＝σ2＝σ3三軸試驗(yàn)裝置1.

等圍壓三軸狀態(tài)（常規(guī)三軸狀態(tài)）

（σ1＞σ2＝σ3）

巖石在三軸壓力下的變形特征也是利用應(yīng)力—應(yīng)變曲線來(lái)研究。最常用的是應(yīng)力差（σ1－σ3）與軸應(yīng)變?chǔ)臿（沿σ1方向的應(yīng)變）關(guān)系曲線εaσ1－σ3OCBA三軸應(yīng)力作用下巖石的典型應(yīng)力－應(yīng)變曲線（據(jù)茂木清夫，1978）OA段——彈性變形階段，彈性模量主要表征這一階段的性質(zhì)。A點(diǎn)相應(yīng)的應(yīng)力稱為比例極限。對(duì)于巖石來(lái)說(shuō)，此值與屈服極限值極相近。εaσ1－σ3OCBA屈服強(qiáng)度—材料由彈性進(jìn)入到塑性區(qū)時(shí)應(yīng)力AB段——塑性變形階段，在此階段內(nèi)微裂隙不斷發(fā)展，直至B點(diǎn)，巖石破壞。B點(diǎn)的應(yīng)力為破裂應(yīng)力(fracturestress)或巖石的峰值強(qiáng)度。εaσ1－σ3OCBABC段——應(yīng)力下降階段，B，C兩點(diǎn)間的應(yīng)力差稱應(yīng)力降(stressdrop)。εaσ1－σ3OCBAC點(diǎn)以后階段——摩擦階段，巖石已經(jīng)破裂，對(duì)于作用力全靠破裂面上的摩擦力維持，即巖石的殘余強(qiáng)度。εaσ1－σ3OCBA恒定圍壓下巖樣破壞后，軸向應(yīng)力不隨壓縮變

形增大而變化，一般稱為殘余強(qiáng)度。各個(gè)巖樣的殘

余強(qiáng)度與圍壓大致成線性關(guān)系。等圍壓條件（σ2＝σ3）下，圍壓的高低對(duì)巖石變形性能的影響

總體規(guī)律——隨圍壓的提高，破壞前的總應(yīng)變量增大；塑性應(yīng)變?cè)诳倯?yīng)變量中所占的比率增加。（據(jù)茂木清夫）a.強(qiáng)度較高的巖石（如輝長(zhǎng)巖，白云巖，蘇長(zhǎng)巖等），彈性模量基本為常數(shù)，不隨圍壓變化而改變；但彈性模量與圍壓的關(guān)系隨巖石性質(zhì)（強(qiáng)度）不同而不同。b.強(qiáng)度較低的弱巖（如砂巖等），彈性模量隨圍壓的提高而增大。砂巖應(yīng)力差－軸應(yīng)變曲線輝長(zhǎng)巖應(yīng)力差－軸應(yīng)變曲線2.不等圍壓三軸狀態(tài)（真三軸狀態(tài)）（σ1＞σ2＞σ3）巖石在真三軸狀態(tài)下的變形特征資料較少，而且對(duì)一些互相矛盾的現(xiàn)象還沒有得到統(tǒng)一的解釋靜水壓力狀態(tài)可看作常規(guī)三軸狀態(tài)的一種特殊情況。巖石在各向相等的壓力作用下發(fā)生體積壓縮變形，一般采用體積模量表征巖石在靜水壓力下體積變形的特性。3.等壓三軸狀態(tài)（靜水壓力狀態(tài)）

E3（1-2μ）K

＝線性壓縮系數(shù)、體積壓縮系數(shù)的概念體積模量K——靜水壓應(yīng)力與體積應(yīng)變之比?？捎肊和μ計(jì)算：（σ1=σ2=σ3）四．巖石在單軸拉伸和剪切作用下的變形

在單軸拉伸作用下巖石的變形，一般也是用應(yīng)力—應(yīng)變曲線以及彈性模量和泊松比來(lái)表征。

（一）巖石在單軸拉伸作用下的變形由于巖石一般都具有較高的脆性，承受拉伸作用的能力很低，同在單軸壓縮條件下相比，在應(yīng)力水平較低、總應(yīng)變量較小的情況下即發(fā)生破壞（圖5—16）。大多數(shù)巖石在單軸拉伸下的變形性能與在單軸壓縮下很相似。曲線的起始段都近似直線，初始模量非常接近（圖5—16、表5—3）。隨拉應(yīng)力的增加，模量值連續(xù)減??；

在拉伸條件下的泊松比隨應(yīng)力水平的提高而減小。

巖石在剪力作用下發(fā)生剪切變形（

P104圖5—19），表征巖石剪切變形性能的指標(biāo)為剪應(yīng)力τ與剪應(yīng)變?chǔ)弥龋Q為剪切彈性模量G（或剛性模量）（二）巖石在剪切作用下的變形τγG＝E＝2（1+μ）五．巖石在輻射狀壓力下的變形（有壓隧洞）導(dǎo)流洞拉西瓦水電站導(dǎo)流洞出口輻射狀壓力P內(nèi)＝P襯砌＋p總內(nèi)水壓力＝襯砌承擔(dān)的內(nèi)水壓力＋圍巖彈性抗力p——

巖石承受和反抗輻射狀內(nèi)水壓力的反作用力，稱為彈性抗力y（徑向變形量）P內(nèi)噴混凝土支護(hù)鋼模板現(xiàn)澆混凝土支護(hù)地下洞室的鋼結(jié)構(gòu)襯砌

p

＝

k

y（式5－6）式中：k—彈性抗力系數(shù)（MPa／cm）y彈性抗力系數(shù)——巖石在輻射狀內(nèi)水壓力作用下的徑向變形量（y）與其所承受的內(nèi)水壓力（p）的大小成正比關(guān)系：

彈性抗力系數(shù)k是反映巖石彈性抗力高低的一個(gè)指標(biāo)。根據(jù)彈性理論，彈性抗力系數(shù)與彈性模量和泊松比之間有如下關(guān)系：E（1+μ）rk

＝r－隧洞的半徑(cm)

從上式可以看出，彈性抗力系數(shù)隨隧洞半徑而變化，并不單純表征巖石在輻射狀壓力下的變形性y單位彈性抗力系數(shù)k0——為了使彈性抗力系數(shù)單純表征巖石的性質(zhì)，成為一個(gè)巖石性質(zhì)指標(biāo)，在實(shí)踐中常采用r為100cm的彈性抗力系數(shù)，稱為單位彈性抗力系數(shù)，即：E（1+μ）×100k0

＝

單位彈性抗力系數(shù)是襯砌設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)之一：如果巖石的彈性抗力高，對(duì)隧道襯砌強(qiáng)度的要求則可低些，從而隧道的造價(jià)便可降低。

單位彈性抗力系數(shù)的確定方法——公式計(jì)算法、工程地質(zhì)類比法和原位測(cè)試法（如雙筒橡皮囊法、隧道水壓法、徑向千斤頂法）。六．巖石的蠕變

1.蠕變——巖石在方向和大小都保持不變的外力作用下，變形量隨時(shí)間延續(xù)而不斷增長(zhǎng)的現(xiàn)象。

2.蠕變曲線——巖石的蠕變特征，一般用蠕變曲線，如應(yīng)變（ε、γ）—時(shí)間（t）曲線表示。

3.巖石的蠕變性主要決定于巖石的礦物成分和結(jié)構(gòu)。一定巖石在具體情況下的蠕變發(fā)展程度則同時(shí)與應(yīng)力水平的高低有關(guān)。圖5－22中列出了蠕變性差異頗大的三種巖石（花崗巖、砂巖、頁(yè)巖）在相同應(yīng)力水平（9.81MPa）作用下的蠕變曲線。圖5－21

巖石的典型蠕變曲線（據(jù)Jaeger，J.C.）時(shí)間t應(yīng)變?chǔ)?τ1τ3τ4DCBAOA段：瞬時(shí)變形階段AB段：減速蠕變階段BC段：穩(wěn)定蠕變階段CD段：加速蠕變階段瞬時(shí)變形階段：彈性變形瞬間完成減速蠕變階段：t；ε；dε/dt等速蠕變階段：t；ε；dε/dt=c加速蠕變階段：t；ε；dε/dt破壞巖石直接剪切流變?cè)囼?yàn)儀簡(jiǎn)介巖石直接剪切流變?cè)囼?yàn)儀，由成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和四川大學(xué)水利水電學(xué)院聯(lián)合開發(fā)研制的新型試驗(yàn)系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要用于巖石的直接剪切流變?cè)囼?yàn)，其功能可覆蓋巖石力學(xué)試驗(yàn)領(lǐng)域的多個(gè)測(cè)試項(xiàng)目。該系統(tǒng)由試驗(yàn)機(jī)A、B、C三臺(tái)主機(jī)和高壓泵站、六通道高精度液壓穩(wěn)壓器、荷載及位移測(cè)量系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成(見圖)。巖石直接剪切流變?cè)囼?yàn)儀三臺(tái)裝置同時(shí)做平行試驗(yàn)

天然狀態(tài)下直剪流變?cè)囼?yàn)飽水狀態(tài)下直剪流變?cè)囼?yàn)直剪流變?cè)囼?yàn)破壞后試樣狀態(tài)剪應(yīng)變疊加曲線

4.長(zhǎng)期強(qiáng)度——利用蠕變資料獲得：

τ∞＝σ·tgφ∞

＋C∞

為表征極限剪切長(zhǎng)期強(qiáng)度，應(yīng)用四組不同法向應(yīng)力的試件，求出不同法向應(yīng)力σ時(shí)的剪切長(zhǎng)期強(qiáng)度τ∞，做σ—τ∞曲線，可得φ∞和c∞

5.巖石蠕變特性的研究意義

在工程實(shí)踐中常常發(fā)現(xiàn)：在巖體上修建建筑物，建筑物施加于巖體的荷載雖然可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于巖體的強(qiáng)度，但由于巖體的蠕變，產(chǎn)生的大量變形仍可導(dǎo)致建筑物的破壞。

在邊坡失穩(wěn)問(wèn)題中，蠕變時(shí)常是重要的因素之一。斜坡變形破壞的地質(zhì)力學(xué)模式中有“蠕滑－拉裂”。

陡傾角柔性巖石(如板巖、千枚巖等)分布區(qū)的峽谷谷坡上，在重力的長(zhǎng)期作用下，頂部巖石彎向臨空面方向，即成所謂“點(diǎn)頭哈腰”現(xiàn)象（圖5—23）。邊坡淺部發(fā)生彎曲－拉裂變形，深部發(fā)生蠕滑－拉裂變形，可能破壞方式為崩塌或深部切層轉(zhuǎn)動(dòng)型滑坡。這種現(xiàn)象在四川雅礱江、白龍江板巖、千枚巖分布區(qū)的河谷中很常見。七．巖石變形的本質(zhì)（自學(xué)）

巖石在一定的應(yīng)力條件下發(fā)生變形（包括彈性變形和塑性變形），這都是巖石在力的作用下的宏觀表現(xiàn)。而微觀上巖石變形的本質(zhì)可以從組成巖石礦物晶體晶胞的的基本質(zhì)點(diǎn)（離子、原子或分子）之間的引力、斥力以及它們與其之間距離r的關(guān)系來(lái)闡述（圖5—24）。一．基本概念1.抗破壞性——巖石具有一定的抵抗力的作用而使其自身不被破壞的性能，稱之為抗破壞性。巖石的抗破壞能力主要決定于組成巖石的礦物顆粒及其彼此間的聯(lián)結(jié)的抗破壞能力，尤其是后者。2.巖石的極限強(qiáng)度（簡(jiǎn)稱為強(qiáng)度）——巖石所能承受的最高應(yīng)力（拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、剪應(yīng)力）巖石的抗破壞性§5.33.力的作用方式和巖石破壞的性質(zhì)力的作用方式有3種——拉力、壓力和剪力巖石破壞的性質(zhì)只有2種——拉斷和剪斷答：

巖石的破壞實(shí)質(zhì)上是由于巖石內(nèi)部的某個(gè)(些)面上相鄰質(zhì)點(diǎn)間的距離增大而超過(guò)了一定限度的結(jié)果。壓應(yīng)力只能使相鄰質(zhì)點(diǎn)的距離縮短，不可能使其增大，所以也不可能使之破壞。在這種情況下巖石之所以被破壞，是由于壓力在巖石內(nèi)部誘發(fā)出了拉應(yīng)力和剪應(yīng)力。實(shí)際導(dǎo)致產(chǎn)生破壞面的是這些拉應(yīng)力或者剪應(yīng)力。

因此，盡管從表觀上看，巖石的破壞是在壓力作用下發(fā)生的，然而巖石的破壞性質(zhì)，有時(shí)可能屬于拉斷，有時(shí)則可能屬于剪斷。為什么巖石破壞的性質(zhì)只有拉斷和剪斷兩種，而沒有“壓壞”的說(shuō)法？巖石在單軸壓力作用下的破壞巖石的破壞二．巖石的抗拉強(qiáng)度

巖石抵抗單軸拉伸破壞的最大能力，以拉斷時(shí)的極限應(yīng)力表示，稱為單軸抗拉強(qiáng)度，或簡(jiǎn)稱為抗拉強(qiáng)度。σt＝P/A

（MPa）

由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)上的原因，進(jìn)行巖石直接拉伸試驗(yàn)是比較困難的，目前多采用間接方法，其中主要的有巴西試驗(yàn)法(或稱劈裂法)、點(diǎn)荷載試驗(yàn)法等。

在工程地質(zhì)實(shí)踐中，評(píng)價(jià)陡崖巖體的穩(wěn)定性、作為石板橋建筑材料的石料等情況下，需要考慮巖石的抗拉強(qiáng)度。P110表5-7巖石的抗拉強(qiáng)度直接拉伸試驗(yàn)

劈裂法：將試件加工成圓板狀或圓柱狀，在上下各加一根鋼絲墊條，沿試樣直徑方向施加線性荷載，試件中將產(chǎn)生拉應(yīng)力分布，繼續(xù)加載至試件沿軸線劈裂。劈裂法抗拉強(qiáng)度為：σt=2P/（πDh）P—巖石破壞時(shí)的最大荷載D—試件直徑H—試件高度巴西試驗(yàn)法（劈裂法）P205巖石強(qiáng)度的點(diǎn)荷載試驗(yàn)（干樣、飽水樣）與劈裂法類似，試件內(nèi)產(chǎn)生垂直于加載方向的拉應(yīng)力三．巖石的抗剪強(qiáng)度工程實(shí)踐中巖石的主要破壞形式為剪切破壞，如滑坡均質(zhì)巖坡的剪切破壞沿軟弱面的剪切破壞

巖石抵抗剪切破壞的最大能力，以剪斷時(shí)剪切面上的極限剪應(yīng)力表示，稱為抗剪強(qiáng)度

τ＝σtgφ+C

（MPa）

上式中，表征巖石抗剪性能的基本指標(biāo)，也是內(nèi)摩擦角φ和內(nèi)聚力C

。工程意義：抗剪強(qiáng)度參數(shù)是巖土體非常重要的力學(xué)參數(shù)，在巖土體的穩(wěn)定性計(jì)算中必不可少。巖石的直接剪切試驗(yàn)

施加垂直荷載P和水平荷載T，在不同的σ下，巖石的抗剪斷強(qiáng)度不同，可得到一條τ-σ相互關(guān)系的曲線，此曲線用直線近似表示：

τ

=σtgφ+c

τ—σ關(guān)系曲線將試件放置在楔形剪切儀上，利用力的分解原理，將荷載P分解法向壓力N和切向力Q：N=P（cosa+fsina）Q=P（sina–fcosa）與直剪試驗(yàn)有相同的受力狀況。調(diào)整試件傾角可得到一系列試驗(yàn)結(jié)果，同樣可獲得τ-σ曲線巖石的楔形剪切試驗(yàn)（變角板法）P206楔形剪切τ—σ關(guān)系曲線巖石的三種剪切條件1.σ＞0，沿完整巖石剪斷（τ

稱為抗剪斷強(qiáng)度）

τ＝σtgφ+C2.σ＝0，巖石內(nèi)部?jī)H由內(nèi)聚力抵抗剪力（τc

稱為抗切強(qiáng)度）

τc＝C3.σ＞0,剪力沿巖石中已有的裂隙面施加（τf

稱為抗剪強(qiáng)度或摩擦強(qiáng)度）

τf＝σtgφ?qǐng)D5—27巖石的三種剪切條件抗剪斷試驗(yàn)抗切試驗(yàn)弱面抗剪切試驗(yàn)a.

評(píng)價(jià)由完整性較好的巖體組成的陡崖的穩(wěn)定性，采用抗切強(qiáng)度τc往往更接近于巖體在該條件下的受力特點(diǎn)；b.

評(píng)價(jià)重力壩抗滑穩(wěn)定性，確定混凝土與巖石間的摩擦系數(shù)，一般選用摩擦強(qiáng)度τf，而把內(nèi)聚力C作為安全儲(chǔ)備。工程中抗剪強(qiáng)度參數(shù)的選擇

四．巖石的抗壓強(qiáng)度

巖石抵抗壓力破壞的最大能力，以承壓面上的平均最大壓應(yīng)力表示，稱為單軸抗壓強(qiáng)度，或簡(jiǎn)稱為抗壓強(qiáng)度R＝P/A

（MPa）③裂隙發(fā)展和破壞階段（BC段）C點(diǎn)相應(yīng)的應(yīng)力，稱為峰值應(yīng)力，單軸應(yīng)力狀況下即巖石的單軸抗壓強(qiáng)度εaσCBAO

利用壓力機(jī)進(jìn)行抗壓試驗(yàn)時(shí)，在壓力作用下，通過(guò)試件中心的縱斷面上誘發(fā)出拉應(yīng)力，但試件的兩個(gè)端部由于端部效應(yīng)，限制了拉應(yīng)力的發(fā)展。因此，破壞后的試件兩端多成錐形體，具剪斷性質(zhì)，如果試件較長(zhǎng)，中部破壞面（拉斷面）與壓應(yīng)力方向近于平行，如果試件較短，則上、下兩個(gè)錐體相連，很少顯示出拉斷的跡象。（圖5—28破壞形式，圖5—29莫爾破壞圓）剪切破壞拉破壞巖石強(qiáng)度的點(diǎn)荷載試驗(yàn)（干樣、飽水樣）與劈裂法類似，試件內(nèi)產(chǎn)生垂直于加載方向的拉應(yīng)力巖石的抗拉強(qiáng)度明顯小于抗壓強(qiáng)度，這是巖石材料在強(qiáng)度方面的顯著特點(diǎn)之一。幾種巖石的強(qiáng)度（表5—7、5—8、5—10）五．巖石在三軸應(yīng)力下的抗破壞性（等圍壓三軸應(yīng)力條件）砂巖應(yīng)力差－軸應(yīng)變曲線輝長(zhǎng)巖應(yīng)力差－軸應(yīng)變曲線大理巖應(yīng)力差－軸應(yīng)變曲線（據(jù)茂木清夫）①隨圍壓σ2＝σ3的提高，巖石由破壞前總應(yīng)變量較小的脆性破壞（ε＜3％）轉(zhuǎn)變?yōu)榭倯?yīng)變量很大的延性破壞（ε＞5％）；②隨圍壓的提高，巖石抵抗破壞所能承受的極限應(yīng)力提高，或者說(shuō)巖石的強(qiáng)度（σ1-σ3）提高。巖石在等圍壓三軸應(yīng)力條件下的抗破壞性的基本特點(diǎn)

茂木清夫通過(guò)大量的研究工作，將圍壓作用下巖石的脆性—延性轉(zhuǎn)變（Brittle—Ductiletransition）劃分為兩種類型——A型和B型。A型：P115圖5-31B型：P115圖5-32脆性—延性轉(zhuǎn)變壓力——在等圍壓三軸應(yīng)力條件下,巖石可由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)檠有云茐?，發(fā)生這種轉(zhuǎn)變時(shí)的圍壓稱為脆性—延性轉(zhuǎn)變壓力。巖石的脆性—延性轉(zhuǎn)變壓力的大小，與其巖性有關(guān)。（圖5—31、圖5—32中b圖）σ3=0.294（σ1―σ3）延性破壞區(qū)脆性破壞區(qū)②①①②硅酸鹽巖石一．影響結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的因素——結(jié)構(gòu)面的特征（包括起伏情況、粗糙程度、膠結(jié)特征、充填特征、滲流特征等）1.已膠結(jié)的結(jié)構(gòu)面2.未膠結(jié)的結(jié)構(gòu)面從討論強(qiáng)度的觀點(diǎn)，可將結(jié)構(gòu)面存在的狀態(tài)分為：結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度§5.4(主要指抗剪強(qiáng)度)硅質(zhì)膠結(jié)（蛋白石、玉髓或石英）鐵質(zhì)膠結(jié)鈣質(zhì)膠結(jié)（方解石和白云石）粘土質(zhì)（泥質(zhì)）膠結(jié)膠結(jié)能力強(qiáng)膠結(jié)能力較弱，抗水能力低膠結(jié)能力逐漸降低，強(qiáng)度逐漸降低。

1.已膠結(jié)的結(jié)構(gòu)面——膠結(jié)物成分，膠結(jié)類型膠結(jié)后,有的結(jié)構(gòu)面甚至能夠承受一定的拉應(yīng)力a.已充填的——填充物的成分和厚度，特別是填充物厚度同結(jié)構(gòu)面起伏差的相對(duì)大小

b.未充填的——未被充填的結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度主要決定于結(jié)構(gòu)面兩壁的起伏形態(tài)、粗糙程度和凸起體的強(qiáng)度2.未膠結(jié)的結(jié)構(gòu)面——不能承受拉應(yīng)力（圖5—35）已充填的結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度①填充物的成分：強(qiáng)度隨粘土含量增加而降低，隨碎屑成分增加、顆粒增大，強(qiáng)度增高。②充填程度和厚度的影響：充填物質(zhì)厚度t與起伏差h的比為充填度。充填度越小，結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度越高ft/h（%

）注：

1.對(duì)于已被膠結(jié)牢固的結(jié)構(gòu)面，可作為巖石研究它的強(qiáng)度；2.對(duì)于含有足夠厚度填充物的結(jié)構(gòu)面，可作為土研究它的強(qiáng)度；3.對(duì)于未被充填的和雖被充填但填充物厚度較小的結(jié)構(gòu)面，由于它們的強(qiáng)度完全或大部分決定于結(jié)構(gòu)面兩壁巖石的特點(diǎn)，需進(jìn)行專門討論——剪切機(jī)制及其抗剪性能的測(cè)定。二．未被充填的結(jié)構(gòu)面的剪切機(jī)制

即使肉眼觀察認(rèn)為最平直光滑的結(jié)構(gòu)面，從微觀上看也存在著大大小小的凸起體。當(dāng)結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切時(shí)，兩壁上的凸起體有的可能相互滑越，有的則可能被剪斷，主要取決于凸起體的強(qiáng)度、形狀和高度以及應(yīng)力的高低。1.當(dāng)所受總力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于凸起體的總強(qiáng)度時(shí)——剪切實(shí)際上只能是“滑越”，并無(wú)新的剪斷作用發(fā)生（不常見）以一個(gè)沿剪切方向呈三角形斷面的凸起體為例，分析其剪切機(jī)制2.當(dāng)所受總力等于或超過(guò)凸起體的最大抵抗能力τ·l時(shí)——凸起體從底面被剪斷3.當(dāng)所受總力介于上述兩種情況之間時(shí)——先爬升至一定高度達(dá)到極限狀態(tài)后，凸起體被局部剪斷。三．未被充填結(jié)構(gòu)面抗剪性能的測(cè)定

常用方法：原位直剪試驗(yàn)、攜帶式直剪儀

挪威學(xué)者巴頓考慮到裂隙面的粗糙程度和組成裂隙壁的巖石的抗壓強(qiáng)度對(duì)巖體裂隙強(qiáng)度的控制作用，在對(duì)8種巖石、100余條裂隙實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，提出了計(jì)算結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的公式：

P119,式5-21

τ＝σntan［JRC·lg（JCS/σn）+φb］其中：

τ——裂隙面（結(jié)構(gòu)面）的抗剪強(qiáng)度

σn——裂隙面上的正應(yīng)力

JRC——裂隙面的粗糙系數(shù)（0～20）

JCS——組成裂隙壁的巖石的抗壓強(qiáng)度（MPa）

φb——隙壁巖石的內(nèi)摩擦角公式僅適用于正應(yīng)力較小的情況（1）抗壓試驗(yàn)（2）點(diǎn)荷載試驗(yàn)（3）根據(jù)回彈值Re與巖石干密度ρd，按公式5-22求取。JCS——組成裂隙壁的巖石的抗壓強(qiáng)度（MPa）cmJRC裂隙面的粗糙系數(shù)（0～20）用以確定JRC值的粗糙度圖譜（據(jù)Barton）一．巖體的變形性

巖體的變形性能，是利用現(xiàn)場(chǎng)的變形試驗(yàn)資料，繪制應(yīng)力—變形曲線來(lái)表征?？偟卣f(shuō)來(lái)，巖體的應(yīng)力—變形曲線與巖石的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，在基本輪廓上是相同的。巖體的變形性和抗破壞性§5.5不同強(qiáng)度、不同結(jié)構(gòu)類型的巖體，變形特性有差別，分為：巖體的變形性質(zhì)主要取決于巖體中的結(jié)構(gòu)面、結(jié)構(gòu)體及充填物的性質(zhì)，下圖為典型的裂隙巖體的應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線（1）直線型（2）上凹型（3）下凹型（4）復(fù)合型巖體的壓力-變形曲線分類——直線型AA-1型：p–W曲線陡，剛度大；彈性為主變形，可恢復(fù)，完整、堅(jiān)硬、致密、均勻巖體的特性。A-2型：p–W曲線斜率緩，剛度??；有明顯不可恢復(fù)變形和回滯環(huán)，節(jié)理化但裂隙分布均勻的巖體的特性。巖體的壓力-變形曲線分類——上凹型BB-1型：p–W曲線的斜率隨壓力和循環(huán)次數(shù)增大，彈性變形較大，垂直層面加壓時(shí)巖體的特性。

B-2型：p–W曲線的斜率隨壓力和循環(huán)次數(shù)增大；卸載時(shí)有明顯的不可恢復(fù)變形和滯回環(huán)，高角度節(jié)理化及垂直層面加壓時(shí)的層狀軟巖體的特性。壓力-變形曲線分類——下凹型（或下彎型）C巖體的壓力-變形曲線分類——復(fù)合型D節(jié)理裂隙很發(fā)育且有泥質(zhì)充填的巖體、軟巖、深部有軟弱夾層的巖體，裂紋擴(kuò)展、泥質(zhì)擠出、軟巖壓縮等都可能表現(xiàn)出C型特征。由于巖體中含有不同數(shù)量的宏觀結(jié)構(gòu)面，而且結(jié)構(gòu)面中又往往含有不同成分和不同厚度的填充物，所以在相同大小的應(yīng)力作用下，巖體的變形量及其中永久變形所占的比例都要比巖石大得多，從而其變形模量值則低得多。

E

0巖體＜

E

0巖石巖體的彈性模量、峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度相對(duì)巖石都有所降低、泊松比則有所提高。巖體中結(jié)構(gòu)面的存在，引起巖體變形和強(qiáng)度的各向異性。

巖體的變形是由巖石的變形和結(jié)構(gòu)面兩壁相對(duì)位置發(fā)生變化這兩個(gè)部分組成的。一般說(shuō)來(lái)，后者占主要成分。巖石的變形性見前§

5.2部分，本節(jié)主要討論在外力作用下結(jié)構(gòu)面兩壁發(fā)生相對(duì)位移（法向壓縮變形、剪脹變形、剪變形）。（一）法向壓縮變形

在與結(jié)構(gòu)面垂直的壓應(yīng)力作用下，結(jié)構(gòu)面兩壁間距離縮短，即發(fā)生法向壓縮變形。1.表征巖體法向變形性的指標(biāo)——變形模量（E

0）、彈性模量（E

e）、泊松比μ2.巖體變形試驗(yàn)方法①靜力法②動(dòng)力法試驗(yàn)方法①——靜力法（承壓板法）試驗(yàn)條件——有側(cè)限的原位試驗(yàn)

一般在勘探平洞內(nèi)布置，確定試驗(yàn)位置、清理底板、做地質(zhì)編錄，安裝加載裝置和傳力裝置、承壓板、變形測(cè)量系統(tǒng)等。

承壓板（方形或圓形），面積0.5~1.2m2，根據(jù)工程要求采取適宜的加載方式表征巖體法向變形性的指標(biāo)——變形模量（E

0）和彈性模量（E

e），計(jì)算公式P120Ee

靜力法（承壓板法）的缺點(diǎn)儀器設(shè)備較復(fù)雜，工作量大，施加的壓力較低，不宜大量進(jìn)行。