岩体力学性质-岩体结构.ppt

1 2 2.5.5岩石的强度理论岩石的强度理论1 CoulombCoulomb强度准则强度准则2 Mohr2 Mohr强度理论强度理论3 Griffith3 Griffith强度理论强度理论上次课内容上次课内容2岩体力学性质岩体力学性质岩体结构岩体结构o1 岩体结构要素岩体结构要素o2 结构面类型结构面类型o3 结构面分级及其特性结构面分级及其特性o4 结构面状态结构面状态o5 岩体结构类型岩体结构类型3岩石与岩体岩石与岩体 岩岩石石与与岩岩体体：岩岩石石是是构构成成岩岩体体的的物物质质。岩岩体体是是由由结结构构面面及及结结构构体体(被被结结构构面面所所包包围围的的岩岩块块)两两个个基基本本单单元元组组成成；岩岩石石的的物物理理力力学学性性质质和和水水理理性性质质取取决决于于岩岩石石的的矿矿物物成成分分，而而岩岩体体的的物物理理力力学学性性质质，既既取取决决于于结结构构面面的的力力学学性性质质，又又取取决决于于岩岩体的力学性质。体的力学性质。与岩石相比，岩体具有以下性质：与岩石相比，岩体具有以下性质：岩体是地壳的一部分，对岩体是地壳的一部分，对岩体的研究不能脱离它所处岩体的研究不能脱离它所处的环境的环境:地质环境，包括地地质环境，包括地应力、水、空气、地温等应力、水、空气、地温等.岩岩 体体结构结构面面岩块岩块岩体=岩块+结构面4 岩体是一种多裂隙介岩体是一种多裂隙介 质，存在各种尺度、规模质，存在各种尺度、规模 不等的结构面。这些结构不等的结构面。这些结构 面面切切割割的的岩岩体体形形成成多多种种典典型型的的岩岩体体结结构构，其其两两个个极极端端是是裂裂隙隙极极多多的的松松散散碎碎块块，和和裂裂隙隙较较少少的的整整体体结结构构。在在进进行行矿矿山山工工程程设设计计时时必必须须首首先先确确定定岩岩体体结结构构的的类类型型，然然后后分分别别选选用用适适当当的的力力学学方方法法进进行行分析。分析。3 3.1.1 概述概述53 3.1.1 概述概述o岩体力学性质岩体力学性质与岩体中的结构面、结构体及其赋存环与岩体中的结构面、结构体及其赋存环境密切相关；境密切相关；o结构面：结构面：各种界面各种界面,物质分界面和不连续面，假整合、物质分界面和不连续面，假整合、褶皱、断层、层理、节理和片理褶皱、断层、层理、节理和片理.o岩体结构单元岩体结构单元（或要素）（或要素）包括包括:结构体结构体和结构面和结构面o岩体的力学性质：岩体的力学性质：岩体抵抗外力作用的能力，包括稳岩体抵抗外力作用的能力，包括稳定性特性、强度特性和变形特性，是由组成岩体的岩石、定性特性、强度特性和变形特性，是由组成岩体的岩石、结构面性质所决定的；结构面性质所决定的；o影响岩体力学性质的因素有：影响岩体力学性质的因素有：结构体（岩石）的力结构体（岩石）的力学性质、结构面的性质、岩体的结构力学效应和环境因学性质、结构面的性质、岩体的结构力学效应和环境因素；素；6结构面结构面切割成的结构体岩体岩体结构是研究岩体力学的基础岩体结构控制岩体的变形、破坏等力学效应分析岩体结构、结构面特征、对工程岩体稳定性评价工程应用3 3.1.1 概述概述7结构面结构面切割成的结构体岩体岩体结构是研究岩体力学的基础岩体结构控制岩体的变形、破坏等力学效应分析岩体结构、结构面特征、对工程岩体稳定性评价工程应用3 3.1.1 概述概述8岩体结构要素块状板状9结构体分类结构体分类块状结构体块状结构体，包括柱状、楔锥状结构体，各向尺寸接近相等，力学表现以压碎、滚动、滑动为主；板状结构体板状结构体，板的厚度与延展长度（或宽度）比小于1：15，力学表现主要为弯曲变形和溃折破坏。结构体块度：结构体块度：可以用1立方米岩体内含有的结构体数表示，也可以用单个结构体尺寸表示。结构体产状：结构体产状：以结构体表面上最大结构面的长轴方向的产状说明103 3.1.1 概述概述l岩体赋存环境对于岩体力学性质的影响l地应力的作用（地应力既是赋存条件，又在岩体之内）l影响岩体的承载力、变形与破坏机制；l影响岩体中应力的传播l地下水的作用（岩体水力学）l因此，岩体力学性质的研究必须考虑岩性、结构面、岩体结构、地应力以及地下水的影响；113.2 岩体结构的基本类型l结构面：分为软弱结构面和坚硬结构面l结构体：分为块状结构体和板状结构体l按照岩体结构的互相包容和级序关系，分为I级结构、II级结构和过渡型岩体结构；12岩体岩体结构结构定义：定义：不同类型的岩体结构单元在岩体内组合和排列形式不同类型的岩体结构单元在岩体内组合和排列形式.结构面结构体岩体结构单元岩体结构单元组合岩体结构单元排列岩体结构三要素坚硬结构面软弱结构面块状结构体板状结构体13完整结构岩体完整结构岩体岩性：岩性：单一且构造变形轻微的单一且构造变形轻微的巨厚巨厚层沉积岩、变质岩和火成岩体；层沉积岩、变质岩和火成岩体；结构面发育情况：结构面发育情况：不发育，延展性差，无显结构面切割；不发育，延展性差，无显结构面切割；结构面强度结构面强度：结构面摩擦系数结构面摩擦系数tan0.6，结构体间，结构体间结合力强结合力强；完整性：完整性：岩体呈完整或基本完整状态，结构面间距岩体呈完整或基本完整状态，结构面间距dp1.0m;水的影响：水的影响：地下水作用不明显，渗流对岩体特性地下水作用不明显，渗流对岩体特性影响不大影响不大；工程特性：工程特性：整体结构的岩体，其变形、破坏与工程作用有关；整体结构的岩体，其变形、破坏与工程作用有关；在深埋或高地应力区的坚硬岩层中开挖，引起应力释放，可能导致岩爆，在深埋或高地应力区的坚硬岩层中开挖，引起应力释放，可能导致岩爆，而且一般沿裂隙端部产生；而且一般沿裂隙端部产生；较坚硬岩层中可能产生微弱的塑性变形。较坚硬岩层中可能产生微弱的塑性变形。14块裂结构岩体块裂结构岩体岩性：岩性：单一或由强度相近的岩层共同组成的构造变形轻微的单一或由强度相近的岩层共同组成的构造变形轻微的中厚层中厚层沉积岩、沉积岩、变质岩和火成岩体；变质岩和火成岩体；结构面发育情况：结构面发育情况：只具有少量贯穿性较好的节理裂隙只具有少量贯穿性较好的节理裂隙,一般为一般为2 23 3组组 结构面强度：结构面强度：岩块之间岩块之间结合力强结合力强，一般，一般tan0.40.6；完整性：完整性：结构面间距结构面间距dp0.51.0m;水的影响：水的影响：地下水作用主要表现为使较坚硬地下水作用主要表现为使较坚硬岩石软化岩石软化；工程特性：工程特性：微小压缩变形，可能出现剪切滑移；块体滑移。微小压缩变形，可能出现剪切滑移；块体滑移。稳定性分析时要注意结构面的特性及组合，在深埋或地震危险区条件稳定性分析时要注意结构面的特性及组合，在深埋或地震危险区条件下开挖，由于隐型微裂隙存在，可能出现岩爆；有一定自稳能力，可局部下开挖，由于隐型微裂隙存在，可能出现岩爆；有一定自稳能力，可局部出现不稳定块体，产生超挖，塌方和崩塌现象出现不稳定块体，产生超挖，塌方和崩塌现象。15板裂结构岩体板裂结构岩体岩性：岩性：发育于经过褶皱作用的层状岩体内。发育于经过褶皱作用的层状岩体内。结构面发育情况：结构面发育情况：延展性较好，受一组软弱结构面切割，层面居多；延展性较好，受一组软弱结构面切割，层面居多；结构面强度：结构面强度：层间结合力较差，层间结合力较差，tan0.30.5；水的影响：水的影响：要注意地下水渗透压力所引起的问题，地下水的软化、泥化要注意地下水渗透压力所引起的问题，地下水的软化、泥化作用明显；作用明显；工程特性：工程特性：岩体变形受岩层组合和结构面控制；在缓倾斜和陡立岩层中，岩体变形受岩层组合和结构面控制；在缓倾斜和陡立岩层中，拱顶和边墙可出现弯曲拗折现象；软弱面特别是软弱夹层面的抗剪强度控拱顶和边墙可出现弯曲拗折现象；软弱面特别是软弱夹层面的抗剪强度控制岩体的剪切滑移破坏。制岩体的剪切滑移破坏。稳定性较差稳定性较差 稳定性分析时要注意岩层的组合、层面特性及其结合力、岩层产状，稳定性分析时要注意岩层的组合、层面特性及其结合力、岩层产状，尤其是软弱夹层、层间错动的存在和尤其是软弱夹层、层间错动的存在和II、III级结构面的组合情况。级结构面的组合情况。16碎裂结构岩体碎裂结构岩体岩性：岩性：构造影响严重的破碎岩层。块体大，块体均匀。构造影响严重的破碎岩层。块体大，块体均匀。结构面发育情况：结构面发育情况：断层、断层破碎带、片理、层理及层间结断层、断层破碎带、片理、层理及层间结 构面较发育，一般在构面较发育，一般在5 5组以上组以上完整性：完整性：完整性破坏较大，整体强度很低完整性破坏较大，整体强度很低水的影响：水的影响：引起岩层软化、泥化及结构面失稳；引起岩层软化、泥化及结构面失稳；工程特性：工程特性：受断裂等软弱结构面控制，多呈弹塑性介质稳受断裂等软弱结构面控制，多呈弹塑性介质稳定性很差。易引起规模较大的岩体失稳、地下水加剧岩体失稳定性很差。易引起规模较大的岩体失稳、地下水加剧岩体失稳17断续岩体结构断续岩体结构结构面发育情况结构面发育情况：结构面不连续，对岩体切而不断，个别部分亦有连续贯通结构。工程特性：工程特性：宏观上具有连续介质特点，微观上多数不连续，应力集中现象显现，这种应力的集中对岩石破坏具有特殊意义18散体结构岩体散体结构岩体岩性：岩性：碎屑状碎屑状，颗粒状颗粒状，呈松散状态；，呈松散状态；结构面发育情况：结构面发育情况：结构面充分发育结构面充分发育，使岩体破坏成碎块、使岩体破坏成碎块、碎屑或颗粒状、并混有大量断层泥，呈松散堆积或压密堆积碎屑或颗粒状、并混有大量断层泥，呈松散堆积或压密堆积水的影响：水的影响：地下水作用强烈，地下水作用强烈，地下水加剧岩体失稳地下水加剧岩体失稳工程特性：工程特性：完整性遭到极大破坏稳定性极差岩体属性完整性遭到极大破坏稳定性极差岩体属性接近松散体介质，易引起规模较大的岩体失稳、地下水加剧接近松散体介质，易引起规模较大的岩体失稳、地下水加剧岩体失稳岩体失稳19岩体结构的相对性l岩体结构的分类应该与工程规模和尺寸有关；岩体结构的分类应该与工程规模和尺寸有关；结构体几何尺寸与工程规模的对比情况。因为同样的节理化程度，可以因工程规模的不同而产生不同的地压问题，因此同一节理化程度的岩体结构可根据工程尺度的不同而定为不同的结构类型，如图的例子所示，当硐室从小增大时，同一岩体依次变为整体结构、板裂结构、块裂结构、断裂结构和碎裂结构。203.3 岩体结构面及其充填特征结构面定义：岩体内开裂的和易开裂的地质界面，如节理、层理、劈理、裂隙、断层等等。结构面的作用与其规模和形态有关。特点：特点：横向延展表现出面的几何特性；物质分异面或不连续面；常具有一定厚度，充有一定物质（例如：节理由两个面及面间的水或气组成；断层及层间错动是由上下盘两个面及其间充填的断层泥和水构成的实体组成）；变形机理是两面闭合或滑移；破坏机理是沿面滑动或开裂。21 结构面（结构面（Structural plane)Structural plane)类型类型1 1成因类型成因类型地质类型地质类型原原生生结结构构面面沉积沉积结构面结构面层面、层理、沉积间断面（不整合层面、层理、沉积间断面（不整合面、假整合面）、原生软弱夹层面、假整合面）、原生软弱夹层火成火成结构面结构面流层、流线、火山岩流接触面，蚀流层、流线、火山岩流接触面，蚀变带、挤压破碎带、原生节理变带、挤压破碎带、原生节理变质变质结构面结构面片理、板理、软弱夹层片理、板理、软弱夹层22结构面（结构面（Structural plane)Structural plane)类型类型2 2成因类型成因类型地质类型地质类型构构造造结结构构面面劈理劈理节理节理断层断层层间破碎夹层层间破碎夹层23结构面（结构面（Structural plane)Structural plane)类型类型3 3成因类型成因类型地质类型地质类型次次生生结结构构面面卸卸 荷荷 裂裂 隙隙爆爆 破破 裂裂 隙隙风风 化化 裂裂 隙隙风风 化化 夹夹 层层泥泥 化化 夹夹 层层24结构面的分级结构面的分级按照结构面的发育程度和规模，可分为：按照结构面的发育程度和规模，可分为：lI 级结构面级结构面：泛指对区域构造其控制作用的断裂带，包：泛指对区域构造其控制作用的断裂带，包括深大断裂带，延伸括深大断裂带，延伸10公里以上，其存在直接关系都工公里以上，其存在直接关系都工程区域的稳定性；程区域的稳定性；lII 级结构面级结构面：指延展性强而宽度有限的地质界面，延伸：指延展性强而宽度有限的地质界面，延伸几百至数千米；几百至数千米；lIII级结构面级结构面：一般为局部的断裂构造，主要是小断层，：一般为局部的断裂构造，主要是小断层，延展几十到数十米，宽半米左右；延展几十到数十米，宽半米左右；lIV级结构面级结构面：延展性差，无明显的宽度，主要指节理面，：延展性差，无明显的宽度，主要指节理面，仅在小范围内分布；仅在小范围内分布；lV 级结构面级结构面：延展性级差，无宽度分别，分布随机；：延展性级差，无宽度分别，分布随机；25结构面分级及其特性结构面分级及其特性1 1级级序序分级依据分级依据地质类型地质类型 力学属性力学属性岩体稳定性影响岩体稳定性影响I I级级延伸延伸数十公里数十公里深度深度可切穿一可切穿一个构造层个构造层破碎带宽度破碎带宽度在在数米、数十米数米、数十米以上以上区域性深区域性深大断裂大断裂或大断裂或大断裂属于属于软弱软弱结构面结构面，构成独立构成独立的力学介的力学介质单元质单元影响影响区域区域稳定性稳定性是岩体变形或破是岩体变形或破坏的坏的控制条件控制条件，形成岩体力学形成岩体力学作作用边界用边界。26结构面分级及其特性结构面分级及其特性2 2级级序序分级依据分级依据地质类型地质类型力学属性力学属性岩体稳定性影响岩体稳定性影响IIII级级延伸延伸数百数百米至数公米至数公里，里，破碎带破碎带宽宽度度比较窄，比较窄，几厘米至几厘米至数米数米不整合面不整合面假整合面假整合面原生软弱夹原生软弱夹层层层间错动带层间错动带风化夹层风化夹层属于属于软弱软弱结构面结构面形成块裂形成块裂边界边界控制山体稳定性控制山体稳定性与与I I级结构面可形级结构面可形成成大规模的块体大规模的块体破坏破坏，即控制岩，即控制岩体变形和破坏方体变形和破坏方式。式。27结构面分级及其特性结构面分级及其特性3 3级级序序分级依据分级依据地质类型地质类型 力学属性力学属性对岩体稳定性影对岩体稳定性影响响IIIIII级级延展延展十米或十米或数十米，数十米，无破碎带无破碎带，面内面内不含泥不含泥，有泥膜。在有泥膜。在一个地质时一个地质时代地层中分代地层中分布。布。各种类型各种类型的的断层断层原生软弱原生软弱夹层夹层层间错动层间错动带等带等多数属于多数属于坚硬坚硬结构结构面面少数属软少数属软弱结构面。弱结构面。控制控制岩体的稳定岩体的稳定性性与与I I、IIII级结构面级结构面组合可形成不同组合可形成不同规模的块体破坏规模的块体破坏划分划分IIII类岩体结类岩体结构的重要依据构的重要依据28结构面分级及其特性结构面分级及其特性4 4级级序序分级依据分级依据地质类型地质类型力学属力学属性性对岩体稳定性影对岩体稳定性影响响IVIV级级延展延展数米，数米，未错动，未错动，不夹泥，不夹泥，有的呈弱结有的呈弱结合状态，合状态，统统计结构面计结构面节理、节理、劈理、劈理、片理、片理、层理、层理、卸荷裂隙卸荷裂隙等。等。坚硬坚硬结结构面构面是岩体力学性质是岩体力学性质和结构效应基础和结构效应基础破坏岩体的完整破坏岩体的完整性性，与其他结构，与其他结构面形成不同类型面形成不同类型边坡破坏方式。边坡破坏方式。29结构面分级及其特性结构面分级及其特性5 5级级序序分级依据分级依据地质类型地质类型 力学属性力学属性对岩体稳定性影对岩体稳定性影响响V V级级连续性极差、连续性极差、刚性接触的刚性接触的细小或隐微细小或隐微裂面，裂面，统计统计结构面结构面微小微小节理节理隐微裂隙隐微裂隙线理等。线理等。硬性硬性结构结构面面分布随机，分布随机，降低降低岩块强度岩块强度，是岩，是岩块力学性质效应块力学性质效应基础。基础。若十分密集，又若十分密集，又因风化，形成松因风化，形成松散介质。散介质。30结构面状态结构面状态1 1）结构面贯通类型和连续性）结构面贯通类型和连续性a.a.贯通类型贯通类型非贯通性结构面：较短、不能贯通非贯通性结构面：较短、不能贯通,岩块强度降低、变形增大岩块强度降低、变形增大.半贯通性结构面：有一定长度、不能贯通半贯通性结构面：有一定长度、不能贯通,岩块强度降低、变岩块强度降低、变形增大形增大贯通性结构面：长度较长、连续好、贯通整个岩体、构成岩体贯通性结构面：长度较长、连续好、贯通整个岩体、构成岩体边界，它对岩体有较大的影响，破坏常受这种结构面控制边界，它对岩体有较大的影响，破坏常受这种结构面控制 31b.b.连续性连续性 结构面的连续性反映结构面的贯通程度。结构面的连续性反映结构面的贯通程度。线线连续性系数连续性系数K Kl l ：沿结构面延伸方向上，结构面各沿结构面延伸方向上，结构面各段长度之和与测线长度比值段长度之和与测线长度比值 Kl=a/(a+b)Kl变化在变化在0 01 1之间变化之间变化,Kl值愈大说明结构面的值愈大说明结构面的连续性愈好连续性愈好,当当Kl=1=1时，结构面完全时，结构面完全贯通。贯通。32面面连续性系数（面切割度）连续性系数（面切割度）XeXe：在岩体中沿结构面延展平面上，结构面各块面积之和在岩体中沿结构面延展平面上，结构面各块面积之和aa与该断面面积与该断面面积A A之比之比 Xe=a/AXeXe变化在变化在0 01 1之间变化；之间变化；XeXe值愈大说明结构面的连值愈大说明结构面的连续性愈好；续性愈好；当当Xe=1Xe=1时，结构面完全贯。时，结构面完全贯。当当Xe=0Xe=0时，岩体完整。时，岩体完整。33岩体按岩体按切割度切割度XeXe的分类表的分类表名称名称切割度切割度XeXe完整的完整的0.10.10.20.2弱节理化弱节理化0.20.20.40.4中等节理化中等节理化0.40.40.60.6强节理化强节理化0.60.60.80.8完全节理化完全节理化0.80.81.01.034结构面的密集程度反映结构面的密集程度反映结构面发育结构面发育的密集程度。的密集程度。裂隙度裂隙度K K：沿取样线方向单位长度上的结构面数量。沿取样线方向单位长度上的结构面数量。设取样线长度为设取样线长度为L,L,单位单位m,m,该长度内出现的结构面数量该长度内出现的结构面数量n n，沿取样线方向结构面平均间距为沿取样线方向结构面平均间距为d d，则，则K=n/L ，d=1/K=L/n线密度线密度Kd：若取样线垂直结构面，则裂隙度被称为线密度。若取样线垂直结构面，则裂隙度被称为线密度。间距间距d：同一组结构面法线方向上结构面平均距离。同一组结构面法线方向上结构面平均距离。Kd=n/L ，d=1/Kd=L/n2 2）结构面密集程度）结构面密集程度35多组结构面裂隙度多组结构面裂隙度K K 的计算：的计算：Ka=1/max=cosa/da，Kb=1/mbx=cosb/db，Kn=1/mnx=cosn/dn K=Ka+Kb+Kn结构面按裂隙度结构面按裂隙度K分类：分类：k=01为蔬节理，为蔬节理，k=110为密节理，为密节理，k=10100为非常密集节理，为非常密集节理，k=1001000为压碎、糜棱化。为压碎、糜棱化。363 3）结构面产状：）结构面产状：要素：走向、倾向、倾角与主应力之间的关系：控制岩体的破坏机理与强度。374 4）结构面形态：）结构面形态：要素：要素：起伏形态、起伏角、粗糙度。起伏形态、起伏角、粗糙度。对岩体的力学性质和对岩体的力学性质和 剪切强度剪切强度有影响。有影响。385 5）结构面张开度：）结构面张开度：定义：定义：又称张开度，是指结构面两侧岩壁的垂直分又称张开度，是指结构面两侧岩壁的垂直分离距离，其空隙由空气或水充填，它与被充填的结离距离，其空隙由空气或水充填，它与被充填的结构面厚度是不同的。构面厚度是不同的。闭合不连续面 张开不连续面 充填不连续面张开度 厚度396 6）结构面的胶结充填物：）结构面的胶结充填物：a.a.胶结充填物成分对结构面力学性质的影响：胶结充填物成分对结构面力学性质的影响：铁硅质胶结强度高；铁硅质胶结强度高；钙质胶结强度较差；钙质胶结强度较差；黏土、泥质胶结强度最差。黏土、泥质胶结强度最差。b.b.胶结充填物厚度对结构面力学性质的影响：胶结充填物厚度对结构面力学性质的影响：薄膜充填：厚度小于薄膜充填：厚度小于1mm、应力矿物、强度明显降低；、应力矿物、强度明显降低；端续充填：厚度小于起伏、强度与充填物和结构面有关；端续充填：厚度小于起伏、强度与充填物和结构面有关；连续充填：厚度稍大于起伏、强度取决于充填物。连续充填：厚度稍大于起伏、强度取决于充填物。后层充填：后层充填：厚度远大于起伏、强度取决于充填物、易滑移。厚度远大于起伏、强度取决于充填物、易滑移。40结束语结束语41