岩体的力学性质及岩体分类.pptx

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1、2023/4/161 结构面、结构体、岩体2 岩体的结构3 岩体的强度4 岩体破坏机理及破坏判据5 岩体的变形特性6 岩体质量评价及其分类本章内容：第1页/共83页2023/4/16本章重点难点：1、岩体结构；2、岩体的强度特征 3、岩体的破坏机理 4、岩体分类。关键术语：岩体结构，岩体强度，准岩体强度；岩体变形，岩石RQD质量指标；完整性系数；岩石坚固性系数第2页/共83页2023/4/16 要求：1、掌握本课程重点难点内容；2、了解几种有代表性的岩体分类方法；3、了解我国工程岩体分级标准（GB5021894）。第3页/共83页2023/4/16一、结构面、结构体、岩体结构面：是指岩体中存在

2、着的各种不同成因和不同特性的地质界面，包括物质的分界面、不连续面如节理、片理、断层、不整合面等。结构体：由结构面在岩体中切割而成的几何体称为结构体（岩石）。岩体：结构面和结构体的地质统一体。第4页/共83页2023/4/16 （一）、结构体的大小（一）、结构体的大小p 按规模结构体可分为：I级结构体：由I级结构面切割成的结构体(地质体)。II级结构体：由I级结构体经II级结构面切割而成的结构体(山体)。III级结构体：II级结构体再经III级结构面切割而成的结构体。IV级结构体：III级结构体再经IV级结构面切割而成的结构体（完整岩石或岩块）。第5页/共83页2023/4/16 （二）、结构体

3、的块度（二）、结构体的块度 结构体的块度通常指最小结构体的尺寸。在岩体工程稳定性分析中，结构体的块度决定了岩体工程围岩的破坏方式，从而决定了支护和加固方法。在开挖过程中结构体的块度影响施工及临时支护。第6页/共83页2023/4/16 （三）、结构体的形状（三）、结构体的形状1、板状结构体：2、柱状结构体：3、锥形结构体：结构体的形状与岩石类型有关；与区域构造运动强度有关；与工程围岩的破坏方式有关。第7页/共83页2023/4/16二、岩体的结构 岩体的结构是指岩体中结构面和结构体的形态和组合特征。按岩体被结构面分割的程度或结构体的形态特征，可将岩体 结构划分为以下几种基本类型：岩体结构整体结

4、构 层状结构 块状结构 碎裂结构散体结构镶嵌结构层状碎裂结构碎裂结构第8页/共83页2023/4/161 1、整体结构 岩性单一，节理不发育，无软弱结构面或夹泥，层面 结合良好，渗流对岩体特性影响不大，结构尺寸大于工程尺寸。完整性系数 0.75结构面间距 1.5 m岩土工程特征：整体性强度高，岩体稳定，可视为均质、各向同性的连续介质。第9页/共83页2023/4/162 2、块状结构节理发育，有若干软弱夹层或贯通微张裂隙将岩体切割成柱状、块状或菱形等结构体。工程范围内，有两组以上节理明显发育，构成影响工程稳定性的危险岩块，其尺寸小于工程几何尺寸。完整性系数 0.350.75结构面间距 0.71

5、.5 m岩土工程特征：整体性强度高，结构面相互牵制，岩体基本稳定，接近弹性各向同性体。第10页/共83页2023/4/163 3、层状结构 由中厚（0.250.5 m）及薄层（0.25m）的均一、坚硬、软弱或软硬相间的沉积岩或沉积变质岩形成的岩体。结构面以层理、片理、节理为主，往往有层间错动，结构体呈板状、片状互相紧密叠合。完整性系数：层状 0.30.6;薄层状 0.4结构面间距：层状 0.250.5 m；薄层状 0.25 m岩土工程特征：工程范围内，一组节理明显发育，在层内具有均一的地质特征与力学特性，属各向异性、层内均质的连续介质。其变形和强度特征受层面及岩层组合控制，岩体稳定性较差。第1

6、1页/共83页2023/4/164 4、碎裂结构 构造发育，各种结构面与断裂交叉发育，且多为泥质充填。岩体破碎，呈块状或片状，局部裹有坚硬的大块或条块状岩石，属不均一的不连续介质，稳定性很差。岩体岩体完整性系数完整性系数 结构面间距结构面间距 镶嵌结构镶嵌结构 0.36 0.5m 层状碎裂结构层状碎裂结构 0.4 0.5m 破碎结构破碎结构 0.3 0.5m第12页/共83页2023/4/165 5、散体结构 主要为各种剧烈风化或挤压破碎的岩体或土体。结构面相当发育，呈网状，岩体极度破碎，并混有断层泥，呈松散堆积或压密堆积。完整性系数：2a,矩形截面.加压装置：千斤顶，应力枕。第23页/共83

7、页2023/4/16四、岩体破坏机理及破坏判据（一）、岩体破坏的概念 岩体在一定的应力条件下丧失其结构联结为岩体破坏（丧失承载力和稳定性）。岩体在结构丧失之后的运动称为岩体工程结构的破坏（影响工程使用、报废）。工程岩体破坏可分为两个阶段：1、岩体结构联结的丧失，包括结构面开裂、错动或滑移，结构体拉伸破坏或剪切破坏；2、结构体运动。如边坡滑动、倾倒、滚石、采场冒顶等。第24页/共83页（二）、岩体破坏机理l 拉伸破坏 1、垂直结构面方向的拉伸破坏。2、沿结构面方向的拉伸破坏。3、完整岩体的拉伸破坏。第25页/共83页2023/4/16（二）、岩体破坏机理l 剪切破坏 1、沿结构面的剪切破坏（取决

8、于结构面的强度）2、切穿结构面的剪切破坏（取决于岩石的强度）第26页/共83页临空面临空面第27页/共83页（三）、岩体破坏判据 1、耶格尔判据：耶格尔提出岩体沿结构面剪切破坏的条件。节理面极限应力平衡方程：（1）当节理面倾角满足12,且j /2时，节理才会对岩体产生影响，这时岩体的强度取决于节理的强度；（2）450j/2时，岩体强度最低，其莫尔圆直径最小。（3）当2 时，岩体强度与节理无关，取决于岩石的强度。第28页/共83页耶格尔判据第29页/共83页如图，围压3=c增加，即c1c2,岩体的强度随之增大。第30页/共83页2023/4/162 2、霍克布朗经验判据霍克布朗经验判据式中:c完

9、整岩石单轴抗压强度；mb霍克布朗常数；s，取决于岩体特征的常数，对于完整岩石，s=1,=0.5。第31页/共83页2023/4/16五 岩体的变形特性 岩体的单轴和三轴压缩变形特性 1、现场岩体的单轴和三轴压缩试验的应力应变全过程曲线第32页/共83页2023/4/162、典型的岩体应力应变全过程曲线 4个阶段：（1）裂隙压密阶段（OA）：曲线上凹（2）弹性变形阶段（AB）:呈直线（3）塑性变形阶段（BC）：曲线下凹（4）破坏后阶段（CD）：残余强度D 峰值强度C第33页/共83页2023/4/163 3、岩体变形曲线的基本形式岩体变形曲线的基本形式（1）直线型：坚硬、完整无裂隙岩体直线型下凹

10、型上凹型S型（2）下凹型：节理裂隙发育，泥质充填，岩性软弱（3）上凹型：坚硬但裂隙发育，多呈张开而无充填物其它形式可看成是这三种形式的组合，如S型。第34页/共83页2023/4/164 4、岩石与岩体的应力应变曲线、岩石与岩体的应力应变曲线第35页/共83页岩体剪切变形特征岩体剪切变形特征 岩体的剪切变形是许多岩体工程特别是边坡工程中最常见的变形模式。在屈服点以下，变形曲线与压缩变形相似。屈服点以后，岩体内某个结构面和结构体可能首先被剪坏，随之出现一次应力降，峰值前可能出现多次应力降。当应力增加到一定程度，没被剪坏部位以瞬间破坏的方式出现，并伴有一次大的应力降，然后可能产生稳定滑移。第36页

11、/共83页2023/4/16 岩体各向异性变形特征岩体各向异性变形特征1、特征：垂直层面方向岩体变形模量E明显小于平行层面方向岩体的变形模量E。(a)垂直层面加力(b)平行层面加力第37页/共83页2023/4/162 2、变形机制不同：、变形机制不同：3、构成岩体变形各向异性的两个基本要素：（1）物质成分和物质结构的方向性 （2）结构面的方向性（1）垂直层面的压缩变形量主要是由岩块和结构面（软弱夹层）压密汇集而成；层状岩体不仅开裂层面压缩变形量大，而且在成岩过程中，由于沉积规律的变化，层面出现在矿物连结力弱、致密度低的部位，这是垂直层面方向压缩变形量大的另一个原因。（2）平行层面方向的压缩变

12、形量主要是岩块和少量结构面错动而成。第38页/共83页2023/4/16 原位岩体变形参数测定原位岩体变形参数测定 常用的静力法有：承压板试验（千斤顶荷载试验）、径向荷载试验、水压法等。目的：测定岩体的变形指标E、，测定关系。岩体现场变形试验方法：静力法、动力法（弹性波测量法）第39页/共83页2023/4/161 1、表面承压板试验、表面承压板试验(1)试验装置 由四部分组成：垫板（承压板）、加荷装置（千斤顶或压力枕）、传力装置（传力支柱、传力柱垫板）、变形测量装置（测微计）第40页/共83页2023/4/16 采用何种加荷方式，可根据岩体结构和工程要求而定。完整岩体：可采用大循环加荷方式，

13、以确定岩体在不同荷载下的变形特性；多裂隙岩体：可采用多循环或单循环加荷方式，以了解各种结构面对岩体变形的影响。（2）加荷方式第41页/共83页 设垫板总变形（位移）量为W0,其中弹性变形量为We,塑性变形量为Wp,则岩体的变形指标：式中：p受荷面单位面积上的压力；b承压板直径或边长;与承压板形状和刚度有关的系数，方形板为0.88，圆形板为0.79；岩体泊松比。岩体变形模量：岩体弹性模量：第42页/共83页2 2、钻孔承压板法、钻孔承压板法 表面承压板法测得的岩体变形模量偏低，这是由于工程岩体表面附近岩体大多发生了不同程度的松动。为了排除松动的影响，开始采用孔底承压板法测定岩体变形模量。测定结果

14、表明：孔底承压板法测得的原位岩体变形参数比表面承压板试验测定值高很多，甚至高达10余倍。第43页/共83页岩体动弹性模量Ed的测定：采用小量药包爆炸激发地震波，在距震源一定距离设置检波器，检测弹性波。根据弹性波波速算出动弹性模量Ed和动泊松比d。式中：vp,vs纵波波速和横波波速，为岩体密度。一般而言：Ed Ee ,d。第44页/共83页2023/4/16六、岩体质量评价及其分类 岩体分类是对影响岩体稳定性和影响工程设计、施工和维护的各种因素建立一些评价指标，对工程辖区岩体进行评价，划分出不同的的级别或类别。分类的目的：为岩体工程建设的勘察、设计、施工和编制定额提供必要的基本依据。按分类目的，

15、可分为综合性和专题性两种；按其所涉及的因素多少，可分为单因素分类法和多因素分类法两种。第45页/共83页2023/4/16（一）、工程岩体分类的参考影响因素1、岩石的质量。主要表现在岩石的强度和变形性质方面。2、岩体的完整性。岩体完整性取决于不连续面的组数和密度。可用结构面频率(裂隙度）、间距、岩心采取率、岩石质量指标RQD以及完整性系数作为定量指标进行描述。这些定量指标是表征岩体工程性质的重要参数。3、结构面条件。包括结构面产状、粗糙度和充填情况。岩体的工程性质主要取决于结构面的性质和分布状态以及其间的充填物性质。第46页/共83页2023/4/164、岩体及结构面的风化程度。风化程度越高，

16、岩体越破碎，强度越低。5、地下水的影响。渗流，软化，膨胀，崩解，静、动水压力等。6、地应力。地应力难于测定，它对工程的影响程度也难于确定，因此，其影响一般在综合因素中反映。（一）、工程岩体分类的参考影响因素第47页/共83页（二）、几种有代表性的工程岩体分类方法式中：Rc岩石单轴抗压强度，Mpa f 20 为1级，最坚固；f 0.3为第10级，最软弱。优点：形式简单，使用方便。缺点：未考虑岩体的完整性、岩体结构特征对稳定性影响，故不能准确评价岩体的稳定性。1、普氏分类法 以岩石试件的单轴抗压强度作为分类依据，根据普氏坚固性系数 f 将岩石分为十级。f 值越大，岩体越稳定。第48页/共83页20

17、23/4/162 2、岩石单轴抗压强度分类、岩石单轴抗压强度分类我国工程界按岩石单轴抗压强度将岩体分为四类：类别类别 岩石单轴抗压强度岩石单轴抗压强度 c c(Mpa)(Mpa)坚固性坚固性 250160250160特坚固特坚固 160100160100坚固坚固 1004010040次坚固次坚固 40 0.750.750.750.550.750.550.550.350.550.350.350.150.350.150.15 10102250501515 4 48 81002100250501212 24 2450100501007 7121225 5025 504 4不采用不采用5 255 25

18、2 2不采用不采用1 51 51 1不采用不采用 1 10 0第54页/共83页（2 2）对应于岩芯质量指标的岩体评分值）对应于岩芯质量指标的岩体评分值R R2 2RQDRQD（）（）9191100 100 769076905175517526502650 253 3 13130.310.310.050.30.050.30.050.05评分值评分值3 30 02525202010105 5第55页/共83页（4 4）对于节理状态的岩体评分值）对于节理状态的岩体评分值R R4 4 说明说明评分值评分值尺寸有限的粗糙的表面、硬岩壁尺寸有限的粗糙的表面、硬岩壁2525略粗糙的表面、张开度略粗糙的表面

19、、张开度11mmmm，硬岩壁硬岩壁2020略粗糙的表面、张开度略粗糙的表面、张开度155mmmm的断层泥充填的张开节理的断层泥充填的张开节理;张开度张开度55mmmm的的节节理，延伸超过数米理，延伸超过数米0 0第56页/共83页（5 5）取决于地下水状态的岩体评分值）取决于地下水状态的岩体评分值R R5 5每米隧道的涌水每米隧道的涌水量量（L/minL/min）节理水压力与最大节理水压力与最大主应力的比值主应力的比值总的状态总的状态评分值评分值无无0 0完全干燥完全干燥151510100.1 125125 0.50.5有严重地下水问有严重地下水问题题，流水，流水0 0第57页/共83页（6

20、6）节理方位对）节理方位对RMRRMR的修正值的修正值R R6 6方位对工程的影响评方位对工程的影响评价价隧道隧道地基地基边坡边坡很有利很有利0 00 00 0有利有利2 22 25 5一般一般5 57 72525不利不利101015155050很不利很不利12122525第58页/共83页（7 7）节理走向与倾角对隧道掘进的影响）节理走向与倾角对隧道掘进的影响节理走向垂直于隧道轴线节理走向垂直于隧道轴线节理走向平行于隧节理走向平行于隧道轴线道轴线倾角倾角0 00 020200 0顺倾向掘进顺倾向掘进逆倾向掘进逆倾向掘进倾角倾角45450 090900 02 20 00 04 45 50 04

21、 45 50 09 90 00 02 20 00 04 45 50 04 45 50 09 90 00 02 20 00 04 45 50 0不不 考考 虑虑走走向向很有利很有利有利有利一般一般不利不利很不利很不利一般一般第59页/共83页 根据总分确定岩体分级 类别类别 岩体描述岩体描述岩体评分值岩体评分值RMRRMR 很好很好8110081100 好好61618080 较好较好41604160 较差较差21402140 很差很差020020第60页/共83页岩体分级的意义 考虑不支护隧道的自稳时间分类号分类号平均自平均自稳时间稳时间1515m m跨，跨，2020年年1010m m跨，跨，1

22、 1年年5 5m m跨，跨，1 1星期星期2.52.5m m跨，跨，1010h h1m1m跨，跨，3030minmin岩体的岩体的内聚力内聚力(kPa)kPa)400 400 300400300400200300200300100200100200 10045450 035350 045450 025250 035350 015150 025250 0 1560 60303015155 0.750.750.750.550.750.550.550.350.550.350.350.150.350.150.150.15完整程度完整程度完整完整较完整较完整较破碎较破碎破碎破碎极破碎极破碎J Jv v3

23、3535K Kv v0.750.750.750.550.750.550.550.350.550.350.350.150.350.150.15 90Kv+30 时，应以C=90Kv+30 代入上式计算Q值；当Kv 0.04 C+0.4时，应以Kv=0.04C+0.4代入上式计算Q值；式中：BQ岩体基本质量指标；C岩石饱和单轴抗压强度(Mpa);Kv岩体完整性系数。第73页/共83页B B、按按BQBQ值进行岩体基本质量分级值进行岩体基本质量分级基本质量级基本质量级别别岩体基本质量定性特征岩体基本质量定性特征岩体基本质量岩体基本质量指标指标(BQ)(BQ)坚硬岩，岩体完整；坚硬岩，岩体完整；555

24、50 0坚硬岩，岩体较完整；坚硬岩，岩体较完整；较坚硬岩，岩体完整；较坚硬岩，岩体完整；550451550451坚硬岩，岩体较破碎；坚硬岩，岩体较破碎；较坚硬岩或软硬岩互层，岩体较完整；较坚硬岩或软硬岩互层，岩体较完整；较软岩，岩体完整；较软岩，岩体完整；450351450351坚硬岩，岩体破碎；坚硬岩，岩体破碎；较坚硬岩，岩体较破碎破碎；较坚硬岩，岩体较破碎破碎；较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体 较完较完整较破碎；整较破碎；软岩，岩体完整较完整；软岩，岩体完整较完整；350251350251较软岩，岩体破碎；较软岩，岩体破碎；软岩，岩体较破碎破碎；

25、软岩，岩体较破碎破碎；全部极软岩及全部极破碎岩；全部极软岩及全部极破碎岩；250450450450351450351350251350251250250潮湿或点滴出水潮湿或点滴出水 0 0 0.10.10.20.20.30.30.40.40.60.6淋雨状或涌流状出水，淋雨状或涌流状出水，水压水压0.1MPa或单位出或单位出水量水量10L/(min.m)0.10.10.20.20.30.30.40.40.60.60.70.70.90.9淋雨状或涌流状出水，淋雨状或涌流状出水，水压水压0.1MPa或单位出或单位出水量水量 10L/(min.m)0.20.20.40.40.60.60.70.70.

26、90.9 1.01.0第76页/共83页2023/4/16（B B）主要软弱结构面产状影响修正系数主要软弱结构面产状影响修正系数K2K2结构面产状及结构面产状及其与洞轴线的其与洞轴线的组合关系组合关系结构面走向与洞轴线的结构面走向与洞轴线的夹角夹角3060600 0结构面倾角结构面倾角75750 0其它组合其它组合 K2 0.40.600.20.20.4第77页/共83页2023/4/16（C C）初始应力状态修正系数初始应力状态修正系数K3K3初始应力初始应力状态状态 BQ BQ55055055055045145145035145035135025135025125026.526.56060

27、2.12.13333 0.2 0.2605060502.11.52.11.5332033200.20.250.20.2526.524.526.524.5503950391.50.71.50.72062060.250.30.250.324.522.524.522.5392739270.70.20.70.261.361.30.30.350.30.3522.522.527270.20.21.3 0.35 0.35第80页/共83页2023/4/16岩体级别与岩体结构面抗剪强度参数岩体级别与岩体结构面抗剪强度参数基本质量基本质量级别级别两侧岩体的坚硬程度及结构面的结合两侧岩体的坚硬程度及结构面的结合程

28、度程度内摩擦角内摩擦角(0 0)粘结力粘结力C(Mpa)C(Mpa)坚硬、结合好坚硬、结合好3737 0.22 0.22坚硬较坚硬、结合一般；坚硬较坚硬、结合一般；软弱岩，结合好软弱岩，结合好372937290.220.120.220.12坚硬较坚硬、结合差；坚硬较坚硬、结合差；较软弱岩，结合一般较软弱岩，结合一般291929190.120.080.120.08较坚硬较软岩、结合差较坚硬较软岩、结合差很差；很差；软弱岩、结合差；软质岩的泥化面软弱岩、结合差；软质岩的泥化面191319130.080.050.080.05较坚硬及全部软质岩、结合很差；较坚硬及全部软质岩、结合很差；软质岩泥化层本身

29、软质岩泥化层本身1313 0.05 0.05第81页/共83页岩体级别与地下工程岩体自稳能力岩体级别与地下工程岩体自稳能力基本质量基本质量级别级别 自稳能力自稳能力跨度跨度2020m m，可长期稳定，偶有掉块，无塌方可长期稳定，偶有掉块，无塌方跨度跨度1020m m，可基本稳定，局部发生掉块或小塌方可基本稳定，局部发生掉块或小塌方跨度跨度 10m m，可长期稳定，偶有掉块可长期稳定，偶有掉块跨度跨度1020m m，可稳定数日至可稳定数日至1 1个月，可发生小至中塌方个月，可发生小至中塌方跨度跨度510m m，可稳定数月，可发生局部块体位移及小至中塌方可稳定数月，可发生局部块体位移及小至中塌方跨度跨度555m m，一般无自稳能力，数日至数月内可发生松动变形、小塌方，一般无自稳能力，数日至数月内可发生松动变形、小塌方，可发展为中至大塌方。可发展为中至大塌方。跨度跨度55m m，可稳定数日至可稳定数日至1 1个月个月无自稳能力无自稳能力注：小塌方：塌方高度3m，或塌方体积6m，或塌方体积 100m3第82页/共83页2023/4/16山东理工大学 土木工程系感谢您的观看！第83页/共83页