巖體變形與破壞

1、巖體變形與破壞 第三章第三章 巖體的變形與破壞巖體的變形與破壞 巖體變形與破壞 3.1基本概念及研究意義基本概念及研究意義 變形：巖體的宏觀連續(xù)性無明顯變化者。變形：巖體的宏觀連續(xù)性無明顯變化者。 破壞：巖體的宏觀連續(xù)性已發(fā)生明顯變化。破壞：巖體的宏觀連續(xù)性已發(fā)生明顯變化。 巖體破壞的基本形式：（機制）剪切破壞巖體破壞的基本形式：（機制）剪切破壞 和拉斷（張性）破壞。和拉斷（張性）破壞。 巖體變形與破壞 一、巖體破壞形式與受力狀態(tài)的關(guān)系一、巖體破壞形式與受力狀態(tài)的關(guān)系 巖體破壞形式與圍巖大小有明顯關(guān)系。巖體破壞形式與圍巖大小有明顯關(guān)系。 注意：巖全破壞機制的轉(zhuǎn)化隨圍壓條件的注意：巖全破壞機制的

2、轉(zhuǎn)化隨圍壓條件的 變化而變化。變化而變化。 破壞機制轉(zhuǎn)化的界限圍壓稱破壞機制轉(zhuǎn)化破壞機制轉(zhuǎn)化的界限圍壓稱破壞機制轉(zhuǎn)化 圍壓。圍壓。 1/51/4 不可拉斷轉(zhuǎn)化為剪切。不可拉斷轉(zhuǎn)化為剪切。 1/32/3可由剪切轉(zhuǎn)化為塑性破壞?？捎杉羟修D(zhuǎn)化為塑性破壞。 有人認(rèn)為（納達(dá)），可用有人認(rèn)為（納達(dá)），可用2偏向偏向1的程度的程度 來劃分應(yīng)力狀態(tài)類型。來劃分應(yīng)力狀態(tài)類型。 巖體變形與破壞 應(yīng)力狀態(tài)類型參數(shù)應(yīng)力狀態(tài)類型參數(shù) （1，即，即21； 1，即，即23） 31 312 2 巖體變形與破壞 二、巖體破壞形式與巖體結(jié)構(gòu)的關(guān)系二、巖體破壞形式與巖體結(jié)構(gòu)的關(guān)系 低圍壓條件下巖石三低圍壓條件下巖石三 軸試驗表明軸

3、試驗表明: 堅硬的完整巖體主要表現(xiàn)為張性破壞。堅硬的完整巖體主要表現(xiàn)為張性破壞。 含軟弱結(jié)構(gòu)面的塊狀巖體，當(dāng)結(jié)構(gòu)面與最大主應(yīng)含軟弱結(jié)構(gòu)面的塊狀巖體，當(dāng)結(jié)構(gòu)面與最大主應(yīng) 力夾角合適時，則表現(xiàn)為沿結(jié)構(gòu)面的剪切。力夾角合適時，則表現(xiàn)為沿結(jié)構(gòu)面的剪切。 碎裂巖體的破壞方式介于二者之間。碎裂巖體的破壞方式介于二者之間。 碎塊狀或散體狀巖體主要為塑性破壞。碎塊狀或散體狀巖體主要為塑性破壞。 對第一種情況，某破壞判據(jù)已經(jīng)介紹很多了。對第一種情況，某破壞判據(jù)已經(jīng)介紹很多了。 第二種情況，可采用三向應(yīng)力狀態(tài)莫爾圓圖解簡第二種情況，可采用三向應(yīng)力狀態(tài)莫爾圓圖解簡 單判斷。單判斷。 巖體變形與破壞 三、巖體的強度特

4、征三、巖體的強度特征 單軸應(yīng)力狀態(tài)時，結(jié)構(gòu)與方向決定了巖體單軸應(yīng)力狀態(tài)時，結(jié)構(gòu)與方向決定了巖體 的破壞形式。的破壞形式。 復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)時，含一組結(jié)構(gòu)面的巖體破復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)時，含一組結(jié)構(gòu)面的巖體破 壞形式與巖體性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，應(yīng)力狀壞形式與巖體性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，應(yīng)力狀 態(tài)關(guān)系很大。態(tài)關(guān)系很大。 巖體變形與破壞 3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞巖體在加荷過程中的變形與破壞 3.2.1拉斷破壞機制與過程拉斷破壞機制與過程 一、拉應(yīng)力條件下的拉斷破壞一、拉應(yīng)力條件下的拉斷破壞 當(dāng)當(dāng) 時，拉應(yīng)力對巖石破壞起主導(dǎo)時，拉應(yīng)力對巖石破壞起主導(dǎo) 作用。作用。 03 31 t S 3 巖體變形與破壞 二、壓應(yīng)

5、力條件下的拉斷破壞二、壓應(yīng)力條件下的拉斷破壞 壓應(yīng)力條件下裂縫尖端拉應(yīng)力集中最強的壓應(yīng)力條件下裂縫尖端拉應(yīng)力集中最強的 部位位于與主壓應(yīng)力是部位位于與主壓應(yīng)力是 地方向上，地方向上， 并逐漸向與并逐漸向與 平行地方向擴(kuò)展。當(dāng)平行地方向擴(kuò)展。當(dāng) 時，時， 破壞準(zhǔn)則為：破壞準(zhǔn)則為： =0時為單軸壓拉斷。時為單軸壓拉斷。 4030 03 31 1 t S8)/()( 31 2 31 3 巖體變形與破壞 3.2.2剪切變形破壞機制與過程剪切變形破壞機制與過程 一、潛在剪切面剪斷機制與過程一、潛在剪切面剪斷機制與過程 A滑移段滑移段 B鎖固段鎖固段 進(jìn)入穩(wěn)定破裂階段后，巖體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)變化復(fù)進(jìn)入穩(wěn)定破裂

6、階段后，巖體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)變化復(fù) 雜。產(chǎn)生一系列破裂。雜。產(chǎn)生一系列破裂。 （1）拉張分支裂隙的形成，原理同前。）拉張分支裂隙的形成，原理同前。 （2）不穩(wěn)定破裂階段法向壓碎帶的形成，削弱鎖固）不穩(wěn)定破裂階段法向壓碎帶的形成，削弱鎖固 段巖石。段巖石。 （3）潛在剪切面貫通。）潛在剪切面貫通。 巖體變形與破壞 剪脹，壓碎帶剪壞，鎖固段變薄弱，最終剪脹，壓碎帶剪壞，鎖固段變薄弱，最終 全面貫通。全面貫通。 剪切破壞過程中巖石銷固段被各個擊破，剪切破壞過程中巖石銷固段被各個擊破， 所以整個剪切過程中剪切位段具有脈動的所以整個剪切過程中剪切位段具有脈動的 特征。特征。 巖體變形與破壞 3.2.2剪切變

7、形破壞機制與過程剪切變形破壞機制與過程 二、單剪應(yīng)力條件下變形破壞機制與過程二、單剪應(yīng)力條件下變形破壞機制與過程 即力偶作用于有一定厚度的剪切帶中。即力偶作用于有一定厚度的剪切帶中。 這種應(yīng)力條件下可出現(xiàn)的兩種破壞，張性這種應(yīng)力條件下可出現(xiàn)的兩種破壞，張性 雁裂和壓扭性雁裂。其中張性雁裂對軟弱雁裂和壓扭性雁裂。其中張性雁裂對軟弱 帶的強度削弱最大。帶的強度削弱最大。 三、沿已有結(jié)構(gòu)面剪切機制及過程（略）三、沿已有結(jié)構(gòu)面剪切機制及過程（略） 巖體變形與破壞 3.2.3彎曲變表破壞機制與過程彎曲變表破壞機制與過程 一、彎曲變形的基本形式一、彎曲變形的基本形式 按受力條件：橫彎、縱彎。按受力條件：橫

8、彎、縱彎。 按約束條件：簡支梁、外伸梁、懸臂梁。按約束條件：簡支梁、外伸梁、懸臂梁。 梁彎曲時，軸受擠壓，兩翼受剪力作用梁彎曲時，軸受擠壓，兩翼受剪力作用 板梁滑脫板梁滑脫 巖體變形與破壞 二、橫彎條件下巖體的彎形與破壞二、橫彎條件下巖體的彎形與破壞 a. 軸部區(qū)軸部區(qū) 若以若以 ， 代表巖代表巖 石的曲服應(yīng)力。石的曲服應(yīng)力。 b. 橫彎滑脫橫彎滑脫 滑脫可緩解軸部應(yīng)力集中現(xiàn)象，亦可使翼滑脫可緩解軸部應(yīng)力集中現(xiàn)象，亦可使翼 部應(yīng)變能釋放。但可引起地震。部應(yīng)變能釋放。但可引起地震。 2 )()()( 2 1 21 2 13 2 31 y 巖體變形與破壞 極梁彎曲變形分三個階段。 輕微隆起階段輕微

9、隆起階段 彎曲初期。梁底中心兩側(cè)出現(xiàn)局部塑性破壞，頂彎曲初期。梁底中心兩側(cè)出現(xiàn)局部塑性破壞，頂 部受拉，但尚未破壞。（部受拉，但尚未破壞。（H/D=1.8%），），H上隆量。上隆量。 強列隆起階段強列隆起階段 隨彎曲加劇，軸部頂、底均出現(xiàn)破壞區(qū)，并有上隨彎曲加劇，軸部頂、底均出現(xiàn)破壞區(qū)，并有上 下貫通的趨勢。下貫通的趨勢。H/D=7.8%。 折斷破壞階段折斷破壞階段 破壞進(jìn)一步擴(kuò)展，最終連通、折斷破壞。破壞進(jìn)一步擴(kuò)展，最終連通、折斷破壞。 （H/D=4.8%） 巖體變形與破壞 三、縱彎曲條件下巖體的變形與破三、縱彎曲條件下巖體的變形與破 壞壞 a. 極梁的屈曲的應(yīng)力條件極梁的屈曲的應(yīng)力條件 由

10、經(jīng)典歐拉公式，簡支梁條件下，屈曲的由經(jīng)典歐拉公式，簡支梁條件下，屈曲的 縱向壓力縱向壓力 其中慣性矩其中慣性矩J=bh3/12 （矩形梁板時取單寬）（矩形梁板時取單寬） 則臨界應(yīng)力則臨界應(yīng)力 cr N 2 2 l JE N cr hb N L h l JE N lr cr 2 2 2 巖體變形與破壞 多層板梁組合情況（二層介質(zhì)），等厚多層板梁組合情況（二層介質(zhì)），等厚 n：板梁層數(shù)：板梁層數(shù) 彎曲段波長：彎曲段波長： 3/1 2 2 21 62 3 n EE J cr 3/1 2 1 ) 6 (2 n hW d 巖體變形與破壞 三、縱彎曲條件下巖體的變形與破壞三、縱彎曲條件下巖體的變形與破壞

11、b. 軸部的變形與破壞軸部的變形與破壞 亦可分為三個階段：亦可分為三個階段： 輕微隆起階段，頂部拉裂，底部出現(xiàn)剖面輕微隆起階段，頂部拉裂，底部出現(xiàn)剖面x 節(jié)理。節(jié)理。 強裂隆起階段，頂部拉裂向縱深發(fā)展，底強裂隆起階段，頂部拉裂向縱深發(fā)展，底 部部x節(jié)理，護(hù)展層為中性層。節(jié)理，護(hù)展層為中性層。 剪斷破壞階段，剪斷破壞階段，x節(jié)理與拉裂面貫通，或切節(jié)理與拉裂面貫通，或切 斷板梁形成逆沖斷裂。大多數(shù)背斜符合縱斷板梁形成逆沖斷裂。大多數(shù)背斜符合縱 彎模式。彎模式。 巖體變形與破壞 四、縱彎過程中的滑脫四、縱彎過程中的滑脫 分兩種形式：分兩種形式： 背斜式滑脫：軸部虛脫，翼部單剪式剪裂。背斜式滑脫：軸部

12、虛脫，翼部單剪式剪裂。 向斜式滑脫：主要發(fā)生向臨空面方向的滑向斜式滑脫：主要發(fā)生向臨空面方向的滑 脫，甚至核部擠出。（地面剝蝕）脫，甚至核部擠出。（地面剝蝕） 巖體變形與破壞 3.3巖體在卸荷過程中的變形與破壞巖體在卸荷過程中的變形與破壞 3.3.1基本類型基本類型 拉裂面：拉應(yīng)力集中部位拉裂面：拉應(yīng)力集中部位 壓致拉裂面：平行臨空面的拉裂面壓致拉裂面：平行臨空面的拉裂面 剪裂面：層間剪切滑段剪裂面：層間剪切滑段 基坑底板彎曲隆起等?；拥装鍙澢∑鸬取?巖體變形與破壞 3.3.2差異性卸荷回彈造成的破裂差異性卸荷回彈造成的破裂 一、張性破裂面一、張性破裂面 a. 材料性質(zhì)不同造成材料性質(zhì)不同

13、造成 b. 應(yīng)力歷史不同造成應(yīng)力歷史不同造成 顆粒受壓變形，后期膠結(jié)，膠結(jié)物未經(jīng)壓顆粒受壓變形，后期膠結(jié)，膠結(jié)物未經(jīng)壓 縮，卸荷面導(dǎo)致顆粒與膠結(jié)物接觸界面上縮，卸荷面導(dǎo)致顆粒與膠結(jié)物接觸界面上 的拉裂。的拉裂。 裂紋之高部受壓亦相同。裂紋之高部受壓亦相同。 巖體變形與破壞 3.3.2差異性卸荷回彈造成的破裂差異性卸荷回彈造成的破裂 二、剪切破裂二、剪切破裂 以以 狀巖芯為典型狀巖芯為典型 其本質(zhì)也是差異性卸荷回彈，所不同的是其本質(zhì)也是差異性卸荷回彈，所不同的是 其差異性卸荷回彈是由受限面引起的。其差異性卸荷回彈是由受限面引起的。 巖體變形與破壞 3.3.3卸荷造成的變形、破裂空間卸荷造成的變形

14、、破裂空間 組合模式組合模式 3.4動荷載（略）動荷載（略） 巖體變形與破壞 3.5巖體變形破壞過程中的時間效應(yīng)巖體變形破壞過程中的時間效應(yīng) 分兩種類型：蠕變、松馳分兩種類型：蠕變、松馳 巖體變形與破壞 3.5.1巖石變形時間效應(yīng)介質(zhì)模型巖石變形時間效應(yīng)介質(zhì)模型 經(jīng)典的描述介質(zhì)流變性能的本構(gòu)模型為馬經(jīng)典的描述介質(zhì)流變性能的本構(gòu)模型為馬 克斯韋爾模型和開爾文模型。這種模型僅克斯韋爾模型和開爾文模型。這種模型僅 考慮了粘性和彈性性質(zhì)，而沒有考慮巖石考慮了粘性和彈性性質(zhì)，而沒有考慮巖石 介質(zhì)的塑性性質(zhì)。介質(zhì)的塑性性質(zhì)。 經(jīng)過這些單元的不同組合，可形成各種各經(jīng)過這些單元的不同組合，可形成各種各 樣巖體

15、的流變本構(gòu)模型。樣巖體的流變本構(gòu)模型。 巖體力學(xué)課程已介紹。巖體力學(xué)課程已介紹。 巖體變形與破壞 3.5.2巖體的累進(jìn)性破壞和加速蠕變巖體的累進(jìn)性破壞和加速蠕變 累進(jìn)性破壞，即應(yīng)力變化不大，巖體中的累進(jìn)性破壞，即應(yīng)力變化不大，巖體中的 微裂縫不斷的擴(kuò)展、轉(zhuǎn)移直至整體破壞。微裂縫不斷的擴(kuò)展、轉(zhuǎn)移直至整體破壞。 流變試驗已經(jīng)證實，只有應(yīng)力水平達(dá)到或流變試驗已經(jīng)證實，只有應(yīng)力水平達(dá)到或 超過其長期強度，加速蠕變階段才能出現(xiàn)超過其長期強度，加速蠕變階段才能出現(xiàn) （累進(jìn)性破壞）。（累進(jìn)性破壞）。 巖體變形與破壞 3.5.3巖體變形破壞與應(yīng)變速率的關(guān)系巖體變形破壞與應(yīng)變速率的關(guān)系 由馬克斯韋爾模型來說明。

16、由馬克斯韋爾模型來說明。 應(yīng)變：應(yīng)變： （ ） 應(yīng)變速率：應(yīng)變速率： c= t E T )(t t E 1 t E T 巖體變形與破壞 當(dāng)當(dāng) 時，即時，即 常數(shù)，常數(shù)， 常數(shù)。常數(shù)。 應(yīng)為等速蠕變，巖體內(nèi)應(yīng)力保持不變。應(yīng)為等速蠕變，巖體內(nèi)應(yīng)力保持不變。 當(dāng)當(dāng) 0，則，則C0，則，則C ，巖體內(nèi)應(yīng)力有增加趨，巖體內(nèi)應(yīng)力有增加趨 勢，直至達(dá)到新的平衡。勢，直至達(dá)到新的平衡。 巖體變形過程存在一臨界應(yīng)變速率巖體變形過程存在一臨界應(yīng)變速率C0。 當(dāng)當(dāng)CC0時，加速蠕變，可導(dǎo)致巖體時，加速蠕變，可導(dǎo)致巖體 破壞可能。破壞可能。 當(dāng)應(yīng)變速率當(dāng)應(yīng)變速率C降低，巖體內(nèi)應(yīng)力將逐漸減小，降低，巖體內(nèi)應(yīng)力將逐漸減小

17、， 松馳。松馳。 0 C 巖體變形與破壞 3.5.4粘滑和嵌入蠕變粘滑和嵌入蠕變 粘滑：指剪切破壞過程中，由于動、靜摩粘滑：指剪切破壞過程中，由于動、靜摩 擦角的差異或由于凸起體剪斷、翻越，或擦角的差異或由于凸起體剪斷、翻越，或 由于轉(zhuǎn)動磨擦中的翻轉(zhuǎn)所造成的剪切位移由于轉(zhuǎn)動磨擦中的翻轉(zhuǎn)所造成的剪切位移 突躍現(xiàn)象。突躍現(xiàn)象。 粘滑現(xiàn)象可能與剪切上的凸起體嵌入蠕變粘滑現(xiàn)象可能與剪切上的凸起體嵌入蠕變 機制有關(guān)。機制有關(guān)。 嵌入時，靜磨擦系數(shù)將提高。嵌入時，靜磨擦系數(shù)將提高。 巖體變形與破壞 3.5.4粘滑和嵌入蠕變粘滑和嵌入蠕變 結(jié)論：結(jié)論： 按運動特征，沿結(jié)構(gòu)面的滑移分穩(wěn)滑和粘滑面種按運動特征，

18、沿結(jié)構(gòu)面的滑移分穩(wěn)滑和粘滑面種 基本類型?；绢愋?。 穩(wěn)滑狀態(tài)的產(chǎn)生條件：結(jié)構(gòu)面平堤或有足夠厚的穩(wěn)滑狀態(tài)的產(chǎn)生條件：結(jié)構(gòu)面平堤或有足夠厚的 夾泥。夾泥。 勻速滑動勻速滑動 粘滑時釋放的能量大小不僅與粘滑機制有關(guān)，對粘滑時釋放的能量大小不僅與粘滑機制有關(guān)，對 某一特定剪切滑移，停止活動承受法向應(yīng)力時間某一特定剪切滑移，停止活動承受法向應(yīng)力時間 愈長，則粘滑時釋放的能量也就愈高。愈長，則粘滑時釋放的能量也就愈高。 巖體變形與破壞 3.6空隙水壓力在巖體變形破壞中的空隙水壓力在巖體變形破壞中的 作用作用 一、有效應(yīng)力原理在巖體中的適用性一、有效應(yīng)力原理在巖體中的適用性 完全適用完全適用 注意：其對巖體強度的影響。注意：其對巖體強度的影響。 顯然，顯然， 。即存在時，巖體強度降低。即存在時，巖體強度降低。 ctg n etgp n )( 巖體變形與破壞 二、空隙水壓力變化對巖體變形破壞的二、空隙水壓力變