第章巖體破壞機制及強度

1、第 4 章 巖體破壞機制及強度研究4.1 巖體結(jié)構(gòu)4.2 巖體的力學介質(zhì)分類4.3 塊裂介質(zhì)巖體破壞機制及強度研究4.4 連續(xù)介質(zhì)巖體破壞機制及強度研究4.5 碎裂介質(zhì)巖體破壞機制及強度研究第 4 章 巖體破壞機制及強度研究巖體（Rock Mass）定義為由巖石組成的地質(zhì)體作為工程作用對象時的專用名稱。巖體的組成要素：巖塊、結(jié)構(gòu)面、與結(jié)構(gòu)面內(nèi)的充填物的結(jié)合體。巖體與地質(zhì)體的區(qū)別：研究目的和內(nèi)容，并不以規(guī)模大小區(qū)別。4.1.1 巖體結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)面定義:巖體中各式各樣大小不等的、力學強度相對較低的二維面狀不連續(xù)地質(zhì)界面稱為結(jié)構(gòu)面，如層理、節(jié)理、劈理、片理、斷裂等。巖塊：被結(jié)構(gòu)面所切割的大小不等，形體

2、各異的巖石結(jié)構(gòu)體，稱為巖塊。它是組成巖體的最小單元。4.1 巖體結(jié)構(gòu)第 4 章 巖體破壞機制及強度研究1）結(jié)構(gòu)面的地質(zhì)成因分類原生結(jié)構(gòu)面：它是巖體建造過程中形成的結(jié)構(gòu)面，分為沉積結(jié)構(gòu)面、巖漿結(jié)構(gòu)面、變質(zhì)結(jié)構(gòu)面；構(gòu)造結(jié)構(gòu)面：它是受構(gòu)造應力的作用所產(chǎn)生的破裂面，如：節(jié)理、劈理、斷層等 分類：壓性、 張性、 剪切次生結(jié)構(gòu)面：它是由于巖體受載荷、風化、冰凍等表生作用所形成的結(jié)構(gòu)面。2）結(jié)構(gòu)面的特征4.1 巖體結(jié)構(gòu)第 4 章 巖體破壞機制及強度研究結(jié)構(gòu)面的特征可以用六個因素表征（1）結(jié)構(gòu)面膠結(jié)或結(jié)合狀況（2）結(jié)構(gòu)面充填狀況（3）結(jié)構(gòu)面粗糙度及起伏度等形態(tài)特征（4）結(jié)構(gòu)面連續(xù)性、貫通性、延展性及規(guī)模（5）

3、結(jié)構(gòu)面密度（6）結(jié)構(gòu)面的空間分布特征3）結(jié)構(gòu)面的工程分類結(jié)構(gòu)面分類：軟弱結(jié)構(gòu)面 有充填物 硬性結(jié)構(gòu)面 無充填物4.1 巖體結(jié)構(gòu)第 4 章 巖體破壞機制及強度研究4.1 巖體結(jié)構(gòu)表 1 巖體結(jié)構(gòu)面級序及其特征第 4 章 巖體破壞機制及強度研究4.1.2 巖體結(jié)構(gòu)巖體分類(基本類型) 表 2塊裂結(jié)構(gòu) :在 I、II級軟弱結(jié)構(gòu)面切割下形成碎裂結(jié)構(gòu)：在III、IV級硬性結(jié)構(gòu)面切割下形成散體結(jié)構(gòu)：由無序狀態(tài)的結(jié)構(gòu)面切割下形成完整結(jié)構(gòu)：包含有IV級以下的不連續(xù)、不相互切割 的結(jié)構(gòu)面。4.1 巖體結(jié)構(gòu)4.1 巖體結(jié)構(gòu)第 4 章 巖體破壞機制及強度研究表 2 巖體結(jié)構(gòu)的基本類型4.1 巖體結(jié)構(gòu)第 4 章 巖體

4、破壞機制及強度研究第 4 章 巖體破壞機制及強度研究4.1.3 單一裂縫的基本參數(shù)(1)裂縫的張開度：裂縫的張開度或?qū)挾瓤捎闪芽p壁之間的距離來表示。裂縫張開度取決于深度、孔隙壓力、巖石類型統(tǒng)計表明：裂縫張開度一般在10-200m，最常見的范圍在10-40 m之間。見圖測試方法：4.1 巖體結(jié)構(gòu)第 4 章 巖體破壞機制及強度研究4.1.3 單一裂縫的基本參數(shù)（2）裂縫的大小 指的是裂縫的長度和巖層厚度之間的關(guān)系。較小的裂縫的長度小于單個生產(chǎn)層厚度；中等的裂縫穿過較多層；較大的裂縫延伸極大，達10m，甚至幾百米。（3）裂縫的性質(zhì)張開度：張開，閉合充填：裂縫壁：多褶皺、光滑、磨光、蠕變（4）裂縫方向

5、：用傾斜方位角和傾角表示4.1 巖體結(jié)構(gòu)4.1 巖體結(jié)構(gòu)第 4 章 巖體破壞機制及強度研究第 4 章 巖體破壞機制及強度研究4.1.4 裂縫的力學特性（1） 基本力學特性法向變形：研究法向應力作用下裂縫的法向變形之間的關(guān)系，實驗揭示：其法向應力與法向變形呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系： U=U0（1 - e-n/kn）U0軟弱面的最大壓縮量，Kn為法向壓縮剛度；MPa/cmU的單位取cm，應力取MPa，4.1 巖體結(jié)構(gòu)第 4 章 巖體破壞機制及強度研究剪切變形：討論：Ks為常數(shù)，對于硬性結(jié)構(gòu)面 Ks為變數(shù)，對于軟弱結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)面的抗剪強度4.1 巖體結(jié)構(gòu)第 4 章 巖體破壞機制及強度研究（2）裂縫的粗糙度裂縫的

6、粗糙度：指不連續(xù)面相對于其平均面的固有表面不平整度和波紋度。討論：粗糙度的作用隨裂縫張開度、充填厚度、剪切位移的增加而減小。4.1 巖體結(jié)構(gòu)第 4 章 巖體破壞機制及強度研究Barton（1973）提出將JRC分為10級，其取值如表。4.1 巖體結(jié)構(gòu)第 4 章 巖體破壞機制及強度研究結(jié)構(gòu)面粗糙度的分形研究a）分形維數(shù)的量測與計算（1）量規(guī)法；（2）盒計數(shù)維數(shù)法；（3）自相關(guān)系數(shù)法；（4）功率譜密度法b）不連續(xù)面粗糙度系數(shù)與分形維數(shù)的關(guān)系（1）Sakallariou（1989），Lee（1990）等將JSRM所推薦的10條標準剖面進行數(shù)值化，用量規(guī)法估計分維值D=1.0+2.92110-4 JR

7、C+1.795 10-5 JRC2 D(1-1.0134)(2) Carr(1987) D=(JRC+1022.55)/1023.92當JRC在1-20內(nèi)變化, D=1.0-1.01824.1 巖體結(jié)構(gòu)第 4 章 巖體破壞機制及強度研究結(jié)構(gòu)面粗糙度的分形研究(3)徐光黎(1993) JRC=85.2671(D-1)0.5679 D(1-1.0778)(4)YU 和 Vayssale (1991) D(1.0-1.0135)(5) Xie和Pamseau 采用構(gòu)造Vom kock 雪花的方法4.1 巖體結(jié)構(gòu)第 4 章 巖體破壞機制及強度研究結(jié)構(gòu)面粗糙度的分形研究(C) 粗糙度系數(shù)尺寸效應JRCn

8、=JRC0(Ln/L0)-0.02JRC0JCSn=JCS0(Ln/L0)-0.03JCS04.1 巖體結(jié)構(gòu)第 4 章 巖體破壞機制及強度研究4.1.5 巖體裂縫分布特征1) 裂縫密度線性密度:指與一直線(垂直于流動方向)相交的裂縫的數(shù)目(n)和此直線的長度的比值:面積密度:指裂縫累計長度 和流動截面上基質(zhì)總面積SB的比值4.1 巖體結(jié)構(gòu)第 4 章 巖體破壞機制及強度研究體積密度:裂縫總面積S與基質(zhì)總體積的比值:體積密度是靜態(tài)參數(shù),面積密度與線密度與流動方向相關(guān)注意:當度量直線或平面與裂縫成一定夾角時,應做相應的投影.4.1 巖體結(jié)構(gòu)第 4 章 巖體破壞機制及強度研究2)裂縫強度Ruhland

9、提出裂縫強度參數(shù),用以確定在破裂過程中,各層的固有特性(滲透率、孔隙度、膠結(jié)作用等），層的厚度及其構(gòu)造部位所起的作用。裂縫強度為裂縫頻率（FF）與巖層厚度頻率的比值。 FINT=裂縫頻率/厚度頻率=FF/THF4.1 巖體結(jié)構(gòu)第 4 章 巖體破壞機制及強度研究Ruhland研究指出：裂縫強度參數(shù)通常在0.01-100之間變化。4.1 巖體結(jié)構(gòu)第 4 章 巖體破壞機制及強度研究3)裂縫分布的自相似性1970S-1980S,混沌與分形幾何學的創(chuàng)立,世界科學進入了非線性科學時代。自相似性(self similar)：尺度對稱性或尺度變換不變性裂縫分布的分形幾何學研究：單一裂縫的凹凸不平度；裂縫系統(tǒng)的

10、分布形式、密度等等。arton C. C.(1985)研究了Yuccas山脈的裂縫網(wǎng)絡分形特征,Aviles C. A.(1986)研究了San Andress斷層的特點:結(jié)果表明:某大尺度區(qū)域與該區(qū)域中子區(qū)域的裂縫分布形式相同.4.1 巖體結(jié)構(gòu)第 4 章 巖體破壞機制及強度研究3)裂縫分布的自相似性4.1 巖體結(jié)構(gòu)第 4 章 巖體破壞機制及強度研究4)裂縫分布的分形規(guī)律4.1 巖體結(jié)構(gòu)第 4 章 巖體破壞機制及強度研究4)裂縫分布的分形規(guī)律裂縫數(shù)量分布特征的尺度不變性裂縫走向分組分布特征同一地層不同巖層之間裂縫分形分布的相關(guān)規(guī)律4.1 巖體結(jié)構(gòu)第 4 章 巖體破壞機制及強度研究裂縫分布的分形

11、仿真二維分形仿真4.1 巖體結(jié)構(gòu)第 4 章 巖體破壞機制及強度研究裂縫分布的分形仿真三維分形仿真4.1 巖體結(jié)構(gòu)第 4 章 巖體破壞機制及強度研究4.2.1 連續(xù)介質(zhì)力學的基本思想“連續(xù)性”假設(shè):連續(xù)的數(shù)學、連續(xù)的時空、連續(xù)的物質(zhì)觀、產(chǎn)生了連續(xù)的科學理論。連續(xù)性是人們在更粗略的宏觀水平上，對物質(zhì)性態(tài)的一種抽象與簡化，是從統(tǒng)計平均意義上來處理看待物質(zhì)性態(tài)變化的一種方法。“表征體積單元”“控制體積單元”是建立連續(xù)介質(zhì)力學的最最重要的基石。表述為保持某種物理參量不變的臨界體積。對于孔隙率而言：如圖連續(xù)性假設(shè)的相對性4.2 巖體的力學介質(zhì)分類第 4 章 巖體破壞機制及強度研究4.2.1 連續(xù)介質(zhì)力學的

12、基本思想4.2 巖體的力學介質(zhì)分類第 4 章 巖體破壞機制及強度研究4.2.1 連續(xù)介質(zhì)力學的基本思想4.2 巖體的力學介質(zhì)分類第 4 章 巖體破壞機制及強度研究4.2.2 巖體的力學介質(zhì)分類力學介質(zhì):材料在外力作用下,表現(xiàn)為一定的本構(gòu)規(guī)律,可以把它抽象為具有一定特征的數(shù)學力學模型,把可以用一定的數(shù)學力學模型來表征的實體稱為力學介質(zhì)。巖體力學介質(zhì)類型劃分的依據(jù)：根據(jù)巖體中應力作用的特點、變形及破壞機制。4.2 巖體的力學介質(zhì)分類第 4 章 巖體破壞機制及強度研究分類依據(jù)：巖體力學介質(zhì)性態(tài)簡化主要取決于巖體表征體積單元尺度與巖體工程規(guī)模尺度之相對比值。分類結(jié)果（趙陽升，1994）4.2 巖體的力

13、學介質(zhì)分類第 4 章 巖體破壞機制及強度研究4.2 巖體的力學介質(zhì)分類表 3 巖體力學介質(zhì)類型及其特征（孫廣忠，1980）4.3 塊裂介質(zhì)巖體破壞機制及強度分析4.3.1 破壞機制及強度分析塊裂介質(zhì)巖體破壞方式是塊裂體沿軟弱結(jié)構(gòu)面的滑動，軟弱結(jié)構(gòu)面控制著塊裂介質(zhì)巖體的破壞機制。4.3.2 研究結(jié)構(gòu)面強度的原理及方法4.3 塊裂介質(zhì)巖體破壞機制及強度分析4.3 塊裂介質(zhì)巖體破壞機制及強度分析4.3.2 研究結(jié)構(gòu)面強度的原理及方法1. 對結(jié)構(gòu)面進行大比例尺地質(zhì)素描;2. 根據(jù)結(jié)構(gòu)面力學機制,制訂試驗方案;3. 典型地質(zhì)單元巖體直剪試驗;4. 利用典型地質(zhì)單元試驗結(jié)果,根據(jù)結(jié)構(gòu)面內(nèi)充填物成分分段給出

14、平直結(jié)構(gòu)面強度;5. 根據(jù)結(jié)構(gòu)面內(nèi)充填物厚度,效應,并進行爬坡角改正;6. 利用加權(quán)平均法進行綜合分析,給出巖體結(jié)構(gòu)面強度.4.3 塊裂介質(zhì)巖體破壞機制及強度分析4.3 塊裂介質(zhì)巖體破壞機制及強度分析4.3.3 結(jié)構(gòu)面內(nèi)充填物的力學效應反映在兩個方面:1. 充填物的力學效應 軟碎散的物質(zhì),結(jié)構(gòu)面強度降低. 角礫一類較硬的物質(zhì),結(jié)構(gòu)面強度提高.2. 充填物厚度的力學效應 平直結(jié)構(gòu)面厚度的影響 起伏結(jié)構(gòu)面厚度的影響4.3 塊裂介質(zhì)巖體破壞機制及強度分析4.3 塊裂介質(zhì)巖體破壞機制及強度分析4.3 塊裂介質(zhì)巖體破壞機制及強度分析4.3 塊裂介質(zhì)巖體破壞機制及強度分析4.3 塊裂介質(zhì)巖體破壞機制及強度

15、分析4.3 塊裂介質(zhì)巖體破壞機制及強度分析4.3.4 結(jié)構(gòu)面形態(tài)的力學效應及結(jié)構(gòu)面強度平直結(jié)構(gòu)面: 4.3 塊裂介質(zhì)巖體破壞機制及強度分析4.3 塊裂介質(zhì)巖體破壞機制及強度分析4.3.4 結(jié)構(gòu)面形態(tài)的力學效應及結(jié)構(gòu)面強度臺階狀結(jié)構(gòu)面: 剪斷破壞 壓剪破壞4.3 塊裂介質(zhì)巖體破壞機制及強度分析4.3 塊裂介質(zhì)巖體破壞機制及強度分析4.3.4 結(jié)構(gòu)面形態(tài)的力學效應及結(jié)構(gòu)面強度起伏狀結(jié)構(gòu)面: 4.3 塊裂介質(zhì)巖體破壞機制及強度分析4.4 連續(xù)介質(zhì)巖體破壞機制及強度分析連續(xù)介質(zhì)巖體遵循連續(xù)介質(zhì)力學的一切條件,應力連續(xù),變形相容等破壞機制:其破壞機制與圍壓密切相關(guān),更多的取決于巖相存在尺寸效應:4.4

16、連續(xù)介質(zhì)巖體破壞機制及強度分析4.4 連續(xù)介質(zhì)巖體破壞機制及強度分析4.4 連續(xù)介質(zhì)巖體破壞機制及強度分析4.5 碎裂介質(zhì)巖體破壞機制及強度分析4.5.1 碎裂介質(zhì)巖體 在外力作用下,結(jié)構(gòu)面具有明顯作用的巖體稱為碎裂介質(zhì)巖體力學作用機制: 1.受結(jié)構(gòu)面控制; 2. 有時又不受結(jié)構(gòu)面控制;3. 受結(jié)構(gòu)體的塊度、形狀、產(chǎn)狀及結(jié)構(gòu)體強度控制4.5.2 結(jié)構(gòu)面不起作用的條件4.5 碎裂介質(zhì)巖體破壞機制及強度分析4.5 碎裂介質(zhì)巖體破壞機制及強度分析4.5 碎裂介質(zhì)巖體破壞機制及強度分析4.5 碎裂介質(zhì)巖體破壞機制及強度分析4.5.3 碎裂介質(zhì)巖體強度的結(jié)構(gòu)效應 結(jié)構(gòu)效應主要表現(xiàn)在兩個方面: 1. 力學性質(zhì)的方向性; 2. 結(jié)構(gòu)特征對巖體力學性質(zhì)的影響 中科院地質(zhì)所1976年取得的板巖巖體結(jié)構(gòu)影響結(jié)果: 4.5 碎裂介質(zhì)巖體破壞機制及強度分析4.5 碎裂介質(zhì)巖體破壞機制及強度分析4.5 碎裂介質(zhì)巖體破壞機制及強度分析4.5 碎裂介質(zhì)巖體破壞機