巖石力學課件第三章巖體力學性質(zhì)

第三章巖體的力學特性本章內(nèi)容3.1概述3.2巖體結(jié)構(gòu)基本類型；3.3巖體的結(jié)構(gòu)面及其自然特征；3.4結(jié)構(gòu)面的力學性質(zhì)3.5巖體的變形性質(zhì)3.6巖體的強度特性3.7巖體的水力學性質(zhì)3.8巖體質(zhì)量評價及其分類基本要求了解巖體結(jié)構(gòu)的基本類型，理解巖體結(jié)構(gòu)面特征；掌握結(jié)構(gòu)面的力學性質(zhì)及巖體的變形性質(zhì)；理解巖體的強度特性，了解巖體的水力學性質(zhì)；掌握巖體質(zhì)量評價及其分類方法；第三章巖體的力學特性本章內(nèi)容1第三章巖體的力學性質(zhì)第一節(jié)概述第二節(jié)巖體結(jié)構(gòu)的基本類型第三節(jié)巖體的結(jié)構(gòu)面及其自然特征第四節(jié)結(jié)構(gòu)面的力學性質(zhì)第五節(jié)巖體的變形性質(zhì)第六節(jié)巖體的強度特性第七節(jié)巖體的水力學性質(zhì)第八節(jié)巖體質(zhì)量評價及其分類主要內(nèi)容第三章巖體的力學性質(zhì)第一節(jié)概述主要內(nèi)容2

巖體=結(jié)構(gòu)面（弱面）+結(jié)構(gòu)體（巖石塊體）結(jié)構(gòu)面：斷層、褶皺、節(jié)理……統(tǒng)稱影響巖體力學性質(zhì)的基本因素：結(jié)構(gòu)體(巖石)力學性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面力學性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)力學效應和環(huán)境因素(特別是水和地應力的作用)§3.1概述巖體=結(jié)構(gòu)面（弱面）+結(jié)構(gòu)體（巖石塊體）影響巖體力學3§3.2巖體結(jié)構(gòu)的基本類型

（地質(zhì)學、復習、了解）§3.2巖體結(jié)構(gòu)的基本類型

（地質(zhì)學、復習、了解）4§3.3巖體中的結(jié)構(gòu)面及自然特征次生結(jié)構(gòu)面§3.3.1結(jié)構(gòu)面類型（自學、了解、提問）火成結(jié)構(gòu)面沉積結(jié)構(gòu)面變質(zhì)結(jié)構(gòu)面成因及類型原生結(jié)構(gòu)面構(gòu)造結(jié)構(gòu)面斷層節(jié)理劈理§3.3巖體中的結(jié)構(gòu)面及自然特征次生結(jié)構(gòu)面§3.3.1結(jié)構(gòu)面5§3.3.2結(jié)構(gòu)面的自然特征1.充填膠結(jié)特征幾何形態(tài)特征有充填無充填薄膜充填（2mm以下）斷續(xù)充填連續(xù)充填厚層充填（數(shù)十厘米至數(shù)米）平直型波浪型鋸齒型臺階型凹凸度（量化指標）起伏度（起伏角i)粗糙度(五級）2.§3.3.2結(jié)構(gòu)面的自然特征1.充填膠結(jié)特征幾何形態(tài)特征有63.空間分布特征

產(chǎn)狀（即方位）及其變化延展性密集程度組合關(guān)系結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀及其變化：結(jié)構(gòu)面的走向與傾向及其變化結(jié)構(gòu)面的延展性：結(jié)構(gòu)面在某一方向上的連續(xù)性或結(jié)構(gòu)面連續(xù)段長短的程度。分為非貫通性的、半貫通性及貫通性的結(jié)構(gòu)面3.空間分布特征產(chǎn)狀（即方位）及其變化延展性結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)7結(jié)構(gòu)面的密集程度

設(shè)取樣線長度為l

，在l上出現(xiàn)的節(jié)理條數(shù)為n，則節(jié)理之間的平均間距為裂隙度K切割度Xe20m實例：k=4/20=0.2/md=1/k=5ma.單組節(jié)理(具有同一走向）（1）裂隙度K:同一組結(jié)構(gòu)面沿法線方向單位長度上的節(jié)理數(shù)量l結(jié)構(gòu)面的密集程度裂隙度K20m實例：k=4/20=0.8d>180cm整體結(jié)構(gòu)d=30~180塊狀結(jié)構(gòu)d<30破裂結(jié)構(gòu)d<6.5極破裂結(jié)構(gòu)

K=0~1/m疏節(jié)理K=1~10/m密節(jié)理K=10~100/m很密節(jié)理K=100~1000/m糜棱節(jié)理

按間距分類按裂隙度分類

9兩組節(jié)理的裂隙度計算圖b.兩組節(jié)理ma:

沿取樣線節(jié)理平均間距;da:節(jié)理垂直間距；c.多組節(jié)理兩組節(jié)理的裂隙度計算圖b.兩組節(jié)理ma:沿取樣線節(jié)理平均間10（2）切割度Xe：節(jié)理在巖體內(nèi)的貫通程度。多處不連續(xù)切割疊加：假設(shè)在巖體中取一平直斷面，總截面積為A，其中被節(jié)理面切割的面積為a；則切割度為（2）切割度Xe：節(jié)理在巖體內(nèi)的貫通程度。多處不連續(xù)切割疊11§3.4結(jié)構(gòu)面的力學性質(zhì)

法向變形切向變形

變形性質(zhì)強度性質(zhì)(一）法向變形1.變形特性

在法向荷載作用下，結(jié)構(gòu)面間隙呈非線性減小，應力與法向變形呈指數(shù)關(guān)系。(原因）

當荷載去除時，將引起明顯的后滯和非彈性效應。

Kn－法向變形剛度

Kn0－結(jié)構(gòu)面的初始剛度趨勢：σn

↑

，Kn↑（Goodman,1974）§3.4結(jié)構(gòu)面的力學性質(zhì)法向變形變形性質(zhì)強度性質(zhì)(一）法12Goodman方法：①節(jié)理無抗拉強度②極限閉合量δmax＜e（節(jié)理的厚度）（1）基本假設(shè)（2）狀態(tài)方程2.閉合變形量計算：－原始應力，由測量時的初始條件決定；δn,δmax－結(jié)構(gòu)面閉合量，最大閉合量;A,t－回歸參數(shù)，與結(jié)構(gòu)面幾何特征、巖石力學性質(zhì)有關(guān)。Goodman方法：①節(jié)理無抗拉強度（1）基本假設(shè)（2）狀態(tài)13（二）節(jié)理的切向變形通常有兩種形式：A）粗糙（或非充填）結(jié)構(gòu)面剪切變形曲線；B）平坦（或有充填物）的結(jié)構(gòu)面區(qū)別及原因見下頁力學模型（二）節(jié)理的切向變形通常有兩種形式：A）粗糙（或非充填）結(jié)構(gòu)14結(jié)構(gòu)面的剪切變形:與巖石強度、結(jié)構(gòu)面粗糙性和法向力有關(guān)法向力不足夠大沿凸臺斜面滑動剪脹（或擴容）法向力足夠大沿凸臺剪斷不產(chǎn)生明顯剪脹結(jié)構(gòu)面的剪切變形:與巖石強度、結(jié)構(gòu)面粗糙性和法向力有關(guān)法向15

（三）抗剪強度

i服從庫侖準則:

（三）抗剪強度

i服從庫侖準則:16影響抗剪強度的三個基本因素：法向力σn粗糙度JRC結(jié)構(gòu)面強度JCS結(jié)構(gòu)面抗剪強度公式（Barton和choubey,1977)：影響抗剪強度的三個基本因素：17粗糙度JRC（目測）分維數(shù)粗糙度JRC（目測）分維數(shù)18§3.5巖體的變形性質(zhì)法向變形特征剪切變形特征各向異性變形特性巖體的變形（一）法向變形特征：1.法向變形試驗：承壓板法、鉆孔變形法、狹縫法、§3.5巖體的變形性質(zhì)法向變形特征巖體的變形（一）法向變形191）承壓板法選具有代表性的試驗地點清除浮石，平整巖面逐級一次循環(huán)法加壓巖體變形模量Em和彈性模量Eme公式：

p－承受板單位面積上的壓力(MPa)；

D－承壓板直徑或邊長(cm)；

?、?

e－相應于p下的巖體總變形和彈性變形（cm）；

ω－與承壓板形狀與剛度有關(guān)的系數(shù)，對圓形板＝0.785；方形板＝0.886；

μm－巖體的泊松比。(J.Boussineq)1）承壓板法選具有代表性的試驗地點巖體變形模量Em和彈性模量202）鉆孔變形法巖體的變形模量（Em）計算公式：U－徑向變形μm－巖體的泊松比;厚壁圓筒理論對巖體擾動較?。豢稍诘叵滤灰韵潞拖喈斏畹牟课贿M行；試驗方向基本不受限制，試驗壓力大；可以同時測量幾個方向的變形，便于研究各向異性；優(yōu)點（相對于承壓板法來說）：缺點：涉及的巖體體積小，代表性差。2）鉆孔變形法巖體的變形模量（Em）U－徑向變形厚壁圓筒理論213）狹縫法：p－作用于槽壁上的壓力（MPa）；?－量測點A1、A2的相對位移值(cm)，?=y2-y1。

μm－巖體的泊松比;3）狹縫法：p－作用于槽壁上的壓力（MPa）；222.法向變形曲線及特征：（1）直線型（彈性巖體）巖性均勻且結(jié)構(gòu)面不發(fā)育或結(jié)構(gòu)面分布均勻的巖體（2）上凹型（塑-彈性巖體）含軟弱夾層的層狀巖體及裂隙巖體（3）上凸型（彈-塑性巖體）結(jié)構(gòu)面發(fā)育且有泥質(zhì)充填的巖體。（4）復合型：階梯或“S”型（塑-彈-塑性巖體)結(jié)構(gòu)面發(fā)育不均或巖性不均勻的巖體。2.法向變形曲線及特征：（1）直線型（彈性巖體）巖性均勻且23（二）剪切變形特征：峰前變形平均斜率小，破壞位移大；峰后強度損失小。(a)沿軟弱結(jié)構(gòu)面剪切峰前變形平均斜率較大，峰值強度較高；峰后有明顯應力降。(b)沿粗糙結(jié)構(gòu)面、軟弱巖體及強風化巖體剪切峰前變形斜率大，峰值強度高，破壞位移?。环搴髿堄鄰姸容^低。(c)堅硬巖體受剪切（二）剪切變形特征：峰前變形平均斜率小，破壞位移大；峰后強度24（三）各向異性變形特征：（P101蔡）造成巖體變形各向異性的兩個基本因素：①物質(zhì)成分和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的方向性；②節(jié)理、結(jié)構(gòu)面和層面的方向性。巖石的全部或部分物理、力學特性隨方向不同而表現(xiàn)出差異的現(xiàn)象稱為巖石的各向異性。（三）各向異性變形特征：（P101蔡）造成巖體變形各向異性的25§3.6巖體的強度特性§3.6.1巖體強度的測定（一）巖體單軸抗壓強度的測定圖3-24巖體單軸抗壓強度測定1－方木；2－工字鋼；3－千斤頂；4－水泥砂漿現(xiàn)場原位切割較大尺寸試體（邊長0.5～1.5m的立方體）；為了保持原有的力學條件，試塊附近不能爆破，機械破巖。千斤頂和液壓枕（扁千斤頂）加載。水泥砂漿抹平試體表面→墊方木、工字鋼→加載→計算強度試件§3.6巖體的強度特性§3.6.1巖體強度的測定（一）巖體單26（二）巖體抗剪強度的測定雙千斤頂法：1.正壓力P和橫推力T的合力通過剪切面中心。3.試驗5組以上2.橫推千斤頂成15°角傾斜布置。計算公式：

P、T－垂直及橫向千斤頂施加的荷載；

S－試體受剪截面積。（二）巖體抗剪強度的測定雙千斤頂法：1.正壓力P和橫推力T27（三）巖體三軸強度試驗地下工程的受力狀態(tài)是三維的，所以三軸力學試驗非常重要。千斤頂加軸向荷載壓力枕加圍壓荷載準三軸（等圍壓）：實用性更強。圖3-26原位巖體三軸試驗1一混凝土頂座；2、4、6－墊板；3一頂柱；5一球面墊；7一壓力枕；8一試件；9一液壓表；10一液壓枕真三軸：中間主應力在巖體強度中起著重要作用，在多節(jié)理巖體中尤為重要。試體（三）巖體三軸強度試驗地下工程的受力狀態(tài)是三維的，所以三軸力28

§3.6.2結(jié)構(gòu)面的強度效應

一、單節(jié)理和多節(jié)理的力學效應（一）單節(jié)理的力學效應設(shè)結(jié)構(gòu)面的強度條件設(shè)節(jié)理的方向角為β節(jié)面上的應力(圖）

§3.6.2結(jié)構(gòu)面的強度效應

一、單節(jié)理和多節(jié)理的力學效29

①當

（巖石塊體破壞，結(jié)構(gòu)面不破壞）②當節(jié)理面的存在不削弱巖塊強度③對

求一階導數(shù)，并令其為零得

此時節(jié)理面對巖體的強度削弱最大并令得：

當可能結(jié)構(gòu)面破壞③對求一階導數(shù)，并令其為零得30

巖石節(jié)理同時破壞，巖體強度等于巖塊強度巖塊先破壞，巖體強度等于巖塊強度或節(jié)理先破壞，巖體強度小于巖塊強度

或圖解法:

直接在圖2－20量??；巖石節(jié)理同時破壞，巖體強度等于巖塊強度巖塊先破壞，巖體強31也可以由正弦定律推出：(見圖2－20）也可以由正弦定律推出：(見圖2－20）32（二）多節(jié)理的力學效應（疊加）

兩組以上的節(jié)理同樣處理，只不過巖體總是沿一組最有利破壞的節(jié)理首先破壞。圖3－21兩組節(jié)理力學模型圖3－20σ1與β的關(guān)系曲線（二）多節(jié)理的力學效應（疊加）兩組以上的節(jié)理同樣處理33二、當C=0時節(jié)理面的力學效應這時庫侖準則用主應力表示上式，得：

已知σ1,由上式可計算出維持破裂巖體極限穩(wěn)定的側(cè)向壓力σ3，即巖體所需的最小支護力此時巖體的強度只靠碎塊之間的摩擦力來提供。二、當C=0時節(jié)理面的力學效應這時庫侖準則已知σ1,由上式34

3.7巖體的水力學性質(zhì)巖體的水力學性質(zhì)：巖體與水共同作用所表現(xiàn)出來的力學性質(zhì)。巖體與水的相互作用，一方面水改變著巖體的物理、化學及力學性質(zhì)，另一方面巖石也改變著地下水自身的物理、力學性質(zhì)及化學組份。地下水對巖體的作用物理作用化學作用力學作用3.7巖體的水力學性質(zhì)巖體的水力學性質(zhì)：巖體與水共同作用35（一）物理作用：巖體結(jié)構(gòu)面上的摩阻力減小改變巖體結(jié)構(gòu)面充填物的物理性狀，內(nèi)聚力和摩擦角減小。→軟化系數(shù)η區(qū)別于重力水的潤滑，軟化作用。（二）化學作用：離子交換、溶解和溶蝕作用（黃土濕陷及巖溶）、水化作用（膨脹巖的膨脹）、水解作用、氧化還原作用、沉淀作用以及超滲透作用等。潤滑作用：軟化和泥化作用：結(jié)合水的強化作用：泥石流、山體滑坡（一）物理作用：巖體結(jié)構(gòu)面上的摩阻力減小改變巖體結(jié)構(gòu)面充填物36（三）力學作用：孔隙靜水壓力作用孔隙動水壓力作用

當多孔連續(xù)介質(zhì)巖土體中存在孔隙地下水時，未充滿孔隙的地下水使巖土體的有效應力增加：σα有效應力，σ

總應力，p

孔隙靜水水壓力

當?shù)叵滤錆M多孔連續(xù)介質(zhì)巖土體時，使有效應力減?。害姚粒?/p>

，p

：含義同上（三）力學作用：孔隙靜水壓力作用孔隙動水壓力作用當多孔連續(xù)37當多孔連續(xù)介質(zhì)巖土體中充滿流動的地下水時，施加孔隙靜水壓力和動水壓力作用，其中，動水壓力為：τd

動水壓力，γ地下水容重，J地下水水力坡度

當裂隙巖體充滿流動的地下水時，施加一垂直于裂隙壁面的靜水壓力和平行于裂隙壁面的動水壓力，其中，動水壓力為：b：裂隙的隙寬，τd

，γ，J意義同上當多孔連續(xù)介質(zhì)巖土體中充滿流動的地下水時，施加孔隙靜水壓力38

3.8巖體質(zhì)量評價及其分類為了在工程設(shè)計與施工中能區(qū)分出巖體質(zhì)量的好壞和表現(xiàn)在穩(wěn)定性上的差別，需要對巖體作合理的分類，以作為選擇工程結(jié)構(gòu)參數(shù)、科學管理生產(chǎn)以及評價經(jīng)濟效益的依據(jù)之一。（一）普氏分級法：f=σc/10常沿用但具有嚴重局限性。(二）巖石質(zhì)量指標RQD分類(笛爾Deer，1964)：RQD＜2525～5050～7575～90＞90巖石質(zhì)量描述很差差一般好很好等級IIIIIIIVVRockQualityDesignation:沒反映出節(jié)理的方位、充填物的影響等，在更完備的巖體分類中作重要參數(shù)應用。不足：3.8巖體質(zhì)量評價及其分類為了在工程設(shè)計與施工中能區(qū)分出39（三）巖體地質(zhì)力學分類（CSIR分類,P56）CSIR分類指標值RMR(RockMassRating)：南非科學和工業(yè)研究委員會(CouncilforScientificandIndustrialResearch)提出。分類時，根據(jù)表3-6得RMR初值P57,然后據(jù)節(jié)理、裂隙的產(chǎn)狀變化按表3-7和表3-8對RMR初值修正，最后對照表3-9求得巖體的類別。由巖塊強度、RQD值、節(jié)理間距、節(jié)理條件及地下水5種指標組成。不足：對擠壓、膨脹和涌水的極其軟弱的巖體問題時，此分類法難于使用。（三）巖體地質(zhì)力學分類（CSIR分類,P56）CSIR分類40（四）巴頓巖體質(zhì)量分類（Q類）：由挪威地質(zhì)學家巴頓(Barton，1974)等人提出

RQD：Deer的巖石質(zhì)量指標；Jn:節(jié)理組數(shù)；Jr:節(jié)理粗糙度系數(shù)；Ja:節(jié)理蝕變影響系數(shù)；Jw:節(jié)理水折減系數(shù)；SRF——應力折減系數(shù)。Bieniawski(1976)：表3-10巖體質(zhì)量Q值分類表Q值＜0．010．01~0.10．1~1.01．0~4.04．0~1010~4040~100100~400＞400巖體類型特別壞異常差極壞極差壞很差不良差中等一般好好良好很好極好極好特別好異常好定性與定量相結(jié)合，目前比較好的巖體分類方法，軟、硬巖體均適用。（四）巴頓巖體質(zhì)量分類（Q類）：由挪威地質(zhì)學家巴頓(Bart41（五）巖體BQ分類第一步：根據(jù)BQ初步分為5級（考慮了巖體的堅硬程度和完整性）國標《工程巖體分級標準》GB50218-94提出兩步分級法Rcw為巖體飽和單軸抗壓強度（MPa）；Kv為巖體的完整性系數(shù)；（可用聲波測試資料或結(jié)構(gòu)面條數(shù)來確定）第二步：考慮其他因素影響，對BQ進行修正后詳細分級K1：主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)，表3-15

K2：地下水影響修正系數(shù)，表3-16K3：天然應力影響修正系數(shù)，表3-17（六）按巖體結(jié)構(gòu)類型分類（中科院地質(zhì)所，谷德振）：（五）巖體BQ分類第一步：根據(jù)BQ初步分為5級（考慮了巖體的42某巖塊強度符合庫侖準則，C=5MPa,=300。如果三軸應力狀態(tài)下的3=10MPa保持常數(shù)，求極限平衡時1

若此時1和3分別鉛直和水平，巖塊內(nèi)有一條節(jié)理。節(jié)理的C=0，=300。節(jié)理與水平傾角或為300（或450、或600、750、900），問以上情況中：在何種情況下節(jié)理不破壞，僅巖塊破壞？在何種情況下節(jié)理不破壞，僅節(jié)理破壞，或節(jié)理和巖塊都破壞，且?guī)r塊破壞面與節(jié)理面重合？在何種情況下，節(jié)理與巖塊都破壞，但巖塊破裂面與節(jié)理面不重合？作業(yè)：作業(yè)：43第三章巖體的力學特性本章內(nèi)容3.1概述3.2巖體結(jié)構(gòu)基本類型；3.3巖體的結(jié)構(gòu)面及其自然特征；3.4結(jié)構(gòu)面的力學性質(zhì)3.5巖體的變形性質(zhì)3.6巖體的強度特性3.7巖體的水力學性質(zhì)3.8巖體質(zhì)量評價及其分類基本要求了解巖體結(jié)構(gòu)的基本類型，理解巖體結(jié)構(gòu)面特征；掌握結(jié)構(gòu)面的力學性質(zhì)及巖體的變形性質(zhì)；理解巖體的強度特性，了解巖體的水力學性質(zhì)；掌握巖體質(zhì)量評價及其分類方法；第三章巖體的力學特性本章內(nèi)容44第三章巖體的力學性質(zhì)第一節(jié)概述第二節(jié)巖體結(jié)構(gòu)的基本類型第三節(jié)巖體的結(jié)構(gòu)面及其自然特征第四節(jié)結(jié)構(gòu)面的力學性質(zhì)第五節(jié)巖體的變形性質(zhì)第六節(jié)巖體的強度特性第七節(jié)巖體的水力學性質(zhì)第八節(jié)巖體質(zhì)量評價及其分類主要內(nèi)容第三章巖體的力學性質(zhì)第一節(jié)概述主要內(nèi)容45

巖體=結(jié)構(gòu)面（弱面）+結(jié)構(gòu)體（巖石塊體）結(jié)構(gòu)面：斷層、褶皺、節(jié)理……統(tǒng)稱影響巖體力學性質(zhì)的基本因素：結(jié)構(gòu)體(巖石)力學性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面力學性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)力學效應和環(huán)境因素(特別是水和地應力的作用)§3.1概述巖體=結(jié)構(gòu)面（弱面）+結(jié)構(gòu)體（巖石塊體）影響巖體力學46§3.2巖體結(jié)構(gòu)的基本類型

（地質(zhì)學、復習、了解）§3.2巖體結(jié)構(gòu)的基本類型

（地質(zhì)學、復習、了解）47§3.3巖體中的結(jié)構(gòu)面及自然特征次生結(jié)構(gòu)面§3.3.1結(jié)構(gòu)面類型（自學、了解、提問）火成結(jié)構(gòu)面沉積結(jié)構(gòu)面變質(zhì)結(jié)構(gòu)面成因及類型原生結(jié)構(gòu)面構(gòu)造結(jié)構(gòu)面斷層節(jié)理劈理§3.3巖體中的結(jié)構(gòu)面及自然特征次生結(jié)構(gòu)面§3.3.1結(jié)構(gòu)面48§3.3.2結(jié)構(gòu)面的自然特征1.充填膠結(jié)特征幾何形態(tài)特征有充填無充填薄膜充填（2mm以下）斷續(xù)充填連續(xù)充填厚層充填（數(shù)十厘米至數(shù)米）平直型波浪型鋸齒型臺階型凹凸度（量化指標）起伏度（起伏角i)粗糙度(五級）2.§3.3.2結(jié)構(gòu)面的自然特征1.充填膠結(jié)特征幾何形態(tài)特征有493.空間分布特征

產(chǎn)狀（即方位）及其變化延展性密集程度組合關(guān)系結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀及其變化：結(jié)構(gòu)面的走向與傾向及其變化結(jié)構(gòu)面的延展性：結(jié)構(gòu)面在某一方向上的連續(xù)性或結(jié)構(gòu)面連續(xù)段長短的程度。分為非貫通性的、半貫通性及貫通性的結(jié)構(gòu)面3.空間分布特征產(chǎn)狀（即方位）及其變化延展性結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)50結(jié)構(gòu)面的密集程度

設(shè)取樣線長度為l

，在l上出現(xiàn)的節(jié)理條數(shù)為n，則節(jié)理之間的平均間距為裂隙度K切割度Xe20m實例：k=4/20=0.2/md=1/k=5ma.單組節(jié)理(具有同一走向）（1）裂隙度K:同一組結(jié)構(gòu)面沿法線方向單位長度上的節(jié)理數(shù)量l結(jié)構(gòu)面的密集程度裂隙度K20m實例：k=4/20=0.51d>180cm整體結(jié)構(gòu)d=30~180塊狀結(jié)構(gòu)d<30破裂結(jié)構(gòu)d<6.5極破裂結(jié)構(gòu)

K=0~1/m疏節(jié)理K=1~10/m密節(jié)理K=10~100/m很密節(jié)理K=100~1000/m糜棱節(jié)理

按間距分類按裂隙度分類

52兩組節(jié)理的裂隙度計算圖b.兩組節(jié)理ma:

沿取樣線節(jié)理平均間距;da:節(jié)理垂直間距；c.多組節(jié)理兩組節(jié)理的裂隙度計算圖b.兩組節(jié)理ma:沿取樣線節(jié)理平均間53（2）切割度Xe：節(jié)理在巖體內(nèi)的貫通程度。多處不連續(xù)切割疊加：假設(shè)在巖體中取一平直斷面，總截面積為A，其中被節(jié)理面切割的面積為a；則切割度為（2）切割度Xe：節(jié)理在巖體內(nèi)的貫通程度。多處不連續(xù)切割疊54§3.4結(jié)構(gòu)面的力學性質(zhì)

法向變形切向變形

變形性質(zhì)強度性質(zhì)(一）法向變形1.變形特性

在法向荷載作用下，結(jié)構(gòu)面間隙呈非線性減小，應力與法向變形呈指數(shù)關(guān)系。(原因）

當荷載去除時，將引起明顯的后滯和非彈性效應。

Kn－法向變形剛度

Kn0－結(jié)構(gòu)面的初始剛度趨勢：σn

↑

，Kn↑（Goodman,1974）§3.4結(jié)構(gòu)面的力學性質(zhì)法向變形變形性質(zhì)強度性質(zhì)(一）法55Goodman方法：①節(jié)理無抗拉強度②極限閉合量δmax＜e（節(jié)理的厚度）（1）基本假設(shè)（2）狀態(tài)方程2.閉合變形量計算：－原始應力，由測量時的初始條件決定；δn,δmax－結(jié)構(gòu)面閉合量，最大閉合量;A,t－回歸參數(shù)，與結(jié)構(gòu)面幾何特征、巖石力學性質(zhì)有關(guān)。Goodman方法：①節(jié)理無抗拉強度（1）基本假設(shè)（2）狀態(tài)56（二）節(jié)理的切向變形通常有兩種形式：A）粗糙（或非充填）結(jié)構(gòu)面剪切變形曲線；B）平坦（或有充填物）的結(jié)構(gòu)面區(qū)別及原因見下頁力學模型（二）節(jié)理的切向變形通常有兩種形式：A）粗糙（或非充填）結(jié)構(gòu)57結(jié)構(gòu)面的剪切變形:與巖石強度、結(jié)構(gòu)面粗糙性和法向力有關(guān)法向力不足夠大沿凸臺斜面滑動剪脹（或擴容）法向力足夠大沿凸臺剪斷不產(chǎn)生明顯剪脹結(jié)構(gòu)面的剪切變形:與巖石強度、結(jié)構(gòu)面粗糙性和法向力有關(guān)法向58

（三）抗剪強度

i服從庫侖準則:

（三）抗剪強度

i服從庫侖準則:59影響抗剪強度的三個基本因素：法向力σn粗糙度JRC結(jié)構(gòu)面強度JCS結(jié)構(gòu)面抗剪強度公式（Barton和choubey,1977)：影響抗剪強度的三個基本因素：60粗糙度JRC（目測）分維數(shù)粗糙度JRC（目測）分維數(shù)61§3.5巖體的變形性質(zhì)法向變形特征剪切變形特征各向異性變形特性巖體的變形（一）法向變形特征：1.法向變形試驗：承壓板法、鉆孔變形法、狹縫法、§3.5巖體的變形性質(zhì)法向變形特征巖體的變形（一）法向變形621）承壓板法選具有代表性的試驗地點清除浮石，平整巖面逐級一次循環(huán)法加壓巖體變形模量Em和彈性模量Eme公式：

p－承受板單位面積上的壓力(MPa)；

D－承壓板直徑或邊長(cm)；

?、?

e－相應于p下的巖體總變形和彈性變形（cm）；

ω－與承壓板形狀與剛度有關(guān)的系數(shù)，對圓形板＝0.785；方形板＝0.886；

μm－巖體的泊松比。(J.Boussineq)1）承壓板法選具有代表性的試驗地點巖體變形模量Em和彈性模量632）鉆孔變形法巖體的變形模量（Em）計算公式：U－徑向變形μm－巖體的泊松比;厚壁圓筒理論對巖體擾動較??；可在地下水位以下和相當深的部位進行；試驗方向基本不受限制，試驗壓力大；可以同時測量幾個方向的變形，便于研究各向異性；優(yōu)點（相對于承壓板法來說）：缺點：涉及的巖體體積小，代表性差。2）鉆孔變形法巖體的變形模量（Em）U－徑向變形厚壁圓筒理論643）狹縫法：p－作用于槽壁上的壓力（MPa）；?－量測點A1、A2的相對位移值(cm)，?=y2-y1。

μm－巖體的泊松比;3）狹縫法：p－作用于槽壁上的壓力（MPa）；652.法向變形曲線及特征：（1）直線型（彈性巖體）巖性均勻且結(jié)構(gòu)面不發(fā)育或結(jié)構(gòu)面分布均勻的巖體（2）上凹型（塑-彈性巖體）含軟弱夾層的層狀巖體及裂隙巖體（3）上凸型（彈-塑性巖體）結(jié)構(gòu)面發(fā)育且有泥質(zhì)充填的巖體。（4）復合型：階梯或“S”型（塑-彈-塑性巖體)結(jié)構(gòu)面發(fā)育不均或巖性不均勻的巖體。2.法向變形曲線及特征：（1）直線型（彈性巖體）巖性均勻且66（二）剪切變形特征：峰前變形平均斜率小，破壞位移大；峰后強度損失小。(a)沿軟弱結(jié)構(gòu)面剪切峰前變形平均斜率較大，峰值強度較高；峰后有明顯應力降。(b)沿粗糙結(jié)構(gòu)面、軟弱巖體及強風化巖體剪切峰前變形斜率大，峰值強度高，破壞位移小；峰后殘余強度較低。(c)堅硬巖體受剪切（二）剪切變形特征：峰前變形平均斜率小，破壞位移大；峰后強度67（三）各向異性變形特征：（P101蔡）造成巖體變形各向異性的兩個基本因素：①物質(zhì)成分和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的方向性；②節(jié)理、結(jié)構(gòu)面和層面的方向性。巖石的全部或部分物理、力學特性隨方向不同而表現(xiàn)出差異的現(xiàn)象稱為巖石的各向異性。（三）各向異性變形特征：（P101蔡）造成巖體變形各向異性的68§3.6巖體的強度特性§3.6.1巖體強度的測定（一）巖體單軸抗壓強度的測定圖3-24巖體單軸抗壓強度測定1－方木；2－工字鋼；3－千斤頂；4－水泥砂漿現(xiàn)場原位切割較大尺寸試體（邊長0.5～1.5m的立方體）；為了保持原有的力學條件，試塊附近不能爆破，機械破巖。千斤頂和液壓枕（扁千斤頂）加載。水泥砂漿抹平試體表面→墊方木、工字鋼→加載→計算強度試件§3.6巖體的強度特性§3.6.1巖體強度的測定（一）巖體單69（二）巖體抗剪強度的測定雙千斤頂法：1.正壓力P和橫推力T的合力通過剪切面中心。3.試驗5組以上2.橫推千斤頂成15°角傾斜布置。計算公式：

P、T－垂直及橫向千斤頂施加的荷載；

S－試體受剪截面積。（二）巖體抗剪強度的測定雙千斤頂法：1.正壓力P和橫推力T70（三）巖體三軸強度試驗地下工程的受力狀態(tài)是三維的，所以三軸力學試驗非常重要。千斤頂加軸向荷載壓力枕加圍壓荷載準三軸（等圍壓）：實用性更強。圖3-26原位巖體三軸試驗1一混凝土頂座；2、4、6－墊板；3一頂柱；5一球面墊；7一壓力枕；8一試件；9一液壓表；10一液壓枕真三軸：中間主應力在巖體強度中起著重要作用，在多節(jié)理巖體中尤為重要。試體（三）巖體三軸強度試驗地下工程的受力狀態(tài)是三維的，所以三軸力71

§3.6.2結(jié)構(gòu)面的強度效應

一、單節(jié)理和多節(jié)理的力學效應（一）單節(jié)理的力學效應設(shè)結(jié)構(gòu)面的強度條件設(shè)節(jié)理的方向角為β節(jié)面上的應力(圖）

§3.6.2結(jié)構(gòu)面的強度效應

一、單節(jié)理和多節(jié)理的力學效72

①當

（巖石塊體破壞，結(jié)構(gòu)面不破壞）②當節(jié)理面的存在不削弱巖塊強度③對

求一階導數(shù)，并令其為零得

此時節(jié)理面對巖體的強度削弱最大并令得：

當可能結(jié)構(gòu)面破壞③對求一階導數(shù)，并令其為零得73

巖石節(jié)理同時破壞，巖體強度等于巖塊強度巖塊先破壞，巖體強度等于巖塊強度或節(jié)理先破壞，巖體強度小于巖塊強度

或圖解法:

直接在圖2－20量??；巖石節(jié)理同時破壞，巖體強度等于巖塊強度巖塊先破壞，巖體強74也可以由正弦定律推出：(見圖2－20）也可以由正弦定律推出：(見圖2－20）75（二）多節(jié)理的力學效應（疊加）

兩組以上的節(jié)理同樣處理，只不過巖體總是沿一組最有利破壞的節(jié)理首先破壞。圖3－21兩組節(jié)理力學模型圖3－20σ1與β的關(guān)系曲線（二）多節(jié)理的力學效應（疊加）兩組以上的節(jié)理同樣處理76二、當C=0時節(jié)理面的力學效應這時庫侖準則用主應力表示上式，得：

已知σ1,由上式可計算出維持破裂巖體極限穩(wěn)定的側(cè)向壓力σ3，即巖體所需的最小支護力此時巖體的強度只靠碎塊之間的摩擦力來提供。二、當C=0時節(jié)理面的力學效應這時庫侖準則已知σ1,由上式77

3.7巖體的水力學性質(zhì)巖體的水力學性質(zhì)：巖體與水共同作用所表現(xiàn)出來的力學性質(zhì)。巖體與水的相互作用，一方面水改變著巖體的物理、化學及力學性質(zhì)，另一方面巖石也改變著地下水自身的物理、力學性質(zhì)及化學組份。地下水對巖體的作用物理作用化學作用力學作用3.7巖體的水力學性質(zhì)巖體的水力學性質(zhì)：巖體與水共同作用78（一）物理作用：巖體結(jié)構(gòu)面上的摩阻力減小改變巖體結(jié)構(gòu)面充填物的物理性狀，內(nèi)聚力和摩擦角減小。→軟化系數(shù)η區(qū)別于重力水的潤滑，軟化作用。（二）化學作用：離子交換、溶解和溶蝕作用（黃土濕陷及巖溶）、水化作用（膨脹巖的膨脹）、水解作用、氧化還原作用、沉淀作用以及超滲透作用等。潤滑作用：軟化和泥化作用：結(jié)合水的強化作用：泥石流、山體滑坡（一）物理作用：巖體結(jié)構(gòu)面上的摩阻力減小改變巖體結(jié)構(gòu)面充填物79（三）力學作用：孔隙靜水壓力作用孔隙動水壓力作用

當多孔連續(xù)介質(zhì)巖土體中存在孔隙地下水時，未充滿孔隙的地下水使巖土體的有效應力增加：σα有效應力，σ

總應力，p

孔隙靜水水壓力

當?shù)叵滤錆M多孔連續(xù)介質(zhì)巖土體時，使有效應力減?。害姚?，σ

，p

：含義同上（三）力學作用：孔隙靜水壓力作用孔隙動水壓力作用當多孔連續(xù)80當多孔連續(xù)介質(zhì)巖土體中充滿流動的地下水時，施加孔隙靜水壓力和動水壓力作用，其中，動水壓力為：τd

動水壓力，γ地下水容重，J地下水水力坡度

當裂隙巖體充滿流動的地下水時，施加一垂直于裂隙壁面的靜水壓力和平行于裂隙壁面的動水壓力，其中，動水壓力為：b：裂隙的隙寬，τd

，γ，J意義同上當多孔連續(xù)介質(zhì)巖土體中充滿流動的地下水時，施加孔隙靜水壓力81

3.8巖體質(zhì)量評價及其分類為了在工程設(shè)計與施工中能區(qū)分出巖體質(zhì)量的好壞和表現(xiàn)在穩(wěn)定性上的差別，需要對巖體作合理的分類，以作為選擇工程結(jié)構(gòu)參數(shù)