矿山岩石力学高明中岩体的力学性质

第四章岩体的力学性质及岩体分类§4-1结构面、结构体、岩体§4-2岩体的结构§4-3岩体的强度§4-4岩体破坏机理及破坏判据§4-5岩体的变形特性§4-6岩体质量 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 及其分类本章内容：授课学时：4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；岩石坚固性系数要求：1、掌握本课程重点难点内容；2、了解几种有代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 性的岩体分类方法；3、了解我国工程岩体分级 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 GB50218－94§4-1结构面、结构体、岩体结构面：是指岩体中存在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一、结构体的大小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二、结构体的块度结构体的块度通常指最小结构体的 尺寸 手机海报尺寸公章尺寸朋友圈海报尺寸停车场尺寸印章尺寸 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二、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§4-2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>1.5m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0.35～0.75结构面间距0.7～1.5m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3、层状结构由中厚0.25～0.5m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0.3～0.6;薄层状<0.4结构面间距：层状0.25～0.5m；薄层状<0.25m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完整性系数结构面间距镶嵌结构<0.36<0.5m层状碎裂结构<0.4<0.5m破碎结构<0.3<0.5m5、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：<0.2岩土工程特征：稳定性极差岩体属性接近松散体介质§4-3岩体的强度一、岩体强度特征岩体的强度取决于结构面的强度和岩石的强度1、岩体的抗剪强度包络线介于结构面强度包络线和岩石强度包络线之间2、岩体强度的各向异性岩体强度受加载方向与结构面夹角θ的控制因此表现出岩体强度的各向异性石墨片岩在三向压缩下强度随加载方向的变化岩体中只有一组结构面：1.当σ1与结构面垂直岩体强度与结构面无关为岩石强度；2.当θ＝450－φj/2岩体将沿结构面破坏其强度为结构面强度；3.当σ1与结构面平行结构面的抗拉强度小岩体将因结构面的横向扩展而破坏岩体中有多组结构面：岩体的强度图像将为各单组结构面岩体强度图像的叠加如图中阴影部分如果结构面分布均匀、且强度大体相同时则岩体表现出各向同性的特性但强度却大大削弱了二、岩体强度的测定现场测试1、岩体单向抗压强度和准岩体强度1单向抗压强度σc试件:边长0.5～1.5m高度不小于边长的立方块式中:P—试件破坏时的作用力N;A—试件横截面面积m22、准岩体强度完整性系数K：式中：V岩体、V岩石分别为弹性波在岩体和岩石中传播的纵波速度准岩体抗压强度:σcm=Kσc准岩体抗拉强度:σtm=Kσt式中：σc、σt为岩石试件的单轴抗压强度和单轴抗拉强度2、岩体抗剪强度现场测定1双千斤顶法式中：σ、τ—试件剪切面上的正应力和剪应力；F—试件剪切面面积；N—法向力；Q—斜向力；α—横向推力与剪切面的夹角通常为1502单千斤顶法现场无法施加垂直荷载的情况下采用单千斤顶法3、现场三轴强度试验试件尺寸：2.8m×1.4m×2.8m一般h>2a矩形截面.加压装置：千斤顶应力枕§4-4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、采场冒顶等二、岩体破坏机理一拉伸破坏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二、岩体破坏机理二剪切破坏1、沿结构面的剪切破坏取决于结构面的强度2、切穿结构面的剪切破坏取决于岩石的强度临空面临空面三岩体破坏判据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β满足β1≤β≤β2且φj<β<π/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；2β＝450＋φj/2时岩体强度最低其莫尔圆直径最小3当β<β1或β>β2时岩体强度与节理无关取决于岩石的强度耶格尔判据如图围压σ3=c增加即c1>c2岩体的强度随之增大2、霍克－布朗经验判据式中:σc——完整岩石单轴抗压强度；mb——霍克－布朗常数；sα——取决于岩体特征的常数对于完整岩石s=1α=0.5§4-5岩体的变形特性一、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2、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σD峰值强度σC3、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4、岩石与岩体的应力－应变曲线二、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三、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2、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形量主要是岩块和少量结构面错动而成四、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、μ测定σ－ε关系岩体现场变形试验方法：静力法、动力法弹性波测量法1、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;ω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；μ岩体泊松比岩体变形模量：岩体弹性模量：2、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μd式中：vpvs纵波波速和横波波速ρ为岩体密度一般而言：Ed>Eeμd>μ§4-6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可分为综合性和专 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 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一、工程岩体分类的参考影响因素4、岩体及结构面的风化程度风化程度越高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Mpaf≥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2、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：类别岩石单轴抗压强度σcMpa坚固性Ⅰ250~160特坚固Ⅱ160~100坚固Ⅲ100~40次坚固Ⅳ<40软岩3、按岩体完整性系数Kv龟裂系数分类式中：Vpm、Vpr—岩体、岩石弹性纵波速度m/sKv>0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15<0.15完整程度完整较完整较破碎破碎极破碎4、按岩芯质量指标RQD分类蒂尔Deer1968提出根据钻探时岩芯完好程度来判断岩体的质量对岩体分类式中：li—所取岩芯中≥10cm长度的岩芯段的长度；L—钻进岩芯的总程度mRQD％0～2525~5050~7575~9090～100等级ⅠⅡⅢⅣⅤ分类很差差较好良好很好5、以弹性波速度分类6、宾尼奥夫斯基节理岩体地质力学分类RMR分级系统宾尼奥夫斯基Bieniawski1976提出的分类指标RMRRockMassRating由下列6种指标组成：1岩块强度R12RQD值R23节理间距R34节理条件R45地下水R56节理方向对工程的影响的修正参数R6即：1对应岩石强度的岩体评分值R1点荷载指标Mpa岩石单轴抗压强度RcMpa评分值>10>250154~8100~250122~450~10071~225~504不采用5~252不采用1~51不采用<102对应于岩芯质量指标的岩体评分值R2RQD％91～10076~9051~7526~50<25评分值201713833对应于最有影响的节理组间距的岩体评分值R3节理间距m>31~30.3~10.05~0.3<0.05评分值3025201054对于节理状态的岩体评分值R4说明评分值尺寸有限的粗糙的表面、硬岩壁25略粗糙的表面、张开度<1mm硬岩壁20略粗糙的表面、张开度<1mm软岩壁12光滑表面；由断层泥充填厚度为1～5mm；张开度1～5mm节理延伸超过数米6由厚度>5mm的断层泥充填的张开节理;张开度>5mm的节理延伸超过数米05取决于地下水状态的岩体评分值R5每米隧道的涌水量L/min节理水压力与最大主应力的比值总的状态评分值无0完全干燥15<10<0.1潮湿1010～250.1～0.2湿725～1250.2～0.5有中等压力水滴水4>125>0.5有严重地下水问题流水06节理方位对RMR的修正值R6方位对工程的影响评价隧道地基边坡很有利000有利－2－2－5一般－5－7－25不利－10－15－50很不利－12－257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平行于隧道轴线倾角00～200顺倾向掘进逆倾向掘进倾角450～900200～450450～900200～450450～900200～450不考虑走向很有利有利一般不利很不利一般一般根据总分确定岩体分级类别岩体描述岩体评分值RMRⅠ很好81~100Ⅱ好61~80Ⅲ较好41~60Ⅳ较差21~40Ⅴ很差0~20岩体分级的意义考虑不支护隧道的自稳时间分类号ⅠⅡⅢⅣⅤ平均自稳时间15m跨20年10m跨1年5m跨1星期2.5m跨10h1m跨30min岩体的内聚力kPa>400300~400200~300100~200<100岩体内摩擦角>450350~450250~350150~250<150该分类法已得到比较广泛的应用7、巴顿岩体质量Q分类挪威巴顿Barton等人于1974年根据隧道工程的调查提出一个用6个参数表达的岩体质量指标Q作为岩体质量分类的依据式中：RQD——岩石质量指标；Jn——节理组数评分；Jr——节理面粗糙度评分；Jw——按裂隙水条件评分；Ja——节理蚀变程度评分；SRF——按地应力影响评分应力折减系数Q反映了岩体质量的三个方面：为岩体的完整性；表示结构面的形态、充填物特征及次生变化程度；表示水与其他应力存在时对岩体质量的影响1节理组数影响Jn2节理粗糙度影响Jr3节理蚀变程度影响Ja4裂隙水影响Ja5地应力影响SRF地下开挖当量直径：根据Q值可将岩体分为9类如图：Q分类法考虑的地质因素较全面而且把定性分析与定量评价结合起来了软硬岩均适用在处理极软弱的岩层中推荐采用此分类法宾尼奥夫斯基Bieniawski1976在大量实测统计的基础上发现Q值与RMR值之间具有如下条件关系：三、我国工程岩体分级标准GB50218-941、工程岩体分级的基本方法1确定岩体基本质量标准认为岩石的坚硬程度和岩体完整程度决定岩体的基本质量岩体基本质量好则稳定性好；反之稳定性差A、采用饱和岩石单轴抗压强度σC划分岩石坚硬程度σCMpa>6060~3030~1515~5<5坚硬程度坚硬较坚硬较软岩软岩极软岩σC与点荷载强度指数的关系：是指直径50mm圆柱试件径向加压时的点荷载强度B、采用完整性系数Kv划分岩体完整程度Kv>0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15<0.15完整程度完整较完整较破碎破碎极破碎Jv<33~1010~2020~35>35Kv>0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15<0.15岩体体积节理数Jv条/m3：式中：Sn——第n组节理每米长测线上节理的条数；Sk——每立方米岩体非成组节理条数Jv与Kv的对照关系：2岩体基本质量分级A、岩体基本质量指标BQ的计算注意：当σC>90Kv+30时应以σC=90Kv+30代入上式计算Q值；当Kv>0.04σC+0.4时应以Kv=0.04σC+0.4代入上式计算Q值；式中：BQ——岩体基本质量指标；σC——岩石饱和单轴抗压强度Mpa;Kv——岩体完整性系数B、按BQ值进行岩体基本质量分级基本质量级别岩体基本质量定性特征岩体基本质量指标BQⅠ坚硬岩岩体完整；>550Ⅱ坚硬岩岩体较完整；较坚硬岩岩体完整；550~451Ⅲ坚硬岩岩体较破碎；较坚硬岩或软硬岩互层岩体较完整；较软岩岩体完整；450~351Ⅳ坚硬岩岩体破碎；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完整～较破碎；软岩岩体完整～较完整；350~251Ⅴ较软岩岩体破碎；软岩岩体较破碎～破碎；全部极软岩及全部极破碎岩；<2503基本质量指标BQ值的修正结合工程具有情况对BQ进行修正修正值BQ按下式计算：BQ=BQ-100K1+K2+K3式中：K1——地下水影响修正系数；K2——主要软弱结构面产状影响修正系数；K3——初始应力状态修正系数A地下水影响修正系数K1地下水出水状态BQ>450450~351350~251<250潮湿或点滴出水00.10.2～0.30.4～0.6淋雨状或涌流状出水水压≤0.1MPa或单位出水量≤10L/min.m0.10.2～0.30.4～0.60.7～0.9淋雨状或涌流状出水水压＞0.1MPa或单位出水量＞10L/min.m0.20.4～0.60.7～0.91.0B主要软弱结构面产状影响修正系数K2结构面产状及其与洞轴线的组合关系结构面走向与洞轴线的夹角<300结构面倾角300～750结构面走向与洞轴线的夹角>600结构面倾角>750其它组合K20.4~0.60~0.20.2~0.4C初始应力状态修正系数K3初始应力状态BQ>550550～451450~351350~251<250极高应力区1.01.01.0~1.51.0~1.51.0高应力区0.50.50.50.5~1.00.5~1.02、工程岩体分类标准的应用1岩体物理参数的选用工程岩体的级别一旦确定可按表选用岩体的物理参数和结构面的抗剪强度参数2地下工程岩体自稳能力的确定岩体级别与岩体物理力学参数基本质量级别重力密度γkN/m3内摩擦角Φ0粘结力CMpa变形模量EGpa泊松比μⅠ>26.5>60>2.1>33<0.2Ⅱ60~502.1~1.533~200.2~0.25Ⅲ26.5~24.550~391.5~0.720~60.25~0.3Ⅳ24.5~22.539~270.7~0.26~1.30.3~0.35Ⅴ<22.5<27<0.2<1.3>0.35岩体级别与岩体结构面抗剪强度参数基本质量级别两侧岩体的坚硬程度及结构面的结合程度内摩擦角Φ0粘结力CMpaⅠ坚硬、结合好>37>0.22Ⅱ坚硬－较坚硬、结合一般；软弱岩结合好37~290.22~0.12Ⅲ坚硬－较坚硬、结合差；较软弱岩结合一般29~190.12~0.08Ⅳ较坚硬－较软岩、结合差—很差；软弱岩、结合差；软质岩的泥化面19~130.08~0.05Ⅴ较坚硬及全部软质岩、结合很差；软质岩泥化层本身<13<0.05岩体级别与地下工程岩体自稳能力基本质量级别自稳能力Ⅰ跨度<20m可长期稳定偶有掉块无塌方Ⅱ跨度10~20m可基本稳定局部发生掉块或小塌方跨度<10m可长期稳定偶有掉块Ⅲ跨度10~20m可稳定数日至1个月可发生小至中塌方跨度5~10m可稳定数月可发生局部块体位移及小至中塌方跨度<5m可基本稳定Ⅳ跨度>5m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跨度<5m可稳定数日至1个月Ⅴ无自稳能力注：小塌方：塌方高度<3m或塌方体积<30m3中塌方：塌方高度3～6m或塌方体积30～100m3大塌方：塌方高度>6m或塌方体积>100m3