岩石力学课件第二章 岩体力学性质.ppt
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1、岩石力学,辽宁科技大学,Rock Mechanics,第二章 岩体力学性质,2.1 岩石与岩体,一、岩石与岩体的概念,构造: 组成成分的空间分布及其相互间排列关系,矿物:存在地壳中的具有一定化学成分和物理性 质的自然元素和化合物。,结构:组成岩石的物质成分、颗粒大小和形状以及 其相互结合的情况。,岩石:岩石是自然界中各种矿物的集合体, 是天然地质作用的产物。,岩体=岩块+结构面,一、岩石与岩体的概念,岩体是地质体,它经历过多次反复地质作用,经受过变形,遭受过破坏,形成一定的岩石成分和结构,赋存于一定的地质环境中。 岩体力学性质:岩体抵抗外力作用的能力。包括岩体的稳定性特征、强度特征和变形特征,
2、由岩石、结构面和赋存条件决定的。,试件尺寸增大而降低 工程开挖与结构面空间组合 环境因素影响而变,岩体力学性质,一、岩石与岩体的概念,影响岩体力学性质的基本因素: 1、结构体(岩石)力学性质; 2、结构面力学性质; 3、岩体结构力学效应和环境因素,特别是水和地应力的作用。,一、岩石与岩体的概念,岩体内存在各种地质界面,它包括物质分异面和不连续面,如断层、层理、节理、片理、假整合、不整合和褶皱等。 这些不同成因、不同特性的地质界面统称为结构面(弱面)。,一、岩石与岩体的概念,结构面(弱面) 在横向延展上具有面的几何特性,常充填有一定物质、具有一定厚度。 节理和裂隙是由两个面及面间的水或气组成;
3、断层及层间错动面是由上下盘两个面及面间充填的断层泥和水构成的实体组成。,一、岩石与岩体的概念,一、岩石与岩体的概念,二、结构体,结构体:结构面依其本身的产状,彼此组合将岩体切割成形态不一、大小不等以及成分各异的岩石块体,被各种结构面切割而成的岩石块体称为结构体。 结构体有块状、柱状、板状及菱形、楔形和锥形体等,如果风化强烈或挤压破碎严重,也可形成碎屑状、颗粒状和鳞片状等。,二、结构体,二、结构体,三、岩体结构单元,结构体和结构面称为岩体结构单元或岩体结构要素。不同类型的岩体结构单元在岩体内的组合、排列形式称为岩体结构。 岩体结构单元可划分为两类四种,四种结构单元在岩体内组合、排列形式不同,构成
4、不同的岩体结构。,岩体结构单元,坚硬结构面(干净的) 软弱结构面(夹泥的夹层) 块状结构体(短轴的) 板状结构体(长厚比大于15),结构面,结构体,四、结构体的作用,结构体(岩石) 对岩体力学性质的影响,通过结构体的力学性质来表征。 在某种情况下结构体对岩体力学性质和力学作用具有控制作用,在结构体强度很高时主要是结构面的力学性质决定岩体的力学性质。,五、岩体赋存环境,岩体的赋存环境:包括地应力、地下水和地温三部分,对岩体的力学性质有重要的影响。 地应力具有双重性,一方面它是岩体的赋存条件,另一方面又赋存于岩体之内,和岩体组成成分一样左右着岩体的特性,是岩体力学特性的组成成分。,六、地应力的影响
5、,地应力对岩体力学性质的影响: 、地应力影响岩体的承载能力,对赋存于一定地应力环境中的岩体来说,地应力对岩体形成的围压越大,其承载能力越大。,、地应力影响岩体的变形和破坏机制,许多低围压下呈脆性破坏的岩石在高围压下呈剪塑性变形,这种变形和破坏机制的变化说明岩体赋存的条件不同,岩体的本构关系也不同。,、地应力影响岩体中的应力传播的法则,严格来说岩体是非连续介质,但由于岩块间存在摩擦作用,赋存于高应力地区的岩体,在地应力围压的作用下则变为具有连续介质特征的岩体,即地应力可以使不连续变形的岩体转化为连续变形的岩体。,六、地应力的影响,第2.1节结束,谢谢!,2.2 岩体结构基本类型,一、岩体结构分类
6、依据,岩体结构单元有结构面和结构体两种基本要素,结构面分软弱结构面和坚硬结构面两类,结构体按力学作用可归并为块状结构体和板状结构体两大类。它们在岩体内不同组合、排列构成不同类型的岩体结构。,一、岩体结构分类依据,一、岩体结构分类依据,、亚类划分依据:亚类的划分主要是依据岩体的原生结构,例如碎裂结构可划分为:,二、岩体结构分类方案,根据结构面对岩体力学性质的影响程度以及分类依据,可以将岩体结构划分I级的块裂结构、板裂结构,级的完整结构、断续结构、碎裂结构及过渡类型的散体结构。 六种岩体结构类型是比较典型的,而实际的岩体是比较复杂的,岩体结构划分时需要有一种模糊的观点,只能择其趋向性而定,这也是岩
7、体力学性质具有不确定性表现的一个方面。,二、岩体结构分类方案,岩体结构类型表,三、岩体结构的地质特征,1、完整结构岩体 完整结构岩体多半是碎裂结构岩体中结构面被后生作用愈合而成。后生愈合有两种,其一为压力愈合,其二为胶结愈合,具有粘性成分物质,如粘土岩、长石质、石灰质矿物成分组成的岩体。,三、岩体结构的地质特征,中国科学研究院地质研究所岩体结构分类,三、岩体结构的地质特征,2、块裂结构岩体 块裂结构岩体是多组或至少有组软弱结构面切割及坚硬结构面参与切割成块状结构体的高级序岩体结构。,三、岩体结构的地质特征,中国科学研究院地质研究所岩体结构分类,三、岩体结构的地质特征,块裂结构岩体的结构体:(1
8、)、由岩浆岩、变质岩及厚层大理岩、灰岩、砂岩等块状原生结构岩体构成;(2)、由薄至中厚层沉积岩,层状浅变质岩及岩浆喷出岩等层状原生结构岩体组成; 块裂结构岩体的软弱结构面主要为断层,层间错动也是重要的软弱结构面之一,参与切割的坚硬结构面一般延展较长,多数为错动过的坚硬结构面。,三、岩体结构的地质特征,3、板裂结构岩体 主要发育于经过褶皱作用的层状岩体内,受一组软弱结构面切割,结构体呈板状。软弱结构面主要为层间错动面或块状原生结构岩体内的似层间错动面,结构体多数为组合板状结构体,有的亦为完整板状结构体。,三、岩体结构的地质特征,中国科学研究院地质研究所岩体结构分类,三、岩体结构的地质特征,4、碎
9、裂结构岩体 碎裂结构岩体尽管可以划分为块状碎裂结构岩体及层状碎裂结构岩体两种亚类,但它们的共同点是切割岩体的结构面是有规律的,即主要为原生结构面及构造结构面。,三、岩体结构的地质特征,中国科学研究院地质研究所岩体结构分类,三、岩体结构的地质特征,碎裂结构主要形成于岩浆岩侵入体、深变质的片麻岩、混合岩、大理岩、石英岩及层理不明显的巨厚层灰岩、砂岩等岩体内。 特点是结构体块度大,大多为12m,但块度较均匀,层状碎裂结构的特点是块度小,其块度与岩层厚度有关,浅海相及海陆交互相沉积岩多数为这种结构,有时还可分为一种镶嵌状碎裂结构,多发育于强烈构造作用区内的硬脆性岩体内,结构面组数多,结构面组数多于5组
10、时可形成这种结构。,三、岩体结构的地质特征,5、断续结构岩体 断续结构岩体特点是显结构面不连续,对岩体切而不断,个别部分亦有连续贯通结构,但这种部位很少,多数为不连续切割,形不成结构体。在力学上来说,宏观上具有连续介质特点,微观上多数不连续,应力集中现象明显,这种应力集中对岩体破坏具有特殊意义,断裂力学判据对这种岩体也具有特殊意义。,三、岩体结构的地质特征,6、散体结构 散体结构有两种亚类:碎屑状散体结构岩体;糜棱化散体结构岩体。,碎屑状散体结构岩体的特点是结构面无序分布,结构面中有软弱的、也有坚硬的。结构体主要为角砾,角砾中常充填夹杂有泥质成分。,三、岩体结构的地质特征,糜棱化散体结构岩体主
11、要指断层泥而言。断层泥主要是由糜棱岩风化而成,而糜棱岩主要为压力愈合连结,当压力卸去后,又转化为糜棱岩粉,糜棱岩体风化后便转化为断层泥。,三、岩体结构的地质特征,中国科学研究院地质研究所岩体结构分类,三、岩体结构类型分类,三、岩体结构类型分类,四、岩体结构的相对性工程岩体结构的唯一性,岩体结构分类的最终目的在于为岩石工程的建设服务,对于工程岩体而言,由于工程规模和尺寸的变化,岩体结构也发生相对变化,具有相对性。,三、岩体结构的地质特征,四、岩体结构的相对性工程岩体结构的唯一性,岩体结构是相对的,只有在确定的地质条件和工程尺寸条件下,工程岩体结构才是唯一确定的,工程岩体结构不同,岩体的力学机制和
12、工程的稳定性分析方法是不一样的。,第2.2节结束,谢谢!,2.3 岩体结构面及充填特征,结构面是具有一定方向、延展较大而厚度较小的二维面状地质界面。主要包括断层、节理、层理、片理、软弱夹层、岩层界面、不整合面等。结构面在岩体中的变化非常复杂,结构面的存在使岩体显示构造上的不连续性和不均质性。,一、岩体结构面,岩石受力发生变形达到一定程度,使岩石的连续完整性受到破坏,产生各种大小不一的破裂面,称为断裂构造。 节理:岩石发生断裂时,沿断裂面没有显 著位移的断裂称为节理(裂隙) 断层:岩石发生断裂时,沿断裂面 有显著位移的称为断层。,断裂构造,3,一、岩体结构面,3,一、岩体结构面,3,一、岩体结构
13、面,3,一、岩体结构面,二、结构面的类型及特征,根据结构面的形成原因,通常分为三种类型:原生结构面、构造结构面和次生结构面。,1、原生结构面 包括所有在成岩阶段所形成的结构面。根据岩石成因不同,可分为沉积结构面、火成结构面及变质结构面三类。,原生节理:岩石形成过程中产生的节理。由于岩浆岩冷凝收缩或沉积岩在形成时由于脱水形成的。如玄武岩的柱状节理,二、结构面的类型及特征,(1)沉积结构面 沉积结构面是沉积岩在成岩作用过程中形成的各种地质界面。,二、结构面的类型及特征,(2)火成结构面 火成结构面为岩浆侵入、喷溢冷凝所形成的各种结构面。,二、结构面的类型及特征,(3)变质结构面 岩体在变质作用过程
14、中所形成的结构面。,二、结构面的类型及特征,2、构造结构面 各类岩体在构造运动作用下形成的各种结构面,如节理、断层、劈理、层间错动面等。,构造节理:地壳运动过程中受构造作用力而产生,是在自然界最广泛存在的一种节理。按其力学成因又分成两类,即:张节理和剪节理。,剪节理:当岩石中所受的最大剪应力达到并超过岩石的抗剪强度时 就会产生剪节理。方向与最大剪应力方向一致。 剪节理的特点: 常是闭合的 节理面平直光滑 节理面上常有小擦痕或小的磨光面 节理面常切穿粗砂和砾石 沿走向和倾向延伸较远, 产状比较稳定 张节理:由张应力作用形成,节理大致垂直最大张应力方向。 张节理的特点: 常是张开的 节理面凹凸不平
15、 没有擦痕和擦光面等. 穿过粗碎屑岩时常绕过粗砂和砾石 沿走向、倾向延伸不远 沿其尖灭方向追索会断续再现 常被脉体充填,断层要素: 断层面:把岩石分成两个断块,且沿该面两边断块发生了显著位移。 其产状用产状三要素表示。断层面可以是平面,也可以是 曲面,有时是破碎带 断层线:断层面与地表的交线。即断层在地表的出露线。 可以是直线,也可以是曲线。 断盘:被断层面分开的两侧岩块。 对倾斜的断层面,断层面上面的称上盘,下面的称下盘。 断层面直立时:可根据断层的运动方向分为上升盘和下降盘。,上盘,下盘,断层面,断层 断层是一种有明显位移的 断裂构造,二、结构面的类型及特征,二、结构面的类型及特征,3、次
16、生结构面 在地表条件下由于外力(如风化、地下水、卸荷、爆破等)的作用而形成的各种界面,如卸荷裂隙、爆破裂隙、风化裂隙、风化夹层及泥化夹层等。,风化节理:岩石受风化作用产生的节理或裂隙,二、结构面的类型及特征,三、结构面的分级,结构面的发育程度、规模大小、组合形式等是决定结构体的形状、方位、大小和控制岩体稳定性的重要因素。而结构面的规模是最重要的控制因素,结构面发育程度和规模一般划分为五级。,三、结构面的分级,1、I级结构面 一般泛指对区域构造起控制作用的断裂带。,三、结构面的分级,2、级结构面 一般指延展性强而宽度有限的地质界面。,三、结构面的分级,三、结构面的分级,3、级结构面 一般为局部性
17、断裂构造,主要指小断层。,三、结构面的分级,4、级结构面 一般延展性较差,无明显的宽度,主要指的是节理面。,三、结构面的分级,5、V级结构面 延展性甚差,无宽度之别,分布随机,是为数甚多的细小的结构面。,三、结构面的分级,从工程地质测绘观点,五个等级的结构面可分为实测结构面和统计结构面两大类。 实测结构面是经过野外地质测绘工作,按其结构面的产状及其具体位置,直接表示在不同比例尺的工程地质图上。 统计结构面,只能在野外有明显的岩层露头 地点进行统计,经过室内作结构面密度统计图,认识其统计规律,它们不能直接反映在工程地质图上,但可转化为结构面的组合模型,反映在岩体结构图上。,三、结构面的分级,四、
18、结构面状态,1、结构面的贯通性 在工程岩体范围内,结构面按贯通性可分为非贯通性的、半贯通性的和贯通性的三种类型,(1)非贯通性结构面:即结构面较短,不能贯通岩体或岩块,但它的存在使岩体或岩块强度降低,变形增大。,四、结构面状态,(2)半贯通性结构面:结构面有一定的长度,但尚不能贯通整个岩体或岩块。 (3)贯通性结构面: 结构面连续长度贯通整个岩体,是构成岩体、岩块的边界,它对岩体有较大的影响,破坏常受这种结构面控制。,四、结构面状态,2、结构面状态的指标与影响 结构面的状态对岩体的工程性质的影响是指结构面的产状、形态、延展尺度、发育程度和密集程度等对岩体强度和工程稳定性的影响。 (1)、产状:
19、结构面产状对岩体是否沿某一结构面滑动起控制作用(倾向、倾角)。,三、结构面的分级,水平岩层:沉积物固结成岩石后,未受到强烈的水平运动,只是升降运动,因此,岩石仍保持水平状态。岩层近于与水平面平行。 倾斜岩层:由于地壳运动,主要是水平运动的结果使岩层改变了原始的状态。岩层与水平面呈一定的角度斜交。 直立岩层:由于地壳运动的影响使地层直立。岩层与水平面垂直。,产状三要素: 走向:岩层面与水平面之间的交线( 走向线)所指的方向 倾向:垂直于岩层的走向线做垂线 (倾斜线),其在水平面上的 投影叫倾向线,倾向线从高向 低所指的方向叫倾向 倾角:倾向线与倾斜线之间的夹角 叫倾角。 倾角5度时叫水平岩层 倾
20、角在5-90度之间时叫倾斜岩层 倾角为90度时叫直立岩层,岩层产状的测定 罗盘的构造和使用,节理的观测与统计 节理观测和统计的步骤 1)观测点的选择 露头良好,出露面积在几个平方米以上,如采石场等。 2)节理性质的研究 根据节理面的特点等,研究节理的性质,如是张性的还是剪性的。 3)确定节理的性质和共轭关系 依据节理的交切和错动关系,确定节理形成的相互顺序,找出同属于一期的一组节理,最好是一组共轭节理并测量其夹角,由此确定应变椭球体的方向。在测量之前首先要对节理进行分期和配套。 节理的测量和登记 对测点内节理进行测量和登记,内容包括:测点编号,岩石特征,岩层产状,节理面的产状特征,节理面特征,
21、节理的性质,节理中的充填物,节理的交切关系,裂缝宽度等。,节理的分期:判断节理形成的时间关系。 (据不同节理的交切关系) 错开 (先后) 限制 (先后) 互切 (同时) 节理的配套:把成因相同而又相互平行的一组节理构成一个节理组, 几个有成因联系的节理组构成一个节理系。,后,同期,后,节理观测结果的室内整理和节理统计图 节理玫瑰花图 走向玫瑰花图:每5或10 分组,统计每组的节理数和平均走向.在任一半径的半圆上,射线方向代表节理平均走向,长度代表节理数(或百分数),连接各端点即得走向玫瑰花图。 倾向玫瑰花图:与走向玫瑰花图类似,只是用一个整圆来做,射线方向代表平均倾向。,节理玫瑰花图的作图方法
22、,倾向玫瑰花图:用一个整圆,射线方向代表节理平均倾向,长度代表节理数(或百分数)。,20条,20条,走向玫瑰花图:用一个半圆,射线方向代表节理平均走向,长度代表节理数(或百分数)。,节理等密度图: 一般是在施密特网上(等面积网)上先做极点图,然后中心密度计和边缘密度计统计节理极点数(或百分数)并标于网格交叉点上,把相同数字的点用线连接起来即为等密度线。,。,节理等密度图的作图方法,三、结构面的分级,四、结构面状态,(2)、形态: 决定结构面抗滑力的大小,结构面的起伏程度大、粗糙度高时,抗滑力就大(宽度、起伏度、粗糙度、充填物)。,四、结构面状态,结构面的充填物: 硬性结构面:硅质胶结的强度最高
23、,钙质胶结较差,泥质胶结的最差。 软弱结构面,其充填物质和含水量不同,力学性质差别很大。 泥质矿物:低湿度压密状态下的断层泥:C=50100KPa,=1720;浸水后C520KPa,角随矿物成分变化很大; 蚀变矿物:在含水情况下可低至3 5,粘土矿物可低至812。 蒙脱土为主的粘土:含水量80时,接近零。,四、结构面状态,(3)、延展尺度:工程岩体范围内,延展尺度大的结构面,完全控制了岩体的强度(迹长) (4)、密集程度:以岩体裂隙度K和切割度Xe表征岩体结构面的密集程度。 (目前多以线密度、面密度、体积密度、间距表示),四、结构面状态,(3)、延展尺度:工程岩体范围内,延展尺度大的结构面,完
24、全控制了岩体的强度(迹长) (4)、密集程度:以岩体裂隙度K和切割度Xe表征岩体结构面的密集程度。 (目前多以线密度、面密度、体积密度、间距表示),四、结构面状态,岩体裂隙度K是指沿取样线方向单位长度上的节理数量。(线密度) 设取样线长度为L,沿该长度内出现的节理数量为n,则:,沿取样线方向节理的平均间距d为:,四、结构面状态,按裂隙度K的节理分类 疏节理(01条/米); 密节理(110条/米); 非常密集节理(10100 条/米); 压碎或糜棱化(1001000条/米)。,四、结构面状态,切割度Xe是指岩体被节理割裂分离的程度。 岩体仅含个节理时,沿节理面在岩体中取一个贯通整体的假想平直断面
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