岩体力学 中国地质大学 贾洪彪第六章岩体的力学性质

第六章 岩体的力学性质

第一节 概 述

岩体的力学性质与岩块有显著的差别。一般情况下，岩体比岩块易于变形，其强度也显著低于岩块的强度。造成这种差别的根本原因在于岩体中存在各种类型不同、规模不等的结构面，并受到天然应力和地下水等环境因素的影响。正因为如此，岩体在外力的作用下其力学属性往往表现出非均质、非连续、各向异性和非弹性。所以，无论在什么情况下，都不能把岩体和岩块两个概念等同起来。另外，人类的工程活动都是在岩体表面或岩体内部进行的。因此，研究

岩体的力学性质比研究岩块力学性质更重要、更具有实际意义。

岩体的力学性质，一方面取决于它的受力条件，另一方面还受岩体的地质特征及其赋存环境条件的影响。其影响因素主要包括：组成岩体的岩石材料性质；结构面的发育特征及其性质和岩体的地质环境条件，尤其是天然应力及地下水条件。其中结构面的影响是岩体的力学性质不同于岩块力学性质的本质原因。实践表明：研究岩体的变形与强度性质是岩体力学的根本任务之一。因此，本章将主要讲述岩体的变形与强度性质，同时对岩体的动力学性质及水力学性质也作一简要介绍。

第二节 岩体的变形性质

岩体变形是评价工程岩体稳定性的重要指标，也是岩体工程设计的基本准则之一。例如在修建拱坝和有压隧洞时，除研究岩体的强度外，还必须研究岩体的变形性能。当岩体中各部分岩体的变形性能差别较大时，将会在建筑物结构中引起附加应力；或者虽然各部分岩体变形性质差别不大，但如果岩体软弱抗变形性能差时，将会使建筑物产生过量的变形等。这些都会导致工程建筑物破坏或无法使用。

由于岩体中存在有大量的结构面，结构面中还往往有各种充填物。因此，在受力条件改变时岩体的变形是岩块材料变形和结构变形的总和，而结构变形通常包括结构面闭合、充填物压密及结构体转动和滑动等变形。在一般情况下，岩体的结构变形起着控制作用。目前，岩体的变形性质主要通过原位岩体变形试验进行研究。

一、岩体变形试验及其变形参数确定

原位岩体变形试验，按其原理和方法不同可分为静力法和动力法两种。静力法的基

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本原理是：在选定的岩体表面、槽壁或钻孔壁面上施加法向荷载，并测定其岩体的变形值；然后绘制出压力-变形关系曲线，计算出岩体

图6-1 承压板变形试验装置示意图 的变形参数。根据试验方法不同，静力法又可

1.千斤顶；2.传力柱；3.钢板；4.混凝土顶分为承压板法、狭缝法、钻孔变形法、水压洞

板；5.百分表；6.承压板 室法及单(双)轴压缩试验法等。动力法是用人

工方法对岩体发射(或激发)弹性波(声波或地

震波)，并测定其在岩体中的传播速度，然后根据波动理论求岩体的变形参数。根据弹性波激发方式的不同，又分为声波法和地震波法两种。本节主要介绍静力法及其参数的确定方法，动力法将在第四节中介绍。

(一)承压板法

按承压板的刚度不同可分为刚性承压板法和柔性承压板法两种。刚性承压法试验通常是在平巷中进行，其装置如图6-1所示。先在选择好的具代表性的岩面上清除浮石，平整岩面。然后依次装上承压板、千斤顶、传力柱和变形量表等。将硐顶作为反力装置，通过油压千斤顶对岩面施加荷载，并用百分表测记岩体变形值。

试验点的选择应具有代表性，并避开大的断层及破碎带。受荷面积可视岩体裂隙发

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育情况及加荷设备的出力大小而定，一般以0.25～1m为宜。承压板尺寸与受荷面积相同并具有足够的刚度。试验时，先将预定的最大荷载分为若干级，采用逐级一次循环法加压。在加压过程中，同时测记各级压力(p)下的岩体变形值(W)，绘制p-W曲线(图6-2)。通过某级压力下的变形值，用如下的布西涅斯克公式计算岩体的变形模量Em(MPa)和弹性模量Eme(MPa)：

图6-2 岩体的压力(p)-变形(W)曲线 图6-3 钻孔变形试验装置示意图

(6-2)

式中：p为承压板单位面积上的压力(MPa)；D为承压板的直径或边长(cm)；W，We分别为相应于p下的岩体总变形和弹性变形(cm)；ω为与承压板形状与刚度有关的系数，对圆形板ω＝0.785；方形板ω＝0.886；μm为岩体的泊松比。

试验中如用柔性承压板，则岩体的变形模量应按柔性承压板法公式进行计算。 (二)钻孔变形法

钻孔变形法是利用钻孔膨胀计等设备，通过水泵对一定长度的钻孔壁施加均匀的径向荷载(图6-3)，同时测记各级压力下的径向变形(U)。利用厚壁筒理论可推导出岩体的变形模Em(MPa)与U的关系为：

(6-3)

式中：d为钻孔孔径(cm)；p为计算压力(MPa)；其余符号意义同前。

与承压板法相比较，钻孔变形试验有如下优点：①对岩体扰动小；②可以在地下水

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位以下和相当深的部位进行；③试验方向基本上不受限制，而且试验压力可以达到很大；④在一次试验中可以同时量测几个方向的变形，便于研究岩体的各向异性。这种方法的主要缺点在于试验涉及的岩体体积小，代表性受到局限。

(三)狭缝法

狭缝法又称狭缝扁千斤顶法，是在选定的岩体表面刻槽，然后在槽内安装扁千斤顶(压力枕)进行试验(图6-4)。试验时，利用油泵和扁千斤顶对槽壁岩体分级施加法向压力，同时利用百分表测记相应压力下的变形值WR。岩体的变形模量Em(MPa)按下式计算：

图6-4 狭缝法试验装置示意图

1.扁千斤顶；2.槽壁；3.油管；4.测杆；5.百分表(绝对测量)；6.磁性表架；7.测

量标点；8.砂浆；9.标准压力表；10.千分表(相对测量)；11.油泵

(6-4)

式中：p为作用于槽壁上的压力(MPa)；WR为量测点 A1，A2的相对位移值(cm)，如图6-5所示，WR＝y2－ y1；θ1，θ2如图6-5所示。 常见岩体的弹性模量和变形模量如表6-1所示。 从表可知，岩体的变形模量都比岩块的小(表4-1)，图6-5 相对变形计算示意图 而且受结构面发育程度及风化程度等因素影响十分明显。因此，不同地质条件下的同一岩体，其变形模量

相差较大。所以，在实际工作中，应密切结合岩体的地质条件，选择合理的模量值。此外，试验方法不同，岩体的变形模量也有差异(表6-2)。

表6-1 常见岩体的弹性模量和变形模量表(据李先炜，1990) 岩体承压应力试验方弹性模量变形模量地质简述 备注 95

名称 煤 页 岩 面积(MPa) 2(cm) 2 025 4.03～18.0 法 单轴压缩 承压板 承压板 承压板 水压法 水压法 承压板 承压板 承压板 承压板 承压板 承压板 承压板 狭缝法 狭缝法 承压板 承压板 承压板 承压板 承压板 狭缝法 Eme(10MPa) 4.07 96

3Em(10MPa) 泥质页岩与砂岩互层，较软 较完整，垂直于岩层，裂隙较发育 岩层受水浸，页岩泥化变松软 薄层的黑色页岩 薄层的黑色页岩 二叠纪—三叠纪砂质页岩 二叠纪—三叠纪砂质页岩 新鲜，完整，致密 弱风化，较破碎 断层影响带 新鲜，完整，局部有微风化 薄层，泥质条带，部分风化 较新鲜完整 薄层，微裂隙发育 新鲜完整 断层影响带，粘土充填 微晶条带，坚硬，完整 节理发育 密实 南非 隔河岩，垂直岩层 隔河岩，垂直岩层 隔河岩，平行岩层 摩洛哥，平行岩层 摩洛哥，垂直岩层 万安 万安 万安 隔河岩 隔河岩 隔河岩 隔河岩 乌江渡 乌江渡 乌江渡 以礼河四级 鲁布格 德国 意大利 3砂质页岩 砂岩 石灰岩 白云岩 片麻

岩 花岗岩 承压板 承压板 承压板 40～50 1.1～3.4 风化 裂隙发育 新鲜微裂隙至风化强裂隙 德国 丹江口 日 本 Kurobe坝 承压板 3.7～4.7 大型三轴 承压板 承压板 承压板 承压板 承压板 承压板 玄武岩 坚硬，致密，完整 以礼河三级 破碎，节理多，且坚硬 断层影响带，且坚硬 变质，完整，致密，裂隙为岩脉充填 有裂隙 新鲜，完整 弱风化，局部较破碎 密实 以礼河三级 以礼河三级 丹江口 德国 太平溪 太平溪 摩洛哥 辉绿岩 闪长岩 石英岩

表6-2 几种岩体用不同试验方法测定的弹性模量 岩体类型 无侧限压(实验室，平均) 裂隙和成层的闪长片麻岩 大到中等节理的花岗片麻岩 大块的大理岩 二、岩体变形参数估算

由于岩体变形试验费用昂贵，周期长，一般只在重要的或大型工程中进行。因此，人们企图用一些简单易行的方法来估算岩体的变形参数。目前，已提出的岩体变形参数

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弹性模量，(10MPa) 承压板法(现场) 3.72～5.84 3.5～35 12.2～19.1 狭缝法(现场) - - 12.6～21 钻孔千斤顶法(现场) 4.29～7.25 10.8～19 9.5～12 3备注 80 53 48.5 Tehachapi隧道 Dworshak坝 Crestmore矿

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