工程地质分析原理 第三章岩体的变形与破坏
第三章 岩体的变形与破坏
3.1基本概念及研究意义 变形:岩体承受应力,就会在体积、形状或宏 观连续性上发生某种变化(解释)。宏观连续性无 明显变化者称为变形( deformation)。 破坏:如果宏观连续性发生了显著变化的称为 破坏( failure)。 体变形破坏的方式与过程既取决于岩体的岩 性、结构,也与所承受的应力状态及其变化有关
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为什么要研究这两个问题,因为岩体在变形发展 与破坏过程中,除岩体内部结构与外型不断发生变化 外,岩体的应力状态也随之调整,并引起弹性变形和 释放等效应 区域稳定和岩体稳定工程分析中的一个核心问题 就是要对上述变化和效应作出预测和评价,并论证它 们对人类工程活动的影响 本章首先讨论不同荷载条件下岩体变形破坏机制 和过程;在此基础上讨论变形破坏过程中的时间效应 及岩体中空隙水压力对岩体变形破坏的影响
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3.1.1岩体变形破坏的基本过程与阶段划分 ·根据裂隙岩石的三轴压缩实验过程曲线,可大致将块 状岩体受力变形破坏过程划分为五个阶段: 见图
4.微破裂的发展出现了质的变化:即使 工作应力保持不变,由于应力的集中效应 3.超过弹性极限(屈服 破裂仍会不断的累进性发展。首先从薄弱 点),岩体进入塑性变 环节开始,然后应力在另一个薄弱环节集 形阶段,体内开始出现 中,依次下去,直至整体破坏。体积应变 微破裂,且随应力差的 转为膨胀,轴应变速率和侧向应变速率加 增大而发展,当应力保 速增大 持不变时,破裂也停止 发展。由于微破裂的出 现,岩体体积压缩速率 峰值强度 减缓,而轴向应变速率 和侧向应变速率均有所 体积膨胀 破坏 增高 不稳定破裂 阶段 2.经压密后,岩 长期强度 累积性破场 体从不连续介质 稳定破坏阶段 转化为似连续介 破裂开始 质,进入弹性变 空水压力曲愈 弹性变形阶段 形阶段。该过程 残余强度二一 的长短视岩石坚 服「体积压缩、 强 裂隙压家阶段 硬程度而定 应变匙 1.原有张性结构面 逐渐闭合,充填物 图3-1三轴压应力作用下岩石的变形破坏过程线性 力应变曲线呈缓坡 5.强度丧失和完全破坏阶段:岩体内部的微破裂面发展为贯通性破裂面,岩体 下凹型 强度迅速减弱,变形继续发展,直至岩体被分成相互脱离的块体而完全破坏
图 3-1 三轴压应力作用下岩石的变形破坏过程 3. 超过弹性极限（屈服 点），岩体进入塑性变 形阶段，体内开始出现 微破裂，且随应力差的 增大而发展，当应力保 持不变时，破裂也停止 发展。由于微破裂的出 现，岩体体积压缩速率 减缓，而轴向应变速率 和侧向应变速率均有所 增高 1.原有张性结构面 逐渐闭合，充填物 被压密，压缩变形 具非线性特征，应 力应变曲线呈缓坡 下凹型 4. 微破裂的发展出现了质的变化：即使 工作应力保持不变，由于应力的集中效应， 破裂仍会不断的累进性发展。首先从薄弱 环节开始，然后应力在另一个薄弱环节集 中，依次下去，直至整体破坏。体积应变 转为膨胀，轴应变速率和侧向应变速率加 速增大 2.经压密后，岩 体从不连续介质 转化为似连续介 质，进入弹性变 形阶段。该过程 的长短视岩石坚 硬程度而定 5. 强度丧失和完全破坏阶段：岩体内部的微破裂面发展为贯通性破裂面，岩体 强度迅速减弱，变形继续发展，直至岩体被分成相互脱离的块体而完全破坏 屈 服 强 度
上述各阶段不同的岩体会存在一些差异,但所有 岩体都具有如下一些共性 (1)岩体的最终破坏是以形成贯通性破坏面,并 分裂成相互脱离的块体为其标志。 (2)变形过程中所具有的阶段性特征是判断岩体 或地质体演变阶段、预测其发展趋势的重要依据。 (3)变形过程中还包含恒定应力的长期作用下的 蠕变(或流变)。即变形到破坏有时经历一个相当长 的时期,过程中蠕变效应意义重大。岩体的不稳定发 展阶段相当于加速蠕变阶段,进入此阶段的岩体达到 最终破坏已势在必然,仅仅是个时间的问题。判断进 入加速蠕变阶段的变形标志和临界应力状态是一个重 要的课题
3.1.2若体破坏的基本形式 根据岩体破坏机制可将岩体破坏划分为剪性破坏 和张性破坏两类。 剪切滑动破坏 岩「男性破坏 剪断破坏 体破坏 塑性破坏 张性破坏
岩体破坏 剪断破坏 剪性破坏 张性破坏 剪切滑动破坏 塑性破坏
△ E或E 图3-2岩石的三向应力状态与破坏方式 (据伯奈克斯,1974) (a)拉断破坏;(b)剪断破坏;(c)塑性破坏
（a) 拉断破坏；(b)剪断破坏； (c) 塑性破坏
破坏方式影响因素: 荷载条件、岩性、结构及所处的环境特征及配合 情况 3.1.2.1岩体变形破坏形式与受力状态的关系 岩石的三轴实验表明,岩石破坏形式与围压的大小 有明显的关系。 (1)当在负围压及低围压条件下岩石表现为拉破坏 (2)随着围压增高将转化为剪破坏; (3)当围压升高到一定值以后,表现为塑性破坏
• 破坏方式影响因素： 荷载条件、岩性、结构及所处的环境特征及配合 情况 岩石的三轴实验表明，岩石破坏形式与围压的大小 有明显的关系。 （1）当在负围压及低围压条件下岩石表现为拉破坏； （2）随着围压增高将转化为剪破坏； （3）当围压升高到一定值以后，表现为塑性破坏
破坏机制转化的界限称为破坏机制转化围压(如 表3-1)。从表中可以看出,由拉破坏转化为简断破坏 的转化围压为1/51/4[σ](岩石单轴抗拉强度), 由剪切转化为塑性破坏的转化围压为1/32/3[0]。 表3-1岩体破坏机制转化围压 岩石名称 拉断一剪断剪断一塑性 资料来源 大理岩 长沙矿冶所 大理岩 Karmen 泥灰岩 B.BMatByeB 石灰岩、大理岩「 (o 茂木青夫 岩盐 S.3 美国垦务局
• 破坏机制转化的界限称为破坏机制转化围压（如 表3-1）。从表中可以看出，由拉破坏转化为简断破坏 的转化围压为1/5——1/4 [σ]（岩石单轴抗拉强度）， 由剪切转化为塑性破坏的转化围压为1/3—2/3 [σ]