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
31基本概念及研究意义 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) 岩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 有关
• 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)。 • 岩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
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;在业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
• 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
311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
• 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 束增大 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 体积影胀 破坏 增高 不稳定破裂 2经压密后,岩 长期强度 累积性破坏 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 玄感水压力 弹性变形阶段 形阶段。该过程 服体积压缩 残余强度一篇 的长短视岩石坚 硬程度而定 强 裂隙压密阶段 应变E 1.原有张性结构面 逐渐闭合,充填物 图31三轴压应力作用下岩石的变形破坏过程 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,岩体强 下凹型 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而,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,仅仅是个时间的向问题。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
• 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岩体破坏的基本形式 根据岩体破坏机制可将岩体破坏划分为剪性破坼和 张性破坏两类。 剪切滑动破坏 剪性破坏 岩体破 剪断破坏 坏非性破坏 塑性破坏
• 3.1.2 岩体破坏的基本形式 • • 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。 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
(b)_ △Y 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 • 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[](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[o]。 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 ≈/()h—/2(a)长沙矿冶所 大理岩 5(a armen 泥灰岩 日.B. Matbyeb 石灰岩、大理岩 茂木青夫 岩盐 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]