第三章岩体的变形与破坏

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1、第三章第三章 岩体的变形与破坏岩体的变形与破坏 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

2、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（a) 拉断破坏；(b)剪断破坏； (c) 塑性破坏 破坏方式影响因素破坏方式影响因素： 荷载条件、岩性、结构及所处的环境特征及配合荷载条件、岩性、结构及所处的环境特征及配合情况情况 岩石的三轴实验表明，岩石破坏形式与围压的大小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。有

3、明显的关系。 （1 1）当在负围压及低围压条件下岩石表现为）当在负围压及低围压条件下岩石表现为拉破坏拉破坏； （2 2）随着围压增高将转化为）随着围压增高将转化为剪破坏剪破坏； （3 3）当围压升高到一定值以后，表现为）当围压升高到一定值以后，表现为塑性破坏塑性破坏。 破坏机制转化的破坏机制转化的界限界限称为称为破坏机制转化围压破坏机制转化围压（如（如表表3-13-1）。从表中可以看出，由拉破坏转化为简断破坏）。从表中可以看出，由拉破坏转化为简断破坏的转化围压为的转化围压为1/51/4 1/51/4 （岩石单轴抗拉强度），（岩石单轴抗拉强度），由剪切转化为塑性破坏的转化围压为由剪切转化为塑性破

4、坏的转化围压为1/32/3 1/32/3 。 在三向应力状态，中间主应力（在三向应力状态，中间主应力（ 2 2）与最大主）与最大主应力、最小主应力之间的比值关系上决定岩石破坏性应力、最小主应力之间的比值关系上决定岩石破坏性质的一个重要因素。纳达（质的一个重要因素。纳达（19701970）提出）提出 2 2偏向最大偏向最大主应力或最小主应力的主应力或最小主应力的“应力状态类型参数应力状态类型参数” ” 来来划分应力状态类型：划分应力状态类型： =（ 2 2- 1 - 3）/（ 1 - 3）; 当当=1时，即时，即 2 = 1，为拉伸应力状态；，为拉伸应力状态； 当当 =-1时，即时，即 2 =

5、3，为压缩应力状态。，为压缩应力状态。 3.1.3 3.1.3 岩体的强度特征岩体的强度特征 图图3-4 3-4 三种破坏形式的极限应力系数三种破坏形式的极限应力系数( (n n) ) 沿结构面滑动；沿结构面滑动； 剪断完整岩石；剪断完整岩石； 部分沿结构面，部分沿结构面，部分剪断岩石部分剪断岩石 2. 2. 单剪应力条件下的破坏变形机制与过程单剪应力条件下的破坏变形机制与过程 当剪切变形发生在有一定厚度的剪切带中，表现当剪切变形发生在有一定厚度的剪切带中，表现为在单剪（为在单剪（simple shearsimple shear）应力条件下或一对力偶作）应力条件下或一对力偶作用下的变形破坏。用

6、下的变形破坏。 在所形成的破裂迹象中较为常见和具有代表性的在所形成的破裂迹象中较为常见和具有代表性的是雁列破裂面。这种破裂面进一步分为张性雁列和压是雁列破裂面。这种破裂面进一步分为张性雁列和压扭性雁列两类，排列方式正好相反。扭性雁列两类，排列方式正好相反。张性雁列缝张性雁列缝T T的生的生长方向大体与单剪带中的最大主应力方向平行，与剪长方向大体与单剪带中的最大主应力方向平行，与剪切方向夹角约切方向夹角约4545，有时还可形成共扼的两组低次序，有时还可形成共扼的两组低次序剪切裂隙。剪切裂隙。 压扭性雁列缝压扭性雁列缝P P生长方向与剪动方向夹角大约与岩生长方向与剪动方向夹角大约与岩石材料内摩擦角

7、相当。两者有时可在同一剪切带中叠石材料内摩擦角相当。两者有时可在同一剪切带中叠加产出。加产出。 sssrcinsin)2sin(sin)sin(31 ii)()1 (001ctgtgscc 试验显示（图试验显示（图3 31717），凸起体被剪断，实际上式），凸起体被剪断，实际上式一个拉张和压碎的过程，将图一个拉张和压碎的过程，将图3 31717与图与图3 31010对照，对照，凸起体的剪断与锁固段的破裂压碎过程十分相似。根凸起体的剪断与锁固段的破裂压碎过程十分相似。根据这一破坏机制，可采用岩石的单轴抗压强度（据这一破坏机制，可采用岩石的单轴抗压强度（R RC C ) )和和抗拉强度（抗拉强度（

8、S St t) )来确定其抗剪强度，费赫斯特来确定其抗剪强度，费赫斯特（Fairhurst,1964Fairhurst,1964）提出的表达式为：）提出的表达式为： (3-14)(3-14) 式中：式中： 2/1)1)(1(tcsnnmRs2/1) 1(,/nmSRntC 0ctgti bnnJCSJRCtg)lg( P P点的运动轨迹为一条以点的运动轨迹为一条以o o为圆心，以斜边长为圆心，以斜边长oPoP为半径为半径的圆弧线的圆弧线C C（图（图319(a)319(a) )。因此滑动过程相当于滑。因此滑动过程相当于滑块越过一个圆弧形的凸起体，该圆弧线上任一点的切块越过一个圆弧形的凸起体，该

9、圆弧线上任一点的切线与剪切方向线的夹角即为该点处滑块爬升或下降的线与剪切方向线的夹角即为该点处滑块爬升或下降的坡角坡角( (如图如图3 3一土一土9(a)9(a) )。如果不考虑滑块间的面摩擦，。如果不考虑滑块间的面摩擦，则该坡角即为转动时的摩擦角则该坡角即为转动时的摩擦角，它应与处于极限平，它应与处于极限平衡状态时作用力的倾斜角衡状态时作用力的倾斜角一致一致 图图3 3一一1919（a a）) )。起动时曲角为起动时曲角为 = =tg= =tg-1-1(a/b)(a/b) 式中：式中： 为翻转角，为翻转角，a,ba,b分别为碎块的宽和高。随后，分别为碎块的宽和高。随后， 随碎块的转动角随碎块

10、的转动角而呈线性降低（图而呈线性降低（图3-193-19（a)a)）, ,即即 scnctgabtgabscnc3/12221)6(23nEEcr (3-19) ( 22lEJNcr2212lhEcr （322） 3/12221)6(23nEEcr3/121)6(2nhwd (2)(2)向褂式滑脱向褂式滑脱 其形成过程如图其形成过程如图3 3一一2828所示。弯曲的层状岩体因某所示。弯曲的层状岩体因某种原因种原因( (如地质过程中的剥蚀如地质过程中的剥蚀) )使板梁被切断（图使板梁被切断（图3-3-28(b)28(b)），弯曲变形的继续则有可能使抗剪强度低的接），弯曲变形的继续则有可能使抗剪强

11、度低的接触面发生滑脱（图触面发生滑脱（图a-28(c)a-28(c)）。滑脱发动于临空端，）。滑脱发动于临空端，由于剪动时滑面强度降至动摩擦强度由于剪动时滑面强度降至动摩擦强度( (参见图参见图3-14)3-14)，因而波及范围可达到图因而波及范围可达到图3 32828（d d）所示范围。）所示范围。 在拉应力集中带产生的拉裂面在平行临空面的压应力集中带中形成的与临空面近于平行的压致拉裂面剪切破裂面拉裂面剪裂面 。 机械振动通常是连续作用的，并且作用力本身具有特机械振动通常是连续作用的，并且作用力本身具有特定的振动特征，它对岩体产生的动应力称为干扰力。定的振动特征，它对岩体产生的动应力称为干扰