工程地质分析原理 第三章 岩体的变形与破坏

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1、工程地质分析原理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)。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

2、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。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

3、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

4、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（a)拉断破坏

5、；(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]。在三向应力状态，中间主应力（σ2）与最大主应力、最

6、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（1970）提出σ2偏向最大主应力或最小主应力的“应力状态类型参数”—α来划分应力状态类型：α=（2σ2-σ1-σ3）/（σ1-σ3）;当α=1时，即σ2=σ1，为拉伸应力状态；当α=-1时，即σ2=σ3，为压缩应力状态。3.1.2.2岩体破坏形式与岩体结构特征关系在低围压条件下岩石的三轴试验表明：（1）在相同的应力状态下完整块体状坚硬岩石表现为张性破坏，通常释放出高的弹性应变能；（2）含有软弱结构面的块状岩体，当结构面与最大主应力之间角度合适时，则表现为沿结构面剪切滑动破坏；（3）碎裂状岩体的破坏方式介于二者之间

7、；（4）碎块状或散体状岩体，表现为塑性破坏。3.1.3岩体的强度特征岩体的强度不能简单地用岩石的强度来表示。它不仅与岩体的岩性、结构、岩体的受力状态有关，而且还决定于岩体的可能破坏方式。设结构面与最大主应力夹角α。模拟实验表明：（1）0º<α<8º或42º<α<52º岩体破坏破坏形式将部分沿结构面剪切滑移、部分剪断完整岩石，此时岩石的强度与结构面和岩石的抗剪性能有关。图3-4三种破坏形式的极限应力系数(n)①沿结构面滑动；②剪断完整岩石；③部分沿结构面，部分剪断岩石（2）8º<α<42º岩体的破坏将采取沿结构面剪切