第三章 岩体的变形与破坏.ppt

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。 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坏和张性破坏两类。 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（ σ 2）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质的一个重要因素。纳达（1970）提出σ 2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 =（ 2 σ 2-σ 1 -σ 3）/（ σ 1 -σ 3）; 当α=1时，即σ 2 = σ 1，为拉伸应力状态； 当 α=-1时，即σ 2 = σ 3，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； （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 α8o或42o α52o 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。 （2）8o α42o 岩体的破坏将采取沿结构面剪切滑移的形式。此时，岩体的强度受结构面抗剪性能及其方位所控制； （3）α52o时 岩体破坏为剪断完整岩体。 以上讨论的为岩体的极限强度。 岩体由弹性变形阶段进入塑性变形阶段的临界应 力称为岩体的屈服强度（σy） 岩体进入不稳定破裂发展阶段的临界应力称为长期强度（ σc ）。 岩体遭受最终破坏以后仍然保存有一定的强度，称为残余强度。 3.2 岩体在加荷过程中的变形与破坏 3.2.1 拉断破坏机制与过程 3.2.1.1 拉应力条件下的拉断破坏 拉应力条件下岩石的拉断破坏过程十分暂短。 根据格里菲斯破坏准则，当σ1+ 3σ3 ≤0时，拉应力σ3对岩石的破坏起主导作用，此时拉破坏准则为： 〔 σ 3〕=-St （