弹性波的传播速度
当现场岩体受振动激发时，岩体内就产生应力波，即弹性波 动力法现场测试包括：激发、接收弹性波、记录弹性波的传播时间、 振幅和波形，假定岩石均值、弹性、各向同性，则：
Vp= √Ed(1-μd）/（ρ*（1+μd）*（1-2μd）） Vs= √Ed/（ρ*2（1+μd））
推导出： μd= （Vp2/Vs2-2）/（2（Vp2/Vs2-1）） Ed = 2（1+μd）ρVs2 或者：Ed = （1-2μd）（1+μd）/（1-μd）*ρVp2 岩体生成年代越老，岩体越完整，风化越弱，波速越高 结构面对弹性波的传播有很大影响。
岩石的情况
E p =σo /（εp +εe）
岩体的情况
二、岩体变形特性参数测定2
2、承压板法（静力法）： 一般在探洞内布置，确定试验位置、清理底板、做地质编录，安 装加载装置和传力装置、承压板、变形测量系统等。 承压板面积0.5~1.2m2, 加载吨位500~3000KN，高压试验可用压力枕。 加载方式可用大循环法（岩体完整时）和小循环法（裂隙岩体） 变形测量可用直接法和中心孔法，计算方法按弹性力学推导的公式。
3、岩体结构的基本概念：
岩体结构包括两个方面：结构面和结构体，岩体中结构面与结构 体的排列组合方式称为岩体结构。 结构面：即地质弱面，指岩体内具有一定方向、延伸较长、厚度 较小的二维地质界面，包括物质的分界面和不连续面，如断层、 节理、破碎带、接触带、片理等。 结构体：被结构面分割所包围的完整岩石单元。
结构体的几何形状
结 构 面 按 成 因 分 类 与 特 征
岩 体 结 构 类 型 的 划 分
二、结构面的状态
1、结构面的存在使岩体显现出不连续性和不均质性，并在很大程度 上决定着岩体的性质，其产状、形态、延展和发育程度是影响岩 体性质的重要因素。 结构面的产状导致各向异性，并对岩体沿结构面的滑动起控制作用 结构面形态（起伏度、粗糙度等）决定抗滑力的大小 结构面的延展尺度： 小的结构面：尺度＜1m 中等的结构面：1~10m 大的结构面：＞10m。 结构面的贯通情况： 非贯通、半贯通和贯通性 结构面的密集程度： 单位岩体内发育的结构面数量称为结构面密度 常以裂隙度、切割度等表示。 结构面的充填物对力学性能有很大的影响。
二、结构面的状态2
2、结构面密度统计： 裂隙度K：沿取样线方向 单位长度上节理的数量 节理的平均间距d：d=1/K， 按节理垂直间距可将岩体划分为： 整体结构：d＞180cm 块体结构：d=13~180cm 碎裂结构：d＜13cm 极碎裂结构：d＜ 6.5cm 按裂隙度K划分节理： 疏节理：0~1条/m，密节理：1~10条/m 非常密集节理：10~100条/m ，压碎或糜棱化节理：100~1000条/m 切割度：岩体某个假象断面上节理面积 与该断面面积的比值。 结构面的密集程度决定着结构体的尺寸 和形状，能表征岩体的完整程度，完整 程度有决定了岩体的强度等。
岩 石 力 学 第三讲 ROCK MECHANICS
主讲教师：汪家林 (6学时）
内容：岩体的基本力学性质及工程分类
（岩体变形、强度、原位试验
结构面的力学效应、岩体工程分类）
从岩块到岩体的示意图
上一章主要介绍岩石的 物理力学性质，本章讲 岩体的物理力学性质与 分类，岩体是一定范围 的天然地质体，岩石与 岩体的其物理力学性质 是有较大差异的。 影响岩体力学性的因素： 1、组成岩体的岩石材料性质 2、结构面力学性质 3、结构面的发育组合、岩体 经过结构类型 4、赋存环境如水、地应力
2
1
3
2
岩体变形的结构效应-结构面组合关系
节理的错缝式组合：1、围压较大而P较小时，岩体变形连续。 2、围压小而P大时，变形分区：直接压缩区1、压应力作用区2 连续变形区3、剪切变形区4。应变不连续性较小。 斜缝式组合：加载时的楔入作用使p –W曲线上凹，卸载时 的反楔体使变形恢复受阻，退压曲线先陡后缓。
三、岩体变形的结构效应
由于层理和节理 的存在，对同一种 岩体来讲，其弹性 模量和泊松比也是 随方向的不同而变 化的，这就是岩体 的变形各向异性。 或称为岩体变形的 结构效应：即岩体 中结构面的方向、 性质、密度和组合 方式对岩体变形的 影响。
岩体变形的结构效应
（一） 结构面方向的影响：岩体的变形因结构面与力的作 用方向之间角度的不同而不同，平行或垂直结构面加力的 变形表现有很大差异。结构面的压密变形。
3、岩体的压力-变形曲线分类
分为：直线型、上凹型、下弯型、复合型等； 直线型A：坚硬完整无裂隙岩体 上凹型B：较坚硬的裂隙岩体，有裂隙压密阶段 下弯型C：裂隙很发育的软弱岩体（或称上凸型） 复合型D：压缩较大的岩体，如垂直片理的片岩、变质岩
岩体的压力-变形曲线分类– 直线型A
p = f（W）= K W， d p/d W= K 为通过原点的直线。 A-1型 ： p – W曲线陡，刚度大；弹性为主变形可恢复， 完整、坚硬、致密、均匀岩体的特性。 A-2型： p – W曲线斜率缓，刚度小；有明显不可恢复变 形和滞回环，节理化但裂隙分布均匀的岩体的特性。
岩体的复杂性与基本特征
1、岩体为非均质的各向异性体，组成岩体的矿物成分各 不相同，矿物颗粒大小及空间排列方式有很大差异。 2、岩体内存在一个裂隙系统，使岩体的完整性和均匀性 遭到破坏，不连续但也不是散体。 3、岩体一般不严格服从虎克定律，力学性质复杂多变， 弹塑性并存，有时又表现为脆性 4、岩体内存在初始应力场 5、岩体赋存在一定的地质环境中，岩体中的水、温度、 应力场对岩体性质有较大影响。
一、岩体结构 二、结构面的状态 三、结构面强度指标 四、节理面的力学效应 五、岩体的强度
一、岩体结构
1、岩体结构：结构面与结构体形态和组合的特征 2、结构面特征 按成因分类： 原生结构面： 沉积结构面、火成结构面、变质结构面 沉积结构面：层面层理、软弱夹层、不整合面、间断面； 火成结构面：接触面、岩脉、原生冷凝节理等 变质结构面：片理、片岩软弱夹层 构造结构面：节理、断层、层间错动面、劈理等。 次生结构面：卸荷裂隙、风化裂隙、风化泥化次生夹层等 3、结构体：结构面将岩体分割，可按分割程度和结构体的体态特征 分类：整体块状结构、层状)2
＜0.65 后 EO/Ed在 0.14不再 明显减小.
岩体变形的结构效应
（四) 结构面组合关系的影响：当岩体中存在两组以上结构面 时，结构面的排列组合方式的不同对岩体变形有较大影响。
对缝式组合：1、围压较大而P较小时，岩体变形连续。
2、围压小而P大时，变形不连续且会产生剪切破裂面，并分 区：直接压缩区1、剪切连续变形区2、压应力连续变形区3
压力-变形曲线分类– 下弯型（或上凸型）C
p = f（W）， d2 p/d W2＜ 0，节理裂隙很发育且有泥质 充填的岩体、软岩、深部有软弱夹层的岩体，裂纹扩展、 泥质挤出、软岩压缩等都可能表现出C 型特征。
岩体的压力-变形曲线分类– 复合型
裂隙发育不均的岩体，岩石压密、裂隙闭合、节理移动等
二、岩体变形特性参数测定
三、结构面的强度指标
1、结构面的抗剪强度：垂直结构面施加恒定荷载，沿结构面施加推 力。可得到结构面的抗剪强度，一组试验的结果可绘制结构面的 强度曲线，用直线表达为：
Sj=σtgυj+Cj 2、结构面的抗摩擦强度：剪断后的试件Cj =0，重新试验得到抗摩 擦强度Sso，一组试验可得到通过原点的直线：
2、工程设计与变形控制、岩体变形阶段 变形控制是工程设计的需要。 岩体的变形性质主要地取决于岩体中的结构面 和结构体及充填物的性质，典型的应力应变全过 程大致可分为四个阶段：
OA段：裂隙压密段，弹塑性并存；
AB段：弹性变形段，压密后较连续。 BC段：塑性变形段，变形较大；
CD段：破坏阶段，有残余
以上为一般规律，不同结构类型的岩 体，变形特性会有差别。
Sso = σtgυj
平直光滑无充填结构面的力学特性
剪应力与剪位移的关系：σ较小时，初期为线性，后期为 流动，剪切峰值强度等于残余强度。抗剪强度： τ = σtgυb， υb一般在25~32度， 磨光面12~22度，干湿差异 3~10度。 σ较大时，会产生粘滑振荡。
粗糙起伏无充填结构面的力学特征
岩体的压力-变形曲线分类– 上凹型B
p = f（W）， d2 p/d W2＞ 0 B-1型 ： p – W曲线的斜率随压力和循环次数增大，弹 性变形较大， 垂直层面加压时岩体的特性。 B-2型： p – W曲线的斜率随压力和循环次数增大；卸 载时有明显的不可恢复变形和滞回环，高角度节理化 及垂直层面加压时的层状软岩体的特性。
承压板法计算变形模量的公式
按弹性力学的Boussinessq公式，推导变形与模量关系。
二、岩体变形特性参数测定3
3、狭缝法（刻槽法） 在被测试岩体中切割一条槽缝， 将压力枕置放在槽缝内并用水泥 砂浆浇注，给压力枕加载（泵入 油压），压力枕将施加压力于岩 壁，是岩壁产生位移，压力值由 压力表读出，岩壁的平均位移由 泵入压力枕内的液体量换算得到， 根据弹性理论，计算出变形模量。 4、岩体动弹性模量测定 根据波在弹性介质中传播规律， 测定岩体内纵波和横波的传播速 度，按波动力学的公式推导岩体 的动弹性模量、动泊松比等。 岩体的动力指标比静力指标好， 适用于动力荷载作用下的稳定性 分析（如地震）
（二） 结构面性质的影响：结构面的张开程度、充填程度、 充填物性质与岩体变形有密切关系。压力大小也对变形有 影响。
水平方向， 压力垂直 无充填的 张开裂隙。 灌浆前后 变形特征 有变化。
垂直片麻理
岩体变形的结构效应
（三）结构面密度的影响： 结构面密度越大，岩体变形 模量越小。岩体变形模量E0与岩石弹模E的比值随RQD 的增大而增大，但结构面密度达到一定程度后（如RQD 或波速比的平方大于65%）再加密，对岩体变形的影响 不再明显。