常用土层和岩石物理力学性质

(E,ν)与(K,G)的转换关系如下：)21(3EK)1(2EG（7.2）当ν值接近0.5的时候不能盲目的使用公式3.5，因为计算的K值将会非常的高，偏离实际值很多。最好是确定好K值(利用压缩试验或者P波速度试验估计)，然后再用K和ν来计算G值。表7.1和7.2分别给出了岩土体的一些典型弹性特性值。岩石的弹性（实验室值）（Goodman,1980）表7.1干密度(kg/m3)E(GPa)νK(GPa)G(GPa)砂岩19.30.3826.87.0粉质砂岩26.30.2215.610.8石灰石209028.50.2922.611.1页岩2210-257011.10.298.84.3大理石270055.80.2537.222.3花岗岩73.80.2243.930.2土的弹性特性值（实验室值）（Das,1980）表7.2干密度(kg/m3)弹性模量E(MPa)泊松比ν松散均质砂土147010-260.2-0.4密质均质砂土184034-690.3-0.45松散含角砾淤泥质砂土1630密实含角砾淤泥质砂土19400.2-0.4硬质粘土17306-140.2-0.5软质粘土1170-14902-30.15-0.25黄土1380软质有机土610-820冻土2150各向异性弹性特性——作为各向异性弹性体的特殊情况，横切各向同性弹性模型需要5中弹性常量：E1,E3,ν12,ν13和G13；正交各向异性弹性模型有9个弹性模量E1,E2,E3,ν12,ν13,ν23,G12,G13和G23。这些常量的定义见理论篇。均质的节理或是层状的岩石一般表现出横切各向同性弹性特性。一些学者已经给出了用各向同性弹性特性参数、节理刚度和空间参数来表示的弹性常数的公式。表3.7给出了各向异性岩石的一些典型的特性值。横切各向同性弹性岩石的弹性常数（实验室）表7.3Ex(GPa)Ey(GPa)νyxνzxGxy(GPa)砂岩43.040.00.280.1717.0砂岩15.79.60.280.215.2石灰石39.836.00.180.2514.5页岩66.849.50.170.2125.3大理石68.650.20.060.2226.6花岗岩10.75.20.200.411.2流体弹性特性——用于地下水分析的模型涉及到不可压缩的土粒时用到水的体积模量Kf，如果土粒是可压缩的，则要用到比奥模量M。纯净水在室温情况下的Kf值是2Gpa。其取值依赖于分析的目的。分析稳态流动或是求初始孔隙压力的分布状态（见理论篇第三章流体-固体相互作用分析），则尽量要用比较低的Kf，不用折减。这是由于对于大的Kf流动时间步长很小，并且，力学收敛性也较差。在FLAC3D中用到的流动时间步长,tf与孔隙度n，渗透系数k以及Kf有如下关系：'ffkKnt（7.3）对于可变形流体（多数课本中都是将流体设定为不可压缩的）我们可以通过获得的固结系数C来决定改变Kf的结果。f'KnmkC（7.4）其中3/4GK1mf'kk其中，'k——FLAC3D使用的渗透系数k——渗透系数，单位和速度单位一样（如米/秒）f——水的单位重量考虑到固结时间常量与C成比例，我么可以将Kf的值从其实际值（Pa9102）减少，利用上面得表达式看看其产生的误差。流动体积模量还会影响无流动但是有空隙压力产生的模型的收敛速率（见1.7节流动与力学的相互作用）。如果Kf是一个通过比较机械模型得到的值，则由于机械变形将会产生孔隙压力。如果Kf远比k大，则压缩过程就慢，但是一般有可能Kf对其影响很小。例如在土体中，孔隙水中还会包含一些尚未溶解的空气，从而明显的使体积模量减小。在无流动情况下，饱和体积模量为：nKKKfu（7.5）不排水的泊松比为：）G3K(22G3Kuuu（7.6）这些值应该和排水常量k和作比较，来估计压缩的效果。重要的是，在FLAC3D中，排水特性是用在机械连接的流变计算中的。对于可压缩颗粒，比奥模量对压缩模型的影响比例与流动。7.3固有的强度特性在FLAC3D中，描述材料破坏的基本准则是摩尔-库仑准则，这一准则把剪切破坏面看作直线破坏面：s13N2cNf（7.7）其中)sin1/()sin1(Nφ1——最大主应力(压缩应力为负);3——最小主应力——摩擦角c——粘聚力当0fs时进入剪切屈服。这里的两个强度常数φ和c是由实验室的三轴实验获得的。当主应力变为拉力时，摩尔-库仑准则就将失去其物理意义。简单情况下，当表面的在拉应力区域发展到3等于单轴抗拉强度的点时，t，这个次主应力不会达到拉伸强度—例如；t3tf（7.8）当0ft时进入拉伸屈服。岩石和混凝土的抗拉强度通常有由西实验获得。注意，抗拉强度不能超过σ3,这是和摩尔-库仑关系的顶点的限制是一致的。最大的值由下式给出tanctmax（7.9）表7.4列出了一系列具有代表性的典型的岩石标本的粘聚力、摩擦角和抗拉强度值。土体的具有代表性的典型粘聚力和摩擦角的具有代表性的典型值见表7.5。土体强度用无侧限抗压强度uq表示，uq与粘聚力C和摩擦角的关系由下式确定/2)2ctan(45qu（7.10）岩石的强度特性值（实验室测定）表7.4摩擦角（度）粘聚力（MPa）抗拉强度（MPa）沙岩27.827.21.17粉质岩32.134.7--泥质页岩14.434.8--硅岩42.070.6--石灰石42.06.721.58山脉花岗岩51.055.1--测试场地玄武岩31.066.213.1土体的强度特性值（排水实验测定）表7.5粘聚力（kpa）摩擦角的最大值（度）摩擦角的残留值（度）沙砾--3432无细沙的沙性砂砾--3532粘性良好的沙性砂砾1.03532较细的砂砾和沙的混合体3.02822细沙粒--3230粗沙粒--3430级配良好的沙粒--3332低塑性泥沙2.02825中-高塑性泥沙3.02522低塑性粘土6.02420中塑性粘土8.02010高塑性粘土10.0176有机淤泥或粘土7.02015岩石物理力学性质一览表性质岩性岩石密度(g/cm3)液限%塑限%塑性指数变形模量（MPa）孔隙比%抗拉强度内聚力C摩擦角备注碎石（堆积）类土2.65~2.7土粒密度20~400.4~0.6一般假定0一般假定036~42黄土类土干1.3~1.523~3315~208~13新黄土具有湿陷性0.8~1.1一般假定00.03~0.06（老）0.01~0.033(新)15~25（老）17.8~28.4(新)含水率%10~25粘性土1.8~2.0523~5516~307~254~12（压缩模量）0.7~1.0一般假定00.005~0.068~26含水率%20~40岩石密度(g/cm3)孔隙率吸水率软化系数变形模量（103MPa）抗压强度抗拉强度内聚力C摩擦角泥岩0.03~0.37（粘土岩）20.7~59（干粘土岩）0.010.04~0.09（粘土岩）2315~30（粘土岩）页岩2.3~2.620.4~10.00.5~3.20.24~0.7416~2010~1002~103~2015~30泥板岩2.3~2.80.1~0.50.1~0.30.39~0.52123~199(干板岩)粉砂岩10~320.07~1.729~59石英砂岩2.6~2.7154~5868~102.51.9~3.013（寒武）54（震旦）75~82.5（似内摩擦角）摩擦系数0.54（寒武）0.49（震旦）砂岩2.2~2.711.6~28.00.2~9.00.65~0.9717~4120~2004~258~4035~50砾岩2.40~2.660.8~10.00.3~2.40.50~0.966.7~16.2（新鲜岩体）10~1502~158~5035~50泥灰岩2.3~2.71.0~10.00.5~3.00.44~0.541.3~2.6（新鲜岩体）3.5~2040~600.3~1.42.8~4.20.32（新鲜岩体）37（新鲜岩体）灰岩2.3~2.7716.0~520.1~4.450.7~0.9435~3950~2005~2010~5035~50白云岩2.1~2.70.3~25.00.1~3.06.7~3280~25015~2520~5035~50片岩2.69~2.920.02~1.850.1~0.20.53~0.69（绿泥石片岩）44~7210~1001~101~2026~65千枚岩0.4~3.60.5~1.80.67~0.9610（石英千枚岩）10~1001~101~2026~65板岩2.3~2.750.45左右0.1~0.35.0（新鲜岩体）60~2007~152~2045~60大理岩2.6~2.70.1~6.00.1~1.049~6770~1402.0~4.04.9（裂隙较发育岩体）52（裂隙较发育岩体）石英岩2.4~2.80.1~8.70.1~1.50.94~0.9665~70150~35015~3010~5050~60花岗岩2.3~2.80.5~4.00.1~4.00.72~0.9730~37100~2507~2514~5045~60闪长岩2.52~2.960.2~5.00.3~5.00.6~0.81.5~8.5（具裂隙岩体）100~25010~2510~5053~55辉长岩2.55~2.980.3~4.00.5~4.0180~30015~3610~5050~55流纹岩2.5~3.3180~30015~3010~5045~60安山岩2.3~2.71.1~4.50.3~4.50.81~0.918.3~12.0（具裂隙岩体）100~25010~2010~4045~50玄武岩2.5~3.10.5~7.20.3~2.80.3~0.9583180~30015~3610~5050~55注：未注明为岩体的数据，均为岩石试验数据。[1]唐大雄刘佑荣张文殊王清工程岩土学（第二版）地质出版社1998北京[2]重庆建筑工程学院同济大学岩体力学中国建筑工业出版社1981.10北京[3]工程地质手册编写委员会工程地质手册（第三版）中国建筑工业出版社1992.12北京[4]李先炜岩体力学性质煤炭工业出版社岩石名称岩石性状容重吸水率干抗压湿抗压E抗剪强度抗剪强度工程名称备注(裂隙、风化、夹层)g/cm3%MpaMpaGpatgψC(Kpa)灰岩页岩互层弱风化2.680.3387.230.57.0观音阁水库灰岩鲕状2.770.0948.630.4石英砾岩2.660.2830.2丰满绢英千枚岩微风化2.600.206530碧口灰岩含燧石结核2.640.5639.830江垭泥岩2.651.5433.430天升桥一级电站石英砂岩2.284.6544.229.91.22山西北引黄灰岩2.6072.929.232.5徐州铜山柳泉矿粉砂岩泥质2.523.1033290.2970葫芦口云母片麻岩弱风化49.428.2岗南水库云母片麻岩2.503.4245.328.1广元香水渡粘土岩砂质2.574227.9狮子滩灰岩泥质2.533.936527.8龙门页岩2.612.753527.5紫坪铺砂岩39.127.32.54升钟角砾岩2.433.7256.627.3漫湾闪长玢岩岩脉,弱风化2.950.2454.926.80.78潘家口(杨叉子坝址灰岩薄层,条带5526.528.4隔河岩芒硝岩2.0126.410.2华东盐矿砂岩弱风化2.156.6541264.6葫芦口水库粉砂岩弱风化2.591.9132.825.7万安角砾岩2.463.354.625.6漫湾砂岩弱风化2.195.147.125.50.4150小井沟水库细砂岩全风化2.188.0148.125.1云南、丰收河大寨电站石英片岩含白云母,弱风化2.1725.01.31.093000黄龙灰岩2.6479.224.847.5徐州铜山砂岩2.282.6436.524.8小井沟水库花岗岩强风化2.335.65402318.4江西七星水库角砾岩2.580.834224万安灰页岩2.612.34292