岩体的力学性质

第六章岩体的力学性质§6.1岩体的变形性质§6.2岩体的强度性质§6.3岩体的动力学性质§6.4岩体的水力学性质§6.1岩体的变形性质一、岩体变形试验及其变形参数确定二、岩体变形参数估算三、岩体变形曲线类型及其特征四、影响岩体变形性质的因素•在受力条件改变时岩体的变形是岩块变形和结构变形的总和，而结构变形通常包括结构面闭合、充填物的压密及结构体转动和滑动等变形。从岩体的定义：岩块+结构面=岩体岩体变形=岩块变形+结构面闭合+充填物压缩+其他变形•在一般情况下，岩体的结构变形起着控制作用。岩体变形试验(2种)：静力法和动力法静力法的基本原理：在选定的岩体表面、槽壁或钻孔壁面上施加法向荷载，并测定其岩体的变形值；然后绘制出压力-变形关系曲线，计算出岩体的变形参数。动力法的基本原理：用人工方法对岩体发射(或激发)弹性波(声波或地震波)，并测定其在岩体中的传播速度，然后根据波动理论求岩体的变形参数。一、岩体变形试验及其变形参数确定一、岩体变形试验及其变形参数确定承压板法狭缝法钻孔变形法水压洞室法单(双)轴压缩试验法声波法地震波法原位岩体变形试验静力法动力法1、承压板法刚性承压板法柔性承压板法emmemmWpDEWpDE)1()1(22ω是与承压板形状与刚度有关的系数。对于圆形板ω＝0.785；对于方形板ω＝0.8862、钻孔变形法UdpEmm)1(优点：①对岩体扰动小；②可以在地下水位以下和相当深的部位进行；③试验方向基本上不受限制，而且试验压力可以达到很大；④在一次试验中可以同时量测几个方向的变形，便于研究岩体的各向异性。缺点：试验涉及的岩体体积小，代表性受到局限。3、狭缝法)]2sin2)(sin1())(1[(22121mmRmtgtgWplE常见岩体的弹性模量和变形模量几种岩体用不同试验方法测定的弹性模量•岩体的变形模量比岩块的小，而且受结构面发育程度及风化程度等因素影响十分明显。•不同地质条件下的同一岩体，其变形模量相差较大。•试验方法不同、压力大小不同，岩体变形模量不同。二、岩体变形参数估算一是在现场地质调查的基础上，建立适当的岩体地质力学模型，利用室内小试件试验资料来估算。——类比法二是在岩体质量评价和大量试验资料的基础上，建立岩体分类指标与变形参数之间的经验关系，并用于变形参数估算。——公式法1、层状岩体变形参数估算层状岩体的地质力学模型假设各岩层厚度相等为S，且性质相同。层面的张开度可忽略不计假设岩块的变形参数为E，μ和G，层面的变形参数为Kn，Ks。取n-t坐标系，n垂直层面，t平行层面。由岩块和层面组成单元体。（1）法向应力σn作用下的岩体变形参数1)沿n方向加荷SEKSEKSEmnnnnnnnnVVVVVjrnjr岩体法向变形层面法向变形岩块法向变形EESKEEmnntnmn1112)沿t方向加荷tnmtEE(2)剪应力作用下的岩体变形参数SGKSGKSGmtssuuuuurjr岩体剪切变形层面剪切变形岩块剪切变形GSKGsmt1112、裂隙岩体变形参数的估算（1）用RMR值估算岩体变形模量（2）用Q值估算纵波速度和岩体平均变形模量)55(10)55(10024010RMRERMRRMRERMRmm1)(Q4035003500lg1000mpmeanmpvEQv三、岩体变形曲线类型及其特征1、法向变形曲线直线型上凹型上凸型复合型直线型通过原点的直线，其方程为p＝f(W)＝KW加压过程中W随p成正比增加岩体岩性均匀、结构面不发育或结构面分布均匀岩体刚度大，不易变形，岩体较坚硬、完整、致密均匀、少裂隙，以弹性变形为主，接近于均质弹性体。岩体刚度低、易变形，由多组结构面切割且分布较均匀或岩性较软弱且均质或平行层面加压。有明显的塑性变形和回滞环，非弹性变形。陡直线型缓直线型上凹型曲线方程为p＝f(W)，dp/dW随p增大而递增，dp/dW＞0层状及节理岩体多呈这类曲线岩体刚度随循环次数增加而增大，弹性变形成分较大。多为垂直层面加压的较坚硬层状岩体。卸压曲线较陡，变形大部分为塑性变形。多为存在软弱夹层的层状岩体及裂隙岩体或垂直层面加压的层状岩体。第二种情况第一种情况上凸型曲线方程为p＝f(W)，dp/dW随p增加而递减，d2p/dW2＜0。结构面发育且有泥质充填的岩体、较深处埋藏有软弱夹层或岩性软弱的岩体常呈这类曲线。复合型p-W曲线呈阶梯或“S”型。结构面发育不均或岩性不均匀的岩体，常呈此类曲线。2、剪切变形曲线峰值前曲线平均斜率小，破坏位移大；峰值后应力降很小或不变。多为沿软弱结构面剪切。峰值前曲线平均斜率较大，峰值强度较高。峰值后应力降较大。多为沿粗糙结构面、软弱岩体及剧风化岩体剪切。峰值前曲线斜率大，线性段和非线性段明显，峰值强度高，破坏位移小。峰值后应力降大，残余强度较低。多为剪断坚硬岩体。四、影响岩体变形性质的因素影响因素：岩性、结构面特征、风化程度、试验方法、试件尺寸、加荷条件、温度、湿度等。结构面密度结构面的张开度及充填特征结构面方位§6.2岩体的强度性质一、岩体的剪切强度二、裂隙岩体的压缩强度三、裂隙岩体强度的经验估算•岩体强度是指岩体抵抗外力破坏的能力。岩体的强度既不同于岩块的强度，也不同于结构面的强度，一般情况下，其强度介于岩块与结构面强度之间。•岩体和岩块一样，岩体强度也有抗压强度、抗拉强度和剪切强度之分。一、岩体的剪切强度岩体的剪切强度是指岩体内任一方向剪切面，在法向应力作用下所能抵抗的最大剪应力。剪切强度分为抗剪断强度、抗剪强度和抗切强度。抗剪断强度是指在任一法向应力下，横切结构面剪切破坏时岩体能抵抗的最大剪应力。抗剪强度是指在任一法向应力下，岩体沿已有破裂面剪切破坏时的最大应力。抗切强度是指剪切面上的法向应力为零时的抗剪断强度。1、原位岩体剪切试验及其强度参数确定双千斤顶法直剪试验岩体剪应力(τ)-剪位移(u)曲线及法向应力(σ)-法向变形(W)曲线。剪切强度曲线及岩体剪切强度参数Cm，φm值岩体内摩擦角与岩块较接近而内聚力则大大低于岩块。说明结构面的存在主要是降低了岩体的连结能力进而降低其内聚力。各类岩体的剪切强度参数表2、岩体的剪切强度特征岩体的剪切强度是具有上限和下限的值域，其强度包络线也是有上限和下限的曲线族。上限是岩体的剪断强度,下限是结构面的抗剪强度。应力σ较低时，强度变化范围较大，随着应力增大，范围逐渐变小。应力σ高到一定程度时，包络线变为一条曲线，岩体强度将不受结构面影响而趋于各向同性体。沿结构面剪切(重剪破坏)时，岩体剪切强度最低，等于结构面的抗剪强度。横切结构面剪切(剪断破坏)时，岩体剪切强度最高。沿复合剪切面剪切(复合破坏)时，其强度介于以上两者之间。坚硬岩石的强度曲线软弱岩石的强度曲线二、裂隙岩体的压缩强度岩体的压缩强度分为单轴抗压强度和三轴压缩强度。在生产实际中，通常是采用原位单轴压缩和三轴压缩试验来确定。单轴压缩三轴压缩单结构面理论jjfCtg强度判据2sin22cos223131312sin)1()(2331ctgtgtgCjjj岩体的强度(σ1－σ3)随结构面倾角β的变化而变化。当β→φj或β→90°时，岩体不可能沿结构面破坏，而只能产生剪断岩体破坏。只有当β1≤β≤β2时，岩体才能沿结构面破坏。2sin)1()(2331ctgtgtgCjjj123131190sin)2(arcsin212jjjjjctgC单结构面理论单结构面理论当β＝45°＋φj／2时，岩体强度取得最低值2sin)1()(2331ctgtgtgCjjj2sin)1(2ctgtgCjjmcσ3=02sin)1()(2331ctgtgtgCjjjmjjjjtgtgtgC23min311)(2单结构面理论含多组结构面，且假定各组结构面具有相同的性质时，可分步运用单结构面理论确定岩体强度包线及岩体强度。随结构面组数的增加，岩体的强度趋向于各向同性，并被大大削弱，且多沿复合结构面破坏。含四组以上结构面岩体的强度可按各向同性考虑。当σ3接近于σmc时，可视为各向同性体。三、裂隙岩体强度的经验估算Hoek-Brown的经验方程M、S、A、B、T为与岩性及结构面情况有关的常数，根据岩体性质查表确定。2331ccSmcmcS242Smmcmt11)()(BcmBcBccmTABarctgTABTACBccTA)(岩体质量和经验常数之间关系表§6.3岩体的动力学性质一、岩体中弹性波的传播规律二、岩体中弹性波速度的测定三、岩体的动力变形与强度参数岩体的动力学性质是岩体在动荷载作用下所表现出来的性质，包括岩体中弹性波的传播规律及岩体动力变形与强度性质。一、岩体中弹性波的传播规律弹性波在介质中的传播速度仅与介质密度ρ及其动力变形参数Ed，μd有关。因此可以通过测定岩体中的弹性波速来确定岩体的动力变形参数。岩体受到振动、冲击或爆破应力波塑性波和冲击波弹性波面波体波纵波(P波)横波(S波)瑞利波(R波)勒夫波(Q波)压缩波剪切波)1(2)21)(1()1(ddsddddpEvEv影响弹性波在岩体中的传播速度的因素不同岩性岩体中弹性波速度不同，岩体愈致密坚硬，波速愈大，反之，则愈小。沿结构面传播的速度大于垂直结构面传播的速度。在压应力作用下，波速随应力增加而增加，波幅衰减少；反之，在拉应力作用下，则波速降低，衰减增大。随岩体中含水量的增加导致弹性波速增加。岩体处于正温时，波速随温度增高而降低，处于负温时则相反。二、岩体中弹性波速度的测定地震法声波法22smspmptDvtDv•选择代表性测线，布置测点和安装声波仪•发生正弦脉冲，向岩体内发射声波•记录纵、横波在岩体中传播的时间常见岩石的纵、横波速度值常见岩体不同结构面发育情况下的纵波速度值三、岩体的动力变形与强度参数1、动力变形参数动力变形参数有：动弹性模量和动泊松比及动剪切模量。可通过声波测试确定。优点：不扰动被测岩体的天然结构和应力状态；测定方法简便，省时省力；能在岩体中各个部位广泛进行。计算公式：2222222)1(2)(22)1(21)21)(1(msdddmsmpmsmpddmsdddmpdvEGvvvvvvE常见岩体动弹性模量和动泊松比参考值几种岩体动、静弹性模量比较表岩体与岩块的动弹性模量都普遍大于静弹性模量坚硬完整岩体Ed/Eme约为1.2～2.0风化、裂隙发育的岩体和软弱岩体Ed/Eme约为1.5～10.0左右，大者可超过20.0原因：①静力法采用的最大应力大部分在1.0～10.0MPa，少数则更大，变形量常以mm计，而动力法的作用应力约为10－4MPa量级，引起的变形量很微小。因此静力法会测得较大的不可逆变形，而动力法则测不到这种变形。②静力法持续的时间较长。③静力法扰动了岩体的天然结构和应力状态。动弹性模量与静弹性模量的关系用动弹性模量换算静弹性模量dmejEE利用岩块与岩体的纵波速度计算岩体完整性系数Kv2rpmpVvvK2、动力强度参数静态加载、准静态加载：应变率10－4s-1动态加载:应变率10－4s-1•动态加载下岩石的强度比静态加载时的强度高。•冲击荷载下岩石的动抗压强度约为静抗压强度的1.2～2.0倍。•原因：这实际上是一个时间效应问题，在加载速率缓慢时，岩石中的塑性变