第十一章-岩体的力学性质

第十一章岩体的力学性质•岩体的力学性质与岩块有显著的差别。一般情况下，岩体比岩块易变形，且其强度也显著低于岩块的强度。造成这种差别的根本原因，是岩体中存在有各种类型不同、规模不等的结构面，并赋存于一定的天然应力与地下水等地质环境中。正因为如此，岩体在外力作用下，其力学属性往往表现以非均质、非连续、各向异性和非弹性。所以无论在什么情况下，都不能把岩体和岩块(石)两个概念等同起来。•岩体的力学性质，一方面取决于它的受力条件；另一方面则受岩体的地质特征和赋存的环境条件的影响。•影响因素主要包括：•组成岩体的岩石变形与强度性质；•各种结构面的发育特征及其变形与强度性质；•岩体的赋存环境，尤其是天然应力及地下水的影响。•其中，结构面的影响是岩体力学性质不同于岩石的本质原因。•本章将主要讲述岩体的变形与强度性质及其动力学性质。第一节岩体的变形性质•由于岩体中包含有大量的结构面，结构面中还往往有各种充填物存在，因此，岩体在外力作用下的变形是岩石变形、结构面闭合相充填物变形三者的总和，且在一般情况下，结构面和充填物变形常起控制作用。下面主要讨论结构面与岩体的变形性质。•一、结构面的变形特征•1．法向变形特征•在同一岩体中，取一块不含结构面的完整岩块试件和一块含结构面的岩石试件；然后，分别对这两块试件进行单向压缩试验，可得到如图11－1所示的法向应力σn－法向变形Δv关系曲线。设不含结构面试件的法向变形为Δvr，含结构面试件的法向变形为Δvt，则结构面的法向闭合变形Δvj为：•利用Δvj可得到结构面的σn—Δvj关系曲线(见图11—1)。••从这些曲线可知，结构面的法向变形具有如下特征：•首先，在法向应力作用下，结构面闭合变形开始较快，变形量也较大，随后逐渐变慢，变形量趋于常量Δvm；•其次，σn—Δvj曲线为一以Δv＝Δvm(结构面最大闭合量)为渐近线的双曲线，说明结构面的变形大部分在低应力下就趋于完成；•再次，含结构面岩块的变形Δvt。开始随σn增加呈非线性增加，当σn达到某一定值后，σn—Δvr曲线变陡，且近似与σn—Δvt曲线平行；•最后，由非线性变形转变为线性变形的法向应力大约在岩石抗压强度的1／3处，σn高于q／3后的Δvt主要是岩块变形贡献的。•在法向应力作用下，结构面产生单位法向变形所需要的法向应力，称为结构面的法向刚度Kn,其大小等于σn—Δvj曲线上某点处切线的斜率。它是反映结构面法向变形性质的主要参数。表11—1给出了几种结构面的抗剪试验参数。•2．剪切变形特征•在岩体中取含有结构面的岩块试件，在一定的法向应力下进行剪切试验，可得到结构面的剪应力τ—剪位移Δμj关系曲线，如图11—2所示。结构面的剪切变形有二种基本类型：一类为塑性变形型，如泥化夹层、光滑平直破裂面等一般具这类变形特征；另一类为脆性变形型，τ—Δμj曲线有明显的峰值点和应力降，当应力降至一定值后趋于稳定，不再随位移变化而变化，如粗糙结构面常具这种变形特征。•在剪应力作用下，结构面产生单位剪位移所需要的剪应力，称为结构面的剪切刚度KS，数值上等于τ—Δμj曲线上任一点的切线斜率。它是反映结构面剪切变形特性的主要参数。结构面剪切刚度受结构面本身性质、规模及法向应力大小等的影响。几种结构面的剪切刚度值见表11—1。•二、岩体变形参数的测定•岩体变形参数的测定方法有静力法和动力法两类。静力法又可分承压板法、狭缝法、钻孔变形法及水压洞室法等。这类方法都是在岩体表面或槽壁和孔壁上施加一定的荷载，然后测定加荷所引起的岩体变形值，进而求得压力—变形曲线相变形参数。动力法则是通过测定弹性波在岩体中的传播速度，依据一定的公式求取岩体的变形参数，主要有地震法和声波法。•目前，国内应用较广的是承压板法、钻孔变形法及声波法等，已将其列入了有关规程。•1.承压板法•承压板法试验，又称平板载荷试验，一般在平巷中进行，试验装置如图11—3所示。•利用巷道顶板作为反力装置，采用分级加荷卸荷法，用油压干斤顶施加法向荷载，通过具有足够刚性的承压板(直径一般约为50一100cm)将压力传递到岩面上。在加压过程中，同时测记各级压力p下的岩体变形值W，并绘制出压力P—变形W曲线(图11—4)。通过某级压力下的变形值，用下式计算岩体的变形模量Em(MPa)和弹性模量Eme(MPa)：•式中：P——承压板单位面积上的压力，MPa；d——承压板的直径或边长，cm；ω0、ωe分别为相应于p下岩体的总变形和弹性变形，cm，w——与承压板形状与刚度有关的系数，对刚性承压板来说，圆形板取ω＝0.78，方形板ω＝0.88；μ——岩体的泊松比。•岩体的变形模量与弹性模量是反映岩体变形性质的重要参数，在岩体力学数值计算和稳定性评价中，都是不可缺少的指标。其大小受岩性、结构面发育特征、地下水及试验条件等因素影响。常见岩体的变形模量列于表11—2。••2．钻孔变形法•钻孔变形法是利用钻孔膨胀计等设备，通过水泵对一定长度的钻孔孔壁施加径向压力同时测记孔壁的径向位移。按下式计算岩体的变形模量，即：••式中：d——钻孔孔径，cm；P——计算压力，等于试验压力与初始压力之差，MPa；V一径向位移，cm。•与承压板法相比较，钻孔变形法有如下优点：①对岩体扰动小；②可以在地下水位以下和较深的部位进行试验；②试验方向基本上不受限制，而且试验压力可以达到相当大；③在一次试验中可同时量测几个方向的变形，便于研究变形的各向异性。这种方法的主要缺点是试验涉及的岩体体积小，代表性受到局限。•三、岩体变形曲线类型•由于岩体中结构面的发育情况及岩石坚硬程度等的差异，岩体变形试验求得的压力p-变形w曲线是复杂多变的。总括起来，可归纳为如图11—5所示的三类，即：(1)直线型：如图11—5a，p-w曲线呈近似直线关系，反映岩体坚硬、致密，裂隙不发育，或只有分布均匀的细小裂隙，岩体变形模量较大，塑性变形小。•(2)上凹型：如图11—5b，p-w曲线在荷载低时斜率小，塑性变形大；随着荷载的加大，曲线斜率逐渐增大，塑性变形趋于稳定；反映岩体的岩性坚硬，裂隙发育，且多呈张开而无充填；在荷载作用下，裂隙逐渐闭合或发生镶嵌作用而被挤紧。•(3)下凹型：如图11—5c，p-w曲线在低荷载下近似直线，表现为弹性变形；当荷载增大时呈曲线，表现为塑性变形；反映岩体的岩性较软弱，或岩体的较深部位埋藏有软弱夹层，或岩体裂隙发育，且有泥质充填。第二节岩体的强度性质•岩体是由各种不同形态的岩块和结构面组成的地质体。强度必然受到岩块、结构面及其组合形式的控制。一般情况下，岩体的强度既不等于岩块的强度，也不等于结构面的强度，而是两者共同影响表现出来的强度。但在某些情况下，可以近似用岩块或结构面的强度代替它。如岩体中结构面很不发育，呈整体或完整结构，则其强度可视为与岩块强度相近或相等。又如岩体是沿某一结构面整体滑移破坏，则岩体的强度完全取决于该结构面的抗剪强度。这是两种特殊的情况。在多数情况下，岩体的强度介于岩块和结构面强度之间。•在岩体的强度性质中，最重要的是抗剪强度。它是影响工程安全和造价的重要因素，在岩某抗滑稳定、边坡岩体稳定和地下洞室围岩稳定性分析与计算中，岩体的抗剪强度参数是必不可少的。本节主要讨论结构面与岩体的抗剪强度。•一、结构面的抗剪强度•根据结构面的形态、连续性、充填情况及其力学性质，可将结构面分为平直光滑无充填的、粗糙起伏无充填的、非贯通断续的及有充填的软弱结构面四类。各类结构面的抗剪强度持征，分述如下。•1.平直光滑无充填结构面的抗剪强度•这类结构面以光滑破裂面及摩擦镜面(如剪切理、片理面等)为代表，是摩擦剪切作用的产物，一般无充填，并附有动力变质矿物薄膜。其抗剪强度接近于人工磨光面的摩擦强度，即；•τ＝σtgφj(11-5)式中：σ—法向应力；φj结构面的摩擦角。•但是，一般来说，多数天然平直光滑结构面仍具有细微的起伏和凸起，其粗糙度要比人工磨光面大。•所以，天然平直光滑的结构面仍有一定的内聚力Cj，其抗剪强度仍由粘聚力和摩擦阻力两部分组成。其中，φj一般为20°－40°，Cj在0－0.1MPa之间变化。其中，平直且摩擦细微的摩擦镜面，如片状矿物含量高，且较平直的片理面，以及贯通性好、平直的粘土岩、泥灰岩层面，其抗剪强度接近于下限。•2．粗糙起伏无充填结构面的抗剪强度•这类结构面的特点是具有粗糙起伏度，在法向应力较小时,剪切过程中可引起上滑效应(或称剪胀效应)，从而增大了结构面的抗剪强度。•帕顿(Patton，1966)曾进行过理想化的石膏模型试验，论述了粗糙起伏无充填结构面的抗剪强度机理。•假定结构面为规则锯齿形(图11—6a)，起伏角为i。在不大的法向应力作用下，上盘岩块将沿锯齿面滑动，而滑移一旦出现，其背坡面即被拉开。出现所谓空化现象(图11—6b)。这时，背坡面将不起抗滑作用，法向应力也全由滑移面承担。•从图11—6中取单个锯齿面来进行分析，如图11—7。将法向应力和水平剪应力沿锯齿面分解，可得到锯齿面上受到的法向应力σn和剪应力τn为：设沿结构面产生滑动时，服从库仑强度条件τn＝σntgφb，•则可推导出结构面的抗剪强度为：•式中，φb为结构面的摩擦角，其余符号意义如图11—7示。式(11—7)是法向应力σ较低时结构面的抗剪强度。由此可见，具有一定起伏度的锯齿形结构面的抗剪强度随起伏角i的增大而增加，其强度包络线如图11-8中(2)所示。•当法向应力不断增大，并达到一定值时，由于岩块上滑运动所需的功达到并超过了剪断锯齿体所需要的功，锯齿将被剪断，这时结构面的抗剪强度为：•式中，φ、C分别为结构面壁岩的内摩擦角和内聚力。•式(11—8)为法向应力较大时，结构面的抗剪强度，其强度包络线如图11—8中(3)所示。•以上是规则起伏结构面的抗剪强度，但自然界多数结构面的起伏形态是不规则的，起伏角也不是常数(图11—9)。•因此，结构面的强度包络线不是图11—8所示的折线状，而是一曲线。•巴顿(Batton，1973)主张用剪胀角αd来代替起伏角i。剪胀角为剪切时剪切位移的轨迹与水平线的夹角(图11—9)，即：式中：δn——剪胀量(mm)；δL——水平位移量•通过对八种不同粗糙起伏结构面的试验研究，他得到了如下统计方程：•••大量的试验资料表明，一般结构面的基本摩擦角φu＝25°－35°之间。因此，(11—11)式中右边的第二项应当就是结构面的基本摩擦角φu，而第一项中的1.78取整数为2。这样处理后，(11—11)式变为•将(11—10)式代入(11—12)式得：•式中，结构面的基本摩擦角φu，一般认为是结构面壁岩平直表面的摩擦角，可用倾斜试验求得。其方法是取结构面壁岩试块，将其锯成两半，除去岩粉，风干后合在一起。试验时，缓缓地抬起试块一端，直到上盘岩块开始下滑为止，此时的试块倾角即为φu。对每种岩石．进行试验的试块数需10块以上。在没有试验资料时，常取φu＝30°，或用结构面的残余摩擦角代替。JRC的确定方法是，测出所研究结构面的表现粗糙度轮廓线，与图11—10所示的标准剖面对照确定。JCS为结构面壁岩强度，常用回弹试验求得。•式(11—13)是巴顿不规则组糙起伏结构面的抗剪强度公式。利用该式确定结构面抗剪强度时，只需知道JRC、JCS和φu三个参数即可，无须进行大型现场抗剪强度试验。部分粗糙结构面的抗剪强度，见表11—l。•3．非贯通断续结构面的抗剪强度•这类结构面的抗剪强度由各段结构面抗剪强度和非贯通段岩石(岩桥)的抗剪断强度两部分组成。因此，整个结构面的强度取决于结构面和岩石性质，以及结构面的连续性，即，•式中，Ci、φj分别为结构面的粘聚力和摩擦角；Cm、φm分别为岩石的内聚力和内摩擦角；K1为结构面曲线连续系数。•式(11—14)为岩桥被剪断时结构面的抗剪断强度,这是非贯通结构面破坏的一种特例。实际上这类结构面的破坏机理较复杂，应于注意。•4.具充填的软弱结构面的抗剪强度•这类结构面的抗剪强度，主要取决于充填物的成分、结构、厚度及充填度和含水状况等。充填物的粒度成分不同，结构面的强度各异。表11－3列出了不同软弱夹层的抗剪强度指标。•可