岩体力学第三章七节八节--

3 7岩石中水对强度的影响 1 水对岩石强度的影响 一般来说 某些岩石受水影响而性质变坏主要是由于胶结物的破坏所致 例如砂岩在接近饱和时可以损失15 的强度 在极端情况下 如象蒙脱质粘土页岩在被水饱和时可能完全破坏 然而 在大多数情况下 对岩石强度最有影响的是孔隙和孔隙中的水压力 统称这种水压力为孔隙水压力 对于排水试验 偏应力 1 3与轴向应变的关系曲线表现出峰值 并随后逐渐降低 对于不排水试验 由于孔隙水压力的增长 峰值应力大大降低 随后保持较平缓的曲线 3 7岩石中水对强度的影响 3 7岩石中水对强度的影响 2 太沙基有效应力原理在岩石中的运用 根据太沙基有效应力定律 pw 式中 总应力 MPa pw 孔隙水压力 MPa 有效应力 或有效压力 MPa 3 7岩石中水对强度的影响 根据莫尔 库伦强度理论 考虑到孔隙水压力的作用 饱和多孔岩石的抗剪强度用下式表示 或者 可见 岩石中由于孔隙水压力的存在而使强度降低 强度降低的程度视孔隙水压力Pw的大小而定 3 7岩石中水对强度的影响 应当转化为 或者 因为 3 7岩石中水对强度的影响 孔隙水压力为 所以 3 7岩石中水对强度的影响 3 7岩石中水对强度的影响 孔隙水压力的作用是增加材料的脆性性质 3 8岩体强度分析 1 岩体分类 岩体大体上可以分为两种情况 一种是接近均质的 例如 同一种岩石组成的岩体 岩性较软弱 以致岩体内各种软弱结构面 节理 裂隙 层理等 对岩体强度的影响不占主导或影响甚微 3 8岩体强度分析 3 8岩体强度分析 又如岩体的岩性虽然非常坚硬 但结构面远未能组成分离的块体或者结构面所处的位置及产状不致造成不利于岩体稳定的情况等等 这些都可将岩体视为均匀岩体来进行强度分析 3 8岩体强度分析 另一种是岩体的强度主要有结构面的特征 强度 产状 粗糙度 充填物等等 所决定 3 8岩体强度分析 例如岩石很坚硬 但结构面已经岩体切割成各种分离体 或其产状造成不利于岩体稳定的情况等等 这些就不能把它们视为均质岩体来强度分析了 2 均质岩体强度分析 主要采用莫尔 库伦准则 如果比该式中 1的更大 或者比该式中 3的更小 则岩体就不稳定了 判别式如下 稳定 极限平衡 3 8岩体强度分析 3 8岩体强度分析 不稳定 如果主应力为负值 拉应力 则判别式为 稳定 极限平衡 断裂 3 8岩体强度分析 当岩体内有孔隙水压力时 判别式应写作 稳定 稳定 极限平衡 断裂 当有孔隙水压力时 则判别式为 3 8岩体强度分析 3 节理岩体强度分析 图3 26工程中存在的结构面示意图 S 结构面 M 节理 a 岩石坝基 b 岩质边坡 c 隧洞 3 8岩体强度分析 一种是节理面与一个主应力面的法线相平行的 另一种是节理面与主应力面的法线斜交的 把成组出现的有规律的裂隙 称为节理 其相应的岩体称为节理岩体 在实践中 可能会遇到两种类型的结构面 3 8岩体强度分析 不管是哪种类型 都可用莫尔 库伦强度条件来判定节理面上的稳定情况 当节理面上的剪应力 达到抗剪强度 时 节理面处于极限平衡状态 式中 理面上的正应力 MPa 当岩体内 代表某点应力状态的应力圆与节理面强度线相切或甚至相割时 岩体是否破坏 还要看应力圆上代表该节理面上应力的点子在那一段圆周上而定 3 8岩体强度分析 图3 43节理面稳定情况判别 1 岩石强度线 2 节理面强度线 图3 44节理面mm 3 8岩体强度分析 设岩体内有一节理面mm 其倾角为 亦即节理面法线与大主应力成 角 见图3 44 根据该处岩体的应力状态 1和 3可以绘一应力圆 如图3 43中的o1圆所示 图3 43节理面稳定情况判别 1 岩石强度线 2 节理面强度线 图3 44节理面mm 3 8岩体强度分析 从该圆的m1点 圆与横轴的交点头 作mm 图3 43 的平行线交圆周于A点 则A点就代表节理面上的剪应力 图3 43节理面稳定情况判别 1 岩石强度线 2 节理面强度线 图3 44节理面mm 3 8岩体强度分析 由于A点在节理面强度线的上方 说明节理面上的应力已大于节理面的抗剪强度 即 节量面是早已滑动了 不稳定的 图3 43节理面稳定情况判别 1 岩石强度线 2 节理面强度线 图3 44节理面mm 如果根据 1和 3绘出的莫尔应力圆为o2圆 从该圆的点作mm线的平行线交圆周于B点 B点就代表节理面上的剪应力 3 8岩体强度分析 图3 43节理面稳定情况判别 1 岩石强度线 2 节理面强度线 图3 44节理面mm 3 8岩体强度分析 由于B点在节理面强度线的下方 所以说明节理面上的剪应力小于节理面的强度 尽管莫尔应力圆已与节理面强度线相割 节理面却还是稳定的 图3 43节理面稳定情况判别 1 岩石强度线 2 节理面强度线 图3 44节理面mm 显然 如果代表节理面应力的点刚好落在B 点 则节理面上就处于极限平衡状态 利用这种图解方法 很容易判断结构面的稳定性 下面我们再来导出判断节理面稳定与否的具体判别式 3 8岩体强度分析 图3 43节理面稳定情况判别 1 岩石强度线 2 节理面强度线 图3 44节理面mm 3 8岩体强度分析 参见图3 43上以圆代表的应力状态 当节理面处稳定状态和极限平衡状态时 节理面上的剪应力就应当满足下列条件 式中等号表示极限平衡状态 3 96 从材料力学中知道 3 8岩体强度分析 将上式中的 和 代入 3 96 式得到 或者 移项 整理后可得 3 8岩体强度分析 通过三角运算 得出 3 97 这就是判断节理面稳定情况的判别式 式中等号表示极限平衡状态 如果 3 97 式的左端小于零 则节理面处于不稳定状态 假定在层状岩体中开挖一个隧道 岩体中节理的倾角为 开挖后洞壁上的水平应力 x 3 0 y 1 因此 式 3 97 成为 3 98 边墙岩体是否处于稳定情况 可分几种情况进行讨论 3 8岩体强度分析 1 的情况当时 此时 因此 式 3 98 左边两项均为正值 不等式 3 98 显然能满足 这就说明边墙岩块abc处于平衡状态 3 8岩体强度分析 3 98 2 的情况当时 式 3 98 显然能够成立 因此 岩块处于平衡状态 3 8岩体强度分析 3 98 3 的情况当时 此时 因而式 3 98 左边第一项为负值 但第二项为正值 因此 在此情况下 不等式 3 98 是否能满足就取决于式 3 98 中第一项的绝对值是否小于第二项 视具体情况而定 3 98 3 8岩体强度分析 4 的情况 当 即节理的倾角与一般均质岩体中所产生的破裂方向相同时 这时将代入式 3 98 则有 或者 3 98 3 8岩体强度分析 例题3 1假设洞室边墙处的节理面倾角 图3 45 内摩擦角 50 凝聚力c 0 由实测知道洞室处平均的垂直应力 y 2MPa 试计算岩石锚杆在边墙处应提供多大水平应力 x才能维持边墙的平衡 图3 45节理岩体稳定举例 3 8岩体强度分析 3 8岩体强度分析 解 由公式 3 97 可得 3 97 MPa 图3 45节理岩体稳定举例 当节理面内有孔隙 裂隙 水压力时 可用下列判别式来判断节理岩体的稳定的情况 稳定 极限平衡状态 如果上式左端小于零 则岩体处于不稳定状态 3 8岩体强度分析 3 99 3 97 3 8岩