岩石力学课程Chapter4PPT课件

第四章岩石的变形Chapter4RockDeformation 目的 学习和认识岩石在各种物理因素作用下的形状和大小的变化及其对工程的影响 以及同种类岩石的变形特征 要求 掌握岩石的材料的应力 应变曲线 全应力应变曲线 重点 单轴压缩试验和岩石的全应力 应变曲线的构成分析 难点 根据岩石的应力 应变曲线进行的材料划分 学习提示LearningHints 4 1概述 4 1 1岩石变形的概念 岩石变形 指多种地质力学环境因素和工程荷载共同作用岩石形状与大小发生变化 河谷下切 地应力释放 工程开挖等 水库蓄水 隧洞充水的水荷载等 岩石锚固 支挡建筑物等的变形等 4 1概述 4 1 2岩石的变形稳定 因此 岩体的变形量常作为工程设计的控制标准之一 岩体作为建筑物的基础 其变形与上部结构的变形相互协调 影响结构内力 4 1概述 4 1 2岩石的变形稳定 空间壳体 4 1概述 重力坝右江h 130m 库空是否向上游倾斜 研究岩体变形的重要性 蓄水坝基不均匀变形影响 4 1 2岩石的变形稳定 不均匀变形造成坝体内剪应力及主拉应力增长 造成开裂错位等不良后果 4 1概述 弹性变形 塑性变形 蠕变 荷载卸去后 变形可恢复 包括线性和非线性 粘弹性 荷载卸去后 变形不能全部恢复 残留一部分永久变形 荷载 应力 一定的情况下 岩石变形随时间t增加而增加 4 1 2岩石的变形稳定 4 1概述 4 1 3线弹性变形的本构关系 岩石的变形特性通常用E和u两个常数来表示 当E和u已知时 可计算给定应力状态下的变形 三维应力条件下的Hook定律 4 1概述 4 1 3线弹性变形的本构关系 如果已知变形 也可用下式计算应力 其中 K为体积模量 G称为剪切模量 称为拉梅常数 一般采用室内试验或现场试验 静力试验或动力试验来获取岩石变形指标及应力应变关系 室内试验一般有单轴压缩试验 三轴试验等 现场试验有承压板试验 狭缝试验 环形加荷试验等 显然 要了解岩石的变形特性 必须确定 已知岩石的变形指标 包括弹性模量 泊松比 剪切模量 体积模量等 显然 由于岩体结构的复杂性 含多结构面 其变形指标也存在很大的差异 因此确定岩石变形指标显得尤为重要 4 2岩石变形室内试验 4 2 1岩石变形的特点 试件 D 5 0cm H 10 0cm 加载 普通压力机 刚性压力机 MTS INSTRON等 量测 应变片 轴向 侧向 单轴压缩试验 4 2岩石变形室内试验 单轴压缩试验 成果整理 一般来说为曲线 当较小时 为直线 4 2 1岩石变形的特点 4 2岩石变形室内试验 单轴压缩试验 通过单轴试验 可以获得以下几种模量 变形指标 1 初始弹性模量 曲线上零荷载时的切线斜率 2 切线弹性模量 随应力状态变化 3 平均弹性模量 取近似于直线段的平均斜率 4 割线弹性模量 原点与曲线上某点连线的斜率 4 2 1岩石变形的特点 4 2岩石变形室内试验 三轴压缩试验 用岩石三轴仪也可直接测定岩石试件的弹性模量 通过岩样上应变体引线 量测轴向 侧向应变 对常规三轴而言 根据三维Hook定律计算弹模 4 2 1岩石变形的特点 4 3岩石的变形性质 4 3 1岩石的应力 应变全过程曲线 通过刚性压力机单轴试验获得应力 应变全过程曲线 分为4个阶段 1 OA Stage1压密阶段 岩体中细微裂隙受压闭合 2 AB Stage2线弹性阶段 卸载后变形可恢复 岩石颗粒变形 3 BC Stage3强化阶段 卸载后变形不能完全恢复 4 CD Stage4软化阶段 强度下降 塑性变形比重大 Stage1 Stage2 Stage3 Stage4 4 3岩石的变形性质 4 3 1岩石的应力 应变全过程曲线 不同岩性的岩样 全过程曲线中某些阶段突出 某些阶段弱化 可根据各阶段的差异对岩性进行划分 米勒 Miller 根据岩石的应力 应变曲线随着岩石的性质有各种不同形式的特点 采用28种岩石进行了大量的单轴试验后 将岩石的应力 应变曲线分成6种类型 4 3 2反复加载与卸载条件下的变形特性 一 弹性阶段 二 弹塑性 强化 阶段 1 卸载 卸载 弹性变形恢复 4 3岩石的变形性质 加载 卸载过程后 应力 应变曲线重合 4 3 2反复加载与卸载条件下的变形特性 2 重复加载 单次 4 3岩石的变形性质 二 弹塑性 强化 阶段 当P P1时 重新加载 卸载一般不重合 形成塑性滞回环 重新加载时 呈线性关系 当P P1时 重新加载与初始加载时 曲线重合 值得注意 重新加载时 只有当P P1时 才开始出现塑性变形 提高 这种现象称之为 强化 4 3岩石的变形性质 4 3 2反复加载与卸载条件下的变形特性 三 反复加载 多次加载卸载加载 多次反复加载 卸载且每次施加的最大荷载与第一次加载的最大荷载一样 0 P1 0 P1 0 P1 形成塑性滞回环 多次反复加载 卸载且每次施加的最大荷载都比前一次加载的最大荷载大 0 P1 0 P2 0 P3 形成塑性滞回环的面积增大 卸载曲线的斜率 弹模 也逐次增加 称为强化 4 3 3岩石在三轴荷载条件下的变形特性 在三轴试验中可以得到 4 3岩石的变形性质 轴向 径向 侧向 绘制成果曲线 4 3岩石的变形性质 4 3 3岩石在三轴荷载条件下的变形特性 一般而言 单轴 3较低 同时呈脆性破坏 达到 max较时 1很小 中等围压 3时 呈塑性破坏 即 max 体应变 1 1 2 3 明显 出现扩容现象 扩容一般是岩石破坏的前兆 主要是由于岩石试件张开细微裂隙的形成和扩张所致 接近破裂是的侧向应变之和须大于轴向应变 裂隙长轴与最大主应力方向平行 4 3 4岩石变形指标的确定 弹性模量E 弹性模量是指单轴受力时正应力 与弹性正应变 e之比 线弹性岩石 4 3岩石的变形性质 非线弹性岩石 4 3 4岩石变形指标的确定 弹性模量E 具有弹性滞回环的岩石 虽然卸载完毕时 其应变能恢复到零 但由于其加 卸载时应力路径不相同 因而P点的加载模量与卸载模量不同 4 3岩石的变形性质 弹塑性类岩石的弹性模量 按定义应取 曲线起始段直线的斜率 即切线模量 为准 但实验表明 直线段大致与卸载曲线的割线平行 故弹塑性类岩石的弹性模量往往可取卸载曲线的斜率 工程实践中带取 曲线上的极限强度50 所对应点的割线斜率 作为割线模量 4 3 4岩石变形指标的确定 变形模量E0 4 3岩石的变形性质 岩石的变形模量是以正应力 与总应变 为弹性应变 e与塑性应变 p之和 的比值表示 对于线弹性类岩石 其变形模量与弹性模量是相同的 对于弹塑性岩石 其变形模量不是常数 它与荷载的大小有关 在应力 应变曲线上的任何点与坐标原点相连所得的割线的斜率 表示该点所代表的应力的变形模量 4 3 4岩石变形指标的确定 泊松比 4 3岩石的变形性质 岩石的横向应变 x与纵向应变 y之比值称为泊松比 即 在岩石的弹性工作范围内 一般为常数 但超越弹性范围以后 随应力的增大而增大 直到 0 5为止 静水压力状态 4 4岩石应力 变形曲线的影响因素 影响岩石应力 变形曲线的主要因素 荷载速率 温度 侧向压力 各向异性 4 4岩石应力 变形曲线的影响因素 4 4 1荷载速率 在单轴压缩试验中 加载速率 荷载增量 时间的比值 对岩石的变形影响很大 加载速率越大 快 弹模越大 强度越高 弹篮球现象 岩石试验中 用冲击荷载测得的弹性模量比用静荷载测得的要高的多 4 4岩石应力 变形曲线的影响因素 4 4 2温度 一般来说 随着温度的升高 岩石的塑性变形增大 岩石的破坏由脆性破坏向塑性破坏演变 4 4岩石应力 变形曲线的影响因素 4 4 3侧向压力 侧向压力 2 3对岩石的强度和变形都有很大的影响 由于侧向应力 3的存在 岩石破坏时的变形增加 且随着 3的增加 岩石的塑性变形明显 当 3增大至一定范围 岩石几乎开始符合理想塑性变形 即使 3再增大 变形特性变化不大 4 4岩石应力 变形曲线的影响因素 4 4 3侧向压力 侧压力对孔隙率低的岩石影响小 但对有部分开裂的 孔隙率高的以及软弱的岩石影响大 在存在 3的情况下 岩石变形不仅与大小有关 还与 1 3 的数值有关 侧向压力 2 3对岩石的强度和变形都有很大的影响 4 4岩石应力 变形曲线的影响因素 4 4 3侧向压力 在侧向压力作用下 部分岩石的弹性模量与应力之间呈非线性关系 可用Duncan公式表示 4 4 4各向异性 各个方向反映变形的参数 E 不同 工程中 常见的横观各向同性材料 需要5个独立参数描述 平行于XOY的面内 E1 1 垂直于XOY的面内 E2 2 剪切模量G2 E2 1 2 4 4岩石应力 变形曲线的影响因素 4 5 1意义 4 5现场变形试验 现场变形试验也称原位变形试验 它比实验室变形试验更能反映天然岩体的性质 例如裂隙 节理等地质缺陷 所以有条件最好做这种试验 但现场试验工作量大 时间长 费用高 一般对于重要的建筑物采用该法 水工隧洞 地下厂房 大坝地基等 试验方法分为 静力法 承压板法 狭缝法 环形加荷法 和动力法 4 5 2承压板法 试验采用的承压板多半是刚性承压板 其尺寸大小是根据岩体中裂隙的间距和试验所选用的最大压力来确定的 通常采用的是2000 2500cm2 圆形或正方形 施加荷载的方法 视岩体结构和工程实际使用的情况而定 当岩体比较完整时 采用分级加荷 每级荷载作一次加荷 卸荷过程 叫逐级一次循环 用以确定岩体在不同荷载条件下的变形特性 4 5现场变形试验 承压板试验可以在平地上或在平硐中进行 就是通过刚性或柔性承压板将荷载加在岩面上以测定其变形 4 5 2承压板法 4 5现场变形试验 4 5 2承压板法 试验程序 在平硐或坝基 反力结构 选点 清除破碎岩石 平整 安装千斤顶 加载 量测变形 整理p s曲线 或分级加载 加载 卸载 加载 卸载 绘制p s曲线 并根据弹性理论 4 5现场变形试验 4 5 2承压板法 4 5现场变形试验 4 5 3狭缝试验法 原理 椭圆孔受内水压力 产生应力与变形的原理建立起来的 4 5现场变形试验 4 5 3狭缝试验法 试验程序 在选定的具有代表性的试验点开一条狭缝 通过埋设在狭缝的钢枕 旁千顶 对狭缝两侧加压测量变形 按代有狭缝的理想弹性板平面应力问题计算岩体的变形 量测A点绝对变形按绝对变形 量测A1 A2点相对变形按A1 A2点相对变形 4 5现场变形试验 4 5 3狭缝试验法 特点 开槽对岩体扰动小 加压方向随意 也可以在软弱夹层或断层带内试验 缺点 但测试技术和计算方法不严谨 槽面释放应力 不属于平面问题 平面应力和平面应变 4 5现场变形试验 4 5 4环形加荷法 环形加荷法是一种适用于测定岩体处于压 拉两种应力状态下的变形特性的试验方法 对洞壁加压 可以采用各种不同的方法 目前较常用的有水压法 径向千斤顶法和钻孔膨胀计法 为了进行这种试验 必须先选择与建筑物地质条件相近的 有代表性的地段 开凿一条试验洞 洞径大小一般是取2 3m 洞长不小于3倍的洞径 然后对洞壁岩石加压 并测量洞壁变形 4 5现场变形试验 4 5 4环形加荷法 水压法 4 5现场变形试验 水压法就是利用高压水对洞壁加压的一种方法 在试验进行之前 须要在试验洞内选定几个测量断面 并安装测量洞径变形的仪器 如钢弦测微计 电阻测微计等 再封闭试验洞端 在试验时向洞中充灌高压水 对洞壁进行加压 与此同时 测定相应的径向变形值 根据实际测定的资料 可以绘出压力与变形关系曲线 水压法的特点是岩石的受荷面积大 压力分布均匀 能测得各个方向上的变形 另外 它的受力条件与压力隧洞的受力条件完全一样 所以它是研究压力隧洞岩体变形的较好的方法 这种试验方法在破碎岩石中或透水性大的地段不宜采用 而且比起其他方法来 费用大 时间长 所以一般只是在重要工程的设计阶段进行 4 5 4环形加荷法 径向千斤顶法 奥地利法 4 5现场变形试验 这个方法的加压原理与水压法完全相同 唯其径向施压方式不是通过高压水来实现 而是通过埋置于混凝土和圆形钢 木支撑圈之间的12 16个扁千斤顶 液压钢枕 来进行的 当液压枕向洞壁施加径向压力后 同样须要量测洞壁的径向变形量 并由此计算岩体的变形模量 4 5 4环形加荷法 钻孔膨胀计法 4 5现场变形试验 4 5 4环形加荷法 4 5现场变形试验 三种方法的弹模 变模的统一计算公式 4 5 4环形加荷法 4 5现场变形试验 三种方法的应用条件 承压板法 狭缝法 单双轴加压法 大坝 船闸的地基 拱坝的拱座变形 船闸的变形或岩体的各向异性 软弱夹层 断层 裂隙密集带 水压力法 完整岩体或透水性较小的岩体中 4 5 5岩石反力 抗力 系数的测定 岩石反力 当隧洞在受到洞内水压力或其它荷载的作用时 衬砌向岩石方向变形 此时衬砌会受到岩石的抵抗 也就是说岩石会对衬砌发生一定的反力 该力称为 地下洞室设计中非常重要的参数 注意 只存在于压力区 若抗力与变形成正比 称之为弹性抗力 4 5现场变形试验 4 5 5岩石反力 抗力 系数的测定 岩石反力 弹性抗力 系数 岩石反力 弹性抗力 的大小常常用岩石反力 弹性抗力 系数k来表示 根据文克尔 Winkler 假定得 假设岩石是理想的弹性体 则圆形隧洞的k值与岩石模量E之间的关系 可表示为 4 5现场变形试验 用于弹性地基计算的一种假定 即认为地基土受压变形的性状有如弹簧 其上各点的压强与该点土的垂直变形成正比 4 5 5岩石反力 抗力 系数的测定 隧洞单位弹性抗力系数 指D 1 0m直径产生单位位移 所需的压力 工程应用 10无衬砌圆形洞室 直接利用左式 20有衬砌圆形洞室 则采用下式 4 5现场变形试验 4 5 5岩石反力 抗力 系数的测定 确定岩石反力系数的方法 岩石反力系数的现场测定方法比较多 目前应用较广的就是上一节介绍的隧洞水压法和径向千斤顶法以及承压板法 4 5现场变形试验 4 6 1基本原理 4 6岩石弹性常数的动力测试方法 通过激振 地震波 声波等 岩石的方式 测定弹性介质 岩体中 的波速 换算岩体弹模和泊松比 根据激发波采用的方法和产生波的频率不同 分为超声波波 声波法和地震波法 通常采用地震波法 4 6 2地震法的测试方法 在洞壁上打两个试验钻孔 激振 引爆炸药 由地震仪记录地震波 4 6岩石弹性常数的动力测试方法 4 6 3特点 4 6岩石弹性常数的动力测试方法 Ed综合反映岩体质量 完整程度 岩块弹模 一般来说 岩石坚固 裂隙少 风化弱 则弹性波振幅大 波速高 反之 在岩性软弱 裂隙多 风化严重的岩体中 波速降低 被吸收或衰减严重 振幅小 一般动弹模Ed 1 0 2 56 静弹模Es 工程上一般取Ed 1 3Es 岩体的生成年代及岩性 岩质对弹性波传播速度影响也很大 4 7 1定义 4 7破碎岩石的变形性质 所谓破碎岩石 岩石内节理 裂隙非常发育 强风化 强卸荷岩体 一般均指天然岩体 4 7 2特点 4 7破碎岩石的变形性质 相对完整岩块变形量非常大 且永久变形显著 加卸载过程存在明显的滞回环 Ed E比值可高达13 0 E T可达4 5以上 对动力法中高频弹性波丢失严重 E 取值 用重复加载斜率同时 E0 2 RMR 100 岩体质量评分RMR 55 4 8 1岩石蠕变的概念 4 8岩石的蠕变 岩石蠕变 流变 指岩石在应力恒定情况下 应变随时间增长的特性 岩石松弛 指岩石在应变恒定情况下 应力 随时间降低的特性 应力松弛 工程实例 深埋洞室围岩蠕变支护变形 新奥法机理 与压力随时间变化 4 8 2岩石蠕变的特性 4 8岩石的蠕变 岩性针对不同岩石 弹性变形与蠕变对比存在差异 4 8 2岩石蠕变的特性 4 8岩石的蠕变 应力水平影响蠕变量大小 蠕变速率 P93 图4 47 4 8 2岩石蠕变的特性 4 8岩石的蠕变 蠕变试验得到典型蠕变曲线分为三段 AB 初期蠕变 蠕变速率 递减卸载 p t 瞬弹PQ 粘弹QR 全部恢复 BC 恒速蠕变 d dt