第六章--岩体的力学性质

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 岩体变形量从岩体的定义 岩体 岩块 结构面岩体变形 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 研究岩体变形的意义 一 岩体变形试验及其变形参数确定 第六章岩体的力学性质 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 第六章岩体的力学性质 1 承压板法 第六章岩体的力学性质 刚性承压板法柔性承压板法 承压板 千斤顶 传力柱 钢板 混凝土顶板 是与承压板形状与刚度有关的系数 对于圆形板 0 785 对于方形板 0 886 第六章岩体的力学性质 布西涅斯克公式 2 钻孔变形法 优点 对岩体扰动小 可以在地下水位以下和相当深的部位进行 试验方向基本上不受限制 而且试验压力可以达到很大 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 第六章岩体的力学性质 径向变形 3 狭缝法 狭缝扁千斤顶法 第六章岩体的力学性质 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 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 第六章岩体的力学性质 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 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 n作用下的岩体变形参数 1 沿n方向加荷 2 沿t方向加荷 变形由岩块引起 2 剪应力作用下的岩体变形参数 若岩层厚度及岩块参数都不相同时 应采用别的方法进行计算 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 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 第六章岩体的力学性质 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 岩体刚度为常数 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 岩性较软弱且均质 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 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 一般可达2 10mm 峰值后应力降很小或不变 r p 1 0 6 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 r p 0 8 0 6 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 一般约1mm左右 峰值后应力降大 残余强度较低 r p 0 8 0 3 多为剪断坚硬岩体 四 影响岩体变形性质的因素 第六章岩体的力学性质 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 密度增大 完整性变差 变形变大 E减小结构面的张开度及充填特征 张开度大且无充填或充填薄时 变形大 E小 说明密度大到一定程度 对变形影响不明显 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 第六章岩体的力学性质 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 第六章岩体的力学性质 第六章岩体的力学性质 岩体剪应力 剪位移 u 曲线及法向应力 法向变形 W 曲线 剪切强度曲线 及岩体剪切强度参数Cm m值 第六章岩体的力学性质 各类岩体的剪切强度参数表 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 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 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 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 第六章岩体的力学性质 坚硬岩体的强度曲线 m 45 Cm 0 1 4MPa 强度包络线上下限相差大软弱岩体的强度曲线 m 30 40 Cm 0 01 0 5MPa 强度包络线上下限较接近 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 第六章岩体的力学性质 单轴压缩 三轴压缩 单结构面理论 第六章岩体的力学性质 岩体的强度 1 3 随结构面倾角 的变化而变化当 j或 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 1 2时 岩体才能沿结构面破坏 单结构面理论 单结构面理论 当 45 j 2时 岩体强度取得最低值 三轴压缩强度 单轴 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络线及岩体强度 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 3接近于 mc时 可视为各向同性体 三 裂隙岩体强度的经验估算 Hoek Brown 1980 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 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 及其动力变形参数Ed d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 第六章岩体的力学性质 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 第六章岩体的力学性质 二 岩体中弹性波速度的测定 地震法声波法 声波法测弹性波原理图 1 发射换能器 2 接收换能器 3 放大器 4 声波发射仪 5 计时装置 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 第六章岩体的力学性质 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 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 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 静力法持续的时间较长 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 第六章岩体的力学性质 利用岩块与岩体的纵波速度计算岩体完整性系数Kv 2 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 岩石中的塑性变形得以充分发展 反映出强度较低 反之 在动态加载下 塑性变形来不及发展 则反映出较高的强度 特别是在爆破等冲击荷载作用下 岩体强度提高尤为明显 第六章岩体的力学性质 岩石在不同荷载速率下的强度值 利用岩块与岩体的纵波速度计算岩体强度 岩体准抗压强度 6 4岩体的水力学性质 岩体的水力学性质是指岩体与水共同作用所表现出来的力学性质 水在岩体中的作用 1 水对岩石的物理化学作用 2 水与岩体 或应力 相互耦合作用下的力学效应 玛尔帕塞拱坝溃坝 6 4岩体的水力学性质 一 单个结构面的水力特征二 裂隙岩体的水力特征三 应力对岩体渗透性能的影响四 渗流应力 研究模型 1 用等效连续介质模型来研究 认为裂隙岩体是由空隙性差而导水性强的结构面系统和导水性弱的岩块孔隙系统构成的双重连续介质 2 把岩体看成为单纯的按几何规律分布的裂隙介质 用裂隙水力学参数或几何参数来表征裂隙岩体的渗透空间结构 一 单个结构面的水力特征 1 平直光滑无充填贯通结构面 水的运动粘滞系数 2 非平直光滑无充填贯通结构面 路易斯1974 K2为结构面的面连续性系数c为结构面的相对粗糙修正系数h为结构面起伏差为水的运动粘滞系数 cm2 s 二 裂隙岩体的水力特征 1 含一组结构面岩体的渗透性能设结构面的张开度为e 间距为S 渗透系数为Kf 岩块的渗透系数为Km 第六章岩体的力学性质 岩体顺结构面走向等效渗流系数 2 含多组结构面岩体的渗透性能 根据结构面发育的随机性 借助计算机搜索出一定范围内的连通结构面网络图 在此基础上 进一步计算岩体的渗透张量 第六章岩体的力学性质 3 岩体渗透系数的测试 抽水试验压水试验岩体单位吸水量是指单位试验压力下 单位长度试段在单位时间内的岩体的吸水量 第六章岩体的力学性质 三 应力对岩体渗透性能的影响 岩体的渗透系数随应力增加而降低 随岩体埋深的增加 结构面的密度和张开度相应减小 所以岩体的渗透性也随深度增加而减小 人类工程活动对岩体渗透性有很大影响 如地下洞室和边坡的开挖 水库的修建等 也都影响到岩体的渗透性能 经验关系式 第六章岩体的力学性质 四 渗流应力 当岩体中存在着渗透水流时 位于地下水面以下的岩体将受到渗流静水压力和动水压力的作用 这两种渗流应力又称为渗流体积力 第六章岩体的力学性质 渗流动水压力 浮力 常数 方法 通过岩体的一些简单和容易实测的指标 把工程地质条件和岩体力学性质参数联系起来 并借鉴已建工程设计 施工和处理等方面成功与失败的经验教训 对岩体进行归类的一种工作方法 目的 通过分类 概括地反映各类工程岩体的质量好坏 预测可能出现的岩体力学问题 为工程设计 支护衬砌 建筑物选型和施工方法选择等提供参数和依据 6 5岩体的工程分类 第六章岩体的力学性质 分类标准 方法 岩体条件岩体类型岩体力学参数和工程设计 施工参数 分类指标 岩性 结构面特征 岩体完整性 地下水特征等 分类方法 单因素分类 多因素分类 定性 定量分类 专用分类 通用分类等 第六章岩体的力学性质 一 岩块的工程分类1Deere Miller双指标分类分类指标 岩块抗压强度 c 模量比 Et c 2 国标 岩土工程勘察规范 GB500212001 分类分类指标 新鲜岩块的饱和单轴抗压强度 cw 标准工程岩体分级标准 GB50218 执行 当岩体整程度为极破碎时可不进行坚硬程度分类 1岩体质量分级2洞室围岩分类3岩体地质力学分类 RMR分类 4巴顿岩体质量分类 Q分类 二 岩体的工程分类 1 岩体质量分级 工程岩体分级标准 GB50218 94 分级指标 岩体基本质量指标BQ BQ 90 3 cw 250Kv当 cw 90Kv 30时 以 cw 90Kv 30和Kv代入上式计算BQ值 当Kv 0 04 cw 0 4时 以Kv 0 04 cw 0 4和 cw代入上式计算BQ值 Jv与Kv对照表 分级方法 首先 按岩体基本质量指标BQ进行初步分级 表2 12 当地下洞室围岩处于高天然应力区或围岩中有不利于岩体稳定的软弱结构面和地下水时 岩体BQ值应进行修正 修正值 BQ 按下式计算 BQ BQ 100