第六章岩体的力学性质PPT课件

1、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第1页/共79页 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2页/共79页1、承压板法 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第3页/共79页emmemmWpDEWpDE)1 ()1 (

2、22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 布西涅斯克公式第4页/共79页2、钻孔变形法 UdpEmm)1 (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。 径向变形第5页/共79页3、狭缝法（狭缝扁千斤顶法） )2sin2)(sin1 ( )(1(22121mmRmtgtgWplE第6页/共79页常见岩体的弹性模量和变形模量 第7页/共79页几种岩体用不同试验方法测定的弹性模量岩体的变形模

3、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。第8页/共79页二、岩体变形参数估算二、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9页/共79页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

4、-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。第10页/共79页（1 1）法向应力）法向应力n n作用下的岩体变形参作用下的岩体变形参数数 1)沿n方向加荷 2)沿t方向加荷tnmtEE 变形由岩块引起第11页/共79页(2)(2)剪应力作用下的岩体变形参数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。第12页/共79页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(

5、10024010RMRERMRRMRERMRmm1)(Q 4035003500lg1000mpmeanmpvEQv第13页/共79页三、岩体变形曲线类型及其特征三、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14页/共79页直线型 通过原点的直线，其方程为pf(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

6、性变形。 陡直线型缓直线型第15页/共79页上凹型 曲线方程为pf(W)，dp/dW随p增大而递增，dp/dW0 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第16页/共79页上凸型 曲线方程为pf(W)，dp/dW随p增加而递减，d2p/dW20。 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。

7、第17页/共79页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/p1p10.6,0.6,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/p0.8p0.80.6,0.6,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/p0.8p0.80.3,0.3,多为剪断坚硬岩体。第18页/共79页 四、影响岩体变形性质的因素四、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

8、、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，对变形影响不明显第19页/共79页结构面方位第20页/共79页6.2 岩体的强度性质一、岩体的剪切强度一、岩体的剪切强度二、裂隙岩体的压缩强度二、裂隙岩体的压缩强度三、裂隙岩体强度的经验估算三、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。第21页/共79页一、岩体的

9、剪切强度一、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22页/共79页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23页/共79页第24页/共79页 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25页/共79页各类

10、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。 第26页/共79页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

11、上两者之间。第27页/共79页坚硬岩体的强度曲线， m45, Cm=0. 14MPa,强度包络线上下限相差大软弱岩体的强度曲线m=3040, Cm=0.010.5MPa,强度包络线上下限较接近第28页/共79页二、裂隙岩体的压缩强度二、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。 单轴压缩三轴压缩第29页/共79页单结构面理论jjfCtg强度判据2sin22cos223131312sin)1 ()(2331ctgtgtgCjjj第30页/共79页 岩体的强度(13)随结构面倾角的变化而变化 当j或90时，岩体不可

12、能沿结构面破坏，而只能产生剪断岩体破坏。 只有当12时，岩体才能沿结构面破坏。 2sin)1 ()(2331ctgtgtgCjjj123131190sin)2(arcsin212jjjjjctgC单结构面理论第31页/共79页单结构面理论 当45j2时，岩体强度取得最低值 2sin)1 ()(2331ctgtgtgCjjj2sin)1 (2ctgtgCjjmc3=0 2sin)1 ()(2331ctgtgtgCjjjmjjjjtgtgtgC23min311)(2三轴压缩强度单轴第32页/共79页单结构面理论 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

13、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。 第33页/共79页三、裂隙岩体强度的经验估算三、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。 2331ccSmcmcS242Smmcmt11)()(BcmBcBccmTABarctgTABTACBccTA)(第34页/共79页岩体质量和经验常数之间关系表第35页/共79页6.3 岩体的动力学性质一、岩体中弹性波的传播规律

14、一、岩体中弹性波的传播规律二、岩体中弹性波速度的测定二、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。 第36页/共79页一、岩体中弹性波的传播规律一、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。 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 (

15、ddsddddpEvEv第37页/共79页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38页/共79页二、岩体中弹性波速度的测定二、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 22smspmptDvtDv选择代

16、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39页/共79页常见岩石的纵、横波速度值第40页/共79页常见岩体不同结构面发育情况下的纵波速度值 第41页/共79页三、岩体的动力变形与强度参数三、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

17、第42页/共79页常见岩体动弹性模量和动泊松比参考值第43页/共79页几种岩体动、静弹性模量比较表 第44页/共79页 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1.22.0 风化、裂隙发育的岩体和软弱岩体Ed/Eme约为1.510.0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104MPa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。

18、动弹性模量与静弹性模量的关系第45页/共79页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Kv第46页/共79页2、动力强度参数 静态加载、准静态加载：应变率104s-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1.22.0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47页/共79页岩石在不同荷载速率下的强度值crpmpmvvR3利用岩块与岩体

19、的纵波速度计算岩体强度岩体准抗压强度第48页/共79页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：1.1.水对岩石的物理化学作用； 2.2.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 坝第49页/共79页6.4 岩体的水力学性质一、单个结构面的水力特征一、单个结构面的水力特征 二、裂隙岩体的水力特征二、裂隙岩体的水力特征 三、应力对岩体渗透性能的影响三、应力对岩体渗透性能的影响四、渗流应力四、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

20、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。第50页/共79页一、单个结构面的水力特征一、单个结构面的水力特征1、平直光滑无充填贯通结构面 假设如图，有微分方程xpy牛顿粘滞定律yux平均流速xpyeux122xhJghpw JKJgeufwx122122geKfxpyux122边界条件0, 02, 0yyueyuxx222418eyxpeux水的运动粘滞系数第51页/共79页2、非平直光滑无充填贯通结构面 (路易斯1974) 5 . 12228 . 8112ehccgeKKfK2为结构面的面连续性系数c为

21、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），w第52页/共79页二、裂隙岩体的水力特征二、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。 mfKKSeKScgeKKSeKf1232fmKK岩体顺结构面走向等效渗流系数第53页/共79页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54页/共79页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

22、间内的岩体的吸水量。LpQW 0lg528. 0raLWK 第55页/共79页三、应力对岩体渗透性能的影响三、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nKneKKeKKppSeKKK2000200)(/(第56页/共79页)(zhgpwgzhgzpZyhgypYxhgxpXwwww四、渗流应力四、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

23、力的作用，这两种渗流应力又称为渗流体积力。 gugpzhw2gpzhw渗流动水压力浮力，常数第57页/共79页方法：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 岩体的工程分类岩体的工程分类第58页/共79页分类标准、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

24、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59页/共79页一、岩块的工程分类 1 Deere &Miller 双指标分类 分类指标：岩块抗压强度（c）、模量比（Et/c）第60页/共79页2 2、国标岩土工程勘察规范( (GB 50021 2001 ) )分类 分类指标：新鲜岩块的饱和单轴抗压强度（cwcw）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 第61页/共79页第62页/共79页第63页/共79页第64页/共79页1 1 岩体质量分级2 2 洞室围岩分类3 3 岩体地质力学分类（RMRRMR分类）

25、4 4 巴顿岩体质量分类（Q Q分类）二、岩体的工程分类第65页/共79页1 1、岩体质量分级（工程岩体分级标准工程岩体分级标准GB50218-94GB50218-94）分级指标：岩体基本质量指标BQBQ BQ=90+3BQ=90+3cwcw +250 Kv +250 Kv 当cwcw90 Kv90 Kv3030时，以cwcw90Kv90Kv3030和KvKv代入 上 式计算BQBQ值；当KvKv0.040.04cwcw0.40.4时，以KvKv0.04cw0.04cw0.40.4和cwcw代入上式计算BQBQ值。JvJv与KvKv对照表2rpmpVvvK第66页/共79页分级方法：首先，按岩体基本质量指标BQBQ进行初步分级（表2-12 2-12 ）；第67页/共79页第68页/共79页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BQBQ值应进行修正，修正值BQBQ按下式计算： BQBQBQBQ100(100(K K1 1K K2 2K K3 3) ) K K1 1- -地下水影响修正系数； K K2 2- -主要软弱面产状影响修正系数； K K3 3- -天然应力影响修正系数。然后，考虑天然应力、地下水和结构面方位等的影响对BQBQ进行修正，再按修正后的BQBQ进行详细分级。第69页/共79页表表2-152-15、1