3 水对岩石强度的影响

前已述汲水对岩石强度影响:膨胀、崩解、溶解水一岩痔软化\渗透一水压水对岩石强度有影响的是孔隙和裂隙中的水压力，统称为孔隙水压力，用p表示。如果饱和岩石在荷载作用下不易排水或不能排水，那w么，孔隙或裂隙中的水就有孔隙压力，岩石固体颗粒承受的压力将相应的减少，强度则降低。对岩石中有连接的孔隙（包括细微裂隙）系统，施加应力。有孔隙水压力pw时，岩石的有效应力为b，=b_pwb—岩石总应力（MPa）；°，—有效应力（MPa）；Pw——孔隙水压力（MPa）在有孔隙水压力作用时，可利用《岩石破坏准则》来分析岩石的稳定性。1.莫尔摩伦准则根据莫尔库伦强度理论，考虑有孔隙水压力P的作用，其岩石的W抗剪强度为：®T=c+(5'•或T=c+(O~p"g(Pf1—£m可见，由于P的存在，岩石的抗剪强度降低。W②对于用主应力表示的莫尔库伦破坏准则，考虑P作用，则有W=o'N+R，式中c?'=b-p，b'=b-p13(pc11w33w推出（。-<5）=（。-p）（N-1）+7?133w里由上式可解得P,即岩石从初始作用应力。和。达到岩石破坏w13时所需施加的孔隙水压力:（b—b）-RPw_31N-1"_^亭定（Handin）砂岩实验结果，在p为零时作一系列的实验，绘w莫尔应力圆，得到P=0时的包络线，即岩石强度曲线。w当施加主应力。「气时，（Pw=0）岩石稳定（莫尔圆II），在此主应力下，增加pw直至破坏（莫尔圆I与包线相切）。从上面分析可见，Pw对岩体强度影响很大。在实际工程中，特别是坝址区，对某种岩石，当主应力。1、。3一定时，水库蓄水后，如TOC\o"1-5"\h\z果有渗流，则p从0增加p'，当。-p，和。-p，的应力圆与包ww1w3w线相切或相交时，岩体将失稳。2.格里菲思准则如果把有效应力引入格里菲思破坏准则，用。，和s代替原式中的13。和。，艮P。，=。-p，。，=。-p1311w33w*+3。3>4p时，（气―。3）2-8R（气+。3-P）=0>0,破坏；<0时，稳定裂隙方位角P=1arccos―乙里—-

22*+3。3>4p时，当b+3b<4p时，b=-R+p，裂隙方位角p=013w3tw即：b3<-R+p、时，破坏。工程上应用的《水力劈裂》方法就是以这一理论为基础的。b=-R+p增大p使b3<-R+p，就会产生水力壁裂。如原始主应力b§0,r=10MPa。则当p>10MPa时，Q3<-R+p当Q-pI>R|时，就会发生劈裂。六、岩体强度分析1、均质岩体强度分析均质岩体主要是：①完整岩体：岩块坚硬，且结构面不发育。②软岩，结构不起主导作用这种岩体可用：①莫尔库伦准则②霍克和布朗经验破坏准则进行稳定分析。莫尔库仑准则：<sin中稳定——亶二——J=sin中极限七+七+2c.湫］〉、皿中不稳定有孔隙水压力时:b—b13b+b—2p+2c,ctg^vsin中<=sin中>sin中主应力为负时，|〉一Rt+P.，稳定b3{=—R,+p^,极限平衡

v—R+P,破坏ltw霍克和布朗经验破坏准则bb1Rcc'b'1,2+m二+sIRc左项>右项，极限状态;破坏;左项<右项，稳定。m=0~25,s=0~1。2、节理岩体强度分析实际岩体均质的情况不多，大多数情况岩体为非连续介质，岩体的强度主要由结构面所决定。对于完整岩块，其剪切破裂面总是与大主应力面成以=45。+堕2角，当拉断时，破裂面与主应力面平行。对于有结构面存在时，多数情况下，沿结构面破裂，这时仍可用莫尔库伦强度准则来判定节理面上的稳定情况。t=c+a-tg^七，中j为节理面上的凝聚力和内摩擦角，。为节理面上的正应力。tf为节理面的抗剪强度。当节理面上的剪应力t小于等于T时，节理面处于稳定和极限状态:判断节理岩体稳定与否可用图解法和解析法:1）图解法（见图）根据。「。3做应力圆，如果节理面线与节理强度线相交则破坏，反之，即使应力圆已与强度线相交，但节理面的线却不与节理强度线相交，则节理面仍处于稳定状态。2）解析法根据应力关系式:b=七*"3+—1~—3cos2P=bcos2P+csin2P22i3t=_^3sin2P=(—一—)sinPcosP2''13，'代入T<T=C+—-渺.中，得到—cos©sin©-P)+—sin©cos(p-P)+ccos©>01jj3jjjj满足此式，表明节理处于稳定或极限平衡状态。利用上式可对节理岩体的稳定性进行简单的判断。如，地下洞室、陡立边坡等的节理岩体稳定。如图所示为高边坡，岩体中节理的倾角为B。bcos中sin（中.一P）+c.cos中.Z0讨论：①0W.时，Sin(q.-P)>0，上式左边为正，稳定0*j时，0*.时.为bcos甲sin（0=45。+：sin(:.-0)=0，则b.cos:.>0，稳定，sin(中.-0)<0。g-0)<匕cosg时，满足稳定要求，反之不稳定•时，即节理面与均质岩体的破裂面致经过推导可得:2ccos甲y1-sin甲经过推导可得:j即在0=45。+?时，节理岩体稳定的条件。当岩体不稳定时，需要采取有效措施，如锚固、灌浆，对于边坡还可以减少Q，即减载（减轻上部岩不重量）。锚杆加固，需设计锚固力的大小，其原理如下:由。cosqsin(q.-P)+。sinqcos(q.-P)+ccosq.>0矢口:因为b,=0，P〉qj,不稳定时有bcosqsin(q.-P)+c.cosq.<0bsinqcos(q.-P)〉bsinqcos(q—P)+ccosq为使其大于零，则需加水平应力b，即使得ybtg(qbsinqcos(q.-P)〉bsinqcos(q—P)+ccosq如果锚杆与水平夹角为Q

则b'=cos以p'=p'=b・A=S.四沏2"4x4cos以b'-cosa>(b+b'sina)。'在y向已有分量，则上式中的oy应为（b+b，sinb'-cosa>(b+b'sina)tgpsinp-cos（（p.-p）般求出b后，再增加一个百分数，即不用求解此式也可。x减载对于边坡，通过减轻上部荷载，即减少b来增加稳定性。因为°>七c°s七.，为了使得左式<右式y1-sinP则需减小°y，方法是减少上部岩体的重量，使2ccos甲°y"°y'V1-sin。'2ccos中则有°，〉°-j.jyy1一sinp根据°，就可确定挖除多大范围的上部岩体。y孔隙水压力当有孔隙水压力p时，有:wbcosPsin（平一。）+bsinPcos（平一。）+ccos甲一psin甲>0ii3jjjwj当左边项<0时，不稳定，处理措施：排水，灌浆防渗，降低pw固结固结灌浆可以增加节理面的抗剪强度，增大C.和七因此，在边坡工程中，增加岩体稳定的常用措施有：锚固、减载、排水、防渗灌浆和固结灌浆。七、结构面方位对强度的影响结构面方位对岩体强度有很大影响，当结构面处于某种方位时，

在某些应力条件下，破坏不沿结构面发生，而是仍在岩石材料内发生。如图所示:仍由下面从理论上证明节理面方位对岩体强度的影响。仍由acosPsin(q.-P)+asinPcos(q.-P)+ccosq.>0可推出：a-av气+2"3•渺j13(1-ctgP-tgq)sin2P当a3固定时，上式为B的函数，当满足上式，节理面稳定或极限状态，反之破坏。注意，上式为结构面破坏条件。那么，当岩体破坏时，是沿结构面破坏还是沿岩石材料内破坏呢，即8为何值时，是沿结构面破坏，还是在岩石内破坏。从上式看，当&-0,&-90。时，或0T9j时，*-b3T8这说明，当结构面与。1平行或垂直以及等于中.时，。1可以很大，而不会沿结构而破坏。①当0<P<^.时，不沿节理面破坏，而是沿岩石材料内部发生破裂面，其与主应力面夹角以=45。+女2从图看出，8对岩石强度的影响以及裂隙岩体强度的各向异性。②当甲.<p<90。时，沿结构面发生破坏，将式对8求，以确定出使结构面破坏的最2c+2b式对8求，以确定出使结构面破坏的最13(1-ctgp-tg^)sin2p小应力值的8角。即p=45。+耳时，气-b3为最小，可知b1为最小。将p=45o+L代入(b-b)=气+2b3'渺」,并令213min(1-ctgp-tgR)sin2p%=tg2(45+J)可推出：*.=气+气(N-1)+2c^N=气N+2c^N八、结构面粗糙度对强度的影响天然的结构面多为凹凸不平的面，在剪应力作用下滑动时，并不到处都平行于剪应力的方向。因此，结构面的粗糙度必然影响到结构面强度。1)粗糙角i对于剪应力与结构面平行时三*当结构面与剪应力夹角为i时，T*=Tcosi-PsiniP*=Pcosi+Tsini则在结构面上T*TcosZ-Psinf=——=jP*Pcosi+TsiniTcosi-Psini=tg^(Pcosi+Tsini)jT(cosi-sini-tg^)=P(sini+cosi-tg^)Tsini-cos^-cosi-sin中sin((p+i)Pcos^-cosi-sini-sin中cos©+i)顶帕顿（patton）把这个模型推广到锯齿状的结构面，当P较小时，结构面沿锯齿面滑动，遵循上式，当P较大时，滑动面沿锯齿面底破AVAVtga=-—nAu因此，结构面抗剪强度为剪胀角低正应力时高正应力时T=c+b•fJ式中（P与cp不同，（P为平面型的结构面内摩擦角，jj为锯齿面内摩擦角。各种岩石结构面的基本摩擦角中大多数为30左右。j当有水压力时-p，-P11w33w

则由式acosPsin(q-P)+asinPcos(q-P)+ccosq-psinq>0有：1j3jjjwjsinP-cosP

tg^

jcp<—J+a+(a-a)cos2P-w渺j3'，L计算时，可先用c=0,q.=q+i代入上式求得一个pw，再用co0，qsinP-cosP

tg^

j关于粗糙角i巴顿给出一经验公式。i=JRC-lg土b口n'R、艮口t=b・t