常用土层和岩石物理力学性质综述

(E, ν与)(K,G)的转换关系如下：KE3(12)GE（7.2）2(1)当ν值接近0.5的时候不能盲目的使用公式3.5，因为计算的K值将会非常的高，偏离实际值很多。最好是确定好K值(利用压缩试验或者P波速度试验估计)，然后再用K和ν来计算G值。表7.1和7.2分别给出了岩土体的一些典型弹性特性值。岩石的弹性（实验室值）（Goodman,1980）表7.1干密度(kg/m3)E(GPa)νK(GPa)G(GPa)砂岩19.30.3826.87.0粉质砂岩26.30.2215.610.8石灰石209028.50.2922.611.1页岩2210-25711.10.298.84.30大理石270055.80.2537.222.3花岗岩73.80.2243.930.2土的弹性特性值（实验室值）（Das,1980）表7.2干密度(kg/m3)弹性模量E(MPa)泊松比ν松散均质砂土147010-260.2-0.4密质均质砂土184034-690.3-0.45松散含角砾淤泥质砂土1630密实含角砾淤泥质砂土19400.2-0.4硬质粘土17306-140.2-0.5软质粘土1170-14902-30.15-0.25黄土1380软质有机土610-820冻土2150各向异性弹性特性——作为各向异性弹性体的特殊情况，横切各向同性弹性模型需要5中弹性常量：E,ν和G13；正交各向异性弹性模型有9个弹性模量E1,E3,ν12131,E2,E3,ν,ν,ν13和G23。这些常量的定义见理论篇。121323,G12,G均质的节理或是层状的岩石一般表现出横切各向同性弹性特性。一些学者已经给出了用各向同性弹性特性参数、节理刚度和空间参数来表示的弹性常数的公式。表3.7给出了各向异性岩石的一些典型的特性值。横切各向同性弹性岩石的弹性常数（实验室）表7.3Ex(GPa)Ey(GPa)νyxνGxy(GPa)zx砂岩43.040.00.280.1717.0砂岩15.79.60.280.215.2石灰石39.836.00.180.2514.5页岩66.849.50.170.2125.3大理石68.650.20.060.2226.6花岗岩10.75.20.200.411.2流体弹性特性——用于地下水分析的模型涉及到不可压缩的土粒时用到水的体积模量Kf，如果土粒是可压缩的，则要用到比奥模量M。纯净水在室温情况下的Kf值是2Gpa。其取值依赖于分析的目的。分析稳态流动或是求初始孔隙压力的分布状态（见理论篇第三章流体-固体相互作用分析），则尽量要用比较低的Kf，不用折减。这是由于对于大的Kf流动时间步长很小，并且，力学收敛性也较差。在FLAC3D中用到的流动时间步长,tf与孔隙度n，渗透系数k以及Kf有如下关系：n（7.3）tf'Kfk对于可变形流体（多数课本中都是将流体设定为不可压缩的）我们可以通过获得的固结系数C来决定改变Kf的结果。k'（7.4）Cnm其中m

Kf1K 4G/3k k'f其中，k'——FLAC3D使用的渗透系数k——渗透系数，单位和速度单位一样（如米 /秒）f——水的单位重量考虑到固结时间常量与 C成比例，我么可以将 Kf的值从其实际值（2 109Pa）减少，利用上面得表达式看看其产生的误差。流动体积模量还会影响无流动但是有空隙压力产生的模型的收敛速率 （见1.7节流动与力学的相互作用）。如果Kf是一个通过比较机械模型得到的值， 则由于机械变形将会产生孔隙压力。如果 Kf远比k大，则压缩过程就慢，但是一般有可能 Kf对其影响很小。例如在土体中，孔隙水中还会包含一些尚未溶解的空气，从而明显的使体积模量减小。在无流动情况下，饱和体积模量为：KuKKf（7.5）n不排水的泊松比为：u3Ku2G（7.6）2(3KuG）这些值应该和排水常量k和作比较，来估计压缩的效果。重要的是，在FLAC3D中，排水特性是用在机械连接的流变计算中的。对于可压缩颗粒，比奥模量对压缩模型的影响比例与流动。7.3固有的强度特性在FLAC3D中，描述材料破坏的基本准则是摩尔-库仑准则，这一准则把剪切破坏面看作直线破坏面：fs13N2cN（7.7）其中Nφ(1sin)/(1sin)1——最大主应力 (压缩应力为负 );——最小主应力——摩擦角——粘聚力当fs0时进入剪切屈服。这里的两个强度常数φ和c是由实验室的三轴实验获得的。当主应力变为拉力时，摩尔-库仑准则就将失去其物理意义。简单情况下，当表面的在拉应力区域发展到3等于单轴抗拉强度的点时，t，这个次主应力不会达到拉伸强度—例如；ftt（7.8）3当ft0时进入拉伸屈服。岩石和混凝土的抗拉强度通常有由西实验获得。注意，抗拉强度不能超过σ3,这是和摩尔-库仑关系的顶点的限制是一致的。最大的值由下式给出tmax

c（7.9）tan表7.4列出了一系列具有代表性的典型的岩石标本的粘聚力、摩擦角和抗拉强度值。土体的具有代表性的典型粘聚力和摩擦角的具有代表性的典型值见表 7.5。土体强度用无侧限抗压强度qu表示，qu与粘聚力C和摩擦角 的关系由下式确定qu2ctan(45/2)（7.10）岩石的强度特性值（实验室测定）表7.4摩擦角（度）粘聚力（MPa）抗拉强度（MPa）沙岩27.827.21.17粉质岩32.134.7--泥质页岩14.434.8--硅岩42.070.6--石灰石42.06.721.58山脉花岗岩51.055.1--测试场地玄武岩31.066.213.1土体的强度特性值（排水实验测定）表7.5粘聚力（kpa）沙砾--无细沙的沙性砂砾--粘性良好的沙性砂砾1.0较细的砂砾和沙的混合体3.0细沙粒--粗沙粒--级配良好的沙粒--低塑性泥沙2.0中-高塑性泥沙3.0低塑性粘土6.0中塑性粘土8.0高塑性粘土10.0有机淤泥或粘土7.0

摩擦角的最大值（度）摩擦角的残留值（度）343235323532282232303430333228252522242020101762015性质岩性碎石（堆积）类土黄土类土粘性土泥岩页岩泥板岩粉砂岩石英砂岩砂岩砾岩泥灰岩灰岩

岩石物理力学性质一览表岩石密液限%塑限%塑性指数变形模量孔隙比%抗拉强内聚力C摩擦角备注度（MPa）度3(g/cm)2.65~2.720~400.4~0.6一般假定一般假定036~42土粒密度0干1.3~1.523~3315~208~13新黄土具有0.8~1.1一般假定0.03~0.06（老）15~25（老）含水率%湿陷性00.01~0.033(新)17.8~28.4(新)10~251.8~2.0523~5516~307~254~12（压缩模0.7~1.0一般假定0.005~0.068~26含水率%量）020~40岩石密孔隙率吸水率软化系变形模量抗压强度抗拉强内聚力C摩擦角度数（103）度(g/cm3)MPa0.03~0.3720.7~59（干0.0123（粘土粘土岩）0.04~0.09（粘15~30（粘土岩）土岩）岩）2.3~2.620.4~10.00.5~3.20.24~0.7416~2010~1002~103~2015~302.3~2.80.1~0.50.1~0.30.39~0.52123~199(干板岩)10~320.07~1.729~592.6~2.7154~5868~102.51.9~3.013（寒武）75~82.5（似内摩擦角）摩54（震旦）擦系数0.54（寒武）0.49（震旦）2.2~2.711.6~28.00.2~9.00.65~0.9717~4120~2004~258~4035~502.40~2.660.8~10.00.3~2.40.50~0.966.7~16.2（新10~1502~158~5035~50鲜岩体）2.3~2.71.0~10.00.5~3.00.44~0.541.3~2.6（新鲜3.5~200.3~1.40.32（新鲜岩37（新鲜岩岩体）40~602.8~4.2体）体）2.3~2.7716.0~520.1~4.450.7~0.9435~3950~2005~2010~5035~50白云岩2.1~2.70.3~25.00.1~3.06.7~32片岩2.69~2.920.02~1.850.1~0.20.53~0.6944~72（绿泥石片岩）千枚岩0.4~3.60.5~1.80.67~0.9610（石英千枚岩）板岩2.3~2.750.45左右0.1~0.35.0（新鲜岩体）大理岩2.6~2.70.1~6.00.1~1.049~67石英岩2.4~2.80.1~8.70.1~1.50.94~0.9665~70花岗岩2.3~2.80.5~4.00.1~4.00.72~0.9730~37闪长岩2.52~2.960.2~5.00.3~5.00.6~0.81.5~8.5（具裂隙岩体）辉长岩2.55~2.980.3~4.00.5~4.0流纹岩2.5~3.3安山岩2.3~2.71.1~4.50.3~4.50.81~0.918.3~12.0（具裂隙岩体）

80~25015~2520~5035~5010~1001~101~2026~6510~1001~101~2026~6560~2007~152~2045~6070~1402.0~4.04.9（裂隙较发52（裂隙较发育岩体）育岩体）150~35015~3010~5050~60100~2507~2514~5045~60100~25010~2510~5053~55180~30015~3610~5050~55180~30015~3010~5045~60100~25010~2010~4045~50玄武岩2.5~3.10.5~7.20.3~2.80.3~0.9583180~30015~3610~5050~55注：未注明为岩体的数据，均为岩石试验数据。[1]唐大雄刘佑荣张文殊王清工程岩土学（第二版）地质出版社1998北京[2]重庆建筑工程学院同济大学岩体力学中国建筑工业出版社1981.10北京[3]工程地质手册编写委员会工程地质手册（第三版）中国建筑工业出版社1992.12北京[4]李先炜岩体力学性质煤炭工业出版社抗剪抗剪强岩石名称岩石性状容重吸水率干抗压湿抗压E强度度工程名称备注(裂隙、风化、夹层)g/cm3%MpaMpaGpatgψC(Kpa)灰岩页岩互层弱风化2.680.3387.230.57.0观音阁水库灰岩鲕状2.770.0948.630.4石英砾岩2.660.2830.2丰满绢英千枚岩微风化2.600.206530碧口灰岩含燧石结核2.640.5639.830江垭泥岩2.651.5433.430天升桥一级电站石英砂岩2.284.6544.229.91.22山西北引黄灰岩2.6072.929.232.5徐州铜山柳泉矿粉砂岩泥质2.523.1033290.2970葫芦口云母片麻岩弱风化49.428.2岗南水库云母片麻岩2.503.4245.328.1广元香水渡粘土岩砂质2.574227.9狮子滩灰岩泥质2.533.936527.8龙门页岩2.612.753527.5紫坪铺砂岩39.127.32.54升钟角砾岩2.433.7256.627.3漫湾潘家口(杨叉子坝闪长玢岩岩脉,弱风化2.950.2454.926.80.78址灰岩薄层,条带5526.528.4隔河岩芒硝岩2.0126.410.2华东盐矿砂岩弱风化2.156.6541264.6葫芦口水库粉砂岩弱风化2.591.9132.825.7万安角砾岩2.463.354.625.6漫湾砂岩弱风化2.195.147.125.50.4150小井沟水库云南、丰收河大寨电细砂岩全风化2.188.0148.125.1站含白云母,弱风石英片岩化2.1725.01.31.093000黄龙灰岩2.6479.224.847.5徐州铜山砂岩2.282.6436.524.8小井沟水库花岗岩强风化2.335.65402318.4江西七星水库角砾岩2.580.834224万安灰页岩2.612.342924陆浑油页岩2.0915.526.10.253900龙口矿区砂岩强风化2.225.658.223.9沱江水库砂岩钙质，弱风化2.335.344423.5升钟灰岩2.334.436.223.5偏窗子灰岩白云质,微风化2.770.4143.723.3恒山细砂岩泥质2.225.6542.723.1陕西王圪堵水库灰岩泥质2.610.1473.823江垭花岗岩强风化2.335.65402318.4江西七星水库绿泥石片岩2.740.693423丹江口粘土岩2.582.913123罗江口电站页岩砂质2.631.3537.222.70.4044龙门(甘泽坡坝址)云母片岩弱风化2.691.245.322.0绿水河白云岩灰质2.690.2564.621.9鲁布革粉细砂岩新鲜2.1739.221.76.7陕西王圪堵水库安山岩凝灰质63.821.40.886辽闹得海水库粉砂岩灰黑色2.811.3254.521.2大藤峡水云母页岩2.443.7629.921.317.8鄂利川长顺电站*现场抗剪粉砂岩泥质2.523.1645.3211.0*120小什字断灰岩33.721马鞍山桃中铁矿砂岩泥钙质2.4175.220.9三岔水库粘土岩砂质2.413.0620.51.82升钟粘土岩砂质2.512.53819.6四九滩电站粘土岩砂质2.542.8431.619.6东西关寨水库砂岩泥质2.582.8181.319.3月江口粘土岩砂质2.621.9834.519上洞水库粘土岩砂质2.592.6443.118.6偏窗子页岩砂质微风化2.513.9671.718.2六郎洞粘土岩砂质2.562.1252.718月江口白云岩泥质2.530.553518普定页岩2.5625.718徐州铜山页岩3317.8葫芦口板岩风化2.552.7233.917.537.3安微冬至页岩砂质2.522.0863.517.3小什字水库细砂岩钙质2.511.583617.3陕西王圪堵水库砂岩弱风化2.356.5045.517.28.2黑龙潭糜棱岩片状2.740.903117丹江口泥灰岩2.482.3628.316.51.9龙口电站粘土岩砂质2.5531.716.3下洞水库片麻岩2.482.8216.10.017河南长竹河水库粉砂岩泥质2.413.6546.115.9太平湾辉长辉绿岩强风化2.705415.7丹江口砂岩泥质2.571.4937.515.6万县威池水库*室内三轴页岩2.632.0321.415.51.10.682680*彭水值粉砂岩2.413.3252.414.7太平湾粘土岩砂质2.542.725.214.6葫芦口水库玄武岩软弱2.653.719.214.4以礼河二级细砂岩、泥岩互层2.670.7322.814.2天升桥一级砾岩强风化2.492.933614柘林砂岩变质,强风化2.522.774713.919.8江西大坳粘土岩2.563.2545.913.9小什字水库云母片岩全风化2.651.8430.813.8绿水河细砂岩2.721.9256.013.5石景山龙口灰坝细砂岩弱风化2.264.1718.213.3小井沟泥岩砂质2.424.3514.813.6长滩水库粗砂岩砾质2.207.7838.412.9太平湾玢岩2.610.3815.912.5下马岭灰岩2.620.8123.212.3江垭节理发育,全风2.473.1741.112.1玄武岩化以礼河一级砾岩砂质2.593412.1小什字细砂岩1.988.1915.311.6陕西王圪堵水库灰岩薄层,风化2.551.613011.2恒山粘土岩2.366.540.611.4三岔砂页岩2.6614.311.1徐州铜山绢英千枚岩薄片，微，风化2.600.2025100.5310碧口石英砾岩2.581.0110.7丰满泥灰岩2.256.1617.310.621.5河口村泥岩2.487.282810.66.50.67520淮阳粉砂岩2.6316.610.59.7鄂巩河水库绢英千枚岩薄片状，弱风化2.900.27301010.00.510碧口粘土岩2.5331.69.9狮子滩粉砂岩泥质2.314.5530.69.9太平湾页岩2.6026.39.82.66乌江渡抗切芒硝岩2.309.2380华东盐矿粘土岩2.506.3634.98.7蒲江小河子水库粘土岩2.336.1616.2