土的工程性質(zhì)-11章-巖體的力學(xué)性質(zhì)

1、第十一章 巖體的力學(xué)性質(zhì) 巖體的力學(xué)性質(zhì)，一方面取決于它的受力條件；另一方面則受巖體的地質(zhì)特征和賦存的環(huán)境條件的影響。 其影響因素主要包括：組成巖體的巖石變形與強(qiáng)度性質(zhì)；各種結(jié)構(gòu)面的發(fā)育特征及其變形與強(qiáng)度性質(zhì)；巖體的賦存環(huán)境，尤其是天然應(yīng)力及地下水的影響。其中，結(jié)構(gòu)面影響是巖體力學(xué)性質(zhì)不同于 巖石的本質(zhì)原因。11-1 巖體的變形性質(zhì) 由于巖體中包含有大量的結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面中還往往有各種充填物存在，因此，巖體在外力作用下的變形是巖石變形、結(jié)構(gòu)面閉合和充填物變形三者的總和，且在一般情況下，結(jié)構(gòu)面和充填物變形常起控制作用。一、結(jié)構(gòu)面的變形特征2)曲線為為漸近線的雙曲線，說明結(jié)構(gòu)面的變形大部分在低應(yīng)力下

2、就趨于完成。3）含結(jié)構(gòu)面巖塊的變形Vt,開始隨n增加呈非線性增加，當(dāng)n達(dá)到某一定值后， nVt曲線變陡且近似與Vr曲線平行。4）由非線性變形轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性變形的法向應(yīng)力大約在巖石抗壓強(qiáng)度的1/3處， n高于c3后的Vt主要是巖塊變形貢獻(xiàn)的。 1)在法向應(yīng)力作用下，結(jié)構(gòu)面閉合變形開始較快，變形量也較大，隨后逐漸變慢，變形量趨于常量。1法向變形特征結(jié)構(gòu)面的剪切變形有二種基本類型 2剪切變形特征在巖體中取含有結(jié)構(gòu)面的巖塊試件，在一定的法向應(yīng)力下進(jìn)行剪切試驗(yàn)，可得到結(jié)構(gòu)面的剪應(yīng)力剪位移j，關(guān)系曲線。一類為塑性變形型，如泥化夾層、光滑平直破裂面等；另一類為脆性變形型， -j曲線有明顯的峰值點(diǎn)和應(yīng)力降；當(dāng)應(yīng)力

3、降至一定值后趨于穩(wěn)定，不再隨位移變化而變化，如粗糙結(jié)構(gòu)面常具這種變形特征。 巖體變形參數(shù)的測定方法有靜力法和動(dòng)力法兩類。二、巖體變形參數(shù)的測定目的：測定巖體的變形指標(biāo)E、，測定關(guān)系。動(dòng)力法則是通過測定彈性波在巖體中的傳播速度，依據(jù)一定的公式求取巖體的變形參數(shù)，主要有地震法和聲波法。 靜力法又可分承壓板法、狹縫法、鉆孔變形法及水壓洞室法等。目前，國內(nèi)應(yīng)用較廣的是承壓板法、鉆孔變形法及聲波法等。承壓板法狹縫法鉆孔變形法水壓洞室法單(雙)軸壓縮試驗(yàn)法聲波法地震波法原位巖體變形試驗(yàn)靜力法動(dòng)力法三、巖體變形曲線類型(1)直線型(2)上凹型 (3)下凹型11-2 巖體的強(qiáng)度性質(zhì) 一般情況下，巖體的強(qiáng)度既不

4、等于巖塊的強(qiáng)度，也不等于結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度，而是兩者共同影響表現(xiàn)出來的強(qiáng)度。 一、結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度 根據(jù)結(jié)構(gòu)面的形態(tài)、連續(xù)性、充填情況及其力學(xué)性質(zhì)，可將結(jié)構(gòu)面分為平直光滑無充填的、粗糙起伏無充填的、非貫通斷續(xù)的及有充填的軟弱結(jié)構(gòu)面四類。這類結(jié)構(gòu)面以光滑破裂面及摩擦鏡面(如剪切理、片理面等)為代表，是摩擦剪切作用的產(chǎn)物，一般無充填，并附有動(dòng)力變質(zhì)礦物薄膜。其抗剪強(qiáng)度接近于人工磨光面的摩擦強(qiáng)度，即： 1平直光滑無充填結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度 這類結(jié)構(gòu)面的特點(diǎn)是具有粗糙起伏度，在法向應(yīng)力較小時(shí)，剪切過程中可引起上滑效應(yīng)(或稱剪脹效應(yīng))，從而增大了結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度。沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑動(dòng)時(shí) 2粗糙起伏無充填結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)

5、度當(dāng)法向應(yīng)力不斷增大，并達(dá)到一定值時(shí)，由于巖塊上滑運(yùn)動(dòng)所需的功達(dá)到并超過了剪斷鋸齒體所需要的功，鋸齒將被挫斷，這時(shí)結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度為：（1977 NBarton）經(jīng)驗(yàn)公式：JRC為節(jié)理粗糙系數(shù)JCS為節(jié)理壁抗壓強(qiáng)度 這類結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度由各段結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度和非貫通段巖石(巖橋)的抗剪斷強(qiáng)度兩部分組成。因此，整個(gè)結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度取決于結(jié)構(gòu)面和巖石性質(zhì)，以及結(jié)構(gòu)面的連續(xù)性。 3非貫通斷續(xù)結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度 4具充填的軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度 這類結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度，主要取決于充填物的成分、結(jié)構(gòu)、厚度及充填度和含水狀況等。巖體中任一方向的剪切面，在一定的法向應(yīng)力作用下所能抵抗的最大剪應(yīng)力，稱為巖體的抗剪強(qiáng)度。巖

6、體的抗剪強(qiáng)度也可細(xì)分為抗剪斷強(qiáng)度、抗切強(qiáng)度及摩擦強(qiáng)度三種。在生產(chǎn)實(shí)際中，常用抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)。二、巖體的剪切試驗(yàn)及抗剪強(qiáng)度圖41節(jié)理巖體的強(qiáng)度特征與巖石強(qiáng)度的區(qū)別巖石；節(jié)理化巖體：節(jié)理 巖體強(qiáng)度=巖塊強(qiáng)度+節(jié)理強(qiáng)度 11-3 巖體的動(dòng)力性質(zhì) 巖體的動(dòng)力性質(zhì)是指巖體在動(dòng)荷載作用下表現(xiàn)出來的力學(xué)性質(zhì)，包括巖體中彈性波的傳播規(guī)律及巖體動(dòng)力變形與強(qiáng)度特性。這些性質(zhì)在巖體動(dòng)力穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及巖體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)確定中具有重要的意義。當(dāng)巖體(巖塊)受到振動(dòng)、沖擊或爆破作用時(shí)，在巖體中將有各種不同動(dòng)力特性的波傳播。 一、巖體中彈性波的傳播規(guī)律這些波包括塑性波和彈性波；在應(yīng)力值較低時(shí)，巖體中只有彈性波產(chǎn)生。彈性波的

7、傳播也稱聲波的傳播，又分為體波和面波。體波是在巖體內(nèi)部傳播的波，主要有縱波和橫波兩種，縱波(P波)又稱為壓縮波，波的傳播方向與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向一致；橫波(s波)又稱剪切波，其傳播方向與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直。面波又有瑞利波和勒夫波之分。聲波法選擇代表性測線，布置測點(diǎn)和安裝聲波儀發(fā)生正弦脈沖，向巖體內(nèi)發(fā)射聲波 記錄縱、橫波在巖體中傳播的時(shí)間 若已知可根據(jù)上兩式推出求動(dòng)彈性模量和動(dòng)泊松比一般來說，巖塊波速要大于巖體波速；新鮮完整得巖體波速大；裂隙越發(fā)育和風(fēng)化破碎巖體的波速越小。 完整性系數(shù)K：式中：V巖體、 V巖石分別為彈性波在巖體和巖石中傳播的縱波速度。巖體動(dòng)彈性模量Ed的測定：根據(jù)彈性波波速算出動(dòng)彈性模

8、量Ed和動(dòng)泊松比d。式中：vp,vs縱波波速和橫波波速，為巖體密度。一般而言：Ed Ee , d 。二、巖體的動(dòng)變形與動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)巖體與巖塊的動(dòng)彈性模量都普遍大于靜彈性模量 堅(jiān)硬完整巖體Ed/Eme約為1.22.0風(fēng)化、裂隙發(fā)育的巖體和軟弱巖體Ed/Eme約為1.510.0左右，大者可超過20.0 原因： 靜力法采用的最大應(yīng)力大部分在1.010.0MPa，少數(shù)則更大，變形量常以mm計(jì)，而動(dòng)力法的作用應(yīng)力約為104MPa量級(jí)，引起的變形量很微小。因此靜力法會(huì)測得較大的不可逆變形，而動(dòng)力法則測不到這種變形。 靜力法持續(xù)的時(shí)間較長。 靜力法擾動(dòng)了巖體的天然結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)。 動(dòng)彈性模量與靜彈性模量的關(guān)系用動(dòng)彈性模量換算靜彈性模量 利用巖塊與巖體的縱波速度計(jì)算巖體完整性系數(shù)Kv 在進(jìn)行巖石力學(xué)試驗(yàn)時(shí)，施加在試件上的荷裁并非是完全靜止的。從這個(gè)意義上講，靜態(tài)加載和動(dòng)態(tài)加載沒有根本的區(qū)別，而僅僅是加載速度的范圍不同。 2巖體的動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)靜態(tài)加載、準(zhǔn)靜態(tài)加載：應(yīng)變率104s-1 動(dòng)態(tài)加載下巖石的強(qiáng)度比靜態(tài)加載時(shí)的強(qiáng)度高。