巖體的力學(xué)性質(zhì)課件

1、1第四章 巖體的力學(xué)性質(zhì)4.1 巖體的變形性質(zhì) 4.2 巖體的強(qiáng)度性質(zhì)4.3 巖體的動力學(xué)性質(zhì)（自學(xué)）4.4 巖體的水力學(xué)性質(zhì)（自學(xué)）1第四章 巖體的力學(xué)性質(zhì)4.1 巖體的變形性質(zhì) 24.1 巖體的變形性質(zhì) 一、巖體變形試驗及其變形參數(shù)確定二、巖體變形參數(shù)估算 三、巖體變形曲線類型及其特征 四、影響巖體變形性質(zhì)的因素在受力條件改變時巖體的變形是巖塊變形+結(jié)構(gòu)變形的總和，結(jié)構(gòu)變形包括結(jié)構(gòu)面閉合、充填物壓密及結(jié)構(gòu)體轉(zhuǎn)動和滑動等。 巖塊+結(jié)構(gòu)面巖體巖體變形=巖塊變形+結(jié)構(gòu)面閉合+充填物壓縮+其他變形一般情況下，巖體的結(jié)構(gòu)變形起控制作用。24.1 巖體的變形性質(zhì) 一、巖體變形試驗及其變形參數(shù)確3一、巖

2、體變形試驗及其變形參數(shù)確定承壓板法狹縫法鉆孔變形法水壓洞室法單(雙)軸壓縮試驗法聲波法地震波法原位巖體變形試驗靜力法動力法3一、巖體變形試驗及其變形參數(shù)確定承壓板法狹縫法鉆孔變形法水4靜力法基本原理：在選定的巖體表面、槽壁或鉆孔壁面上施加法向荷載，并測定其巖體的變形值；然后繪制出壓力-變形關(guān)系曲線，計算出巖體的變形參數(shù)。動力法基本原理：用人工方法對巖體發(fā)射(或激發(fā))彈性波(聲波或地震波)，并測定其在巖體中的傳播速度，然后根據(jù)波動理論求巖體的變形參數(shù)。4靜力法基本原理：在選定的巖體表面、槽壁或鉆孔壁面上施加法向51、承壓板法 剛性承壓板法柔性承壓板法51、承壓板法 剛性承壓板法6是與承壓板形狀與

3、剛度有關(guān)的系數(shù)。圓形板0.785；方形板0.886 6是與承壓板形狀與剛度有關(guān)的系數(shù)。72、鉆孔變形法 優(yōu)點：對巖體擾動?。豢稍诘叵滤幌潞洼^深部位進(jìn)行；試驗方向不受限制，壓力可很大；一次試驗可同時量測幾個方向變形，便于研究巖體的各向異性。缺點：巖體體積小，代表性受到局限。 72、鉆孔變形法 優(yōu)點：對巖體擾動??；83、狹縫法 83、狹縫法 9常見巖體的彈性模量和變形模量 9常見巖體的彈性模量和變形模量 10幾種巖體用不同試驗方法測定的彈性模量變形模量巖體比巖塊小，受結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度及風(fēng)化程度等影響較明顯。不同地質(zhì)條件下同一巖體，變形模量相差較大。試驗方法、壓力大小不同，巖體變形模量不同。10幾種

4、巖體用不同試驗方法測定的彈性模量變形模量巖體比巖塊小11二、巖體變形參數(shù)估算一，現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上，建立適當(dāng)巖體地質(zhì)力學(xué)模型，利用室內(nèi)小試件試驗資料來估算。二，在巖體質(zhì)量評價和大量試驗資料基礎(chǔ)上，建立巖體分類指標(biāo)與變形參數(shù)之間的經(jīng)驗關(guān)系，并用于變形參數(shù)估算。 11二、巖體變形參數(shù)估算一，現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上，建立適當(dāng)巖體121、層狀巖體變形參數(shù)估算 地質(zhì)力學(xué)模型假設(shè)各巖層厚度相等=S，性質(zhì)相同。層面張開度可忽略不計假設(shè)巖塊變形參數(shù)：E，和G，層面變形參數(shù)：Kn，Ks。取n-t坐標(biāo)系，n垂直層面，t平行層面。由巖塊和層面組成單元體。121、層狀巖體變形參數(shù)估算 地質(zhì)力學(xué)模型13（1）法向應(yīng)力n作用

5、下的巖體變形參數(shù) 1)沿n加荷 2)沿t加荷13（1）法向應(yīng)力n作用下的巖體變形參數(shù) 1)沿n加荷 214(2)剪應(yīng)力作用下的巖體變形參數(shù) 14(2)剪應(yīng)力作用下的巖體變形參數(shù) 152、裂隙巖體變形參數(shù)的估算 （1）用RMR值估算巖體變形模量（2）用Q值估算縱波速度和巖體平均變形模量152、裂隙巖體變形參數(shù)的估算 （1）用RMR值估算巖體變形16三、巖體變形曲線類型及其特征 1、法向變形曲線直線型 上凹型 上凸型 復(fù)合型 16三、巖體變形曲線類型及其特征 1、法向變形曲線17直線型過原點，pf(W)KW加壓過程中，W隨p成正比增加巖體巖性均勻、結(jié)構(gòu)面不發(fā)育或結(jié)構(gòu)面分布均勻巖體剛度大，不易變形，

6、巖體較堅硬、完整、致密均勻、少裂隙，以彈性變形為主，接近于均質(zhì)彈性體。 巖體剛度低、易變形由多組結(jié)構(gòu)面切割且分布較均勻；巖性較軟弱且均質(zhì)或平行層面加壓。有明顯塑性變形和回滯環(huán)，非彈性變形。 陡直線型緩直線型17直線型過原點，pf(W)KW巖體剛度大，不易變形，巖18上凹型pf(W)，dp/dW隨p增大而遞增，dp/dW0層狀及節(jié)理巖體巖體剛度隨循環(huán)次數(shù)增加而增大，彈性變形成分大。垂直層面加壓的較堅硬層狀巖體。卸壓曲線較陡，變形多為塑性變形。軟弱夾層的層狀巖體及裂隙巖體或垂直層面加壓的層狀巖體。 第二種情況第一種情況18上凹型pf(W)，dp/dW隨p增大而遞增，dp/dW19上凸型pf(W)，

7、dp/dW隨p增加而遞減，d2p/dW20結(jié)構(gòu)面發(fā)育且有泥質(zhì)充填的巖體、較深處埋藏有軟弱夾層或巖性軟弱的巖體復(fù)合型p-W曲線呈階梯或“S”型。結(jié)構(gòu)面發(fā)育不均或巖性不均勻的巖體19上凸型pf(W)，dp/dW隨p增加而遞減，d2p/d202、剪切變形曲線峰值前：平均斜率小，破壞位移大；峰值后：應(yīng)力降很小或不變。多為沿軟弱結(jié)構(gòu)面剪切。峰值前：平均斜率較大，峰值強(qiáng)度較高。峰值后：應(yīng)力降較大。多為沿粗糙結(jié)構(gòu)面、軟弱巖體及劇風(fēng)化巖體剪切。峰值前：斜率大，線性段和非線性段明顯，峰值強(qiáng)度高，破壞位移小。峰值后：應(yīng)力降低，殘余強(qiáng)度較低。多為剪斷堅硬巖體。202、剪切變形曲線峰值前：平均斜率小，破壞位移大；峰值

8、后：21 四、影響巖體變形性質(zhì)的因素 影響因素：巖性、結(jié)構(gòu)面特征、風(fēng)化程度、試驗方法、試件尺寸、加荷條件、溫度、濕度等。結(jié)構(gòu)面密度結(jié)構(gòu)面的張開度及充填特征21 四、影響巖體變形性質(zhì)的因素 影響因素：巖性、結(jié)構(gòu)面特征22結(jié)構(gòu)面方位22結(jié)構(gòu)面方位23第四章 巖體的力學(xué)性質(zhì)4.1 巖體的變形性質(zhì) 4.2 巖體的強(qiáng)度性質(zhì)4.3 巖體的動力學(xué)性質(zhì)（自學(xué)）4.4 巖體的水力學(xué)性質(zhì)（自學(xué)）23第四章 巖體的力學(xué)性質(zhì)4.1 巖體的變形性質(zhì) 244.2 巖體的強(qiáng)度性質(zhì)一、巖體的剪切強(qiáng)度 二、裂隙巖體的壓縮強(qiáng)度 三、裂隙巖體強(qiáng)度的經(jīng)驗估算巖體強(qiáng)度：巖體抵抗外力破壞的能力。巖體強(qiáng)度不同于巖塊的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度，一

9、般，其強(qiáng)度介于二者之間。巖體和巖塊一樣，巖體強(qiáng)度也有抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度之分。244.2 巖體的強(qiáng)度性質(zhì)一、巖體的剪切強(qiáng)度 巖體強(qiáng)度25一、巖體的剪切強(qiáng)度 剪切強(qiáng)度：巖體內(nèi)任一方向剪切面，在法向應(yīng)力作用下所能抵抗的最大剪應(yīng)力。剪切強(qiáng)度分為抗剪斷強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗切強(qiáng)度。 抗剪斷強(qiáng)度：任一法向應(yīng)力下，橫切結(jié)構(gòu)面剪切破壞時巖體能抵抗的最大剪應(yīng)力?？辜魪?qiáng)度是：任一法向應(yīng)力下，巖體沿已有破裂面剪切破壞時的最大應(yīng)力?？骨袕?qiáng)度：剪切面上的法向應(yīng)力=0時的抗剪斷強(qiáng)度。25一、巖體的剪切強(qiáng)度 剪切強(qiáng)度：巖體內(nèi)任一方向剪切面，在法261、原位巖體剪切試驗及其強(qiáng)度參數(shù)確定雙千斤頂法直剪試驗 261、原位巖

10、體剪切試驗及其強(qiáng)度參數(shù)確定雙千斤頂法直剪試驗 272728-u曲線及-法向變形(W)曲線。剪切強(qiáng)度曲線及剪切強(qiáng)度參數(shù)Cm，m值 28-u曲線及-法向變形(W)曲線。29各類巖體的剪切強(qiáng)度參數(shù)表：巖體巖塊；C：巖體 靜彈性模量 堅硬完整巖體Ed/Eme1.22.0風(fēng)化、裂隙發(fā)育的巖體和軟弱巖體Ed/Eme 1.510.0，大者20.0 原因： 靜力法采用的最大應(yīng)力 1.010.0MPa，少數(shù)則更大，變形量以mm計，而動力法的作用應(yīng)力 104MPa量級，引起的變形量很微小。因此靜力法會測得較大的不可逆變形，而動力法則測不到這種變形。 靜力法持續(xù)的時間較長。 靜力法擾動了巖體的天然結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)。

11、動彈性模量與靜彈性模量的關(guān)系47巖體與巖塊的動彈性模量都普遍靜彈性模量 動彈性模量與靜48用動彈性模量換算靜彈性模量 利用巖塊與巖體的縱波速度計算巖體完整性系數(shù)Kv48用動彈性模量換算靜彈性模量 利用巖塊與巖體的縱波速度計算492、動力強(qiáng)度參數(shù) 靜態(tài)加載、準(zhǔn)靜態(tài)加載：應(yīng)變率104s-1 動態(tài)加載下巖石的強(qiáng)度比靜態(tài)加載時的強(qiáng)度高。沖擊荷載下巖石的動抗壓強(qiáng)度靜抗壓強(qiáng)度的1.22.0倍。原因：時間效應(yīng)，加載速率緩慢，巖石中的塑性變形得以充分發(fā)展，反映出強(qiáng)度較低；反之，在動態(tài)加載下，塑性變形來不及發(fā)展，則反映出較高的強(qiáng)度。特別是在爆破等沖擊荷載作用下，巖體強(qiáng)度提高尤為明顯。492、動力強(qiáng)度參數(shù) 靜態(tài)加

12、載、準(zhǔn)靜態(tài)加載：應(yīng)變率10450巖石在不同荷載速率下的強(qiáng)度值利用巖塊與巖體的縱波速度計算巖體強(qiáng)度50巖石在不同荷載速率下的強(qiáng)度值利用巖塊與巖體的縱波速度計算514.4 巖體的水力學(xué)性質(zhì)瑪 爾 帕 塞 拱 壩 潰 壩巖體與水共同作用所表現(xiàn)出來的力學(xué)性質(zhì)。 水在巖體中的作用：1.水對巖石的物理化學(xué)作用； 2.水與巖體（或應(yīng)力）相互耦合作用下的力學(xué)效應(yīng)。514.4 巖體的水力學(xué)性質(zhì)瑪 爾 帕 塞 拱 壩 潰 52一、單個結(jié)構(gòu)面的水力特征 二、裂隙巖體的水力特征 三、應(yīng)力對巖體滲透性能的影響四、滲流應(yīng)力研究模型：1.用等效連續(xù)介質(zhì)模型研究，認(rèn)為裂隙巖體是由空隙性差而導(dǎo)水性強(qiáng)的結(jié)構(gòu)面系統(tǒng)和導(dǎo)水性弱的巖塊

13、孔隙系統(tǒng)構(gòu)成的雙重連續(xù)介質(zhì)；2. 把巖體看成為單純的按幾何規(guī)律分布的裂隙介質(zhì)，用裂隙水力學(xué)參數(shù)或幾何參數(shù)來表征裂隙巖體的滲透空間結(jié)構(gòu)。52一、單個結(jié)構(gòu)面的水力特征 研究模型：53一、單個結(jié)構(gòu)面的水力特征1、平直光滑無充填貫通結(jié)構(gòu)面 假設(shè)如圖，有微分方程牛頓粘滯定律平均流速邊界條件53一、單個結(jié)構(gòu)面的水力特征1、平直光滑無充填貫通結(jié)構(gòu)面 假542、非平直光滑無充填貫通結(jié)構(gòu)面 K2：結(jié)構(gòu)面的面連續(xù)性系數(shù)C：結(jié)構(gòu)面的相對粗糙修正系數(shù) H：結(jié)構(gòu)面起伏差 ：水的運(yùn)動粘滯系數(shù)（cm2/s），542、非平直光滑無充填貫通結(jié)構(gòu)面 K2：結(jié)構(gòu)面的面連續(xù)性系55二、裂隙巖體的水力特征1、含一組結(jié)構(gòu)面巖體的滲透性能

14、 設(shè)結(jié)構(gòu)面張開度e，間距為S，滲透系數(shù)為Kf；巖塊的滲透系數(shù)為Km。 55二、裂隙巖體的水力特征1、含一組結(jié)構(gòu)面巖體的滲透性能562、含多組結(jié)構(gòu)面巖體的滲透性能 根據(jù)結(jié)構(gòu)面發(fā)育的隨機(jī)性，借助計算機(jī)搜索出一定范圍內(nèi)的連通結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)圖，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步計算巖體的滲透張量。 562、含多組結(jié)構(gòu)面巖體的滲透性能 根據(jù)結(jié)構(gòu)面發(fā)育的隨機(jī)性，573、巖體滲透系數(shù)的測試 抽水試驗 壓水試驗巖體單位吸水量是指單位試驗壓力下、單位長度試段在單位時間內(nèi)的巖體的吸水量。當(dāng)試驗段底與下部隔水層的距離大于試驗段長度時，a=0.66,反之a(chǎn)=1.32573、巖體滲透系數(shù)的測試 抽水試驗 當(dāng)試驗段底與下部隔水層58透水率q

15、的確定（呂榮試驗）透水率q單位呂榮（Lu）：當(dāng)試段壓力為1MPa時，每米試段的壓入流量。呂榮試驗的基本要點自上而下單栓塞分段壓水，試段長5m，相鄰試段互相銜接每試段按三級壓力（p1p2p3）、五個階段（p1-p2-p3-p2-p1）進(jìn)行，p1=0.3MPa，p2 =0.6MPa， p3 =1.0MPa試驗鉆孔采用59150mm孔徑58透水率q的確定（呂榮試驗）透水率q單位呂榮（Lu）：當(dāng)試59巖體滲透性分級滲透性等級標(biāo)準(zhǔn)巖體特征滲透系數(shù)(cm/s)透水率q（Lu）極微透水010-600.1含張開度0.025mm裂隙的巖體微透水10-610-50.11含張開度0.0250.05mm裂隙弱透水10-510-4110含張開度0.050.1mm裂隙中等透水10-410-210100含張開度0.10.5mm裂隙強(qiáng)透水10-21100含張開度0. 52.5mm裂隙極強(qiáng)透水1含張開度2.5mm裂隙或連通孔洞59巖體滲透性分級滲透性標(biāo)準(zhǔn)巖體特征滲透系數(shù)(cm/s)透水60三、應(yīng)力對巖體滲透性能