4-2巖石力學(xué)與工程 巖體力學(xué)性質(zhì).ppt

1、2020/8/10，1，4巖體的力學(xué)特性，4.1概述1，巖體的特性，天然巖體分為各種結(jié)構(gòu)面，形成巖塊的復(fù)合體，具有不連續(xù)性、異質(zhì)性、各向異性等特征。第二，結(jié)構(gòu)面1。定義：不同的原因，具有不同特征的地質(zhì)界面的總稱。2.特征：方向、側(cè)面延伸大、厚度小、具有面的幾何特征。它的變形機(jī)制是兩個(gè)板塊的閉合或滑動(dòng)，在破壞上，或沿著結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)，或沿著它追蹤裂縫。3，結(jié)構(gòu)體被結(jié)構(gòu)面徐璐結(jié)合，切割巖體，形成形態(tài)不同，大小等成分不同的巖體。第四，巖體結(jié)構(gòu)單元或要素，2020/8/10，2，5，巖體結(jié)構(gòu)各種類型巖體結(jié)構(gòu)單元的各種組合，排列形式的總稱。6.巖體的力學(xué)性質(zhì)是巖體抵抗外力的能力，包括巖體的穩(wěn)定性特性、強(qiáng)度特

2、性和變性特征，由構(gòu)成巖體的結(jié)構(gòu)體、結(jié)構(gòu)面和發(fā)生條件決定。2020/8/10，3，7，影響巖石力學(xué)特性的基本因素，2020/8/10，4，2020/8/10，5，4.2巖石結(jié)構(gòu)面特性和類型1，巖石結(jié)構(gòu)面第三，各種結(jié)構(gòu)的地質(zhì)特性，2020/1.結(jié)構(gòu)面的散射起到了控制巖體是否沿結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)的作用。2.結(jié)構(gòu)面形態(tài)決定結(jié)構(gòu)面防滑力的大小。結(jié)構(gòu)面的粗糙度越高，防滑力越大。3.結(jié)構(gòu)面的擴(kuò)展尺度在工程巖體范圍內(nèi)擴(kuò)大規(guī)模較大的結(jié)構(gòu)面，完全控制巖體的強(qiáng)度。2020/8/10，9，2020/8/10，10，3，指示巖體破碎程度的指標(biāo)(補(bǔ)充)1 (2)計(jì)算1)將接頭采樣線長度設(shè)置為L，將沿L的接頭數(shù)設(shè)置為N，2)沿采樣

3、方向接頭的平均間距D切割度(1)切割度是指巖體通過接頭分離和分離。(2)計(jì)算1)只有一個(gè)節(jié)肢的平面截面，節(jié)肢面積，平面截面面積A，斷面圖2)巖體完全切割時(shí)未切割；可以看到，當(dāng)時(shí)巖體部分剪裁為3)在同一直線橫截面有面積的多個(gè)節(jié)肢的情況下，剪切度為4.3結(jié)構(gòu)面的力學(xué)特性結(jié)構(gòu)面的力學(xué)特性主要包括垂直變形、剪切變形和剪切強(qiáng)度三個(gè)茄子方面。4.3.1法線變形1。在法向載荷下，巖石粗糙結(jié)構(gòu)面的接觸面積和接觸點(diǎn)數(shù)隨載荷的增加而增加，結(jié)構(gòu)面間距為非線性減小，應(yīng)力和法向變形之間存在金志洙關(guān)系，如圖4-9所示。2020/8/10，12，2020/8/10，13，2。古德曼法，法向應(yīng)力與結(jié)構(gòu)面封閉量的關(guān)系：形式中：

4、遠(yuǎn)視壓力；可能的最大封閉量。結(jié)構(gòu)面的幾何特征，與巖石力學(xué)特性相關(guān)的兩個(gè)茄子參數(shù)，(4-2)，2020/8/10，14，圖4-9結(jié)構(gòu)面法向變形曲線，2020/8/10，15，3。法向變形剛度(1)反映結(jié)構(gòu)面生成單位法向(2)法向變形剛度的古德曼表達(dá)式：形式中：結(jié)構(gòu)面的初始剛度。(3)其大小主要取決于粗糙結(jié)構(gòu)面接觸點(diǎn)數(shù)、接觸面積和結(jié)構(gòu)面雙面微凸徐璐嚙合的程度。，(4-3)，4.1984年反失真，雙曲線關(guān)系法向應(yīng)力：法向剛度：(4-4)，(4-5)，2020/8/10，(2)，2020/8/10，18，圖4-10結(jié)構(gòu)面剪切變形曲線，2 .古德曼將剪切變形曲線從形式劃分為1)峰值前應(yīng)力上升的彈性域。2

5、)剪切應(yīng)力峰值區(qū)域；3)峰值后應(yīng)力減少或恒定應(yīng)力的塑性區(qū)。3.結(jié)構(gòu)面剪切中力學(xué)過程結(jié)構(gòu)面微凸體的彈性變形、分割、磨粒的生成和移動(dòng)、結(jié)構(gòu)面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)等。但是剪切變形在過程中不能完全恢復(fù)。2020/8/10，19，2020/8/10，20，4。剪切剛度是彈性區(qū)域單位變形內(nèi)的應(yīng)力梯度稱為剪切剛度Kt。5.古德曼法，剪切剛度可以表示為：表達(dá)式中的初始剪切剛度，是生成最大剪切位移時(shí)剪切應(yīng)力的增量值。(4-6)，2020/8/10，21，6。如下模型所示，結(jié)構(gòu)面的剪切變形與巖石強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面粗糙度和法向力密切相關(guān)。圖4-11結(jié)構(gòu)面剪切力學(xué)模型7。在剪切膨脹粗糙結(jié)構(gòu)面的情況下，在剪切應(yīng)力下，結(jié)構(gòu)面的上半部分沿

6、凸臺(tái)斜面向上滑動(dòng)，垂直移動(dòng)分量稱為剪切膨脹。2020/8/10，22，4.3.3剪切強(qiáng)度1。結(jié)構(gòu)面剪切強(qiáng)度通?？梢杂脦靵龉矫枋?，它是作用于結(jié)構(gòu)面的法向應(yīng)力。(4-7)，2。實(shí)驗(yàn)表明，低法向應(yīng)力時(shí)，結(jié)構(gòu)面有剪切位移和剪切膨脹。高法向應(yīng)力會(huì)切斷凸轂，結(jié)構(gòu)面的剪切強(qiáng)度最終會(huì)成為剩馀剪切強(qiáng)度。剪切過程中凸臺(tái)起伏形成的粗糙度和巖石強(qiáng)度對(duì)結(jié)構(gòu)面的剪切強(qiáng)度有重要作用。2020/8/10，23，2020/8/10，24，圖4-12凸轂?zāi)Ｐ椭屑羟袘?yīng)力與法向應(yīng)力的關(guān)系曲線，2020/8/10，25，3。巴頓指南1 2)常識(shí)是轉(zhuǎn)換為光滑關(guān)節(jié)(沒有粘合力)的庫侖指南。(4-8)，2020/8/10，26，4.3.4

7、結(jié)構(gòu)平面機(jī)械性質(zhì)的影響因素1。尺寸效應(yīng)因素(1)隨著試塊結(jié)構(gòu)面面積的增加，平均最大剪應(yīng)力呈小趨勢。(2)結(jié)構(gòu)面尺寸增加，達(dá)到最大強(qiáng)度時(shí)的位移量增加。(3)隨著尺寸的增加，剪切破壞形態(tài)從脆破壞轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性破壞。(4)結(jié)構(gòu)面尺寸增加，最高剪脹角減少。2 .變形歷史元件新鮮結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度明顯高于受剪作用結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度。填充特性因素(1)填充材料的厚度；(2)粒子大小和梯度；(3)礦物成分和水分含量。4.水星元素，2020/8/10，27，2020/8/10，28，4.4巖床的力學(xué)特性4.4.1巖體變形曲線及其特性1，巖體壓縮變形曲線，圖4-13巖體壓縮(b)凹陷(c)凸面；(D)復(fù)合，2，巖石剪切

8、變形特性，圖4-14巖石現(xiàn)場剪切試驗(yàn)曲線，2020/8/10，29，2020/8/10，30，1。曲線到達(dá)屈服點(diǎn)之前2。曲線到達(dá)屈服點(diǎn)后，巖石體內(nèi)的任何結(jié)構(gòu)體或結(jié)構(gòu)面首先被切割，應(yīng)力降發(fā)生一次，峰值前這種應(yīng)力降可能發(fā)生多次，應(yīng)力降的大小與破壞結(jié)構(gòu)體或結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度有關(guān)。巖體破碎程度越高，應(yīng)力下降反而越不明顯。3 .剪切應(yīng)力增加到一定水平時(shí)，巖體的剪切變形積累到一定程度，未剪切部位以瞬時(shí)破壞方式出現(xiàn)，并伴隨著大應(yīng)力下降。4.發(fā)生大應(yīng)力降時(shí)，整體上在一定應(yīng)力級(jí)別發(fā)生穩(wěn)定的滑動(dòng)。2020/8/10，31，4.4.2巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)1，一般概念1巖體和幾組更大的關(guān)節(jié)；2)在機(jī)械性質(zhì)上，巖體比巖體小，峰值強(qiáng)度

9、低，殘值強(qiáng)度低，變形(蠕變)牙齒大，泊松比大小大，各向異性強(qiáng)。極端堅(jiān)固完整的巖體的強(qiáng)度巖石強(qiáng)度，節(jié)理極端發(fā)育巖體的強(qiáng)度巖石強(qiáng)度(幾分之一到幾十分之一)。2020/8/10，33，2020/8/10，34，2。尺寸效應(yīng)1)巖體和巖體的尺寸邊界由尺度效應(yīng)(scale effect)實(shí)驗(yàn)確定。2)各種巖石的尺度效應(yīng)不同。3)大部分巖石在0 . 51 . 0米時(shí)性質(zhì)穩(wěn)定，一般認(rèn)為牙齒尺寸以上代表巖石。(A是詩篇的橫截面積)，2020/8/10，35，2，巖體力學(xué)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)和方法1。原則上與巖塊實(shí)驗(yàn)沒有區(qū)別。區(qū)別是尸體大，設(shè)備大，費(fèi)用高。2.巖石實(shí)驗(yàn)大部分是現(xiàn)場切割試驗(yàn)體，進(jìn)行單軸壓縮、三軸壓縮和壓縮剪

10、切試驗(yàn)。一般試驗(yàn)體尺寸0.5 1.5m；桿設(shè)備用普通插孔，短插孔和扁平插孔；4.原來切割試驗(yàn)體的工程規(guī)模大，費(fèi)用高。5.現(xiàn)場現(xiàn)場現(xiàn)場現(xiàn)場測試、測試目標(biāo)：應(yīng)力變形曲線、強(qiáng)度指標(biāo)等，應(yīng)一次全部測量。2020/8/10，36，2020/8/10，37，6。結(jié)構(gòu)面試驗(yàn)方法1)采用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)法測斜法直接剪切法3軸測斜法直接剪切法，2020/8/10，30巖石地表巖石指標(biāo)，巖石指標(biāo)。巖體指標(biāo)：有條件的，可用作測試決策。如果不能測試，可以先選擇經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。巖石內(nèi)摩擦角巖石內(nèi)摩擦角；4.已知巖體的C，巖體的單軸抗壓強(qiáng)度：根據(jù)格氏標(biāo)準(zhǔn)，可以近似求出巖體的抗拉強(qiáng)度。5.用巖石力學(xué)特性經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)工程進(jìn)行初步計(jì)算，應(yīng)在

11、工程開始后根據(jù)實(shí)測應(yīng)力適當(dāng)修改經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。，2020/8/10，40，4.4.3巖石變形特性1，巖體1軸和3軸壓縮變形特性現(xiàn)場巖石循環(huán)壓縮應(yīng)力變形全過程曲線，2020/8/10，41，1 2。如曲線所示，中間卸載回彈變形有延遲，出現(xiàn)了不可恢復(fù)的剩馀變形。3.各階段的加載和卸載周期曲線是開放的，隨著外部載荷的增加，剩余變形量的增加速度變小，累積剩余變形增加。4 .荷載達(dá)到巖體的最大強(qiáng)度時(shí)，巖體的破壞、破壞過程一般具有靈活的破壞特性，應(yīng)力下降緩慢，巖體破碎時(shí)應(yīng)力下降越小，出現(xiàn)的脆性也越低。5.從破壞后曲線來看，巖石在破壞后并沒有完全喪失承載能力，而是保持了較小的數(shù)值。也就是說，在飛行員完全破壞大變形

12、后，如果應(yīng)力下降到特定值，則保持為常數(shù)，該應(yīng)力是巖體的剩余強(qiáng)度。2020/8/10，42，2020/8/10，43，2，現(xiàn)場巖石變形系數(shù)測量現(xiàn)場巖石變形系數(shù)測量過程曲線，2020/8/10，44，圖中的B段稱為巖體的彈性變形量，因此，使用變形系數(shù)表征巖體變形特征，變形系數(shù)可以確定如下格式中：應(yīng)力。巖體永久變形(殘余變形)的變形。巖體彈性變形的變形。2020/8/10，45，4，影響巖石變形特性的因素1。結(jié)構(gòu)面方向結(jié)構(gòu)平面的密度；結(jié)構(gòu)表面開放和填充特性；2020/8/10，46，4.5巖床的強(qiáng)度特性1，一般概念1 2。巖體的單軸壓縮、三軸壓縮和壓力剪切實(shí)驗(yàn)證實(shí)了大部分巖體在壓縮區(qū)域中符合庫侖準(zhǔn)則

13、，但其強(qiáng)度低于巖石強(qiáng)度。3.巖石強(qiáng)度必須在巖石強(qiáng)度和最弱面強(qiáng)度之間的范圍內(nèi)。4.巖體強(qiáng)度的具體情況要根據(jù)實(shí)驗(yàn)具體確定。2020/8/10，47，2，單一結(jié)構(gòu)面理論(補(bǔ)充)1。為了用理論分析法研究裂縫巖體的抗壓強(qiáng)度，耶格提出了單結(jié)構(gòu)面理論。下圖顯示了在巖體中開發(fā)的一組結(jié)構(gòu)面AB，假設(shè)AB面(法向)和最大主應(yīng)力方向之間的角度為：單一結(jié)構(gòu)面理論分析圖，2020/8/10，48，2。莫爾應(yīng)力源3。結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度遵循庫侖準(zhǔn)則，4 .沿結(jié)構(gòu)面AB生成剪切破壞的條件：5，2020/8/10，49，2020/8/10，50，3，單個(gè)結(jié)構(gòu)面巖體的強(qiáng)度分析1。當(dāng)時(shí)2。當(dāng)時(shí)；也就是說，和詩，不能沿詩篇的牙齒結(jié)構(gòu)面破壞，

14、不能沿巖石內(nèi)的其他方向破壞。3.此時(shí)，主應(yīng)力達(dá)到特定值時(shí)，可以沿牙齒結(jié)構(gòu)面破壞。4 .求主應(yīng)力最小值的條件對(duì)，并將一階導(dǎo)數(shù)為零，這樣，在牙齒時(shí)，莫爾圓就能接觸到結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度包絡(luò)。2020/8/10，51，5。結(jié)構(gòu)面角度發(fā)生變化時(shí)，破壞主應(yīng)力相應(yīng)增加。但是當(dāng)主應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)，巖體不會(huì)沿結(jié)構(gòu)面破壞，而是破壞到巖石的特定方向，此時(shí)巖體的強(qiáng)度等于巖石的強(qiáng)度。破壞面和的角度為2020/8/10，52，2020/8/10，53，6。下圖中結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度包絡(luò)。對(duì)于巖石的強(qiáng)度包絡(luò)，根據(jù)摩爾強(qiáng)度理論，如果應(yīng)力摩爾圓上的點(diǎn)落在強(qiáng)度包絡(luò)下，則詩篇不會(huì)沿牙齒截面破壞進(jìn)行。也就是說，如果結(jié)構(gòu)面和主應(yīng)力之間的角度滿足下降條件，則不會(huì)沿結(jié)構(gòu)面破壞。2020/8/10，54，單結(jié)構(gòu)面巖體強(qiáng)度分析，2020/8/10，55，7。決定方法1)可以用作圖法決定。2)可以通過以下計(jì)算方法確定：根據(jù)上圖，通過正弦規(guī)律簡化定理后得到。2020/8/10，56，8。2020/8