岩石力学ppt课件第三章-岩体力学性质.ppt

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1、第三章,岩体的力学特性,?,本章内容,?,3.1,概述,?,3.2,岩体结构基本类型；,?,3.3,岩体的结构面及其自然特征；,?,3.4,结构面的力学性质,?,3.5,岩体的变形性质,?,3.6,岩体的强度特性,?,3.7,岩体的水力学性质,?,3.8,岩体质量评价及其分类,?,基本要求,?,了解岩体结构的基本类型，理解岩体结构面特征；,?,掌握结构面的力学性质及岩体的变形性质；,?,理解岩体的强度特性，了解岩体的水力学性质；,?,掌握岩体质量评价及其分类方法；,第三章,岩体的力学性质,?,第一节,概述,?,第二节,岩体结构的基本类型,?,第三节,岩体的结构面及其自然特征,?,第四节,结构面

2、的力学性质,?,第五节,岩体的变形性质,?,第六节,岩体的强度特性,?,第七节,岩体的水力学性质,?,第八节,岩体质量评价及其分类,主要内容,岩体,=,结构面（弱面）,+,结构体（岩石块体）,结构面,：,断层、褶皱、节理,统称,影响岩体力学性质的基本因素：,结构体,(,岩石,),力学性质、结构面力学性质、岩体,结构力学效应和环境因素,(,特别是水和地应力的作用,),3.1,概述,3.2,岩体结构的基本类型,（,地质学,、,复习,、了解）,3.3,岩体中的结构面及自然特征,次生结构面,3.3.1,结构面类型（自学、了解、提问）,火成结构面,沉积结构面,变质结构面,成因及类型,原生结构面,构造结构

3、面,断层,节理,劈理,3.3.2,结构面的自然特征,1.,充填胶结特征,几何形态特征,有充填,无充填,薄膜充填,（,2mm,以下,）,断续充填,连续充填,厚层充填,（,数十厘米至数米,）,平直型,波浪型,锯齿型,台阶型,凹凸度,（量化指标）,起伏度,（起伏角,i,),粗糙度,(,五级）,2.,3.,空间分布特征,产状（即方位）及其变化,延展性,密集程度,组合关系,?,结构面的产状及其变化：结构面的走向与倾向及其变化,?,结构面的延展性：结构面在某一方向上的连续性或结构,面连续段长短的程度。,分为,非贯通性的、半贯通性及贯通性,的结构面,?,结构面的,密集程度,设取样线长度为,l,，在,l,上,

4、出现的节理条数为,n,，则,节理之间的平均间距为,裂隙度,K,切割度,Xe,?,n,K,?,K,n,l,d,1,?,?,20m,实例：,k=4/20=0.2/m,d=1/k=5m,a.,单组节理,(,具有同一走向）,（,1,）,裂隙度,K,:,同一组结构面,沿法线方向,单位长度上的节理数量,l,d180cm,整体结构,d=30180,块状结构,d30,破裂结构,d6.5,极破裂结构,K=01/m,疏节理,K=110/m,密节理,K=10100/m,很密节理,K=1001000/m,糜棱节理,按间距分类,按裂隙度分类,两组节理的裂隙度计算图,b.,两组节理,b,b,a,a,b,a,d,d,m,m

5、,K,K,K,?,?,cos,cos,1,1,2,1,?,?,?,?,?,?,?,?,?,n,i,i,d,K,i,1,cos,?,m,a,:,沿取样线节理平均间距,;,d,a,:,节理垂直间距；,c.,多组节理,（,2,）,切割度,X,e,：,节理在岩体内的贯通程度。,A,a,X,e,?,?,?,?,n,i,i,a,a,1,多处不连续切割叠加：,假设在岩体中取一平直断,面，总截面积为,A,，其中,被节理面切割的面积为,a,；,则切割度为,3.4,结构面的力学性质,法向变形,切向变形,变形,性质,强度性质,(,一）法向变形,1,.,变形特性,?,在法向荷载作用下，结构面间隙呈非线性减,小，应力与

6、法向变形呈指数关系。,(,原因）,?,当荷载去除时，将引起明显的后滞和非弹,性效应。,K,n,法向变形刚度,2,max,n0,n,max,n0,n0,n,K,K,K,K,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,K,n0,结构面的初始刚度,趋势,：,n,，,K,n,（,Goodman,1974,）,Goodman,方法,：,节理无抗拉强度,极限闭合量,max,e,（节理的厚度）,（,1,）基本假设,（,2,）状态方程,t,n,n,n,A,),(,m,ax,0,0,?,?,?,?,?,?,?,?,?,2.,闭合变形量计算,：,原始应力，由测量时的初始条件决定；,n,max,结构面闭合量，最大闭合量

7、,;,A,t,回归参数，与结构面几何特征、岩石力学性质有关。,0,?,（二）节理的切向变形,通常有两种形式：,A,）,粗糙,（或非充填）结构面剪切,变形曲线；,B,）,平坦,（或有充填物）的结构面,区别及原因,t,t,K,?,?,?,?,?,见下页力学模型,结构面的剪切变形,:,与岩石强度、结构面粗糙性和法向力有关,法向力不足够大,沿凸台斜面滑动,剪胀（或扩容）,法向力足够大,沿凸台剪断,不产生明显剪胀,（三）抗剪强度,?,?,?,tg,c,?,?,i,服从库仑准则,:,影响抗剪强度的三个基本因素：,?,法向力,n,?,粗糙度,JRC,?,结构面强度,JCS,结构面抗剪强度公式,（,Barto

8、n,和,choubey,1977),：,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,b,n,n,JCS,JRC,?,?,?,?,lg,tan,粗糙度,JRC,（目测）,分维数,3.5,岩体的变形性质,法向变形特征,剪切变形特征,各向异性变形特性,岩体的变形,（一）法向变形特征：,1.,法向变形试验：,承压板法、,钻孔变形法、,狭缝法、,(MPa),),1,(,2,?,?,?,?,?,m,m,pD,E,1,）承压板法,选具有代表性的试验地点,清除浮石，平整岩面,逐级一次循环法加压,岩体变形模量,E,m,和弹性模量,E,me,公式：,p,承受板单位面积上的压力,(MPa),；,

9、D,承压板直径或边长,(cm),；,?,、,?,e,相应于,p,下的岩体总变形和弹性变形,（,cm,）；,与承压板形状,与,刚度有关的系数，对圆形,板,0.785,；方形板,0.886,；,m,岩体的泊松比。,(MPa),),1,(,2,e,m,me,pD,E,?,?,?,?,?,(J.Boussineq),2,）钻孔变形法,岩体的变形模量（,E,m,）,计算公式：,U,dp,E,m,m,),1,(,?,?,?,U,径向变形,m,岩体的泊松比,;,厚壁圆筒理论,?,对岩体扰动较小；,?,可在地下水位以下和相当深的部位进行；,?,试验方向基本不受限制，试验压力大；,?,可以同时测量几个方向的变形

10、，便于研究,各向异性；,优点,（,相对于承压板法来说）,：,缺点：,涉及的岩体体积小，代表性差。,3,）狭缝法：,?,?,?,?,?,?,?,?,2,1,2,1,2,sin,2,sin,1,tan,tan,1,2,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,m,m,m,pl,E,p,作用于槽壁上的压力（,MPa,）；,?,量测点,A,1,、,A,2,的相对位移值,(cm),，,?=y,2,-y,1,。,m,岩体的泊松比,;,2.,法向变形曲线及特征：,（,1,）直线型（弹性岩体）,岩性均匀且结构面不发育,或结构面分布均匀的岩体,（,2,）上凹型（塑,-,弹性岩体）,含软弱夹层的层状岩体

11、及裂隙岩体,（,3,）上凸型（弹,-,塑性岩体）,结构面发育且有泥质充填的岩体。,（,4,）复合型：阶梯或“,S”,型（塑,-,弹,-,塑性岩体,),结构面发育不均或岩性不均匀的岩体。,（二）剪切变形特征：,峰前变形平均斜,率小，破坏位移,大；峰后强度损,失小。,(a),沿软弱结,构面剪切,峰前变形平均斜,率较大，峰值强,度较高；峰后有,明显应力降。,(b),沿粗糙结构面、,软弱岩体及强风,化岩体剪切,峰前变形斜率大，,峰值强度高，破坏,位移小；峰后残余,强度较低。,(c),坚硬岩体,受剪切,（三）各向异性变形特征：（,P101,蔡）,造成岩体变形各向异性的两个基本因素：,物质成分和物质结构的

12、方向性；,节理、结构面和层面的方向性。,岩石的全部或部分,物理、力学,特性,随方向不同而,表现出差异的现象称为,岩石的各向异性,。,3.6,岩体的强度特性,3.6.1,岩体强度的测定,（一）岩体单轴抗压强度的测定,图,3-24,岩体单轴抗压强度测定,1,方木；,2,工字钢；,3,千斤,顶；,4,水泥砂浆,现场原位切割较大尺寸试体（边长,0.5,1.5m,的立方体）；为了保持,原有的力学条件，试块附近不能爆,破，机械破岩。千斤顶和液压枕,（扁千斤顶）加载。,水泥砂浆抹平试体表面垫方,木、工字钢加载计算强度,试件,（二）岩体抗剪强度的测定,双千斤顶法：,1.,正压力,P,和横推力,T,的合,力通过

13、,剪切面中心,。,3.,试验,5,组以上,2.,横推千斤顶成,15,角倾斜布置。,计算公式：,S,T,P,?,?,sin,?,?,?,?,cos,S,T,?,P,、,T,垂直及横向千斤顶施加的荷载；,S,试体受剪截面积。,（三）岩体三轴强度试验,地下工程的受力状态是三维的，所以三轴力学试验,非常重要。,千斤顶加轴向荷载,压力枕加围压荷载,准三轴（等围压）：实用,性更强。,图,3-26,原位岩体三轴试验,1,一混凝土顶座；,2,、,4,、,6,垫板；,3,一顶柱；,5,一球面垫；,7,一压力枕；,8,一试件；,9,一液压表；,10,一液压枕,真三轴：中间主应力在岩体,强度中起着重要作用，在多,节

14、理岩体中尤为重要。,试体,3.6.2,结构面的强度效应,一、单节理和多节理的力学效应,（一）单节理的力学效应,设结构面的强度条件,设节理的方向角为,节面上的应力,(,图）,?,?,?,tg,c,?,?,?,?,?,?,?,?,2,si,n,2,1,3,1,?,?,?,?,?,?,?,?,2,cos,2,2,3,1,3,1,?,?,?,?,当,（岩石块体破坏，结构面不破坏）,当,节理面的存在不削弱岩块强度,?,tg,f,?,?,?,?,?,?,?,?,2,sin,1,2,2,3,3,1,fctg,f,c,?,?,?,?,?,?,?,?,3,1,2,?,?,?,?,?,?,?,?,3,1,?,?,

15、?,?,2,?,?,?,?,?,对,求一阶导数，并令其为零得,此时节理面对岩体的强度削弱最大,?,2,45,1,2,?,?,?,?,?,?,?,?,?,f,tg,?,?,?,?,?,?,f,f,f,c,?,?,?,?,?,2,3,min,3,1,1,2,?,?,?,并令,得：,当,可能结构面破坏,岩石节理同时破坏，岩体强度等于岩块强度,2,?,?,?,1,?,?,?,2,?,?,?,1,?,?,?,岩块先破坏，岩体强度,等于岩块强度,?,或,?,节理先破坏，岩体强度小于岩块强度,?,或,2,1,?,?,?,?,?,图解法,:,直接在图,2,20,量取；,也可以由正弦定律推出：,(,见图,2,2

16、0,）,sin,/,),cot,sin,2,sin,/,),cot,sin,2,1,2,1,1,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,m,m,m,m,c,c,?,?,?,?,?,?,?,?,?,（二）多节理的力学效应,（叠加）,两组以上的节理同样处理，只不过岩体总,是沿一组最有利破坏的节理首先破坏。,图,3,21,两组节理力学模型,图,3,20,1,与的关系曲线,二、当,C=0,时节理面的力学效应,这时库仑准则,用主应力表示上式，得：,?,?,?,tg,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,tg,tg,3,1,?,?,?,?,?,?,?,tg,tg,?,?,1,3,已知,1,由

17、上式可计算出维持破裂岩体极限稳定,的侧向压力,3,，即岩体所需的最小支护力,此时岩体的强度只靠碎块之间的摩擦力来提供。,3.7,岩体的水力学性质,岩体的水力学性质：岩体与水共同作用所表现出来,的力学性质。,岩体与水的相互作用，一方面水改变着岩体的物理、,化学及力学性质，另一方面岩石也改变着地下水自身,的物理、力学性质及化学组份。,地下水对岩体的作用,物理作用,化学作用,力学作用,（一）物理作用：,岩体结构面上的摩阻力减小,改变岩体结构面充填物的物理性状，,内聚力和摩擦角减小。,软化系数,区别于重力水的润滑，软化作用。,（二）化学作用：,离子交换、溶解和溶蚀作用（黄土湿陷及岩溶）、,水化作用（膨

18、胀岩的膨胀）、水解作用、氧化还原,作用、沉淀作用以及超渗透作用等。,润滑作用：,软化和泥化作用：,结合水的强化作用：,泥石流、山体滑坡,（三）力学作用：,孔隙静水压力作用,孔隙动水压力作用,当多孔连续介质岩土体中存在孔隙地下水时，,未充满,孔隙的地下水使岩土体的有效应力增加：,p,?,?,?,?,?,有效应力，,总应力，,p,孔隙静水水压力,当地下水,充满,多孔连续介质岩土体时，使有效,应力减小：,p,?,?,?,?,?,，,，,p,：,含义同上,当多孔连续介质岩土体中,充满,流动的地下水时，,施加孔隙静水压力和动水压力作用，其中，动水,压力为：,J,d,?,?,?,d,动水压力，,地下水容重

19、，,J,地下水水力坡度,当裂隙岩体充满流动的地下水时，施加一垂直于裂,隙壁面的静水压力和平行于裂隙壁面的动水压力，其,中，动水压力为：,J,b,d,?,?,2,?,b,：,裂隙的隙宽，,d,，,，,J,意义同上,3.8,岩体质量评价及其分类,为了在工程设计与施工中能区分出岩体质量的好坏和表现在,稳定性上的差别，需要对岩体作合理的分类，以作为选择工,程结构参数、科学管理生产以及评价经济效益的依据之一。,（一）,普氏分级法：,f=,c,/10,常沿用但具有严重局限性。,(,二）岩石质量指标,RQD,分类,(,笛尔,Deer,，,1964),：,%,100,),10,(,10,?,?,钻孔总长度,岩

20、芯累计长度,含,以上,cm,cm,RQD,RQD,25,25,50,50,75,75,90,90,岩石质量描述,很差,差,一般,好,很好,等级,I,II,III,IV,V,Rock Quality Designation,:,没反映出节理的方位、充填物的影响等，,在更完备的岩体分类中作重要参数应用。,不足：,（三）岩体地质力学分类（,CSIR,分类,P56,）,CSIR,分类指标值,RMR(Rock Mass Rating),：南非科学和工业研究委员会,(Council for Scientific and Industrial Research),提出。,分类时，根据表,3-6,得,RMR,

21、初值,P57,然后据节理、裂隙的产状变化,按表,3-7,和表,3-8,对,RMR,初值修正，最后对照表,3-9,求得岩体的类别。,由岩块强度、,RQD,值、节理间距、节理条件及地下水,5,种指标组成。,不足：,对挤压、膨胀和涌水的极其软弱的岩体问题时，此分类法难于使用,。,（四）巴顿岩体质量分类（,Q,类）：,由挪威地质学家巴顿,(Barton,，,1974),等人提出,RQD,：,Deer,的岩石质量指标；,J,n,:,节理组数；,J,r,:,节理粗糙度系数；,J,a,:,节理蚀变影响系数；,J,w,:,节理水折减系数；,SRF,应力折减系数。,SRF,J,J,J,J,RQD,Q,w,a,r

22、,n,?,n,J,RQD,a,r,J,J,SRF,J,w,Bieniawski(1976),：,44,ln,0,.,9,?,?,Q,RMR,表,3-10,岩体质量,Q,值分类表,Q,值,0,01,0,01,0.1,0,1,1.0,1,0,4.0,4,0,10,1040,4010,0,1004,00,400,岩体类,型,特别坏,异常差,极坏,极差,坏,很差,不良,差,中等,一般,好,好,良好,很好,极好,极好,特别好,异常好,定性与定量相结合，目前比较好的岩体分类方法，软、硬岩体均适用。,（五）岩体,BQ,分类,第一步：根据,BQ,初步分为,5,级,（考虑了岩体的坚硬程度和完整性）,国标工程岩体

23、分级标准,GB50218-94,提出两步分级法,v,cw,K,R,BQ,250,30,90,?,?,?,R,cw,为岩体饱和单轴抗压强度（,MPa,）；,K,v,为岩体的完整性系数,；（,可用声波测试资料或结构面条数来确定）,第二步：考虑其他因素影响，对,BQ,进行修正后详细分级,?,?,),(,100,3,2,1,K,K,K,BQ,BQ,?,?,?,?,K,1,：主要软弱结构面产状影响修正系数，表,3-15,K,2,：地下水影响修正系数，表,3-16,K,3,：,天然应力影响修正系数，表,3-17,（六）按岩体结构类型分类,（中科院地质所，谷德振）,：,某岩块强度符合库仑准则，,C=5 M,Pa,?,=30,0,。如果三轴应力,状态下的,?,3,=10 M,Pa,保持常数，求极限平衡时,?,1,若此时,?,1,和,?,3,分别铅直和水平，岩块内有一条节理。节理的,C=0,，,?,=30,0,。节理与水平倾角或为,30,0,（或,45,0,、或,60,0,、,75,0,、,90,0,），问以上情况中：,在何种情况下节理不破坏，仅岩块破坏？,在何种情况下节理不破坏，仅节理破坏，或节理和岩块都破坏，,且岩块破坏面与节理面重合？,在何种情况下，节理与岩块都破坏，但岩块破裂面与节理面不,重合？,作业：,