3 水对岩石强度的影响

五、水对岩石强度的影响前已述汲水对岩石强度影响： 膨胀、崩解、溶解水岩 软化渗入水压水对岩石强度有影响的是孔隙和裂隙中的水压力，统称为孔隙水压力，用pw表达。如果饱和岩石在荷载作用下不易排水或不能排水，那么，孔隙或裂隙中的水就有孔隙压力，岩石固体颗粒承受的压力将相应的减少，强度则减少。对岩石中有连接的孔隙（涉及细微裂隙）系统，施加应力，当有孔隙水压力pw时，岩石的有效应力为岩石总应力（MPa）；有效应力（MPa）；pw孔隙水压力 （MPa）在有孔隙水压力作用时，可运用岩石破坏准则来分析岩石的稳定性。1莫尔摩伦准则根据莫尔库伦强度理论，考虑有孔隙水压力pw的作用，其岩石的抗剪强度为： 或 可见，由于pw的存在，岩石的抗剪强度减少。对于用主应力表达的莫尔库伦破坏准则，考虑pw作用，则有，式中，推出 由上式可解得pw，即岩石从初始作用应力1和3达到岩石破坏时所需施加的孔隙水压力：亭定（Handin）砂岩实验成果，在pw为零时作一系列的实验，绘莫尔应力圆，得到pw=0时的包络线，即岩石强度曲线。当施加主应力1、3时，（pw=0）岩石稳定（莫尔圆II），在此主应力下，增长pw直至破坏（莫尔圆I与包线相切）。从上面分析可见，pw对岩体强度影响很大。在实际工程中，特别是坝址区，对某种岩石，当主应力1、3一定期，水库蓄水后，如果有渗流，则pw从0增长pw，当和的应力圆与包线相切或相交时，岩体将失稳。2格里菲思准则如果把有效应力引入格里菲思破坏准则，用和替代原式中的 和 ,即 ， 时， 0，破坏； 0时，稳定裂隙方位角当时， ，裂隙方位角即： 时，破坏。 工程上应用的水力劈裂措施就是以这一理论为基本的。增大使，就会产生水力壁裂。如原始主应力,10MPa。则当MPa时，当时，就会发生劈裂。六、岩体强度分析1、均质岩体强度分析均质岩体重要是：完整岩体：岩块坚硬，且构造面不发育。软岩，构造不起主导作用这种岩体可用：莫尔库伦准则 霍克和布朗经验破坏准则进行稳定分析。l 莫尔库仑准则：有孔隙水压力时：主应力为负时，l 霍克和布朗经验破坏准则，极限状态；左项 右项， 破坏；左项 右项 , 稳定。m= 0 25，s=0 1。、节理岩体强度分析实际岩体均质的状况不多，大多数状况岩体为非持续介质，岩体的强度重要由构造面所决定。对于完整岩块，其剪切破裂面总是与大主应力面成角，当拉断时，破裂面与主应力面平行。对于有构造面存在时，多数状况下，沿构造面破裂，这时仍可用莫尔库伦强度准则来鉴定节理面上的稳定状况。，为节理面上的凝聚力和内摩擦角，为节理面上的正应力。为节理面的抗剪强度。当节理面上的剪应力不不小于等于 时，节理面处在稳定和极限状态：判断节理岩体稳定与否可用图解法和解析法： 1)图解法（见图）根据 1、3做应力圆，如果节理面线与节理强度线相交则破坏，反之，虽然应力圆已与强度线相交，但节理面的线却不与节理强度线相交，则节理面仍处在稳定状态。2) 解析法根据应力关系式：代入中，得到满足此式，表白节理处在稳定或极限平衡状态。运用上式可对节理岩体的稳定性进行简朴的判断。如，地下洞室、陡立边坡等的节理岩体稳定。如图所示为高边坡，岩体中节理的倾角为。讨论：时，上式左边为正，稳定时，则，稳定时，。当时，满足稳定规定，反之不稳定时，即节理面与均质岩体的破裂面一致通过推导可得：即在时，节理岩体稳定的条件。当岩体不稳定期，需要采用有效措施，如锚固、灌浆，对于边坡还可以减少，即减载（减轻上部岩不重量）。l 锚杆加固，需设计锚固力的大小，其原理如下：由 知：由于，,不稳定期有为使其不小于零，则需加水平应力，虽然得如果锚杆与水平夹角为则在y向已有分量，则上式中的y应为（）则一般求出后，再增长一种百分数，即不用求解此式也可。l 减载对于边坡，通过减轻上部荷载，即减少来增长稳定性。由于，为了使得 左式 右式则需减小 ，措施是减少上部岩体的重量，使 则有 根据 就可拟定挖除多大范畴的上部岩体。l 孔隙水压力当有孔隙水压力pw时，有：当左边项 0时，不稳定，解决措施：排水，灌浆防渗,减少pwl 固结固结灌浆可以增长节理面的抗剪强度，增大cj和因此，在边坡工程中，增长岩体稳定的常用措施有：锚固、减载、排水、防渗灌浆和固结灌浆。七、构造面方位对强度的影响构造面方位对岩体强度有很大影响，当构造面处在某种方位时，在某些应力条件下，破坏不沿构造面发生，而是仍在岩石材料内发生。如图所示：下面从理论上证明节理面方位对岩体强度的影响。仍由可推出：当固定期，上式为的函数，当满足上式，节理面稳定或极限状态，反之破坏。注意，上式为构造面破坏条件。那么，当岩体破坏时，是沿构造面破坏还是沿岩石材料内破坏呢，即为什么值时，是沿构造面破坏，还是在岩石内破坏。从上式看，当，时，或时，这阐明，当构造面与1平行或垂直以及等于时，1可以很大，而不会沿构造而破坏。 当时，不沿节理面破坏，而是沿岩石材料内部发生破裂面，其与主应力面夹角从图看出，对岩石强度的影响以及裂隙岩体强度的各向异性。当时，沿构造面发生破坏，将式对求，以拟定出使构造面破坏的最小应力值的角。可推出 即时，为最小，可知为最小。将代入，并令可推出：八、构造面粗糙度对强度的影响天然的构造面多为凹凸不平的面，在剪应力作用下滑动时，并不到处都平行于剪应力的方向。因此，构造面的粗糙度必然影响到构造面强度。1) 粗糙角i对于剪应力与构造面平行时当构造面与剪应力夹角为i时，则在构造面上帕顿（patton）把这个模型推广到锯齿状的构造面，当P较小时，构造面沿锯齿面滑动，遵循上式，当P较大时，滑动面沿锯齿面底破坏滑动。因此，构造面抗剪强度为剪胀角。l 低正应力时l 高正应力时式中与不同，为平面型的构造面内摩擦角，j为锯齿面内摩擦角。多种岩石构造面的基本摩擦角大多数为30左右。l 当有水压力时，则由式有：计算时，可先用,代入上式求得一种pw，再用，代入上式再求一种pw，从中取最小者。l 有关粗糙角i巴顿给出一经验公式。即 式中JRC节理粗糙度系数Rcj接近构造面的岩石单轴抗压强度，由于表面，此强度一般都低于完整岩石的单轴抗压强度。作业1：1 全面推导More-Coulomb理论推导（具体环节）：（1）.用大、小主应力s1，s3来表达More-Coulomb方程式？（2）.推导公式337， ？（3）.如何推导More-Coulomb的单轴抗压、抗拉强度公式？（4）.推导用tg(45o-j/2)表达s1，s3 ？（5）.如何证明a45oj/2 ？