常用的岩土和岩石物理力学参数

常用的岩土和岩石物理力学参数(E, v)与(K, G)的转换关系如下：)21(3v-=EK)1(2v+=EG (7.2)当v值接近0.5的时候不能盲目的使用公式3.5，因为计算的K值 将会非常的高，偏离实际值很多。最好是确定好K值(利用压缩试验或 者P波速度试验估计)，然后再用K和v来计算G值。表7.1和7.2分别给出了岩土体的一些典型弹性特性值。岩石的弹性(实验室值)(Goodman,1980 )表7.1干密度(kg/m 3)E(GPa) v K(GPa) G(GPa) 砂岩19.3 0.38 26.8 7.0粉质砂岩26.3 0.22 15.6 10.8石灰石2090 28.5 0.29 22.6 11.1页岩2210-257011.1 0.29 8.8 4.3大理石2700 55.8 0.25 37.2 22.3花岗岩73.8 0.22 43.9 30.2土的弹性特性值(实验室值)(Das,1980)表7.2干密度(kg/m 3)弹性模量E(MPa)泊松比v松散均质砂土 1470 10-26 0.2-0.4密质均质砂土 1840 34-69 0.3-0.45松散含角砾淤泥质 砂土 1630 密实含角砾淤泥质砂土 1940 0.2-0.4 硬质粘土 1730 6-14 0.2-0.5 软质粘土 1170-1490 2-3 0.15-0.25 黄土 1380 软质有机土 610-820冻土2150各向异性弹性特性作为各向异性弹性体的特殊情况，横切各 向同性弹性模型需要5中弹性常量：E 1, E 3, v12,v13和G 13;正交各向异性弹性模 型有 9 个弹性模量 E 1,E 2,E 3, v12,v13,v23,G 12,G 13和 G 23。这些 常量的定义见理论篇。均质的节理或是层状的岩石一般表现出横切各向同性弹性特性。 一些学者已经给出了用各向同性弹性特性参数、节理刚度和空间参数 来表示的弹性常数的公式。表 3.7 给出了各向异性岩石的一些典型的 特性值。横切各向同性弹性岩石的弹性常数（实验室）表7.3E x （GPa） E y （GPa） vyx vzx G xy （GPa） 砂岩43.0 40.0 0.28 0.17 17.0砂岩 15.7 9.6 0.28 0.21 5.2石灰石 39.8 36.0 0.18 0.25 14.5页岩 66.8 49.5 0.17 0.21 25.3 大理石 68.6 50.2 0.06 0.22 26.6 花岗岩 10.7 5.2 0.20 0.41 1.2流体弹性特性用于地下水分析的模型涉及到不可压缩的土粒 时用到水的体积模量 K f ，如果土粒是可压缩的，则要用到比奥模量 M。纯净水在室温情况下的K f值是2 Gpa。其取值依赖于分析的目 的。分析稳态流动或是求初始孔隙压力的分布状态（见理论篇第三章 流体-固体相互作用分析），则尽量要用比较低的 K f ，不用折减。这 是由于对于大的K f流动时间步长很小，并且，力学收敛性也较差。在 FLAC 3D中用到的流动时间步长？廿与孔隙度n，渗透系数k以及K f 有如下关系：If f k K nt oc（7.3） 对于可变形流体（多数课本中都是将流体设定为不可压缩的）我们可以通过获得的固结系数vC来决定改变K f的结果。fK n m k C +vv （7.4）其中3/4G K 1m +=vf k k y=其中，k FLAC 3D 使用的渗透系数k 渗透系数，单位和速度单位一样（如米/秒）f Y水的 单位重量考虑到固结时间常量与vC成比例，我么可以将K f的值从其实际 值（Pa 9102?）减少，利用上面得表达式看看其产生的误差。 流动体积模量还会影响无流动但是有空隙压力产生的模型的收敛 速率（见1.7节流动与力学的相互作用）。如果K f是一个通过比较机 械模型得到的值，则由于机械变形将会产生孔隙压力。如果K f远比k 大，则压缩过程就慢，但是一般有可能K f对其影响很小。例如在土体 中，孔隙水中还会包含一些尚未溶解的空气，从而明显的使体积模量 减小。在无流动情况下，饱和体积模量为：nK K K fu += （7.5） 不排水的泊松比为：）G 3K (22G3K u u u +-=v (7.6)这些值应该和排水常量k和v作比较，来估计压缩的效果。重要 的是，在FLAC 3D中，排水特性是用在机械连接的流变计算中的。对于可压缩颗粒， 比奥模量对压缩模型的影响比例与流动。7.3固有的强度特性在 FLAC 3D 中，描述材料破坏的基本准则是摩尔-库仑准则，这 一准则把剪切破坏面看作直线破坏面：s 13N 2c N f 甲甲oo=-+ ( 7.7 )其中)sin 1/()sin 1(N 甲甲甲-+二1a最大主应力(压缩应力为负);3o最小主应力申摩擦角c 粘聚力当Of s 时进入剪切屈服。这里的两个强度常数申和c是由实验 室的三轴实验获得的。当主应力变为拉力时，摩尔-库仑准则就将失去 其物理意义。简单情况下，当表面的在拉应力区域发展到3a等于单轴 抗拉强度的点时，ta ，这个次主应力不会达到拉伸强度例如；t 3t f aa-= (7.8)当Of t 时进入拉伸屈服。岩石和混凝土的抗拉强度通常有由西实 验获得。注意，抗拉强度不能超过 a3, 这是和摩尔-库仑关系的顶点的 限制是一致的。最大的值由下式给出atan ct max =(7.9) 表7.4列出了一系列具有代表性的典型的岩石标本的粘聚 力、摩擦角和抗拉强度值。土体的具有代表性的典型粘聚力和摩擦角 的具有代表性的典型值见表7.5。土体强度用无侧限抗压强度u q表示，u q与粘聚力C和摩擦角申的关系由下式确定/2）2ctan（45q u 甲+二（7.10 ）岩石的强度特性值（实验室测定）表7.4摩擦角（度）粘聚力（MPa）抗拉强度（MPa）沙岩 27.8 27.2 1.17 粉质岩 32.1 34.7 - 泥质页岩 14.4 34.8 - 硅岩 42.0 70.6 -石灰石42.06.72 1.58山脉花岗岩51.0 55.1 -测试场地玄武岩31 .0 66.2 13.1 土体的强度特性值（排水实验测定）表7.5粘聚力（kpa ）摩擦角的最大值（度）摩擦角的残留值（度）沙砾- 34 32无细沙的沙性砂砾- 35 32粘性良好的沙性砂砾 1.0 35 32 较细的砂砾和沙的混合体 3.0 28 22 细沙粒- 32 30 粗沙粒- 34 30 级配良好的沙粒- 33 32 低塑性泥沙 2.0 28 25 中-高塑性泥沙 3.0 25 22 低塑性粘土 6.0 24 20 中塑性粘土8.0 20 10 高塑性粘土 10.0 17 6有机淤泥或粘土7.0 20 15岩石物理力学性质一览表岩石物理力学性质各项指标土类岩石密度（g/cm3）液限塑限塑性指数变形模量（MPa）孔隙比%抗拉强度内聚力C摩擦角备注碎石（堆积）类土2.652.7土粒密度2040 0.40.6一般假定6（yowyo 10*0 （S 碑土） 6W0乙（皋 干壽） 上&o（yo 靱 粤歸匚藩M（edlAISOl） 書辭毎糜爰榊却讎馴H s/6）01/9 01?0乙%网昱9乙8 9005000 舌餾一0W0 （書證）乙T1z QL 09T 労乙 S0ZWT 干斗壽 92-01%家*昱（结）込丑 （#）O0T（yO （结）900（/0 舌餾一TWOWTM 18 0乙肛乙91飞土干葉干里 乙1?9 0舌剖翔一（粘土岩）231530（粘土岩）页岩 2.32.620.410.0 0.53.2 0.240.74 1620 10100 210 320 1530泥板岩 2.32.8 0.10.5 0.10.3 0.390.52 123199（干板岩）粉砂岩1032 0.071.7 2959 石英砂岩2.62.715458 68102.5 1.93.0 13（寒武）54（震旦）7582.5（似内摩擦 角）摩擦系数0.54（寒武）0.49（震旦）砂岩 2.22.711.628.0 0.29.0 0.650.97 1741 20200 425 840 3550砾岩 2.402.66 0.810.0 0.32.4 0.500.96 6.716.2（新鲜岩体）10150 215 850 3550泥灰岩 2.32.7 1.010.0 0.53.0 0.440.54 1.32.6（新 鲜岩体）3.5204060買)690ms.oCN0 0 曹CN0.0 06CN69Z 01、9OS 0CN SCNH 0SCN08 宗卜 9 0.0 oLnCNm.o 卜 Z CNWIWB OS ot 0CNs 00CNOS 6m sm 寸 6.0 卜.0 S 寸.寸0CNS 0.91LH.CNW戾(址W 8*)帀(址W1)宗.0CN.寸8.CN 寸.-cm.o卜 6.0 CN卜.0 0.寸-To 0.寸s.o 8.CNm.CN舉程 09 OS OS om osm3 0卜S9 960寸60SL0卜000 8.CN寸.CN犯竦口迪離)6.寸0.寸0.CN0寸-C。卜卜96寸0.200.90卜.CN9.CNW509 S寸 0CNCNH卜 00CN09(址W苗務)oLnm.o 0 PWS 寸.0 sH.CNW坚S9 90 0CN丄 01 丄 001 01(艰專Q ) 01 96.0 卜 9.0 8.1 SO9.寸.0 艰*S9 90 0CN丄 0-C -c 00T-I0tCN卜寸寸3037 100250 725 1450 4560闪长岩 2.522.96 0.25.0 0.35.0 0.60.8 1.58.5（具裂隙岩体）100250 1025 1050 5355辉长岩 2.552.980.34.0 0.54.0 180300 1536 1050 5055 流 纹 岩 2.53.3 180300 1530 1050 4560 安山岩 2.32.7 1.14.5 0.34.5 0.810.91 8.312.0（具裂隙岩体）100250 1020 1040 4550 玄武岩 2.53.1 0.57.2 0.32.8 0.30.95 83 180300 1536 1050 5055 注：未注明为 岩体的数据，均为岩石试验数据。7 / 101 唐大雄刘佑荣张文殊王清工程岩土学（第二版）地质出版社 1998北京2 重庆建筑工程学院同济大学岩体力学中国建筑工业出版社 1981.10北京3 工程地质手册编写委员会工程地质手册（第三版）中国建筑工 业出版社 1992.1 2北京4 李先炜岩体力学性质煤炭工业出版社泊松比范围为 00.5，不会大于 0.5。砂岩泊松比 0.22 左右，煤 岩0.3左右。一般岩石弹性模量量级为10,单位Pa。煤岩弹性模量量 级为9，Pa。在岩石的弹性工作范围内，M-般为常数，但超越弹性范围以后， M随应力的增大而增大，直到p=0.5为止。岩石种类E（10的4次方MPa）M闪长岩 10.1021 11.7565 0.26 0.37细粒花岗岩8.12018.2065 0.240.29斜长花岗岩6.10877.3984 0.190.22斑状花岗岩5.49385.7537 0.130.23花岗闪长岩5.56055.8302 0.200.23石英砂岩 5.3105 5.8685 0.12 0.14片麻花岗岩5.08005.4164 0.160.18正长岩 4.8387 5.3104 0.18 0.26片岩 4.3298 7.0129 0.12 0.25玄武岩 4.1366 9.6206 0.23 0.32安山岩 3.8482 7.6965 0.21 0.32绢云母页岩 3.3677 -花岗岩 2.9823 6.1087 0.17 0.36细砂岩 2.7900 4.7622 0.15 0.25中砂岩 2.5782 4.0308 0.10 0.22中灰岩 2.4056 3.8296 0.18 0.35石英岩 1.7946 6.9374 0.12 0.27板状页岩1.73192.1163 -粗砂岩 1.66424.03060.100.45片麻岩 1.4043 5.51250.200.34页岩 1.25034.1179 0.090.35大理岩 0.9627.48270.060.35炭质砂岩 0.54822.07810.08 0.25泥灰岩 0.36580.73160.30 0.40石膏0.11570.7698 0.3土的泊松比土的种类和状态泊松比碎石土0.15-0.20砂土0.20-0.25粉土0.25粉质粘土坚硬状态0.25可塑状态0.3软塑或流动0.3 5粘土坚硬状态0.25可塑状态0.3 5软塑或流动0.42但是应该注意，土的泊松是很难精确得到的，以上只是近似值。 地基与基础（顾晓鲁等主编，中国建工，1993，第二版）142 面：