岩石力学ppt课件第三章-岩体力学性质

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 岩体的力学特性?本章内容?3.1 概述?3.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 第三章 岩体的力学性质?第一节 概述?第二节 岩体 岩体=结构面（弱面）+结构体（岩石块体）结结构面构面：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 岩体=结构面（弱面）+结构体（岩石块体）结 3.2岩体结构的基本类型（地质学、复习、了解）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 构造结构面 断层 节理 劈理 3.3岩体中的结构面及自然特征 次生结构面 3.3.1结 3.3.2 结结构面的自然特征构面的自然特征 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）2.3.3.2结构面的自然特征 1.充填胶结特征 几何形态特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 3.空间分布特征 产状（即方位）及其变化 延展性 密集程?结结构面的构面的密集程度 设取样线长度为l，在l上 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?nK?Knld1?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?结构面的密集程度 设取样线长度为l，在l上 出现 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 bbaabaddmmKKK?coscos1121?niidKi1cos?ma:沿取样线节理平均间距;da:节理垂直间距；c.多组节理 两组节理的裂隙度计算图 b.两组节理 bbaabaddmmK（2）切割度 Xe：节理在岩体内的贯通程度。AaXe?niiaa1多处不连续切割叠加：多处不连续切割叠加：假设在岩体中取一平直断假设在岩体中取一平直断面，总截面积为面，总截面积为A，其中，其中被节理面切割的面积为被节理面切割的面积为a；则切割度为则切割度为（2）切割度 Xe：节理在岩体内的贯通程度。AaXe?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 Kn法向变形刚度 2maxn0nmaxn0n0nKKKK?Kn0结构面的初始刚度 趋势趋势：n ，Kn （Goodman,1974）3.4 结构面的力学性质 法向变形 切向变形 变形性质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 tnnnA)(m ax00?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;A,t回归参数，与结构面几何特征、岩石力学性质有关。0?Goodman方法：节理无抗拉强度 极限闭合量ma（二）节理的切向变形 通常有两种形式：A）粗糙粗糙（或非充填）结构面剪切变形曲线；B）平坦平坦（或有充填物）的结构面 区别及原因 ttK?见下页力学模型（二）节理的切向变形 通常有两种形式：A）粗糙（或非充填）结结构面的剪切变形: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 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（三）抗剪（三）抗剪强强度度?tgc?i 服从库仑准则服从库仑准则:（三）抗剪强度?tgc?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（Barton和choubey,1977)：?bnnJCSJRC?lgtan影响抗剪强度的三个基本因素：?法向力 n?粗糙度 粗糙度 JRC （目测）分维数 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、3.5 岩体的变形性质 法向变形特征 剪切变形特征 各向异(MPa)1(2?mmpDE1）承压板法 选具有代表性的试验地点选具有代表性的试验地点 清除浮石，平整岩面清除浮石，平整岩面 逐级一次循环法加压逐级一次循环法加压 岩体变形模量岩体变形模量Em和弹性模量和弹性模量Eme公式：公式：p承受板单位面积上的压力(MPa)；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(2emmepDE?(J.Boussineq)(MPa)1(2?mmpDE1）承压板法 选2）钻孔变形法 岩体的变形模量（Em）计算公式：UdpEmm)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，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。2）钻孔变形法 岩体的变形模量（Em）3）狭缝法：?21212sin2sin1tantan12?mmmplEp作用于槽壁上的压力（MPa）；?量测点A1、A2的相对位移值(cm)，?=y2-y1。m岩体的泊松比;3）狭缝法：?21212sin2sin12.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。2.法向变形曲线及特征：（1）直线型（弹性岩体）岩性均（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（二）剪切变形特征：峰前变形平均斜率小，破坏位移大；峰后强（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。（三）各向异性变形特征：（P101蔡）造成岩体变形各向异性 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0.51.5m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 3.6岩体的强度特性 3.6.1岩体强度的测定 （一（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：STP?sin?cosST?P、T垂直及横向千斤顶施加的荷载；S试体受剪截面积。（二）岩体抗剪强度的测定 双千斤顶法：1.正压力P和横推（三）岩体三（三）岩体三轴轴强强度度试验试验 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，在多节理岩体中尤为重要。试体（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 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）?tgc?2si n2131?2cos223131?3.6.2结构面的强度效应 一、单节理和多节理的力学 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?tgf?2sin122331fctgfc?31,2?31,?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?24512?ftg?fffc?23min3112?并令 得：当 可能结构面破坏 当 （岩石块体破坏 岩石岩石节节理同理同时时破坏，岩体破坏，岩体强强度等于岩度等于岩块块强强度度 2?1?2?1?岩岩块块先破坏，岩体先破坏，岩体强强度度等于岩块强度?或或?节节理先破坏，岩体理先破坏，岩体强强度小于岩度小于岩块块强强度度?或或 21?图解法:直接在图220量取；岩石节理同时破坏，岩体强度等于岩块强度 2?1?也可以由正弦定律推出：(见图220）sin/)cotsin2sin/)cotsin21211?mmmmcc?也可以由正弦定律推出：(见图220）sin/)cot（二）多节理的力学效应（叠加）两两组组以上的以上的节节理同理同样处样处理，只不理，只不过过岩体岩体总总 是沿一是沿一组组最有利破坏的最有利破坏的节节理首先破坏。理首先破坏。图321 两组节理力学模型 图320 1与的关系曲线 （二）多节理的力学效应（叠加）两组以上的节理同样处二、当二、当C=0 时节时节理面的力学效理面的力学效应应 这时库仑准则 用主应力表示上式，得：?tg?tgtg31?tgtg?13已知1,由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。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 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 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（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（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（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（三）力学作用：孔隙静水压力作用 孔隙动水压力作用 当多 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：Jd?d 动水压力，地下水容重，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：Jbd?2?b：裂隙的隙宽，d，J意义同上意义同上 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 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?钻孔总长度岩芯累计长度含以上cmcmRQDRQD 25 2550 5075 7590 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：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（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 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 。（三）岩体地质力学分类（CSIR分类,P56）CSIR分（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；Jn:节理组数；Jr:节理粗糙度系数；Ja:节理蚀变影响系数；Jw:节理水折减系数；SRF应力折减系数。SRFJJJJRQDQwarn?nJRQDarJJSRFJwBieniawski(1976)：44ln0.9?QRMR表3-10 岩体质量Q值分类表 Q值 001 0010.1 0 11.0 104.0 4010 1040 40100 100400 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。（四）巴顿岩体质量分类（Q类）：由挪威地质学家巴顿(Bar（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）国标工程岩体分级标准GB50218-94提出两步分级法 vcwKRBQ2503090?Rcw为岩体饱和单轴抗压强度（MPa）；Kv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?)(100321KKKBQBQ?K1：主要软弱结构面产状影响修正系数，表3-15 K2：地下水影响修正系数，表3-16 K3：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）：（五）岩体BQ分类 第一步：根据BQ初步分为5级（考虑了岩体 某岩块强度符合库仑准则，C=5 MPa,?=300。如果三轴应力状态下的?3=10 MPa 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，?=300。节理与水平倾角或为300（或450、或600、750、900），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？作作业业：某岩块强度符合库仑准则，C=5 MPa