第四章 巖體的力學性質(zhì)

1、2021-12-15巖體力學1n4.1 概述n4.2 巖體的變形性質(zhì)巖體的變形性質(zhì) n4.3 巖體的強度性質(zhì)巖體的強度性質(zhì)n4.4 巖體的動力學性質(zhì)巖體的動力學性質(zhì) n4.5 巖體的水力學性質(zhì)巖體的水力學性質(zhì)2021-12-15巖體力學24.2 巖體的變形性質(zhì)巖體的變形性質(zhì) 一、巖體變形試驗及其變形參數(shù)確定二、巖體變形參數(shù)估算 三、巖體變形曲線類型及其特征 四、影響巖體變形性質(zhì)的因素在受力條件改變時巖體的變形是巖塊變形和結(jié)構(gòu)變形的總和，而結(jié)構(gòu)變形通常包括結(jié)構(gòu)面閉合、充填物的壓密及結(jié)構(gòu)體轉(zhuǎn)動和滑動等變形。 從巖體的定義：巖塊+結(jié)構(gòu)面=巖體巖體變形=巖塊變形+結(jié)構(gòu)面閉合+充填物壓縮+其他變形在一般

2、情況下，巖體的結(jié)構(gòu)變形起著控制作用。2021-12-15巖體力學3一、巖體變形試驗及其變形參數(shù)確定承壓板法狹縫法鉆孔變形法水壓洞室法單(雙)軸壓縮試驗法聲波法地震波法原位巖體變形試驗靜力法動力法2021-12-15巖體力學4n靜力法的基本原理：在選定的巖體表面、槽壁或鉆孔壁面上施加法向荷載，并測定其巖體的變形值；然后繪制出壓力-變形關(guān)系曲線，計算出巖體的變形參數(shù)。n動力法的基本原理：用人工方法對巖體發(fā)射(或激發(fā))彈性波(聲波或地震波)，并測定其在巖體中的傳播速度，然后根據(jù)波動理論求巖體的變形參數(shù)。2021-12-15巖體力學51、承壓板法、承壓板法 剛性承壓板法柔性承壓板法2021-12-15

3、巖體力學6emmemmWpDEWpDE)1 ()1 (22是與承壓板形狀與剛度有關(guān)的系數(shù)。對于圓形板0.785；對于方形板0.886 2021-12-15巖體力學72、鉆孔變形法、鉆孔變形法 UdpEmm)1 (優(yōu)點：對巖體擾動小；可以在地下水位以下和相當深的部位進行；試驗方向基本上不受限制，而且試驗壓力可以達到很大；在一次試驗中可以同時量測幾個方向的變形，便于研究巖體的各向異性。缺點：試驗涉及的巖體體積小，代表性受到局限。 2021-12-15巖體力學83、狹縫法、狹縫法 )2sin2)(sin1 ( )(1(22121mmRmtgtgWplE2021-12-15巖體力學9常見巖體的彈性模量

4、和變形模量 2021-12-15巖體力學10幾種巖體用不同試驗方法測定的彈性模量巖體的變形模量比巖塊的小，而且受結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度及風化程度等因素影響十分明顯。不同地質(zhì)條件下的同一巖體，其變形模量相差較大。試驗方法不同、壓力大小不同，巖體變形模量不同。2021-12-15巖體力學11二、巖體變形參數(shù)估算n一是在現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，建立適當?shù)膸r體地質(zhì)力學模型，利用室內(nèi)小試件試驗資料來估算。n二是在巖體質(zhì)量評價和大量試驗資料的基礎(chǔ)上，建立巖體分類指標與變形參數(shù)之間的經(jīng)驗關(guān)系，并用于變形參數(shù)估算。 2021-12-15巖體力學121、層狀巖體變形參數(shù)估算、層狀巖體變形參數(shù)估算 層狀巖體的地質(zhì)力學模型層

5、狀巖體的地質(zhì)力學模型n假設(shè)各巖層厚度相等為S，且性質(zhì)相同。n層面的張開度可忽略不計n假設(shè)巖塊的變形參數(shù)為E，和G，層面的變形參數(shù)為Kn，Ks。n取n-t坐標系，n垂直層面，t平行層面。n由巖塊和層面組成單元體。2021-12-15巖體力學13（1）法向應(yīng)力n作用下的巖體變形參數(shù) 1)沿n方向加荷 SEKSEKSEmnnnnnnnn VVVVVjrnjr巖體法向變形層面法向變形巖塊法向變形EESKEEmnntnmn 1112)沿t方向加荷tnmtEE 2021-12-15巖體力學14(2)剪應(yīng)力作用下的巖體變形參數(shù) SGKSGKSGmtss uuuuurjr巖體剪切變形層面剪切變形巖塊剪切變形G

6、SKGsmt1112021-12-15巖體力學152、裂隙巖體變形參數(shù)的估算、裂隙巖體變形參數(shù)的估算 （1）用RMR值估算巖體變形模量（2）用Q值估算縱波速度和巖體平均變形模量)55( 10)55( 10024010RMRERMRRMRERMRmm1)(Q 4035003500lg1000mpmeanmpvEQv2021-12-15巖體力學16三、巖體變形曲線類型及其特征 1、法向變形曲線、法向變形曲線n直線型 n上凹型 n上凸型 n復合型 2021-12-15巖體力學17直線型n通過原點的直線，其方程為pf(W)KWn加壓過程中W隨p成正比增加n巖體巖性均勻、結(jié)構(gòu)面不發(fā)育或結(jié)構(gòu)面分布均勻巖體

7、剛度大，不易變形，巖體較堅硬、完整、致密均勻、少裂隙，以彈性變形為主，接近于均質(zhì)彈性體。 巖體剛度低、易變形，由多組結(jié)構(gòu)面切割且分布較均勻或巖性較軟弱且均質(zhì)或平行層面加壓。有明顯的塑性變形和回滯環(huán)，非彈性變形。 陡直線型緩直線型2021-12-15巖體力學18上凹型n曲線方程為pf(W)，dp/dW隨p增大而遞增，dp/dW0n層狀及節(jié)理巖體多呈這類曲線 巖體剛度隨循環(huán)次數(shù)增加而增大，彈性變形成分較大。多為垂直層面加壓的較堅硬層狀巖體。卸壓曲線較陡，變形大部分為塑性變形。多為存在軟弱夾層的層狀巖體及裂隙巖體或垂直層面加壓的層狀巖體。 第二種情況第一種情況2021-12-15巖體力學19上凸型n

8、曲線方程為pf(W)，dp/dW隨p增加而遞減，d2p/dW20。n結(jié)構(gòu)面發(fā)育且有泥質(zhì)充填的巖體、較深處埋藏有軟弱夾層或巖性軟弱的巖體常呈這類曲線。復合型p-W曲線呈階梯或“S”型。結(jié)構(gòu)面發(fā)育不均或巖性不均勻的巖體，常呈此類曲線。2021-12-15巖體力學202、剪切變形曲線、剪切變形曲線n峰值前曲線平均斜率小，破壞位移大；峰值后應(yīng)力降很小或不變。多為沿軟弱結(jié)構(gòu)面剪切。n峰值前曲線平均斜率較大，峰值強度較高。峰值后應(yīng)力降較大。多為沿粗糙結(jié)構(gòu)面、軟弱巖體及劇風化巖體剪切。n峰值前曲線斜率大，線性段和非線性段明顯，峰值強度高，破壞位移小。峰值后應(yīng)力降大，殘余強度較低。多為剪斷堅硬巖體。2021-

9、12-15巖體力學21 四、影響巖體變形性質(zhì)的因素 影響因素：巖性、結(jié)構(gòu)面特征、風化程度、試驗方法、試件尺寸、加荷條件、溫度、濕度等。n結(jié)構(gòu)面密度n結(jié)構(gòu)面的張開度及充填特征2021-12-15巖體力學22結(jié)構(gòu)面方位2021-12-15巖體力學234.3 巖體的強度性質(zhì)巖體的強度性質(zhì)一、巖體的剪切強度 二、裂隙巖體的壓縮強度 三、裂隙巖體強度的經(jīng)驗估算巖體強度是指巖體抵抗外力破壞的能力巖體強度是指巖體抵抗外力破壞的能力。巖體的強度既不同于巖塊的強度，也不同于結(jié)構(gòu)面的強度，一般情況下，其強度介于巖塊與結(jié)構(gòu)面強度之間。巖體和巖塊一樣，巖體強度也有抗壓強度、抗拉強度和剪切強度之分。2021-12-15

10、巖體力學24一、巖體的剪切強度 n巖體的剪切強度是指巖體內(nèi)任一方向剪切面，在法向應(yīng)力作用下所能抵抗的最大剪應(yīng)力。n剪切強度分為抗剪斷強度、抗剪強度和抗切強度。 n抗剪斷強度是指在任一法向應(yīng)力下，橫切結(jié)構(gòu)面剪切破壞時巖體能抵抗的最大剪應(yīng)力。n抗剪強度是指在任一法向應(yīng)力下，巖體沿已有破裂面剪切破壞時的最大應(yīng)力。n抗切強度是指剪切面上的法向應(yīng)力為零時的抗剪斷強度。2021-12-15巖體力學251、原位巖體剪切試驗及其強度參數(shù)確定、原位巖體剪切試驗及其強度參數(shù)確定雙千斤頂法直剪試驗 2021-12-15巖體力學262021-12-15巖體力學27n巖體剪應(yīng)力()-剪位移(u)曲線及法向應(yīng)力()-法向

11、變形(W)曲線。n剪切強度曲線及巖體剪切強度參數(shù)Cm，m值 2021-12-15巖體力學28各類巖體的剪切強度參數(shù)表巖體內(nèi)摩擦角與巖塊較接近，而內(nèi)聚力則大大低于巖塊。說明結(jié)構(gòu)面的存在主要是降低了巖體的連結(jié)能力，進而降低其內(nèi)聚力。 2021-12-15巖體力學292、巖體的剪切強度特征、巖體的剪切強度特征n巖體的剪切強度是具有上限和下限的值域，其強度包絡(luò)線也是有上限和下限的曲線族。上限是巖體的剪斷強度,下限是結(jié)構(gòu)面的抗剪強度。n應(yīng)力較低時，強度變化范圍較大，隨著應(yīng)力增大，范圍逐漸變小。n應(yīng)力高到一定程度時，包絡(luò)線變?yōu)橐粭l曲線，巖體強度將不受結(jié)構(gòu)面影響而趨于各向同性體。沿結(jié)構(gòu)面剪切(重剪破壞)時，

12、巖體剪切強度最低，等于結(jié)構(gòu) 面的抗剪強度。橫切結(jié)構(gòu)面剪切(剪斷破壞)時，巖體剪切強度最高。沿復合剪切面剪切(復合破壞)時，其強度介于以上兩者之間。2021-12-15巖體力學30堅硬巖石的強度曲線軟弱巖石的強度曲線2021-12-15巖體力學31二、裂隙巖體的壓縮強度 n巖體的壓縮強度分為單軸抗壓強度和三軸壓縮強度。n在生產(chǎn)實際中，通常是采用原位單軸壓縮和三軸壓縮試驗來確定。 單軸壓縮三軸壓縮2021-12-15巖體力學32單結(jié)構(gòu)面理論jjfCtg強度判據(jù)2sin22cos223131312sin)1 ()(2331ctgtgtgCjjj2021-12-15巖體力學33n巖體的強度(13)隨結(jié)

13、構(gòu)面傾角的變化而變化。n當j或90時，巖體不可能沿結(jié)構(gòu)面破壞，而只能產(chǎn)生剪斷巖體破壞。n只有當12時，巖體才能沿結(jié)構(gòu)面破壞。 2sin)1 ()(2331ctgtgtgCjjj123131190sin)2(arcsin212jjjjjctgC單結(jié)構(gòu)面理論2021-12-15巖體力學34單結(jié)構(gòu)面理論n當45j2時，巖體強度取得最低值 2sin)1 ()(2331ctgtgtgCjjj2sin)1 (2ctgtgCjjmc3=0 2sin)1 ()(2331ctgtgtgCjjjmjjjjtgtgtgC23min311)(22021-12-15巖體力學35單結(jié)構(gòu)面理論n含多組結(jié)構(gòu)面，且假定各組結(jié)構(gòu)

14、面具有相同的性質(zhì)時，可分步運用單結(jié)構(gòu)面理論確定巖體強度包線及巖體強度。n隨結(jié)構(gòu)面組數(shù)的增加，巖體的強度趨向于各向同性，并被大大削弱，且多沿復合結(jié)構(gòu)面破壞。 n含四組以上結(jié)構(gòu)面巖體的強度可按各向同性考慮。n當3接近于mc時，可視為各向同性體。 2021-12-15巖體力學36三、裂隙巖體強度的經(jīng)驗估算 Hoek-Brown的經(jīng)驗方程m、S、A、B、T為與巖性及結(jié)構(gòu)面情況有關(guān)的常數(shù)，根據(jù)巖體性質(zhì)查表確定。 2331ccSmcmcS242Smmcmt11)()(BcmBcBccmTABarctgTABTACBccTA)(2021-12-15巖體力學37巖巖體體質(zhì)質(zhì)量量和和經(jīng)經(jīng)驗驗常常數(shù)數(shù)之之間間關(guān)關(guān)

15、系系表表2021-12-15巖體力學384.4 巖體的動力學性質(zhì)巖體的動力學性質(zhì)一、巖體中彈性波的傳播規(guī)律 二、巖體中彈性波速度的測定 三、巖體的動力變形與強度參數(shù)巖體的動力學性質(zhì)是巖體在動荷載作用下所表現(xiàn)出來的性質(zhì)，包括巖體中彈性波的傳播規(guī)律及巖體動力變形與強度性質(zhì)。 2021-12-15巖體力學39一、巖體中彈性波的傳播規(guī)律n彈性波在介質(zhì)中的傳播速度僅與介質(zhì)密度及其動力變形參數(shù)Ed，d有關(guān)。因此可以通過測定巖體中的彈性波速來確定巖體的動力變形參數(shù)。 巖體受到振動、沖擊或爆破應(yīng)力波塑性波和沖擊波彈性波面波體波縱波(P波)橫波(S波)瑞利波(R波)勒夫波(Q波)壓縮波剪切波 )1 (2 )21

16、)(1 ()1 (ddsddddpEvEv2021-12-15巖體力學40影響彈性波在巖體中的傳播速度的因素 n不同巖性巖體中彈性波速度不同，巖體愈致密堅硬，波速愈大，反之，則愈小。n沿結(jié)構(gòu)面?zhèn)鞑サ乃俣却笥诖怪苯Y(jié)構(gòu)面?zhèn)鞑サ乃俣取?n在壓應(yīng)力作用下，波速隨應(yīng)力增加而增加，波幅衰減少；反之，在拉應(yīng)力作用下，則波速降低，衰減增大。n隨巖體中含水量的增加導致彈性波速增加。n巖體處于正溫時，波速隨溫度增高而降低，處于負溫時則相反。 2021-12-15巖體力學41二、巖體中彈性波速度的測定n地震法n聲波法 22smspmptDvtDv選擇代表性測線，布置測點和安裝聲波儀發(fā)生正弦脈沖，向巖體內(nèi)發(fā)射聲波 記

17、錄縱、橫波在巖體中傳播的時間 2021-12-15巖體力學42常見巖石的縱、橫波速度值2021-12-15巖體力學43常見巖體不同結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況下的縱波速度值 2021-12-15巖體力學44三、巖體的動力變形與強度參數(shù)1、動力變形參數(shù)、動力變形參數(shù)n動力變形參數(shù)有：動彈性模量和動泊松比及動剪 切模量?？赏ㄟ^聲波測試確定。n優(yōu)點：不擾動被測巖體的天然結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)； 測定方法簡便，省時省力； 能在巖體中各個部位廣泛進行。n計算公式：2222222)1 (2 )(22)1 (21)21)(1 (msdddmsmpmsmpddmsdddmpdvEGvvvvvvE2021-12-15巖體力學45常見

18、巖體動彈性模量和動泊松比參考值 2021-12-15巖體力學46幾種巖體動、靜彈性模量比較表2021-12-15巖體力學47n巖體與巖塊的動彈性模量都普遍大于靜彈性模量 n堅硬完整巖體Ed/Eme約為1.22.0n風化、裂隙發(fā)育的巖體和軟弱巖體Ed/Eme約為1.510.0左右，大者可超過20.0 n原因： 靜力法采用的最大應(yīng)力大部分在1.010.0MPa，少數(shù)則更大，變形量常以mm計，而動力法的作用應(yīng)力約為104MPa量級，引起的變形量很微小。因此靜力法會測得較大的不可逆變形，而動力法則測不到這種變形。 靜力法持續(xù)的時間較長。 靜力法擾動了巖體的天然結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)。 動彈性模量與靜彈性模量的

19、關(guān)系2021-12-15巖體力學48用動彈性模量換算靜彈性模量 dmejEE利用巖塊與巖體的縱波速度計算巖體完整性系數(shù)Kv2rpmpVvvK2021-12-15巖體力學492、動力強度參數(shù)、動力強度參數(shù) n靜態(tài)加載、準靜態(tài)加載：應(yīng)變率104s-1 動態(tài)加載下巖石的強度比靜態(tài)加載時的強度高。沖擊荷載下巖石的動抗壓強度約為靜抗壓強度的1.22.0倍。原因：這實際上是一個時間效應(yīng)問題，在加載速率緩慢時，巖石中的塑性變形得以充分發(fā)展，反映出強度較低；反之，在動態(tài)加載下，塑性變形來不及發(fā)展，則反映出較高的強度。特別是在爆破等沖擊荷載作用下，巖體強度提高尤為明顯。2021-12-15巖體力學50巖石在不同

20、荷載速率下的強度值crpmpmvvR3利用巖塊與巖體的縱波速度計算巖體強度2021-12-15巖體力學514.5 巖體的水力學性質(zhì)巖體的水力學性質(zhì)n瑪 爾 帕 塞 拱 壩 潰 壩巖體水力學性質(zhì)是指巖體水力學性質(zhì)是指巖體與水共同作用巖體與水共同作用所表現(xiàn)出來的力學性質(zhì)。所表現(xiàn)出來的力學性質(zhì)。 水在巖體中的作用：水在巖體中的作用：1.1.水對巖石水對巖石的的物理化學作用物理化學作用； 2.2.水水與巖體（或與巖體（或應(yīng)力應(yīng)力）相互耦合作用下的）相互耦合作用下的力學效應(yīng)力學效應(yīng)。2021-12-15巖體力學52一、單個結(jié)構(gòu)面的水力特征 二、裂隙巖體的水力特征 三、應(yīng)力對巖體滲透性能的影響四、滲流應(yīng)力

21、研究模型： 1.用等效連續(xù)介質(zhì)模型來研究，認為裂隙巖體是由空隙性差而導水性強的結(jié)構(gòu)面系統(tǒng)和導水性弱的巖塊孔隙系統(tǒng)構(gòu)成的雙重連續(xù)介質(zhì)； 2. 把巖體看成為單純的按幾何規(guī)律分布的裂隙介質(zhì)，用裂隙水力學參數(shù)或幾何參數(shù)來表征裂隙巖體的滲透空間結(jié)構(gòu)。2021-12-15巖體力學53一、單個結(jié)構(gòu)面的水力特征1、平直光滑無充填貫通結(jié)構(gòu)面、平直光滑無充填貫通結(jié)構(gòu)面 假設(shè)如圖，有微分方程xpy牛頓粘滯定律yux平均流速xpyeux122xhJghpw JKJgeufwx122122geKf221xupyx邊界條件0, 02, 0yyueyuxx222418eyxpeux2021-12-15巖體力學542、非平直

22、光滑無充填貫通結(jié)構(gòu)面、非平直光滑無充填貫通結(jié)構(gòu)面 5 . 12228 . 8112ehccgeKKfK2為結(jié)構(gòu)面的面連續(xù)性系數(shù)c為結(jié)構(gòu)面的相對粗糙修正系數(shù) h為結(jié)構(gòu)面起伏差 為水的運動粘滯系數(shù)（cm2/s），w2021-12-15巖體力學55二、裂隙巖體的水力特征1、含一組結(jié)構(gòu)面巖體、含一組結(jié)構(gòu)面巖體的滲透性能的滲透性能 n設(shè)結(jié)構(gòu)面的張開度為e，間距為S，滲透系數(shù)為Kf；巖塊的滲透系數(shù)為Km。 mfKKSeKScgeKKSeKf1232fmKK2021-12-15巖體力學562、含多組結(jié)構(gòu)面巖體的滲透性能、含多組結(jié)構(gòu)面巖體的滲透性能 n根據(jù)結(jié)構(gòu)面發(fā)育的隨機性，借助計算機搜索出一定范圍內(nèi)的連通結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)圖，在此基礎(chǔ)上，進一步計算巖體的滲透張量。 2021-12-15巖體力學573、巖體滲透系數(shù)的測試、巖體滲透系數(shù)的測試 n抽水試驗 n壓水試驗n巖體單位吸水量是指單位試驗壓力下、單位長度試段在單位時間內(nèi)的巖體的吸水量。LpQW 0lg525. 0raLWK 當試驗段底與下部隔水層的距離大于試驗段長度