巖石力學(xué)課程4ppt課件

1、4.1.1 巖石變形的概念巖石變形的概念 指多種地質(zhì)力學(xué)環(huán)境因素和工程荷載共同作用巖指多種地質(zhì)力學(xué)環(huán)境因素和工程荷載共同作用巖石形狀與大小發(fā)生變化。石形狀與大小發(fā)生變化。 河谷下切、地應(yīng)力釋放、工程開挖等河谷下切、地應(yīng)力釋放、工程開挖等; ; 水庫蓄水、隧洞充水的水荷載等；水庫蓄水、隧洞充水的水荷載等；巖石錨固、支擋建筑物等的變形等巖石錨固、支擋建筑物等的變形等4.1.2 巖石的變形穩(wěn)定巖石的變形穩(wěn)定4.1.2 巖石的變形穩(wěn)定巖石的變形穩(wěn)定空間殼體空間殼體將上游水載傳遞給壩肩巖將上游水載傳遞給壩肩巖體，而壩肩巖體的變形體，而壩肩巖體的變形 另一方面：庫水放空另一方面：庫水放空 壩體回彈大），巖

2、體回彈?。误w回彈大），巖體回彈?。ú睿ú?異）異） 拱端接觸面拱端接觸面“脫開脫開” 開裂，如錦屏一級(jí)拱開裂，如錦屏一級(jí)拱壩。壩。 一方面：要影響壩體的變形、應(yīng)力一方面：要影響壩體的變形、應(yīng)力; ;重力壩重力壩右江右江 h=130mq庫空庫空 是否向上游傾斜是否向上游傾斜研究巖體研究巖體q 變形的重要性變形的重要性q蓄水蓄水 壩基不均勻變形影響壩基不均勻變形影響4.1.2 巖石的變形穩(wěn)定巖石的變形穩(wěn)定 不均勻變形造成壩體內(nèi)剪應(yīng)力及主不均勻變形造成壩體內(nèi)剪應(yīng)力及主拉應(yīng)力增長，造成開裂錯(cuò)位等不良后拉應(yīng)力增長，造成開裂錯(cuò)位等不良后果。果。彈性變形彈性變形塑性變形塑性變形蠕蠕 變變巖石在外力作用下

3、發(fā)生變形，當(dāng)外力取消后又巖石在外力作用下發(fā)生變形，當(dāng)外力取消后又完全恢復(fù)到變形前的狀態(tài)。完全恢復(fù)到變形前的狀態(tài)。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到或超過屈服點(diǎn)后會(huì)造成巖石永久應(yīng)當(dāng)應(yīng)力達(dá)到或超過屈服點(diǎn)后會(huì)造成巖石永久應(yīng)變的變形叫做塑性變形荷載卸去后，變形不變的變形叫做塑性變形荷載卸去后，變形不能全部恢復(fù)，殘留一部分永久變形）。能全部恢復(fù)，殘留一部分永久變形）。 荷載應(yīng)力一定的情況下，巖石變形隨荷載應(yīng)力一定的情況下，巖石變形隨時(shí)間時(shí)間t增加而增加。增加而增加。4.1.2 巖石的變形類型巖石的變形類型4.1.3 線彈性變形的本構(gòu)關(guān)系線彈性變形的本構(gòu)關(guān)系ZXYZXYZYXZXYZXYZYXEEEEEEEEEEEE120000

4、001200000012000000100010001關(guān)系 巖石的變形巖石的變形特性通常用特性通常用E和和u兩個(gè)常數(shù)兩個(gè)常數(shù)來表示，當(dāng)來表示，當(dāng)E和和u已知時(shí)，已知時(shí)，可計(jì)算給定應(yīng)可計(jì)算給定應(yīng)力狀態(tài)下的變力狀態(tài)下的變形。形。三維應(yīng)力條件下的三維應(yīng)力條件下的Hook定律定律（三維）4.1.3 線彈性變形的本構(gòu)關(guān)系線彈性變形的本構(gòu)關(guān)系ZXYZXYZYXZXYZXYZYXGGGGGG000000000000000000200020002關(guān)系如果已知變形，如果已知變形，也可用下式計(jì)算也可用下式計(jì)算應(yīng)力，其中：應(yīng)力，其中：K為體積模量；為體積模量；G稱為剪切模量，稱為剪切模量，稱為拉梅常數(shù)。稱為拉梅常數(shù)

5、。12EG211E213 EK 一般采用室內(nèi)試驗(yàn)或現(xiàn)場試驗(yàn)，靜力試驗(yàn)一般采用室內(nèi)試驗(yàn)或現(xiàn)場試驗(yàn)，靜力試驗(yàn)或動(dòng)力試驗(yàn)來獲取巖石變形指標(biāo)及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)或動(dòng)力試驗(yàn)來獲取巖石變形指標(biāo)及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。系。 室內(nèi)試驗(yàn)一般有單軸壓縮試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)室內(nèi)試驗(yàn)一般有單軸壓縮試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)等，現(xiàn)場試驗(yàn)有承壓板試驗(yàn)、狹縫試驗(yàn)、環(huán)形等，現(xiàn)場試驗(yàn)有承壓板試驗(yàn)、狹縫試驗(yàn)、環(huán)形加荷試驗(yàn)等。加荷試驗(yàn)等。 顯然，要了解巖石的變形特性，必須確定顯然，要了解巖石的變形特性，必須確定/已已知巖石的變形指標(biāo)，包括彈性模量，泊松比、剪知巖石的變形指標(biāo)，包括彈性模量，泊松比、剪切模量、體積模量等，顯然，由于巖體結(jié)構(gòu)的復(fù)切模量、體積模量等，顯然

6、，由于巖體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性含多結(jié)構(gòu)面），其變形指標(biāo)也存在很大的雜性含多結(jié)構(gòu)面），其變形指標(biāo)也存在很大的差異，因此確定巖石變形指標(biāo)顯得尤為重要。差異，因此確定巖石變形指標(biāo)顯得尤為重要。4.2.1 巖石變形的特點(diǎn)巖石變形的特點(diǎn)試件：試件：D=5.0cm、H10.0cm加載：普通壓力機(jī)、剛性壓力機(jī)加載：普通壓力機(jī)、剛性壓力機(jī) （MTS、INSTRON等）等）量測：量測：APP：軸向應(yīng)變片：軸向應(yīng)變片：軸向 、側(cè)向、側(cè)向yx成果整理：成果整理：（軸向）曲線（軸向）y（側(cè)向）曲線（軸向）x一般來說為曲線，當(dāng)較小時(shí)，一般來說為曲線，當(dāng)較小時(shí)，為直線為直線eeE彈模：yx泊松比：4.2.1 巖石變形的特點(diǎn)巖石變

7、形的特點(diǎn)通過單軸試驗(yàn)，可以獲得以下幾種通過單軸試驗(yàn)，可以獲得以下幾種模量變形指標(biāo)）：模量變形指標(biāo)）：(1) 初始彈性模量初始彈性模量 ：曲線上零荷載時(shí)的切線斜率；：曲線上零荷載時(shí)的切線斜率；iE(2) 切線彈性模量切線彈性模量 ： 隨應(yīng)力狀態(tài)變化；隨應(yīng)力狀態(tài)變化； d/dEtE(3) 平均彈性模量平均彈性模量 ：?。喝?近似于直線段的平均斜率；近似于直線段的平均斜率；avE(4) 割線彈性模量割線彈性模量 ：原點(diǎn)與曲線上某點(diǎn)連線的斜率：原點(diǎn)與曲線上某點(diǎn)連線的斜率;sE4.2.1 巖石變形的特點(diǎn)巖石變形的特點(diǎn) 用巖石三軸儀也可直接測定巖石試件的彈性模量。用巖石三軸儀也可直接測定巖石試件的彈性模量

8、。 通過巖樣上應(yīng)變體引線通過巖樣上應(yīng)變體引線量測軸量測軸向、側(cè)向應(yīng)變。對(duì)常規(guī)三軸而言：向、側(cè)向應(yīng)變。對(duì)常規(guī)三軸而言： 根據(jù)三維根據(jù)三維Hook定律計(jì)算彈模：定律計(jì)算彈模：1312E133112BB軸向應(yīng)變側(cè)向應(yīng)變13B4.2.1 巖石變形的特點(diǎn)巖石變形的特點(diǎn)4.3.1 巖石的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線巖石的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線1. OAStage 1 壓密階段壓密階段巖體中細(xì)微裂隙受壓閉合；巖體中細(xì)微裂隙受壓閉合；2. ABStage 2 線彈性階段線彈性階段卸載后變形可恢復(fù)，巖石顆粒變形卸載后變形可恢復(fù)，巖石顆粒變形3. BCStage 3 強(qiáng)化強(qiáng)化/塑性階段塑性階段卸載后變形不能完全恢復(fù)；卸載后變形

9、不能完全恢復(fù)；4. CDStage 4 軟化階段軟化階段，強(qiáng)度下降，塑性變形比重大；，強(qiáng)度下降，塑性變形比重大；Stage 1Stage 2Stage 3Stage 44.3.1 巖石的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線巖石的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線 不同巖性的巖樣，不同巖性的巖樣，全過程曲線中某些階段突出，全過程曲線中某些階段突出，某些階段弱化，可根據(jù)各階某些階段弱化，可根據(jù)各階段的差異對(duì)巖性進(jìn)行劃分。段的差異對(duì)巖性進(jìn)行劃分。4.3.1 巖石的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線巖石的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線o直線型：具有明顯彈性特性且絕大多數(shù)有很高強(qiáng)度的脆性，代表巖石有石英巖、玄武巖等。o下凹型：也稱彈塑性區(qū)縣，具有明顯塑性變形，代表

10、巖石有石灰?guī)r、粉砂巖等。o上凹型：具有較大的孔隙且?guī)r石又比較堅(jiān)硬，也可作為彈塑性的一種，代表巖石有片麻巖等。oS型：呈現(xiàn)塑彈塑性特征，上凹形和下凹形的組合，表現(xiàn)為多孔且有明顯塑性的巖石，代表巖石有大理巖等。4.3.2 反復(fù)加載與卸載條件下的變形特性反復(fù)加載與卸載條件下的變形特性一彈性階段一彈性階段二彈塑性強(qiáng)化階段二彈塑性強(qiáng)化階段1. 卸載：卸載卸載：卸載彈性變形恢復(fù)彈性變形恢復(fù)dEdpe加載加載卸載過程后，應(yīng)力應(yīng)變曲線重合卸載過程后，應(yīng)力應(yīng)變曲線重合無塑性變形或不可恢復(fù)變形產(chǎn)生）；無塑性變形或不可恢復(fù)變形產(chǎn)生）；4.3.2 反復(fù)加載與卸載條件下的變形特性反復(fù)加載與卸載條件下的變形特性2. 重復(fù)

11、加載單次）重復(fù)加載單次）二彈塑性強(qiáng)化階段二彈塑性強(qiáng)化階段 當(dāng)當(dāng)PP1時(shí)，重新加載時(shí)，重新加載卸載一般不重合，形成卸載一般不重合，形成塑性滯回環(huán)；重新加載時(shí)，塑性滯回環(huán)；重新加載時(shí)，呈線性關(guān)系。呈線性關(guān)系。 當(dāng)當(dāng)PP1時(shí)，重新加載與初始加載時(shí)時(shí)，重新加載與初始加載時(shí)曲線曲線重合。重合。 值得注意：重新加載時(shí)，只有當(dāng)值得注意：重新加載時(shí)，只有當(dāng)P P1時(shí)，才開始出現(xiàn)塑性時(shí)，才開始出現(xiàn)塑性變形，變形， 提高，這種現(xiàn)象稱之為提高，這種現(xiàn)象稱之為“強(qiáng)化強(qiáng)化”。4.3.2 反復(fù)加載與卸載條件下的變形特性反復(fù)加載與卸載條件下的變形特性三反復(fù)加載多次加載卸載加載）三反復(fù)加載多次加載卸載加載）多次反復(fù)加載、卸載

12、且每次施加的最大荷多次反復(fù)加載、卸載且每次施加的最大荷載與第一次加載的最大荷載一樣：載與第一次加載的最大荷載一樣： 0P1; 0P1; 0P1，形成塑性滯回環(huán)。，形成塑性滯回環(huán)。多次反復(fù)加載、卸載且每次施加的最大荷多次反復(fù)加載、卸載且每次施加的最大荷載都比前一次加載的最大荷載大：載都比前一次加載的最大荷載大： 0P1; 0P2; 0P3，形成塑性滯回環(huán)，形成塑性滯回環(huán)的面積增大，卸載曲線的斜率彈模也的面積增大，卸載曲線的斜率彈模也逐次增加，稱為強(qiáng)化。逐次增加，稱為強(qiáng)化。4.3.3 巖石在三軸荷載條件下的變形特性巖石在三軸荷載條件下的變形特性在三軸試驗(yàn)中可以得到：在三軸試驗(yàn)中可以得到：軸軸向：向

13、：徑向徑向(側(cè)向側(cè)向)：3232繪制成果曲線：繪制成果曲線：113214.3.3 巖石在三軸荷載條件下的變形特性巖石在三軸荷載條件下的變形特性一般而言：一般而言： 單軸單軸3或?yàn)榛驗(yàn)?較低，同時(shí)呈脆較低，同時(shí)呈脆性破壞，達(dá)到性破壞，達(dá)到max較時(shí)較時(shí)1很??；很小； 中等圍壓中等圍壓3時(shí)，呈塑性破壞，即時(shí)，呈塑性破壞，即max，體應(yīng)變，體應(yīng)變1(12 3)明顯，出現(xiàn)擴(kuò)容現(xiàn)象。明顯，出現(xiàn)擴(kuò)容現(xiàn)象。 擴(kuò)容一般是巖石破壞的前兆，主要是由于巖石試件張開細(xì)微裂隙的形成和擴(kuò)張所致，擴(kuò)容一般是巖石破壞的前兆，主要是由于巖石試件張開細(xì)微裂隙的形成和擴(kuò)張所致，接近破裂時(shí)的側(cè)向應(yīng)變之和須大于軸向應(yīng)變。裂隙長軸與最大

14、主應(yīng)力方向平行。接近破裂時(shí)的側(cè)向應(yīng)變之和須大于軸向應(yīng)變。裂隙長軸與最大主應(yīng)力方向平行。4.3.4 巖石變形指標(biāo)的確定巖石變形指標(biāo)的確定p 彈性模量彈性模量E 彈性模量是指單軸受力時(shí)正應(yīng)彈性模量是指單軸受力時(shí)正應(yīng)力力與彈性正應(yīng)變與彈性正應(yīng)變e之比：之比： eE線 彈 性 巖 石線 彈 性 巖 石 E非線彈性巖石非線彈性巖石 fE 4.3.4 巖石變形指標(biāo)的確定巖石變形指標(biāo)的確定p 彈性模量彈性模量E 具有彈性滯回環(huán)的巖石，雖然卸載完畢時(shí)，具有彈性滯回環(huán)的巖石，雖然卸載完畢時(shí)，其應(yīng)變能恢復(fù)到零，但由于其加、卸載時(shí)應(yīng)力路其應(yīng)變能恢復(fù)到零，但由于其加、卸載時(shí)應(yīng)力路徑不相同，因而徑不相同，因而P點(diǎn)的加載

15、模量與卸載模量不同。點(diǎn)的加載模量與卸載模量不同。 彈塑性類巖石的彈性模量，按定義應(yīng)取彈塑性類巖石的彈性模量，按定義應(yīng)取-曲曲線起始段直線的斜率線起始段直線的斜率(即切線模量即切線模量)為準(zhǔn)，但實(shí)驗(yàn)表為準(zhǔn)，但實(shí)驗(yàn)表明，直線段大致與卸載曲線的割線平行，故彈塑明，直線段大致與卸載曲線的割線平行，故彈塑性類巖石的彈性模量往往可取卸載曲線的斜率性類巖石的彈性模量往往可取卸載曲線的斜率. 工程實(shí)踐中帶取工程實(shí)踐中帶取-曲線上的極限強(qiáng)度曲線上的極限強(qiáng)度50%所對(duì)應(yīng)點(diǎn)的割線斜率，作所對(duì)應(yīng)點(diǎn)的割線斜率，作為割線模量。為割線模量。4.3.4 巖石變形指標(biāo)的確定巖石變形指標(biāo)的確定p 變形模量變形模量E0 巖石的變形

16、模量是以正應(yīng)力巖石的變形模量是以正應(yīng)力與總應(yīng)變與總應(yīng)變?yōu)閺椥詰?yīng)變?yōu)閺椥詰?yīng)變e與塑性應(yīng)變與塑性應(yīng)變p之和的之和的比值表示比值表示peE 對(duì)于線彈性類巖石，其變形模量與彈性模量是對(duì)于線彈性類巖石，其變形模量與彈性模量是相同的。對(duì)于彈塑性巖石，其變形模量不是常數(shù)，相同的。對(duì)于彈塑性巖石，其變形模量不是常數(shù)，它與荷載的大小有關(guān)。在應(yīng)力它與荷載的大小有關(guān)。在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的任何應(yīng)變曲線上的任何點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)相連所點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)相連所 得的割線的斜率，表示該點(diǎn)得的割線的斜率，表示該點(diǎn)所代表的應(yīng)力的變形模量。所代表的應(yīng)力的變形模量。 4.3.4 巖石變形指標(biāo)的確定巖石變形指標(biāo)的確定p 泊松比泊松比 巖石的橫向

17、應(yīng)變巖石的橫向應(yīng)變x與縱向應(yīng)變與縱向應(yīng)變y之比值稱為泊松比，即：之比值稱為泊松比，即：yx 在巖石的彈性工作范圍內(nèi)，在巖石的彈性工作范圍內(nèi)，一般為常數(shù)，但超越彈性范一般為常數(shù)，但超越彈性范圍以后，圍以后，隨應(yīng)力的增大而增大，直到隨應(yīng)力的增大而增大，直到=0.5為止靜水壓力狀為止靜水壓力狀態(tài)）。態(tài)）。 并非巖石的并非巖石的不能大于不能大于0.5，對(duì)于脆彈性質(zhì)巖體，因裂縫的，對(duì)于脆彈性質(zhì)巖體，因裂縫的存在，側(cè)向變形較大，故仍存在存在，側(cè)向變形較大，故仍存在大于大于0.5的情況。的情況。影響巖石應(yīng)力變形曲線的主要因素影響巖石應(yīng)力變形曲線的主要因素荷載速率荷載速率溫度溫度側(cè)向壓力側(cè)向壓力各向異性各向異

18、性4.4.1 荷載速率荷載速率 在單軸壓縮試驗(yàn)中，加載速率在單軸壓縮試驗(yàn)中，加載速率(荷載增量荷載增量/時(shí)間的比值時(shí)間的比值)對(duì)巖對(duì)巖石的變形影響很大。加載速率越大石的變形影響很大。加載速率越大/快，彈模越大，強(qiáng)度越高快，彈模越大，強(qiáng)度越高(彈籃球現(xiàn)象彈籃球現(xiàn)象)。 巖石試驗(yàn)中，用沖擊荷巖石試驗(yàn)中，用沖擊荷載測得的彈性模量比用靜荷載測得的彈性模量比用靜荷載測得的要高的多。載測得的要高的多。4.4.2 溫度溫度 一般來說，隨著溫度的升高，巖石的塑性變形增一般來說，隨著溫度的升高，巖石的塑性變形增大，巖石的破壞由脆性破壞向塑性破壞演變。大，巖石的破壞由脆性破壞向塑性破壞演變。4.4.3 側(cè)向壓力側(cè)

19、向壓力側(cè)向壓力側(cè)向壓力2/3對(duì)巖石的強(qiáng)度和變形都有很大的影響。對(duì)巖石的強(qiáng)度和變形都有很大的影響。 由于側(cè)向應(yīng)力由于側(cè)向應(yīng)力3的存在，巖的存在，巖石破壞時(shí)的變形增加，且隨石破壞時(shí)的變形增加，且隨著著3的增加，巖石的塑性變的增加，巖石的塑性變形明顯。形明顯。 當(dāng)當(dāng)3增大至一定范圍，增大至一定范圍，巖石幾乎開始符合理想巖石幾乎開始符合理想塑性變形，即使塑性變形，即使3再增再增大，變形特性變化不大。大，變形特性變化不大。4.4.3 側(cè)向壓力側(cè)向壓力 側(cè)壓力對(duì)孔隙率低的巖石影側(cè)壓力對(duì)孔隙率低的巖石影響小，但對(duì)有部分開裂的、響小，但對(duì)有部分開裂的、孔隙率高的以及軟弱的巖石孔隙率高的以及軟弱的巖石影響大。影

20、響大。 在存在在存在3的情況下，巖石變的情況下，巖石變形不僅與大小有關(guān)，還與形不僅與大小有關(guān)，還與(1- 3)的數(shù)值有關(guān)。的數(shù)值有關(guān)。側(cè)向壓力側(cè)向壓力2/3對(duì)巖石的強(qiáng)度和變形都有很大的影響。對(duì)巖石的強(qiáng)度和變形都有很大的影響。4.4.3 側(cè)向壓力側(cè)向壓力 在側(cè)向壓力作用下，部分巖石的彈性模量與應(yīng)力之在側(cè)向壓力作用下，部分巖石的彈性模量與應(yīng)力之間呈非線性關(guān)系，可用間呈非線性關(guān)系，可用Duncan公式表示：公式表示：231311ffitREEultffR3131naaipKpE3sinsincoscf1223314.4.4 各向異性各向異性各個(gè)方向反映變形的參數(shù)各個(gè)方向反映變形的參數(shù)E, 不同不同工

21、程中，常見的橫觀各向同性材料，需要工程中，常見的橫觀各向同性材料，需要5個(gè)獨(dú)立參數(shù)描述：個(gè)獨(dú)立參數(shù)描述：平行于平行于XOY的面內(nèi)：的面內(nèi)：E1,1垂直于垂直于XOY的面內(nèi)：的面內(nèi)：E2,2剪切模量剪切模量G2=E2/(1+2)4.5.1 意義意義 現(xiàn)場變形試驗(yàn)也稱原位變形試驗(yàn)，它比實(shí)驗(yàn)室變形試驗(yàn)現(xiàn)場變形試驗(yàn)也稱原位變形試驗(yàn)，它比實(shí)驗(yàn)室變形試驗(yàn)更能反映天然巖體的性質(zhì)更能反映天然巖體的性質(zhì)(例如裂隙、節(jié)理等地質(zhì)缺陷例如裂隙、節(jié)理等地質(zhì)缺陷)，所以，所以有條件最好做這種試驗(yàn)。有條件最好做這種試驗(yàn)。 但現(xiàn)場試驗(yàn)工作量大、時(shí)間長、費(fèi)用高，一般對(duì)于重要但現(xiàn)場試驗(yàn)工作量大、時(shí)間長、費(fèi)用高，一般對(duì)于重要的建筑

22、物采用該法水工隧洞、地下廠房、大壩地基等）。的建筑物采用該法水工隧洞、地下廠房、大壩地基等）。 試驗(yàn)方法分為：靜力法承壓板法、狹縫法、環(huán)形加荷試驗(yàn)方法分為：靜力法承壓板法、狹縫法、環(huán)形加荷法和動(dòng)力法。法和動(dòng)力法。4.5.2 承壓板法承壓板法 試驗(yàn)采用的承壓板多半是剛性承壓板，其尺寸大小是根據(jù)試驗(yàn)采用的承壓板多半是剛性承壓板，其尺寸大小是根據(jù)巖體中裂隙的間距和試驗(yàn)所選用的最大壓力來確定的，通常采巖體中裂隙的間距和試驗(yàn)所選用的最大壓力來確定的，通常采用的是用的是20002500cm2圓形或正方形）。施加荷載的方法，圓形或正方形）。施加荷載的方法，視巖體結(jié)構(gòu)和工程實(shí)際使用的情況而定。當(dāng)巖體比較完整時(shí)

23、，視巖體結(jié)構(gòu)和工程實(shí)際使用的情況而定。當(dāng)巖體比較完整時(shí)，采用分級(jí)加荷，每級(jí)荷載作一次加荷、卸荷過程，叫逐級(jí)一次采用分級(jí)加荷，每級(jí)荷載作一次加荷、卸荷過程，叫逐級(jí)一次循環(huán)，用以確定巖體在不同荷載條件下的變形特性循環(huán)，用以確定巖體在不同荷載條件下的變形特性 承壓板試驗(yàn)可以在平地上或在平硐中進(jìn)行，就是通過剛性承壓板試驗(yàn)可以在平地上或在平硐中進(jìn)行，就是通過剛性或柔性承壓板將荷載加在巖面上以測定其變形?；蛉嵝猿袎喊鍖⒑奢d加在巖面上以測定其變形。4.5.2 承壓板法承壓板法4.5.2 承壓板法承壓板法試驗(yàn)程序試驗(yàn)程序在平硐或壩基反力結(jié)構(gòu)選點(diǎn)在平硐或壩基反力結(jié)構(gòu)選點(diǎn)清除破碎巖石、平整、安裝千斤清除破碎巖石、

24、平整、安裝千斤頂頂加載加載量測變形量測變形整理整理ps曲線曲線或分級(jí)加載：加載或分級(jí)加載：加載卸載卸載加加載載 卸載，繪制卸載，繪制ps曲線，并曲線，并根據(jù)彈性理論根據(jù)彈性理論SpDE214.5.2 承壓板法承壓板法4.5.2 承壓板法承壓板法地基原位試驗(yàn)4.5.3 狹縫試驗(yàn)法狹縫試驗(yàn)法 原理：橢圓孔受內(nèi)水壓力，產(chǎn)生應(yīng)力與變形的原理建立起原理：橢圓孔受內(nèi)水壓力，產(chǎn)生應(yīng)力與變形的原理建立起來的。來的。4.5.3 狹縫試驗(yàn)法狹縫試驗(yàn)法試驗(yàn)程序試驗(yàn)程序在選定的具有代表性的試在選定的具有代表性的試驗(yàn)點(diǎn)開一條狹縫；驗(yàn)點(diǎn)開一條狹縫；通過埋設(shè)在狹縫的鋼枕通過埋設(shè)在狹縫的鋼枕旁千頂對(duì)狹縫兩側(cè)加旁千頂對(duì)狹縫兩側(cè)

25、加壓測量變形；壓測量變形；按代有狹縫的理想彈性板按代有狹縫的理想彈性板平面應(yīng)力問題計(jì)算巖體的平面應(yīng)力問題計(jì)算巖體的變形；變形； 量測量測A點(diǎn)絕對(duì)變形點(diǎn)絕對(duì)變形 按絕對(duì)變形：按絕對(duì)變形：LLYYB22421121222BBBupLEA 量測量測A1、A2點(diǎn)相對(duì)變形點(diǎn)相對(duì)變形 按按A1、A2點(diǎn)相對(duì)變形點(diǎn)相對(duì)變形 2121112sinsintgtgupLER4.5.3 狹縫試驗(yàn)法狹縫試驗(yàn)法 特點(diǎn)：開槽對(duì)巖體擾動(dòng)小，加壓方向隨意，也可以特點(diǎn)：開槽對(duì)巖體擾動(dòng)小，加壓方向隨意，也可以在軟弱夾層或斷層帶內(nèi)試驗(yàn)在軟弱夾層或斷層帶內(nèi)試驗(yàn) 缺點(diǎn)：但測試技術(shù)和計(jì)算方法不嚴(yán)謹(jǐn)槽面釋放應(yīng)缺點(diǎn)：但測試技術(shù)和計(jì)算方法不嚴(yán)謹(jǐn)

26、槽面釋放應(yīng)力，不屬于平面問題平面應(yīng)力和平面應(yīng)變）力，不屬于平面問題平面應(yīng)力和平面應(yīng)變）4.5.4 環(huán)形加荷法環(huán)形加荷法 環(huán)形加荷法是一種適用于測定巖體處于壓、拉兩種應(yīng)力狀環(huán)形加荷法是一種適用于測定巖體處于壓、拉兩種應(yīng)力狀態(tài)下的變形特性的試驗(yàn)方法。態(tài)下的變形特性的試驗(yàn)方法。 對(duì)洞壁加壓，可以采用各種不同的方法，目前較常用的有對(duì)洞壁加壓，可以采用各種不同的方法，目前較常用的有水壓法，徑向千斤頂法和鉆孔膨脹計(jì)法。水壓法，徑向千斤頂法和鉆孔膨脹計(jì)法。 為了進(jìn)行這種試驗(yàn)，必須先選擇與建筑物地質(zhì)條件相近的，為了進(jìn)行這種試驗(yàn)，必須先選擇與建筑物地質(zhì)條件相近的，有代表性的地段，開鑿一條試驗(yàn)洞，洞徑大小一般是取

27、有代表性的地段，開鑿一條試驗(yàn)洞，洞徑大小一般是取23m，洞長不小于洞長不小于3倍的洞徑。然后對(duì)洞壁巖石加壓，并測量洞壁變倍的洞徑。然后對(duì)洞壁巖石加壓，并測量洞壁變形。形。4.5.4 環(huán)形加荷法環(huán)形加荷法 水壓法就是利用高壓水對(duì)洞壁加壓的一種方法。水壓法就是利用高壓水對(duì)洞壁加壓的一種方法。 在試驗(yàn)進(jìn)行之前，須要在試驗(yàn)洞內(nèi)選定幾個(gè)測量斷面，在試驗(yàn)進(jìn)行之前，須要在試驗(yàn)洞內(nèi)選定幾個(gè)測量斷面，并安裝測量洞徑變形的儀器并安裝測量洞徑變形的儀器(如鋼弦測微計(jì)、電阻測微計(jì)如鋼弦測微計(jì)、電阻測微計(jì)等等)，再封閉試驗(yàn)洞端。在試驗(yàn)時(shí)向洞中充灌高壓水，對(duì)洞，再封閉試驗(yàn)洞端。在試驗(yàn)時(shí)向洞中充灌高壓水，對(duì)洞壁進(jìn)行加壓。與

28、此同時(shí)，測定相應(yīng)的徑向變形值，根據(jù)實(shí)壁進(jìn)行加壓。與此同時(shí)，測定相應(yīng)的徑向變形值，根據(jù)實(shí)際測定的資料，可以繪出壓力與變形關(guān)系曲線際測定的資料，可以繪出壓力與變形關(guān)系曲線 。 水壓法的特點(diǎn)是巖石的受荷面積大，壓力分布均勻，能水壓法的特點(diǎn)是巖石的受荷面積大，壓力分布均勻，能測得各個(gè)方向上的變形。另外，它的受力條件與壓力隧洞測得各個(gè)方向上的變形。另外，它的受力條件與壓力隧洞的受力條件完全一樣，所以它是研究壓力隧洞巖體變形的的受力條件完全一樣，所以它是研究壓力隧洞巖體變形的較好的方法。較好的方法。 這種試驗(yàn)方法在破碎巖石中或透水性大的地段不宜采用，這種試驗(yàn)方法在破碎巖石中或透水性大的地段不宜采用，而且比

29、起其他方法來，費(fèi)用大，時(shí)間長，所以一般只是在而且比起其他方法來，費(fèi)用大，時(shí)間長，所以一般只是在重要工程的設(shè)計(jì)階段進(jìn)行。重要工程的設(shè)計(jì)階段進(jìn)行。4.5.4 環(huán)形加荷法環(huán)形加荷法 這個(gè)方法的加壓原理與這個(gè)方法的加壓原理與水壓法完全相同，唯其徑向水壓法完全相同，唯其徑向施壓方式不是通過高壓水來施壓方式不是通過高壓水來實(shí)現(xiàn)，而是通過埋置于混凝實(shí)現(xiàn)，而是通過埋置于混凝土和圓形鋼、木支撐圈之間土和圓形鋼、木支撐圈之間的的1216個(gè)扁千斤頂個(gè)扁千斤頂(液壓液壓鋼枕鋼枕)來進(jìn)行的。來進(jìn)行的。 當(dāng)液壓枕向洞壁施加徑向壓力后，同樣須要量測洞壁的徑向變形量，當(dāng)液壓枕向洞壁施加徑向壓力后，同樣須要量測洞壁的徑向變形量

30、，并由此計(jì)算巖體的變形模量。并由此計(jì)算巖體的變形模量。4.5.4 環(huán)形加荷法環(huán)形加荷法4.5.4 環(huán)形加荷法環(huán)形加荷法yprE1p作用在圍巖巖面/巖壁上的壓力，MPar試驗(yàn)洞鉆孔的半徑，my巖面的徑向變形，m4.5.4 環(huán)形加荷法環(huán)形加荷法承壓板法承壓板法狹縫法狹縫法單雙軸加壓法單雙軸加壓法大壩、船閘的地基、拱壩的拱座變形大壩、船閘的地基、拱壩的拱座變形船閘的變形或巖體的各向異性船閘的變形或巖體的各向異性軟弱夾層、斷層、裂隙密集帶軟弱夾層、斷層、裂隙密集帶水壓力法水壓力法完整巖體或透水性較小的巖體中完整巖體或透水性較小的巖體中4.5.5 巖石反力抗力系數(shù)的測定巖石反力抗力系數(shù)的測定 注意：只存

31、在于壓力區(qū); 若抗力與變形成正比，稱之為彈性抗力；4.5.5 巖石反力抗力系數(shù)的測定巖石反力抗力系數(shù)的測定ypk 文克爾文克爾(Winkler)：用：用于彈性地基計(jì)算的一種于彈性地基計(jì)算的一種假定，即認(rèn)為地基土受假定，即認(rèn)為地基土受壓變形的性狀有如彈簧，壓變形的性狀有如彈簧，其上各點(diǎn)的壓強(qiáng)與該點(diǎn)其上各點(diǎn)的壓強(qiáng)與該點(diǎn)土的垂直變形成正比。土的垂直變形成正比。物理意義：表征巖石反力的大小，即：使物理意義：表征巖石反力的大小，即：使隧洞周圍的巖石達(dá)到一個(gè)單位變形時(shí)所需隧洞周圍的巖石達(dá)到一個(gè)單位變形時(shí)所需要的壓力。要的壓力。4.5.5 巖石反力抗力系數(shù)的測定巖石反力抗力系數(shù)的測定 對(duì)于圓形硐室，假設(shè)巖石

32、是理想的彈對(duì)于圓形硐室，假設(shè)巖石是理想的彈性體，利用彈性厚壁圓筒理論推出圓形隧性體，利用彈性厚壁圓筒理論推出圓形隧洞的洞的K值與巖石模量值與巖石模量E之間的關(guān)系，可表之間的關(guān)系，可表示為：示為：rEk1注：半徑越大，注：半徑越大，k值越小。值越小。k愈大巖體彈性抗力愈大，愈大巖體彈性抗力愈大，愈有利于襯砌的穩(wěn)定。愈有利于襯砌的穩(wěn)定。4.5.5 巖石反力抗力系數(shù)的測定巖石反力抗力系數(shù)的測定10Ekrk2rbEypkcw4.5.5 巖石反力抗力系數(shù)的測定巖石反力抗力系數(shù)的測定 巖石反力系數(shù)的現(xiàn)場測定方法比較多，目前應(yīng)用較廣的隧洞水壓法、千斤頂法和承壓板法，方法與現(xiàn)場測定巖體變形特性相同。 當(dāng)用水壓

33、法測當(dāng)用水壓法測定時(shí)：如果隧定時(shí)：如果隧洞無襯砌，則洞無襯砌，則可直接用下式可直接用下式來計(jì)算。來計(jì)算。當(dāng)用水壓法測當(dāng)用水壓法測定時(shí)：如果隧定時(shí)：如果隧洞有襯砌洞有襯砌則可用直接用則可用直接用下式來計(jì)算。下式來計(jì)算。4.5.5 巖石反力抗力系數(shù)的測定巖石反力抗力系數(shù)的測定rrRlnEk1 實(shí)際上巖體并非理想的彈性體，所應(yīng)用所得的k值偏大，因此需進(jìn)行修正。 考慮隧洞開挖后周圍形成一個(gè)環(huán)形開裂區(qū)的影響，那么：4.5.5 巖石反力抗力系數(shù)的測定巖石反力抗力系數(shù)的測定rRplnEktw1 實(shí)際上巖體并非理想的彈性體，所應(yīng)用所得的k值偏大，因此需進(jìn)行修正。 因?yàn)殚_裂區(qū)半徑R確定較困難所以工程上常采用下面

34、的公式進(jìn)行計(jì)算修正：4.6.1 基本原理基本原理4.6.1 基本原理基本原理 當(dāng)巖體受到振動(dòng)、沖擊或爆破作用時(shí)，各種不同動(dòng)力特性的應(yīng)力波將在巖體中傳播。4.6.1 基本原理基本原理ddddpEC2111ddsEC121根據(jù)波動(dòng)理論傳播于連續(xù)、均勻、各向同性彈性介質(zhì)中的縱波速度Cp和橫波速度Cs： 關(guān)系：關(guān)系：Cp Cs ，即縱波先于橫波到達(dá)，即縱波先于橫波到達(dá)應(yīng)用：彈性波在介質(zhì)中的傳播速度僅與介質(zhì)密度應(yīng)用：彈性波在介質(zhì)中的傳播速度僅與介質(zhì)密度和動(dòng)力變形參數(shù)和動(dòng)力變形參數(shù)Ed、d有關(guān)，這樣可以通過測定巖有關(guān)，這樣可以通過測定巖體中的彈性波速來確定巖體的動(dòng)力變形參數(shù)體中的彈性波速來確定巖體的動(dòng)力變

35、形參數(shù)4.6.2 巖石彈性波速的測定方法巖石彈性波速的測定方法主要用于測量巖塊，頻率為1000Hz2MHz 。超聲波法超聲波法主要測試巖體表面和聲波測井，測試范圍550m。聲波法聲波法能量大、頻率低、傳播距離遠(yuǎn)可大范圍內(nèi)測試。地震波法地震波法4.6.2 地震法的測試方法地震法的測試方法1222222spspdC/CC/C212sddCE4.6.3巖體彈性波測定結(jié)果分析巖體彈性波測定結(jié)果分析Ed綜合反映巖體質(zhì)量完整程度，綜合反映巖體質(zhì)量完整程度，巖塊彈模）巖塊彈模）;一般來說：一般來說：巖塊波速要大于巖體波速；巖塊波速要大于巖體波速；新鮮完整的巖體波速大；新鮮完整的巖體波速大；裂隙越發(fā)育和風(fēng)化，

36、破碎巖體的裂隙越發(fā)育和風(fēng)化，破碎巖體的波速越小波速越小巖石堅(jiān)固、裂隙少、風(fēng)化弱，則巖石堅(jiān)固、裂隙少、風(fēng)化弱，則彈性波振幅大，波速高；反之，彈性波振幅大，波速高；反之，在巖性軟弱，裂隙多，風(fēng)化嚴(yán)重在巖性軟弱，裂隙多，風(fēng)化嚴(yán)重的巖體中，波速降低，被吸收或的巖體中，波速降低，被吸收或衰減嚴(yán)重，振幅小。衰減嚴(yán)重，振幅小。4.6.3巖體彈性波測定結(jié)果分析巖體彈性波測定結(jié)果分析 根據(jù)彈性波在巖體和巖石試塊中的傳播速度比，可判根據(jù)彈性波在巖體和巖石試塊中的傳播速度比，可判斷巖體中裂隙發(fā)育程度。稱此比值的平方為巖體完整性斷巖體中裂隙發(fā)育程度。稱此比值的平方為巖體完整性系數(shù)，以系數(shù)，以KV表示：表示：Cmp和和

37、Clp分別為巖體和巖分別為巖體和巖塊中彈性波縱波傳播速度。塊中彈性波縱波傳播速度。4.6.3巖體彈性波測定結(jié)果分析巖體彈性波測定結(jié)果分析 動(dòng)彈性模量與靜彈性模量的關(guān)系動(dòng)彈性模量與靜彈性模量的關(guān)系從大量的試驗(yàn)資料表明從大量的試驗(yàn)資料表明:動(dòng)彈性模量都普遍大于動(dòng)彈性模量都普遍大于靜彈性模量，一般來說，靜彈性模量，一般來說，巖體越堅(jiān)硬越完整，則巖體越堅(jiān)硬越完整，則差值越小，否則，差值差值越小，否則，差值就越大。就越大。一般動(dòng)彈模一般動(dòng)彈模Ed=(1.02.56)靜彈模靜彈模Es ，工程，工程上一般取上一般取Ed=1.3 Es4.6.3巖體彈性波測定結(jié)果分析巖體彈性波測定結(jié)果分析 動(dòng)彈性模量與靜彈性模

38、量的關(guān)系動(dòng)彈性模量與靜彈性模量的關(guān)系 由于原位由于原位變形試驗(yàn)費(fèi)時(shí)、變形試驗(yàn)費(fèi)時(shí)、費(fèi)錢費(fèi)錢這時(shí)這時(shí)可通過動(dòng)、靜可通過動(dòng)、靜彈性模量間關(guān)彈性模量間關(guān)系的研究來確系的研究來確定巖體的靜彈定巖體的靜彈性模量。性模量。經(jīng)驗(yàn)公式來求靜彈性模量經(jīng)驗(yàn)公式來求靜彈性模量Ej折減系數(shù)，可據(jù)巖體完整性系數(shù)KV查表求取4.6.3巖體彈性波測定結(jié)果分析巖體彈性波測定結(jié)果分析 巖體的生成年代及巖性、巖質(zhì)對(duì)彈性波傳播速度影響也巖體的生成年代及巖性、巖質(zhì)對(duì)彈性波傳播速度影響也很大。很大。4.7.1 定義定義 所謂破碎巖石：巖石內(nèi)節(jié)理、裂隙非常發(fā)育，強(qiáng)風(fēng)所謂破碎巖石：巖石內(nèi)節(jié)理、裂隙非常發(fā)育，強(qiáng)風(fēng)化、強(qiáng)卸荷巖體一般均指天然巖

39、體）?；?、強(qiáng)卸荷巖體一般均指天然巖體）。4.7.2破碎巖石的破碎巖石的P-S曲線特征曲線特征相對(duì)完整巖塊變形量非常大，且永久變相對(duì)完整巖塊變形量非常大，且永久變形顯著；形顯著；卸載應(yīng)力越大卸載應(yīng)力越大滯回環(huán)面積越大滯回環(huán)面積越大(原因原因裂隙的擴(kuò)大裂隙的擴(kuò)大)；Ed/E比值可高達(dá)比值可高達(dá)13.0，E/可達(dá)可達(dá)4.5以上以上（達(dá)到屈服點(diǎn)后單調(diào)加載）（達(dá)到屈服點(diǎn)后單調(diào)加載）對(duì)動(dòng)力法中高頻彈性波丟失嚴(yán)重對(duì)動(dòng)力法中高頻彈性波丟失嚴(yán)重加載曲線相互平行；反復(fù)加、卸載、曲加載曲線相互平行；反復(fù)加、卸載、曲線總趨勢保持不變線總趨勢保持不變4.7.2破碎巖石的破碎巖石的P-S曲線特征曲線特征研究表明：研究表明

40、：E/的愈高，說明巖的愈高，說明巖石愈破碎，故可用石愈破碎，故可用E/的大小，的大小，對(duì)巖體分類。對(duì)巖體分類。4.7.3 破碎巖石變形模量破碎巖石變形模量E0的估算的估算p 用巖石綜合特征值用巖石綜合特征值RMRRMR估算估算當(dāng)當(dāng)RMR55時(shí)時(shí)當(dāng)當(dāng)RMR55時(shí)時(shí)4.7.3 破碎巖石變形模量破碎巖石變形模量E0的估算的估算p 用剪切波頻率用剪切波頻率 f 估算估算f =剪切波剪切波(橫波橫波)頻率，單位頻率，單位1/s。頻率愈低頻率愈低巖石愈破碎巖石愈破碎巖石變形流變?nèi)渥儭⑺沙?、彈性后效）巖石的時(shí)間效應(yīng)與時(shí)間有關(guān)的變形與時(shí)間無關(guān)的變形彈性變形可恢復(fù)）塑性變形不可恢復(fù)）o1983年年,Muller

41、在第在第5屆國際巖石力學(xué)大會(huì)上屆國際巖石力學(xué)大會(huì)上,指出指出:“對(duì)自然界作了不允許的簡化而使人們的觀對(duì)自然界作了不允許的簡化而使人們的觀點(diǎn)混亂的例子，就是忽略了時(shí)間因素對(duì)巖體性狀點(diǎn)混亂的例子，就是忽略了時(shí)間因素對(duì)巖體性狀的影響的影響”.o研究流變的重要意義研究流變的重要意義:o事例事例:1980年年,湖北省鹽池磷礦，湖北省鹽池磷礦，160m高，體高，體積約積約100萬方的山體突然崩塌，四層樓被拋至對(duì)萬方的山體突然崩塌，四層樓被拋至對(duì)岸，造成重大傷亡岸，造成重大傷亡.o礦山頂板跨落，頂板動(dòng)態(tài)儀原理與來壓預(yù)報(bào)礦山頂板跨落，頂板動(dòng)態(tài)儀原理與來壓預(yù)報(bào).o巷道支護(hù)設(shè)計(jì)，支護(hù)時(shí)間的確定巷道支護(hù)設(shè)計(jì)，支護(hù)時(shí)間的確定.關(guān)于巖石的時(shí)間效應(yīng)關(guān)于巖石的時(shí)間效應(yīng)關(guān)于巖石的時(shí)間效應(yīng)關(guān)于巖石的時(shí)間效應(yīng)o蠕變：研究在恒定載荷作用下，隨著時(shí)間的延蠕變：研究在恒定載荷作用下，隨著時(shí)間的延續(xù)，巖石的變形情況續(xù)，巖石的變形情況. =const, = (t)o松弛：研究在恒定變形條件下，巖石的應(yīng)力隨松弛：研究在恒定變形條件下，巖石的應(yīng)力隨時(shí)間的變化，時(shí)間的變化， =const, = (t)o彈性后效：指加卸載后，經(jīng)一段時(shí)間應(yīng)變才增彈性后效：指加卸載后，經(jīng)一段時(shí)間應(yīng)變才增加加(或減少或減少)到應(yīng)有的數(shù)值的現(xiàn)象到應(yīng)有的數(shù)值的現(xiàn)象.上述種種都屬于流變問題上述種種都屬于流變問題.