3 水對巖石強度的影響

前已述汲水對巖石強度影響:膨脹、崩解、溶解水一巖痔軟化\滲透一水壓水對巖石強度有影響的是孔隙和裂隙中的水壓力，統(tǒng)稱為孔隙水壓力，用p表示。如果飽和巖石在荷載作用下不易排水或不能排水，那w么，孔隙或裂隙中的水就有孔隙壓力，巖石固體顆粒承受的壓力將相應(yīng)的減少，強度則降低。對巖石中有連接的孔隙（包括細微裂隙）系統(tǒng)，施加應(yīng)力。有孔隙水壓力pw時，巖石的有效應(yīng)力為b，=b_pwb—巖石總應(yīng)力（MPa）；°，—有效應(yīng)力（MPa）；Pw——孔隙水壓力（MPa）在有孔隙水壓力作用時，可利用《巖石破壞準則》來分析巖石的穩(wěn)定性。1.莫爾摩倫準則根據(jù)莫爾庫倫強度理論，考慮有孔隙水壓力P的作用，其巖石的W抗剪強度為：?T=c+(5'?或T=c+(O~p"g(Pf1—￡m可見，由于P的存在，巖石的抗剪強度降低。W②對于用主應(yīng)力表示的莫爾庫倫破壞準則，考慮P作用，則有W=o'N+R，式中c?'=b-p，b'=b-p13(pc11w33w推出（。-<5）=（。-p）（N-1）+7?133w里由上式可解得P,即巖石從初始作用應(yīng)力。和。達到巖石破壞w13時所需施加的孔隙水壓力:（b—b）-RPw_31N-1"_^亭定（Handin）砂巖實驗結(jié)果，在p為零時作一系列的實驗，繪w莫爾應(yīng)力圓，得到P=0時的包絡(luò)線，即巖石強度曲線。w當(dāng)施加主應(yīng)力?！笟鈺r，（Pw=0）巖石穩(wěn)定（莫爾圓II），在此主應(yīng)力下，增加pw直至破壞（莫爾圓I與包線相切）。從上面分析可見，Pw對巖體強度影響很大。在實際工程中，特別是壩址區(qū)，對某種巖石，當(dāng)主應(yīng)力。1、。3一定時，水庫蓄水后，如TOC\o"1-5"\h\z果有滲流，則p從0增加p'，當(dāng)。-p，和。-p，的應(yīng)力圓與包ww1w3w線相切或相交時，巖體將失穩(wěn)。2.格里菲思準則如果把有效應(yīng)力引入格里菲思破壞準則，用。，和s代替原式中的13。和。，艮P。，=。-p，。，=。-p1311w33w*+3。3>4p時，（氣―。3）2-8R（氣+。3-P）=0>0,破壞；<0時，穩(wěn)定裂隙方位角P=1arccos―乙里—-

22*+3。3>4p時，當(dāng)b+3b<4p時，b=-R+p，裂隙方位角p=013w3tw即：b3<-R+p、時，破壞。工程上應(yīng)用的《水力劈裂》方法就是以這一理論為基礎(chǔ)的。b=-R+p增大p使b3<-R+p，就會產(chǎn)生水力壁裂。如原始主應(yīng)力b§0,r=10MPa。則當(dāng)p>10MPa時，Q3<-R+p當(dāng)Q-pI>R|時，就會發(fā)生劈裂。六、巖體強度分析1、均質(zhì)巖體強度分析均質(zhì)巖體主要是：①完整巖體：巖塊堅硬，且結(jié)構(gòu)面不發(fā)育。②軟巖，結(jié)構(gòu)不起主導(dǎo)作用這種巖體可用：①莫爾庫倫準則②霍克和布朗經(jīng)驗破壞準則進行穩(wěn)定分析。莫爾庫侖準則：<sin中穩(wěn)定——亶二——J=sin中極限七+七+2c.湫］〉、皿中不穩(wěn)定有孔隙水壓力時:b—b13b+b—2p+2c,ctg^vsin中<=sin中>sin中主應(yīng)力為負時，|〉一Rt+P.，穩(wěn)定b3{=—R,+p^,極限平衡

v—R+P,破壞ltw霍克和布朗經(jīng)驗破壞準則bb1Rcc'b'1,2+m二+sIRc左項>右項，極限狀態(tài);破壞;左項<右項，穩(wěn)定。m=0~25,s=0~1。2、節(jié)理巖體強度分析實際巖體均質(zhì)的情況不多，大多數(shù)情況巖體為非連續(xù)介質(zhì)，巖體的強度主要由結(jié)構(gòu)面所決定。對于完整巖塊，其剪切破裂面總是與大主應(yīng)力面成以=45。+墮2角，當(dāng)拉斷時，破裂面與主應(yīng)力面平行。對于有結(jié)構(gòu)面存在時，多數(shù)情況下，沿結(jié)構(gòu)面破裂，這時仍可用莫爾庫倫強度準則來判定節(jié)理面上的穩(wěn)定情況。t=c+a-tg^七，中j為節(jié)理面上的凝聚力和內(nèi)摩擦角，。為節(jié)理面上的正應(yīng)力。tf為節(jié)理面的抗剪強度。當(dāng)節(jié)理面上的剪應(yīng)力t小于等于T時，節(jié)理面處于穩(wěn)定和極限狀態(tài):判斷節(jié)理巖體穩(wěn)定與否可用圖解法和解析法:1）圖解法（見圖）根據(jù)?！浮?做應(yīng)力圓，如果節(jié)理面線與節(jié)理強度線相交則破壞，反之，即使應(yīng)力圓已與強度線相交，但節(jié)理面的線卻不與節(jié)理強度線相交，則節(jié)理面仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。2）解析法根據(jù)應(yīng)力關(guān)系式:b=七*"3+—1~—3cos2P=bcos2P+csin2P22i3t=_^3sin2P=(—一—)sinPcosP2''13，'代入T<T=C+—-渺.中，得到—cos?sin?-P)+—sin?cos(p-P)+ccos?>01jj3jjjj滿足此式，表明節(jié)理處于穩(wěn)定或極限平衡狀態(tài)。利用上式可對節(jié)理巖體的穩(wěn)定性進行簡單的判斷。如，地下洞室、陡立邊坡等的節(jié)理巖體穩(wěn)定。如圖所示為高邊坡，巖體中節(jié)理的傾角為B。bcos中sin（中.一P）+c.cos中.Z0討論：①0W.時，Sin(q.-P)>0，上式左邊為正，穩(wěn)定0*j時，0*.時.為bcos甲sin（0=45。+：sin(:.-0)=0，則b.cos:.>0，穩(wěn)定，sin(中.-0)<0。g-0)<匕cosg時，滿足穩(wěn)定要求，反之不穩(wěn)定?時，即節(jié)理面與均質(zhì)巖體的破裂面致經(jīng)過推導(dǎo)可得:2ccos甲y1-sin甲經(jīng)過推導(dǎo)可得:j即在0=45。+?時，節(jié)理巖體穩(wěn)定的條件。當(dāng)巖體不穩(wěn)定時，需要采取有效措施，如錨固、灌漿，對于邊坡還可以減少Q(mào)，即減載（減輕上部巖不重量）。錨桿加固，需設(shè)計錨固力的大小，其原理如下:由。cosqsin(q.-P)+。sinqcos(q.-P)+ccosq.>0矢口:因為b,=0，P〉qj,不穩(wěn)定時有bcosqsin(q.-P)+c.cosq.<0bsinqcos(q.-P)〉bsinqcos(q—P)+ccosq為使其大于零，則需加水平應(yīng)力b，即使得ybtg(qbsinqcos(q.-P)〉bsinqcos(q—P)+ccosq如果錨桿與水平夾角為Q

則b'=cos以p'=p'=b?A=S.四沏2"4x4cos以b'-cosa>(b+b'sina)。'在y向已有分量，則上式中的oy應(yīng)為（b+b，sinb'-cosa>(b+b'sina)tgpsinp-cos（（p.-p）般求出b后，再增加一個百分數(shù)，即不用求解此式也可。x減載對于邊坡，通過減輕上部荷載，即減少b來增加穩(wěn)定性。因為°>七c°s七.，為了使得左式<右式y(tǒng)1-sinP則需減小°y，方法是減少上部巖體的重量，使2ccos甲°y"°y'V1-sin。'2ccos中則有°，〉°-j.jyy1一sinp根據(jù)°，就可確定挖除多大范圍的上部巖體。y孔隙水壓力當(dāng)有孔隙水壓力p時，有:wbcosPsin（平一。）+bsinPcos（平一。）+ccos甲一psin甲>0ii3jjjwj當(dāng)左邊項<0時，不穩(wěn)定，處理措施：排水，灌漿防滲，降低pw固結(jié)固結(jié)灌漿可以增加節(jié)理面的抗剪強度，增大C.和七因此，在邊坡工程中，增加巖體穩(wěn)定的常用措施有：錨固、減載、排水、防滲灌漿和固結(jié)灌漿。七、結(jié)構(gòu)面方位對強度的影響結(jié)構(gòu)面方位對巖體強度有很大影響，當(dāng)結(jié)構(gòu)面處于某種方位時，

在某些應(yīng)力條件下，破壞不沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生，而是仍在巖石材料內(nèi)發(fā)生。如圖所示:仍由下面從理論上證明節(jié)理面方位對巖體強度的影響。仍由acosPsin(q.-P)+asinPcos(q.-P)+ccosq.>0可推出：a-av氣+2"3?渺j13(1-ctgP-tgq)sin2P當(dāng)a3固定時，上式為B的函數(shù)，當(dāng)滿足上式，節(jié)理面穩(wěn)定或極限狀態(tài)，反之破壞。注意，上式為結(jié)構(gòu)面破壞條件。那么，當(dāng)巖體破壞時，是沿結(jié)構(gòu)面破壞還是沿巖石材料內(nèi)破壞呢，即8為何值時，是沿結(jié)構(gòu)面破壞，還是在巖石內(nèi)破壞。從上式看，當(dāng)&-0,&-90。時，或0T9j時，*-b3T8這說明，當(dāng)結(jié)構(gòu)面與。1平行或垂直以及等于中.時，。1可以很大，而不會沿結(jié)構(gòu)而破壞。①當(dāng)0<P<^.時，不沿節(jié)理面破壞，而是沿巖石材料內(nèi)部發(fā)生破裂面，其與主應(yīng)力面夾角以=45。+女2從圖看出，8對巖石強度的影響以及裂隙巖體強度的各向異性。②當(dāng)甲.<p<90。時，沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生破壞，將式對8求，以確定出使結(jié)構(gòu)面破壞的最2c+2b式對8求，以確定出使結(jié)構(gòu)面破壞的最13(1-ctgp-tg^)sin2p小應(yīng)力值的8角。即p=45。+耳時，氣-b3為最小，可知b1為最小。將p=45o+L代入(b-b)=氣+2b3'渺」,并令213min(1-ctgp-tgR)sin2p%=tg2(45+J)可推出：*.=氣+氣(N-1)+2c^N=氣N+2c^N八、結(jié)構(gòu)面粗糙度對強度的影響天然的結(jié)構(gòu)面多為凹凸不平的面，在剪應(yīng)力作用下滑動時，并不到處都平行于剪應(yīng)力的方向。因此，結(jié)構(gòu)面的粗糙度必然影響到結(jié)構(gòu)面強度。1)粗糙角i對于剪應(yīng)力與結(jié)構(gòu)面平行時三*當(dāng)結(jié)構(gòu)面與剪應(yīng)力夾角為i時，T*=Tcosi-PsiniP*=Pcosi+Tsini則在結(jié)構(gòu)面上T*TcosZ-Psinf=——=jP*Pcosi+TsiniTcosi-Psini=tg^(Pcosi+Tsini)jT(cosi-sini-tg^)=P(sini+cosi-tg^)Tsini-cos^-cosi-sin中sin((p+i)Pcos^-cosi-sini-sin中cos?+i)頂帕頓（patton）把這個模型推廣到鋸齒狀的結(jié)構(gòu)面，當(dāng)P較小時，結(jié)構(gòu)面沿鋸齒面滑動，遵循上式，當(dāng)P較大時，滑動面沿鋸齒面底破AVAVtga=-—nAu因此，結(jié)構(gòu)面抗剪強度為剪脹角低正應(yīng)力時高正應(yīng)力時T=c+b?fJ式中（P與cp不同，（P為平面型的結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角，jj為鋸齒面內(nèi)摩擦角。各種巖石結(jié)構(gòu)面的基本摩擦角中大多數(shù)為30左右。j當(dāng)有水壓力時-p，-P11w33w

則由式acosPsin(q-P)+asinPcos(q-P)+ccosq-psinq>0有：1j3jjjwjsinP-cosP

tg^

jcp<—J+a+(a-a)cos2P-w渺j3'，L計算時，可先用c=0,q.=q+i代入上式求得一個pw，再用co0，qsinP-cosP

tg^

j關(guān)于粗糙角i巴頓給出一經(jīng)驗公式。i=JRC-lg土b口n'R、艮口t=b?t