巖體的力學性質課件

第六章巖體的力學性質§6.1巖體的變形性質

§6.2巖體的強度性質§6.3巖體的動力學性質

§6.4巖體的水力學性質第六章巖體的力學性質§6.1巖體的變形性質1§6.1巖體的變形性質

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、影響巖體變形性質的因素在受力條件改變時巖體的變形是巖塊變形和結構變形的總和，而結構變形通常包括結構面閉合、充填物的壓密及結構體轉動和滑動等變形。從巖體的定義：巖塊+結構面=>巖體巖體變形=巖塊變形+結構面閉合+充填物壓縮+其他變形在一般情況下，巖體的結構變形起著控制作用?！?.1巖體的變形性質一、巖體變形試驗及其變形參數(shù)確定2巖體變形試驗(2種)：靜力法和動力法靜力法的基本原理：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-變形關系曲線，計算出巖體的變形參數(shù)。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，然后根據波動理論求巖體的變形參數(shù)。一、巖體變形試驗及其變形參數(shù)確定巖體變形試驗(2種)：靜力法和動力法一、巖體變形試驗及其變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41、承壓板法

剛性承壓板法柔性承壓板法1、承壓板法剛性承壓板法5ω是與承壓板形狀與剛度有關的系數(shù)。對于圓形板ω＝0.785；對于方形板ω＝0.886

ω是與承壓板形狀與剛度有關的系數(shù)。62、鉆孔變形法

優(yōu)點：①對巖體擾動??；②可以在地下水位以下和相當深的部位進行；③試驗方向基本上不受限制，而且試驗壓力可以達到很大；④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。

2、鉆孔變形法優(yōu)點：①對巖體擾動??；②可以在地下水位以下和73、狹縫法

3、狹縫法8常見巖體的彈性模量和變形模量

常見巖體的彈性模量和變形模量9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，而且受結構面發(fā)育程度及風化程度等因素影響十分明顯。不同地質條件下的同一巖體，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。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10二、巖體變形參數(shù)估算一是在現(xiàn)場地質調查的基礎上，建立適當?shù)膸r體地質力學模型，利用室內小試件試驗資料來估算?！惐确ǘ窃趲r體質量評價和大量試驗資料的基礎上，建立巖體分類指標與變形參數(shù)之間的經驗關系，并用于變形參數(shù)估算?！椒ǘ?、巖體變形參數(shù)估算一是在現(xiàn)場地質調查的基礎上，建立適當?shù)膸r111、層狀巖體變形參數(shù)估算

層狀巖體的地質力學模型假設各巖層厚度相等為S，且性質相同。層面的張開度可忽略不計假設巖塊的變形參數(shù)為E，μ和G，層面的變形參數(shù)為Kn，Ks。取n-t坐標系，n垂直層面，t平行層面。由巖塊和層面組成單元體。1、層狀巖體變形參數(shù)估算層狀巖體的地質力學模型12（1）法向應力σn作用下的巖體變形參數(shù)

1)沿n方向加荷2)沿t方向加荷（1）法向應力σn作用下的巖體變形參數(shù)1)沿n方向加荷213(2)剪應力作用下的巖體變形參數(shù)

(2)剪應力作用下的巖體變形參數(shù)142、裂隙巖體變形參數(shù)的估算

2、裂隙巖體變形參數(shù)的估算15（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（1）用RMR值估算巖體變形模量（2）用Q值估算縱波速度和巖16三、巖體變形曲線類型及其特征

1、法向變形曲線直線型上凹型上凸型復合型三、巖體變形曲線類型及其特征1、法向變形曲線17直線型通過原點的直線，其方程為p＝f(W)＝KW加壓過程中W隨p成正比增加巖體巖性均勻、結構面不發(fā)育或結構面分布均勻巖體剛度大，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，接近于均質彈性體。

巖體剛度低、易變形，由多組結構面切割且分布較均勻或巖性較軟弱且均質或平行層面加壓。有明顯的塑性變形和回滯環(huán)，非彈性變形。

陡直線型緩直線型直線型通過原點的直線，其方程為p＝f(W)＝KW巖體剛度大，18上凹型曲線方程為p＝f(W)，dp/dW隨p增大而遞增，dp/dW＞0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上凹型曲線方程為p＝f(W)，dp/dW隨p增大而遞增，dp19上凸型曲線方程為p＝f(W)，dp/dW隨p增加而遞減，d2p/dW2＜0。結構面發(fā)育且有泥質充填的巖體、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。結構面發(fā)育不均或巖性不均勻的巖體，常呈此類曲線。上凸型曲線方程為p＝f(W)，dp/dW隨p增加而遞減，d2202、剪切變形曲線峰值前曲線平均斜率小，破壞位移大；峰值后應力降很小或不變。多為沿軟弱結構面剪切。峰值前曲線平均斜率較大，峰值強度較高。峰值后應力降較大。多為沿粗糙結構面、軟弱巖體及劇風化巖體剪切。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。峰值后應力降大，殘余強度較低。多為剪斷堅硬巖體。2、剪切變形曲線峰值前曲線平均斜率小，破壞位移大；峰值后應力21四、影響巖體變形性質的因素

影響因素：巖性、結構面特征、風化程度、試驗方法、試件尺寸、加荷條件、溫度、濕度等。結構面密度結構面的張開度及充填特征四、影響巖體變形性質的因素影響因素：巖性、結構面特征、風22結構面方位結構面方位23§6.2巖體的強度性質一、巖體的剪切強度二、裂隙巖體的壓縮強度三、裂隙巖體強度的經驗估算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，也不同于結構面的強度，一般情況下，其強度介于巖塊與結構面強度之間。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?！?.2巖體的強度性質一、巖體的剪切強度巖體強度是指巖體24一、巖體的剪切強度

巖體的剪切強度是指巖體內任一方向剪切面，在法向應力作用下所能抵抗的最大剪應力。剪切強度分為抗剪斷強度、抗剪強度和抗切強度?？辜魯鄰姸仁侵冈谌我环ㄏ驊ο?，橫切結構面剪切破壞時巖體能抵抗的最大剪應力?？辜魪姸仁侵冈谌我环ㄏ驊ο拢瑤r體沿已有破裂面剪切破壞時的最大應力?？骨袕姸仁侵讣羟忻嫔系姆ㄏ驊榱銜r的抗剪斷強度。一、巖體的剪切強度巖體的剪切強度是指巖體內任一方向剪切面，251、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

1、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26巖體的力學性質ppt課件27巖體剪應力(τ)-剪位移(u)曲線及法向應力(σ)-法向變形(W)曲線。剪切強度曲線及巖體剪切強度參數(shù)Cm，φm值巖體剪應力(τ)-剪位移(u)曲線及法向應力(σ)-法向變形28巖體內摩擦角與巖塊較接近而內聚力則大大低于巖塊。說明結構面的存在主要是降低了巖體的連結能力進而降低其內聚力。

各類巖體的剪切強度參數(shù)表巖體內摩擦角與巖塊較接近而內聚力則大大低于巖塊。說明結構面的292、巖體的剪切強度特征巖體的剪切強度是具有上限和下限的值域，其強度包絡線也是有上限和下限的曲線族。上限是巖體的剪斷強度,下限是結構面的抗剪強度。應力σ較低時，強度變化范圍較大，隨著應力增大，范圍逐漸變小。應力σ高到一定程度時，包絡線變?yōu)橐粭l曲線，巖體強度將不受結構面影響而趨于各向同性體。沿結構面剪切(重剪破壞)時，巖體剪切強度最低，等于結構面的抗剪強度。橫切結構面剪切(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。2、巖體的剪切強度特征巖體的剪切強度是具有上限和下限的值域，30堅硬巖石的強度曲線軟弱巖石的強度曲線堅硬巖石的強度曲線31二、裂隙巖體的壓縮強度

巖體的壓縮強度分為單軸抗壓強度和三軸壓縮強度。在生產實際中，通常是采用原位單軸壓縮和三軸壓縮試驗來確定。

單軸壓縮三軸壓縮二、裂隙巖體的壓縮強度巖體的壓縮強度分為單軸抗壓強度和三軸32單結構面理論單結構面理論33巖體的強度(σ1－σ3)隨結構面傾角β的變化而變化。當β→φj或β→90°時，巖體不可能沿結構面破壞，而只能產生剪斷巖體破壞。只有當β1≤β≤β2時，巖體才能沿結構面破壞。單結構面理論巖體的強度(σ1－σ3)隨結構面傾角β的變化而變化。單結構34單結構面理論當β＝45°＋φj／2時，巖體強度取得最低值σ3=0單結構面理論當β＝45°＋φj／2時，巖體強度取得最低值σ35單結構面理論含多組結構面，且假定各組結構面具有相同的性質時，可分步運用單結構面理論確定巖體強度包線及巖體強度。隨結構面組數(shù)的增加，巖體的強度趨向于各向同性，并被大大削弱，且多沿復合結構面破壞。含四組以上結構面巖體的強度可按各向同性考慮。當σ3接近于σmc時，可視為各向同性體。

單結構面理論含多組結構面，且假定各組結構面具有相同的性質時，36三、裂隙巖體強度的經驗估算

Hoek-Brown的經驗方程M、S、A、B、T為與巖性及結構面情況有關的常數(shù)，根據巖體性質查表確定。

三、裂隙巖體強度的經驗估算Hoek-Brown的經驗方程M37巖體質量和經驗常數(shù)之間關系

表巖體質量和經驗常數(shù)之間關系

表38§6.3巖體的動力學性質一、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)巖體的動力學性質是巖體在動荷載作用下所表現(xiàn)出來的性質，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?！?.3巖體的動力學性質一、巖體中彈性波的傳播規(guī)律巖體的39一、巖體中彈性波的傳播規(guī)律彈性波在介質中的傳播速度僅與介質密度ρ及其動力變形參數(shù)Ed，μd有關。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)壓縮波剪切波一、巖體中彈性波的傳播規(guī)律彈性波在介質中的傳播速度僅與介質密40影響彈性波在巖體中的傳播速度的因素

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。沿結構面?zhèn)鞑サ乃俣却笥诖怪苯Y構面?zhèn)鞑サ乃俣?。在壓應力作用下，波速隨應力增加而增加，波幅衰減少；反之，在拉應力作用下，則波速降低，衰減增大。隨巖體中含水量的增加導致彈性波速增加。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。影響彈性波在巖體中的傳播速度的因素不同巖性巖體中彈性波速度41二、巖體中彈性波速度的測定地震法聲波法選擇代表性測線，布置測點和安裝聲波儀發(fā)生正弦脈沖，向巖體內發(fā)射聲波記錄縱、橫波在巖體中傳播的時間

二、巖體中彈性波速度的測定地震法選擇代表性測線，布置測點和安42常見巖石的縱、橫波速度值常見巖石的縱、橫波速度值43常見巖體不同結構面發(fā)育情況下的縱波速度值

常見巖體不同結構面發(fā)育情況下的縱波速度值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)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。優(yōu)點：不擾動被測巖體的天然結構和應力狀態(tài)；測定方法簡便，省時省力；能在巖體中各個部位廣泛進行。計算公式：三、巖體的動力變形與強度參數(shù)1、動力變形參數(shù)45常見巖體動彈性模量和動泊松比參考值

常見巖體動彈性模量和動泊松比參考值46幾種巖體動、靜彈性模量比較表幾種巖體動、靜彈性模量比較表47巖體與巖塊的動彈性模量都普遍大于靜彈性模量堅硬完整巖體Ed/Eme約為1.2～2.0風化、裂隙發(fā)育的巖體和軟弱巖體Ed/Eme約為1.5～10.0左右，大者可超過20.0

原因：①靜力法采用的最大應力大部分在1.0～10.0MPa，少數(shù)則更大，變形量常以mm計，而動力法的作用應力約為10－4MPa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。②靜力法持續(xù)的時間較長。③靜力法擾動了巖體的天然結構和應力狀態(tài)。動彈性模量與靜彈性模量的關系巖體與巖塊的動彈性模量都普遍大于靜彈性模量動彈性模量與靜彈48用動彈性模量換算靜彈性模量

利用巖塊與巖體的縱波速度計算巖體完整性系數(shù)Kv用動彈性模量換算靜彈性模量利用巖塊與巖體的縱波速度計算巖體492、動力強度參數(shù)

靜態(tài)加載、準靜態(tài)加載：應變率<10－4s-1動態(tài)加載:應變率>10－4s-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1.2～2.0倍。原因：這實際上是一個時間效應問題，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。2、動力強度參數(shù)靜態(tài)加載、準靜態(tài)加載：應變率<10－4s-50巖石在不同荷載速率下的強度值利用巖塊與巖體的縱波速度計算巖體強度巖石在不同荷載速率下的強度值利用巖塊與巖體的縱波速度計算巖體51§6.4巖體的水力學性質瑪爾帕塞拱壩潰壩巖體水力學性質是指巖體與水共同作用所表現(xiàn)出來的力學性質。水在巖體中的作用：1.水對巖石的物理化學作用；2.水與巖體（或應力）相互耦合作用下的力學效應。§6.4巖體的水力學性質瑪爾帕塞拱壩潰壩巖52一、單個結構面的水力特征二、裂隙巖體的水力特征三、應力對巖體滲透性能的影響四、滲流應力研究模型：1.用等效連續(xù)介質模型來研究，認為裂隙巖體是由空隙性差而導水性強的結構面系統(tǒng)和導水性弱的巖塊孔隙系統(tǒng)構成的雙重連續(xù)介質；2.把巖體看成為單純的按幾何規(guī)律分布的裂隙介質，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構。一、單個結構面的水力特征研究模型：53一、單個結構面的水力特征1、平直光滑無充填貫通結構面

假設如圖，有微分方程牛頓粘滯定律平均流速邊界條件一、單個結構面的水力特征1、平直光滑無充填貫通結構面假設如542、非平直光滑無充填貫通結構面

K2為結構面的面連續(xù)性系數(shù)c為結構面的相對粗糙修正系數(shù)h為結構面起伏差為水的運動粘滯系數(shù)（cm2/s），2、非平直光滑無充填貫通結構面K2為結構面的面連續(xù)性系數(shù)55二、裂隙巖體的水力特征1、含一組結構面巖體的滲透性能

設結構面的張開度為e，間距為S，滲透系數(shù)為Kf；巖塊的滲透系數(shù)為Km。二、裂隙巖體的水力特征1、含一組結構面巖體的滲透性能562、含多組結構面巖體的滲透性能

根據結構面發(fā)育的隨機性，借助計算機搜索出一定范圍內的連通結構面網絡圖，在此基礎上，進一步計算巖體的滲透張量。

2、含多組結構面巖體的滲透性能根據結構面發(fā)育的隨機性，借助573、巖體滲透系數(shù)的測試

抽水試驗壓水試驗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的巖體的吸水量。當試驗段底與下部隔水層的距離大于試驗段長度時，a=0.66,反之a=1.323、巖體滲透系數(shù)的測試抽水試驗當試驗段底與下部隔水層的距58透水率q的確定（呂榮試驗）透水率q單位呂榮（Lu）的定義為當試段壓力為1MPa時，每米試段的壓入流量。呂榮試驗的基本要點自上而下單栓塞分段壓水，試段長5m，相鄰試段互相銜接每試段按三級壓力（p1＜p2＜p3）、五個階段（p1-p2-p3-p2-p1）進行，通常p1=0.3MPa，p2=0.6MPa，p3=1.0MPa試驗鉆孔采用59~150mm孔徑透水率q的確定（呂榮試驗）透水率q單位呂榮（Lu）的定義為當59巖體滲透性分級滲透性等級標準巖體特征滲透系數(shù)(cm/s)透水率q（Lu）極微透水0~10-60~0.1含張開度＜0.025mm裂隙的巖體微透水10-6~10-50.1~1含張開度0.025~0.05mm裂隙弱透水10-5~10-41~10含張開度0.05~0.1mm裂隙