第三章巖體力學(xué)問題

第三章巖體力學(xué)問題第1頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強(qiáng)度及變形特征巖石強(qiáng)度巖塊強(qiáng)度：巖塊抵抗外力破壞的能力巖塊破壞方式

脆性破壞塑性破壞(延性破壞）拉破壞剪切破壞單軸抗壓強(qiáng)度單軸抗拉強(qiáng)度剪切強(qiáng)度三軸壓縮強(qiáng)度受力狀態(tài)第2頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強(qiáng)度及變形特征力學(xué)性質(zhì)

★巖石強(qiáng)度指標(biāo)（抵抗破壞的能力）

?單向抗拉強(qiáng)度Ｒｔ﹤二向抗剪強(qiáng)度ＲＳ﹤單向抗壓強(qiáng)度Ｒｃ﹤二向軸抗壓強(qiáng)度Ｒ２ｃ﹤?cè)蚩箟簭?qiáng)度Ｒ３ｃ。

?巖石變形指標(biāo)（承受變形的能力）

包括：變形模量Ｅ、泊松比μ、峰值應(yīng)變?chǔ)牛械取?完整性（節(jié)理、層理、裂隙發(fā)育程度）第3頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月單軸抗壓強(qiáng)度σc定義：在單向壓縮條件下，巖塊能承受的最大壓應(yīng)力，簡(jiǎn)稱抗壓強(qiáng)度（MPa）。

意義:衡量巖塊基本力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)

巖體工程分類、建立巖體破壞判據(jù)的重要指標(biāo)

用來大致估算其他強(qiáng)度參數(shù)

測(cè)定方法：抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)2、圍巖強(qiáng)度及變形特征試樣pA點(diǎn)荷載試驗(yàn)

第4頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強(qiáng)度及變形特征室內(nèi)巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試儀器第5頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強(qiáng)度及變形特征巖塊常見破壞方式：拉破壞/剪破壞/對(duì)頂錐破壞第6頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強(qiáng)度及變形特征常見巖石的抗壓強(qiáng)度

巖石名稱抗壓強(qiáng)度（MPa）巖石名稱抗壓強(qiáng)度（MPa）巖石名稱抗壓強(qiáng)度（MPa）輝長(zhǎng)巖180~300輝綠巖200~350頁(yè)巖10~100花崗巖100~250玄武巖150~300砂巖20~200流紋巖180~300石英巖150~350礫巖10~150閃長(zhǎng)巖100~250大理巖100~250板巖60~200安山巖100~250片麻巖50~200千枚巖、片巖10~100白云巖80~250灰?guī)r20~200第7頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強(qiáng)度及變形特征單軸抗拉強(qiáng)度σt定義：?jiǎn)蜗蚶鞐l件下，巖塊能承受的最大拉應(yīng)力，簡(jiǎn)稱抗拉強(qiáng)度意義：衡量巖體力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)用來建立巖石強(qiáng)度判據(jù)，確定強(qiáng)度包絡(luò)線選擇建筑石材不可缺少的參數(shù)

測(cè)定方法：直接拉伸:是將圓柱狀試件兩端固定在材料試驗(yàn)機(jī)的拉伸夾具內(nèi)，然后對(duì)試件施加軸向拉荷載至破壞

PtPt第8頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強(qiáng)度及變形特征單軸抗拉強(qiáng)度σt測(cè)定方法：間接法（劈裂法、點(diǎn)荷載法、三點(diǎn)彎曲法）劈裂法:是用圓柱體或立方體試件，橫置于壓力機(jī)的承壓板上，且在試件上、下承壓面上各放一根墊條。然后以一定的加荷速率加壓，直至試件破壞在線布荷載(p)作用下，沿試件豎直向直徑平面內(nèi)產(chǎn)生的近于均布的水平拉應(yīng)力σx=2p/πDL在水平向直徑平面內(nèi)產(chǎn)生的壓應(yīng)力σy=6p/

DL抗拉強(qiáng)度σt=2pt

/πDL

（圓形試樣）

σt=2pt

/πa2

（方形試樣）第9頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強(qiáng)度及變形特征點(diǎn)荷載試驗(yàn)是將試件放在點(diǎn)荷載儀中的球面壓頭間，加壓至試件破壞，利用破壞荷載求巖塊的點(diǎn)荷載強(qiáng)度。點(diǎn)荷載強(qiáng)度Is=pt/D2抗拉強(qiáng)度σt=kIs第10頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強(qiáng)度及變形特征常見巖石的抗拉強(qiáng)度

巖石名稱抗拉強(qiáng)度（MPa）巖石名稱抗拉強(qiáng)度（MPa）巖石名稱抗拉強(qiáng)度（MPa）輝長(zhǎng)巖15~36花崗巖7~25頁(yè)巖2~8輝綠巖15~35流紋巖15~30砂巖4~15玄武巖10~30閃長(zhǎng)巖10~25礫巖2~15石英巖10~30安山巖10~20灰?guī)r5~15大理巖7~20片麻巖5~20千枚巖、片巖1~10白云巖15~25板巖7~15第11頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強(qiáng)度及變形特征剪切強(qiáng)度

定義：在剪切荷載作用下，巖塊抵抗剪切破壞的最大剪應(yīng)力，稱為剪切強(qiáng)度

抗剪斷強(qiáng)度：指試件在一定的法向應(yīng)力作用下，沿預(yù)定剪切面剪斷時(shí)的最大剪應(yīng)力抗切強(qiáng)度：

指試件上的法向應(yīng)力為零時(shí)，沿預(yù)定剪切面剪斷時(shí)的最大剪應(yīng)力摩擦強(qiáng)度：

指試件在一定的法向應(yīng)力作用下，沿已有破裂面（層面、節(jié)理等）再次剪切破壞時(shí)的最大剪應(yīng)力第12頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月剪切強(qiáng)度：是反映巖塊的力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)，可用來估算巖體力學(xué)參數(shù)及建立強(qiáng)度判據(jù)

抗剪斷強(qiáng)度的測(cè)試方法：直剪試驗(yàn)、變角板剪切試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)

直剪試驗(yàn)在直剪儀上進(jìn)行，按庫(kù)侖定律求巖塊的剪切強(qiáng)度參數(shù)C、φ值。2、圍巖強(qiáng)度及變形特征第13頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強(qiáng)度及變形特征變角板剪切試驗(yàn)是將立方體試件，置于變角板剪切夾具中加壓直至試件沿預(yù)定的剪切面破壞。

第14頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強(qiáng)度及變形特征三軸壓縮強(qiáng)度定義：試件在三向壓應(yīng)力作用下能抵抗的最大的軸向應(yīng)力。測(cè)定方法:在一定的圍壓σ3下，對(duì)試件進(jìn)行三軸試驗(yàn)時(shí)，巖塊的三軸壓縮強(qiáng)度σcm(MPa)為：第15頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強(qiáng)度及變形特征利用三軸試驗(yàn)確定抗剪強(qiáng)度根據(jù)一組試件(4個(gè)以上)試驗(yàn)得到的三軸壓縮強(qiáng)度σcm和相應(yīng)的σ3以及單軸抗拉強(qiáng)度σt。在σ-τ坐標(biāo)系中可繪制出巖塊的強(qiáng)度包絡(luò)線。除頂點(diǎn)外，包絡(luò)線上所有點(diǎn)的切線與σ軸的夾角及其在τ軸上的截距分別代表相應(yīng)破壞面的內(nèi)摩擦角(φ)和內(nèi)聚力(C)。

第16頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強(qiáng)度及變形特征莫爾應(yīng)力圓及其強(qiáng)度參數(shù)關(guān)系第17頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強(qiáng)度及變形特征巖石變形形式變形

彈性變形、塑性變形

彈性、塑性破壞

脆性破壞、塑性破壞脆性、塑性粘性、延性根據(jù)延性度對(duì)破壞形式的量化分類

延性度：巖石不可恢復(fù)的塑性變形在總變形量中的比例延性度≦3％：脆性破壞延性度≧5％：延性破壞延性度3％～5％：塑性破壞巖石變形特征第18頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強(qiáng)度及變形特征峰值前變形階段峰值后變形階段(-)

oABCDE(+)

L

V

d

巖石應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)^程的變形階段破壞后階段(DE)全過程曲線

前過程曲線破壞過程(CD)D點(diǎn):峰值強(qiáng)度微裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段－屈服過程(BC)C點(diǎn):屈服強(qiáng)度空隙壓密階段(OA)彈性變形階段(AB)B點(diǎn):彈性極限第19頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強(qiáng)度及變形特征彈性型彈-塑性型塑-彈性型塑-彈-塑性型1塑-彈-塑性型2彈性-蠕變型峰值前過程應(yīng)力－應(yīng)變曲線類型εσεσεσεσεσεσ第20頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強(qiáng)度及變形特征o

L

i

i

Lo

2

50

1

i

1

50

2

iⅠⅡⅢ

c變形模量（modulusofdeformation)單軸壓縮條件下的軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變之比應(yīng)力-應(yīng)變曲線為直線型時(shí)的變形模量又可稱為彈性模量應(yīng)力-應(yīng)變曲線為非直線型情況下：

?初始模量(Ei)指曲線原點(diǎn)處的切線(Ⅰ)的斜率?切線模量(Et)指曲線上任一點(diǎn)處切線的斜率，通常取直線段(Ⅱ)的斜率?割線模量(Es)指曲線上任意點(diǎn)與原點(diǎn)連線的斜率，通常取σc／２處的點(diǎn)與原點(diǎn)連線(Ⅲ)的斜率第21頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強(qiáng)度及變形特征泊松比(μ)（poisson`sratio）單軸壓縮條件下橫向應(yīng)變?chǔ)牛渑c軸向應(yīng)變?chǔ)牛讨龋害姚?+)εL2oεLεLsεL1εdεd1εdsεd2ε(-)σcσ2σ1σc/2泊松比是一彈性指標(biāo)，表征材料彈性變形階段軸向應(yīng)變與徑向應(yīng)變的比值：，但為簡(jiǎn)便起見，實(shí)際工作中，常采用對(duì)應(yīng)于比值來計(jì)算泊松比。變形模量和泊松比受巖石礦物組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、風(fēng)化程度、空隙性、含水率及荷載方向等多種因素影響，變化較大。第22頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強(qiáng)度及變形特征巖性變形模量×104MPa泊松比巖性變形模量/×104MPa泊松比初始彈性初始彈性花崗巖2~65~100.2~0.3片麻巖1~81~100.22~0.35流紋巖2~85~100.1~0.25千枚巖、片巖0.2~51~80.2~0.4閃長(zhǎng)巖7~107~150.1~0.3板巖2~52~80.2~0.3安山巖5~105~120.2~0.3頁(yè)巖1~3.52~80.2~0.4輝長(zhǎng)巖7~117~150.12~0.2砂巖0.5~81~100.2~0.3輝綠巖8~118~150.1~0.3礫巖0.5~82~80.2~0.3玄武巖6~106~120.1~0.35灰?guī)r1~85~100.2~0.35石英巖6~206~200.1~0.25白云巖4~84~80.2~0.35大理巖1~91~90.2~0.35常見巖石的變形模量和泊松比第23頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強(qiáng)度及變形特征巖石的蠕變性質(zhì)流變：外部條件不變情況下，巖石的變形或應(yīng)力隨時(shí)間而變化的現(xiàn)象，主要包括蠕變、松弛。?蠕變(creep)：巖石在恒定的荷載作用下的變形隨時(shí)間而增大

?蠕變曲線特征（三個(gè)階段）AB段-初始蠕變階段BC段-等速蠕變階段CD段-加速蠕變階段εⅠεpⅡtⅢAεoBPTCUQRVD第24頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強(qiáng)度及變形特征影響蠕變的因素

巖性、應(yīng)力、溫度及濕度

2468101202468t(×104s)ε(×10-6)頁(yè)巖砂巖花崗巖100508040150200t/hε(%)188.2oC104.5oC29oCε(%)1.51.00.520406080100025(Mpa)30(Mpa)20.5(Mpa)18.1(Mpa)15(Mpa)12.5(Mpa)10(Mpa)t/d石膏石膏第25頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強(qiáng)度及變形特征其他變形參數(shù)剪切模量（Ｇ）拉梅常數(shù)（λ）體積模量（ＫV)彈性抗力系數(shù)（Ｋ）第26頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強(qiáng)度及變形特征循環(huán)加載卸荷點(diǎn)（P）的應(yīng)力低于巖石的彈性極限(A)卸荷點(diǎn)（P）的應(yīng)力高于巖石的彈性極限(A)第27頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強(qiáng)度及變形特征反復(fù)加－卸荷疲勞破壞巖石記憶σmσm:疲勞強(qiáng)度第28頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強(qiáng)度及變形特征圍壓對(duì)變形破壞的影響真三軸試驗(yàn)

1>2>3

常規(guī)三軸試驗(yàn)

1>2=3

第29頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強(qiáng)度及變形特征巖石破壞前應(yīng)變隨

3增大而增大巖石的峰值強(qiáng)度隨

3增大而增大巖石變形模量隨

3增大而增大（軟巖明顯，致密硬巖不明顯）巖石應(yīng)變軟化特征隨

3增大而減弱第30頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強(qiáng)度及變形特征巖石的塑性隨

3增大而不斷增大，當(dāng)

3增大到一定值時(shí)，巖石由彈脆性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄?，通常稱此時(shí)的

3為“轉(zhuǎn)化壓力”

隨

3的增大，巖塊從脆性劈裂破壞逐漸向塑性剪切及塑性流動(dòng)破壞方式過渡，巖石破壞后應(yīng)力降隨

3增大而降低第31頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強(qiáng)度及變形特征巖石的脆性-延性轉(zhuǎn)化性質(zhì)

巖石在淺部表現(xiàn)為脆性，在深部則很可能轉(zhuǎn)化為延性(ductile)。在實(shí)驗(yàn)中巖石的這種性質(zhì)是隨著圍壓的升高而發(fā)生的，往往存在一個(gè)“脆性-韌性轉(zhuǎn)化臨界圍壓”，對(duì)應(yīng)到工程中實(shí)際上就是臨界深度。

脆性力學(xué)響應(yīng)韌性行為力學(xué)響應(yīng)

(ductilebehavior)第32頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強(qiáng)度及變形特征不同圍壓下砂巖脆性區(qū)、過渡區(qū)和韌性區(qū)的分布(B-Brittle;T-Transition;D-Ductile)(Kwasniewski,1989)第33頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強(qiáng)度及變形特征YamaguchimarbleEffectofp,

2

and

3

(afterMogi,1973)第34頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強(qiáng)度及變形特征1.脆性能或斷裂韌度側(cè)向應(yīng)力控制的控制的破壞斷裂生長(zhǎng)破壞