第三章巖體力學問題

第三章巖體力學問題第1頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強度及變形特征巖石強度巖塊強度：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度單軸抗拉強度剪切強度三軸壓縮強度受力狀態(tài)第2頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強度及變形特征力學性質

★巖石強度指標（抵抗破壞的能力）

?單向抗拉強度Ｒｔ﹤二向抗剪強度ＲＳ﹤單向抗壓強度Ｒｃ﹤二向軸抗壓強度Ｒ２ｃ﹤三向抗壓強度Ｒ３ｃ。

?巖石變形指標（承受變形的能力）

包括：變形模量Ｅ、泊松比μ、峰值應變εＰ等。?完整性（節(jié)理、層理、裂隙發(fā)育程度）第3頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月單軸抗壓強度σc定義：在單向壓縮條件下，巖塊能承受的最大壓應力，簡稱抗壓強度（MPa）。

意義:衡量巖塊基本力學性質的重要指標

巖體工程分類、建立巖體破壞判據(jù)的重要指標

用來大致估算其他強度參數(shù)

測定方法：抗壓強度試驗2、圍巖強度及變形特征試樣pA點荷載試驗

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

巖石名稱抗壓強度（MPa）巖石名稱抗壓強度（MPa）巖石名稱抗壓強度（MPa）輝長巖180~300輝綠巖200~350頁巖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，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強度及變形特征單軸抗拉強度σt定義：單向拉伸條件下，巖塊能承受的最大拉應力，簡稱抗拉強度意義：衡量巖體力學性質的重要指標用來建立巖石強度判據(jù)，確定強度包絡線選擇建筑石材不可缺少的參數(shù)

測定方法：直接拉伸:是將圓柱狀試件兩端固定在材料試驗機的拉伸夾具內，然后對試件施加軸向拉荷載至破壞

PtPt第8頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強度及變形特征單軸抗拉強度σt測定方法：間接法（劈裂法、點荷載法、三點彎曲法）劈裂法:是用圓柱體或立方體試件，橫置于壓力機的承壓板上，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產生的近于均布的水平拉應力σx=2p/πDL在水平向直徑平面內產生的壓應力σy=6p/

DL抗拉強度σt=2pt

/πDL

（圓形試樣）

σt=2pt

/πa2

（方形試樣）第9頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強度及變形特征點荷載試驗是將試件放在點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荷載強度。點荷載強度Is=pt/D2抗拉強度σt=kIs第10頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強度及變形特征常見巖石的抗拉強度

巖石名稱抗拉強度（MPa）巖石名稱抗拉強度（MPa）巖石名稱抗拉強度（MPa）輝長巖15~36花崗巖7~25頁巖2~8輝綠巖15~35流紋巖15~30砂巖4~15玄武巖10~30閃長巖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，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強度及變形特征剪切強度

定義：在剪切荷載作用下，巖塊抵抗剪切破壞的最大剪應力，稱為剪切強度

抗剪斷強度：指試件在一定的法向應力作用下，沿預定剪切面剪斷時的最大剪應力抗切強度：

指試件上的法向應力為零時，沿預定剪切面剪斷時的最大剪應力摩擦強度：

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

抗剪斷強度的測試方法：直剪試驗、變角板剪切試驗、三軸試驗

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

第14頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強度及變形特征三軸壓縮強度定義：試件在三向壓應力作用下能抵抗的最大的軸向應力。測定方法:在一定的圍壓σ3下，對試件進行三軸試驗時，巖塊的三軸壓縮強度σcm(MPa)為：第15頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強度及變形特征利用三軸試驗確定抗剪強度根據(jù)一組試件(4個以上)試驗得到的三軸壓縮強度σcm和相應的σ3以及單軸抗拉強度σt。在σ-τ坐標系中可繪制出巖塊的強度包絡線。除頂點外，包絡線上所有點的切線與σ軸的夾角及其在τ軸上的截距分別代表相應破壞面的內摩擦角(φ)和內聚力(C)。

第16頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強度及變形特征莫爾應力圓及其強度參數(shù)關系第17頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強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)延性度對破壞形式的量化分類

延性度：巖石不可恢復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，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強度及變形特征峰值前變形階段峰值后變形階段(-)

oABCDE(+)

L

V

d

巖石應力－應變全過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:峰值強度微裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段－屈服過程(BC)C點:屈服強度空隙壓密階段(OA)彈性變形階段(AB)B點:彈性極限第19頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強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力－應變曲線類型εσεσεσεσεσεσ第20頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強度及變形特征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力與軸向應變之比應力-應變曲線為直線型時的變形模量又可稱為彈性模量應力-應變曲線為非直線型情況下：

?初始模量(Ei)指曲線原點處的切線(Ⅰ)的斜率?切線模量(Et)指曲線上任一點處切線的斜率，通常取直線段(Ⅱ)的斜率?割線模量(Es)指曲線上任意點與原點連線的斜率，通常取σc／２處的點與原點連線(Ⅲ)的斜率第21頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強度及變形特征泊松比(μ)（poisson`sratio）單軸壓縮條件下橫向應變εｄ與軸向應變εＬ之比：σε(+)εL2oεLεLsεL1εdεd1εdsεd2ε(-)σcσ2σ1σc/2泊松比是一彈性指標，表征材料彈性變形階段軸向應變與徑向應變的比值：，但為簡便起見，實際工作中，常采用對應于比值來計算泊松比。變形模量和泊松比受巖石礦物組成、結構構造、風化程度、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，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強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頁巖1~3.52~80.2~0.4輝長巖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，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強度及變形特征巖石的蠕變性質流變：外部條件不變情況下，巖石的變形或應力隨時間而變化的現(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間而增大

?蠕變曲線特征（三個階段）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，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強度及變形特征影響蠕變的因素

巖性、應力、溫度及濕度

2468101202468t(×104s)ε(×10-6)頁巖砂巖花崗巖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，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強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，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強度及變形特征循環(huán)加載卸荷點（P）的應力低于巖石的彈性極限(A)卸荷點（P）的應力高于巖石的彈性極限(A)第27頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強度及變形特征反復加－卸荷疲勞破壞巖石記憶σmσm:疲勞強度第28頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強度及變形特征圍壓對變形破壞的影響真三軸試驗

1>2>3

常規(guī)三軸試驗

1>2=3

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

3增大而增大巖石的峰值強度隨

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）巖石應變軟化特征隨

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

3增大而不斷增大，當

3增大到一定值時，巖石由彈脆性轉變?yōu)樗苄?，通常稱此時的

3為“轉化壓力”

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破壞方式過渡，巖石破壞后應力降隨

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

巖石在淺部表現(xiàn)為脆性，在深部則很可能轉化為延性(ductile)。在實驗中巖石的這種性質是隨著圍壓的升高而發(fā)生的，往往存在一個“脆性-韌性轉化臨界圍壓”，對應到工程中實際上就是臨界深度。

脆性力學響應韌性行為力學響應

(ductilebehavior)第32頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強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，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月2、圍巖強度及變形特征YamaguchimarbleEffectofp,

2

and

3

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