土的工程性质_11章_岩体的力学性质

第十一章岩体的力学性质岩体的力学性质，一方面取决于它的受力条件；另一方面则受岩体的地质特征和赋存的环境条件的影响。其影响因素主要包括：组成岩体的岩石变形与强度性质；各种结构面的发育特征及其变形与强度性质；岩体的赋存环境，尤其是天然应力及地下水的影响。其中，结构面影响是岩体力学性质不同于岩石的本质原因。11-1岩体的变形性质由于岩体中包含有大量的结构面，结构面中还往往有各种充填物存在，因此，岩体在外力作用下的变形是岩石变形、结构面闭合和充填物变形三者的总和，且在一般情况下，结构面和充填物变形常起控制作用。一、结构面的变形特征2)曲线为为渐近线的双曲线，说明结构面的变形大部分在低应力下就趋于完成。3）含结构面岩块的变形ΔVt,开始随σn增加呈非线性增加，当σn达到某一定值后，σn—ΔVt曲线变陡且近似与σ—ΔVr曲线平行。4）由非线性变形转变为线性变形的法向应力大约在岩石抗压强度的1/3处，σn高于σc／3后的ΔVt主要是岩块变形贡献的。1)在法向应力作用下，结构面闭合变形开始较快，变形量也较大，随后逐渐变慢，变形量趋于常量。1．法向变形特征结构面的剪切变形有二种基本类型2．剪切变形特征在岩体中取含有结构面的岩块试件，在一定的法向应力下进行剪切试验，可得到结构面的剪应力τ—剪位移Δμj，关系曲线。一类为塑性变形型，如泥化夹层、光滑平直破裂面等；另一类为脆性变形型，τ-Δμj曲线有明显的峰值点和应力降；当应力降至一定值后趋于稳定，不再随位移变化而变化，如粗糙结构面常具这种变形特征。•岩体变形参数的测定方法有静力法和动力法两类。二、岩体变形参数的测定目的：测定岩体的变形指标E、μ，测定σ－ε关系。•动力法则是通过测定弹性波在岩体中的传播速度，依据一定的公式求取岩体的变形参数，主要有地震法和声波法。•静力法又可分承压板法、狭缝法、钻孔变形法及水压洞室法等。•目前，国内应用较广的是承压板法、钻孔变形法及声波法等。承压板法狭缝法钻孔变形法水压洞室法单(双)轴压缩试验法声波法地震波法原位岩体变形试验静力法动力法三、岩体变形曲线类型(1)直线型(2)上凹型(3)下凹型11-2岩体的强度性质一般情况下，岩体的强度既不等于岩块的强度，也不等于结构面的强度，而是两者共同影响表现出来的强度。一、结构面的抗剪强度根据结构面的形态、连续性、充填情况及其力学性质，可将结构面分为平直光滑无充填的、粗糙起伏无充填的、非贯通断续的及有充填的软弱结构面四类。这类结构面以光滑破裂面及摩擦镜面(如剪切理、片理面等)为代表，是摩擦剪切作用的产物，一般无充填，并附有动力变质矿物薄膜。其抗剪强度接近于人工磨光面的摩擦强度，即：1．平直光滑无充填结构面的抗剪强度这类结构面的特点是具有粗糙起伏度，在法向应力较小时，剪切过程中可引起上滑效应(或称剪胀效应)，从而增大了结构面的抗剪强度。沿结构面产生滑动时2．粗糙起伏无充填结构面的抗剪强度当法向应力不断增大，并达到一定值时，由于岩块上滑运动所需的功达到并超过了剪断锯齿体所需要的功，锯齿将被挫断，这时结构面的抗剪强度为：（1977N·Barton）经验公式：])lg(tan[bnnJCSJRC)lg()tan(nbnJCSarcJRCJRC为节理粗糙系数JCS为节理壁抗压强度这类结构面的抗剪强度由各段结构面抗剪强度和非贯通段岩石(岩桥)的抗剪断强度两部分组成。因此，整个结构面的强度取决于结构面和岩石性质，以及结构面的连续性。3．非贯通断续结构面的抗剪强度4．具充填的软弱结构面的抗剪强度这类结构面的抗剪强度，主要取决于充填物的成分、结构、厚度及充填度和含水状况等。岩体中任一方向的剪切面，在一定的法向应力作用下所能抵抗的最大剪应力，称为岩体的抗剪强度。岩体的抗剪强度也可细分为抗剪断强度、抗切强度及摩擦强度三种。在生产实际中，常用抗剪断强度参数。二、岩体的剪切试验及抗剪强度图4－1节理岩体的强度特征与岩石强度的区别Ⅰ－岩石；Ⅱ－节理化岩体：Ⅲ－节理岩体强度=岩块强度+节理强度11-3岩体的动力性质岩体的动力性质是指岩体在动荷载作用下表现出来的力学性质，包括岩体中弹性波的传播规律及岩体动力变形与强度特性。这些性质在岩体动力稳定性评价及岩体物理力学性质参数确定中具有重要的意义。当岩体(岩块)受到振动、冲击或爆破作用时，在岩体中将有各种不同动力特性的波传播。一、岩体中弹性波的传播规律这些波包括塑性波和弹性波；在应力值较低时，岩体中只有弹性波产生。弹性波的传播也称声波的传播，又分为体波和面波。体波是在岩体内部传播的波，主要有纵波和横波两种，纵波(P波)又称为压缩波，波的传播方向与质点振动方向一致；横波(s波)又称剪切波，其传播方向与质点振动方向垂直。面波又有瑞利波和勒夫波之分。声波法•选择代表性测线，布置测点和安装声波仪•发生正弦脉冲，向岩体内发射声波•记录纵、横波在岩体中传播的时间21])21)(1()1([ddddpEV21])1([ddsEV若已知spVV,,可根据上两式推出求动弹性模量和动泊松比一般来说，岩块波速要大于岩体波速；新鲜完整得岩体波速大；裂隙越发育和风化破碎岩体的波速越小。完整性系数K：2)(岩石岩体VVK式中：V岩体、V岩石分别为弹性波在岩体和岩石中传播的纵波速度。岩体动弹性模量Ed的测定：根据弹性波波速算出动弹性模量Ed和动泊松比μd。dddpdvE1)21)(1(2)(222222spspdvvvv式中：vp,,vs纵波波速和横波波速，ρ为岩体密度。一般而言：EdEe,μdμ。二、岩体的动变形与动强度参数岩体与岩块的动弹性模量都普遍大于静弹性模量坚硬完整岩体Ed/Eme约为1.2～2.0风化、裂隙发育的岩体和软弱岩体Ed/Eme约为1.5～10.0左右，大者可超过20.0原因：①静力法采用的最大应力大部分在1.0～10.0MPa，少数则更大，变形量常以mm计，而动力法的作用应力约为10－4MPa量级，引起的变形量很微小。因此静力法会测得较大的不可逆变形，而动力法则测不到这种变形。②静力法持续的时间较长。③静力法扰动了岩体的天然结构和应力状态。动弹性模量与静弹性模量的关系用动弹性模量换算静弹性模量dmejEE利用岩块与岩体的纵波速度计算岩体完整性系数Kv2rpmpVvvK在进行岩石力学试验时，施加在试件上的荷裁并非是完全静止的。从这个意义上讲，静态加载和动态加载没有根本的区别，而仅仅是加载速度的范围不同。2．岩体的动强度参数静态加载、准静态加载：应变率10－4s-1动态加载:应变率10－4s-1•动态加载下岩石的强度比静态加载时的强度高。•冲击荷载下岩石的动抗压强度约为静抗压强度的1.2～2.0倍。•原因：这实际上是一个时间效应问题，在加载速率缓慢时，岩石中的塑性变形得以充分发展，反映出强度较低；反之，在动态加载下，塑性变形来不及发展，则反映出较高的强度。特别是在爆破等冲击荷载作用下，岩体强度提高尤为明显。