工程岩土学第五章

一.岩体的力学性质——岩体在力的作用下所表现的性质①变形性——岩体承受力的作用而发生变形的性能包括：②抗破坏性——岩体抵抗力的作用而保持其自身完整性的性能概述§5.1注意：1.岩体的变形和破坏不是两个截然分开的阶段，而是一个统一的、连续的过程，破坏是累进性的。2.岩体的力学性质是由结构体（岩石）和结构面的力学性质共同决定的，二者在岩体力学性质中各自所占的地位，与岩体的完整性有关。但当破坏面部分沿已有裂隙，部分通过完整岩石时，并不能将岩石力学性质和结构面力学性质按照它们在破坏面中各自所占的比例简单地进行加权，用以表征岩体的力学性质。参考《岩石力学》。二．本章主要内容1.岩石的变形性2.岩石的抗破坏性3.结构面的强度4.岩体的变形性5.岩体的抗破坏性一．基本概念1.弹性——物体在力的作用下发生变形，而当撤除外力后能够恢复原状的性质2.塑性——物体在力的作用下发生不可逆变形的性质。这种不可逆的变形也称塑性变形或残余变形、永久变形3.脆性——物体在力的作用下应变量很小时即发生破坏的性质（ε＜3％）4.延性——物体在力的作用下破坏前能够发生大量应变的性质（ε＞5％）5.粘性——在力的作用下物体能够抑止瞬间变形，使变形因时间效应而滞后的性质。注：自然界中的岩石主要表现出上述哪种性质，与受力环境(尤其是温度、围压)和作用力的延续时间有关。在常温常压下，可将岩石看作近似的弹脆性体。岩石的变形性§5.2本节主要研究岩石在各种方式和条件的力的作用下所表现出的变形性质⒈岩石在单轴压力作用下的变形⒉岩石在三轴压力作用下的变形⒊岩石在单轴拉伸和剪切作用下的变形⒋岩石在辐射状压力下的变形⒌岩石的蠕变普通试验机:试件在峰值后，试验机突然释放应变能，试件崩解，无法得到应力~应变全过程;刚性试验机：压力机刚度大于试件刚度，能得到应力~应变全过程曲线;试件制备二．岩石在单轴压力作用下的变形加载、测量系统分级施加单轴压力，测量变形（一）应力与应变间的关系岩石的变形性，只有通过在应力作用下的变形过程才能表现出来。因此必须研究应力与应变（轴应变εa、周应变εc、体应变εv）之间的关系（图5－1），应用最广的是σ－εa曲线。岩石的全应力－应变曲线通过在压力机上对标准试样分级施加单轴压力，测量各级应力下变形停止后的累计应变量。以应力σ为纵坐标、应变εa为横坐标，绘制σ－εa关系曲线要求：绘制应力－应变曲线，掌握曲线上四个阶段的划分，各阶段的变形特征及曲线特征，比例极限、峰值应力的概念。岩石典型的全应力－应变曲线050100150200250050100150200εaσCBAO并非所有岩石都有以上明显的变形阶段岩石中原来存在的微裂隙闭合或被进一步压紧。此线段呈曲线型式，斜率随应力增大而逐渐增加，说明微裂隙的变化开始很快，随压力增加而减缓。这个阶段中的变形，以塑性变形为主，也包含少量的弹性变形。050100150200250050100150200εaσCBAO①微裂隙闭合阶段（OA段）—又叫“压密阶段”岩石中的微裂隙进一步闭合，孔隙被压缩，晶体受压而发生弹性变形。没有或者基本上还没有新裂隙产生，已有裂隙也还没有或基本上没有新的发展。应力与应变大致成正比关系，线段呈准直线型式。变形以弹性为主。B点相应的应力称为比例极限（弹性极限）。050100150200250050100150200εaσCBAO②直线变形阶段（AB段）—又叫“弹性变形阶段”σ超过比例极限以后，岩石中产生了新的裂隙，已有裂隙也得到发展，应变的增加速率超过应力的增加速率，呈曲线形式且斜率逐渐降低。体积变形由压缩逐渐转变为扩胀。裂隙进一步地发展，岩石中形成了贯通的破坏面，岩石被破坏（图中C点），应力达到了最大值。在这一阶段中，变形主要是塑性的。C点相应的应力，称为峰值应力，单轴应力状况下即岩石的单轴抗压强度。050100150200250050100150200εaσCBAO③裂隙发展和破坏阶段（BC段）岩石在单轴压力作用下的破坏050100150200250050100150200在一般非刚性试验机上，由于试件破坏时试验机的变形能突然释放，无法测出试件破坏以后的应力和变形，因此，绘制曲线的这一区段必须采用刚性试验机。岩石破坏以后，应力和应变都会发生急剧变化，曲线的形状多种多样（图5-3,图5-4，破坏后阶段的曲线可归纳为3种类型——软弱岩石、坚硬岩石、高塑性岩石）。εaσCBAO④破坏后阶段（C点以后阶段）岩石的应力—应变曲线的形状决定于岩石的矿物成分和结构特征，因而不同岩石，甚至相同岩石的不同试件，其应力—应变曲线的形状都会有不同程度的差异。美国学者米勒研究了对28种岩石的试验结果，将单轴压力下的应力—应变曲线分为六种类型（图5—5）。类型a：弹性的玄武岩，石英岩等类型b：弹—塑性的粉砂岩，石灰岩等类型c：塑—弹性的类型d和e：塑—弹—塑性的类型f：弹—塑—蠕变性的盐岩岩石在单轴压力下应力-应变曲线的几种类型直线型下凹型上凹型S型弹性塑—弹性塑—弹—塑性弹—塑性弹—塑—蠕变性（二）表征岩石变形性的基本指标由于在工程建筑实践中建筑物所能作用于岩石的压应力水平往往都比较低，可以在一定程度上将其作为准弹性体来看待，所以用弹性参数表征其变形性是有一定意义的。弹性理论指出，弹性体的变形性能可以用弹性模量E和泊松比μ这两个基本指标来表示。对于均质，各向同性、理想弹性体来说，表征其弹性变形性质的这两个基本指标是定值，但岩石的变形性能因受力条件（力的性质、应力水平、围压大小、应力增加速率、应力持续时间、应力的增减历程）的不同而有很大的变化。（第六章）弹性模量E＝σ/εa应力-应变呈直线关系（P97图5-6）初始弹性模量Ei切线弹性模量Et割线弹性模量Es，常用E50岩石的各种模量的确定EiEtE50泊松比—岩石在单轴力（单轴压力、单轴拉力）的作用下，侧应变与轴应变之比，适用于弹性变形阶段μ＝εl/εa主要类型岩石的弹性模量和泊松比（P98表5-1）（三）岩石在重复加荷、卸荷条件下的变形性能1.岩石发生的总变形分为弹性变形和塑性变形（P97图5-7），对应的模量分别称为变形模量E0弹性模量Ee塑性模量Ep变形模量：E0=σ/（εp+εe）弹性模量：Ee=σ/εe塑性模量：Ep=σ/εp变形模量E0、弹性模量Ee和塑性模量Ep三者之间的关系如下：1E0＝1Ee＋1Ep2.重复荷载条件——加荷，卸荷次数愈多，塑性应变的增量逐渐减小，岩石愈接近于弹性体（P99图5-8）；3.循环荷载条件——连接各个卸荷起点所成曲线的形状与连续加荷情况下的应力—应变曲线的形状基本一致，这说明受荷历程并未改变岩石变形性的基本特点（P99图5-9）循环荷载条件下岩石的应力—应变曲线三．岩石在三轴压力作用下的变形a.研究的必要性——三轴压力状态的普遍性—作为建筑物地基或建筑环境的岩体，多处于三维应力状态（三个主应力σ1、σ2、σ3互相垂直）b.三轴压力状态的分类（按照主应力的组合情况）等围压三轴状态（常规三轴状态）σ1＞σ2＝σ3不等围压三轴状态（真三轴状态）σ1＞σ2＞σ3等压三轴状态（静水压力状态）σ1＝σ2＝σ3三轴试验装置1.等围压三轴状态（常规三轴状态）（σ1＞σ2＝σ3）岩石在三轴压力下的变形特征也是利用应力—应变曲线来研究。最常用的是应力差（σ1－σ3）与轴应变εa（沿σ1方向的应变）关系曲线020406080100120140020406080100120140εaσ1－σ3OCBA三轴应力作用下岩石的典型应力－应变曲线（据茂木清夫，1978）OA段——弹性变形阶段，弹性模量主要表征这一阶段的性质。A点相应的应力称为比例极限。对于岩石来说，此值与屈服极限值极相近。020406080100120140020406080100120140εaσ1－σ3OCBA屈服强度—材料由弹性进入到塑性区时应力AB段——塑性变形阶段，在此阶段内微裂隙不断发展，直至B点，岩石破坏。B点的应力为破裂应力(fracturestress)或岩石的峰值强度。020406080100120140020406080100120140εaσ1－σ3OCBABC段——应力下降阶段，B，C两点间的应力差称应力降(stressdrop)。020406080100120140020406080100120140εaσ1－σ3OCBAC点以后阶段——摩擦阶段，岩石已经破裂，对于作用力全靠破裂面上的摩擦力维持，即岩石的残余强度。020406080100120140020406080100120140εaσ1－σ3OCBA恒定围压下岩样破坏后，轴向应力不随压缩变形增大而变化，一般称为残余强度。各个岩样的残余强度与围压大致成线性关系。等围压条件（σ2＝σ3）下，围压的高低对岩石变形性能的影响总体规律——随围压的提高，破坏前的总应变量增大；塑性应变在总应变量中所占的比率增加。（据茂木清夫）a.强度较高的岩石（如辉长岩，白云岩，苏长岩等），弹性模量基本为常数，不随围压变化而改变；但弹性模量与围压的关系随岩石性质（强度）不同而不同。b.强度较低的弱岩（如砂岩等），弹性模量随围压的提高而增大。砂岩应力差－轴应变曲线辉长岩应力差－轴应变曲线2.不等围压三轴状态（真三轴状态）（σ1＞σ2＞σ3）岩石在真三轴状态下的变形特征资料较少，而且对一些互相矛盾的现象还没有得到统一的解释静水压力状态可看作常规三轴状态的一种特殊情况。岩石在各向相等的压力作用下发生体积压缩变形，一般采用体积模量表征岩石在静水压力下体积变形的特性。3.等压三轴状态（静水压力状态）E3（1-2μ）K＝线性压缩系数、体积压缩系数的概念体积模量K——静水压应力与体积应变之比。可用E和μ计算：（σ1=σ2=σ3）四．岩石在单轴拉伸和剪切作用下的变形在单轴拉伸作用下岩石的变形，一般也是用应力—应变曲线以及弹性模量和泊松比来表征。（一）岩石在单轴拉伸作用下的变形由于岩石一般都具有较高的脆性，承受拉伸作用的能力很低，同在单轴压缩条件下相比，在应力水平较低、总应变量较小的情况下即发生破坏（图5—16）。大多数岩石在单轴拉伸下的变形性能与在单轴压缩下很相似。曲线的起始段都近似直线，初始模量非常接近（图5—16、表5—3）。随拉应力的增加，模量值连续减小；在拉伸条件下的泊松比随应力水平的提高而减小。岩石在剪力作用下发生剪切变形（P104图5—19），表征岩石剪切变形性能的指标为剪应力τ与剪应变γ之比，称为剪切弹性模量G（或刚性模量）（二）岩石在剪切作用下的变形τγG＝E＝2（1+μ）五．岩石在辐射状压力下的变形（有压隧洞）导流洞拉西瓦水电站导流洞出口辐射状压力P内＝P衬砌＋p总内水压力＝衬砌承担的内水压力＋围岩弹性抗力p——岩石承受和反抗辐射状内水压力的反作用力，称为弹性抗力y（径向变形量）P内喷混凝土支护钢模板现浇混凝土支护地下洞室的钢结构衬砌p＝ky（式5－6）式中：k—弹性抗力系数（MPa／cm）y弹性抗力系数——岩石在辐射状内水压力作用下的径向变形量（y）与其所承受的内水压力（p）的大小成正比关系：弹性抗力系数k是反映岩石弹性抗力高低的一个指标。根据弹性理论，弹性抗力系数与弹性模量和泊松比之间有如下关系：E（1+μ）rk＝r－隧洞的半径(cm)从上式可以看出，弹性抗力系数随隧洞半径而变化，并不单纯表征岩石在辐射状压力下的变形性y单位弹性抗力系数k0——为了使弹性抗力系数单纯表征岩石的性质，成为一个岩石性质指标，在实践中常采用r为100cm的弹性抗力系数，称为单位弹性抗力系数，即：E（1+μ）×100k0＝单位弹性抗力系数是衬砌设计中的重要参数之一：如果岩石的弹性抗力高，对隧道衬砌强度的要求则可低些，从而隧道的造价便可降低。单位弹性抗力系数的确定方法——公式计算法、工程地质类比法和原位测试法（如双筒橡皮囊法、隧道水压法、径向千斤顶法）。六．岩石的蠕变1.蠕变——岩石在方向和大小都保持不变的外力作用下，变形量随时间延续而不断增长的现象。2.蠕变曲线——岩石的