岩体力学中国地质大学贾洪彪第六章岩体的力学性质

93第六章岩体的力学性质第一节概述岩体的力学性质与岩块有显著的差别。一般情况下，岩体比岩块易于变形，其强度也显著低于岩块的强度。造成这种差别的根本原因在于岩体中存在各种类型不同、规模不等的结构面，并受到天然应力和地下水等环境因素的影响。正因为如此，岩体在外力的作用下其力学属性往往表现出非均质、非连续、各向异性和非弹性。所以，无论在什么情况下，都不能把岩体和岩块两个概念等同起来。另外，人类的工程活动都是在岩体表面或岩体内部进行的。因此，研究岩体的力学性质比研究岩块力学性质更重要、更具有实际意义。岩体的力学性质，一方面取决于它的受力条件，另一方面还受岩体的地质特征及其赋存环境条件的影响。其影响因素主要包括：组成岩体的岩石材料性质；结构面的发育特征及其性质和岩体的地质环境条件，尤其是天然应力及地下水条件。其中结构面的影响是岩体的力学性质不同于岩块力学性质的本质原因。实践表明：研究岩体的变形与强度性质是岩体力学的根本任务之一。因此，本章将主要讲述岩体的变形与强度性质，同时对岩体的动力学性质及水力学性质也作一简要介绍。第二节岩体的变形性质岩体变形是评价工程岩体稳定性的重要指标，也是岩体工程设计的基本准则之一。例如在修建拱坝和有压隧洞时，除研究岩体的强度外，还必须研究岩体的变形性能。当岩体中各部分岩体的变形性能差别较大时，将会在建筑物结构中引起附加应力；或者虽然各部分岩体变形性质差别不大，但如果岩体软弱抗变形性能差时，将会使建筑物产生过量的变形等。这些都会导致工程建筑物破坏或无法使用。由于岩体中存在有大量的结构面，结构面中还往往有各种充填物。因此，在受力条件改变时岩体的变形是岩块材料变形和结构变形的总和，而结构变形通常包括结构面闭合、充填物压密及结构体转动和滑动等变形。在一般情况下，岩体的结构变形起着控制作用。目前，岩体的变形性质主要通过原位岩体变形试验进行研究。一、岩体变形试验及其变形参数确定原位岩体变形试验，按其原理和方法不同可分为静力法和动力法两种。静力法的基94本原理是：在选定的岩体表面、槽壁或钻孔壁面上施加法向荷载，并测定其岩体的变形值；然后绘制出压力-变形关系曲线，计算出岩体的变形参数。根据试验方法不同，静力法又可分为承压板法、狭缝法、钻孔变形法、水压洞室法及单(双)轴压缩试验法等。动力法是用人工方法对岩体发射(或激发)弹性波(声波或地震波)，并测定其在岩体中的传播速度，然后根据波动理论求岩体的变形参数。根据弹性波激发方式的不同，又分为声波法和地震波法两种。本节主要介绍静力法及其参数的确定方法，动力法将在第四节中介绍。(一)承压板法按承压板的刚度不同可分为刚性承压板法和柔性承压板法两种。刚性承压法试验通常是在平巷中进行，其装置如图6-1所示。先在选择好的具代表性的岩面上清除浮石，平整岩面。然后依次装上承压板、千斤顶、传力柱和变形量表等。将硐顶作为反力装置，通过油压千斤顶对岩面施加荷载，并用百分表测记岩体变形值。试验点的选择应具有代表性，并避开大的断层及破碎带。受荷面积可视岩体裂隙发育情况及加荷设备的出力大小而定，一般以0.25～1m2为宜。承压板尺寸与受荷面积相同并具有足够的刚度。试验时，先将预定的最大荷载分为若干级，采用逐级一次循环法加压。在加压过程中，同时测记各级压力(p)下的岩体变形值(W)，绘制p-W曲线(图6-2)。通过某级压力下的变形值，用如下的布西涅斯克公式计算岩体的变形模量Em(MPa)和弹性模量Eme(MPa)：图6-2岩体的压力(p)-变形(W)曲线(6-2)式中：p为承压板单位面积上的压力(MPa)；D为承压板的直径或边长(cm)；W，We分别为相应于p下的岩体总变形和弹性变形(cm)；ω为与承压板形状与刚度有关的系数，对圆形板ω＝0.785；方形板ω＝0.886；μm为岩体的泊松比。试验中如用柔性承压板，则岩体的变形模量应按柔性承压板法公式进行计算。(二)钻孔变形法钻孔变形法是利用钻孔膨胀计等设备，通过水泵对一定长度的钻孔壁施加均匀的径向荷载(图6-3)，同时测记各级压力下的径向变形(U)。利用厚壁筒理论可推导出岩体的变形模Em(MPa)与U的关系为：(6-3)式中：d为钻孔孔径(cm)；p为计算压力(MPa)；其余符号意义同前。与承压板法相比较，钻孔变形试验有如下优点：①对岩体扰动小；②可以在地下水图6-1承压板变形试验装置示意图1.千斤顶；2.传力柱；3.钢板；4.混凝土顶板；5.百分表；6.承压板图6-3钻孔变形试验装置示意图95位以下和相当深的部位进行；③试验方向基本上不受限制，而且试验压力可以达到很大；④在一次试验中可以同时量测几个方向的变形，便于研究岩体的各向异性。这种方法的主要缺点在于试验涉及的岩体体积小，代表性受到局限。(三)狭缝法狭缝法又称狭缝扁千斤顶法，是在选定的岩体表面刻槽，然后在槽内安装扁千斤顶(压力枕)进行试验(图6-4)。试验时，利用油泵和扁千斤顶对槽壁岩体分级施加法向压力，同时利用百分表测记相应压力下的变形值WR。岩体的变形模量Em(MPa)按下式计算：图6-4狭缝法试验装置示意图1.扁千斤顶；2.槽壁；3.油管；4.测杆；5.百分表(绝对测量)；6.磁性表架；7.测量标点；8.砂浆；9.标准压力表；10.千分表(相对测量)；11.油泵(6-4)式中：p为作用于槽壁上的压力(MPa)；WR为量测点A1，A2的相对位移值(cm)，如图6-5所示，WR＝y2－y1；θ1，θ2如图6-5所示。常见岩体的弹性模量和变形模量如表6-1所示。从表可知，岩体的变形模量都比岩块的小(表4-1)，而且受结构面发育程度及风化程度等因素影响十分明显。因此，不同地质条件下的同一岩体，其变形模量相差较大。所以，在实际工作中，应密切结合岩体的地质条件，选择合理的模量值。此外，试验方法不同，岩体的变形模量也有差异(表6-2)。表6-1常见岩体的弹性模量和变形模量表(据李先炜，1990)岩体承压应力试验方弹性模量变形模量地质简述备注图6-5相对变形计算示意图96名称面积(cm2)(MPa)法Eme(103MPa)Em(103MPa)煤20254.03～18.0单轴压缩4.07南非页岩承压板泥质页岩与砂岩互层，较软隔河岩，垂直岩层承压板较完整，垂直于岩层，裂隙较发育隔河岩，垂直岩层承压板岩层受水浸，页岩泥化变松软隔河岩，平行岩层水压法薄层的黑色页岩摩洛哥，平行岩层水压法薄层的黑色页岩摩洛哥，垂直岩层砂质页岩承压板二叠纪—三叠纪砂质页岩承压板二叠纪—三叠纪砂质页岩砂岩承压板新鲜，完整，致密万安承压板万安承压板断层影响带万安石灰岩承压板新鲜，完整，局部有微风化隔河岩承压板薄层，泥质条带，部分风化隔河岩狭缝法较新鲜完整隔河岩狭缝法薄层，微裂隙发育隔河岩承压板新鲜完整乌江渡承压板断层影响带，粘土充填乌江渡承压板微晶条带，坚硬，完整乌江渡承压板节理发育以礼河四级白云岩鲁布格承压板德国片麻狭缝法密实意大利97岩承压板风化德国花岗岩承压板40～50丹江口承压板裂隙发育承压板3.7～4.71.1～3.4新鲜微裂隙至风化强裂隙日本大型三轴Kurobe坝玄武岩承压板坚硬，致密，完整以礼河三级承压板破碎，节理多，且坚硬以礼河三级承压板断层影响带，且坚硬以礼河三级辉绿岩变质，完整，致密，裂隙为岩脉充填丹江口有裂隙德国闪长岩承压板新鲜，完整太平溪承压板弱风化，局部较破碎太平溪石英岩承压板密实摩洛哥表6-2几种岩体用不同试验方法测定的弹性模量岩体类型弹性模量，(103MPa)备注无侧限压(实验室，平均)承压板法(现场)狭缝法(现场)钻孔千斤顶法(现场)裂隙和成层的闪长片麻岩803.72～5.84-4.29～7.25Tehachapi隧道大到中等节理的花岗片麻岩533.5～35-10.8～19Dworshak坝大块的大理岩48.512.2～19.112.6～219.5～12Crestmore矿二、岩体变形参数估算由于岩体变形试验费用昂贵，周期长，一般只在重要的或大型工程中进行。因此，人们企图用一些简单易行的方法来估算岩体的变形参数。目前，已提出的岩体变形参数98估算方法有两种：一是在现场地质调查的基础上，建立适当的岩体地质力学模型，利用室内小试件试验资料来估算；二是在岩体质量评价和大量试验资料的基础上，建立岩体分类指标与变形参数之间的经验关系，并用于变形参数估算。现简要介绍如下：(一)层状岩体变形参数估算层状岩体可概化为如图6-6(a)所示的地质力学模型。假设各岩层厚度相等为S，且性质相同；层面的张开度可忽略不计；根据室内试验成果，设岩块的变形参数为E，μ和G，层面的变形参数为Kn，Ks。取n-t坐标系，n垂直层面，t平行层面。在以上假定下取一由岩块和层面组成的单元体(图6-6(b))来考察岩体的变形，分几种情况讨论如下：图6-6层状岩体地质力学模型及变形参数估算示意图1.法向应力σn作用下的岩体变形参数根据荷载作用方向又可分为沿n方向和t方向加σn两种情况。(1)沿n方向加荷时，如图6-6(b)所示，在σn作用下，岩块和层面产生的法向变形分别为：(6-5)则岩体的总变形ΔVn为：简化后得层状岩体垂直层面方向的变形模量Emn为：(6-6)假设岩块本身是各向同性的，n方向加荷时，由t方向的应变可求出岩体的泊松比μnt(6-7)(2)沿t方向加荷时，岩体的变形主要是岩块引起的，因此岩体的变形模量Emt和泊松比μtn为：(6-8)2.剪应力作用下的岩体变形参数如图6-6(c)所示，对岩体施加剪应力τ时，则岩体剪切变形由沿层面滑动变形Δu和岩块的剪切变形Δur组成，Δur和Δu(6-9)岩体的剪切变形Δuj为：简化后得岩体的剪切模量Gmt为：(6-10)由(6-6)式至(6-8)式和(6-10)四式，可求出表征层状岩体变形性质的5个参数。应当指出，以上估算方法是在岩块和结构面的变形参数及各岩层厚度都为常数的情99况下得出的。当各层岩块和结构面变形参数E，μ，G，Ks，Kn及厚度S都不相同时，岩体变形参数的估算比较复杂。例如，对(6-6)式，各层Kn，E，S都不相同时，可采用当量变形模量的办法来处理。方法是先按(6-6)式求出每一层岩体的变形模量Emni，然后再按下式求层状岩体的当量变形模量E’mn：(6-11)式中：Si为岩层的单层厚度；S为岩体总厚度。其他参数也可以用类似的方法进行处理，具体可参考有关文献，在此不详细讨论。(二)裂隙岩体变形参数的估算对于裂隙岩体，国内外都特别重视建立岩体分类指标与变形模量之间的经验关系，并用于推求岩体的变形模量Em。下面介绍常用的几种。(1)比尼卫斯基(Bieniawski，1978)研究了大量岩体变形模量实测资料，建立了分类指标RMR值和变形模量Em(GPa)间的统计关系如下：Em＝2RMR－100(6-12)如图6-7所示，(6-12)式只适用于RMR＞55的岩体。为弥补这一不足，Serafim和Pereira(1983)根据收集到的资料以及Bieniawski的数据，拟合出如下方程，以用于RMR≤55的岩体：图6-7岩体变形模量与RMR值关系(6-13)(2)挪威的Bhasin和Barton等人(1993)研究了岩体分类指标Q值、纵波速度vmp(m／s)和岩体平均变形模量Emean(GPa)间的关系，提出了如下的经验关系：(6-14)利用(6-14)式，已知Q值或vmp时，可求出岩体的变形模量Emean。(6-14)式只适用于Q＞1的岩体。除以上方法外，还有人提出用声波测试资料来估算岩体的变形模量，这将在第四节中介绍。三、岩体变形曲线类型及其特征(一)法向变形曲线按p-W曲线的形状和变形特征可将其分为如图6-8所示的41.直线型图6-8岩体变形曲线类型示意图100此类为一通过原点的直线(图6-8(a))，其方程为p＝f(W)＝KW，dp/dW＝K(即岩体的刚度为常数)，且d2p/dW2＝0。反映岩体在加压过程中W随p成正比增加。岩性均匀且结构面不发育或结构面分布均匀的岩体多呈这类曲线。根据p-W曲线的斜率大小及卸压曲线特征，这类曲线又可分为如下两类。(1)陡直线型(图6-9)，特点是p