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贾洪彪中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系岩体力学ROCKMASSMECHANICS中国地质大学土木工程专业基础课第六章岩体的力学性质2020/3/13土木工程专业课程——《岩体力学》2第六章岩体的力学性质§6.1岩体的变形性质§6.2岩体的强度性质§6.3岩体的动力学性质§6.4岩体的水力学性质第六章岩体的力学性质2020/3/13土木工程专业课程——《岩体力学》3§6.1岩体的变形性质一、二、岩体变形参数估算三、岩体变形曲线类型及其特征四、影响岩体变形性质的因素•在受力条件改变时岩体的变形是岩块变形和结构变形的总和，而结构变形通常包括结构面闭合、充填物的压密及结构体转动和滑动等变形。从岩体的定义：岩块+结构面=岩体岩体变形=岩块变形+结构面闭合+充填物压缩+其他变形•在一般情况下，岩体的结构变形起着控制作用。第六章岩体的力学性质2020/3/13土木工程专业课程——《岩体力学》4一、岩体变形试验及其变形参数确定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第六章岩体的力学性质2020/3/13土木工程专业课程——《岩体力学》5静力法的基本原理：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。动力法的基本原理：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。第六章岩体的力学性质2020/3/13土木工程专业课程——《岩体力学》61、承压板法刚性承压板法柔性承压板法第六章岩体的力学性质2020/3/13土木工程专业课程——《岩体力学》7emmemmWpDEWpDE)1()1(22ω是与承压板形状与刚度有关的系数。对于圆形板ω＝0.785；对于方形板ω＝0.886第六章岩体的力学性质2020/3/13土木工程专业课程——《岩体力学》82、钻孔变形法UdpEmm)1(优点：①对岩体扰动小；②可以在地下水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。缺点：试验涉及的岩体体积小，代表性受到局限。第六章岩体的力学性质2020/3/13土木工程专业课程——《岩体力学》93、狭缝法)]2sin2)(sin1())(1[(22121mmRmtgtgWplE第六章岩体的力学性质2020/3/13土木工程专业课程——《岩体力学》10常见岩体的弹性模量和变形模量第六章岩体的力学性质2020/3/13土木工程专业课程——《岩体力学》11几种岩体用不同试验方法测定的弹性模量•岩体的变形模量比岩块的小，而且受结构面发育程度及风化程度等因素影响十分明显。•不同地质条件下的同一岩体，其变形模量相差较大。•试验方法不同、压力大小不同，岩体变形模量不同。第六章岩体的力学性质2020/3/13土木工程专业课程——《岩体力学》12二、岩体变形参数估算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。第六章岩体的力学性质2020/3/13土木工程专业课程——《岩体力学》131、层状岩体变形参数估算层状岩体的地质力学模型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假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。由岩块和层面组成单元体。第六章岩体的力学性质2020/3/13土木工程专业课程——《岩体力学》14（1）法向应力σn作用下的岩体变形参数1)沿n方向加荷SEKSEKSEmnnnnnnnnVVVVVjrnjr岩体法向变形层面法向变形岩块法向变形EESKEEmnntnmn1112)沿t方向加荷tnmtEE第六章岩体的力学性质2020/3/13土木工程专业课程——《岩体力学》15(2)剪应力作用下的岩体变形参数SGKSGKSGmtssuuuuurjr岩体剪切变形层面剪切变形岩块剪切变形GSKGsmt111第六章岩体的力学性质2020/3/13土木工程专业课程——《岩体力学》162、裂隙岩体变形参数的估算（1）用RMR值估算岩体变形模量（2）用Q值估算纵波速度和岩体平均变形模量)55(10)55(10024010RMRERMRRMRERMRmm1)(Q4035003500lg1000mpmeanmpvEQv第六章岩体的力学性质2020/3/13土木工程专业课程——《岩体力学》17三、岩体变形曲线类型及其特征1、法向变形曲线直线型上凹型上凸型复合型第六章岩体的力学性质2020/3/13土木工程专业课程——《岩体力学》18直线型通过原点的直线，其方程为p＝f(W)＝KW加压过程中W随p成正比增加岩体岩性均匀、结构面不发育或结构面分布均匀岩体刚度大，不易变形，岩体较坚硬、完整、致密均匀、少裂隙，以弹性变形为主，接近于均质弹性体。岩体刚度低、易变形，由多组结构面切割且分布较均匀或岩性较软弱且均质或平行层面加压。有明显的塑性变形和回滞环，非弹性变形。陡直线型缓直线型第六章岩体的力学性质2020/3/13土木工程专业课程——《岩体力学》19上凹型曲线方程为p＝f(W)，dp/dW随p增大而递增，dp/dW＞0层状及节理岩体多呈这类曲线岩体刚度随循环次数增加而增大，弹性变形成分较大。多为垂直层面加压的较坚硬层状岩体。卸压曲线较陡，变形大部分为塑性变形。多为存在软弱夹层的层状岩体及裂隙岩体或垂直层面加压的层状岩体。第二种情况第一种情况第六章岩体的力学性质2020/3/13土木工程专业课程——《岩体力学》20上凸型曲线方程为p＝f(W)，dp/dW随p增加而递减，d2p/dW2＜0。结构面发育且有泥质充填的岩体、较深处埋藏有软弱夹层或岩性软弱的岩体常呈这类曲线。复合型p-W曲线呈阶梯或“S”型。结构面发育不均或岩性不均匀的岩体，常呈此类曲线。第六章岩体的力学性质2020/3/13土木工程专业课程——《岩体力学》212、剪切变形曲线峰值前曲线平均斜率小，破坏位移大；峰值后应力降很小或不变。多为沿软弱结构面剪切。峰值前曲线平均斜率较大，峰值强度较高。峰值后应力降较大。多为沿粗糙结构面、软弱岩体及剧风化岩体剪切。峰值前曲线斜率大，线性段和非线性段明显，峰值强度高，破坏位移小。峰值后应力降大，残余强度较低。多为剪断坚硬岩体。第六章岩体的力学性质2020/3/13土木工程专业课程——《岩体力学》22四、影响岩体变形性质的因素影响因素：岩性、结构面特征、风化程度、试验方法、试件尺寸、加荷条件、温度、湿度等。结构面密度结构面的张开度及充填特征第六章岩体的力学性质2020/3/13土木工程专业课程——《岩体力学》23结构面方位第六章岩体的力学性质2020/3/13土木工程专业课程——《岩体力学》24§6.2岩体的强度性质一、岩体的剪切强度二、裂隙岩体的压缩强度三、裂隙岩体强度的经验估算•岩体强度是指岩体抵抗外力破坏的能力。岩体的强度既不同于岩块的强度，也不同于结构面的强度，一般情况下，其强度介于岩块与结构面强度之间。•岩体和岩块一样，岩体强度也有抗压强度、抗拉强度和剪切强度之分。第六章岩体的力学性质2020/3/13土木工程专业课程——《岩体力学》25一、岩体的剪切强度岩体的剪切强度是指岩体内任一方向剪切面，在法向应力作用下所能抵抗的最大剪应力。剪切强度分为抗剪断强度、抗剪强度和抗切强度。抗剪断强度是指在任一法向应力下，横切结构面剪切破坏时岩体能抵抗的最大剪应力。抗剪强度是指在任一法向应力下，岩体沿已有破裂面剪切破坏时的最大应力。抗切强度是指剪切面上的法向应力为零时的抗剪断强度。第六章岩体的力学性质2020/3/13土木工程专业课程——《岩体力学》261、原位岩体剪切试验及其强度参数确定双千斤顶法直剪试验第六章岩体的力学性质2020/3/13土木工程专业课程——《岩体力学》27第六章岩体的力学性质2020/3/13土木工程专业课程——《岩体力学》28岩体剪应力(τ)-剪位移(u)曲线及法向应力(σ)-法向变形(W)曲线。剪切强度曲线及岩体剪切强度参数Cm，φm值第六章岩体的力学性质2020/3/13土木工程专业课程——《岩体力学》29各类岩体的剪切强度参数表岩体内摩擦角与岩块较接近，而内聚力则大大低于岩块。说明结构面的存在主要是降低了岩体的连结能力，进而降低其内聚力。第六章岩体的力学性质2020/3/13土木工程专业课程——《岩体力学》302、岩体的剪切强度特征岩体的剪切强度是具有上限和下限的值域，其强度包络线也是有上限和下限的曲线族。上限是岩体的剪断强度,下限是结构面的抗剪强度。应力σ较低时，强度变化范围较大，随着应力增大，范围逐渐变小。应力σ高到一定程度时，包络线变为一条曲线，岩体强度将不受结构面影响而趋于各向同性体。沿结构面剪切(重剪破坏)时，岩体剪切强度最低，等于结构面的抗剪强度。横切结构面剪切(剪断破坏)时，岩体剪切强度最高。沿复合剪切面剪切(复合破坏)时，其强度介于以上两者之间。第六章岩体的力学性质2020/3/13土木工程专业课程——《岩体力学》31坚硬岩石的强度曲线软弱岩石的强度曲线第六章岩体的力学性质2020/3/13土木工程专业课程——《岩体力学》32二、裂隙岩体的压缩强度岩体的压缩强度分为单轴抗压强度和三轴压缩强度。在生产实际中，通常是采用原位单轴压缩和三轴压缩试验来确定。单轴压缩三轴压缩第六章岩体的力学性质2020/3/13土木工程专业课程——《岩体力学》33单结构面理论jjfCtg强度判据2sin22cos223131312sin)1()(2331ctgtgtgCjjj第六章岩体的力学性质2020/3/13土木工程专业课程——《岩体力学》34岩体的强度(σ1－σ3)随结构面倾角β的变化而变化。当β→φj或β→90°时，岩体不可能沿结构面破坏，而只能产生剪断岩体破坏。只有当β1≤β≤β2时，岩体才能沿结构面破坏。2sin)1()(2331ctgtgtgCjjj123131190sin)2(arcsin212jjjjjctgC单结构面理论第六章岩体的力学性质2020/3/13土木工程专业课程——《岩体力学》35单结构面理论当β＝45°＋φj／2时，岩体强度取得最低值2sin)1()(2331ctgtgtgCjjj2sin)1(2ctgtgCjjmcσ3=02sin)1()(2331ctgtgtgCjjjmjjjjtgtgtgC23min311)(2第六章岩体的力学性质2020/3/13土木工程专业课程——《岩体力学》36单结构面理论含多组结构面，且假定各组结构面具有相同的性质时，可分步运用单结构面理论确定岩体强度包线及岩体强度。随结构面组数的增加，岩体的强度趋向于各向同性，并被大大削弱，且多沿复合结构面破坏。含四组以上结构面岩体的强度可按各向同性考虑。当σ3接近于σmc时，可视为各向同性体。第六章岩体的力学性质2020/3/13土木工程专业课程——《岩体力学》37三、裂隙岩体强度的经验估算Hoek-Brown的经验方程M、S、A、B、T为与岩性及结构面情况有关的常数，根据岩体性质查表确定。2331ccSmcmcS242Smmcmt