3.2岩体的力学特性(下)_岩石力学

1岩体是由岩块和结构面组成的地质体，因此其强度必然受到岩块和结构面强度及其组合方式（岩体结构）的控制。一般情况下，岩体的强度既不同于岩块的强度，也不同于结构面的强度。§3.3岩体的强度3.3.1节理岩体强度分析290＜＜j第3章岩体的力学特性090•如果岩体中结构面不发育，呈完整结构，则岩体的强度大致与岩块接近，可视为均质体。•如果岩体将沿某一特定结构面的滑动破坏时，则其强度取决于结构面的强度。•节理裂隙切割的裂隙化岩体，其强度介于岩块与结构面强度之间。它一方面受岩石材料性质的影响，另一方面受结构面特征（数量、方向、间距、性质等）和赋存条件（地应力、水、温度等）的控制。Mar,20073FacultyofCivilEngineering,ChongqingUniversity第3章岩体的力学特性tanfjjc岩石节理面Oc1f32θ2θ90231f45°＋/2破裂面tancf4第3章岩体的力学特性当节理面处于稳定状态和极限平衡状态时节理面上的剪应力τ应当满足下列条件tanjjc（3-23）式中，等号表示极限平衡状态。1313131322131()sin2()sincos211()()cos222cossin（3-24）将上式中的和代入式（3-23）得到：jjctansincoscossin232131（3-25）移项整理后可得13cos(costansin)sin(cossintan)0jjjc（3-26）通过三角运算，得出：13cossin()sincos()cos0jjjjc（3-27）这就是判断节理面稳定情况的判别式（式中等号表示极限平衡状态）。如果式（3-27）的左端小于零，则节理面处于不稳定状态。5第3章岩体的力学特性0xz1y0cos)sin(cosjjjyc节理岩体边墙稳定性算例（3-28）6第3章岩体的力学特性边墙岩体是否处于平衡状态可分以下几种情况来讨论：a)j的情况当j时，此时0)sin(j。因此式（3-28）左边两项均为正，不等式（3-28）显然能满足，这就说明边墙岩块abc处于平衡状态。b)j的情况当j时，式（3-28）显然能够成立。因此岩块处于平衡状态。c)j的情况当j时，此时0)sin(j，因而式（3-28）左边第一项为负,但第二项却为正值。因此在此情况下不等式（3-28）是否能被满足就取决于式（3-28）中第一项的绝对值是否小于第二项，要视具体情况而定。d)45/2j的情况当45/2j，即节理的倾角与一般均质岩体中所产生的破裂面方向相同，这时将45/2j代入式（3-28），则有cos(45/2)sin(45/2)cos0yjjjjjc（3-29）或者jjjycsin1cos2（3-30）0cos)sin(cosjjjyc判断节理面稳定情况的判别式7第3章岩体的力学特性1.结构面的方位对岩体强度的影响结构面破坏准则（极限平衡）的另一种形式表示的公式：31322tan(1tancot)sin2jjjc（3-31）（节理的存在不影响岩体的强度）2j。时，当；时，当31312j破坏沿着结构面发生，此时结构面对岩体的强度有削弱作用破坏沿着岩石材料内部发生j03.3.2结构面对岩体强度的影响分析8第3章岩体的力学特性将式（3-31）对求导，并令导数0)(31dd，可以求得当245j时，31有最小值，相应的1的最小值1,min为1,min32jjjNcN（3-32）式中，2tan(45)2jjN。图3-20给出了当3不变时1随倾角变化的情况，说明了岩石强度的各向异性。此时结构面对岩体的强度削弱最大，岩体有最小强度129第3章岩体的力学特性jjjjc131312sin2cotsin231311sincot2arcsin212jjjjcO13tanfc22jjfctan12j22单结构面岩体强度分析10第3章岩体的力学特性O13tanfcjjfctan1231312sincot2arcsin2122jjjjcj122Mar,200711FacultyofCivilEngineering,ChongqingUniversity岩石节理同时破坏，岩体强度等于岩块强度221021岩块先破坏，岩体强度等于岩块强度•或•节理先破坏，岩体强度小于岩块强度•或21第3章岩体的力学特性几点讨论12第3章岩体的力学特性如果岩体含有二组或二组以上结构面，岩体强度的确定方法是分步运用单结构面理论，分别绘出每一组结构面单独存在时的强度包络线和应力莫尔圆。岩体到底沿哪组结构面破坏，由主应力与各组结构面的夹角所决定。若岩体中节理非常发育，岩体强度特性越来越趋于各向同性，而岩体的整体强度却大大削弱了。另外，随着围压增大，岩体由各向异性向各向同性转化。岩体总是沿一组最有利破坏的节理首先破坏。多组结构面岩体强度分析13第3章岩体的力学特性14第3章岩体的力学特性粗糙度模型的理想面结构面的强度包络线jPTtan)tan(iPTjjPTtan**iPiTTsincos*iTiPPsincos*2.结构面的粗糙程度对岩体强度的影响15具体应用时，结构面的抗剪强度应当写为：（1）当低的正应力时，)tan(ijf（2）当高的正应力时，tanfjjc式中，i称为起伏角，j应当用平面型面所作试验求取。j的值大多在21~40°范围内变化，一般为30°。当结构面上存在云母、滑石、绿泥石或其它片状硅酸盐矿物时，或者当有粘土质断层时，j可降低很多。结构面内饱和粘土中的孔隙水一般不易排除，充填有蒙脱质粘土的结构面的j可低到6°。结构面的起伏角i变化范围很大，可从0~40°。16第3章岩体的力学特性结构面在水压力下开始破坏的莫尔圆jjjwcptancossincos)(tan23132312231)2(2wpwp3tantanfjjc3.结构面内充水对岩体强度的影响17第3章岩体的力学特性3.3.3岩体强度的确定方法1.试验确定法岩体单轴抗压强度测定1—方木；2—工字钢；3—千斤顶；4—水泥砂浆（1）岩体单轴抗压强度的测定根据试体破坏时千斤顶施加的最大荷载及试体受载截面积，计算岩体的单轴抗压强度。Mar,200718FacultyofCivilEngineering,ChongqingUniversity第3章岩体的力学特性现场载荷试验19第3章岩体的力学特性岩体抗剪试验cossinFTFTP（2）岩体抗剪强度的测定15。为使剪切面上不产生力矩效应，合力通过剪切面中心，使其接近于纯剪切破坏，另一个千斤顶成倾斜布置。一般采取倾角15。20第3章岩体的力学特性等围压三轴试验（23）等围压三轴试验的实用性更强。真三轴试验（123）中间主应力在岩体强度中起重要作用，在多节理的岩体中尤其重要。原位岩体三轴试验（3）岩体三轴压缩强度试验21第3章岩体的力学特性（1）准岩体强度根据弹性波在岩石试块和岩体中的传播速度比，可判断岩体中裂隙发育程度。称此比值的平方为岩体完整性（龟裂）系数，以K表示：2mlclvKv（3-40）式中，mlv——岩体中弹性波纵波传播速度；clv——岩块中弹性波纵波传播速度。各种岩石的完整性系数表3-20岩体种类岩体完整性系数K完整0.75块状0.45～0.75碎裂状0.45准岩体抗压强度：mccRKR准岩体抗拉强度：mttRKR式中，cR——岩石试件的抗压强度；tR——岩石试件的抗拉强度。地质资料及小试块室内试验资料2.经验估算法22破碎岩体的地基承载力第3章岩体的力学特性Hoek和Brown（1980）根据岩体性质的理论与实践经验，用试验法导出了岩块和岩体破坏时主应力之间的关系为2133ccmRsR（3-41）式中，1——破坏时的最大主应力；3——作用在岩石试样上的最小主应力；cR——岩块的单轴抗压强度；m，s——与岩性及结构面情况有关的常数在低围压下及较坚硬完整的岩体条件下，估算的强度明显偏低。但对于受构造扰动及结构面较发育的裂隙化岩体，Hoek（1987）认为用这一方法估算是合理的。msc适用条件（2）Hoek-Brown经验方程23第3章岩体的力学特性由式（3-41），令30，可得岩体的单轴抗压强度mcR：mccRsR（3-42）对于完整岩石，s=1，则mccRR，即为岩块抗压强度；对于裂隙岩石，s1。将10代入方程（3-41）中，并对3求解所得的二次方程，可解得岩体的单轴抗拉强度为2142mccRRmms（3-43）式（3-43）的剪应力表达式为BccARTR（3-44）式中，——岩体的剪切强度；——岩体法向应力；A，B——常数，查表3-21求得；smm421T2，查表3-21求得。24第3章岩体的力学特性变形：岩体承受应力，就会在体积、形状或宏观连续性上发生某种变化。宏观连续性无明显变化者称为变形（deformation)。破坏：如果宏观连续性发生了显著变化的称为破坏（failure)。岩体变形破坏的方式与过程既取决于岩体的岩性、结构，也与所承受的应力状态及其变化有关。§3.4岩体的变形25第3章岩体的力学特性结构体转动和滑动充填物压密结构面闭合结构变形岩块材料变形岩体的变形起着控制作用当岩体中各部分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；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。26第3章岩体的力学特性•施加荷载作用方向承压板法单(双)轴压缩试验法狭缝法环形试验倾斜剪切仪挖试洞原位岩体变形试验法向变形试验切向变形试验3.4.1岩体变形试验27第3章岩体的力学特性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•原理和方法28第3章岩体的力学特性•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。29第3章岩体的力学特性承压板变形试验装置示意图岩体变形值(w)，绘制p—w曲线WpDEmm)1(2（3-45）emmeWpDE)1(2（3-46）1.承压板法30第3章岩体的力学特性钻孔变形试验装置示意图UdpEmm)1(（3-47）2.钻孔变形法31第3章岩体的力学特性狭缝法装置示意图)]2sin2)(sin1()tan)(tan1[(22121mmRmWplE（3-48）3.狭缝法32第3章岩体的力学特性结构面发育程度风化程度试验方法岩体的变形模量都比岩块小，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