巖體的變形性質(zhì)

1、巖體的力學性質(zhì)包括巖體的變形性質(zhì),強度性質(zhì),動力學性質(zhì)和水力學性質(zhì)等方面.巖體在外力作用下的力學屬性表現(xiàn)出非均質(zhì)性,非連續(xù),各向異性和非彈性.巖體的力學性質(zhì)取決于兩個方面:1)受力條件;2)巖體的地質(zhì)特征及其賦存環(huán)境條件.其中地質(zhì)特征包括巖石材料性質(zhì),結(jié)構(gòu)面的發(fā)育情況及性質(zhì)(影響巖體的力學性質(zhì)不同于巖塊的本質(zhì)原因);賦存環(huán)境條件包括天然應(yīng)力和地下水.第一節(jié) 巖體的變形性質(zhì)一, 巖體變形試驗及其變形參數(shù)確定變形參數(shù)包括變形模量和彈性模量.按靜力法得到 ,動力法得到 .1.承壓板法剛性承壓板法和柔性承壓板法各級壓力P-W(巖體變形值)曲線按布西涅斯克公式計算巖體的變形模量Em(Mpa)和彈性模量E

2、me(Mpa).式中:P承壓板單位面積上的壓力(Mpa);D承壓板的直徑或邊長(cm);W,We為相應(yīng)P下的總變形和彈性變形;與承壓板形狀,剛度有關(guān)系數(shù),圓形板=0.785,方形板=0.886.m巖體的泊松比.定義:巖體變形模量(Em):巖體在無側(cè)限受壓條件下的應(yīng)力與總應(yīng)變之比值.巖體彈性模量(Eme):巖體在無側(cè)限受壓條件下的應(yīng)力與彈性應(yīng)變之比值.2.鉆孔變形法鉆孔膨脹計利用厚壁筒理論(彈性力學)得:式中:d為鉆孔孔隙(cm);P為計算壓力(Mpa);u為法向變形(cm).與承壓板比較其優(yōu)點:對巖體擾動小;可以在地下水位以下筆相當深的部位進行;試驗方向不受限制;可以測出幾個方向的變形,便于研

3、究巖體的各向異性.缺點:涉及巖體體積小,代表性受局限.3.狹縫法(狹縫扁千斤頂法)水平的,也可以是垂直的.如圖6.3所示.二,巖體變形參數(shù)估算現(xiàn)場原位試驗費用昂貴,周期長,一般只在重要的或大型工程中進行,因此,巖體變形參數(shù)的很多情況下必須進行估算.兩種方法: 現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查建立適當?shù)膸r體地質(zhì)力學模型室內(nèi)小試件試驗資料進行估算; 巖體質(zhì)量評價和大量試驗資料建立巖體分類指標與變形參數(shù)間的經(jīng)驗關(guān)系進行估算.1.層狀巖體變形參數(shù)估算E,G為巖塊參數(shù),Kn,Ks為層面變形參數(shù).1)法向應(yīng)力n作用下,如圖6.4所示沿n方向加荷:巖體總變形: 沿t方向加荷:巖體的變形主要是巖塊 引起的2)剪應(yīng)力作用下巖體剪切

4、變形uj=層面滑動變形u + 巖塊的剪切變形ur注:以上是假定巖塊和結(jié)構(gòu)面的變形參數(shù)及各巖層厚度均為常數(shù)的情況下推導(dǎo)出來的.2.裂隙巖體變形參數(shù)的估算1)比尼衛(wèi)斯基(Bieniawski,1978)(南非)Em =2RMR-100 (RMR55)Em變形模量,RMR分類指標值.RMR =9lgQ+44, (巴頓巖體質(zhì)量分類)Serafim和Pereira(1983)(RMR55)2)挪威的Bhasin和Barton等(1993)巖體分類指標Q值巖體質(zhì)量分級(巴頓)三,巖體變形曲線類型及其特征(巖體中存在結(jié)構(gòu)面,與巖塊的峰值前的變形曲線區(qū)分開來)1.法向變形曲線1)直線型,如圖6.5a所示彈性巖

5、體dp/dw =k(巖體的剛度)2)上凹型,如圖6.5b所示彈塑性巖體0, 值p而,層狀及節(jié)理巖體屬于此種類型.3)下凹型(上凸型),如圖6.5c所示塑彈性巖體隨p而,結(jié)構(gòu)面發(fā)育且泥質(zhì)充填的巖體或粘土巖,風化巖屬于此種類型.4)復(fù)合型塑-彈-塑性巖體呈階梯或S型,如圖6.5d所示.結(jié)構(gòu)面發(fā)育不均或巖性不均勻的巖體多屬于此種類型.2.剪切變形曲線比較復(fù)雜根據(jù)-u曲線的形狀,殘余強度(r)與峰值強度(p)的比值,可分為3類,如圖6.6所示:1)峰前斜率小,破壞位移大,210mm;峰后位移,強度降低或不變,如圖6.6a所示.沿軟弱結(jié)構(gòu)面剪切時的情況.2)峰前斜率較大,峰值強度較高,有較明顯應(yīng)力降,如

6、圖6.6b所示.沿粗糙結(jié)構(gòu)面,軟弱巖體及風化巖體剪切時的情況.3)峰前斜率大,有較清晰的線性段和非線性段,峰值強度大,破壞位移小,1mm左右,殘余強度(r)較低,如圖6.6c所示.剪斷堅硬巖體時的情況.四,影響巖體變形性質(zhì)的因素巖體的巖性,結(jié)構(gòu)面的發(fā)育特征,荷載條件,試件尺寸,試驗方法和溫度等等.結(jié)構(gòu)面的影響(結(jié)構(gòu)面效應(yīng)):方位:導(dǎo)致巖體變形的各向異性,變形模量Em的各向異性;密度:,變形增大,Em;充填特征;組合關(guān)系.第二節(jié) 巖體的強度性質(zhì)巖體強度:指巖體抵抗外力破壞的能力.包括抗壓強度,抗拉強度和抗剪強度.一,巖體的剪切強度定義:巖體內(nèi)任一方向剪切面,在法向應(yīng)力作用下所能抵抗的最大剪應(yīng)力.

7、包括:抗剪斷強度(n0,預(yù)定剪切面)抗剪強度 與巖塊類似 (n0,沿已有破裂面)抗切強度(n=0的抗剪斷強度)1.原位剪切試驗及其強度參數(shù)(C,)確定雙千斤頂法直剪試驗(在平巷中進行),如圖6.7所示.一般來說,巖體中的m與巖塊的較接近;而巖體的Cm大大低于巖塊的C.這說明結(jié)構(gòu)面的存在主要降低了巖體的連結(jié)能力,進而降低其內(nèi)聚力.為使剪切面上不產(chǎn)生力矩效應(yīng),合力通過剪切面中心O,使其接近于純剪破壞;另一千斤頂傾斜布置,=15,每組試件應(yīng)有5個以上.剪斷面上:F為試件受剪截面積2.剪切強度特征巖體的剪切強度主要受結(jié)構(gòu)面,應(yīng)力狀態(tài),巖塊性質(zhì),風化程度及其含水狀態(tài)等因素的影響.1)高應(yīng)力條件時,巖體的

8、剪切強度較接近于巖塊強度;低應(yīng)力條件下,巖體的剪切強度主要受結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征及其組合關(guān)系的控制.2)工程荷載一般小于10Mpa(低應(yīng)力),故與工程活動有關(guān)的巖體破壞,基本上受結(jié)構(gòu)面的控制.3)巖體的剪切強度不是單一值,而是具有上限(Upper limit & bound)和下限(Lower limit & bound)的值域.其強度包絡(luò)線也不是單一曲線,而是有一定上限和下限的曲線族,如圖6.8所示.(上限為巖體的剪斷強度,下限是結(jié)構(gòu)面的抗剪強度)由圖6.8可知:較低時,變化范圍較大,變化范圍變小;0時,包絡(luò)線為一曲線,巖體強度將不受結(jié)構(gòu)面的影響,趨向各向同性體.二,裂隙巖體的壓縮強度包括單軸抗壓

9、強度和三軸壓縮強度.原位試驗工期長,費用高.因此,人們就開始從理論上分析研究裂隙巖體的壓縮強度.耶格(Jaeger,1960)提出單結(jié)構(gòu)面理論.結(jié)構(gòu)面的強度效應(yīng)單結(jié)構(gòu)面強度效應(yīng)假定巖體中發(fā)育一組結(jié)構(gòu)面AB,AB面(法線方向)與最大主應(yīng)力方向夾角為如圖6.9(a)所示.由Mohr應(yīng)力圓理論:結(jié)構(gòu)面強度服從Coulomb-Navier準則,如圖6.9(b):.代入得沿結(jié)構(gòu)面AB產(chǎn)生剪切破壞的條件:式中:Cj,j為結(jié)構(gòu)面的粘聚力和摩擦角.1)當=j或 時,1,巖體不可能沿結(jié)構(gòu)面破壞,而只能產(chǎn)生剪斷巖體破壞;2)當1,2時,巖體才沿結(jié)構(gòu)面破壞,如圖6.9(c)所示.略結(jié)構(gòu)面力學效應(yīng)圖給出了這兩種破壞的

10、強度包絡(luò)線,如圖6.9(d)所示.另外,由可得:巖體三軸壓縮強度1m:當3=0時,得巖體單軸抗壓強度mc:當 時,得巖體強度的最小值:如果巖體中含有兩組以上結(jié)構(gòu)面時,先給出每一組結(jié)構(gòu)面單獨存在的強度包絡(luò)線(1-3),取其中最小的包絡(luò)線為該巖體的強度包絡(luò)線,并以此確定巖體的強度.三,裂隙巖體強度的經(jīng)驗估算巖體強度是巖體工程設(shè)計的重要參數(shù),而做巖體的原位試驗又十分費時,費錢,難以大量進行.因此,如何利用地質(zhì)資料及小試件室內(nèi)試驗資料,對巖體強度作出合理估算是巖石力學中重要研究課題.下面介紹兩種方法:1.準巖體強度該方法的實質(zhì):用某種簡單的試驗指標來修正巖石(塊)強度,做為巖體強度的估算值.節(jié)理,裂隙

11、等結(jié)構(gòu)面是影響巖體的主要因素.引入彈性波知識,根據(jù)彈性波在巖體和巖塊中的傳播情況,可判斷巖體中裂隙發(fā)育程度.巖體的完整性(龜裂)系數(shù),以K表示:式中: 巖體中彈性波縱波傳播速度;巖塊中彈性波縱波傳播速度.可以根據(jù)K來計算準巖體強度.1)準巖體抗壓強度:mc=Kc2)準巖體抗拉強度:mt=Kt式中:c,t為巖石試件的抗壓(拉)強度.2.Hoek-Brown經(jīng)驗方程Hoek-Brown(1980)用試驗法導(dǎo)出巖塊和巖體破壞時主應(yīng)力間的關(guān)系:式中:1,3為破壞時的最大(小)主應(yīng)力;c為巖塊的單軸抗壓強度;m,S為與巖性及結(jié)構(gòu)面情況有關(guān)的常數(shù),查教材P109表6-5.上式的剪應(yīng)力表達式為:式中:為巖體

12、的剪切強度;為法向應(yīng)力;A,B為常數(shù);1)令3=0,則得巖體的單軸抗壓強度mc:2)令1=0,則得巖體的單軸抗拉強度mt:適用條件:適用于受構(gòu)造變動擾動改造及結(jié)構(gòu)面較發(fā)育的裂隙化巖體.而對低圍壓下較堅硬完整的巖體,估算強度偏低缺點和不足!除此之外,另外有Sheory,Bisw和Choubeg(1989)等人的經(jīng)驗方程.第三節(jié) 巖體的動力學性質(zhì)在動荷載作用下巖體的性質(zhì)主要表現(xiàn)如下幾個方面:彈性波的傳播規(guī)律(巖體中);巖體的動力變形;巖體的強度性質(zhì).何謂波 應(yīng)力波呢 波是指某種擾動(運動參數(shù),狀態(tài))(如應(yīng)力,變形,振動,溫度,電磁場強度等)的變化在介質(zhì)中的傳播.應(yīng)力波是應(yīng)力在固體(巖體)介質(zhì)中的傳

13、播.根據(jù)固體介質(zhì)變形性質(zhì)的不同,在固體中傳播的應(yīng)力波分為如下幾類:彈性波:關(guān)系服從虎克定理的介質(zhì)中傳播的波.粘彈性波:非線性彈性體中傳播的波,除了彈性應(yīng)力外還存在摩擦應(yīng)力或粘滯應(yīng)力.塑性波:應(yīng)力超過彈性極限的波.(只在振源處才能觀察到,且不是所有巖體中都能產(chǎn)生這樣的波.)沖擊波:大擾動的傳播速度遠大于小擾動的傳播速度的介質(zhì)中傳播的波.一,巖體中彈性波的傳播規(guī)律根據(jù)波動理論,連續(xù),均勻,各向同性彈性介質(zhì)中傳播的Vp和Vs:式中:Ed動彈性模量;d動泊松比;介質(zhì)密度.影響巖體傳播的彈性波的因素:(1)巖性:巖體愈堅硬,波速愈大;反之,愈小;(2)結(jié)構(gòu)面:對彈性波傳播起隔波(垂直于結(jié)構(gòu)面方向)或?qū)Р?/p>

14、(平行于結(jié)構(gòu)面方向)作用,從而導(dǎo)致波速及波動特性的各向異性;(3)應(yīng)力狀態(tài):壓應(yīng)力時,波速隨應(yīng)力增加而增加,波幅衰減少;拉應(yīng)力時,波速隨應(yīng)力增加而降低,波幅衰增大.(4)水:巖體中含水量的增加導(dǎo)致彈性波波速增加;(5)溫度:巖體處正溫時,波速隨T而;處于負溫時則隨T而.二,巖體中彈性波速度的測定式中:E:靜彈性模量j:折減系數(shù)Ed:動彈性模量(在設(shè)計和應(yīng)用上常用靜彈性模量E,但它的獲得費時,費事,費錢.)三,巖體的動力變形與強度參數(shù)1.動力變形參數(shù)(Ed,d,Gd)聲波測試資料求取:2.動力強度參數(shù)動態(tài)加載下的巖石強度比靜態(tài)加載下的強度高時間效應(yīng)王思敬等的經(jīng)驗公式:巖體準抗壓強度Rm: 式中:

15、Vmp,Vrp分別為巖體和巖塊的縱波波速.第四節(jié) 巖體的水力學性質(zhì)巖體的水力學性質(zhì):指巖體與水共同作用所表現(xiàn)出來的力學性質(zhì).水對巖體的作用包括兩個方面:1) 水對巖石的物理化學作用(軟化系數(shù) 表示, );(實際上包括軟化和泥化作用)2)水與巖體相互耦合作用下的力學效應(yīng).一,單個結(jié)構(gòu)面的水力特征設(shè)結(jié)構(gòu)面為一平直光滑無限延伸的面,張開度e各處相等,如圖6.10所示.忽略巖塊的滲透性,在穩(wěn)定流的情況下,各層間的剪應(yīng)力和靜水壓力P之間關(guān)系:又 式中:ux為沿x方向的水流速度;為水的動力粘滯系數(shù)(0.1Pa.s)1)邊界邊條件:若e很小,可忽略P在y方向上的變化,求解得:由可知:水流速度在斷面上呈二次拋

16、物線分布.又式中:為水的運動粘滯系數(shù)(cm2/s)以上為平直光滑無充填貫通結(jié)構(gòu)面導(dǎo)出的,但實際上巖體的結(jié)構(gòu)面沒有如此理想.于是,路易斯(Louis,1974)提出了修正公式:式中:K2結(jié)構(gòu)面的面連續(xù)性系數(shù);C結(jié)構(gòu)面的相對粗糙修正系數(shù): h為結(jié)構(gòu)面的起伏差.二,裂隙巖體的水力特征1.含一組結(jié)構(gòu)面巖體的滲透性能如圖6.11所示,一般結(jié)構(gòu)面走向方向的等效滲透系數(shù)K為:Km很小,可忽略,于是巖體的滲透系數(shù)K為:2.含多組結(jié)構(gòu)面巖體的滲透性能(自閱)3.巖體滲透系數(shù)的測試1)壓水試驗單孔,三段,注水試驗等方法,如圖6.12所示為一單孔壓水試驗.PP后,510min后測Q(L/min),巖體單位吸水量W(

17、L/min.m.m):巴布什金公式得:2)抽水試驗參見地下水動力學三,應(yīng)力對巖體滲透性能的影響野外和室內(nèi)試驗研究表明:結(jié)構(gòu)面中的水流通量隨受的正應(yīng)力而,并且隨著加,卸載次數(shù)的增加,巖體的滲透能力降低(主要是結(jié)構(gòu)面受力閉合的結(jié)果).許多經(jīng)驗公式:1)斯諾(Snow,1966):K=K0+(Knt2/s)(P0-P)K0為初始應(yīng)力P0的滲透系數(shù);Kn為結(jié)構(gòu)面的法向剛度;P為法向應(yīng)力.2)路易斯(Louis,1974): 其中為系數(shù),0為有效應(yīng)力.3)孫廣忠等(1983): (K0為附加應(yīng)力 =0時的滲透系數(shù);Kn為結(jié)構(gòu)面的法向剛度).由公式可知:巖體的滲透系數(shù)K是隨應(yīng)力的增加而降低的.并且隨著巖體的