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文檔簡介
1、1,第一章 緒論,巖石:由礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按一定規(guī)律 聚集而形成的自然物體,這是影響巖石力學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)的三個(gè)重要因素,構(gòu)造: 組成成分的空間分布及其相互間排列關(guān)系,巖石力學(xué)(Rock Mechanics):研究巖體在各種不同受力狀態(tài)下產(chǎn)生變形和破壞規(guī)律的學(xué)科,第一節(jié) 巖石與巖體,礦物:存在地殼中的具有一定化學(xué)成分和物理性 質(zhì)的自然元素和化合物,結(jié)構(gòu):組成巖石的物質(zhì)成分、顆粒大小和形狀以及 其相互結(jié)合的情況,2,巖石分類,巖體=巖塊+結(jié)構(gòu)面,變質(zhì)巖:不穩(wěn)定與變質(zhì)程度和原 巖性質(zhì)有關(guān),巖漿巖:強(qiáng)度高、均質(zhì)性好,沉積巖:強(qiáng)度不穩(wěn)定,各向異性,3,1.2 巖體力學(xué)的研究任務(wù)與內(nèi)容,不連續(xù);
2、各向異性; 不均勻性; 巖塊單元的可移動(dòng)性; 地質(zhì)因子特性(水、氣、熱、初應(yīng)力,1)巖體的力學(xué)特征,2)任務(wù),基本原理方面(建模與參數(shù)辨別); 試驗(yàn)方面(試驗(yàn)方法)儀器、信息處理、室內(nèi)、 外、動(dòng)、靜; 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試 ; 實(shí)際應(yīng)用,4,城市化:我國1989年不到20%,2000年為35.7%,2010達(dá)45%,為減少占用地面土地,發(fā)展地下空間。 人口密度:擁人極限2萬/km2,而上海達(dá)4萬/km2(局部16萬/km2),北京達(dá)2.7萬/km2。 綠化指標(biāo):1990年全國城市綠化面積3.9m2/人,上海0.9m2/人(國家要求2m2/人)。聯(lián)合國建議:40m2/人(莫斯科44m2/人;倫敦22.8m2
3、/人;巴黎25m2/人)。 交通方面 :北京道路面積4.4m2/人;東京11.3m2/人;倫敦21.3m2/人,4)相關(guān)任務(wù),5,1.3 巖體力學(xué)的研究方法,研究方法:實(shí)驗(yàn)、理論分析與工程應(yīng)用相結(jié)合,實(shí)驗(yàn),室內(nèi) 野外,巖塊(拉、壓、剪) 模擬,位移 應(yīng)力 壓力,收斂(表面位移) 應(yīng)變 絕對(duì)位移、相對(duì)位移(內(nèi)部,理論,連介 非連介 數(shù)值方法,有限元 離散元 DDA,6,7,1.4 巖體力學(xué)在其它學(xué)科中的地位,1)1925年泰沙基(Terzaghi)建筑土力學(xué) (2)地質(zhì)力學(xué)的巖石力學(xué)學(xué)派(奧地利學(xué)派(薩爾茨堡學(xué)派)繆勒)否認(rèn)小巖塊試件的力學(xué)試驗(yàn)。 (3)工程巖石力學(xué)學(xué)派,法國塔洛布爾(J.Tal
4、ober) 1951年巖石力學(xué)最早的代表作。 1963年意大利瓦依昂水庫巖坡滑動(dòng) 1966年在里斯召開第一屆國際巖石力學(xué)大會(huì)(一屆/4年 ) 全國巖石力學(xué)與工程學(xué)術(shù)會(huì),2000年開第6屆,1屆/1年。 全美,全歐。 總之三個(gè)階段:材料力學(xué)、連介力學(xué)、構(gòu)造力學(xué),力學(xué) (固體力學(xué)分支)、地質(zhì)學(xué)、巖土工程,1.5 巖石力學(xué)的發(fā)展簡史,返回,8,第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì),巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)是巖體最基本、最重要的性質(zhì)之一,也是巖石力學(xué)學(xué)科中研究最早、最完善的內(nèi)容之一。 第一節(jié) 基本物理性質(zhì) 一、巖石的質(zhì)量指標(biāo) (一)密度和比重 1、巖石的密度:單位體積內(nèi)巖石的質(zhì)量。 巖石含:固相、液相、氣相。
5、 三相比例不同而密度不同,9,2)飽和密度:巖石中的孔隙被水充填時(shí)的單 位體積質(zhì)量(水中浸48小時(shí),1)天然密度:自然狀態(tài)下,單位體積質(zhì)量,G巖石總質(zhì)量;V總體積,VV孔隙體積,10,3)干密度:巖塊中的孔隙水全部蒸發(fā)后的單位體積質(zhì)量(108烘24h,2、巖石的比重:巖石固體質(zhì)量(G1)與同體積水在4時(shí)的質(zhì)量比 VC固體積; 水的比重,G1巖石固體的質(zhì)量,KN/m3,11,二、巖石的孔隙性:反映裂隙發(fā)育程度的指標(biāo),一)孔隙比,VV孔隙體積(水銀充填法求出,二)孔隙率,V=VC+VV,en關(guān)系,12,天然狀態(tài)下 飽和狀態(tài)下,三、巖石的水理性質(zhì),一)含水性,1、含水量:巖石孔隙中含水量GW與固體質(zhì)
6、量之比的百分?jǐn)?shù),W=GW/G1(,2、吸水率:巖石吸入水的質(zhì)量與固體質(zhì)量之比,Wd,吸水率是一個(gè)間接反映巖石內(nèi)孔隙多少的指標(biāo),13,二)滲透性,在一定的水壓作用下,水穿透巖石的能力。反映了巖石中裂隙向相互連通的程度,大多滲透性可用達(dá)西(Darcy)定律描述,m3/s,水頭變化率,qx沿x方向水的流量;h水頭高度; A垂直x方向的截面面積;k滲透系數(shù),14,四、巖石的抗風(fēng)化指標(biāo)(3類,1)軟化系數(shù)(表示抗風(fēng)化能力的指標(biāo),Rcc干燥單軸抗壓強(qiáng)度、 Rcd飽和單軸抗壓強(qiáng)度; ()越小,表示巖石受水的影響越大,耐崩解性指數(shù)是通過對(duì)巖石試件進(jìn)行烘干,浸水循環(huán)試驗(yàn)所得的指標(biāo)。試驗(yàn)時(shí),將烘干的試塊,約500
7、g,分成10份,放入帶有篩孔的圓筒內(nèi),使圓筒在水槽中以20rs速度連續(xù)轉(zhuǎn)10分鐘,然后將留在圓筒內(nèi)的石塊取出烘干稱重。如此反復(fù)進(jìn)行兩次,按下式計(jì)算耐崩解性指數(shù),2)巖石耐崩解性指數(shù),試驗(yàn)前的試件烘干質(zhì)量 ;殘留在筒內(nèi)的試件烘干質(zhì)量,15,1、自由膨脹率:無約束條件下,浸水后脹變形與原尺寸 之比 軸向自由膨脹 (%) H試件高度 徑向自由膨脹 (%) D直徑,返回,三)巖石的膨脹性,評(píng)價(jià)膨脹性巖體工程的穩(wěn)定,16,第三章 巖石動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ),定義:所謂波,就是某種擾動(dòng)或某種運(yùn)動(dòng)參數(shù)或狀態(tài)參數(shù)(例如應(yīng)力、變形、震動(dòng)、溫度、電磁場(chǎng)強(qiáng)度等)的 變化在介質(zhì)中的傳播。應(yīng)力波就是應(yīng)力在固體介質(zhì)中的傳播。 分類:
8、(4類) 彈性波: 在應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系服從虎克定律的介質(zhì)中傳播的波,第一節(jié) 巖石的波動(dòng)特性,一、固體中應(yīng)力波的種類,17,粘彈性波 在非線性彈性體中傳播的波,這種波,除彈性變形產(chǎn)生的彈性應(yīng)力外,還產(chǎn)生又摩擦應(yīng)力或粘滯應(yīng)力。 塑性波 應(yīng)力超過彈性極限的波。 沖擊波 如果固體介質(zhì)的變形性質(zhì)能使大擾動(dòng)的傳播速度遠(yuǎn)比小擾動(dòng)的傳播速度大,在介質(zhì)中就會(huì)形成波頭陡峭的、以超聲波傳播的沖擊波,巖石在受到擾動(dòng)時(shí)在巖體中主要傳播的是彈性波,塑性波和沖擊波只有在振源才可以看到,18,3.在固體中可傳播的彈性波可分為兩類 (1)體波:由巖體內(nèi)部傳播的波(2類) (a)縱波(又稱:初至波、Primary波) 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的方向
9、和傳播方向一致的波 它產(chǎn)生壓縮或拉伸變形。 (b)橫波(又稱次到波、Second波) 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向和傳播方向垂直的波 產(chǎn)生剪切變形。 (2)面波:僅在巖石表面?zhèn)鞑ァ?質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡為一橢圓,其長軸垂直 于表面,這樣的面波又稱為瑞利波。 面波速度小于體波,但傳播距離大,19,按波面形狀,應(yīng)力波又區(qū)分為平面波、球面波和和柱面波。 波面上介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)具有相同的速度、加速度、位移、應(yīng)力和變形。 最前方的波面稱為波前、波頭和波陣面。 二、彈性波在固體中的傳播 拉梅運(yùn)動(dòng)方程 (不計(jì)體力,20,由上方程導(dǎo)出縱波在各向同性巖體中的傳播速度: 橫波在各向同性巖體中的傳播速度: 將 , 代入 上兩式,得,21,若已
10、知 ,側(cè)可根據(jù)上兩式推出求動(dòng)彈性模量 和動(dòng)泊松比 ,即,22,注:若 分辨不清,則可用 (一般可用 靜泊松比代替)求 ,則 若 0.25時(shí), 1.73 經(jīng)過各方面試驗(yàn)驗(yàn)證, 一般在1.61.7 之間,23,三、巖體彈性波速得測(cè)定,一)巖塊聲波傳播速度室內(nèi)測(cè)定 測(cè)定時(shí),把聲源和接收器放在巖塊試件得兩端,通常用超聲波,其頻率為1000Hz2MHz。(示波見圖31,發(fā)射傳感器,耦合濟(jì),接收傳感器,測(cè)出,24,25,注:由于縱波比橫波較后到達(dá),因此橫波易受干擾,難于分辨,所以準(zhǔn)確得測(cè)出橫波時(shí)很重要的。中國科學(xué)院巖土力學(xué)研究所建議用下述方法,1)用激發(fā)橫向振動(dòng)的PZT型壓電晶片作橫波換能 器(圖32a)
11、(2)利用固體與固體的自由邊表面產(chǎn)生反射橫波(圖32b)(3)利用水浸法量測(cè)試件的橫波(圖32c,26,27,二)巖體聲波傳播速度的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定,巖體聲波的傳播速度可以在巷道幫面或 平坦的巖面上測(cè)定。現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)彈性波速度 的方法如圖(3-3)所示。 量出聲源與接收器之間的距離如圖33中的D1或D2 測(cè)出P波和S波傳播的時(shí)間,計(jì)算彈性波速度Vp和Vs,28,29,三)巖體彈性波測(cè)定結(jié)果,巖體中彈性波速經(jīng)過室內(nèi)外測(cè)定與歸納,得結(jié)果間表31。 由表可見,巖體縱波波速變化范圍較大, 受各種因素影響。一般來說, 巖塊波速要大于巖體波速; 新鮮完整得巖體波速大; 裂隙越發(fā)育和風(fēng)化破碎巖體的波速越小,30,31,
12、根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理的巖體動(dòng)彈性模量見表(32,32,動(dòng)彈性模量與靜彈性模量的比值 一般來說,巖體越堅(jiān)硬越完整,則差值越小,否則,差值就越大。 根據(jù)對(duì)比資料的統(tǒng)計(jì),動(dòng)彈性模量比靜彈性模量高百分之幾至幾十倍,如圖34所示。 從動(dòng)彈性模量的數(shù)字來看,多集中在 之間,33,圖 3-4,返回,34,第二節(jié) 影響巖體波速的因素(5方面因素,一、巖體彈性波速與巖體種類、巖石密度和 生成年代有關(guān) 1.巖石的密度和完整性越高,波速越大 2.巖石密度越大,彈性波的速度也相應(yīng)增加 表31表示了各類巖石的彈性波速與巖石種類之間的關(guān)系。 圖35從實(shí)例統(tǒng)計(jì)的角度,表示了各類巖 石的彈性波速及密度之間的關(guān)系,35,36,二、
13、巖體波速與巖體中裂隙或夾層的關(guān)系,彈性波在巖體中傳播時(shí),遇到裂隙,則視充填物而異。若裂隙中充填物為空氣,則彈性波不能通過,而是繞過裂隙斷點(diǎn)傳播。在裂隙充水的情況下,聲能有5可以通過,若充填物為其他液體或固體物質(zhì),則彈性波可部分或完全通過。彈性波跨越裂隙寬度的能力與彈性波的頻率和振幅有關(guān). 1.頻率越低,跨越裂隙寬度俞大,反之俞小,37,圖3-7,38,2. 裂隙數(shù)目越多,則縱波速度愈小,39,3.巖體的風(fēng)化程度愈高彈性波的速度亦小,40,4.夾層厚度愈大彈性波縱波速度愈,41,三、巖體波速與巖體的有效孔隙率n及吸水率有關(guān),一些巖漿巖,沉積巖和變質(zhì)巖的縱波速度與有效孔隙率n之間的關(guān)系見圖39所示
14、,從圖中可以看出: 1.隨著有效孔隙率的增加,縱波波速則急劇下降,42,圖310表示了縱波波速與吸水率之間的關(guān)系,從圖中可以看出:2.隨著吸水率的增加,縱波波速急劇的下降,43,四、巖體波速與各向異性性質(zhì)有關(guān),巖體因成巖條件、結(jié)構(gòu)面和地應(yīng)力等 原因而具有各向異性,因而彈性波在巖體 中的傳播、巖體動(dòng)彈性模量等也具有各向 異性。表36看出: 1.平行層面縱波波速大于垂直層面波速 平行層面波速/垂直巖層波速各向異性系數(shù)C C=1.08-2.28;多數(shù):C=1.67 相當(dāng)一部分:c=1.10,44,表36,45,2.平行巖層面的動(dòng)彈模大于垂直巖層的動(dòng)彈模 各向異性系數(shù)數(shù)值在1.012.72之間;絕大部
15、分小于1.30,46,3.壓力愈大,縱波波速各向異性系數(shù)愈小 由表可見,所有系數(shù)均大于1;其最大系數(shù)在0.1MPa,47,五、巖體受壓應(yīng)力對(duì)彈性波傳播的影響,一)室內(nèi)測(cè)試的結(jié)果 巖石在壓應(yīng)力作用下,對(duì)彈性波的波速和 動(dòng)彈性模量有一定的影響,受力狀態(tài)可分 靜水壓縮、三向壓縮和單向壓縮,量測(cè)方 式可分為平行或垂直于最大應(yīng)力。 1.加載方式對(duì)聲波波速的影響 在單向壓縮且垂直應(yīng)力方向測(cè)試巖石的波速時(shí),所測(cè)波速有較明顯的影響;其它加載方法對(duì)所測(cè)波速的影響比較小,見圖311,12,48,49,均勻壓縮,單向壓縮,環(huán)向壓縮,50,2.壓應(yīng)力愈大波速愈大 從圖中可以看出,隨著壓力的增大,縱波的波速亦隨之增大。
16、縱波增加的波速,在開始階段較快,然后逐漸變小,最后可能不增加。 3.對(duì)于層面發(fā)育的沉積巖石,當(dāng)垂直于層面加載時(shí),在低應(yīng)力階段波速急速隨應(yīng)力增長而增加, 當(dāng)波速超過平行層面方向的波以后,增長變慢。 如圖313所示,51,52,4.當(dāng)巖石單向壓縮后,量測(cè)的波速因方向的不同而不同,與壓應(yīng)力相同方向上的縱波波速,在低應(yīng)力階段波速急速增長,達(dá)到一定程度后增速減緩,53,與壓應(yīng)力垂直方向上的縱波波速,隨應(yīng)力增長而減?。ú▊鲃?dòng)方向上受拉應(yīng)力,54,二)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)的結(jié)果,在某工程中,測(cè)定了巷道兩幫的應(yīng)力 變化對(duì)聲波波速的影響可以推斷松動(dòng)圈的范圍。工程測(cè)點(diǎn)布置如圖316,55,1.在巷道壁鉆孔測(cè)試聲波速度 在松動(dòng)
17、區(qū)內(nèi),由于巖體破碎且是低應(yīng)力區(qū),因而波速較?。桓邞?yīng)力區(qū),巖體完整,波速達(dá)到最大;原巖應(yīng)力區(qū),波速正常。根據(jù)波速沿測(cè)孔深度的變化曲線,確定這三個(gè)區(qū)的范圍,56,2.測(cè)試結(jié)果如圖可見,3條測(cè)線總的趨勢(shì)大約在1.5米處,波速最大,可推測(cè)松動(dòng)圈范圍在此處。另外,曲線1在1.5米更深處波速更大,這可能是該處巷道縱橫交錯(cuò),應(yīng)力較復(fù)雜之故,57,3.當(dāng)巖石種類不同,縱波波速不同。但基本規(guī)律相同,即在低應(yīng)力區(qū)縱波波速增長很快,隨著應(yīng)力的增大,增長減慢,趨于常值。如圖318所示,返回,58,第四章 巖體的基本力學(xué)性質(zhì),4.1 巖體結(jié)構(gòu)面分析 一、結(jié)構(gòu)面:斷層、節(jié)理、褶皺統(tǒng)稱 巖體 結(jié)構(gòu)面影響,完整性很好連續(xù)介質(zhì)
18、力學(xué)方法 非常破碎土力學(xué)方法 兩者之間裂隙體力學(xué)方法,巖體不連續(xù)性,各向異性 反映區(qū)域性地質(zhì)構(gòu)造 降低巖體強(qiáng)度,59,圖41節(jié)理巖體的強(qiáng)度特征與巖石強(qiáng)度的區(qū)別 巖石;節(jié)理化巖體:節(jié)理,巖體強(qiáng)度=巖塊強(qiáng)度+節(jié)理強(qiáng)度,60,二、結(jié)構(gòu)面的分類,按照工程的要求分類 1絕對(duì)分類 2相對(duì)分類相對(duì)工程而言的分類見表4-1。 3按力學(xué)觀點(diǎn)分類,中等結(jié)構(gòu)面 110m巨大結(jié)構(gòu)面 10m,細(xì)小結(jié)構(gòu)面 延長 1m,破壞面 破壞帶 行兩者之間,充填 非充填,見表42,61,表41結(jié)構(gòu)面的相對(duì)分類,62,圖42 按力學(xué)觀點(diǎn)的破壞面和破壞帶分類,單節(jié)理,節(jié)理組,節(jié)理群,羽毛狀節(jié)理,破碎帶,無充填,有充填,有粘性充填物,63
19、,三、巖體破碎程度分類,一)裂隙度K 設(shè)勘測(cè)線長度為 ,在 上出現(xiàn)的節(jié)理的個(gè)數(shù)為n, 則 節(jié)理之間的平均間距為,裂隙度 切割度,單組結(jié)構(gòu)面 多組結(jié)構(gòu)面,10m,實(shí)例:k=4/10=0.4/m d=1/k=2.5m,1.單組節(jié)理,64,d180cm 整體結(jié)構(gòu) d=30180 塊狀結(jié)構(gòu) d30 破裂結(jié)構(gòu) d6.5 極破裂結(jié)構(gòu) K=01/m 疏節(jié)理 K=110/m 密節(jié)理 K=10100/m 很密節(jié)理 K=1001000/m 糜棱節(jié)理 2.多組節(jié)理,按間距分類,按裂隙度分類,65,圖43兩組節(jié)理的裂隙度計(jì)算圖,66,二)切割度,節(jié)理并非在巖體內(nèi)全部貫通,用“切割度”來描述節(jié)理貫通度,在巖體中取一平直
20、斷面,總截面積為A,其中被節(jié)理面切割的面積為a;則切割度為,多處不連續(xù)切割疊加,實(shí)例,67,式中:巖體體積內(nèi)部被某組節(jié)理切割的程度,單位m2/m3,表4-2按切割度分類,切割度與裂隙度的關(guān)系,68,三)巖體破碎程度分類(表4-3,69,四、結(jié)構(gòu)面的幾何特征,1走向 例如:N30oE 2傾斜 3連續(xù)性 4粗糙度:節(jié)理表面粗糙程度 5起伏度,傾向 傾角,沿走向 沿傾角,切割度為依據(jù),幅度a 長度,反映節(jié)理的外貌幾何要素,70,圖45 節(jié)理面的起伏度與粗糙度,A和 的節(jié)理表面起伏越急峻,返回,71,第二節(jié) 結(jié)構(gòu)面的變形特性,一、節(jié)理的法向變形 (一)節(jié)理彈性變形(齒狀接觸) 式中:d-為塊體的邊長;
21、 n-為接觸面的個(gè)數(shù); -為每個(gè)接觸面的面積; -為泊松比;E-為彈性模量,法向 切向,按彈性力學(xué)Boussinesq公式計(jì)算齒狀節(jié)理接觸面彈性變形引起的閉合變形,72,二)節(jié)理的閉合變形 齒狀接觸,開始是齒頂?shù)膲嚎s壓碎閉合。下面介紹Goodman方法,張開節(jié)理無抗拉強(qiáng)度 結(jié)構(gòu)面在壓應(yīng)力下存在極限閉合量且e(節(jié)理的厚度,1)基本假設(shè),2)狀態(tài)方程,原位應(yīng)力,A,t回歸參數(shù),73,3)狀態(tài)方程的幾何表示,當(dāng)t=t A=1時(shí),有,最大閉合,74,4)試驗(yàn)方法(VmC的確定,步驟: (1)備制試件; (2)作-曲線(a); (3)將試件切開,并配 稱接觸再作曲線(b); (4)非配稱接觸,作曲線(c
22、); (5)兩種節(jié)理的可壓縮性 配稱節(jié)理的壓縮量: 非配稱節(jié)理的壓縮量,75,圖47 一條張開裂縫的壓縮變形曲線,76,二、節(jié)理的切向變形,一)節(jié)理強(qiáng)度與剪切變形的關(guān)系 節(jié)理“ ”曲線分為4類。見下圖 強(qiáng)度準(zhǔn)則,抗剪強(qiáng)度 節(jié)理變形 擴(kuò)容現(xiàn)象,77,圖 48 四種典型的節(jié)理強(qiáng)度和位移關(guān)系曲線,78,二)節(jié)理抗剪強(qiáng)度和擴(kuò)容分析,基本理論:庫侖準(zhǔn)則 類型:面接觸、齒狀接觸 1面接觸,滾動(dòng)摩擦 轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦,79,正好破壞時(shí),破壞面與 的夾角= 剪應(yīng)變 內(nèi)摩擦角(當(dāng) =常量, 節(jié)理面最大主應(yīng)力) 極限: 靜摩擦系數(shù)fs與靜摩擦角 令節(jié)理剪切破壞的剪應(yīng)力和正應(yīng)力為,對(duì)邊/斜邊,對(duì)邊/鄰邊,80,則 動(dòng)摩擦系
23、數(shù)fk與動(dòng)摩 擦角 的關(guān)系 2齒接觸摩擦 準(zhǔn)則: 總剪切方向:AB 每個(gè)齒在爬坡,與AB成 角上坡;齒面上的剪切力和正應(yīng)壓力為 ,,1)規(guī)則 (2)不規(guī)則,見圖412,摩擦角與位移的關(guān)系,靜摩擦角,動(dòng)摩擦角,81,圖412 齒狀剪切面模型,82,設(shè)斜坡上的摩擦角為 則 展開,83,與平面接觸比較可見,齒的作用提高了摩擦角,也就提高摩擦系數(shù)。稱為滑升角 。 當(dāng)T的方向是下坡方向時(shí),內(nèi)摩擦角變成 規(guī)則齒強(qiáng)度準(zhǔn)則,升角取“+” 降角取“,84,規(guī)則齒剪切擴(kuò)容(剪脹,殘余內(nèi)摩擦角,設(shè)滑動(dòng)前的內(nèi)摩摩擦角為 則滑動(dòng)后的內(nèi)摩摩擦角為 無齒時(shí)的殘余內(nèi)摩擦角 無齒(平面接觸)時(shí)的內(nèi)摩擦角,85,圖413 契效應(yīng)
24、的擴(kuò)容曲線,86,2)不規(guī)則齒接觸(1977 NBarton,經(jīng)驗(yàn)公式,JRC為節(jié)理粗糙系數(shù) JCS為節(jié)理壁抗壓強(qiáng)度,87,3、轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦,1)基本假設(shè) 在張開節(jié)理中,經(jīng)常有塊狀充填物,或節(jié)理切割成碎塊。當(dāng)剪切時(shí),可使充填物或碎塊發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)的碎塊為平行六面體,其模型見圖。假設(shè)模型受法向力N;剪切力T。 (2)穩(wěn)定性分析設(shè)平行六面體寬為a、高為b??傻?。當(dāng)六面體受力后,其一邊作軸轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)角為??赡苡?種情況,88,當(dāng)時(shí),則六面體發(fā)生翻倒,故稱為翻倒角。當(dāng)時(shí),六面體不會(huì)翻倒;當(dāng)時(shí),六面體處于極限狀態(tài),3)應(yīng)變分析(參見圖)一旦轉(zhuǎn)動(dòng),平行六面體受到剪應(yīng)變和線應(yīng)變。 剪應(yīng)變: 線應(yīng)變:六面體()
25、作圓弧轉(zhuǎn)動(dòng)的方程為,由此解出,89,應(yīng)變,5)內(nèi)摩擦角的變化(見圖4.16)六面體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)其傾斜角為: 破壞時(shí)傾角等于內(nèi)摩擦角,4)節(jié)理面的位移圖中底部的位移:頂部的位移,90,91,在初始狀態(tài)下,內(nèi)摩擦角最大,等于翻倒角,當(dāng)時(shí)擴(kuò)容最大,當(dāng)開始轉(zhuǎn)動(dòng)破壞時(shí), 碎塊間的內(nèi)摩擦角為,92,93,4、滾動(dòng)摩擦,當(dāng)碎塊的翻倒角 減少時(shí),其內(nèi)摩擦角也將減小。當(dāng)碎塊剖面為n個(gè)邊的規(guī)則多角形時(shí),其翻倒角為,當(dāng)碎塊的邊數(shù)不斷增加,則碎塊趨向圓球, 。其抗翻倒阻力就是它的滾動(dòng)摩力,其摩擦系數(shù)為,鋼圓柱滾動(dòng)其摩擦系數(shù)為,返回,94,4.3 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)效應(yīng),一、單節(jié)理和多節(jié)理的力學(xué)效應(yīng) (一)單節(jié)理的力學(xué)效應(yīng) 設(shè)結(jié)構(gòu)
26、面的強(qiáng)度條件 設(shè)節(jié)理的方向角為 節(jié)面上的應(yīng)力(圖4.19,95,圖419 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)效應(yīng),96,所以,強(qiáng)度準(zhǔn)則,令 則 當(dāng) (節(jié)理的存在不影響巖體的強(qiáng)度) 當(dāng) 可見 對(duì) 求一階導(dǎo)數(shù),并含其為零得 此時(shí)節(jié)理面對(duì)巖體的強(qiáng)度削弱最大,巖體有最小強(qiáng)度,97,巖體的最大強(qiáng)度 ,節(jié)理面的存在不削弱巖塊強(qiáng)度,圖解法 (見圖419,對(duì)巖體強(qiáng)度有影響的節(jié)理方位角: 直接在圖419量取,也可以由正弦定律推出,98,對(duì)巖體強(qiáng)度有影響的節(jié)理方位角,99,幾點(diǎn)討論,巖石節(jié)理同時(shí)破壞,巖體強(qiáng)度等于巖塊強(qiáng)度,巖塊先破壞,巖體強(qiáng)度等于巖塊強(qiáng)度,或,節(jié)理先破壞,巖體強(qiáng)度小于巖塊強(qiáng)度,或,100,二)多節(jié)理的力學(xué)效應(yīng) (疊加,
27、兩組以上的節(jié)理同樣處理,不過巖體總 是沿一組最有利破壞的節(jié)理首先破壞,圖421 兩組節(jié)理力學(xué)模型,圖420 1與 的關(guān)系曲線,101,二、當(dāng)C=0時(shí)節(jié)理面的力學(xué)效應(yīng),這時(shí)庫侖準(zhǔn)則 由(4-51)式推導(dǎo)得: , 此時(shí)巖體的強(qiáng)度只靠碎塊之間的摩擦力來提供,已知由此式可計(jì)算出維持巖體極限穩(wěn)定的側(cè)向擠壓力。 巖體所需的最小支護(hù)力,返回,102,第四節(jié) 碎塊巖體的破壞,被結(jié)構(gòu)面切割的巖體,視為巖塊的集合體。變形明顯變大,且是永久變形,裂隙巖體的破壞類型可分三種: 沿節(jié)理破壞(常見) 巖體實(shí)體部分破壞(少數(shù)) 巖塊與節(jié)理面同時(shí)破壞(較常見) 一、沿節(jié)理面產(chǎn)生破壞 1、破壞類型(分三類,103,齒狀剪切破壞
28、斜面,個(gè)別塊體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),剪切破壞帶,一列內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的塊體有2塊,扭結(jié)破壞帶,巖塊砌疊列排列,扭結(jié)在一起而整轉(zhuǎn)動(dòng),一列內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的塊體大于2塊,104,2、L-A方程(Ladanyi和Archambault,1)設(shè) (2)由平衡條件及功能原理,得峰值抗剪強(qiáng)度,節(jié)理破壞面為規(guī)則齒狀(圖4-24) 外力作用下,齒面產(chǎn)生相對(duì)水平位移和 垂直位移增量(擴(kuò)容) 齒受力后,若荷載過大,部分齒剪壞,4-61,剪斷齒端的面積與剪切面積之比,峰值抗剪強(qiáng)度時(shí)的擴(kuò)容比,巖塊的抗剪強(qiáng)度,節(jié)理面的內(nèi)摩擦角,105,鋸齒狀剪壞面模型,擴(kuò)容與應(yīng)力的關(guān)系,齒根剪斷部分,齒根全部剪斷,擴(kuò)容為0,擴(kuò)容,擴(kuò)容最大,106,3)退化討論,當(dāng)a
29、s=0(被剪斷的面積為零,適用于低正應(yīng)力狀態(tài), 為滑升角,當(dāng)as=1和V=0(齒根全部剪斷,擴(kuò)容為0),抗剪強(qiáng)度為,巖石殘余內(nèi)摩擦角,節(jié)理面抗剪強(qiáng)度,適用于高正應(yīng)力,推動(dòng)力,等于巖石的單向抗壓強(qiáng)度,107,佩頓雙線性強(qiáng)度準(zhǔn)則,108,節(jié)理峰值抗剪強(qiáng)度線,節(jié)理峰值抗剪強(qiáng)度,巖石包絡(luò)線,109,4)峰值抗剪強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)參數(shù),當(dāng)T(齒沒有全部剪切時(shí)), Adany 建議,4-64,4-65,4-66,n巖石的抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比,110,467,在剪切破壞帶或扭壞帶內(nèi),即當(dāng)每轉(zhuǎn)動(dòng)巖塊的塊數(shù)25時(shí),則從試驗(yàn)得到 Adany公式中的參數(shù),111,二、巖塊節(jié)理破壞,巖塊剪切破壞面mn,圖 4.27巖塊節(jié)理
30、模型的剪切破壞,求:塊體沿mn和Ml發(fā)生破壞所需要的最小推力及該類巖體的擴(kuò)容條件,112,設(shè)巖塊抗剪強(qiáng)度 , 設(shè)mn方向位移1單位, 則水平位移: 垂直位移: 合剪力: 合正應(yīng)力: 水平推力:H 內(nèi)、外力作功相等: 代入以上結(jié)果,并,得,m,n,H,a,1,u,位移 方向,單元受力圖,1.塊體沿mn發(fā)生破壞所需要的最小推力H,113,式中:節(jié)理的摩擦系數(shù) 因?yàn)閴K體朝需要推力最小的方向位移,3.該類巖體的擴(kuò)容條件,2.塊體沿ml發(fā)生破壞所需要的最小推力H,返回,114,第五節(jié) 巖體的應(yīng)力應(yīng)變分析 一、巖體的 曲線,巖石和巖體的曲線對(duì)比示意圖,1.巖石和巖體應(yīng)力應(yīng)變曲線差別,巖石,巖體,115,2
31、.巖體變形曲線類型,彈性線性,巖體內(nèi)部破裂或結(jié)構(gòu)面局部剪切破壞。雙線性,彈塑性變形非線性,出現(xiàn)2個(gè)破壞點(diǎn)多線性,116,二、巖體變形模量,確定方法,1.由應(yīng)力-應(yīng)變曲線確定,2.巖塊與節(jié)理面變形疊加求模量,3.“等價(jià)”模型確定,4.現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法,1.由應(yīng)力-應(yīng)變曲線確定,變形模量,彈性模量,117,2.巖塊變形與節(jié)理面變形疊加求模量,依據(jù):巖體的位移=巖塊的位移+節(jié)理的位移,巖塊的位移,節(jié)理的位移,巖體的位移,a,巖體有效變形模量,b,118,a)式=(b)式,由于,故,注:實(shí)際工程中,E由室內(nèi)巖塊試驗(yàn)確定d 為節(jié)理的間距,可由地質(zhì)測(cè)繪確定; 可由現(xiàn)場(chǎng)巖體變形試驗(yàn)求出。故可由此式來求出 nh,
32、119,4.現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法(4.6講,3.“等價(jià)”模型求模量,設(shè)巖體內(nèi)存在單獨(dú)一組有規(guī)律的節(jié)理,可用“等價(jià)”連續(xù)介質(zhì)模型來代替這個(gè)不連續(xù)巖體,等價(jià)原理,保證模型和原型中的總應(yīng)力和位移相等;但原型和模型中的變形不同,等價(jià)”模型變形=巖塊變形+節(jié)理法向變形,既,巖體的變形模量,節(jié)理的法向剛度系數(shù),E 巖塊彈性模量,返回,120,第六節(jié) 巖體力學(xué)性能的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,由于室內(nèi)的巖樣存在體積小、脫離巖體的地質(zhì)力學(xué)性能的全貌等缺點(diǎn),因而不能充分反映巖體的力學(xué)性能。而巖體的野外現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試就較為全面的反映巖體力學(xué)性能的全貌,這是室內(nèi)試驗(yàn)所不及的。本節(jié)我們討論巖體的變形性能和強(qiáng)度特性的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。 一、巖體的變形試驗(yàn) 巖
33、體的變形試驗(yàn)有靜力法和動(dòng)力法兩種,121,靜力法是指巖體現(xiàn)場(chǎng)變形試驗(yàn)時(shí)以靜力荷載進(jìn)行加載。 動(dòng)力法是指施加于巖體上的荷載為動(dòng)力荷載。 動(dòng)力法的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定在第三章已介紹,這里介紹靜力法求現(xiàn)場(chǎng)巖體的變形模量。 常用的靜力法有千斤頂法荷載試驗(yàn)(或稱平板荷載法)、徑向荷載試驗(yàn)(如雙筒法)和水壓法。 通常求算巖體的彈性模量 及變形模量 用千斤頂法,求巖石的彈性抗力系數(shù)采用雙筒法,122,1.定義:用千斤頂加荷于墊板上,使荷載傳到巖體中,也稱千斤頂法。 2.設(shè)備裝置的主要組成(圖432): (1)墊板(承壓板);一般為方形或圓形,面積為0.25-1.20mm2、材料彈性也可為剛性。 (2)加荷裝置(千斤頂或
34、壓力枕);加荷為 500kN-3000kN,加荷方法有小循環(huán)和大循環(huán)兩種。小循環(huán)分為多次循環(huán)和單次循環(huán),見圖4-33。多次小循環(huán)加載比相同荷載下常規(guī)加載巖體產(chǎn)生的總變形大(蠕變現(xiàn)象) (3)傳力裝置(傳力支柱、傳力柱墊板); (4)變形量測(cè)裝置(測(cè)微計(jì),一)千斤頂法荷載試驗(yàn),123,頂、底板加載,邊墻加載,124,圖4-33 巖體現(xiàn)場(chǎng)變形試驗(yàn)加荷過 程示意圖,3.測(cè)試巖體的變形可在墊板下面測(cè)定,也可在通過墊板 中心的軸線上距墊板一定距離處量測(cè),125,4.算式 (測(cè)出壓力和位移,由下列公式計(jì)算巖體的變形模量E,把巖體看作一個(gè)彈性半無限空間,用布辛涅斯克方程求得巖體表面的垂直向位移,1)墊板為柔
35、性墊板(3種位移,a.巖體表面上墊板的中點(diǎn)處垂直位移,4-80,式中:p-荷載; r-墊板的半徑; -巖體的泊松比; E巖體的彈性模量,126,b.墊板的平均位移,481,式中,A-受荷表面的面積;m-系數(shù)它取決于墊板的形狀、剛度以及荷載分布等情況,其m值可見表45,127,c.帶孔柔性墊板(中心有孔的壓力枕)中心點(diǎn)的垂直位移,483,注:在圓形板下不同荷載類型時(shí),其相應(yīng)的m值可見表46,128,2)墊板為剛性墊板時(shí),482,式中:a和b為墊板的邊長,二)徑向荷載試驗(yàn)(求抗力系數(shù)K和彈模E,要點(diǎn):在巖體中開挖一個(gè)圓筒形洞室,然后在這個(gè)洞室的某一段長度上施加垂直于巖體表面的均勻壓力。水施加壓力的
36、為水壓法;用壓力枕施加壓的為壓力枕法(又稱奧地利荷載試驗(yàn),129,圖4-35所示試驗(yàn)是靠一鋼支承圓筒的四周的壓力枕同步對(duì)巖體施加荷載,造成洞中一定長度內(nèi)的巖體產(chǎn)生徑向壓縮,巖體變形控制在彈性階段。變形模量可按彈性厚壁圓筒理論(圖436)求得,式中 - 半徑為 巖體內(nèi)的徑向位移,130,A,A-A,A,131,推算彈性抗力系數(shù)K,定義:洞室表面產(chǎn)生單位位移的應(yīng)力,利用彈性厚壁圓筒理論推出,注:K隨洞的半徑的大小而變化,一般,半徑越大K值越小。K愈大巖體彈性抗力愈大,愈有利于襯砌的穩(wěn)定,既,132,三)狹縫壓力枕荷載試驗(yàn)(2種) 方法1要點(diǎn):將巖體切割成槽,把壓力枕埋于槽內(nèi),并用水泥砂漿澆注,使壓
37、力枕的兩個(gè)面皆能很好地與槽的兩側(cè)巖面接觸(圖4-37,變形模量為,式中: p-壓力枕給巖面的總荷載 ; A-圓形加載面的半徑; Vs-巖面的平均位移,133,方法2要點(diǎn):在垂直巖壁上刻槽布置,圖438 。則巖體的變形模量E可按布辛涅斯克的彈性理論求得。當(dāng)實(shí)測(cè)位移已知時(shí),變形模量為,式中:p-壓力枕施加的單位壓力(MPa,直槽寬度(近似用壓力枕的寬度代替)(cm) y-x軸到測(cè)點(diǎn)的距離(cm) -測(cè)點(diǎn)的位移(cm,134,1.要點(diǎn):可按施加的推力與剪切面之間的夾角的大小而采用不同的加荷方法。雙千斤頂試驗(yàn)中,一組試驗(yàn)不少于五塊試件,二、現(xiàn)場(chǎng)巖體直剪試驗(yàn)(2種,一)雙千斤頂法,135,p垂直千斤頂壓
38、力表讀數(shù)(MPa) t 橫向千斤頂壓力表讀數(shù)(MPa) F1垂直千斤頂活塞面積(若為壓力枕,應(yīng)乘以出力系數(shù))(cm2,2.在不同p力作用下剪切 面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力,F2-橫向千斤頂活塞面積(若為壓力枕,應(yīng)乘以 出力系數(shù))(cm2) F-試件剪切面面積(cm2) 橫向推力與剪切面的夾角(通常取150,式中,136,注1 當(dāng)剪切面上存在裂隙、節(jié)理等滑面時(shí), 抗剪面積將分為剪斷破壞和滑動(dòng)破壞兩部分,而把剪斷破壞當(dāng)作有效抗剪面積Fa,滑動(dòng)破壞時(shí)的滑動(dòng)面積為Fb,3.繪制應(yīng)力與位移特性曲線和剪應(yīng)力與正應(yīng) 力強(qiáng)度曲線,有效抗剪面積,正壓力仍由全部面積承擔(dān),總面積,137,二)單千斤頂法 1、要點(diǎn):單千斤
39、頂法是現(xiàn)場(chǎng)無法施加垂直應(yīng)力的情況下采用的。在山坡上或平洞內(nèi)的預(yù)定剪切面上挖成各種主應(yīng)力方向與固定剪切面成不同傾角的試件(通常剪切面傾角為150-350,注2 施加于試件剪切面上的壓力應(yīng)該包括千斤頂施加的荷重、設(shè)備和試件的重量。 注3 在計(jì)算剪應(yīng)力時(shí),應(yīng)扣除由于垂直壓力而產(chǎn)生的滾軸滾動(dòng)摩擦力,注4 如果剪切面為傾斜面時(shí),上述破壞面上的正、剪應(yīng)力的計(jì)算公式還應(yīng)根據(jù)傾角的大小進(jìn)行修正,138,2.破壞面上的正、剪應(yīng)力計(jì)算(如圖442,而,故,3.繪制巖體正-剪應(yīng)力強(qiáng)度曲線,139,三、現(xiàn)場(chǎng)三軸強(qiáng)度試驗(yàn) 在一個(gè)隨機(jī)性節(jié)理的巖體中,破壞面位置的 預(yù)定是有困難的,用三軸試驗(yàn)可以量測(cè)巖體的抗 剪強(qiáng)度和破壞面
40、的位置及形態(tài),這時(shí),破壞面會(huì) 沿最弱的面破壞。 1.試件 矩形塊體,在試洞底板或洞壁的試驗(yàn)位置上,經(jīng)過仔細(xì)鑿刻和整平而成的,此矩形試件三邊脫離原地巖體,而僅一邊與巖體相連。目前,試件的大小可達(dá)2.80m1.40m2.80m,試件的基底與巖體相連的面積為2.80m1.40m,圖443,140,2.加載與測(cè)試 試件準(zhǔn)備好后,把壓力枕埋置在刻槽內(nèi),以便施加2和3,而1是通過垂直千斤頂或壓力枕施加的。在試驗(yàn)中量測(cè)和記錄試件的位移,3.繪制巖體試驗(yàn)應(yīng)力圓包絡(luò)線、強(qiáng)度曲線和巖體特征曲線,141,從而測(cè)定應(yīng)力位移關(guān)系曲線。確定應(yīng)力的比例極限、屈服極限和破壞極限。 關(guān)于不同應(yīng)力狀態(tài)下,現(xiàn)場(chǎng)三軸試驗(yàn)成果的 計(jì)算
41、分述如下: 1.三軸應(yīng)力在 狀態(tài)下應(yīng)力滿足: 上式中,L,M,N分別是某平面的法向方向余弦。令 L,M,N0,則在 平面坐標(biāo)內(nèi)表示為三個(gè)應(yīng)力圓(圖444,142,2.三軸應(yīng)力在 狀態(tài)下應(yīng)力滿足: (圖445) 上式在 平面坐標(biāo)內(nèi)表示為一個(gè)應(yīng)力圓。 3.三軸應(yīng)力在 狀態(tài)下應(yīng)力滿足,返回,143,第四章習(xí)題,選擇題 1、巖體的強(qiáng)度小于巖石的強(qiáng)度主要是由于( )。 ( A )巖體中含有大量的不連續(xù)面 ( B )巖體中含有水 ( C )巖體為非均質(zhì)材料 ( D )巖石的彈性模量比巖體的大 2、巖體的尺寸效應(yīng)是指( )。 ( A )巖體的力學(xué)參數(shù)與試件的尺寸沒有什么關(guān)系 ( B )巖體的力學(xué)參數(shù)隨試件的
42、增大而增大的現(xiàn)象 ( C )巖體的力學(xué)參數(shù)隨試件的增大而減少的現(xiàn)象 ( D )巖體的強(qiáng)度比巖石的小,144,3 、影響巖體質(zhì)量的主要因素為( )。 (A)巖石類型、埋深 (B)巖石類型、含水量、溫度 (C)巖體的完整性和巖石的強(qiáng)度 (D)巖體的完整性、巖石強(qiáng)度、裂隙密度、埋深 4、我國工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中巖石的堅(jiān)硬程序確定是按照( )。 (A)巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度 (B)巖石的抗拉強(qiáng)度 (C)巖石的變形模量 (D)巖石的粘結(jié)力,145,5、下列形態(tài)的結(jié)構(gòu)體中,哪一種具有較好的穩(wěn)定性?( ) (A)錐形(B)菱形(C)楔形(D)方形 6、沉積巖中的沉積間斷面屬于哪一種類型的結(jié)構(gòu)面?( ) (A)
43、原生結(jié)構(gòu)面(B)構(gòu)造結(jié)構(gòu)面 (C)次生結(jié)構(gòu)面 7、巖體的變形和破壞主要發(fā)生在( ) (A)劈理面(B)解理面(C)結(jié)構(gòu) (D)晶面,146,8、同一形式的結(jié)構(gòu)體,其穩(wěn)定性由大到小排列次序正確的是( ) (A)柱狀板狀塊狀 (B)塊狀板狀柱狀 (C)塊狀柱狀板狀 (D)板狀塊狀柱狀 9、不同形式的結(jié)構(gòu)體對(duì)巖體穩(wěn)定性的影響程度由大到小的排列次序?yàn)椋?) (A)聚合型結(jié)構(gòu)體方形結(jié)構(gòu)體菱形結(jié)構(gòu)體錐形結(jié)構(gòu)體 (B)錐形結(jié)構(gòu)體菱形結(jié)構(gòu)體方形結(jié)構(gòu)體聚合型結(jié)構(gòu)體,147,C)聚合型結(jié)構(gòu)體菱形結(jié)構(gòu)體文形結(jié)構(gòu)體錐形結(jié)構(gòu)體 (D)聚合型結(jié)構(gòu)體方形結(jié)構(gòu)體錐形結(jié)構(gòu)體菱形結(jié)構(gòu)體 10、巖體結(jié)構(gòu)體是指由不同產(chǎn)狀的結(jié)構(gòu)面組合
44、圍限起來,將巖體分割成相對(duì)的完整堅(jiān)硬的單無塊體,其結(jié)構(gòu)類型的劃分取決于( ) (A)結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)(B)結(jié)構(gòu)體型式 (C)巖石建造的組合(D)三者都應(yīng)考慮,148,1、A 2、C 3、C 4、A 5、D 6、A 7、C 8、B 9、A 10、D,參考答案,返回,149,第五章 工程巖體分類,第一節(jié) 分類的目的與原則 巖體復(fù)雜、理論不完善、靠經(jīng)驗(yàn)。從定性和定 量兩個(gè)方面來評(píng)價(jià)巖體的工程性質(zhì),根據(jù)工程 類型及使用目的對(duì)巖體進(jìn)行分類,這也是巖體力學(xué)中最基本的研究課題,1、分類的目的 (1)為巖石工程建設(shè)的勘察、設(shè)計(jì)、施工和編制定額提供必要的基本依據(jù)。 (2)便于施工方法的總結(jié),交流,推廣。 (3)為便
45、于行業(yè)內(nèi)技術(shù)改革和管理,150,2、分類原則,1)有明確的類級(jí)和適用對(duì)象。 (2)有定量的指標(biāo)。 (3)類級(jí)一般分五級(jí)為宜。 (4)分類方法簡單明了、數(shù)字便于記憶和應(yīng)用。 (5)根據(jù)適用對(duì)象,選擇考慮因素。 趨勢(shì):“綜合特征值”分類法,151,3、分類的獨(dú)立因素 在分類中起主導(dǎo)和控制作用的有如下幾方 面因素,1)巖石材料的質(zhì)量(強(qiáng)度指標(biāo))。 (2)巖體的完整性,結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、密度、聲波等。 (3)水汶狀態(tài)(軟化、沖蝕、弱化) (4)地應(yīng)力 (5)其它因素(自穩(wěn)時(shí)間、位移率) 其中:巖性是最重要因素,返回,152,第二節(jié) 幾種典型分類,1、按巖石的單軸抗壓強(qiáng)度RC分類 用巖塊單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行分類,
46、簡單、早期,因此在工程上采用了較長的時(shí)間(普氏系數(shù))。 (一)巖石單軸抗壓強(qiáng)度分類(表5-1,153,由于巖石點(diǎn)荷載試驗(yàn)可在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定,數(shù)量多而簡便,所以用點(diǎn)荷載強(qiáng)度指標(biāo)分類得到重視。由倫敦地質(zhì)學(xué)會(huì)與Franklin等人提出,見圖5-1,二)以點(diǎn)荷載強(qiáng)度指標(biāo)分類,154,2、按巷道巖石穩(wěn)定性分類,一)斯梯尼(Stini)分類 根據(jù)巷道圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行分類,如表5-2所示,155,根據(jù)巖石抗壓強(qiáng)度、工程地質(zhì)條件和開挖時(shí)巖體穩(wěn)定破壞現(xiàn)象,分四類,并有相應(yīng)的施工措施,見表5-3,二)前蘇聯(lián)巴庫地鐵分類,156,3、按巖體完整性分類,一)按巖石質(zhì)量指標(biāo) RQD 分類 (Rock Quality Desi
47、gnation) RQD是選用堅(jiān)固完整的、其長度大于等于10mm的巖芯總長度與鉆孔長度的比,百分?jǐn)?shù)表示為,工程實(shí)踐說明,RQD是一種比巖芯采取率更好的指標(biāo),157,例 某鉆孔的長度為250cm,其中巖芯采取總長度為200cm,而大于10cm的巖芯總長度為157cm(圖5-2),則巖芯采取率:200/250=80% RQD=157/250=63,158,用RQD值來描述巖石的質(zhì)量-分級(jí)(表5-4,159,二)以彈性波(縱波)速度分類 依據(jù):彈性波變化能反映巖體結(jié)構(gòu)特性和完整性。 中科院地質(zhì)所根據(jù)他們對(duì)巖體結(jié)構(gòu)的分類,列出了彈性波在各類巖體中傳播特性,如表5-5,160,日本池田和彥于1969年提
48、出了日本鐵路隧道圍巖強(qiáng)度分類。首先將巖質(zhì)分六類,在根據(jù)彈性波在巖體中的速度,將圍巖強(qiáng)度分為七類。(表5-6,161,4、按巖體綜合指標(biāo)分類,162,二)巖體的巖土力學(xué)分類 由畢昂斯基(Bieniaski1974)提出“綜合特征值”-RMR值分類0RMR100 (在歐美流行,式中的6個(gè)指標(biāo)的相關(guān)因素分別為: R1-巖石抗壓強(qiáng)度 R2-RQD R3-節(jié)理間距 R4-節(jié)理狀態(tài) R5-地下水狀態(tài) R6-修正系數(shù),節(jié)理的方向?qū)こ痰挠绊?這6個(gè)指標(biāo)分別由如下各表來確定,163,1)與巖石強(qiáng)度相關(guān)的巖體評(píng)分值R1可以用標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行單軸壓縮來確定,也可由點(diǎn)荷載試驗(yàn)確定,表5-7 巖石抗壓強(qiáng)度與巖體評(píng)分值R1
49、的對(duì)應(yīng)關(guān)系,164,2)巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD由修正的巖芯采取率確定,表5-8 對(duì)應(yīng)于RQD的巖體評(píng)分值R2,3)對(duì)應(yīng)于節(jié)理組間距的巖石評(píng)分值R3,表5-9,165,4)與節(jié)理狀態(tài)相關(guān)的巖體評(píng)分值R4,見表5-10 (5)與地下水狀態(tài)相關(guān)的巖體評(píng)分值R5見表5-11,166,6)巖體工程的穩(wěn)定性與節(jié)理方向是否有利關(guān) 系很大,所以最后提出了表5-12,來考慮節(jié)理方 向?qū)こ淌欠裼欣麃硇拚拔鍌€(gè)評(píng)分之和。(R6,167,根據(jù)以上六個(gè)參數(shù)之和RMR值,把巖體的質(zhì)量劃分為五類,見表5-13,168,本分類還給出了對(duì)巖體穩(wěn)定性(隧洞巖體自穩(wěn)時(shí)間)以及對(duì)應(yīng)的巖體c,值,建議值見表5-14,返回,169,第三節(jié)
50、 我國工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) (GB50218-94,1、工程巖體分級(jí)的基本方法 (1)確定巖體基本質(zhì)量 按定性、定量相協(xié)調(diào)的要求,最終確定巖石 的堅(jiān)硬程度與巖體完整性指數(shù)。 a.巖石堅(jiān)硬程度的確定 巖石堅(jiān)硬程度采用巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)(RC,170,表5-15 RC與定性劃分的巖石堅(jiān)硬程度的關(guān)系,b.巖體完整性指數(shù)(Kv)的確定。 用彈性波測(cè)試。見第三章 選擇有代表性露頭或開挖面,對(duì)不同的工程地質(zhì)巖組進(jìn)行節(jié)理裂隙統(tǒng)計(jì),根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果計(jì)算單位巖體體積的節(jié)理數(shù)(Jv)(條/m3,171,表5-16 Jv與 Kv的對(duì)照關(guān)系,表5-17 Kv與巖體完整性程度定性劃分的對(duì)應(yīng)關(guān)系,172,2)基本質(zhì)量分級(jí) a.巖
51、體基本質(zhì)量指標(biāo)(BQ)按下式計(jì)算 BQ=90+3RC+250KV 式中:RC巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度的兆帕數(shù)值 KV巖體完整性指數(shù)值 注:當(dāng)RC90KV+30,代RC90KV+30 當(dāng)KV0.04 RC+0.4,代KV0.04 RC+0.4 b.按計(jì)算所得的Q值分級(jí)見表5-18(分為5級(jí),173,174,3)結(jié)合工程情況,計(jì)算巖體基本質(zhì)量指標(biāo)修 正值BQ,并按表5-18的指標(biāo)值確定本工程的工 程巖體級(jí)別。 BQBQ100(K1+K2+K3) K1,K2,K3值,可分別按表5-19、5-20、5-21確 定。無表中所列情況時(shí),修正系數(shù)取零。 BQ出現(xiàn)負(fù)值時(shí),應(yīng)按特殊問題處理,175,176,177,
52、2.工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用(2條) (1)巖體物理力學(xué)參數(shù)的選用,178,工程巖體基本級(jí)別一旦確定以后,可按表5-2 選用巖體的物理力學(xué)參數(shù)以及按表5-23選用巖體 結(jié)構(gòu)面抗剪斷峰值強(qiáng)度參數(shù),179,180,2)地下工程巖體自穩(wěn)能力的確定 利用標(biāo)準(zhǔn)中附錄所列的地下工程自穩(wěn)能力(表5-24),可以對(duì)跨度等于或小于20m的地下工程作自穩(wěn)性初步評(píng)價(jià),當(dāng)實(shí)際自穩(wěn)能力與表中相應(yīng)級(jí)別的自穩(wěn)能力不相符時(shí),應(yīng)對(duì)巖體級(jí)別作相應(yīng)調(diào)整,181,返回,182,例:某地下工程巖體的勘探后得到如下資料:單軸飽和抗壓強(qiáng)度強(qiáng)度 ;巖石較堅(jiān)硬,但巖體較破碎,巖石的彈性縱波速度 、巖體的彈性縱波速度 ;工作面潮濕,有的地方出現(xiàn)點(diǎn)
53、滴出水狀態(tài);有一組結(jié)構(gòu)面,其走向與巷道軸線夾角大約為25度、傾角為33度;沒有發(fā)現(xiàn)極高應(yīng)力現(xiàn)象。按我國工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(GB5021894)該巖體基本質(zhì)量級(jí)別和考慮工程基本情況后的級(jí)別分別確定為()。(A)級(jí)和級(jí)(B)級(jí)和級(jí)(C)級(jí)和級(jí)(D)級(jí)和級(jí),解:(1)計(jì)算巖體的基本質(zhì)量指標(biāo),其中,183,檢驗(yàn)限制條件,所以 仍取為32.5,所以 仍取為0.66,得,2)查表5-18(巖體基本質(zhì)量分級(jí)表) 該巖體基本質(zhì)量級(jí)別確定為級(jí),184,3)計(jì)算巖體的基本質(zhì)量指標(biāo)修正值,其中:為地下水影響修正系數(shù),由表5-19查得0.1; 為主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù),由表5-20查得0.5; 為初始應(yīng)力狀態(tài)影
54、響修正系數(shù),由表5-21查得0.5,所以: (4)查表5 - 18 (巖體基本質(zhì)量分級(jí)表) 該巖體質(zhì)量級(jí)別最終確定為級(jí)。 所以,本題答案選(B,返回,185,第六章 巖體的初始應(yīng)力狀態(tài),第一節(jié) 初始應(yīng)力的概念與意義,意義 (1)工程穩(wěn)定性分析的原始參數(shù)。 (2)確定開挖方案與支護(hù)設(shè)計(jì)的必要參數(shù),初始應(yīng)力:天然狀態(tài)下巖體內(nèi)的應(yīng)力,又稱地應(yīng)力、原巖應(yīng)力。 因素:自重 地質(zhì)構(gòu)造 地形地貌 地震力 水壓力 地?zé)?返回,186,第二節(jié) 初始應(yīng)力的組成與計(jì)算 1、巖體自重應(yīng)力場(chǎng),垂直應(yīng)力,平均密度,KN/m3,側(cè)壓力,H總深度(m,側(cè)壓力系數(shù),的取值有4種可能,圖6-1 巖體自重垂直應(yīng)力,187,1)巖體
55、假定處于彈性狀態(tài),由,推出,得,巖體由多層不同性質(zhì)巖層組成時(shí)(圖6-2,第j層應(yīng)力,原始垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力,188,圖6-2自重垂直應(yīng)力分布,189,2)Heim假設(shè)(塑性狀態(tài),當(dāng)原始應(yīng)力超過一定的極限,巖體就會(huì)處于潛塑狀態(tài)或塑性狀態(tài),相當(dāng)于,3)巖體為理想松散介質(zhì)(風(fēng)化帶、斷層帶) 由極限平衡理得,190,191,4)當(dāng)松散介質(zhì)有一定粘聚力時(shí),注:當(dāng) 說明無側(cè)壓力,側(cè)壓力為,無側(cè)壓力深度,192,193,2、巖體構(gòu)造應(yīng)力(判斷、測(cè)試,不能計(jì)算,當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力存在時(shí) 。 3、影響巖體初應(yīng)力狀態(tài)的其它因素 (1)地形-自重的減小或增大,圖67 地形對(duì)初應(yīng)力的影響,194,2)地質(zhì)條件對(duì)初應(yīng)力的影響,
56、圖6-8背斜褶曲對(duì)地應(yīng)力的影響,圖6-9 斷層對(duì)地應(yīng)力的影響,195,3)水壓力、熱應(yīng)力,孔隙水壓力、流動(dòng)水壓力(影響小,可不計(jì))、靜水壓力(懸浮作用)熱膨冷縮在巖體中產(chǎn)生熱應(yīng)力。地溫升高會(huì)使巖體內(nèi)地應(yīng)力增加,一般地溫梯度: 巖體的體膨脹系數(shù): ,巖體彈模E=104MPa;地溫梯度引起的溫度應(yīng)力約為,z-深度/m。 溫度應(yīng)力是同深度的垂直應(yīng)力的1/9,并呈靜水壓力狀態(tài),返回,196,第三節(jié) 巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)方法,一、巖體應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)方法概述 1.目的: (1)了解巖體中存在的應(yīng)力大小和方向 (2)為分析巖體的工程受力狀態(tài)以及為支護(hù)及巖體加固提供依據(jù) (3)預(yù)報(bào)巖體失穩(wěn)破壞以及預(yù)報(bào)巖爆
57、的有力工具,197,2. 方法分類(表6-1,198,二、水壓致裂法,一)方法原理及技術(shù) 要點(diǎn):通過液壓泵向鉆孔內(nèi)擬定量測(cè)深度加液壓將孔壁壓裂,測(cè)定壓裂過程中的各特征點(diǎn)壓力及開裂方位,然后根據(jù)測(cè)得的壓裂過程中泵壓表的讀數(shù),計(jì)算測(cè)點(diǎn)附近巖體中地應(yīng)力大小和方向。壓裂點(diǎn)上下用止水封隔器密封,其結(jié)構(gòu)如圖6-10所示。水壓致裂過程中泵壓變化及其特征壓力示于圖6-11,199,P0,Pb,Ps,Ps0,P0,Pb0,Ps,圖 6-11 壓裂過程泵壓變化及特征壓力,圖 6-10 止水、壓裂工作原理,Pb,Ps,Ps,Ps0,Pb0,P0,200,各特征壓力的物理意義 P0-巖體內(nèi)孔隙水壓力或地下水壓力 Pb
58、-注入鉆孔內(nèi)液壓將孔壁壓裂的初始?jí)毫褖毫?Ps-液體進(jìn)入巖體內(nèi)連續(xù)的將巖體劈裂的液壓,稱為穩(wěn)定開裂壓力 Ps0-關(guān)泵后壓力表上保持的壓力,稱為關(guān)閉壓力。如圍巖滲透性大,該壓力將逐漸衰減 Pb0-停泵后重新開泵將裂縫壓開的壓力,稱為開啟壓力,201,二)基本理論和計(jì)算公式,當(dāng)孔壁出現(xiàn)垂直裂縫時(shí),設(shè)孔周邊兩個(gè)水平地應(yīng)力分別為 和 ,孔壁還受有水壓Pb.如圖6-12,圖 6-12 孔壁開裂力學(xué)模型,a,202,鉆孔周圍巖體內(nèi)應(yīng)力 (Kirsch.G-基爾斯解,203,在孔壁上r=a,有,當(dāng) 時(shí)有最大拉應(yīng)力,按最大拉應(yīng)力理論,有,6-15,6-16,將(6-15)代入(6-16)得孔壁開裂應(yīng)力條件,6
59、-18,即孔壁開裂在與 垂直, 的面上,式中:T0-巖體的抗強(qiáng)度,204,若巖體中有孔隙水壓力Pw,(6-18)式變成,6-19,由圖6-11知水泵重新加壓使裂縫重新開裂的壓力Pb0,則上式變成,6-20,19和20兩式對(duì)比得: Pb Pb0=T0,6-21,在關(guān)閉壓力Pb0點(diǎn)上,孔壁已經(jīng)開裂,則T0=0,穩(wěn)定開裂壓力由P0下降到Ps0。此時(shí),ps0等于與裂縫垂直的應(yīng)力,即,205,求得主應(yīng)力及巖體抗拉強(qiáng)度 (三)根據(jù)水壓致裂法試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算地應(yīng)力 (1)一般來講 作為地主應(yīng)力之一。我們可以將 與 作比較,若 ,則可以肯定此時(shí) 為最小主應(yīng)力;進(jìn)一步將 與 作比較,也就可以以此確定地應(yīng)力的三個(gè)主應(yīng)力,206,因?yàn)殚_裂點(diǎn)方位或開裂裂縫方向可以確定 的方位或 的方向,所以三個(gè)地主應(yīng)力的方位也就可以相應(yīng)確定。 (2)如果 ,并且孔壁開裂后孔內(nèi) 巖體出現(xiàn)水平裂縫,則此時(shí) 為最小 地應(yīng)力, 與 各為中間主應(yīng)力及最大 地主應(yīng)力,垂直開裂方向即為最大地應(yīng)力方向,四)水壓致裂法的特點(diǎn),設(shè)備簡單 操作方便 測(cè)值直觀 適應(yīng)性強(qiáng) 受到重視和推廣,缺陷:主應(yīng)力方向不準(zhǔn),207,三、應(yīng)力解除法,1. 基本原理: 當(dāng)需要測(cè)定巖體中某點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)時(shí),人為的將該處巖體單元和周圍的巖體分離,此時(shí),巖體單元上所受的拉力將被解除。同時(shí),該單元體的幾何尺寸也將產(chǎn)生彈性恢復(fù)。應(yīng)用一定的儀器,測(cè)定彈性恢復(fù)的應(yīng)變值或變形值
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