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1、第一节 岩体的变形性质本讲稿第一页，共三十二页 基本原理：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，在选定的岩体表面、槽壁或钻孔壁面上施加法向荷载，并测定岩体的变形值；然后绘制出压力并测定岩体的变形值；然后绘制出压力-变形关系曲线，计算出岩体的变变形关系曲线，计算出岩体的变形参数。形参数。常用的测试岩体变形参数的静力法原位试验有以下三种：常用的测试岩体变形参数的静力法原位试验有以下三种：（1 1）承压板法承压板法;（2 2）钻孔变形法钻孔变形法;（3 3）狭缝法）狭缝法 （2 2）动力法）动力法 基本原理：基本原理：用人工方法对岩体发射用人工方法对岩体发射(或激发或激发)弹性波
2、弹性波(声波或地震波声波或地震波)，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。，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。动力法包括动力法包括声波试验声波试验、地震试验地震试验等。等。本讲稿第二页，共三十二页2.2.承压板法：（平板载荷试验）承压板法：（平板载荷试验）原原理理：油油压压千千斤斤顶顶对对承承压压板板下下的的岩岩体体（平平直直光光滑滑的的表表面面上上）加加压压，用用测测微微表表测测变变形形（表表面面变形）。变形）。承压板面积：承压板面积：0.251.0m0.251.0m2 2加加压压方方式式：将将预预定定荷荷载载分分若若干干级级采采用用逐逐级
3、级一一次次或或多多次次循循环环加载。加载。测测记记变变形形：用用百百分分表表测测记记各各级级压力下的变形值。压力下的变形值。试验结果试验结果：可得：可得PWPW曲线曲线P P压力压力 ；W W各级压力对应变形值各级压力对应变形值本讲稿第三页，共三十二页WpWeW0=Wp+We弹性变形弹性变形残余变形残余变形总变形总变形由由压压力力变变形形曲曲线线可可见见，对对应应于于每每一一级级的的压压力力，其其总总变变形形，可分为弹性变形和残余变形。可分为弹性变形和残余变形。W0本讲稿第四页，共三十二页根据布西涅斯克公式：根据布西涅斯克公式：变形模量变形模量(E0)(E0)在无侧限受压下应力与总应变之比。在
4、无侧限受压下应力与总应变之比。弹性模量弹性模量(Ee)(Ee)在无侧限受压下，应力与弹性应变之比。在无侧限受压下，应力与弹性应变之比。P P承承压压板板单单位位面面积积上上的的压压力力（MPaMPa）；b b承承压压板板边边长长（直直径径）；与与承承压压板板刚刚度度和和强强度度有有关关的的系系数数（方方形形取取0.8860.886，圆圆形形取取0.7850.785）；W W0 0总总变变形形；泊泊松松比比（一一般般室室内内试验决定）；试验决定）；WeWe弹性变形；弹性变形；变形系数：变形系数：（反映卸荷曲（反映卸荷曲线的斜率）线的斜率）（反映岩体的刚度）（反映岩体的刚度）（反映了岩体的残余变形
5、特征（反映了岩体的残余变形特征 ）本讲稿第五页，共三十二页3.3.钻孔变形法钻孔变形法 它它是是利利用用钻钻孔孔膨膨胀胀计计对对一一定定长长度度的的孔孔壁壁施施加加均均匀匀液液压压，同同时时通通过过传传感感器器测测量量孔孔壁壁的的径径向变形。向变形。用用厚厚壁壁圆圆筒筒理理论论，可可推推导导出出岩岩体体变变形形模模量量与与径径向向变变形的关系：形的关系：d d钻孔直径（钻孔直径（cmcm）；）；p p水压力（水压力（MPaMPa）；）；U U径向变形。径向变形。本讲稿第六页，共三十二页4.4.狭缝法：狭缝法：（刻槽法）（刻槽法）开开缝缝用扁千用扁千斤顶加压，通斤顶加压，通过百分表或电过百分表或
6、电阻应变片观察阻应变片观察变形。变形。本讲稿第七页，共三十二页由以上试验结果可知：由以上试验结果可知：（1 1）岩岩体体的的变变形形模模量量比比岩岩块块的的小小，而而且且受受结结构构面面发发育育程程度及风化程度等因素影响十分明显。度及风化程度等因素影响十分明显。（2 2）不不同同地地质质条条件件下下的的同同一一类类型型的的岩岩体体，其其变变形形模模量量相相差较大。差较大。（3 3）试验方法不同、压力大小不同，得到的岩体变形模量不同。）试验方法不同、压力大小不同，得到的岩体变形模量不同。岩岩体体与与岩岩块块比比：弹弹性性摸摸量量E E小小，峰峰值值强强度度低低，残残余余强强度度低低，各各向异性显
7、著，相同荷载下的变形大。向异性显著，相同荷载下的变形大。原因：岩体存在显著结构面原因：岩体存在显著结构面。岩体：岩体：由岩块和结构面（一组或多组）组成。由岩块和结构面（一组或多组）组成。岩块：岩块：只是含微裂隙，无宏观结构面。只是含微裂隙，无宏观结构面。所以岩体与岩块相比，其变形特征有很大区别。所以岩体与岩块相比，其变形特征有很大区别。本讲稿第八页，共三十二页二、岩体变形参数估算二、岩体变形参数估算 由由于于岩岩体体变变形形试试验验费费用用昂昂贵贵，周周期期长长，仅仅在在重重要要或或大大型型工工程程中中使使用用。因因此此，对对一一般般工工程程需需要要用用简简单单方方法法估估计计变变形参数。形参
8、数。一一种种估估算算方方法法是是：在在现现场场地地质质调调查查的的基基础础上上，建建立立适适当当的的岩岩体体地地质质力力学学模模型型，利利用用室室内内小小试试件件试试验验资资料料来来估估算算岩岩体体变变形参数，这里以层状岩体为例进行介绍。形参数，这里以层状岩体为例进行介绍。另另一一种种估估算算方方法法是是：在在岩岩体体质质量量评评价价和和大大量量试试验验资资料料的的基基础础上上，建建立立岩岩体体分分类类指指标标与与变变形形参参数数之之间间的的经经验验关关系系，估估算算岩岩体体变形参数。变形参数。1 1、层状岩体变形参数估算、层状岩体变形参数估算 本讲稿第九页，共三十二页 针对层状岩体的地质力学
9、模型（见上图），假设：针对层状岩体的地质力学模型（见上图），假设：各各岩岩层层厚厚度度相相等等为为S S，且且性性质质相相同同；层层面面的的张张开开度度忽忽略略不不计计；假假设设岩岩块块变变形形参参数数为为E E，和和G G，层层面面变变形形参参数数为为K Kn n，K Ks s（法向刚度和剪切刚度）。（法向刚度和剪切刚度）。取取n n-t t坐标系，坐标系，n n垂直层面，垂直层面，t t平行层面。平行层面。本讲稿第十页，共三十二页(1)(1)法向应力法向应力n n作用下的岩体变形参数作用下的岩体变形参数 1)1)沿沿n n方向加荷方向加荷由岩块和层面组成单元体（由岩块和层面组成单元体（b
10、b）：）：假设岩石各向同性，假设岩石各向同性，n n向加荷向加荷时，由时，由t t向应变可求岩体的泊向应变可求岩体的泊松比。松比。本讲稿第十一页，共三十二页2)2)沿沿t t方向加荷方向加荷 沿沿t t向加荷时，岩体的变形主要是岩块引起的，故：向加荷时，岩体的变形主要是岩块引起的，故：本讲稿第十二页，共三十二页(2)(2)剪应力作用下的岩体变形参数剪应力作用下的岩体变形参数 岩体剪切变形由岩块剪切变岩体剪切变形由岩块剪切变形和沿层面滑动变形组成，形和沿层面滑动变形组成，即：即：岩体的剪切模量岩体的剪切模量岩体的剪切变形：本讲稿第十三页，共三十二页2 2、裂隙岩体变形参数的估算、裂隙岩体变形参数
11、的估算 对对于于裂裂隙隙岩岩体体，通通常常用用岩岩体体分分类类指指标标与与变变形形模模量量之之间间的的统计关系求得：统计关系求得：（1 1）用）用RMRRMR值估算岩体变形模量值估算岩体变形模量 RMRRMR岩岩体体地地质质力力学学分分类类中中，岩岩块块强强度度、RQDRQD值值、节节理间距、节理条数和地下水理间距、节理条数和地下水5 5类指标的类指标的总评分值总评分值。（2 2）用岩体质量指标）用岩体质量指标Q Q值估算纵波速度和岩体平均变形模量值估算纵波速度和岩体平均变形模量本讲稿第十四页，共三十二页三、岩体变形曲线类型及其特征三、岩体变形曲线类型及其特征 1 1、法向变形曲线、法向变形曲
12、线岩体变形曲线有以下一些类型，其特征各不相同。岩体变形曲线有以下一些类型，其特征各不相同。（1 1）（2 2）（3 3）（4 4）岩体法向变形曲线类型示意图岩体法向变形曲线类型示意图本讲稿第十五页，共三十二页（1 1）直线型：）直线型：通过原点的直线，其方程为：通过原点的直线，其方程为：加压过程中加压过程中W W随随p p成正比增加。成正比增加。岩体岩性均匀、结构面不发育岩体岩性均匀、结构面不发育或结构面分布均匀多呈这种状态。或结构面分布均匀多呈这种状态。根据根据K K及加压退压曲线，又可分及加压退压曲线，又可分为两类：为两类：陡直线型：陡直线型：特特征征：K K大大，E E0 0大大（刚刚度
13、度大大）变变形形系系数数D D很很小小（以以弹弹性性变变形形为为主主），为为完完整整、坚坚硬硬、少少裂裂隙隙、致致密密均均匀匀的岩体，接近于的岩体，接近于均质弹性体均质弹性体。本讲稿第十六页，共三十二页缓直线型：缓直线型：特特征征：K K小小，E E0 0小小（刚刚度度小小）变变形形系系数数D D较较大大，有有明明显显的的残残余余变变形形和和回回滞滞环环。破破裂裂很很发发育育，且且均均匀匀分分布布的的岩岩体体，有有明明显显的的塑性变形，不能视为弹性体。塑性变形，不能视为弹性体。岩岩体体：由由多多组组结结构构面面切切割割且且分分布布较较均均匀匀的的岩岩体体；岩岩性性较较软软弱弱且且均质或平行层面
14、加压的岩体。均质或平行层面加压的岩体。本讲稿第十七页，共三十二页（2 2）上凹型：）上凹型：曲线方程为：曲线方程为：p pf(W)f(W)，dp/dWdp/dW，E E0 0随随p p增大而递增，增大而递增，d d2 2p/dp/d2 2W W0 0 层状及节理岩体多呈这层状及节理岩体多呈这类曲线。类曲线。分下面两种情况：分下面两种情况：第第一一种种情情况况：退退压压曲曲线线较较缓缓，近近于于平平行行，且且随随p p增增大大、D D降降低低（相相对对来来说说残残余余变变形形越越来来越越小小），曲曲线线斜斜率率随随循循环环次次数数增增多多而而变变大大（岩岩体体刚刚度度增大）增大）多多为为垂垂直直
15、层层面面加加压压的的较较坚坚硬硬层状岩体。层状岩体。本讲稿第十八页，共三十二页机理：机理：pp层面层面夹层压密夹层压密刚刚度增大，退压时由于岩体结构度增大，退压时由于岩体结构未错动，所以有较大的未错动，所以有较大的WeWe。第二种情况：第二种情况：退退压压曲曲线线较较陡陡，即即D D较较大大（说明有明显的残余变形）（说明有明显的残余变形）岩体的刚度随岩体的刚度随p p增大而增大。增大而增大。P本讲稿第十九页，共三十二页对应岩体：对应岩体：楔入，高角度节理楔入，高角度节理p p减减小小,像像楔楔子子一一样样相相互互楔楔紧紧，退退压后变形难于恢复。压后变形难于恢复。存存在在软软弱弱夹夹层层的的层层
16、状状岩岩体体软软层层固结固结 垂垂直直于于层层面面加加p p，软软层层固固结结后后可可恢恢复变形小。复变形小。PP软软层层本讲稿第二十页，共三十二页（3 3）上凸型：）上凸型：曲曲线线方方程程为为p pf(W)f(W)，dp/dWdp/dW随随p p增加而递减，增加而递减，d d2 2p/dWp/dW2 20 0。软软岩岩：p p增增大大微微裂裂纹纹扩扩展展,W,W增增大。大。充充泥泥裂裂隙隙岩岩体体，p p增增大大，泥泥向向两两侧挤出侧挤出,W,W增大。增大。较深处埋藏有软弱夹层。较深处埋藏有软弱夹层。（4 4）复复合合型型：p-Wp-W曲曲线线呈呈阶阶梯梯或或“S S”型。型。岩岩体体裂裂
17、隙隙发发育育不不均均匀匀或或岩岩性性不不均均匀（有软弱夹层）。匀（有软弱夹层）。本讲稿第二十一页，共三十二页2 2、剪切变形曲线、剪切变形曲线 岩体剪切变形曲线十分复杂。沿结构面剪切和剪断岩岩体剪切变形曲线十分复杂。沿结构面剪切和剪断岩体、沿光滑结构面和粗糙结构面的剪切曲线明显不同。体、沿光滑结构面和粗糙结构面的剪切曲线明显不同。根据曲线形状、及残余强度与峰值强度的比值，可将剪切根据曲线形状、及残余强度与峰值强度的比值，可将剪切变形曲线分为三种类型：变形曲线分为三种类型：（1 1）（2 2）（3 3）岩体剪切变形曲线类型示意图岩体剪切变形曲线类型示意图本讲稿第二十二页，共三十二页（1 1）峰值
18、前曲线平均斜率小，破坏位移大；峰值后应）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。力降很小或不变。多为沿软弱结构面剪切。（1 1）（2 2）（3 3）岩体剪切变形曲线类型示意图岩体剪切变形曲线类型示意图（2 2）峰值前曲线平均斜率较大，峰值强度较高。峰值后）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、软弱岩体及剧烈风化应力降较大。多为沿粗糙结构面、软弱岩体及剧烈风化岩体剪切。岩体剪切。本讲稿第二十三页，共三十二页（3 3）峰值前曲线斜率大，线性段和非线性段明显，峰）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
19、小。峰值后应力降大，残余强度值强度高，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。较低。多为剪断坚硬岩体。（1 1）（2 2）（3 3）岩体剪切变形曲线类型示意图岩体剪切变形曲线类型示意图本讲稿第二十四页，共三十二页四、岩体变形的结构效应四、岩体变形的结构效应 影响岩体变形性质的因素：影响岩体变形性质的因素：岩岩性性、结结构构面面特特征征、风风化化程程度度、试试验验方方法法、试试件件尺尺寸寸、加加荷荷条条件、温度、湿度等。件、温度、湿度等。岩体力学性质的结构效应岩体力学性质的结构效应岩体中结构面对力学性质的影响。岩体中结构面对力学性质的影响。岩体变形的结构效应岩体变形的结构效应
20、结构面对岩体变形特征的影响。结构面对岩体变形特征的影响。岩体强度的结构效应岩体强度的结构效应结构面对岩体强度特征的影响。结构面对岩体强度特征的影响。结结构构面面对对变变形形影影响响的的主主要要表表现现：方方向向、性性质质、密密度度、组合方式四方面组合方式四方面本讲稿第二十五页，共三十二页（一）（一）结构面方向的影响结构面方向的影响 结构面与岩体的受力方向之夹角不同，岩体的变形也不同。结构面与岩体的受力方向之夹角不同，岩体的变形也不同。结构面方向与受力方向的结构面方向与受力方向的夹角决定岩体的变形（变形各夹角决定岩体的变形（变形各向异性）。向异性）。P结构面结构面 变变形形最最大大，D D值值最
21、最大大，有有较较大大残残余余变变形形（机机制制：结结构构面压密）；面压密）；变形最小，变形最小，D D最小，最小，有较大的弹性变形（岩石变形）有较大的弹性变形（岩石变形）。处于二者之间。处于二者之间。本讲稿第二十六页，共三十二页本讲稿第二十七页，共三十二页（二）结构面（二）结构面性质的影响性质的影响结构面性质结构面性质 ：张开程度、：张开程度、充填程度、充充填程度、充填的物的性质填的物的性质 等。等。片麻理片麻理无充填裂隙无充填裂隙灌浆前灌浆前灌浆后灌浆后本讲稿第二十八页，共三十二页灌浆前：灌浆前：在在2 2方方向向，压压力力垂垂直直于于一一组组无无充充填填裂裂隙隙，故故在在较较低低压压力力下
22、下因因裂裂隙隙的的闭闭合合产产生生很很大大的的变变形形。我我们们知知道道，片片麻麻岩岩岩岩体体是是由由软软、硬硬矿矿物交替组成的，只有在压力较大时，软矿物才能压密变形。物交替组成的，只有在压力较大时，软矿物才能压密变形。因因而而，在在压压力力较较大大时时，裂裂隙隙已已经经闭闭合合，主主要要是是软软矿矿物物的的压压密密变变形，故最大变形方向又转到垂直于片麻理的方向上。形，故最大变形方向又转到垂直于片麻理的方向上。灌浆后：灌浆后：浆浆液液进进入入裂裂隙隙，使使2 2方方向向上上的的变变形形大大为为减减弱弱，另另一一方方面面，由由于于片片麻麻理理本本来来就就是是闭闭合合或或被被充充填填状状态态，因因
23、而而灌灌浆浆时时，浆浆液液很很难难进进入入，即即灌灌浆浆对对其无大的影响，变形仍然很大，一直是变形最大的方向。其无大的影响，变形仍然很大，一直是变形最大的方向。上上述述现现象象说说明明充充填填与与张张开开的的结结构构面面对对岩岩体体变变形形的的影影响响就就不不一一样样。因为结构面性质不同。因为结构面性质不同。本讲稿第二十九页，共三十二页（三）结构面密度的影响（三）结构面密度的影响结构面密度可用结构面密度可用 随随 RQD RQD、K KV V增大，结构面密度降低，增大，结构面密度降低，模量系数模量系数 E E0 0/E/E增大；增大；随随 RQD RQD、K KV V下降，结构面密度增大，模量
24、系数下降，结构面密度增大，模量系数 E E0 0/E /E 减小；减小；E E0 0岩体的变形摸量岩体的变形摸量E E岩石材料弹性摸量岩石材料弹性摸量即即：结结构构面面密密度度越越小小，模模量量降降低低程程度度越越小小，但但有有一一定定的的限限度度。结结构构面密度较小时影响明显。面密度较小时影响明显。表示。表示。本讲稿第三十页，共三十二页 当当RQD RQD、K KV V从从10.6510.65时，时，E E0 0 /E/E迅速降低；当小于迅速降低；当小于0.650.65时，时，E E0 0/E/E变化不大。变化不大。表明：表明：结构面的密度对岩结构面的密度对岩体变形特征的影响有一定的体变形特
25、征的影响有一定的范围，即：范围，即：RQD RQD、K KV V =10.65=10.65。本讲稿第三十一页，共三十二页（四）（四）结构面组合关系的影响结构面组合关系的影响 自自然然存存在在的的岩岩体体中中，往往往往发发育育有有多多种种方方向向结结构构面面，因因而而存存在在结结构构面面的的组组合合关系。关系。孙孙广广忠忠、比比尔尔等等人人提提出出几几个个组组合合模模型：型：对缝式组合；对缝式组合；错缝式组合错缝式组合 斜缝式组合斜缝式组合 都都属属于于节节理理化化岩岩体体（被被各各种种节节理理，裂裂隙隙切切割割成成碎碎裂裂结结构构的的 岩岩体体。），结结构构面面的的不不同同组组合合，会会使使岩岩体体产产生生不不同同的的变形特征。变形特征。PPP对缝式对缝式错缝式错缝式斜缝式斜缝式本讲稿第三十二页，共三十二页