《土的工程性质11章岩体的力学性质.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《土的工程性质11章岩体的力学性质.pptx（28页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第十一章 岩体的力学(l xu)性质第一页，共28页。岩体的力学性质，一方面取决于它的受力条件岩体的力学性质，一方面取决于它的受力条件岩体的力学性质，一方面取决于它的受力条件岩体的力学性质，一方面取决于它的受力条件(tiojin)(tiojin)；另一方面则受岩体的地质特征和赋存的环；另一方面则受岩体的地质特征和赋存的环；另一方面则受岩体的地质特征和赋存的环；另一方面则受岩体的地质特征和赋存的环境条件境条件境条件境条件(tiojin)(tiojin)的影响。的影响。的影响。的影响。其影响因素主要包括：其影响因素主要包括：其影响因素主要包括：其影响因素主要包括：组成岩体的岩石变形与强度性质；组成
2、岩体的岩石变形与强度性质；组成岩体的岩石变形与强度性质；组成岩体的岩石变形与强度性质；各种结构面的发育特征及其变形与强度性质；各种结构面的发育特征及其变形与强度性质；各种结构面的发育特征及其变形与强度性质；各种结构面的发育特征及其变形与强度性质；岩体的赋存环境，尤其是天然应力岩体的赋存环境，尤其是天然应力岩体的赋存环境，尤其是天然应力岩体的赋存环境，尤其是天然应力(yngl)(yngl)及地下水的影响。及地下水的影响。及地下水的影响。及地下水的影响。其中，结构面影响是岩体力学性质不同于其中，结构面影响是岩体力学性质不同于其中，结构面影响是岩体力学性质不同于其中，结构面影响是岩体力学性质不同于
3、岩石的本质原岩石的本质原岩石的本质原岩石的本质原因。因。因。因。第二页，共28页。11-1 岩体的变形(bin xng)性质 由于岩体中包含有大量的结构面，结构面中还往往有各种充填物存在(cnzi)，因此，岩体在外力作用下的变形是岩石变形、结构面闭合和充填物变形三者的总和，且在一般情况下，结构面和充填物变形常起控制作用。第三页，共28页。一、结构面的变形一、结构面的变形(bin xng)特征特征第四页，共28页。2)曲线为为渐近线的双曲线，说明曲线为为渐近线的双曲线，说明结构结构(jigu)面的变形大部分在低面的变形大部分在低应力下就趋于完成。应力下就趋于完成。3）含结构）含结构(jigu)面
4、岩块的变形面岩块的变形Vt,开始随开始随n增加呈非线性增加，增加呈非线性增加，当当n达到某一定值后，达到某一定值后，nVt曲曲线变陡且近似与线变陡且近似与Vr曲线平行。曲线平行。4）由非线性变形转变为线性变形）由非线性变形转变为线性变形的法向应力大约在岩石抗压强度的的法向应力大约在岩石抗压强度的1/3处，处，n高于高于c3后的后的Vt主要主要是岩块变形贡献的。是岩块变形贡献的。1)在法向应力作用下，结构面闭合变形在法向应力作用下，结构面闭合变形(bin xng)开始较快，变形开始较快，变形(bin xng)量也较大，随后逐渐变慢，变形量也较大，随后逐渐变慢，变形(bin xng)量趋于常量。量
5、趋于常量。1法向变形法向变形(bin xng)特征特征第五页，共28页。结构结构(jigu)面的剪切变形有二种基本面的剪切变形有二种基本类型类型 2剪切变形剪切变形(bin xng)特征特征在岩体中取含有结构面的岩块试件，在岩体中取含有结构面的岩块试件，在一定的法向应力下进行在一定的法向应力下进行(jnxng)剪切试验，可得到结构面的剪应力剪切试验，可得到结构面的剪应力剪位移剪位移j，关系曲线。，关系曲线。一类为一类为塑性塑性变形型，如泥化夹层、光滑平直破裂面等；变形型，如泥化夹层、光滑平直破裂面等；另一类为另一类为脆性脆性变形型，变形型，-j曲线有明显的峰值点和应力曲线有明显的峰值点和应力降
6、；当应力降至一定值后趋于稳定，不再随位移变化而变化，降；当应力降至一定值后趋于稳定，不再随位移变化而变化，如粗糙结构面常具这种变形特征。如粗糙结构面常具这种变形特征。第六页，共28页。岩体变形(bin xng)参数的测定方法有静力法和动力法两类。二、岩体变形二、岩体变形(bin xng)参数的测参数的测定定目的：测定岩体的变形指标目的：测定岩体的变形指标(zhbio)E(zhbio)E、，测定，测定关系。关系。动力法则是通过测定弹性波在岩体中的传播速度，依据一动力法则是通过测定弹性波在岩体中的传播速度，依据一定的公式求取岩体的变形参数，主要有地震法和声波法。定的公式求取岩体的变形参数，主要有地
7、震法和声波法。静力法又可分承压板法、狭缝法、钻孔变形法及水压静力法又可分承压板法、狭缝法、钻孔变形法及水压洞室法等。洞室法等。目前，国内应用较广的是承压板法、钻孔变形法及声波目前，国内应用较广的是承压板法、钻孔变形法及声波法等。法等。第七页，共28页。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八页，共28页。三、岩体变形曲线三、岩体变形曲线(qxin)类型类型(1)直线型(2)上凹型(3)下凹型第九页，共28页。11-2 11-2 岩体的强度岩体的强度(qingd)(qingd)性性质质 一般情况下，岩体的强度既不等于岩块的强度，也一般情
8、况下，岩体的强度既不等于岩块的强度，也不等于结构面的强度，而是两者共同不等于结构面的强度，而是两者共同(gngtng)影响表影响表现出来的强度。现出来的强度。一、结构面的抗剪强度一、结构面的抗剪强度 根据结构面的形态、连续性、充填情况及根据结构面的形态、连续性、充填情况及其力学性质，可将结构面分为平直光滑无充其力学性质，可将结构面分为平直光滑无充填的、粗糙起伏无充填的、非贯通填的、粗糙起伏无充填的、非贯通(guntng)断续的及有充填的软弱结构面四断续的及有充填的软弱结构面四类。类。第十页，共28页。这类结构面以光滑破裂面及摩擦镜面(如剪切理、片理面等)为代表，是摩擦剪切作用的产物，一般无充填
9、，并附有动力变质矿物(kungw)薄膜。其抗剪强度接近于人工磨光面的摩擦强度，即：1平直光滑无充填结构(jigu)面的抗剪强度第十一页，共28页。这类结构面的特点是具有这类结构面的特点是具有(jyu)粗糙起伏度，在法向应力较粗糙起伏度，在法向应力较小时，剪切过程中可引起上滑效应小时，剪切过程中可引起上滑效应(或称剪胀效应或称剪胀效应)，从而增，从而增大了结构面的抗剪强度。大了结构面的抗剪强度。沿结构面产生滑动时沿结构面产生滑动时 2粗糙起伏无充填(chn tin)结构面的抗剪强度当法向应力不断增大，并达到一定值时，由于岩块当法向应力不断增大，并达到一定值时，由于岩块上滑运动所需的功达到并超过了
10、剪断锯齿体所需要上滑运动所需的功达到并超过了剪断锯齿体所需要的功，锯齿将被挫断，这时结构的功，锯齿将被挫断，这时结构(jigu)面的抗剪面的抗剪强度为：强度为：第十二页，共28页。（1977 NBarton1977 NBarton1977 NBarton1977 NBarton）经验(jngyn)公式：JRC为节理粗糙(cco)系数JCS为节理壁抗压强度第十三页，共28页。这类结构面的抗剪强度由各段结构面抗剪强度和非贯通段岩石(岩桥)的抗剪断强度两部分组成。因此，整个(zhngg)结构面的强度取决于结构面和岩石性质，以及结构面的连续性。3非贯通非贯通(guntng)断续结构面的抗剪强度断续结构
11、面的抗剪强度第十四页，共28页。4具充填的软弱结构面的抗剪强度具充填的软弱结构面的抗剪强度 这类结构面的抗剪强度，主要取决于充填物的成这类结构面的抗剪强度，主要取决于充填物的成分、结构、厚度及充填度和含水分、结构、厚度及充填度和含水(hn shu)状况等。状况等。第十五页，共28页。岩体中任一方向的剪切面，在一定的法向应力岩体中任一方向的剪切面，在一定的法向应力作用下所能抵抗的最大剪应力，称为岩体的抗作用下所能抵抗的最大剪应力，称为岩体的抗剪强度。岩体的抗剪强度也可细分为抗剪断强剪强度。岩体的抗剪强度也可细分为抗剪断强度、抗切强度及摩擦强度三种。在生产实际度、抗切强度及摩擦强度三种。在生产实际
12、(shj)中，常用抗剪断强度参数。中，常用抗剪断强度参数。二、岩体的剪切试验二、岩体的剪切试验(shyn)及抗剪强度及抗剪强度第十六页，共28页。图41节理岩体的强度特征与岩石(ynsh)强度的区别岩石(ynsh)；节理化岩体：节理 岩体强度(qingd)=岩块强度(qingd)+节理强度(qingd)第十七页，共28页。11-3 11-3 岩体的动力岩体的动力(dngl)(dngl)性性质质 岩体的动力性质是指岩体在动荷载作用(zuyng)下表现出来的力学性质，包括岩体中弹性波的传播规律及岩体动力变形与强度特性。这些性质在岩体动力稳定性评价及岩体物理力学性质参数确定中具有重要的意义。第十八页
13、，共28页。当岩体当岩体(岩块岩块)受到振动、冲击或爆破作用时，在岩体受到振动、冲击或爆破作用时，在岩体中将中将(zhngjing)有各种不同动力特性的波传播。有各种不同动力特性的波传播。一、岩体中弹性波的传播(chunb)规律这些波包括塑性波和弹性波；在应力值较低时，这些波包括塑性波和弹性波；在应力值较低时，岩体中只有弹性波产生。弹性波的传播也称声波岩体中只有弹性波产生。弹性波的传播也称声波的传播，又分为体波和面波。体波是在岩体内部的传播，又分为体波和面波。体波是在岩体内部传播的波，主要有纵波传播的波，主要有纵波(zn b)和横波两种，纵和横波两种，纵波波(zn b)(P波波)又称为压缩波，
14、波的传播方向又称为压缩波，波的传播方向与质点振动方向一致；横波与质点振动方向一致；横波(s波波)又称剪切波，又称剪切波，其传播方向与质点振动方向垂直。面波又有瑞利其传播方向与质点振动方向垂直。面波又有瑞利波和勒夫波之分。波和勒夫波之分。第十九页，共28页。n n声波声波(shn b)法法选选择择代代表表性性测测线线，布布置置测点和安装声波仪测点和安装声波仪发发生生正正弦弦脉脉冲冲，向向岩岩体体内发射内发射(fsh)声波声波 记记录录纵纵、横横波波在在岩岩体体中中传播的时间传播的时间 第二十页，共28页。若已知可根据可根据(gnj)上两式推出求动弹性模量和动泊上两式推出求动弹性模量和动泊松比松比
15、第二十一页，共28页。一般来说，一般来说，岩块波速岩块波速(b s)要大于岩体波速要大于岩体波速(b s)；新鲜完整得岩体波速新鲜完整得岩体波速(b s)大；大；裂隙越发育和风化破碎岩体的波速裂隙越发育和风化破碎岩体的波速(b s)越小。越小。完整性系数完整性系数(xsh)K(xsh)K：式中：式中：V V岩体、岩体、V V岩石分别为弹性岩石分别为弹性(tnxng)(tnxng)波在岩体和岩波在岩体和岩石中传播的纵波速度。石中传播的纵波速度。第二十二页，共28页。岩体动弹性岩体动弹性(tnxng)(tnxng)模量模量EdEd的测定：的测定：根据弹性根据弹性(tnxng)(tnxng)波波速算
16、出动弹性波波速算出动弹性(tnxng)(tnxng)模量模量EdEd和动泊松比和动泊松比dd。式中：式中：vp,vsvp,vs纵波纵波(zn b)(zn b)波速和横波波速，波速和横波波速，为岩体密度。为岩体密度。一般而言：一般而言：Ed Ee ,d Ed Ee ,d。二、岩体的动变形二、岩体的动变形(bin xng)与动强度参数与动强度参数第二十三页，共28页。n n岩体与岩块的动弹性模量都普遍大于静弹性模量岩体与岩块的动弹性模量都普遍大于静弹性模量 n n坚硬完整岩体坚硬完整岩体Ed/Eme约为约为n n风风化化、裂裂隙隙发发育育的的岩岩体体和和软软弱弱岩岩体体Ed/Eme约约为为左左右，
17、大者可超过右，大者可超过20.0 n n原因：原因：n n 静静力力法法采采用用的的最最大大应应力力大大部部分分在在，少少数数则则更更大大，变变形形量量常常以以mm计计，而而动动力力法法的的作作用用应应力力约约为为104MPa量量级级，引引起起(ynq)的的变变形形量量很很微微小小。因因此此静静力力法法会会测测得得较较大大的的不不可可逆逆变变形形，而而动动力力法法则则测不到这种变形。测不到这种变形。n n 静力法持续的时间较长。静力法持续的时间较长。n n 静力法扰动了岩体的天然结构和应力状态。静力法扰动了岩体的天然结构和应力状态。动弹性模量动弹性模量(tn xn m lin)与静与静弹性模量
18、弹性模量(tn xn m lin)的关系的关系第二十四页，共28页。用动弹性模量用动弹性模量(tn xn m lin)换算静弹性模量换算静弹性模量(tn xn m lin)利用岩块与岩体的纵波速度计算利用岩块与岩体的纵波速度计算(j sun)岩体完整性系数岩体完整性系数Kv第二十五页，共28页。在进行岩石力学试验时，施加在试件上的荷裁并非是完全静止的。从这个意义上讲，静态加载和动态加载没有根本(gnbn)的区别，而仅仅是加载速度的范围不同。2岩体的动强度岩体的动强度(qingd)参数参数n n静态加载、准静态加载：应变静态加载、准静态加载：应变(yngbin)率率104s-1 第二十六页，共2
19、8页。动态加载下岩石的强度比静态加载时的强度高。动态加载下岩石的强度比静态加载时的强度高。冲冲击击荷荷载载(hzi)下下岩岩石石的的动动抗抗压压强强度度约约为为静静抗抗压压强度的强度的1.22.0倍。倍。第二十七页，共28页。原原因因：这这实实际际上上是是一一个个时时间间效效应应问问题题(wnt)，在在加加载载速速率率缓缓慢慢时时，岩岩石石中中的的塑塑性性变变形形得得以以充充分分发发展展，反反映映出出强强度度较较低低；反反之之，在在动动态态加加载载下下，塑塑性性变变形形来来不不及及发发展展，则则反反映映出出较较高高的的强强度度。特特别别是是在在爆爆破破等等冲冲击击荷载作用下，岩体强度提高尤为明显。荷载作用下，岩体强度提高尤为明显。第二十八页，共28页。