[教育]巖石力學(xué)ppt課件第三章巖體力學(xué)性質(zhì)

1、第三章 巖體的力學(xué)特性,本章內(nèi)容3.1 概述3.2 巖體結(jié)構(gòu)基本類型；3.3 巖體的結(jié)構(gòu)面及其自然特征；3.4 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)3.5 巖體的變形性質(zhì)3.6 巖體的強(qiáng)度特性3.7 巖體的水力學(xué)性質(zhì)3.8 巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)及其分類基本要求了解巖體結(jié)構(gòu)的基本類型，理解巖體結(jié)構(gòu)面特征；掌握結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)及巖體的變形性質(zhì)；理解巖體的強(qiáng)度特性，了解巖體的水力學(xué)性質(zhì)；掌握巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)及其分類方法；,第三章 巖體的力學(xué)性質(zhì)

2、,第一節(jié) 概述第二節(jié) 巖體結(jié)構(gòu)的基本類型第三節(jié) 巖體的結(jié)構(gòu)面及其自然特征第四節(jié) 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)第五節(jié) 巖體的變形性質(zhì)第六節(jié) 巖體的強(qiáng)度特性第七節(jié) 巖體的水力學(xué)性質(zhì) 第八節(jié) 巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)及其分類,主要內(nèi)容,巖體=結(jié)構(gòu)面（弱面）+結(jié)構(gòu)體（巖石塊體） 結(jié)構(gòu)面：斷層、褶皺、節(jié)理……統(tǒng)稱,影響巖體力學(xué)性質(zhì)的基本因素： 結(jié)構(gòu)體(巖石)力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)和環(huán)境因素(特別是水和地應(yīng)力的

3、作用),§3.1 概述,§3.2巖體結(jié)構(gòu)的基本類型（地質(zhì)學(xué)、復(fù)習(xí)、了解）,§3.3巖體中的結(jié)構(gòu)面及自然特征,,次生結(jié)構(gòu)面,,§3.3.1結(jié)構(gòu)面類型（自學(xué)、了解、提問(wèn)）,火成結(jié)構(gòu)面沉積結(jié)構(gòu)面變質(zhì)結(jié)構(gòu)面,成因及類型,原生結(jié)構(gòu)面,構(gòu)造結(jié)構(gòu)面,,斷層節(jié)理劈理,,§3.3.2結(jié)構(gòu)面的自然特征,1. 充填膠結(jié)特征,幾何形態(tài)特征,,有充填,無(wú)充填,,薄膜充填（2mm以下）斷續(xù)充填連續(xù)充

4、填厚層充填（數(shù)十厘米至數(shù)米）,,平直型波浪型鋸齒型臺(tái)階型,,凹凸度（量化指標(biāo)）,,起伏度（起伏角i)粗糙度(五級(jí)）,2.,3. 空間分布特征,,,產(chǎn)狀（即方位）及其變化,延展性密集程度組合關(guān)系,結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀及其變化：結(jié)構(gòu)面的走向與傾向及其變化,結(jié)構(gòu)面的延展性：結(jié)構(gòu)面在某一方向上的連續(xù)性或結(jié)構(gòu)面連續(xù)段長(zhǎng)短的程度。 分為非貫通性的、半貫通性及貫通性的結(jié)構(gòu)面,結(jié)構(gòu)面的密集程度,設(shè)取樣線長(zhǎng)度為l ，在l上

5、出現(xiàn)的節(jié)理?xiàng)l數(shù)為n，則 節(jié)理之間的平均間距為,,裂隙度 K切割度 Xe,,20m,實(shí)例：k=4/20=0.2/md=1/k=5m,a.單組節(jié)理(具有同一走向）,（1）裂隙度K :同一組結(jié)構(gòu)面沿法線方向單位長(zhǎng)度上的節(jié)理數(shù)量,d>180cm 整體結(jié)構(gòu) d=30~180 塊狀結(jié)構(gòu) d<

6、;30 破裂結(jié)構(gòu) d<6.5 極破裂結(jié)構(gòu) K=0~1/m 疏節(jié)理 K=1~10/m 密節(jié)理 K=10~1

7、00/m 很密節(jié)理 K=100~1000/m 糜棱節(jié)理,,按間距分類,,按裂隙度分類,,兩組節(jié)理的裂隙度計(jì)算圖,b.兩組節(jié)理,,ma: 沿取樣線節(jié)理平均間距;,da: 節(jié)理垂直間距；,c.多組節(jié)理,（2）切割度 Xe：節(jié)理在巖體內(nèi)的貫通程度。,多處不連續(xù)切割疊加：,假設(shè)在巖體中取一平直斷面，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,,§3.

8、4 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì),,法向變形切向變形,,,變形性質(zhì),,強(qiáng)度性質(zhì),(一）法向變形,1.變形特性,在法向荷載作用下，結(jié)構(gòu)面間隙呈非線性減小，應(yīng)力與法向變形呈指數(shù)關(guān)系。(原因）,當(dāng)荷載去除時(shí)，將引起明顯的后滯和非彈性效應(yīng)。,Kn－法向變形剛度,Kn0－結(jié)構(gòu)面的初始剛度,趨勢(shì)：σn ↑ ，Kn ↑,（Goodman,1974）,Goodman方法：,①節(jié)理無(wú)抗拉強(qiáng)度② 極限閉合量δmax ＜e（節(jié)理的厚度）,（1）基本假設(shè),（2）狀態(tài)

9、方程,,2. 閉合變形量計(jì)算：,－原始應(yīng)力，由測(cè)量時(shí)的初始條件決定；δn, δmax－結(jié)構(gòu)面閉合量，最大閉合量;A, t－回歸參數(shù)，與結(jié)構(gòu)面幾何特征、巖石力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。,（二）節(jié)理的切向變形,通常有兩種形式：A）粗糙（或非充填）結(jié)構(gòu)面剪切變形曲線；B）平坦（或有充填物）的結(jié)構(gòu)面,區(qū)別及原因,,,,見(jiàn)下頁(yè)力學(xué)模型,,結(jié)構(gòu)面的剪切變形: 與巖石強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面粗糙性和法向力有關(guān),法向力不足夠大沿凸臺(tái)斜面滑動(dòng)剪脹（或擴(kuò)容）,法向力足夠大

10、沿凸臺(tái)剪斷不產(chǎn)生明顯剪脹,（三）抗剪強(qiáng)度,i,,服從庫(kù)侖準(zhǔn)則:,影響抗剪強(qiáng)度的三個(gè)基本因素：法向力 σn粗糙度 JRC結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度 JCS結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度公式（Barton和choubey, 1977)：,,粗糙度 JRC （目測(cè)）,,分維數(shù),§3.5 巖體的變形性質(zhì),法向變形特征剪切變形特征各向異性變形特性,巖體的變形,,（一）法向變形特征：,1. 法向變形試驗(yàn)：,承壓板法、鉆孔變形法、狹縫

11、法、,,1）承壓板法,選具有代表性的試驗(yàn)地點(diǎn)清除浮石，平整巖面逐級(jí)一次循環(huán)法加壓,巖體變形模量Em和彈性模量Eme公式：,p－承受板單位面積上的壓力(MPa)； D－承壓板直徑或邊長(zhǎng)(cm)； ?、 ? e－相應(yīng)于p下的巖體總變形和彈性變形（cm）； ω－與承壓板形狀與剛度有關(guān)的系數(shù)，對(duì)圓形板＝0.785；方形板＝0.886； μm－巖體的泊松比。,,,,,,(J. Boussine

12、q),2）鉆孔變形法,巖體的變形模量（Em） 計(jì)算公式：,U－徑向變形μm－巖體的泊松比;,厚壁圓筒理論,對(duì)巖體擾動(dòng)較??；可在地下水位以下和相當(dāng)深的部位進(jìn)行；試驗(yàn)方向基本不受限制，試驗(yàn)壓力大；可以同時(shí)測(cè)量幾個(gè)方向的變形，便于研究各向異性；,優(yōu)點(diǎn)（相對(duì)于承壓板法來(lái)說(shuō)）：,缺點(diǎn)：涉及的巖體體積小，代表性差。,3）狹縫法：,p－作用于槽壁上的壓力（MPa）；?－量測(cè)點(diǎn)A1、A2的相對(duì)位移值(cm)，

13、 ? =y2-y1。 μm－巖體的泊松比;,,,,,2. 法向變形曲線及特征：,（1）直線型（彈性巖體）,巖性均勻且結(jié)構(gòu)面不發(fā)育或結(jié)構(gòu)面分布均勻的巖體,（2）上凹型（塑-彈性巖體）,含軟弱夾層的層狀巖體及裂隙巖體,（3）上凸型（彈-塑性巖體）,結(jié)構(gòu)面發(fā)育且有泥質(zhì)充填的巖體。,（4）復(fù)合型：階梯或“S”型（塑-彈-塑性巖體),結(jié)構(gòu)面發(fā)育不均或巖性不均勻的巖體。,（二）剪切變形特征：,峰前變形平均斜率小，破壞位移大；峰后

14、強(qiáng)度損失小。,(a)沿軟弱結(jié)構(gòu)面剪切,峰前變形平均斜率較大，峰值強(qiáng)度較高；峰后有明顯應(yīng)力降。,(b)沿粗糙結(jié)構(gòu)面、軟弱巖體及強(qiáng)風(fēng)化巖體剪切,峰前變形斜率大，峰值強(qiáng)度高，破壞位移??；峰后殘余強(qiáng)度較低。,(c)堅(jiān)硬巖體受剪切,（三）各向異性變形特征：（P101蔡）,造成巖體變形各向異性的兩個(gè)基本因素：① 物質(zhì)成分和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的方向性；② 節(jié)理、結(jié)構(gòu)面和層面的方向性。,,巖石的全部或部分物理、力學(xué)特性隨方向不同而表現(xiàn)出差異的現(xiàn)象稱為巖石的各

15、向異性。,§3.6巖體的強(qiáng)度特性,§3.6.1巖體強(qiáng)度的測(cè)定,（一）巖體單軸抗壓強(qiáng)度的測(cè)定,圖3-24 巖體單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)定1－方木； 2－工字鋼；3－千斤頂； 4－水泥砂漿,現(xiàn)場(chǎng)原位切割較大尺寸試體（邊長(zhǎng)0.5～1.5m的立方體）；為了保持原有的力學(xué)條件，試塊附近不能爆破，機(jī)械破巖。千斤頂和液壓枕（扁千斤頂）加載。,水泥砂漿抹平試體表面→墊方木、工字鋼→加載→計(jì)算強(qiáng)度,試件,,,（二）巖體抗剪強(qiáng)度的測(cè)定,雙千斤頂

16、法：,1. 正壓力P和橫推力T的合力通過(guò)剪切面中心。,3. 試驗(yàn)5組以上,2. 橫推千斤頂成15°角傾斜布置。,計(jì)算公式：,,,P、T－垂直及橫向千斤頂施加的荷載； S－試體受剪截面積。,（三）巖體三軸強(qiáng)度試驗(yàn),地下工程的受力狀態(tài)是三維的，所以三軸力學(xué)試驗(yàn)非常重要。,千斤頂加軸向荷載壓力枕加圍壓荷載,準(zhǔn)三軸（等圍壓）：實(shí)用性更強(qiáng)。,圖3-26原位巖體三軸試驗(yàn)1一混凝土頂座；2、4、6－墊板；3一頂柱；5一球面

17、墊；7一壓力枕；8一試件；9一液壓表；10一液壓枕,真三軸：中間主應(yīng)力在巖體強(qiáng)度中起著重要作用，在多節(jié)理巖體中尤為重要。,試體,§3.6.2結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度效應(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)面的強(qiáng)度條件設(shè)節(jié)理的方向角為β節(jié)面上的應(yīng)力(圖）,①當(dāng) （巖石塊體破壞，結(jié)構(gòu)面不破壞）②當(dāng) 節(jié)理面的存在不削弱巖塊強(qiáng)度,③ 對(duì) 求一

18、階導(dǎo)數(shù)，并令其為零得 此時(shí)節(jié)理面對(duì)巖體的強(qiáng)度削弱最大,并令 得：,當(dāng) 可能結(jié)構(gòu)面破壞,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,圖解法: 直接在圖2－20量??；,也可以由正弦定律推出：(見(jiàn)圖2－20）,,（二）多節(jié)理的力學(xué)效應(yīng) （疊加）,兩組以上的節(jié)理同

19、樣處理，只不過(guò)巖體總是沿一組最有利破壞的節(jié)理首先破壞。,圖3－21 兩組節(jié)理力學(xué)模型,圖3－20 σ1與β的關(guān)系曲線,二、當(dāng)C=0時(shí)節(jié)理面的力學(xué)效應(yīng),這時(shí)庫(kù)侖準(zhǔn)則 用主應(yīng)力表示上式，得：,已知σ1,由上式可計(jì)算出維持破裂巖體極限穩(wěn)定的側(cè)向壓力σ3，即巖體所需的最小支護(hù)力,,此時(shí)巖體的強(qiáng)度只靠碎塊之間的摩擦力來(lái)提供。,3.7 巖體的水力學(xué)性質(zhì),巖體的水力學(xué)性質(zhì)：巖體與水共同作用所表現(xiàn)出來(lái)的力學(xué)性質(zhì)。,巖體與水的相互作用，一方面水改變

20、著巖體的物理、化學(xué)及力學(xué)性質(zhì)，另一方面巖石也改變著地下水自身的物理、力學(xué)性質(zhì)及化學(xué)組份。,地下水對(duì)巖體的作用,,物理作用化學(xué)作用力學(xué)作用,（一）物理作用：,巖體結(jié)構(gòu)面上的摩阻力減小,改變巖體結(jié)構(gòu)面充填物的物理性狀，內(nèi)聚力和摩擦角減小?！浕禂?shù)η,區(qū)別于重力水的潤(rùn)滑，軟化作用。,（二）化學(xué)作用：,離子交換、溶解和溶蝕作用（黃土濕陷及巖溶）、水化作用（膨脹巖的膨脹）、水解作用、氧化還原作用、沉淀作用以及超滲透作用等。,潤(rùn)滑作用：,軟化

21、和泥化作用：,結(jié)合水的強(qiáng)化作用：,泥石流、山體滑坡,,（三）力學(xué)作用：,,孔隙靜水壓力作用,孔隙動(dòng)水壓力作用,當(dāng)多孔連續(xù)介質(zhì)巖土體中存在孔隙地下水時(shí)，未充滿孔隙的地下水使巖土體的有效應(yīng)力增加：,σα有效應(yīng)力，σ 總應(yīng)力，p 孔隙靜水水壓力,當(dāng)?shù)叵滤錆M多孔連續(xù)介質(zhì)巖土體時(shí)，使有效應(yīng)力減小：,σα，σ ，p ： 含義同上,當(dāng)多孔連續(xù)介質(zhì)巖土體中充滿流動(dòng)的地下水時(shí)，施加孔隙靜水壓力和動(dòng)水壓力作用，其中，動(dòng)水壓力為：,,,τd 動(dòng)水壓力，γ地

22、下水容重，J地下水水力坡度,當(dāng)裂隙巖體充滿流動(dòng)的地下水時(shí)，施加一垂直于裂隙壁面的靜水壓力和平行于裂隙壁面的動(dòng)水壓力，其中，動(dòng)水壓力為：,,b： 裂隙的隙寬， τd ，γ，J意義同上,,3.8 巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)及其分類,為了在工程設(shè)計(jì)與施工中能區(qū)分出巖體質(zhì)量的好壞和表現(xiàn)在穩(wěn)定性上的差別，需要對(duì)巖體作合理的分類，以作為選擇工程結(jié)構(gòu)參數(shù)、科學(xué)管理生產(chǎn)以及評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)效益的依據(jù)之一。,（一） 普氏分級(jí)法：f=σc/10 常沿用但具有嚴(yán)重局限性。,(二）

23、巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD分類(笛爾Deer，1964) ：,Rock Quality Designation :,沒(méi)反映出節(jié)理的方位、充填物的影響等，在更完備的巖體分類中作重要參數(shù)應(yīng)用。,不足：,,（三）巖體地質(zhì)力學(xué)分類（CSIR分類, P56）,CSIR分類指標(biāo)值RMR(Rock Mass Rating) ：南非科學(xué)和工業(yè)研究委員會(huì)(Council for Scientific and Industrial Research) 提出。,分類

24、時(shí)，根據(jù)表3-6得RMR初值P57,然后據(jù)節(jié)理、裂隙的產(chǎn)狀變化按表3-7和表3-8對(duì)RMR初值修正，最后對(duì)照表3-9求得巖體的類別。,由巖塊強(qiáng)度、RQD值、節(jié)理間距、節(jié)理?xiàng)l件及地下水5種指標(biāo)組成。,不足：對(duì)擠壓、膨脹和涌水的極其軟弱的巖體問(wèn)題時(shí)，此分類法難于使用 。,（四）巴頓巖體質(zhì)量分類（Q類）：,由挪威地質(zhì)學(xué)家巴頓(Barton，1974)等人提出,RQD：Deer的巖石質(zhì)量指標(biāo)；Jn: 節(jié)理組數(shù)；Jr: 節(jié)理粗糙度系數(shù)； Ja:

25、 節(jié)理蝕變影響系數(shù)；Jw: 節(jié)理水折減系數(shù)；SRF——應(yīng)力折減系數(shù)。,,Bieniawski (1976) ：,表3-10 巖體質(zhì)量Q值分類表,定性與定量相結(jié)合，目前比較好的巖體分類方法，軟、硬巖體均適用。,（五）巖體BQ分類,第一步：根據(jù)BQ初步分為5級(jí)（考慮了巖體的堅(jiān)硬程度和完整性）,國(guó)標(biāo)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》GB50218-94提出兩步分級(jí)法,,Rcw為巖體飽和單軸抗壓強(qiáng)度（MPa）；,Kv為巖體的完整性系數(shù) ；（可用聲波測(cè)試資

26、料或結(jié)構(gòu)面條數(shù)來(lái)確定）,第二步：考慮其他因素影響，對(duì)BQ進(jìn)行修正后詳細(xì)分級(jí),K1：主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)，表3-15 K2：地下水影響修正系數(shù)，表3-16K3： 天然應(yīng)力影響修正系數(shù)，表3-17,（六）按巖體結(jié)構(gòu)類型分類（中科院地質(zhì)所，谷德振）：,某巖塊強(qiáng)度符合庫(kù)侖準(zhǔn)則，C = 5 MPa,?=300。如果三軸應(yīng)力狀態(tài)下的 ?3=10 MPa 保持常數(shù)，求極限平衡時(shí)?1 若此時(shí)?1和?3分別鉛直和水平，