第一节 岩体的变形性质

第一节岩体的变形性质第1页，课件共32页，创作于2023年2月

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，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：（1）承压板法;（2）钻孔变形法;（3）狭缝法

（2）动力法

基本原理：用人工方法对岩体发射(或激发)弹性波(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。动力法包括声波试验、地震试验等。第2页，课件共32页，创作于2023年2月2.承压板法：（平板载荷试验）原理：油压千斤顶对承压板下的岩体（平直光滑的表面上）加压，用测微表测变形（表面变形）。承压板面积：0.25~1.0m2加压方式：将预定荷载分若干级采用逐级一次或多次循环加载。测记变形：用百分表测记各级压力下的变形值。试验结果：可得P~W曲线P——压力；W——各级压力对应变形值第3页，课件共32页，创作于2023年2月WpWeW0=Wp+We弹性变形残余变形总变形

由压力变形曲线可见，对应于每一级的压力，其总变形，可分为弹性变形和残余变形。W0第4页，课件共32页，创作于2023年2月根据布西涅斯克公式：

变形模量(E0)——在无侧限受压下应力与总应变之比。

弹性模量(Ee)——在无侧限受压下，应力与弹性应变之比。P——承压板单位面积上的压力（MPa）；b——承压板边长（直径）；ω——与承压板刚度和强度有关的系数（方形取0.886，圆形取0.785）；W0——总变形；μ——泊松比（一般室内试验决定）；We——弹性变形；变形系数：（反映卸荷曲线的斜率）（反映岩体的刚度）（反映了岩体的残余变形特征）第5页，课件共32页，创作于2023年2月3.钻孔变形法它是利用钻孔膨胀计对一定长度的孔壁施加均匀液压，同时通过传感器测量孔壁的径向变形。用厚壁圆筒理论，可推导出岩体变形模量与径向变形的关系：d—钻孔直径（cm）；p—水压力（MPa）；U—径向变形。第6页，课件共32页，创作于2023年2月4.狭缝法：（刻槽法）开缝——用扁千斤顶加压，通过百分表或电阻应变片观察变形。

第7页，课件共32页，创作于2023年2月由以上试验结果可知：（1）岩体的变形模量比岩块的小，而且受结构面发育程度及风化程度等因素影响十分明显。（2）不同地质条件下的同一类型的岩体，其变形模量相差较大。（3）试验方法不同、压力大小不同，得到的岩体变形模量不同。岩体与岩块比：弹性摸量E小，峰值强度低，残余强度低，各向异性显著，相同荷载下的变形大。

原因：岩体存在显著结构面。岩体：由岩块和结构面（一组或多组）组成。岩块：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。第8页，课件共32页，创作于2023年2月二、岩体变形参数估算由于岩体变形试验费用昂贵，周期长，仅在重要或大型工程中使用。因此，对一般工程需要用简单方法估计变形参数。

一种估算方法是：在现场地质调查的基础上，建立适当的岩体地质力学模型，利用室内小试件试验资料来估算岩体变形参数，这里以层状岩体为例进行介绍。

另一种估算方法是：在岩体质量评价和大量试验资料的基础上，建立岩体分类指标与变形参数之间的经验关系，估算岩体变形参数。1、层状岩体变形参数估算

第9页，课件共32页，创作于2023年2月

针对层状岩体的地质力学模型（见上图），假设：

各岩层厚度相等为S，且性质相同；

层面的张开度忽略不计；假设岩块变形参数为E，μ和G，层面变形参数为Kn，Ks（法向刚度和剪切刚度）。取n-t坐标系，n垂直层面，t平行层面。

第10页，课件共32页，创作于2023年2月(1)法向应力σn作用下的岩体变形参数

1)沿n方向加荷由岩块和层面组成单元体（b）：假设岩石各向同性，n向加荷时，由t向应变可求岩体的泊松比。第11页，课件共32页，创作于2023年2月2)沿t方向加荷沿t向加荷时，岩体的变形主要是岩块引起的，故：第12页，课件共32页，创作于2023年2月(2)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形和沿层面滑动变形组成，即：岩体的剪切模量岩体的剪切变形：第13页，课件共32页，创作于2023年2月2、裂隙岩体变形参数的估算

对于裂隙岩体，通常用岩体分类指标与变形模量之间的统计关系求得：（1）用RMR值估算岩体变形模量RMR——岩体地质力学分类中，岩块强度、RQD值、节理间距、节理条数和地下水5类指标的总评分值。（2）用岩体质量指标Q值估算纵波速度和岩体平均变形模量第14页，课件共32页，创作于2023年2月三、岩体变形曲线类型及其特征

1、法向变形曲线岩体变形曲线有以下一些类型，其特征各不相同。

（1）

（2）

（3）

（4）岩体法向变形曲线类型示意图

第15页，课件共32页，创作于2023年2月（1）直线型：通过原点的直线，其方程为：

加压过程中W随p成正比增加。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。根据K及加压退压曲线，又可分为两类：陡直线型：

特征：K大，E0大（刚度大）变形系数D很小（以弹性变形为主），为完整、坚硬、少裂隙、致密均匀的岩体，接近于均质弹性体。第16页，课件共32页，创作于2023年2月缓直线型：

特征：K小，E0小（刚度小）变形系数D较大，有明显的残余变形和回滞环。破裂很发育，且均匀分布的岩体，有明显的塑性变形，不能视为弹性体。岩体：由多组结构面切割且分布较均匀的岩体；岩性较软弱且均质或平行层面加压的岩体。第17页，课件共32页，创作于2023年2月（2）上凹型：曲线方程为：

p＝f(W)，dp/dW，E0随p增大而递增，d2p/d2W＞0

层状及节理岩体多呈这类曲线。分下面两种情况：

第一种情况：退压曲线较缓，近于平行，且随p增大、D降低（相对来说残余变形越来越小），曲线斜率随循环次数增多而变大（岩体刚度增大）

多为垂直层面加压的较坚硬层状岩体。第18页，课件共32页，创作于2023年2月机理：

p⊥层面——夹层压密——刚度增大，退压时由于岩体结构未错动，所以有较大的We。第二种情况：退压曲线较陡，即D较大（说明有明显的残余变形）岩体的刚度随p增大而增大。P第19页，课件共32页，创作于2023年2月对应岩体：楔入，高角度节理p减小,像楔子一样相互楔紧，退压后变形难于恢复。存在软弱夹层的层状岩体——软层固结垂直于层面加p，软层固结后可恢复变形小。

PP软层第20页，课件共32页，创作于2023年2月（3）上凸型：曲线方程为p＝f(W)，dp/dW随p增加而递减，d2p/dW2＜0。①软岩：p增大微裂纹扩展,W增大。②充泥裂隙岩体，p增大，泥向两侧挤出,W增大。③较深处埋藏有软弱夹层。（4）复合型：p-W曲线呈阶梯或“S”型。岩体裂隙发育不均匀或岩性不均匀（有软弱夹层）。第21页，课件共32页，创作于2023年2月2、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，可将剪切变形曲线分为三种类型：（1）

（2）

（3）岩体剪切变形曲线类型示意图

第22页，课件共32页，创作于2023年2月（1）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。（1）

（2）

（3）岩体剪切变形曲线类型示意图

（2）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岩体剪切。第23页，课件共32页，创作于2023年2月（3）峰值前曲线斜率大，线性段和非线性段明显，峰值强度高，破坏位移小。峰值后应力降大，残余强度较低。多为剪断坚硬岩体。

（1）

（2）

（3）岩体剪切变形曲线类型示意图

第24页，课件共32页，创作于2023年2月四、岩体变形的结构效应

影响岩体变形性质的因素：岩性、结构面特征、风化程度、试验方法、试件尺寸、加荷条件、温度、湿度等。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。岩体变形的结构效应——结构面对岩体变形特征的影响。岩体强度的结构效应——结构面对岩体强度特征的影响。结构面对变形影响的主要表现：①方向、②性质、③密度、④组合方式四方面第25页，课件共32页，创作于2023年2月（一）

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。

结构面方向与受力方向的夹角决定岩体的变形（变形各向异性）。

P①③②结构面①变形最大，D值最大，有较大残余变形（机制：结构面压密）；②变形最小，D最小，有较大的弹性变形（岩石变形）。③处于二者之间。第26页，课件共32页，创作于2023年2月第27页，课件共32页，创作于2023年2月

（二）结构面性质的影响结构面性质：张开程度、充填程度、充填的物的性质等。片麻理无充填裂隙灌浆前灌浆后第28页，课件共32页，创作于2023年2月灌浆前：在2方向，压力垂直于一组无充填裂隙，故在较低压力下因裂隙的闭合产生很大的变形。我们知道，片麻岩岩体是由软、硬矿物交替组成的，只有在压力较大时，软矿物才能压密变形。因而，在压力较大时，裂隙已经闭合，主要是软矿物的压密变形，故最大变形方向又转到垂直于片麻理的方向上。灌浆后：浆液进入裂隙，使2方向上的变形大为减弱，另一方面，由于片麻理本来就是闭合或被充填状态，因而灌浆时，浆液很难进入，即灌浆对其无大的影响，变形仍然很大，一直是变形最大的方向。上述现象说明充填与张开的结构面对岩体变形的影响就不一样。因为结构面性质不同。第29页，课件共32页，创作于2023年2月

（三）结构面密度的影响结构面密度可用

随RQD、KV增大，结构面密度降低，模量系数E0/E增大；随RQD、KV下降，结构面密度增大，模量系数E0/E减小；E0—岩体的变形摸量E——岩石材料弹性摸量即：结构面密度越小，模量降低程度越小，但有一定的限度。结构面密度较小时影响明显。

表示。第30页，课件共32页，创作于2023年2月当RQD、KV从1~0.65时，E0/E迅速降低；当小于0.65时，E0/E变化不大。

表明：结构