第十一章 岩体的力学性质.ppt

1、第十一章岩体的力学性质、岩体的力学性质与岩体有显着差异。 无论如何，岩体比岩体更容易变形，而且其强度也显着低于岩体的强度。 这种差异的根本原因是，岩体中存在各种不同规模的构造面，存在一定的天然应力和地下水等地质环境。 因此，岩体在外力作用下，其力学属性多表现为非均质、不连续、各向异性现象、非弹性. 无论如何，岩体和岩块(石头)这两个概念不能同等。 岩体的力学性质一方面依赖于其受力条件，另一方面也受到岩体的地质特征和存在的环境条件的影响。 影响因素主要包括构成岩体的岩石的变形和强度性质在内的各种构造面的发育特征及其变形和强度性质岩体的赋存环境，特别是天然应力和地下水的影响。 其中，构造面的影响是

2、岩体力学性质与岩石不同的本质原因。 本章主要论述岩体的变形和强度性质及其动力学性质。 第一节岩体的变形性质由于岩体包含许多结构面，结构面存在许多种类的填充物，所以岩体在外力作用下的变形是岩石变形、结构面封闭相填充物变形三者的总和，一般结构面和填充物变形总有控制作用。 下文主要讨论结构面和岩体的变形性。 另一方面，构造面的变形特征1在法线变形特征同一岩体中，取不含构造面的完整的岩块试验片和不含构造面的岩石试验片，然后分别对这些个的2个试验片进行单向式压缩试验，得到图111所示的法向应力n的法线变形v关系曲线。 设不含结构面试官的法线变形为v r，含结构面试官的法线变形为v t，结构面的法线闭变形

3、vj根据： vj得到结构面的nvj关系曲线(参照图111 )。 由这些个的曲线可知，结构面的法线变形，首先，由于法向应力，结构面的闭合变形开始变快，变形量也变大，之后逐渐变慢，变形量有变为一定vm的倾向其次，nvj曲线是以vvm (结构面的最大闭合量)为渐近线的双曲线，结构面的变形随着n的增加，开始非线性增加，n达到一定值时，nvr曲线变得陡峭，与nvt曲线大致平行，最后，从非线性变形变化为直线变形的法向应力约为岩石抗压强度的13处，n比q3高的vt主要有助于岩块变形。 根据法向应力，结构面产生单位法线变形所需的法向应力，称为结构面的法线刚性Kn，其大小等于nvj曲线上某一点的切线斜率。 这是

4、反映结构面法线变形性质的主要残奥仪表。 表111显示了几个结构面的抗剪试验残奥表。 在2剪切变形特征岩体中取含构造面的岩块试验片，在一定的法向应力下进行剪切试验，得到构造面的剪切应力剪切位移j关系曲线，如图112所示。 结构面的剪切变形有两种基本类型。 一个是塑性形变型，例如泥化穿山鼠开关，具有光滑平坦的断裂面等变形特征；另一个是脆性变形型，j曲线具有明显的峰值点和应力下降，应力下降到一定值时稳定，不会随位移变化而变化，例如粗糙的构造面经常有这样的变形特征由于剪应力，结构面产生单位剪切位移所需的剪应力，称为结构面的剪切刚度KS，在数值上等于j曲线任意点的切向斜率。 反映结构面剪切变形特性的主要

5、残奥仪表。 结构面剪切刚性受到结构面自身的性质、规模及法向应力的大小等的影响。 几个结构面的剪切刚度值如表111所示。 二、岩体形变残奥表的测定岩体形变残奥表的测定方法有静力法和动力法两种。 静力法可分为压板法、狭缝法、钻孔变形法及水压洞室法等。这些个方法均对岩体表面或沟壁和孔壁施加一定的载荷，然后测定载荷作用下的岩体变形值，再求出压力变形曲线的相变形残奥计。 动力规律是通过测量弹性波在岩体中的传播速率，基于一定的公式求出岩体的变形残奥计，主要有地震法和声波法。 目前国内广泛应用的有压板法、钻孔变形法及声波法等，已列入有关规程。 1 .压板法压板法试验也称为平板负荷试验，一般在平巷进行，试验装

6、置如图113所示。巷道顶板作为反力装置，采用分级加载卸载法，在液压干斤顶上施加法线加载，通过具有一盏茶刚性的承载板(直径一般约为50一100cm )向岩面传递压力。 在加压过程中，云同步测定各级压力p下的岩体变形值w，并标绘压力p的变形w曲线(图114 )。 根据某段压力下的变形值，用下式修正岩体的变形率Em(MPa )和弹性模数Eme(MPa ) :式中，p轴承大板块的每单位面积的压力，MPa； d轴承大板块的直径或边的长度，cm 0、e分别对应p下岩体的总变形和弹性变形，cm、w是与承受板的形状和刚性有关的系数，对刚性承受板来说，圆形板为0.78，方形板为0.88。 岩体变形弹性模数和弹性

7、模数是反映岩体变形性质的重要残奥表，是岩体力学数值修正和稳定性评价不可缺少的指标. 其大小受岩性、构造面发育特征、地下水及试验条件等因素的影响。 常见岩体的变形率如表112所示。 2钻孔变形法钻孔变形法采用钻孔膨胀法等设备，在一定长度的钻孔壁上用水泵施加径向线压力的同时测定孔壁的径向线位移。 岩体变形率：式中： d钻孔直径，cm； p补正压力，等于试验压力和初期压力的差，MPa。 v一径向位移，cm。 钻孔变形法与压板法相比，在具有对岩体的声干扰小的优点的地下水位以下和深的部位能够进行试验的试验方向几乎没有限制，而且试验压力相当大，一次试验就能够在云同步测定多个方向的变形，因此容易研究变形的各

8、向异性现象。 该方法的主要缺点是试验涉及的岩体体积小，代表性有限。 三、岩体变形曲线类型由于岩体中构造面的发育状况和岩石的硬度等不同，岩体变形试验求得的压力p变形w曲线复杂多样。 归纳起来，可以归纳为图115所示的3种，(1)直线型：如图115a所示，p-w曲线大致呈直线关系，岩体硬而致密，裂缝不发达，或者只有分布均匀的细裂缝，岩体的变形率大，塑性形变小。 (2)上凹型：如图115b所示，p-w曲线在负荷低时倾斜度小，随着塑性形变大负荷增大，曲线斜率逐渐增大，塑性形变趋于稳定，岩体的岩性变硬，裂缝发育，而且大多是反映未张开填充的负荷(3)底切型：如图115c所示，p-w曲线在低负荷下接近直线，

9、表示弹性变形的负荷变大时描绘曲线，表示塑性形变。反映出岩体的岩性弱，或者在岩体的深部位埋入弱的穿山鼠开关，或者岩体的裂缝发育，泥质第二节岩体的强度性质岩体是由各种形态的岩体和构造面组成的地质体。 强度必然受岩体、构造面及其组合形式控制。 无论如何，岩体的强度不是影响岩体的强度和结构面的强度，而是影响两者共同表现的强度。 但是，在某些情况下，也可以替换岩块或结构面的强度。 岩体中结构面不发育，呈整体或完整结构时，其强度可视为接近或等于岩体强度。 此外，岩体沿某构造面整体滑动破坏时，岩体的强度完全依赖于该构造面的抗剪强度。 这是两个特殊情况。岩体的强度通常介于岩体和结构面的强度之间。 岩体的强度性

10、质中最重要的是抗剪强度。 它是影响施工安全和成本的重要因素，在岩某滑坡稳定、边坡岩体稳定和地下洞室围岩安定性分析及修订计算中，岩体的抗剪强度残奥表是必不可少的。 本节主要讨论构造面和岩体的抗剪强度。 一、结构面的抗剪强度根据结构面的形态、连续性、填充情况及其力学性质，可以将结构面分为平平整整光滑、无填充、无粗糙起伏、非贯通、有填充的弱结构面四类。 各结构面的抗剪强度的特征如下。 1 .平坦光滑的无填充结构面的抗剪强度这种结构面以光滑的断裂面和摩擦镜面(如剪切处理、片状构造面等)为代表，是摩擦剪切作用的产物，一般没有填充，带有动力变质矿物薄膜。 其抗剪强度与人工抛光面摩擦强度相近的tgj (11

11、-5 )式中：法向应力； j结构面的摩擦角。 然而，一般来说，许多天然平平整整光滑的结构面仍具有细微的起伏和突起，其粗糙度大于人工抛光面。 因此，天然光滑的结构仍有一定的粘聚力Cj，其抗剪强度由粘聚力和摩擦阻力两部分组成。 在此之中，j通常在2040，而Cj在00.1MPa之间变化。 其中，平坦且摩擦细小的摩擦镜面，如板状矿物含量高、平坦的片状构造面，以及贯通性好、平坦的粘土岩、泥灰岩层面，其抗剪强度接近下限。 2未填充粗糙结构面的抗剪强度这一结构面特征具有粗糙的起伏度，法向应力小时，剪切过程中会引起滑动效应(或称为剪切膨胀效应)，增大结构面的抗剪强度。 帕特(Patton，1966 )进行了

12、理想化的石膏模型试验，描述了粗起伏无填充结构面的抗剪强度反应历程。 将结构面假定为规则之字形(图116a )，起伏角假定为I。 由于较大的法向应力，上盘岩块沿着锯齿面滑动，发生滑动时其背斜面打开。 发生所谓的空化作用现象(图116b )。 此时，背斜面没有防滑作用，法向应力也由滑移面负担。 如图117所示，从图116中取出单一的锯齿面进行解析。 沿锯齿面分解法向应力和水平剪切应力时，受锯齿面的法向应力n和剪切应力n在沿结构面发生滑动时，根据库仑强度条件nntgb，结构面的剪切强度在式中表示b为结构面的摩擦角，其符号意义如图117所示。 式(117 )是法向应力低时的结构面的抗剪强度。 由此，具

13、有一定起伏度的锯齿结构面的抗剪强度随着起伏角I的增大而增加，其强度包络曲线如图11-8中的(2)所示。 当法向应力增大，达到一定值时，岩块的滑动运动所必需的工作超过了切断锯齿体所必需的工作，因此锯齿被切断，此时的构造面的抗剪强度为，式中，c分别为构造面壁岩的内摩擦角和粘聚力。 式(118 )是法向应力大时的构造面的抗剪强度，其强度包络曲线如图118中的(3)所示。 以上是规则起伏构造面的抗剪强度，但自然段的许多构造面的起伏形态是不规则的，起伏角也不一定(图119 )。 因此，结构面的强度包络曲线不是图118所示的折线状，而是曲线。 伯顿(Batton，1973 )主张用剪切膨胀角d代替起伏角I

14、。 剪切膨胀角是剪切时剪切位移的轨迹与水平线所成的角(图119 )，即：式中： n剪切膨胀量(mm )； l水平位移量，通过对8种不同粗糙起伏结构面的实验研究，他得到了以下统一修正方程：大量的实验资料表明了一般结构面的基本摩擦角u2535之间. 因此，(1111 )式中右边的第2项应该是结构面的基本摩擦角u，第1项中的1.78将整数设为2。如果这样处理，则(1111 )式将(1110 )式代入(1112 )式：式中，结构面的基本摩擦角u一般被认为是结构面壁岩的笔直的表面的摩擦角，可以通过倾斜试验求出。 其方法是取构造面壁岩试验片，将其切成两半，去除岩粉，风干合成。 试验时，将试验片的一端逐渐抬

15、起，直至上盘岩块开始滑动，将此时的试验片倾斜角设为u。 每块岩石进行试验的试验张数需要10张以上。 没有试验资料的情况下，大多取u30，或者换成结构面剩馀的摩擦角。 JRC的确定方法是测量表示所研究的结构表面的粗糙度的轮廓线，并将该轮廓线与图11至10中所示的标准截面进行对照来确定。 JCS是结构面壁岩强度，通过回弹试验求得。 式(1113 )是伯顿不规则群的粗起伏构造面的抗剪强度式。 使用该式决定构造面的抗剪强度时，只需知道JRC、JCS、u三个残奥仪表，无需进行大型现场的抗剪强度试验。 部分粗糙结构面的抗剪强度如表11l所示。 3、非贯通断续构造面的抗剪强度这一构造面的抗剪强度由各段构造面

16、的抗剪强度和非贯通段岩石(岩桥)的抗剪强度两部分组成。 因此，结构面整体强度是结构面和岩石的性质，结构面的连续性，即式中，Ci、j分别依赖于结构面的粘聚力和摩擦角，Cm，m分别是岩石的粘聚力和内摩擦角，K1是结构面曲线的连续系数。 式(1114 )是岩桥被剪切时的构造面的抗剪强度，这是非贯通构造面破坏的特例。 实际上，这种结构的破坏反应历程很复杂，值得注意。 4、填充的软弱结构面的抗剪强度这一结构面的抗剪强度，主要取决于填充物的成分、结构、厚度以及填充度和含水状况等。 根据填充物的粒度成分，结构面的强度不同。 表113显示了不同松软的穿山鼠开关的抗剪强度指标。 结构面的抗剪强度随填料含量的增加

17、及粒子的增粗而增高，随粘粒含量的增加而降低。 此外，填充物成分不同，其剪应力剪切位移曲线也不同。 图1111是不同粒子成分弱的穿山鼠开关的-u曲线。 图中曲线为粘粒含量高的泥化穿山鼠开关的剪切曲线，呈典型塑性曲线，强度低，位移变化小，屈服后无明显应力下降。 从曲线到曲线，是随粗碎屑成分增多而不同的穿山鼠开关剪切曲线，表示随穿山鼠开关中粗碎屑含量增加，剪切曲线逐渐由塑性型向脆性型破坏转变。 结构面的填充度多用填充物厚度d和结构面的波纹度差的比来表示。 其对结构面的抗剪强度的影响如图1112所示，强度随着填充度(d )变大而降低。 填充度小于100时，影响最大，结构面的摩擦系数f随着d值的增加下降

18、加快，填充度达到200时，结构面的摩擦系数稳定，有达到最低值的倾向。 此时，结构面的抗剪强度主要取决于填充物的性质。 另外，填充物的结构特征和含水率对结构方面的强度也有很大影响。 一般来说，在填充物的构造松散、有取向排列的情况下，构造面的抗剪强度低，有各向异性现象的相反，构造面的抗剪强度高。 含水率的影响也相同，结构面的抗剪强度随填充物含水率的升高而降低。 我国部分工程软弱穿山鼠开关的抗剪强度残奥仪表如表114所示。 二、岩体剪切试验及抗剪强度岩体任一方向的剪切面，在一定法向应力下可抵抗的最大抗剪应力称为岩体抗剪强度。 岩体的抗剪强度也可以细分为抗剪强度、抗剪强度及摩擦强度3种。 在生产实际中，经常使用抗剪强度残奥仪表。 为了研究岩体的抗剪强度，多进行原位岩体剪切试验。 其中最常见的是双千斤顶直剪切试验。 该方法简单地制作试验片，用2个千斤顶分别在垂直和水平方向施加外力，进行直接剪切岩体的试验，其装置如图1113所示。试验片的尺寸根据裂缝的发育状况，其截面积小于50cm50tm时为要不得，试验片的高度一般为截面边长的0.5倍，各组的试验片为5个以上。