中礦巖石力學-第三章

1、第三章 巖體的力學特性,本章內容3.1 概述3.2 巖體結構基本類型；3.3 巖體的結構面及其自然特征；3.4 結構面的力學性質3.5 巖體的變形性質3.6 巖體的強度特性3.7 巖體的水力學性質3.8 巖體質量評價及其分類基本要求了解巖體結構的基本類型，理解巖體結構面特征；掌握結構面的力學性質及巖體的變形性質；理解巖體的強度特性，了解巖體的水力學性質；掌握巖體質量評價及其分類方法；,第三章 巖體的力學性質

2、,第一節(jié) 概述第二節(jié) 巖體結構的基本類型第三節(jié) 巖體的結構面及其自然特征第四節(jié) 結構面的力學性質第五節(jié) 巖體的變形性質第六節(jié) 巖體的強度特性第七節(jié) 巖體的水力學性質 第八節(jié) 巖體質量評價及其分類,主要內容,巖體=結構面（弱面）+結構體（巖石塊體） 結構面：斷層、褶皺、節(jié)理……統(tǒng)稱,影響巖體力學性質的基本因素： 結構體(巖石)力學性質、結構面力學性質、巖體結構力學效應和環(huán)境因素(特別是水和地應力的

3、作用),§3.1 概述,§3.3巖體中的結構面及自然特征,,次生結構面,,§3.3.1結構面類型（自學、了解、提問）,火成結構面沉積結構面變質結構面,成因及類型,原生結構面,構造結構面,,斷層節(jié)理劈理,,§3.3.2結構面的自然特征,1. 充填膠結特征,幾何形態(tài)特征,,有充填,無充填,,薄膜充填（2mm以下）斷續(xù)充填連續(xù)充填厚層充填（數(shù)十厘米至數(shù)米）,,平直型波浪型鋸齒型臺階

4、型,,凹凸度（量化指標）,,起伏度（起伏角i)粗糙度(五級）,2.,3. 空間分布特征,,,產狀（即方位）及其變化,延展性密集程度組合關系,結構面的產狀及其變化：結構面的走向與傾向及其變化,結構面的延展性：結構面在某一方向上的連續(xù)性或結構面連續(xù)段長短的程度。 分為非貫通性的、半貫通性及貫通性的結構面,結構面的密集程度,設取樣線長度為l ，在l上出現(xiàn)的節(jié)理條數(shù)為n，則 節(jié)理之間的平均間距為,,裂隙度

5、 K切割度 Xe,,20m,實例：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 :同一組結構面沿法線方向單位長度上的節(jié)理數(shù)量,d>180cm 整體結構 d=30~180 塊狀結構 d<30 破裂結構

6、 d<6.5 極破裂結構 K=0~1/m 疏節(jié)理 K=1~10/m 密節(jié)理 K=10~100/m 很密節(jié)理

7、 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)理在巖體內的貫通程度。,多處不連續(xù)切割疊加：,假設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,,§3.4 結構面的力學性質,,法向變形切向變形,,,變形性質,,強

8、度性質,(一）法向變形,1.變形特性,在法向荷載作用下，結構面間隙呈非線性減小，應力與法向變形呈指數(shù)關系。(原因）,當荷載去除時，將引起明顯的后滯和非彈性效應。,Kn－法向變形剛度,Kn0－結構面的初始剛度,趨勢：σn ↑ ，Kn ↑,（Goodman,1974）,Goodman方法：,①節(jié)理無抗拉強度② 極限閉合量δmax ＜e（節(jié)理的厚度）,（1）基本假設,（2）狀態(tài)方程,,2. 閉合變形量計算：,－原始應力，由測量時的初始條件

9、決定；δn, δmax－結構面閉合量，最大閉合量;A, t－回歸參數(shù)，與結構面幾何特征、巖石力學性質有關。,（二）節(jié)理的切向變形,通常有兩種形式：A）粗糙（或非充填）結構面剪切變形曲線；B）平坦（或有充填物）的結構面,區(qū)別及原因,,,,見下頁力學模型,,結構面的剪切變形: 與巖石強度、結構面粗糙性和法向力有關,法向力不足夠大沿凸臺斜面滑動剪脹（或擴容）,法向力足夠大沿凸臺剪斷不產生明顯剪脹,（三）抗剪強度,i,,服從庫侖準則

10、:,影響抗剪強度的三個基本因素：法向力 σn粗糙度 JRC結構面強度 JCS結構面抗剪強度公式（Barton和choubey, 1977)：,,粗糙度 JRC （目測）,,分維數(shù),§3.5 巖體的變形性質,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：,承壓板法、鉆孔變形法、狹縫法、,,1）承壓板法,選具有代表性的試驗地點清除浮石，平整巖

11、面逐級一次循環(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(cm)； ?、 ? e－相應于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的系數(shù)，對圓形板＝0.785；方形板＝0.886； μm－巖體的泊松比。,,,,,,(J. Boussineq),2）鉆孔變形法,巖體的變形模量（Em）

12、 計算公式：,U－徑向變形μm－巖體的泊松比;,厚壁圓筒理論,對巖體擾動較?。豢稍诘叵滤灰韵潞拖喈斏畹牟课贿M行；試驗方向基本不受限制，試驗壓力大；可以同時測量幾個方向的變形，便于研究各向異性；,優(yōu)點（相對于承壓板法來說）：,缺點：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）；?－量測點A1、A2的相對位移值(cm)， ? =y2-y1。 μm－巖體的泊松比;

13、,,,,,2. 法向變形曲線及特征：,（1）直線型（彈性巖體）,巖性均勻且結構面不發(fā)育或結構面分布均勻的巖體,（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）,結構面發(fā)育且有泥質充填的巖體。,（4）復合型：階梯或“S”型（塑-彈-塑性巖體),結構面發(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；峰后強度損失小。,(a)沿軟弱結構面剪切,峰前變形平均斜率較大，峰

14、值強度較高；峰后有明顯應力降。,(b)沿粗糙結構面、軟弱巖體及強風化巖體剪切,峰前變形斜率大，峰值強度高，破壞位移??；峰后殘余強度較低。,(c)堅硬巖體受剪切,（三）各向異性變形特征：（P101蔡）,造成巖體變形各向異性的兩個基本因素：① 物質成分和物質結構的方向性；② 節(jié)理、結構面和層面的方向性。,,巖石的全部或部分物理、力學特性隨方向不同而表現(xiàn)出差異的現(xiàn)象稱為巖石的各向異性。,§3.6巖體的強度特性,§3.6

15、.1巖體強度的測定,（一）巖體單軸抗壓強度的測定,圖3-24 巖體單軸抗壓強度測定1－方木； 2－工字鋼；3－千斤頂； 4－水泥砂漿,現(xiàn)場原位切割較大尺寸試體（邊長0.5～1.5m的立方體）；為了保持原有的力學條件，試塊附近不能爆破，機械破巖。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→計算強度,試件,,,（二）巖體抗剪強度的測定,雙千斤頂法：,1. 正壓力P和橫推力T的合力通過剪切面中心。,3. 試

16、驗5組以上,2. 橫推千斤頂成15°角傾斜布置。,計算公式：,,,P、T－垂直及橫向千斤頂施加的荷載； S－試體受剪截面積。,（三）巖體三軸強度試驗,地下工程的受力狀態(tài)是三維的，所以三軸力學試驗非常重要。,千斤頂加軸向荷載壓力枕加圍壓荷載,準三軸（等圍壓）：實用性更強。,圖3-26原位巖體三軸試驗1一混凝土頂座；2、4、6－墊板；3一頂柱；5一球面墊；7一壓力枕；8一試件；9一液壓表；10一液壓枕,真三軸：

17、中間主應力在巖體強度中起著重要作用，在多節(jié)理巖體中尤為重要。,試體,§3.6.2結構面的強度效應,一、單節(jié)理和多節(jié)理的力學效應（一）單節(jié)理的力學效應設結構面的強度條件設節(jié)理的方向角為β節(jié)面上的應力(圖）,①當 （巖石塊體破壞，結構面不破壞）②當 節(jié)理面的存在不削弱巖塊強度,③ 對 求一階導數(shù)，并令其為零得 此時

18、節(jié)理面對巖體的強度削弱最大,并令 得：,當 可能結構面破壞,巖石節(jié)理同時破壞，巖體強度等于巖塊強度,巖塊先破壞，巖體強度等于巖塊強度,或,,節(jié)理先破壞，巖體強度小于巖塊強度,或,圖解法: 直接在圖2－20量?。?也可以由正弦定律推出：(見圖2－20）,,（二）多節(jié)理的力學效應 （疊加）,兩組以上的節(jié)理同樣處理，只不過巖體總是沿一組最有利破壞的節(jié)理首先破壞。,圖3

19、－21 兩組節(jié)理力學模型,圖3－20 σ1與β的關系曲線,二、當C=0時節(jié)理面的力學效應,這時庫侖準則 用主應力表示上式，得：,已知σ1,由上式可計算出維持破裂巖體極限穩(wěn)定的側向壓力σ3，即巖體所需的最小支護力,,此時巖體的強度只靠碎塊之間的摩擦力來提供。,3.7 巖體的水力學性質,巖體的水力學性質：巖體與水共同作用所表現(xiàn)出來的力學性質。,巖體與水的相互作用，一方面水改變著巖體的物理、化學及力學性質，另一方面巖石也改變著地下水自身的

20、物理、力學性質及化學組份。,地下水對巖體的作用,,物理作用化學作用力學作用,（一）物理作用：,巖體結構面上的摩阻力減小,改變巖體結構面充填物的物理性狀，內聚力和摩擦角減小。→軟化系數(shù)η,區(qū)別于重力水的潤滑，軟化作用。,（二）化學作用：,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。,潤滑作用：,軟化和泥化作用：,結合水的強化作用：,泥石流、山體滑坡,,（三）力

21、學作用：,,孔隙靜水壓力作用,孔隙動水壓力作用,當多孔連續(xù)介質巖土體中存在孔隙地下水時，未充滿孔隙的地下水使巖土體的有效應力增加：,σα有效應力，σ 總應力，p 孔隙靜水水壓力,當?shù)叵滤錆M多孔連續(xù)介質巖土體時，使有效應力減?。?σα，σ ，p ： 含義同上,當多孔連續(xù)介質巖土體中充滿流動的地下水時，施加孔隙靜水壓力和動水壓力作用，其中，動水壓力為：,,,τd 動水壓力，γ地下水容重，J地下水水力坡度,當裂隙巖體充滿流動的地下水時，施加

22、一垂直于裂隙壁面的靜水壓力和平行于裂隙壁面的動水壓力，其中，動水壓力為：,,b： 裂隙的隙寬， τd ，γ，J意義同上,,3.8 巖體質量評價及其分類,為了在工程設計與施工中能區(qū)分出巖體質量的好壞和表現(xiàn)在穩(wěn)定性上的差別，需要對巖體作合理的分類，以作為選擇工程結構參數(shù)、科學管理生產以及評價經濟效益的依據之一。,（一） 普氏分級法：f=σc/10 常沿用但具有嚴重局限性。,(二）巖石質量指標RQD分類(笛爾Deer，1964) ：,Rock

23、 Quality Designation :,沒反映出節(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)應用。,不足：,,（三）巖體地質力學分類（CSIR分類, P56）,CSIR分類指標值RMR(Rock Mass Rating) ：南非科學和工業(yè)研究委員會(Council for Scientific and Industrial Research) 提出。,分類時，根據表3-6得RMR初值P57,然后據節(jié)理、裂隙的產狀變化

24、按表3-7和表3-8對RMR初值修正，最后對照表3-9求得巖體的類別。,由巖塊強度、RQD值、節(jié)理間距、節(jié)理條件及地下水5種指標組成。,不足：對擠壓、膨脹和涌水的極其軟弱的巖體問題時，此分類法難于使用 。,（四）巴頓巖體質量分類（Q類）：,由挪威地質學家巴頓(Barton，1974)等人提出,RQD：Deer的巖石質量指標；Jn: 節(jié)理組數(shù)；Jr: 節(jié)理粗糙度系數(shù)； Ja: 節(jié)理蝕變影響系數(shù)；Jw: 節(jié)理水折減系數(shù)；SRF——應力折

25、減系數(shù)。,,Bieniawski (1976) ：,表3-10 巖體質量Q值分類表,定性與定量相結合，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BQ初步分為5級（考慮了巖體的堅硬程度和完整性）,國標《工程巖體分級標準》GB50218-94提出兩步分級法,,Rcw為巖體飽和單軸抗壓強度（MPa）；,Kv為巖體的完整性系數(shù) ；（可用聲波測試資料或結構面條數(shù)來確定）,第二步：考慮其他因素影響，對BQ進行修

26、正后詳細分級,K1：主要軟弱結構面產狀影響修正系數(shù)，表3-15 K2：地下水影響修正系數(shù)，表3-16K3： 天然應力影響修正系數(shù)，表3-17,（六）按巖體結構類型分類（中科院地質所，谷德振）：,某巖塊強度符合庫侖準則，C = 5 MPa,?=300。如果三軸應力狀態(tài)下的 ?3=10 MPa 保持常數(shù)，求極限平衡時?1 若此時?1和?3分別鉛直和水平，巖塊內有一條節(jié)理。節(jié)理的C=0， ?=300。節(jié)理與水平傾角或