第一节--岩体的变形性质课件.ppt

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1、 基本原理：基本原理：在选定的岩体表面、槽壁或钻孔壁面上施加在选定的岩体表面、槽壁或钻孔壁面上施加法向荷载，并测定岩体的变形值；然后绘制出压力法向荷载，并测定岩体的变形值；然后绘制出压力- -变形关系变形关系曲线，计算出岩体的变形参数。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：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 1）承压板法承压板法 ; ;（2 2）钻孔变形法钻孔变形法; ;（3 3）狭缝法）狭缝法 （2 2）动力法）动力法 基本原理：基本原理：用人工方法对岩体发射用人工方法对岩体发射( (或激发或激发) )弹性波弹性波( (声波声波或

2、地震波或地震波) )，并测定其在岩体中的传播速度，然后根据波动理，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。论求岩体的变形参数。 动力法包括动力法包括声波试验声波试验、地震试验地震试验等。等。 2. 2. 承压板法：（平板载荷承压板法：（平板载荷试验）试验）原理：原理：油压千斤顶对承压板油压千斤顶对承压板下的岩体（平直光滑的表面下的岩体（平直光滑的表面上）加压，用测微表测变形上）加压，用测微表测变形（表面变形）。（表面变形）。承压板面积：承压板面积：0.251.0m0.251.0m2 2加压方式：加压方式：将预定荷载分若将预定荷载分若干级采用逐级一次或多次循干级采用逐级一次

3、或多次循环加载。环加载。测记变形：测记变形：用百分表测记各用百分表测记各级压力下的变形值。级压力下的变形值。试验结果试验结果：可得：可得PWPW曲线曲线P P压力压力 ；W W各级压力对应变形值各级压力对应变形值WpWeW0=Wp+We弹性变形弹性变形残余变形残余变形总变形总变形 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。变形，可分为弹性变形和残余变形。W0根据布西涅斯克公式：根据布西涅斯克公式： WEpb0201变形模量变形模量(E0)(E0)在无侧限受压下应力与总应变之比。在无侧限受压下应力与总应变之比。 WEe

4、epb21弹性模量弹性模量(Ee)(Ee)在无侧限受压下，应力与弹性应变之比。在无侧限受压下，应力与弹性应变之比。P P承压板单位面积上的压力（承压板单位面积上的压力（MPaMPa）；）；b b承压板边承压板边长（直径）；长（直径）；与承压板刚度和强度有关的系数与承压板刚度和强度有关的系数（方形取（方形取0.8860.886，圆形取，圆形取0.7850.785）；）；W W0 0总变形；总变形；泊松比（一般室内试验决定）；泊松比（一般室内试验决定）；WeWe弹性变形；弹性变形；变形系数：变形系数：0WWDP（反映卸荷曲（反映卸荷曲线的斜率）线的斜率）（反映岩体的刚度）（反映岩体的刚度）（反映了

5、岩体的残余变形特征（反映了岩体的残余变形特征 ）3.3.钻孔变形法钻孔变形法 它是利用钻孔膨胀计它是利用钻孔膨胀计对一定长度的孔壁施加均对一定长度的孔壁施加均匀液压，同时通过传感器匀液压，同时通过传感器测量孔壁的径向变形。测量孔壁的径向变形。 用用厚壁圆筒理论厚壁圆筒理论，可，可推导出岩体变形模量与径推导出岩体变形模量与径向变形的关系：向变形的关系：UdpE)1 (0d d钻孔直径（钻孔直径（cmcm）；）；p p水压力（水压力（MPaMPa）；）；U U径向变形。径向变形。4.4.狭缝法：狭缝法：（刻槽法）（刻槽法）开缝开缝用用扁千斤顶加扁千斤顶加压，通过百压，通过百分表或电阻分表或电阻应变

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

7、下的变形大。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原因：岩体存在显著结构面。岩体：岩体：由岩块和结构面（一组或多组）组成。由岩块和结构面（一组或多组）组成。岩块：岩块：只是含微裂隙，无宏观结构面。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。所以岩体与岩块相比，其变形特征有很大区别。 二、岩体变形参数估算二、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。计变形参数。 一种估算方法是

8、：一种估算方法是：在现场地质调查的基础上，建立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。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：另一种估算方法是：在岩体质量评价和大量试验资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。关系，估算岩体变形参数。1 1、层状岩体变形参数估算、层状岩体变形参数估算 针对层状岩体的地质力学模型（见上图），假设：针对层状

9、岩体的地质力学模型（见上图），假设： 各岩层厚度相等为各岩层厚度相等为S S，且性质相同；，且性质相同； 层面的张层面的张开度忽略不计；假设岩块变形参数为开度忽略不计；假设岩块变形参数为E E，和和G G，层面变，层面变形参数为形参数为K Kn n，K Ks s（法向刚度和剪切刚度）。（法向刚度和剪切刚度）。 取取n n- -t t坐标系，坐标系，n n垂直层面，垂直层面，t t平行层面。平行层面。 (1)(1)法向应力法向应力n n作用下的岩体变形参数作用下的岩体变形参数 1)1)沿沿n n方向加荷方向加荷由岩块和层面组成单元体（由岩块和层面组成单元体（b b）：）：假设岩石各向同性，假设岩

10、石各向同性，n n向加向加荷时，由荷时，由t t向应变可求岩体向应变可求岩体的泊松比。的泊松比。2)2)沿沿t t方向加荷方向加荷 沿沿t t向加荷时，岩体的变形主要是岩块引起的，故：向加荷时，岩体的变形主要是岩块引起的，故：(2)(2)剪应力作用下的岩体变形参数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岩体剪切变形由岩块剪切变形和沿层面滑动变形组成，形和沿层面滑动变形组成，即：即：岩体的剪切模量岩体的剪切模量岩体的剪切变形：2 2、裂隙岩体变形参数的估算、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

11、：间的统计关系求得：（1 1）用）用RMRRMR值估算岩体变形模量值估算岩体变形模量 RMRRMR岩体地质力学分类中，岩块强度、岩体地质力学分类中，岩块强度、RQDRQD值、值、节理间距、节理条数和地下水节理间距、节理条数和地下水5 5类指标的类指标的总评分值总评分值。 （2 2）用岩体质量指标）用岩体质量指标Q Q值估算纵波速度和岩体平均变形模量值估算纵波速度和岩体平均变形模量三、岩体变形曲线类型及其特征三、岩体变形曲线类型及其特征 1 1、法向变形曲线、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。岩体变形曲线有以下一些类型，其特征各不相同。 （1 1） （2 2） （3 3）

12、（4 4）岩体法向变形曲线类型示意图岩体法向变形曲线类型示意图 （1 1）直线型：）直线型： 通过原点的直线，其方程为：通过原点的直线，其方程为： 加压过程中加压过程中W W随随p p成正比增加。成正比增加。岩体岩性均匀、结构面岩体岩性均匀、结构面不发育或结构面分布均匀多呈这种状态。不发育或结构面分布均匀多呈这种状态。根据根据K K及加压退压及加压退压曲线，又可分为两类：曲线，又可分为两类：0,22WddpKdWdpKWp陡直线型：陡直线型： 特征：特征：K K大，大，E E0 0大（刚度大）大（刚度大）变形系数变形系数D D很小（以弹性变形为很小（以弹性变形为主），为完整、坚硬、少裂隙、致主

13、），为完整、坚硬、少裂隙、致密均匀的岩体，接近于密均匀的岩体，接近于均质弹性体均质弹性体。缓直线型：缓直线型： 特征：特征：K K小，小，E E0 0小（刚度小（刚度小）变形系数小）变形系数D D较大，有明显较大，有明显的残余变形和回滞环。破裂很的残余变形和回滞环。破裂很发育，且均匀分布的岩体，有发育，且均匀分布的岩体，有明显的塑性变形，不能视为弹明显的塑性变形，不能视为弹性体。性体。 岩体：岩体：由多组结构面切割由多组结构面切割且分布较均匀的岩体；岩性较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软弱且均质或平行层面加压的岩体。岩体。（2 2）上凹型：）上凹型： 曲线方程为：曲线方程

14、为： p pf(W)f(W)，dp/dWdp/dW， E E0 0随随p p增大而递增，增大而递增，d d2 2p/dp/d2 2W W0 0 层状及节理岩体多呈这层状及节理岩体多呈这类曲线。类曲线。分下面两种情况：分下面两种情况： 第一种情况：第一种情况：退压曲线较缓，退压曲线较缓，近于平行，且随近于平行，且随p p增大、增大、D D降低降低（相对来说残余变形越来越（相对来说残余变形越来越小），曲线斜率随循环次数增小），曲线斜率随循环次数增多而变大（岩体刚度增大）多而变大（岩体刚度增大） 多为垂直层面加压的较坚多为垂直层面加压的较坚硬层状岩体。硬层状岩体。机理：机理： pp层面层面夹层压密夹

15、层压密刚度增大，退压时由于岩体刚度增大，退压时由于岩体结构未错动，所以有较大的结构未错动，所以有较大的WeWe。第二种情况：第二种情况： 退压曲线较陡，即退压曲线较陡，即D D较大较大（说明有明显的残余变形）（说明有明显的残余变形）岩体的刚度随岩体的刚度随p p增大而增大。增大而增大。P对应岩体：对应岩体：楔入，高角度节理楔入，高角度节理p p减小减小, ,像楔子一样相互楔紧，像楔子一样相互楔紧，退压后变形难于恢复。退压后变形难于恢复。存在软弱夹层的层状岩体存在软弱夹层的层状岩体软层固结软层固结 垂直于层面加垂直于层面加p p，软层固结后，软层固结后可恢复变形小。可恢复变形小。 PP软软 层层

16、（3 3）上凸型：）上凸型： 曲线方程为曲线方程为p pf(W)f(W)，d p / d Wd p / d W随随p p增 加 而 递 减 ，增 加 而 递 减 ，d d2 2p/dWp/dW2 20 0。软岩：软岩：p p增大微裂纹扩展增大微裂纹扩展,W,W增大。增大。充泥裂隙岩体，充泥裂隙岩体，p p增大，泥增大，泥向两侧挤出向两侧挤出,W,W增大。增大。 较深处埋藏有软弱夹层。较深处埋藏有软弱夹层。（4 4）复合型：）复合型：p-Wp-W曲线呈阶梯曲线呈阶梯或或“S S”型。型。岩体裂隙发育不均匀或岩性不岩体裂隙发育不均匀或岩性不均匀（有软弱夹层）。均匀（有软弱夹层）。2 2、剪切变形曲

17、线、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。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：将剪切变形曲线分为三种类型： （1 1） （2 2） （3 3）岩体剪切变形曲线类型示意图岩体剪切变形曲线类型示意图 （1 1）峰值前曲线平均斜率小，破坏位移大；峰值后应）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。力降很小或不变。多为沿

18、软弱结构面剪切。 （1 1） （2 2） （3 3）岩体剪切变形曲线类型示意图岩体剪切变形曲线类型示意图 （2 2）峰值前曲线平均斜率较大，峰值强度较高。峰）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。烈风化岩体剪切。（3 3）峰值前曲线斜率大，线性段和非线性段明显，峰）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。较低。多为剪断坚硬岩体。（1 1） （2 2） （3 3）岩体剪切

19、变形曲线类型示意图岩体剪切变形曲线类型示意图 四、岩体变形的结构效应四、岩体变形的结构效应 影响岩体变形性质的因素：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。寸、加荷条件、温度、湿度等。岩体力学性质的结构效应岩体力学性质的结构效应岩体中结构面对力学性质岩体中结构面对力学性质的影响。的影响。岩体变形的结构效应岩体变形的结构效应结构面对岩体变形特征的影响。结构面对岩体变形特征的影响。岩体强度的结构效应岩体强度的结构效应结构面对岩体强度特征的影响。结构面对岩体强度特征的影响。结构面对变形影响的主要表现

20、：结构面对变形影响的主要表现：方向、方向、性质、性质、密密度、度、组合方式四方面组合方式四方面（一）（一） 结构面方向的影响结构面方向的影响 结构面与岩体的受力方向之夹角不同，岩体的变形也结构面与岩体的受力方向之夹角不同，岩体的变形也不同。不同。 结构面方向与受力方向的结构面方向与受力方向的夹角决定岩体的变形（变形各夹角决定岩体的变形（变形各向异性）。向异性）。 P结构面结构面 变形最大，变形最大，D D值最值最大，有较大残余变形（机制：大，有较大残余变形（机制：结构面压密）；结构面压密）； 变形最小，变形最小，D D最小，最小，有较大的弹性变形（岩石变有较大的弹性变形（岩石变形）。形）。 处

21、于二者之间。处于二者之间。900900 （二）结构（二）结构面性质的影面性质的影响响结构面性结构面性质质 ：张开：张开程度、充填程度、充填程度、充填程度、充填的物的性质的物的性质 等。等。片麻理片麻理无充填裂隙无充填裂隙灌浆前灌浆前灌浆后灌浆后灌浆前：灌浆前： 在在2 2方向，压力垂直于一组无充填裂隙，故在较低压力方向，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。压密变形。 因而，在压

22、力较大时，裂隙已经闭合，主要是软矿物的因而，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。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：灌浆后： 浆液进入裂隙，使浆液进入裂隙，使2 2方向上的变形大为减弱，另一方面，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。变形最大的方向。 上述现象说明上述现象说明充填与张开的结构面对岩体

23、变形的影响就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。不一样。因为结构面性质不同。 （三）结构面密度的影响（三）结构面密度的影响结构面密度可用结构面密度可用 随随 RQD RQD 、K KV V增大，结构面密度降低，增大，结构面密度降低，模量系数模量系数 E E0 0 /E /E增大；增大；随随 RQD RQD 、K KV V下降，结构面密度增大，模量系数下降，结构面密度增大，模量系数 E E0 0 /E /E 减小；减小；E E0 0岩体的变形摸量岩体的变形摸量E E岩石材料弹性摸量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。即：结构面密度越小

24、，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。结构面密度较小时影响明显。 RQDKL、vv表示。表示。 当当RQD RQD 、K KV V从从10.6510.65时，时， E E0 0 /E /E迅速降低；当小于迅速降低；当小于0.650.65时，时， E E0 0 /E /E变化不大。变化不大。 表明：表明：结构面的密度对结构面的密度对岩体变形特征的影响有一定岩体变形特征的影响有一定的范围，即：的范围，即： RQD RQD 、K KV V =10.65=10.65。（四）（四） 结构面组合关系的影响结构面组合关系的影响 自然存在的岩体中，往往发育自然存在的岩体中，往往发育有多种方向结构面，因而存在结构有多种方向结构面，因而存在结构面的组合关系。面的组合关系。孙广忠、比尔等人提出几个组合模孙广忠、比尔等人提出几个组合模型：型： 对缝式组合；对缝式组合； 错缝式组错缝式组合合 斜缝式组合斜缝式组合 都属于节理化岩体（被各种节都属于节理化岩体（被各种节理，裂隙切割成碎裂结构的理，裂隙切割成碎裂结构的 岩岩体。），结构面的不同组合，会使体。），结构面的不同组合，会使岩体产生不同的变形特征。岩体产生不同的变形特征。PPP对缝式对缝式错缝式错缝式斜缝式斜缝式