第4章岩石的变形-水电工程地质岩体力学-课件.ppt
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1、第第4章章 岩石的变形岩石的变形 岩石力学课程组u 图图3-34 基岩变形性质差异引起剪应力基岩变形性质差异引起剪应力 岩石的变形岩石的变形是指岩石在任何物理因素作用下形状和大小的变化。工程最常研究的变形是由于力的影响所产生的,坝建在多种岩石组成的岩基上,这些岩石的变形性质不同,则由于基岩的不均匀变位可以使坝体的剪应力和主拉应力增长,造成开裂错位等不良后果。如果岩基中岩石的变形性质已知并且在岩基内这此性质的变化也已确定,那么在坝施工中可以采取必要措施防止不均匀变位。岩石变形的概念岩石变形的概念:4.1 4.1 岩石的变形特征岩石的变形特征u岩石的变形特性常用弹性模量岩石的变形特性常用弹性模量
2、E 和泊松比和泊松比 两个常数来表示。当这两个常数为已两个常数来表示。当这两个常数为已知时,就可用三维应力条件的广义虎克定律计算出给定应力状态下的变形:知时,就可用三维应力条件的广义虎克定律计算出给定应力状态下的变形:岩石变形的概念岩石变形的概念:4.1 4.1 岩石的变形特征岩石的变形特征式中G为岩石的剪切模量剪切模量,为拉梅常数拉梅常数,它们都可用E和 表示岩石变形的概念岩石变形的概念:4.1 4.1 岩石的变形特征岩石的变形特征另一个变形常数是体积弹性模量体积弹性模量K,它表示平均应力体积应变:实际典型的岩石应力-应变曲线则往往是如图4-3所示的形式。这种曲线一般可以分为四个区段:在OA
3、区段内,该曲线稍微向上弯曲;在AB区段内,很接近于直线;BC区段内,曲线向下弯曲,直至C点的最大值;下降段CD。1 1)岩石应力)岩石应力-应变的一般关系应变的一般关系:4.1 4.1 岩石的变形特征岩石的变形特征图4-3 完全的应力-应变曲线l在OA和AB这两个区段内,岩石很接近于弹性的,可能稍有一点滞回效应,但是在这两个区内加载与卸载对于岩石不发生不可恢复的变形。l第三区段BC的起点B往往是在C点最大应力值的2/3处,从B点开始,应力-应变曲线的斜率随着应力的增加而逐渐降低到零。在这一范围内,岩石将发生不可恢复的变形,加载与卸载的每次循环都是不同的曲线。l在图4-3上的卸载曲线PQ在零应力
4、时还有残余变形。如果岩石上再加载,则再加载曲线QR总是在曲线OABC以下,但最终与之连接起来。1 1)岩石应力)岩石应力-应变的一般关系应变的一般关系:4.1 4.1 岩石的变形特征岩石的变形特征图4-3 完全的应力-应变曲线l第四区段CD,开始于应力-应变曲线上的峰值C点,其特点是这一区段上曲线的斜率为负值。在这一区段内卸载可能产生很大的残余变形。l图中ST表示卸载曲线,TU表示再加载曲线。l可以看出,TU线在比S点低得多的应力下趋近于CD曲线。这一范围内的特点是岩石表现出脆性性质。l从图4-3上所示破坏后的荷载循环STU来看,破坏后的岩石仍可能具有一定的刚度,从而也就可能具有一定的承载能力
5、。1 1)岩石应力)岩石应力-应变的一般关系应变的一般关系:4.1 4.1 岩石的变形特征岩石的变形特征图4-3 完全的应力-应变曲线l典型的应力-应变曲线类型:米勒(Miller)根据岩石的应力-应变曲线随着岩石的性质有各种不同形式的特点,采用28种岩石进行了大量的单轴试验后,将岩石的应力-应变曲线分成6种类型,如图4-4所示:2 2)应力)应力-应变曲线类型:应变曲线类型:4.1 4.1 岩石的变形特征岩石的变形特征l类型:弹性关系 应力与应变的关系是一直线或者近似直线,直到试样发生突然破坏为止。具有这种变形类型的岩石有玄武岩、石英岩、白云岩以及极坚固的石灰岩;l 类型:弹-塑性 在应力较
6、低时,应力-应变关系近似于直线,当应力增加到一定数值后,应力-应变曲线向下弯曲变化,且随着应力逐渐增加,曲线斜率也愈来愈小,直至破坏;2 2)应力)应力-应变曲线类型:应变曲线类型:4.1 4.1 岩石的变形特征岩石的变形特征l类型,基本上与相同,也呈S形。曲线的斜率较平缓。一般发生在压缩性较高的岩石中。压力垂直于片理的片岩具有这种性质。l类型:弹-塑-蠕变性 应力-应变关系曲线是岩盐的特征,开始先有很小一段直线部分,然后有非弹性的曲线部分,并继续不断地蠕变。某些软弱岩石也具有类似特性。2 2)应力)应力-应变曲线类型:应变曲线类型:4.1 4.1 岩石的变形特征岩石的变形特征l 假如岩石服从
7、虎克定律(线性弹性材料),则压缩时的弹性模量E由下式给出:1 1 单轴压缩试验:单轴压缩试验:4.2 岩石变形性质的室内测定岩石变形性质的室内测定l泊松比为:l 用岩石三轴仪也可直接测定岩石试件的弹性模量。2 2 三轴压缩试验:三轴压缩试验:4.2 岩石变形性质的室内测定岩石变形性质的室内测定l泊松比为:l 现场变形试验也称原位变形试验,它比实验室变形试验更能反映天然岩体的性质(例如裂隙、节理等地质缺陷),所以有条件最好做这种试验。l但是现场试验所需工作量大、时间长、费用高,故这种试验并不是所有工程都能采用的,一般对于一些重要的建筑物如等级高的水工隧洞、地下厂房、大坝地基,采用这种方法。3 3
8、 岩石现场变形试验:岩石现场变形试验:4.2 岩石变形性质的室内测定岩石变形性质的室内测定l 压板法 试验可以在平地上或在平硐中进行,就是通过刚性或柔性承压板将荷载加在岩面上以测定其变形。先在已选择好的有代表性的地段上,清除爆破影响深度内的破碎岩石,并且把岩面整平,然后安装油压千斤顶,通过承压板对岩面施加静荷载,定时测量岩体表面的变形 l试验采用的承压板多半是刚性承压板,其尺寸大小是根据岩体中裂隙的间距和试验所选用的最大压力来确定的,通常采用的是20002500cm2。施加荷载的方法,视岩体结构和工程实际使用的情况而定。当岩体比较完整时,采用分级加荷,每级荷载作一次加荷、卸荷过程,叫逐级一次循
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