4-2岩石力学与工程 岩体力学性质.ppt
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1、3/11/202314 岩体力学性质岩体力学性质 4.1概述概述一、一、一、一、岩体的特点岩体的特点岩体的特点岩体的特点 天然岩体是由各种结构面分割形成岩石块的组合体天然岩体是由各种结构面分割形成岩石块的组合体天然岩体是由各种结构面分割形成岩石块的组合体天然岩体是由各种结构面分割形成岩石块的组合体,它具有不连续性、不均质性和各向异性等特点。它具有不连续性、不均质性和各向异性等特点。它具有不连续性、不均质性和各向异性等特点。它具有不连续性、不均质性和各向异性等特点。二、结构面二、结构面二、结构面二、结构面 1.1.定义:不同成因、不同特征的地质界面的统称。定义:不同成因、不同特征的地质界面的统称
2、。定义:不同成因、不同特征的地质界面的统称。定义:不同成因、不同特征的地质界面的统称。2.2.特点:有一定方向、横向延展较大、厚度较小具有面特点:有一定方向、横向延展较大、厚度较小具有面特点:有一定方向、横向延展较大、厚度较小具有面特点:有一定方向、横向延展较大、厚度较小具有面的几何特征。它的变形机理是两盘闭合或滑移,在破的几何特征。它的变形机理是两盘闭合或滑移,在破的几何特征。它的变形机理是两盘闭合或滑移,在破的几何特征。它的变形机理是两盘闭合或滑移,在破坏上,或是沿着结构面滑移,或是沿着它追踪开裂。坏上,或是沿着结构面滑移,或是沿着它追踪开裂。坏上,或是沿着结构面滑移,或是沿着它追踪开裂。
3、坏上,或是沿着结构面滑移,或是沿着它追踪开裂。三、结构体三、结构体 由结构面彼此组合将岩体切割而成形态不一,由结构面彼此组合将岩体切割而成形态不一,大小不等和成分各异的岩石块体。大小不等和成分各异的岩石块体。四、岩体结构单元或要素四、岩体结构单元或要素3/11/20232五、岩体结构五、岩体结构 不同类型的岩体结构单元在岩体中的各种组合、不同类型的岩体结构单元在岩体中的各种组合、不同类型的岩体结构单元在岩体中的各种组合、不同类型的岩体结构单元在岩体中的各种组合、排列形式的总称。排列形式的总称。排列形式的总称。排列形式的总称。六、岩体力学性质六、岩体力学性质 是岩体抵抗外力作用的能力,它包括是岩
4、体抵抗外力作用的能力,它包括是岩体抵抗外力作用的能力,它包括是岩体抵抗外力作用的能力,它包括岩体稳定岩体稳定岩体稳定岩体稳定性特征、强度特征和变性特征性特征、强度特征和变性特征性特征、强度特征和变性特征性特征、强度特征和变性特征,它是由组成岩,它是由组成岩,它是由组成岩,它是由组成岩体的结构体、结构面、赋存条件决定的。体的结构体、结构面、赋存条件决定的。体的结构体、结构面、赋存条件决定的。体的结构体、结构面、赋存条件决定的。3/11/20233七、影响岩体力学性质的基本因素七、影响岩体力学性质的基本因素七、影响岩体力学性质的基本因素七、影响岩体力学性质的基本因素3/11/202343/11/2
5、02354.2岩体结构面特征及类型岩体结构面特征及类型 一、岩体结构面类型一、岩体结构面类型1.1.按结构面成因分类按结构面成因分类按结构面成因分类按结构面成因分类2.按结构面切割程度或结构体类型分类按结构面切割程度或结构体类型分类3/11/20236二、岩体结构类型二、岩体结构类型二、岩体结构类型二、岩体结构类型 级序结构类型划分依据亚类划分依据1块裂结构多数软弱结构面切割,块状结构体块状块裂结构原生岩体结构呈块状层状块裂结构原生岩体结构呈层状2板裂结构一组软弱结构面切割,板状结构体块状板裂结构原生岩体结构呈块状层状板裂结构原生岩体结构呈层状1完整结构无明显结构面切割块状完整结构原生岩体结构
6、呈块状板状完整结构原生岩体结构呈层状2断续结构显结构面断续切割块状断续结构原生岩体结构呈块状层状断续结构原生岩体结构呈层状3碎裂结构坚硬结构面贯通切割,结构体为块状块状碎裂结构原生岩体结构呈块状层状碎裂结构原生岩体结构呈层状过度型散体结构软硬结构面混杂、无序排列切割碎屑状散体结构原生岩体结构特征已消失糜棱化散体结构原生岩体结构特征已消失3/11/20237三、各类结构的地质特征三、各类结构的地质特征三、各类结构的地质特征三、各类结构的地质特征3/11/20238四、结构面对岩体强度的影响四、结构面对岩体强度的影响四、结构面对岩体强度的影响四、结构面对岩体强度的影响 结构面是通过结构面的产状、形
7、态、延展尺度结构面是通过结构面的产状、形态、延展尺度结构面是通过结构面的产状、形态、延展尺度结构面是通过结构面的产状、形态、延展尺度等几何特征参数和密集度与充填物等状态,来等几何特征参数和密集度与充填物等状态,来等几何特征参数和密集度与充填物等状态,来等几何特征参数和密集度与充填物等状态,来描述对岩体强度和工程稳定性影响的。描述对岩体强度和工程稳定性影响的。描述对岩体强度和工程稳定性影响的。描述对岩体强度和工程稳定性影响的。1.结构面的产状对岩体是否沿某一结构面滑动结构面的产状对岩体是否沿某一结构面滑动起控制作用。起控制作用。2.结构面形态决定结构面抗滑力的大小,当结结构面形态决定结构面抗滑力
8、的大小,当结构面的粗糙度越高,其抗滑力就越大。构面的粗糙度越高,其抗滑力就越大。3.结构面的延展尺度在工程岩体范围内,延展结构面的延展尺度在工程岩体范围内,延展尺度大的结构面,完全控制了岩体的强度。尺度大的结构面,完全控制了岩体的强度。3/11/202393/11/202310三、岩体破碎程度的指标三、岩体破碎程度的指标三、岩体破碎程度的指标三、岩体破碎程度的指标(补充补充补充补充)1.裂隙度裂隙度(1)定义定义 裂隙度裂隙度K是指沿着取样线方向,单位长度上节理是指沿着取样线方向,单位长度上节理的数量。的数量。(2)计算计算1)设某节理取样线长度为设某节理取样线长度为L,沿,沿L内出现节理的数
9、量内出现节理的数量为为n,则,则 2)沿取样方向节理的平均间距)沿取样方向节理的平均间距d为为3/11/2023112.2.切割度切割度切割度切割度(1 1)切割切割切割切割度度度度是指岩体被节理割裂、分离的程度。是指岩体被节理割裂、分离的程度。是指岩体被节理割裂、分离的程度。是指岩体被节理割裂、分离的程度。(2 2)计算计算计算计算1 1)仅含一个节理面的平直断面,节理面面积)仅含一个节理面的平直断面,节理面面积)仅含一个节理面的平直断面,节理面面积)仅含一个节理面的平直断面,节理面面积 ,平,平,平,平直断面面积直断面面积直断面面积直断面面积A A,其,其,其,其切割切割切割切割度度度度
10、为为为为2 2)当岩体被完全切割时,)当岩体被完全切割时,)当岩体被完全切割时,)当岩体被完全切割时,;未被切割时,;未被切割时,;未被切割时,;未被切割时,;可见,当;可见,当;可见,当;可见,当 时,岩体是部分被切割时,岩体是部分被切割时,岩体是部分被切割时,岩体是部分被切割3 3)若在同一平直断面出现面积为若在同一平直断面出现面积为若在同一平直断面出现面积为若在同一平直断面出现面积为 的几个的几个的几个的几个节理面,则切割节理面,则切割节理面,则切割节理面,则切割度度度度 为为为为4.3 结构面的力学性质结构面的力学性质 结构面的力学性质主要包括三个方面:结构面的力学性质主要包括三个方面
11、:结构面的力学性质主要包括三个方面:结构面的力学性质主要包括三个方面:法向变法向变法向变法向变形形形形、剪切变形剪切变形剪切变形剪切变形和和和和抗剪强度抗剪强度抗剪强度抗剪强度。4.3.1 4.3.1 法向变形法向变形法向变形法向变形1.1.在法向载荷作用下,岩石粗糙结构面的接触在法向载荷作用下,岩石粗糙结构面的接触在法向载荷作用下,岩石粗糙结构面的接触在法向载荷作用下,岩石粗糙结构面的接触面积和接触点数随载荷增大而增加,结构面面积和接触点数随载荷增大而增加,结构面面积和接触点数随载荷增大而增加,结构面面积和接触点数随载荷增大而增加,结构面间隙呈非线性减小,应力与法向变形之间呈间隙呈非线性减小
12、,应力与法向变形之间呈间隙呈非线性减小,应力与法向变形之间呈间隙呈非线性减小,应力与法向变形之间呈指数关系,如图指数关系,如图指数关系,如图指数关系,如图4-94-9所示。所示。所示。所示。3/11/2023123/11/2023132.2.古德曼法,法向应力古德曼法,法向应力古德曼法,法向应力古德曼法,法向应力 与结构面闭合量与结构面闭合量与结构面闭合量与结构面闭合量 的的的的关系:关系:关系:关系:式中:式中:式中:式中:为原始压力;为原始压力;为原始压力;为原始压力;为最大可能闭合量;为最大可能闭合量;为最大可能闭合量;为最大可能闭合量;是与结构面几何特征、岩块力学性质是与结构面几何特征
13、、岩块力学性质是与结构面几何特征、岩块力学性质是与结构面几何特征、岩块力学性质有关的两个参数;有关的两个参数;有关的两个参数;有关的两个参数;(4-2)3/11/202314图图图图4-9 4-9 结构面法向变形曲线结构面法向变形曲线结构面法向变形曲线结构面法向变形曲线3/11/2023153.法向变形刚度法向变形刚度 (1 1)反映结构面产生单位法向变形的法向应反映结构面产生单位法向变形的法向应反映结构面产生单位法向变形的法向应反映结构面产生单位法向变形的法向应力梯度。力梯度。力梯度。力梯度。(2 2)法向变形刚度的古德曼法表示式:法向变形刚度的古德曼法表示式:法向变形刚度的古德曼法表示式:
14、法向变形刚度的古德曼法表示式:式中:式中:式中:式中:结构面的初始刚度。结构面的初始刚度。结构面的初始刚度。结构面的初始刚度。(3 3)其大小主要取决于粗糙结构面接触点数、其大小主要取决于粗糙结构面接触点数、其大小主要取决于粗糙结构面接触点数、其大小主要取决于粗糙结构面接触点数、接触面积和结构面两侧微凸体相互啮合程度。接触面积和结构面两侧微凸体相互啮合程度。接触面积和结构面两侧微凸体相互啮合程度。接触面积和结构面两侧微凸体相互啮合程度。(4-3)4.1984年,班迪斯提出双曲线形关系式年,班迪斯提出双曲线形关系式法向应力:法向应力:法向刚度:法向刚度:(4-4)(4-5)3/11/202317
15、4.3.2 剪切变形剪切变形1.1.剪切变形形式剪切变形形式剪切变形形式剪切变形形式(1 1)非充填型粗糙结构面剪切变形非充填型粗糙结构面剪切变形非充填型粗糙结构面剪切变形非充填型粗糙结构面剪切变形 剪切应力上升相对较快,达到峰值后结构面的抗剪切应力上升相对较快,达到峰值后结构面的抗剪切应力上升相对较快,达到峰值后结构面的抗剪切应力上升相对较快,达到峰值后结构面的抗剪能力出现较大的下降,并产生不规则的峰后变剪能力出现较大的下降,并产生不规则的峰后变剪能力出现较大的下降,并产生不规则的峰后变剪能力出现较大的下降,并产生不规则的峰后变形或滞滑现象,如图形或滞滑现象,如图形或滞滑现象,如图形或滞滑现
16、象,如图4-10b4-10b的的的的A A曲线;曲线;曲线;曲线;(2 2)平坦(或有充填物)的结构面剪切变形平坦(或有充填物)的结构面剪切变形平坦(或有充填物)的结构面剪切变形平坦(或有充填物)的结构面剪切变形 初始阶段的剪切变形曲线呈下凹型,随着剪切变初始阶段的剪切变形曲线呈下凹型,随着剪切变初始阶段的剪切变形曲线呈下凹型,随着剪切变初始阶段的剪切变形曲线呈下凹型,随着剪切变形的持续发展,剪切应力逐渐上升,但没有明显形的持续发展,剪切应力逐渐上升,但没有明显形的持续发展,剪切应力逐渐上升,但没有明显形的持续发展,剪切应力逐渐上升,但没有明显的峰值出现,最终达到恒定值,其曲线如图的峰值出现,
17、最终达到恒定值,其曲线如图的峰值出现,最终达到恒定值,其曲线如图的峰值出现,最终达到恒定值,其曲线如图4-4-10b10b的的的的B B所示。所示。所示。所示。3/11/202318图图图图4-10 4-10 结构面剪切变形曲线结构面剪切变形曲线结构面剪切变形曲线结构面剪切变形曲线2.古德曼将剪切变形曲线从形式上分为:古德曼将剪切变形曲线从形式上分为:1)峰前应力上升的弹性区;)峰前应力上升的弹性区;2)剪应力峰值区;)剪应力峰值区;3)峰后应力降低或恒应力的塑性区。)峰后应力降低或恒应力的塑性区。3.结构面在剪切中的力学过程结构面在剪切中的力学过程 结构面微凸体的弹性变形、劈裂、磨粒的产结构
18、面微凸体的弹性变形、劈裂、磨粒的产生与迁移、结构面的相对错动等,但是剪切生与迁移、结构面的相对错动等,但是剪切变形不管在那个过程中,剪切变形是不可完变形不管在那个过程中,剪切变形是不可完全恢复的。全恢复的。3/11/2023193/11/2023204.剪切刚度剪切刚度 将将“弹性区弹性区”单位变形内的应力梯度称为剪单位变形内的应力梯度称为剪切刚度切刚度Kt。5.古德曼法,剪切刚度古德曼法,剪切刚度 可以由下式表示:可以由下式表示:式中,式中,是初始剪切刚度,是初始剪切刚度,是产生最大剪是产生最大剪切位移时的剪应力渐进值。切位移时的剪应力渐进值。(4-6)3/11/2023216.6.从下图模
19、型可以看出,结构面的剪切变形与岩从下图模型可以看出,结构面的剪切变形与岩从下图模型可以看出,结构面的剪切变形与岩从下图模型可以看出,结构面的剪切变形与岩石强度、结构面粗糙性和法向力有密切关。石强度、结构面粗糙性和法向力有密切关。石强度、结构面粗糙性和法向力有密切关。石强度、结构面粗糙性和法向力有密切关。图图图图4-11 4-11 结构面剪切力学模型结构面剪切力学模型结构面剪切力学模型结构面剪切力学模型7.7.剪胀剪胀剪胀剪胀 对于粗糙的结构面,在剪应力作用下,结构面对于粗糙的结构面,在剪应力作用下,结构面对于粗糙的结构面,在剪应力作用下,结构面对于粗糙的结构面,在剪应力作用下,结构面上半部沿凸
20、台斜面向上滑动,产生法向移动分上半部沿凸台斜面向上滑动,产生法向移动分上半部沿凸台斜面向上滑动,产生法向移动分上半部沿凸台斜面向上滑动,产生法向移动分量称之为剪胀。量称之为剪胀。量称之为剪胀。量称之为剪胀。3/11/2023224.3.3 抗剪强度抗剪强度1.结构面抗剪强度一般可以用库仑公式描述:结构面抗剪强度一般可以用库仑公式描述:式中式中 分别是结构面上的粘结力和摩擦角,分别是结构面上的粘结力和摩擦角,是岩石平坦表面基本摩擦角,是岩石平坦表面基本摩擦角,是结构面上凸台斜坡角。是结构面上凸台斜坡角。是作用在结构面上的法向应力。是作用在结构面上的法向应力。(4-7)2.2.实验表明,低法向应力
21、时,结构面上有剪实验表明,低法向应力时,结构面上有剪实验表明,低法向应力时,结构面上有剪实验表明,低法向应力时,结构面上有剪切位移和剪胀;高法向应力时,凸台被剪切位移和剪胀;高法向应力时,凸台被剪切位移和剪胀;高法向应力时,凸台被剪切位移和剪胀;高法向应力时,凸台被剪断,结构面抗剪强度最终变成残余抗剪强断,结构面抗剪强度最终变成残余抗剪强断,结构面抗剪强度最终变成残余抗剪强断,结构面抗剪强度最终变成残余抗剪强度。在剪切过程中,凸台起伏形成的粗糙度。在剪切过程中,凸台起伏形成的粗糙度。在剪切过程中,凸台起伏形成的粗糙度。在剪切过程中,凸台起伏形成的粗糙度以及岩石强度对结构面的抗剪强度起着度以及岩
22、石强度对结构面的抗剪强度起着度以及岩石强度对结构面的抗剪强度起着度以及岩石强度对结构面的抗剪强度起着重要作用。重要作用。重要作用。重要作用。3/11/2023233/11/202324图图图图4-12 4-12 凸台模型的剪应力与法向应力的关系曲线凸台模型的剪应力与法向应力的关系曲线凸台模型的剪应力与法向应力的关系曲线凸台模型的剪应力与法向应力的关系曲线3/11/2023253.巴顿准则1 1)考虑法向力、粗糙度和结构面壁岩石强度三因素)考虑法向力、粗糙度和结构面壁岩石强度三因素的影响,巴顿提出了抗剪强度准则,该准则为一经的影响,巴顿提出了抗剪强度准则,该准则为一经验公式:验公式:式中,式中,
23、是结构面的抗压强度,是结构面的抗压强度,是岩石表面的基是岩石表面的基本摩擦角,本摩擦角,为结构面粗糙性系数。为结构面粗糙性系数。2 2)当)当 ,上式变为:,上式变为:即转化成平滑节理(无黏结力)的库仑准则。即转化成平滑节理(无黏结力)的库仑准则。(4-8)3/11/2023264.3.4 影响结构面力学性质的因素影响结构面力学性质的因素1.尺寸效应因素尺寸效应因素(1 1)随着试块结构面面积增加,平均峰值随着试块结构面面积增加,平均峰值随着试块结构面面积增加,平均峰值随着试块结构面面积增加,平均峰值剪切应力呈较小趋势;剪切应力呈较小趋势;剪切应力呈较小趋势;剪切应力呈较小趋势;(2 2)随着
24、结构面尺寸的增大,达到峰值强随着结构面尺寸的增大,达到峰值强随着结构面尺寸的增大,达到峰值强随着结构面尺寸的增大,达到峰值强度时的位移量增大;度时的位移量增大;度时的位移量增大;度时的位移量增大;(3 3)由于尺寸的增加,剪切破坏形式由脆由于尺寸的增加,剪切破坏形式由脆由于尺寸的增加,剪切破坏形式由脆由于尺寸的增加,剪切破坏形式由脆性破坏向延性破坏转化;性破坏向延性破坏转化;性破坏向延性破坏转化;性破坏向延性破坏转化;(4 4)随着结构面尺寸的增大,峰值剪胀角)随着结构面尺寸的增大,峰值剪胀角)随着结构面尺寸的增大,峰值剪胀角)随着结构面尺寸的增大,峰值剪胀角减小减小减小减小.2.变形历史因素
25、变形历史因素 新鲜结构面的抗剪强度明显高于受过剪新鲜结构面的抗剪强度明显高于受过剪切作用的结构面的抗剪强度。切作用的结构面的抗剪强度。3.充填性质因素充填性质因素(1)充填物的厚度;充填物的厚度;(2)颗粒大小与级配;颗粒大小与级配;(3)矿物组分和含水程度。矿物组分和含水程度。4.含水性因素含水性因素3/11/2023273/11/2023284.4 岩体的力学性质岩体的力学性质4.4.1 4.4.1 岩体变形曲线及其特征岩体变形曲线及其特征岩体变形曲线及其特征岩体变形曲线及其特征一、岩体压缩变形曲线一、岩体压缩变形曲线一、岩体压缩变形曲线一、岩体压缩变形曲线图图4-13 岩体压缩岩体压缩变
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