岩体的力学性质.pptx

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1、会计学1岩体的力学性质岩体的力学性质2一、岩体变形试验及其变形参数确定一、岩体变形试验及其变形参数确定一、岩体变形试验及其变形参数确定一、岩体变形试验及其变形参数确定承压板法狭缝法钻孔变形法水压洞室法单(双)轴压缩试验法声波法地震波法原位岩体变形试验静力法动力法第1页/共60页3n n静力法基本原理：在选定的岩体表面、槽壁或钻孔壁面上施加法向荷载，并测定其岩体的变形值；然后绘制出压力-变形关系曲线，计算出岩体的变形参数。n n动力法基本原理：用人工方法对岩体发射(或激发)弹性波(声波或地震波)，并测定其在岩体中的传播速度，然后根据波动理论求岩体的变形参数。第2页/共60页41 1、承压板法、承

2、压板法、承压板法、承压板法 刚性承压板法柔性承压板法第3页/共60页5是与承压板形状与刚度有关的系数。圆形板0.785；方形板0.886 第4页/共60页62 2、钻孔变形法、钻孔变形法、钻孔变形法、钻孔变形法 优点：优点：对岩体扰动小；可在地下水位下和较深部位进行；试验方向不受限制，压力可很大；一次试验可同时量测几个方向变形，便于研究岩体的各向异性。缺点：缺点：岩体体积小，代表性受到局限。第5页/共60页73 3、狭缝法、狭缝法、狭缝法、狭缝法 第6页/共60页8常常常常见见见见岩岩岩岩体体体体的的的的弹弹弹弹性性性性模模模模量量量量和和和和变变变变形形形形模模模模量量量量第7页/共60页9

3、几种岩体用不同试验方法测定的弹性模量几种岩体用不同试验方法测定的弹性模量几种岩体用不同试验方法测定的弹性模量几种岩体用不同试验方法测定的弹性模量变形模量变形模量岩体比岩块小，受结构面发育程度及风化程岩体比岩块小，受结构面发育程度及风化程度等影响较明显。度等影响较明显。不同地质条件下同一岩体，不同地质条件下同一岩体，变形模量相差较大变形模量相差较大。试验试验方法方法、压力大小不同，岩体、压力大小不同，岩体变形模量变形模量不同。不同。第8页/共60页10二、岩体变形参数估算二、岩体变形参数估算二、岩体变形参数估算二、岩体变形参数估算n n一，现场地质调查基础上，建立适当岩体地质力学模型，利用室内小

4、试件试验资料来估算。n n二，在岩体质量评价和大量试验资料基础上，建立岩体分类指标与变形参数之间的经验关系，并用于变形参数估算。第9页/共60页111 1、层状岩体变形参数估算、层状岩体变形参数估算、层状岩体变形参数估算、层状岩体变形参数估算 地质力学模型地质力学模型地质力学模型地质力学模型n n假设各岩层假设各岩层厚度相等厚度相等=S=S，性质相同。，性质相同。n n层面层面张开度可忽略不计张开度可忽略不计n n假设岩块变形参数：假设岩块变形参数：E E，和和GG，层面变形参数：，层面变形参数：KnKn，KsKs。n n取取n-tn-t坐标系坐标系，n n垂直层面，垂直层面，t t平行层面。

5、平行层面。n n由由岩块和层面岩块和层面组成单元体。组成单元体。第10页/共60页12（1 1 1 1）法向应力）法向应力）法向应力）法向应力n n n n作用下的岩体变形参数作用下的岩体变形参数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加荷加荷 2)沿t加荷第11页/共60页13(2)(2)(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 第12页/共60页142 2、裂隙岩体变形参数的估算、裂隙岩体变形参数的估算、裂隙岩体变形参数的估算、裂隙岩体变形参数的估算（1）用）用RMR值估算岩体变形值估算岩体变形

6、模量模量（2）用）用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第13页/共60页15三、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、法向变形曲、法向变形曲线线n n直线型 n n上凹型 n n上凸型 n n复合型 第14页/共60页16直直直直线线线线型型型型n n过原点，过原点，p pf(W)f(W)KWKWn n加压过程中，加压过程中，WW随随p p成正比增加成正比增加n n岩体岩体岩性均匀岩性均匀、结构面不发育结构面不发育或结构面或结构面分布均分布均匀匀岩体刚度大，不易变形，岩体较坚硬、完整、致

7、密均匀、少裂隙，以弹性变形为主，接近于均质弹性体。岩体刚度低、易变形由多组结构面切割且分布较均匀；岩性较软弱且均质或平行层面加压。有明显塑性变形和回滞环，非弹性变形。陡直线型缓直线型第15页/共60页17上上上上凹凹凹凹型型型型pf(W)，dp/dW随p增大而递增，dp/dW0层状及节理岩体岩体刚度随循环次数增加而增大，弹性变形成分大。垂直层面加压的较坚硬层状岩体。卸压曲线较陡，变形多为塑性变形。软弱夹层的层状岩体及裂隙岩体或垂直层面加压的层状岩体。第二种情况第一种情况第16页/共60页18上上上上凸凸凸凸型型型型pf(W)，dp/dW随p增加而递减，d2p/dW20结构面发育且有泥质充填的岩

8、体、较深处埋藏有软弱夹层或岩性软弱的岩体复合型p-W曲线呈阶梯或“S”型。结构面发育不均或岩性不均匀的岩体第17页/共60页192 2、剪切变形曲线、剪切变形曲线、剪切变形曲线、剪切变形曲线n n峰值前：峰值前：平均斜率平均斜率小，小，破坏位移破坏位移大；峰值后：应力降大；峰值后：应力降很小或不变。多为沿软弱结构面剪切。很小或不变。多为沿软弱结构面剪切。n n峰值前：峰值前：平均斜率平均斜率较大，峰值强度较高。峰值后：较大，峰值强度较高。峰值后：应应力降较大力降较大。多为沿粗糙结构面、软弱岩体及剧风化岩。多为沿粗糙结构面、软弱岩体及剧风化岩体剪切。体剪切。n n峰值前：峰值前：斜率斜率大，线性

9、段和非线性段明显，大，线性段和非线性段明显，峰值强度峰值强度高，破坏位移小。峰值后：应力降低，残余强度较低。高，破坏位移小。峰值后：应力降低，残余强度较低。多为多为剪断坚硬岩体剪断坚硬岩体。第18页/共60页20 四、影响岩体变形性质的因素四、影响岩体变形性质的因素四、影响岩体变形性质的因素四、影响岩体变形性质的因素 影影响响因因素素：岩岩性性、结结构构面面特特征征、风风化化程程度度、试试验验方方法法、试试件件尺尺寸寸、加加荷荷条条件件、温温度度、湿湿度等。度等。n n结构面密度n n结构面的张开度及充填特征第19页/共60页21结构面方位结构面方位结构面方位结构面方位第20页/共60页22第

10、四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质n n4.1 岩体的变形性质岩体的变形性质 n n4.2 岩体的强度性质岩体的强度性质n n4.3 岩岩体体的的动动力力学学性性质质（自学）（自学）n n4.4 岩岩体体的的水水力力学学性性质质（自学）（自学）第21页/共60页234.2 岩体的强度性质岩体的强度性质一、岩体的剪切强度 二、裂隙岩体的压缩强度 三、裂隙岩体强度的经验估算岩岩体体强强度度：岩岩体体抵抵抗抗外外力力破破坏坏的的能能力力。岩体强度不同于岩块的强度和结构面的强度，一般，其强度介于二者之间。岩体和岩块一样，岩体强度也有抗压强度、抗拉强度和剪切强度之分。第22页/共60页24一、岩体

11、的剪切强度一、岩体的剪切强度一、岩体的剪切强度一、岩体的剪切强度 n n剪切强度：岩体内任一方向剪切面，在法向应力作用下所能抵抗的最大剪应力。n n剪切强度分为抗剪断强度、抗剪强度和抗切强度。n n抗剪断强度：任一法向应力下，横切结构面剪切破坏时岩体能抵抗的最大剪应力。n n抗剪强度是：任一法向应力下，岩体沿已有破裂面剪切破坏时的最大应力。n n抗切强度：剪切面上的法向应力=0时的抗剪断强度。第23页/共60页251 1、原位岩体剪切试验及其强度参数确定、原位岩体剪切试验及其强度参数确定、原位岩体剪切试验及其强度参数确定、原位岩体剪切试验及其强度参数确定双千斤顶法直剪试验第24页/共60页26

12、第25页/共60页27n n-u曲线及-法向变形(W)曲线。n n剪切强度曲线及剪切强度参数Cm，m值 第26页/共60页28各各各各类类类类岩岩岩岩体体体体的的的的剪剪剪剪切切切切强强强强度度度度参参参参数数数数表表表表：岩体：岩体 岩块岩块；C C：岩体：岩体 静弹性模量静弹性模量 n n坚硬完整岩体坚硬完整岩体E Ed d/E/Ememe 1.21.22.02.0n n风风化化、裂裂隙隙发发育育的的岩岩体体和和软软弱弱岩岩体体E Ed d/E/Ememe 1.51.510.010.0，大者，大者 20.020.0 n n原因：原因：静静力力法法采采用用的的最最大大应应力力 1.01.01

13、0.0MPa10.0MPa，少少数数则则更更大大，变变形形量量以以mmmm计计，而而动动力力法法的的作作用用应应力力 10104 4MPaMPa量量级级，引引起起的的变变形形量量很很微微小小。因因此此静静力力法法会会测测得得较较大大的的不不可可逆逆变变形形，而而动动力力法法则则测测不不到到这种变形。这种变形。静力法持续的时间较长。静力法持续的时间较长。静力法扰动了岩体的天然结构和应力状态。静力法扰动了岩体的天然结构和应力状态。动弹性模量与静弹性模量的关系动弹性模量与静弹性模量的关系动弹性模量与静弹性模量的关系动弹性模量与静弹性模量的关系第45页/共60页47用动弹性模量换算静弹性模量用动弹性模

14、量换算静弹性模量用动弹性模量换算静弹性模量用动弹性模量换算静弹性模量 利用岩块与岩体的纵波速度计算岩体完整性系数Kv第46页/共60页482 2、动力强度参数、动力强度参数、动力强度参数、动力强度参数 n n静态加载、准静态加载：应变率104s-1 动态加载下岩石的强度比静态加载时的强度高。冲击荷载下岩石的动抗压强度静抗压强度的1.22.0倍。原因：时间效应，加载速率缓慢，岩石中的塑性变形得以充分发展，反映出强度较低；反之，在动态加载下，塑性变形来不及发展，则反映出较高的强度。特别是在爆破等冲击荷载作用下，岩体强度提高尤为明显。第47页/共60页49岩石在不同荷载速率下的强度值岩石在不同荷载速

15、率下的强度值岩石在不同荷载速率下的强度值岩石在不同荷载速率下的强度值利用岩块与岩体的纵波速度计算岩体强度第48页/共60页504.4 岩体的水力学性岩体的水力学性质质n n玛 尔 帕 塞 拱 坝 溃 坝岩体与水共同作用所表现出来的力学性质。水在岩体中的作用：1.水对岩石的物理化学作用；2.水与岩体（或应力）相互耦合作用下的力学效应。第49页/共60页51一、单个结构面的水力特征一、单个结构面的水力特征 二、裂隙岩体的水力特征二、裂隙岩体的水力特征 三、应力对岩体渗透性能的影响三、应力对岩体渗透性能的影响四、渗流应力四、渗流应力研究模型：1.用等效连续介质模型研究，认为裂隙岩体是由空隙性差而导水

16、性强的结构面系统和导水性弱的岩块孔隙系统构成的双重连续介质；2.把岩体看成为单纯的按几何规律分布的裂隙介质，用裂隙水力学参数或几何参数来表征裂隙岩体的渗透空间结构。第50页/共60页52一、单个结构面的水力特征一、单个结构面的水力特征一、单个结构面的水力特征一、单个结构面的水力特征1 1、平直光滑无充填贯通结构面、平直光滑无充填贯通结构面、平直光滑无充填贯通结构面、平直光滑无充填贯通结构面 假设如图，有微分方程牛顿粘滞定律平均流速边界条件第51页/共60页532 2、非平直光滑无充填贯通结构面、非平直光滑无充填贯通结构面、非平直光滑无充填贯通结构面、非平直光滑无充填贯通结构面 K2：结构面的面

17、连续性系数C：结构面的相对粗糙修正系数 H：结构面起伏差 ：水的运动粘滞系数（cm2/s），第52页/共60页54二、裂隙岩体的水力特征二、裂隙岩体的水力特征二、裂隙岩体的水力特征二、裂隙岩体的水力特征1、含一组结构面、含一组结构面岩体的渗透性岩体的渗透性能能 n n设结构面张开度设结构面张开度e e，间距，间距为为S S，渗透系数为，渗透系数为K Kf f；岩；岩块的渗透系数为块的渗透系数为K Kmm。第53页/共60页552 2、含多组结构面岩体的渗透性能、含多组结构面岩体的渗透性能、含多组结构面岩体的渗透性能、含多组结构面岩体的渗透性能 n n根据结构面发育的随机性，借助计算机搜索根据结

18、构面发育的随机性，借助计算机搜索出一定范围内的连通结构面网络图，在此基出一定范围内的连通结构面网络图，在此基础上，进一步计算岩体的渗透张量。础上，进一步计算岩体的渗透张量。第54页/共60页563 3、岩体渗透系数的测试、岩体渗透系数的测试、岩体渗透系数的测试、岩体渗透系数的测试 n n抽水试验抽水试验 n n压水试验压水试验n n岩体单位吸水量岩体单位吸水量是指是指单位试验压力下、单单位试验压力下、单位长度试段在单位时位长度试段在单位时间内的岩体的吸水量。间内的岩体的吸水量。当试验段底与下部隔水层的距离大于试验段长度时，a=0.66,反之a=1.32第55页/共60页57透水率q的确定（吕荣

19、试验）透水率q单位吕荣（Lu）：当试段压力为1MPa时，每米试段的压入流量。吕荣试验的基本要点自上而下单栓塞分段压水，试段长5m，相邻试段互相衔接每试段按三级压力（p1p2p3）、五个阶段（p1-p2-p3-p2-p1）进行，p1=0.3MPa，p2=0.6MPa，p3=1.0MPa试验钻孔采用59150mm孔径第56页/共60页58岩体渗透性分岩体渗透性分级级渗透性等级标准岩体特征渗透系数(cm/s)透水率q（Lu）极微透水 010-600.1含张开度0.025mm裂隙的岩体微透水10-610-50.11含张开度0.0250.05mm裂隙弱透水10-510-4110含张开度0.050.1mm

20、裂隙中等透水 10-410-210100含张开度0.10.5mm裂隙强透水10-21100含张开度0.52.5mm裂隙极强透水 1含张开度2.5mm裂隙或连通孔洞第57页/共60页59三、应力对岩体渗透性能的影响三、应力对岩体渗透性能的影响三、应力对岩体渗透性能的影响三、应力对岩体渗透性能的影响n n岩体的渗透系数随岩体的渗透系数随应力增加而降低应力增加而降低。n n随随岩岩体体埋埋深深的的增增加加，结结构构面面的的密密度度和和张张开开度度相相应应减小，所以岩体的渗透性也随深度减小，所以岩体的渗透性也随深度增加而减小。增加而减小。n n人人类类工工程程活活动动对对岩岩体体渗渗透透性性有有很很大大影影响响，如如地地下下洞洞室室和和边边坡坡的的开开挖挖、水水库库的的修修建建等等，也也都都影影响响到到岩体的渗透性能。岩体的渗透性能。经验关系式经验关系式第58页/共60页60四、渗流应力四、渗流应力四、渗流应力四、渗流应力n n当岩体中存在着渗透水流时，位于地下水面当岩体中存在着渗透水流时，位于地下水面以下的岩体将受到渗流以下的岩体将受到渗流静水压力静水压力和和动水压力动水压力的作用，这两种渗流应力又称为的作用，这两种渗流应力又称为渗流体积力渗流体积力渗流体积力渗流体积力。第59页/共60页