CH2第二章巖石力學.ppt

第二章 巖體力學性質(zhì)與巖體分類,2.1 巖體的特點,前一章討論了巖石的力學性質(zhì)。有關結果都是由巖石試塊在實驗室試驗所獲得的。 室內(nèi)試驗的結果能否反映現(xiàn)實工程中材料的力學性質(zhì)？在機械行業(yè)中，回答是肯定的。 巖石工程中呢？奧地利巖石力學專家Mller的例子：花崗巖，室內(nèi)試驗的巖石抗壓強度為250MPa;根據(jù)邊坡破壞情況反推的現(xiàn)場巖石的抗壓強度：1.25MPa。 因此：室內(nèi)試驗的結果不能代表現(xiàn)場的工程巖石。,為什么相差如此之大？是偶然還是普遍情形？,回答：普遍。尺寸較大的現(xiàn)場巖石，其強度通常都遠低于小塊巖石的強度。 原因何在？ 現(xiàn)場巖石中的斷層、層面、節(jié)理、裂隙等各種軟弱結構面，是造成巖石強度下降的主要原因。 室內(nèi)試驗的小試塊，只包含微裂隙，不會有斷層、節(jié)理存在，因此，強度相對較高。 工程現(xiàn)場的巖石，尺寸要大得多，節(jié)理、裂隙和斷層等都可能包含在其中。,結構面巖石節(jié)理,巖體,定義：由結構面和結構體組成的地質(zhì)體，是定義巖體不可缺一的兩個要素。 結構面：指巖體中存在著的各種不同成因和不同特性的地質(zhì)界面，包括物質(zhì)的分界面、不連續(xù)面，如節(jié)理、片理、斷層、不整合面等。 結構體：由結構面在巖體中切割而成的幾何體稱為結構體（巖石）。 要掌握巖體的力學特性，更重要的是掌握結構面的特性,一 結構面,結構面是在地球長期地質(zhì)歷史中形成的 ，成因復雜，其分類方法也有多種。按地質(zhì)成因的不同，可將結構面分為如下三類： 1. 原生結構面：在成巖過程中形成的結構面。又分為 (a) 沉積結構面。 如層理面。 (b) 火成結構面。如巖漿與其他巖體的接觸面。 (c) 變質(zhì)結構面。如片理。,1.1 結構面的分類,2. 構造結構面 指由地球構造活動所產(chǎn)生的結構面。包含：節(jié)理、劈理、斷層等。 3. 次生結構面 指在次生作用下形成的結構面。如風化裂隙、泥化夾層等。,1.2 結構面的幾何特征,結構面的存在，會使巖體的性質(zhì)發(fā)生很大變化，強度大大降低。然而，隨著結構面產(chǎn)狀、形態(tài)、延展尺度、規(guī)模大小、發(fā)育程度等因素的變化，巖體強度也會發(fā)生極大變化。 因此，在巖體工程中，通常需要對結構面的形態(tài)進行詳細的研究。,1、結構面的產(chǎn)狀,結構面在空間的分布狀態(tài)，通常用走向、傾向、傾角描述。 對巖體中的結構面而言，結構面與巖石工程之間的相互關系直接影響巖體的穩(wěn)定性。 (a) (b) (c) (d),2、結構面表面粗糙度的影響,粗糙度系數(shù)JRC；巴頓：粗糙度系數(shù)可分 10級(標準粗糙度剖面) 對右圖所示的露天礦邊坡， 對結構面表面光滑平整和 表面粗糙兩種情形，則顯 然，表面光滑時較容易發(fā) 生滑坡；表面粗糙時則邊 坡穩(wěn)定性顯著提高，不容 易發(fā)生滑坡。 因此，結構面表面的粗糙 度，對這類工程的穩(wěn)定性， 有顯著影響。 粗糙度大抗滑力大,3、結構面的延展尺度和規(guī)模,延展尺度： 主要指結構面本身的長度?？煞譃?細小延展尺度1米； 中等延展尺度 1米 10米； 巨大延展尺度10米. 貫通情況： 主要指結構面長度與巖石工程尺度之間的關系?？煞譃?非貫通 2. 半貫通 3. 貫通 結構面是否貫通，對巖石工程的穩(wěn)定性有很大影響。,4、結構面的密集度,結構面發(fā)育的密集程度，通常可以用兩個指標來衡量： 1.裂隙度 k 指單位長度上節(jié)理的條數(shù)； 2.切割度d巖體被結構面切割分離的程度，結構面面積與評價斷面面積之比。 統(tǒng)計結構面密集程度的方法詳細觀測線法。,（1）裂隙度K a.單組節(jié)理 設觀測線長度為 ，在 上出現(xiàn)的節(jié)理的個數(shù)為n， 則 節(jié)理之間的平均間距為,單組結構面 多組結構面,10m,實例：k=4/10=0.4/m d=1/k=2.5m,b.多組節(jié)理,d180cm 巖體為整體結構 d=30180cm 巖體為塊狀結構 d=6.530cm 巖體為碎裂結構 d6.5cm 極碎裂結構,（2）切割度,節(jié)理并非在巖體內(nèi)全部貫通，用“切割度”來描述節(jié)理貫通度，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：,5、結構面的充填物,結構面強度與有無充填物及充填物的性質(zhì)密切相關。,1.2 巖體結構的類型,巖體結構：指巖體中結構面和結構體的形態(tài)及組合特征。 按巖體被結構面分割的程度或結構體的形態(tài)特征，可將巖體結構劃分為以下幾種基本類型：,巖體結構,整體結構,層狀結構,塊狀結構,碎裂結構,散體結構,（1）整體結構,巖性單一，節(jié)理不發(fā)育，無軟弱結構面或夾泥，層面 結合良好，滲流對巖體特性影響不大，結構尺寸大于工程尺寸。 完整性系數(shù) 0.75 結構面間距 1.0 m 巖土工程特征：整體性強度高，巖體穩(wěn)定，可視為均質(zhì)、各向同性的連續(xù)介質(zhì)。,（2）塊狀結構,節(jié)理發(fā)育，有若干軟弱夾層或貫通微張裂隙將巖體切割成柱狀、塊狀或菱形等結構體。工程范圍內(nèi)，有兩組以上節(jié)理明顯發(fā)育，構成影響工程穩(wěn)定性的可能危險巖塊，其尺寸小于工程幾何尺寸。 完整性系數(shù) 0.350.75 結構面間距 0.51.0 m 巖土工程特征：整體性強度較高，結構面相互牽制，巖體基本穩(wěn)定，接近彈性各向同性體。,（3）層狀結構,由中厚（0.250.5 m）及薄層（0.25m）的均一、堅硬、軟弱或軟硬相間的沉積巖或沉積變質(zhì)巖形成的巖體。結構面以層理、片理、節(jié)理為主，往往有層間錯動，結構體呈板狀、片狀互相緊密疊合。 完整性系數(shù)：層狀 0.30.6; 薄層狀 0.4 結構面間距：層狀 0.30.5 m ；薄層狀 0.3 m 巖土工程特征：工程范圍內(nèi)，一組節(jié)理明顯發(fā)育，在層內(nèi)具有均一的地質(zhì)特征與力學特性，屬各向異性、層內(nèi)均質(zhì)的連續(xù)介質(zhì)。其變形和強度特征受層面及巖層組合控制，巖體穩(wěn)定性較差。,（4）碎裂結構,構造發(fā)育，各種結構面與斷裂交叉發(fā)育，且多為泥質(zhì)充填。巖體破碎，呈塊狀或片狀，局部裹有堅硬的大塊或條塊狀巖石，屬不均一的不連續(xù)介質(zhì)，穩(wěn)定性很差。,（5）散體結構,主要為各種劇烈風化或擠壓破碎的巖體或土體。結構面相當發(fā)育，呈網(wǎng)狀，巖體極度破碎，并混有斷層泥，呈松散堆積或壓密堆積。 完整性系數(shù)：0.2 巖土工程特征：穩(wěn)定性極差，巖體屬性接近松散體介質(zhì)。,二 結構面的強度,結構面對巖體強度的主要影響是，巖體容易沿著結構面發(fā)生剪切破壞，產(chǎn)生滑移。因此，對結構面，一般不做壓縮和拉伸強度試驗，而做直接剪切試驗。 1、平直結構面的抗剪強度 使用不同的試樣，施加 不同的正應力si，可以 得出不同的結構面抗剪 強度ti 。于是可計算出 結構面的抗剪強度Cj和fj。,對任一次剪切試驗，可繪出剪應力-剪切位移曲線：剪應力隨剪切位移的增加而增大，當剪應力達到峰值后，剪切位移突然增大，表明試件已破壞；此后，只需很小的剪應力便能使試件繼續(xù)產(chǎn)生切向位移，該剪應力稱為殘余抗剪強度。,峰值抗剪強度和殘余抗剪強度,大多數(shù)結構面，兩表面之間相互還有一定粘結力。因此，試驗所得結果，C值一般不為零。(等同于抗剪斷試驗)。 抗剪斷試驗以后，如果對這同一組試樣再做一次直剪試驗（抗摩擦試驗，即殘余抗剪強度），此時所得的C值等于零。,為殘余摩擦角，一般比峰值摩擦角 小。,2、粗糙結構面的抗剪強度 設結構面表面不平，并具有角度為i(粗糙角)的規(guī)則齒狀突起。于是，在直剪試驗中，在推力T的作用下，上半部分就會沿齒向上移動。 兩個概念： 剪脹：在沿斜面滑動時，將產(chǎn)生沿水平方向的切向位移u和垂直方向的法向位移v，導致整個巖塊體積膨脹(膨脹是由新增空隙所致)，這種體積膨脹現(xiàn)象稱為剪脹。 爬坡(爬坡角)：沿斜面的滑動現(xiàn)象稱為爬坡；粗糙角i又稱爬坡角。,2、粗糙結構面的抗剪強度 于是，作用在鋸齒上的正應力si和剪應力ti，可分別由下式計算： 在推力T達到極大值，試樣即將發(fā)生破壞的瞬間，正應力si和剪應力ti應該滿足下式：,即 或 整理，化簡，得 將此式與沒有齒狀突起的結構面的試驗結果相比較，可知，對于具有角度為i的齒的結構面，齒的效應是使結構面的內(nèi)摩擦角提高，提高的幅度就等于角度i。,以上結果是正應力較小 時候的情形。 當正應力較大時，則顯然，齒將被剪掉。此時的結果類似于沒有結構面的巖石試驗：摩擦角沒有提高，但出現(xiàn)凝聚力C（稱視凝聚力）。 此時的強度方程：,總結： 1. 結構面平直： 2. 結構面粗糙： 正應力較小時: （i也稱爬坡角） 正應力較大時（鋸齒被剪斷）：,三、結構面的力學效應,（1）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： 巖石的強度條件為：,考察應力改變時(以最大主應力不斷增大為考察條件)，是否會沿已知結構面發(fā)生破壞。,直線1是結構面強度曲線，直線2是巖石強度曲線 考察應力圓與直線1相切、相割時的含義。,可知：二者相割時代表在該組應力狀態(tài)下，巖體已經(jīng)沿著切線上方的部分結構面發(fā)生了破壞。因此，判斷巖體是否會沿著已知結構面破壞的條件是：,巖體強度取決于巖石強度，而與節(jié)理面的存在無關,或,巖體會首先沿著節(jié)理破壞，巖體強度取決于結構面強度,結論,三、結構面的力學效應,（2）巖體的破壞準則 設結構面的強度條件： 設節(jié)理的方向角為： 前已證明，單元體中任一面上的應力可表示為：,所以，巖體沿結構面破壞的強度準則為：,令 則 1)當 可見只有 上式才有意義，即巖體才有可能沿節(jié)理破壞 2)對 求一階導數(shù)，并令其為零得 此時節(jié)理面對巖體的強度削弱最大，巖體有最小強度,用圖解法亦可得該結論,（3）多節(jié)理的力學效應 （疊加）,兩組以上的節(jié)理同樣處理，分三種情況： A僅有一組節(jié)理符合 條件時，沿該節(jié)理破壞； B兩組節(jié)理最符合 時，考察 大小，沿應力圓直徑小的節(jié)理發(fā)生破壞； C如果都不符合 ，則巖體強度取決于巖石強度，不受節(jié)理存在的影響。,（4）當Cj=0時節(jié)理面的力學效應,這時庫侖準則 由強度準則公式推導可得：,該式的意義在哪？ 假如如圖所示的平硐沿巖層走向開挖，巖層傾角 ，由上覆巖層引起的垂直應力 ，節(jié)理面的內(nèi)聚力為0，內(nèi)摩擦角為40度，求維持巷道平衡所需的最小水平推力。,總結,當巖體中存在結構面時，強度是否會受到影響？ 莫爾圓：圓上一點，體上一面。方向相同， 夾角兩倍 因此，巖體是否會沿結構面破壞，取決于 代表結構面的點是否在結構面的強度曲線之上。,由莫爾圓和結構面強度曲線間的關系可知： (a) 當結構面的角度在b1和b2之間時，代表結構面的點位于結構面強度曲線之上。因此，巖體將沿結構面破壞； (b) 當結構面的角度小于b1或大于b2時，代表結構面的點位于結構面強度曲線之下。因此，巖體將不會沿結構面破壞。 因此，巖體是否會沿結構面破壞的判斷方法是： 當 時會， b2b 或 b b1 不會。,例題,巖體試件等圍壓三軸試驗， 已知某一節(jié)理面與最小主應力方向的夾角為45，且 結構面的 巖石的 在此應力狀態(tài)下，巖體是否會沿結構面破壞？若不會，則給出其破裂面的方向。,2.3巖體的強度 2.3.1 巖體的強度特征,巖體的強度取決于結構面的強度和巖石的強度。 （1）巖體的抗剪強度包絡線介于結構面強度包絡線和巖石強度包絡線之間。,（2）巖體強度的各向異性,巖體強度受加載方向與結構面夾角的控制，因此，表現(xiàn)出巖體強度的各向異性。,巖體中只有一組結構面：,(1).當1與結構面垂直，巖體強度與結構面無關，為巖石強度； (2).當450+j/2，巖體將沿結構面破壞，其強度為結構面強度； (3).當1與結構面平行，巖體將因結構面的橫向擴展而破壞。,巖體中有多組結構面：,巖體的強度圖像將為各單組結構面巖體強度圖像的疊加，如圖中陰影部分。如果結構面分布均勻、且強度大體相同時，則巖體表現(xiàn)出各向同性的特性，但強度卻大大削弱了。,當巖體中存在結構面時，結構面的方向?qū)r體強度有什么樣的影響？,情形(a)，對強度影響如何？ 無影響。 情形(b)，對強度影響如何？強度降低 。 情形(c)，若結構面方位與巖石破壞面方位一致。則對強度影響最大。,2.3.2 巖體強度測定,巖體抗壓強度的現(xiàn)場測定 需在擬測地點開鑿試驗平巷 試樣尺寸：斷面為正方形，邊長0.5 1.5米 主要困難： 試樣的制作,準巖體強度,完整性系數(shù)K：,定義：完整性系數(shù)(龜裂系數(shù))根據(jù)彈性波在巖體和該巖石試件中的傳播速度比，可判斷巖體中裂隙發(fā)育的程度，稱此比值的平方為完整性系數(shù) 式中：V巖體、 v巖石分別為彈性波在巖體和巖石中傳播的縱波速度。 準巖體抗壓強度: cm=Kc 準巖體抗拉強度: tm=Kt 式中：c 、t為巖石試件的單軸抗壓強度和單軸抗拉強度。,準巖體強度概念的提出現(xiàn)場實測的不經(jīng)濟性 理念結構面影響的重要性。,抗剪強度測定,與室內(nèi)直剪試驗類似。加載方向?qū)r體強度影響較大。 要求：每一種巖石，至少對5個試樣進行試驗，每個試樣采用不同的正壓力。最后得出巖體強度曲線,巖體抗剪強度現(xiàn)場測定,（1）雙千斤頂法,式中： 、試件剪切面上的正應力和剪應力； F試件剪切面面積； N法向力； Q斜向力； 橫向推力與剪切面的夾角，通常為150。,(2) 單千斤頂法,現(xiàn)場無法施加垂直荷載的情況下采用單千斤頂法。,現(xiàn)場三軸強度試驗,試件尺寸：2.8m1.4m2.8m,一般 h2a,矩形截面. 加壓裝置：千斤頂，液壓枕。,液壓枕,巖體強度的經(jīng)驗折減,2.4.1巖體的應力應變曲線 與巖石的全應力-應變曲線相似，但彈模、強度值會降低，泊松比提高。典型的巖體應力應變?nèi)^程曲線如下：,（1）裂隙壓密階段（OA）：曲線上凹 （2）彈性變形階段（AB）:呈直線 （3）塑性變形階段（BC）：曲線下凹 （4）破壞后階段（CD）： 殘余強度D 峰值強度C,2.4 巖體的變形,巖體變形曲線的基本形式,（1）直線型：堅硬、完整無裂隙巖體,（3）下凹型：節(jié)理裂隙發(fā)育，泥質(zhì)充填，巖性軟弱,（2）上凹型：堅硬但裂隙發(fā)育，多呈張開而無充填物,其它形式可看成是這三種形式的組合，如S型。,2.4.2 巖體的變形特性參數(shù),彈性模量、變形模量 變形模量反應是巖體的總剛度； 彈性模量只代表巖體彈性變形；,靜力法 1、表面承壓板法。又分剛性墊板法和柔性墊板法。承壓板方形或圓形，面積一般為0.51.2m2，加載力一般用50300t的千斤頂(P76圖2-29) 根據(jù)彈性力學，當半無限大彈性體表面某一部分受均勻壓應力的時候，壓縮載荷與位移有如下關系： 式中 W為位移；p為對巖體施加的載荷；D為承壓板直徑或邊長； 為與承壓板形狀和剛度有關的系數(shù)；E和m為巖體的模量和泊松比。,測定巖體變形特性的方法：,力的加載方式可分為：大循環(huán)法和小循環(huán)法。 采用何種加荷方式，可根據(jù)巖體結構和工程要求而定。 完整巖體：可采用大循環(huán)加荷方式，以確定巖體在不同荷載下的變形特性；,多裂隙巖體：可采用多循環(huán)或單循環(huán)加荷方式，以了解各種結構面對巖體變形的影響。,設墊板總變形（位移）量為W0,其中彈性變形量為We,塑性變形量為Wp,則巖體的變形指標：,式中：p受荷面單位面積上的壓力；D承壓板直徑或邊長;與承壓板形狀和剛度有關的系數(shù)，方形板為0.88，圓形板為0.79；巖體泊松比。,巖體變形模量：,巖體彈性模量：,2、鉆孔承壓板法,表面承壓板法測得的巖體變形模量偏低，這是由于工程巖體表面附近巖體大多發(fā)生了不同程度的松動。為了排除松動的影響，開始采用孔底承壓板法測定巖體變形模量。測定結果表明：孔底承壓板法測得的原位巖體變形參數(shù)比表面承壓板試驗測定值高很多，甚至高達10余倍。,式中：vp,vs縱波波速和橫波波速，為巖體密度。 一般而言：Ed Ee,動力法 考察動載荷作用下的彈性性質(zhì)。 巖體動彈性模量和動泊松比，根據(jù)彈性波在巖體中的傳播速度進行求解。 采用小量藥包爆炸激發(fā)地震波，在距震源一定距離設置檢波器，檢測彈性波。根據(jù)彈性波波速算出動彈性模量Ed和動泊松比d。,2.5 巖體的分類,巖體分類是對影響巖體穩(wěn)定性和影響工程設計、施工和維護的各種因素建立一些評價指標，對工程轄區(qū)巖體進行評價，劃分出不同的的級別或類別。 分類的目的：為巖體工程建設的勘察、設計、施工和編制定額提供必要的基本依據(jù)。 按分類目的，可分為綜合性和專題性兩種；按其所涉及的因素多少，可分為單因素分類法和多因素分類法兩種。,工程巖體分類的參考影響因素,1、巖石的強度。GB巖土工程勘察規(guī)范用飽和單軸抗壓強度進行巖石堅硬程度分類。 2、巖體的完整性。巖體完整性取決于不連續(xù)面的組數(shù)和密度?？捎媒Y構面頻率(裂隙度）、間距、巖心采取率、巖石質(zhì)量指標RQD以及完整性系數(shù)作為定量指標進行描述。這些定量指標是表征巖體工程性質(zhì)的重要參數(shù)。 3、結構面條件。包括結構面產(chǎn)狀、粗糙度和充填情況。巖體的工程性質(zhì)主要取決于結構面的性質(zhì)和分布狀態(tài)以及其間的充填物性質(zhì)。 4、巖體及結構面的風化程度。風化程度越高，巖體越破碎，強度越低 。 5、地下水的影響。滲流，軟化，膨脹，崩解，水壓力等。,2.5.1 單一指標分類法,1. 按強度分類 (普氏分類法) 用巖石單軸抗壓強度作為分類依據(jù)。在我國冶金礦山，長期使用普氏系數(shù)(f)分類法，至今仍然在沿用。,2. 按巖石(芯)質(zhì)量指標分類(RQD法) 根據(jù)鉆探時巖芯完好程度判斷。該法在設計時有用。因為設計階段往往資料不全，利用巖芯信息時必要的。 P92表2-6,1、 RMR分類法(南非科學工業(yè)研究會),類：80分，非常好的巖體； 類：61-80分，好巖體； 類：41-60分，一般巖體； 類：21-40分，不好的巖體； 類：20分，非常不好的巖體；,2.5.2 復合指標分類法,（1）巖塊強度(R1) （2）RQD值(R2) （3）節(jié)理間距(R3) （4）節(jié)理條件(R4) （5）地下水(R5) （6）節(jié)理方向?qū)こ痰挠绊懙男拚齾?shù)（R6）,R1,R2,R3,R4,R5,R6,該分類法已得到比較廣泛的應用。,如：不支護隧道的自穩(wěn)時間,巖體分級的意義 對巖體（圍巖）的好壞有個直觀定性的認識； 還可以為巖體參數(shù)的折減提供計算參數(shù)。,賓尼奧夫斯基（ Bieniawski，1976)在大量實測統(tǒng)計的基礎上，發(fā)現(xiàn)Q值與RMR值之間具有如下條件關系：,2、Q分類法,巴頓提出；Q分類法同樣考慮6個方面的因素，考慮的地質(zhì)因素較全面，而且把定性分析與定量評價結合起來了，軟硬巖均適用，在處理極軟弱的巖層中推薦采用此分類法。P95,我國工程巖體分級標準,工程巖體分級標準GB50218-94 巖體基本質(zhì)量指標BQ,類：