第一節(jié)--巖體的變形性質(zhì)課件

1、 基本原理：基本原理：在選定的巖體表面、槽壁或鉆孔壁面上施加在選定的巖體表面、槽壁或鉆孔壁面上施加法向荷載，并測定巖體的變形值；然后繪制出壓力法向荷載，并測定巖體的變形值；然后繪制出壓力- -變形關(guān)系變形關(guān)系曲線，計算出巖體的變形參數(shù)。曲線，計算出巖體的變形參數(shù)。 常用的測試巖體變形參數(shù)的靜力法原位試驗有以下三種：常用的測試巖體變形參數(shù)的靜力法原位試驗有以下三種：（1 1）承壓板法承壓板法 ; ;（2 2）鉆孔變形法鉆孔變形法; ;（3 3）狹縫法）狹縫法 （2 2）動力法）動力法 基本原理：基本原理：用人工方法對巖體發(fā)射用人工方法對巖體發(fā)射( (或激發(fā)或激發(fā)) )彈性波彈性波( (聲波聲波或

2、地震波或地震波) )，并測定其在巖體中的傳播速度，然后根據(jù)波動理，并測定其在巖體中的傳播速度，然后根據(jù)波動理論求巖體的變形參數(shù)。論求巖體的變形參數(shù)。 動力法包括動力法包括聲波試驗聲波試驗、地震試驗地震試驗等。等。 2. 2. 承壓板法：（平板載荷承壓板法：（平板載荷試驗）試驗）原理：原理：油壓千斤頂對承壓板油壓千斤頂對承壓板下的巖體（平直光滑的表面下的巖體（平直光滑的表面上）加壓，用測微表測變形上）加壓，用測微表測變形（表面變形）。（表面變形）。承壓板面積：承壓板面積：0.251.0m0.251.0m2 2加壓方式：加壓方式：將預(yù)定荷載分若將預(yù)定荷載分若干級采用逐級一次或多次循干級采用逐級一次

3、或多次循環(huán)加載。環(huán)加載。測記變形：測記變形：用百分表測記各用百分表測記各級壓力下的變形值。級壓力下的變形值。試驗結(jié)果試驗結(jié)果：可得：可得PWPW曲線曲線P P壓力壓力 ；W W各級壓力對應(yīng)變形值各級壓力對應(yīng)變形值WpWeW0=Wp+We彈性變形彈性變形殘余變形殘余變形總變形總變形 由壓力變形曲線可見，對應(yīng)于每一級的壓力，其總由壓力變形曲線可見，對應(yīng)于每一級的壓力，其總變形，可分為彈性變形和殘余變形。變形，可分為彈性變形和殘余變形。W0根據(jù)布西涅斯克公式：根據(jù)布西涅斯克公式： WEpb0201變形模量變形模量(E0)(E0)在無側(cè)限受壓下應(yīng)力與總應(yīng)變之比。在無側(cè)限受壓下應(yīng)力與總應(yīng)變之比。 WEe

4、epb21彈性模量彈性模量(Ee)(Ee)在無側(cè)限受壓下，應(yīng)力與彈性應(yīng)變之比。在無側(cè)限受壓下，應(yīng)力與彈性應(yīng)變之比。P P承壓板單位面積上的壓力（承壓板單位面積上的壓力（MPaMPa）；）；b b承壓板邊承壓板邊長（直徑）；長（直徑）；與承壓板剛度和強度有關(guān)的系數(shù)與承壓板剛度和強度有關(guān)的系數(shù)（方形取（方形取0.8860.886，圓形取，圓形取0.7850.785）；）；W W0 0總變形；總變形；泊松比（一般室內(nèi)試驗決定）；泊松比（一般室內(nèi)試驗決定）；WeWe彈性變形；彈性變形；變形系數(shù)：變形系數(shù)：0WWDP（反映卸荷曲（反映卸荷曲線的斜率）線的斜率）（反映巖體的剛度）（反映巖體的剛度）（反映了

5、巖體的殘余變形特征（反映了巖體的殘余變形特征 ）3.3.鉆孔變形法鉆孔變形法 它是利用鉆孔膨脹計它是利用鉆孔膨脹計對一定長度的孔壁施加均對一定長度的孔壁施加均勻液壓，同時通過傳感器勻液壓，同時通過傳感器測量孔壁的徑向變形。測量孔壁的徑向變形。 用用厚壁圓筒理論厚壁圓筒理論，可，可推導(dǎo)出巖體變形模量與徑推導(dǎo)出巖體變形模量與徑向變形的關(guān)系：向變形的關(guān)系：UdpE)1 (0d d鉆孔直徑（鉆孔直徑（cmcm）；）；p p水壓力（水壓力（MPaMPa）；）；U U徑向變形。徑向變形。4.4.狹縫法：狹縫法：（刻槽法）（刻槽法）開縫開縫用用扁千斤頂加扁千斤頂加壓，通過百壓，通過百分表或電阻分表或電阻應(yīng)變

6、片觀察應(yīng)變片觀察變形。變形。 由以上試驗結(jié)果可知：由以上試驗結(jié)果可知：（1 1）巖體的變形模量比巖塊的小，而且受結(jié)構(gòu)面發(fā)育）巖體的變形模量比巖塊的小，而且受結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度及風化程度等因素影響十分明顯。程度及風化程度等因素影響十分明顯。 （2 2）不同地質(zhì)條件下的同一類型的巖體，其變形模量）不同地質(zhì)條件下的同一類型的巖體，其變形模量相差較大。相差較大。 （3 3）試驗方法不同、壓力大小不同，得到的巖體變形）試驗方法不同、壓力大小不同，得到的巖體變形模量不同。模量不同。 巖體與巖塊比：巖體與巖塊比：彈性摸量彈性摸量E E小，峰值強度低，殘余強度低，小，峰值強度低，殘余強度低，各向異性顯著，相同荷載

7、下的變形大。各向異性顯著，相同荷載下的變形大。 原因：巖體存在顯著結(jié)構(gòu)面原因：巖體存在顯著結(jié)構(gòu)面。巖體：巖體：由巖塊和結(jié)構(gòu)面（一組或多組）組成。由巖塊和結(jié)構(gòu)面（一組或多組）組成。巖塊：巖塊：只是含微裂隙，無宏觀結(jié)構(gòu)面。只是含微裂隙，無宏觀結(jié)構(gòu)面。 所以巖體與巖塊相比，其變形特征有很大區(qū)別。所以巖體與巖塊相比，其變形特征有很大區(qū)別。 二、巖體變形參數(shù)估算二、巖體變形參數(shù)估算 由于巖體變形試驗費用昂貴，周期長，僅在重要或由于巖體變形試驗費用昂貴，周期長，僅在重要或大型工程中使用。因此，對一般工程需要用簡單方法估大型工程中使用。因此，對一般工程需要用簡單方法估計變形參數(shù)。計變形參數(shù)。 一種估算方法是

8、：一種估算方法是：在現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，建立在現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，建立適當?shù)膸r體地質(zhì)力學模型，利用室內(nèi)小試件試驗資料來適當?shù)膸r體地質(zhì)力學模型，利用室內(nèi)小試件試驗資料來估算巖體變形參數(shù)，這里以層狀巖體為例進行介紹。估算巖體變形參數(shù)，這里以層狀巖體為例進行介紹。 另一種估算方法是：另一種估算方法是：在巖體質(zhì)量評價和大量試驗資在巖體質(zhì)量評價和大量試驗資料的基礎(chǔ)上，建立巖體分類指標與變形參數(shù)之間的經(jīng)驗料的基礎(chǔ)上，建立巖體分類指標與變形參數(shù)之間的經(jīng)驗關(guān)系，估算巖體變形參數(shù)。關(guān)系，估算巖體變形參數(shù)。1 1、層狀巖體變形參數(shù)估算、層狀巖體變形參數(shù)估算 針對層狀巖體的地質(zhì)力學模型（見上圖），假設(shè)：針對層狀

9、巖體的地質(zhì)力學模型（見上圖），假設(shè)： 各巖層厚度相等為各巖層厚度相等為S S，且性質(zhì)相同；，且性質(zhì)相同； 層面的張開層面的張開度忽略不計；假設(shè)巖塊變形參數(shù)為度忽略不計；假設(shè)巖塊變形參數(shù)為E E，和和G G，層面變形，層面變形參數(shù)為參數(shù)為K Kn n，K Ks s（法向剛度和剪切剛度）。（法向剛度和剪切剛度）。 取取n n- -t t坐標系，坐標系，n n垂直層面，垂直層面，t t平行層面。平行層面。 (1)(1)法向應(yīng)力法向應(yīng)力n n作用下的巖體變形參數(shù)作用下的巖體變形參數(shù) 1)1)沿沿n n方向加荷方向加荷由巖塊和層面組成單元體（由巖塊和層面組成單元體（b b）：）：假設(shè)巖石各向同性，假設(shè)巖

10、石各向同性，n n向加向加荷時，由荷時，由t t向應(yīng)變可求巖體向應(yīng)變可求巖體的泊松比。的泊松比。2)2)沿沿t t方向加荷方向加荷 沿沿t t向加荷時，巖體的變形主要是巖塊引起的，故：向加荷時，巖體的變形主要是巖塊引起的，故：(2)(2)剪應(yīng)力作用下的巖體變形參數(shù)剪應(yīng)力作用下的巖體變形參數(shù) 巖體剪切變形由巖塊剪切變巖體剪切變形由巖塊剪切變形和沿層面滑動變形組成，形和沿層面滑動變形組成，即：即：巖體的剪切模量巖體的剪切模量巖體的剪切變形：2 2、裂隙巖體變形參數(shù)的估算、裂隙巖體變形參數(shù)的估算 對于裂隙巖體，通常用巖體分類指標與變形模量之對于裂隙巖體，通常用巖體分類指標與變形模量之間的統(tǒng)計關(guān)系求得

11、：間的統(tǒng)計關(guān)系求得：（1 1）用）用RMRRMR值估算巖體變形模量值估算巖體變形模量 RMRRMR巖體地質(zhì)力學分類中，巖塊強度、巖體地質(zhì)力學分類中，巖塊強度、RQDRQD值、值、節(jié)理間距、節(jié)理條數(shù)和地下水節(jié)理間距、節(jié)理條數(shù)和地下水5 5類指標的類指標的總評分值總評分值。 （2 2）用巖體質(zhì)量指標）用巖體質(zhì)量指標Q Q值估算縱波速度和巖體平均變形模量值估算縱波速度和巖體平均變形模量三、巖體變形曲線類型及其特征三、巖體變形曲線類型及其特征 1 1、法向變形曲線、法向變形曲線巖體變形曲線有以下一些類型，其特征各不相同。巖體變形曲線有以下一些類型，其特征各不相同。 （1 1） （2 2） （3 3）

12、（4 4）巖體法向變形曲線類型示意圖巖體法向變形曲線類型示意圖 （1 1）直線型：）直線型： 通過原點的直線，其方程為：通過原點的直線，其方程為： 加壓過程中加壓過程中W W隨隨p p成正比增加。成正比增加。巖體巖性均勻、結(jié)構(gòu)面巖體巖性均勻、結(jié)構(gòu)面不發(fā)育或結(jié)構(gòu)面分布均勻多呈這種狀態(tài)。不發(fā)育或結(jié)構(gòu)面分布均勻多呈這種狀態(tài)。根據(jù)根據(jù)K K及加壓退壓及加壓退壓曲線，又可分為兩類：曲線，又可分為兩類：0,22WddpKdWdpKWp陡直線型：陡直線型： 特征：特征：K K大，大，E E0 0大（剛度大）大（剛度大）變形系數(shù)變形系數(shù)D D很?。ㄒ詮椥宰冃螢楹苄。ㄒ詮椥宰冃螢橹鳎?，為完整、堅硬、少裂隙、致主

13、），為完整、堅硬、少裂隙、致密均勻的巖體，接近于密均勻的巖體，接近于均質(zhì)彈性體均質(zhì)彈性體。緩直線型：緩直線型： 特征：特征：K K小，小，E E0 0?。▌偠刃。▌偠刃。┳冃蜗禂?shù)?。┳冃蜗禂?shù)D D較大，有明顯較大，有明顯的殘余變形和回滯環(huán)。破裂很的殘余變形和回滯環(huán)。破裂很發(fā)育，且均勻分布的巖體，有發(fā)育，且均勻分布的巖體，有明顯的塑性變形，不能視為彈明顯的塑性變形，不能視為彈性體。性體。 巖體：巖體：由多組結(jié)構(gòu)面切割由多組結(jié)構(gòu)面切割且分布較均勻的巖體；巖性較且分布較均勻的巖體；巖性較軟弱且均質(zhì)或平行層面加壓的軟弱且均質(zhì)或平行層面加壓的巖體。巖體。（2 2）上凹型：）上凹型： 曲線方程為：曲線方程

14、為： p pf(W)f(W)，dp/dWdp/dW， E E0 0隨隨p p增大而遞增，增大而遞增，d d2 2p/dp/d2 2W W0 0 層狀及節(jié)理巖體多呈這層狀及節(jié)理巖體多呈這類曲線。類曲線。分下面兩種情況：分下面兩種情況： 第一種情況：第一種情況：退壓曲線較緩，退壓曲線較緩，近于平行，且隨近于平行，且隨p p增大、增大、D D降低降低（相對來說殘余變形越來越（相對來說殘余變形越來越?。€斜率隨循環(huán)次數(shù)增?。?，曲線斜率隨循環(huán)次數(shù)增多而變大（巖體剛度增大）多而變大（巖體剛度增大） 多為垂直層面加壓的較堅多為垂直層面加壓的較堅硬層狀巖體。硬層狀巖體。機理：機理： pp層面層面夾層壓密夾

15、層壓密剛度增大，退壓時由于巖體剛度增大，退壓時由于巖體結(jié)構(gòu)未錯動，所以有較大的結(jié)構(gòu)未錯動，所以有較大的WeWe。第二種情況：第二種情況： 退壓曲線較陡，即退壓曲線較陡，即D D較大較大（說明有明顯的殘余變形）（說明有明顯的殘余變形）巖體的剛度隨巖體的剛度隨p p增大而增大。增大而增大。P對應(yīng)巖體：對應(yīng)巖體：楔入，高角度節(jié)理楔入，高角度節(jié)理p p減小減小, ,像楔子一樣相互楔緊，像楔子一樣相互楔緊，退壓后變形難于恢復(fù)。退壓后變形難于恢復(fù)。存在軟弱夾層的層狀巖體存在軟弱夾層的層狀巖體軟層固結(jié)軟層固結(jié) 垂直于層面加垂直于層面加p p，軟層固結(jié)后，軟層固結(jié)后可恢復(fù)變形小。可恢復(fù)變形小。 PP軟軟 層層

16、（3 3）上凸型：）上凸型： 曲線方程為曲線方程為p pf(W)f(W)，d p / d Wd p / d W隨隨p p增 加 而 遞 減 ，增 加 而 遞 減 ，d d2 2p/dWp/dW2 20 0。軟巖：軟巖：p p增大微裂紋擴展增大微裂紋擴展,W,W增大。增大。充泥裂隙巖體，充泥裂隙巖體，p p增大，泥增大，泥向兩側(cè)擠出向兩側(cè)擠出,W,W增大。增大。 較深處埋藏有軟弱夾層。較深處埋藏有軟弱夾層。（4 4）復(fù)合型：）復(fù)合型：p-Wp-W曲線呈階梯曲線呈階梯或或“S S”型。型。巖體裂隙發(fā)育不均勻或巖性不巖體裂隙發(fā)育不均勻或巖性不均勻（有軟弱夾層）。均勻（有軟弱夾層）。2 2、剪切變形曲

17、線、剪切變形曲線 巖體剪切變形曲線十分復(fù)雜。沿結(jié)構(gòu)面剪切和剪斷巖體剪切變形曲線十分復(fù)雜。沿結(jié)構(gòu)面剪切和剪斷巖體、沿光滑結(jié)構(gòu)面和粗糙結(jié)構(gòu)面的剪切曲線明顯不同。巖體、沿光滑結(jié)構(gòu)面和粗糙結(jié)構(gòu)面的剪切曲線明顯不同。 根據(jù)曲線形狀、及殘余強度與峰值強度的比值，可根據(jù)曲線形狀、及殘余強度與峰值強度的比值，可將剪切變形曲線分為三種類型：將剪切變形曲線分為三種類型： （1 1） （2 2） （3 3）巖體剪切變形曲線類型示意圖巖體剪切變形曲線類型示意圖 （1 1）峰值前曲線平均斜率小，破壞位移大；峰值后應(yīng)）峰值前曲線平均斜率小，破壞位移大；峰值后應(yīng) 力降很小或不變。多為沿軟弱結(jié)構(gòu)面剪切。力降很小或不變。多為沿

18、軟弱結(jié)構(gòu)面剪切。 （1 1） （2 2） （3 3）巖體剪切變形曲線類型示意圖巖體剪切變形曲線類型示意圖 （2 2）峰值前曲線平均斜率較大，峰值強度較高。峰）峰值前曲線平均斜率較大，峰值強度較高。峰值后應(yīng)力降較大。多為沿粗糙結(jié)構(gòu)面、軟弱巖體及劇值后應(yīng)力降較大。多為沿粗糙結(jié)構(gòu)面、軟弱巖體及劇烈風化巖體剪切。烈風化巖體剪切。（3 3）峰值前曲線斜率大，線性段和非線性段明顯，峰）峰值前曲線斜率大，線性段和非線性段明顯，峰值強度高，破壞位移小。峰值后應(yīng)力降大，殘余強度值強度高，破壞位移小。峰值后應(yīng)力降大，殘余強度較低。多為剪斷堅硬巖體。較低。多為剪斷堅硬巖體。（1 1） （2 2） （3 3）巖體剪切

19、變形曲線類型示意圖巖體剪切變形曲線類型示意圖 四、巖體變形的結(jié)構(gòu)效應(yīng)四、巖體變形的結(jié)構(gòu)效應(yīng) 影響巖體變形性質(zhì)的因素：影響巖體變形性質(zhì)的因素： 巖性、結(jié)構(gòu)面特征、風化程度、試驗方法、試件尺巖性、結(jié)構(gòu)面特征、風化程度、試驗方法、試件尺寸、加荷條件、溫度、濕度等。寸、加荷條件、溫度、濕度等。巖體力學性質(zhì)的結(jié)構(gòu)效應(yīng)巖體力學性質(zhì)的結(jié)構(gòu)效應(yīng)巖體中結(jié)構(gòu)面對力學性質(zhì)巖體中結(jié)構(gòu)面對力學性質(zhì)的影響。的影響。巖體變形的結(jié)構(gòu)效應(yīng)巖體變形的結(jié)構(gòu)效應(yīng)結(jié)構(gòu)面對巖體變形特征的影響。結(jié)構(gòu)面對巖體變形特征的影響。巖體強度的結(jié)構(gòu)效應(yīng)巖體強度的結(jié)構(gòu)效應(yīng)結(jié)構(gòu)面對巖體強度特征的影響。結(jié)構(gòu)面對巖體強度特征的影響。結(jié)構(gòu)面對變形影響的主要表現(xiàn)

20、：結(jié)構(gòu)面對變形影響的主要表現(xiàn)：方向、方向、性質(zhì)、性質(zhì)、密密度、度、組合方式四方面組合方式四方面（一）（一） 結(jié)構(gòu)面方向的影響結(jié)構(gòu)面方向的影響 結(jié)構(gòu)面與巖體的受力方向之夾角不同，巖體的變形也結(jié)構(gòu)面與巖體的受力方向之夾角不同，巖體的變形也不同。不同。 結(jié)構(gòu)面方向與受力方向的結(jié)構(gòu)面方向與受力方向的夾角決定巖體的變形（變形各夾角決定巖體的變形（變形各向異性）。向異性）。 P結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)面 變形最大，變形最大，D D值最值最大，有較大殘余變形（機制：大，有較大殘余變形（機制：結(jié)構(gòu)面壓密）；結(jié)構(gòu)面壓密）； 變形最小，變形最小，D D最小，最小，有較大的彈性變形（巖石變有較大的彈性變形（巖石變形）。形）。 處

21、于二者之間。處于二者之間。900900 （二）結(jié)構(gòu)（二）結(jié)構(gòu)面性質(zhì)的影面性質(zhì)的影響響結(jié)構(gòu)面性結(jié)構(gòu)面性質(zhì)質(zhì) ：張開：張開程度、充填程度、充填程度、充填程度、充填的物的性質(zhì)的物的性質(zhì) 等。等。片麻理片麻理無充填裂隙無充填裂隙灌漿前灌漿前灌漿后灌漿后灌漿前：灌漿前： 在在2 2方向，壓力垂直于一組無充填裂隙，故在較低壓力方向，壓力垂直于一組無充填裂隙，故在較低壓力下因裂隙的閉合產(chǎn)生很大的變形。我們知道，片麻巖巖體是下因裂隙的閉合產(chǎn)生很大的變形。我們知道，片麻巖巖體是由軟、硬礦物交替組成的，只有在壓力較大時，軟礦物才能由軟、硬礦物交替組成的，只有在壓力較大時，軟礦物才能壓密變形。壓密變形。 因而，在壓

22、力較大時，裂隙已經(jīng)閉合，主要是軟礦物的因而，在壓力較大時，裂隙已經(jīng)閉合，主要是軟礦物的壓密變形，故最大變形方向又轉(zhuǎn)到垂直于片麻理的方向上。壓密變形，故最大變形方向又轉(zhuǎn)到垂直于片麻理的方向上。灌漿后：灌漿后： 漿液進入裂隙，使?jié){液進入裂隙，使2 2方向上的變形大為減弱，另一方面，方向上的變形大為減弱，另一方面，由于片麻理本來就是閉合或被充填狀態(tài)，因而灌漿時，漿液由于片麻理本來就是閉合或被充填狀態(tài)，因而灌漿時，漿液很難進入，即灌漿對其無大的影響，變形仍然很大，一直是很難進入，即灌漿對其無大的影響，變形仍然很大，一直是變形最大的方向。變形最大的方向。 上述現(xiàn)象說明上述現(xiàn)象說明充填與張開的結(jié)構(gòu)面對巖體變形的影響就充填與張開的結(jié)構(gòu)面對巖體變形的影響就不一樣。因為結(jié)構(gòu)面性質(zhì)不同。不一樣。因為結(jié)構(gòu)面性質(zhì)不同。 （三）結(jié)構(gòu)面密度的影響（三）結(jié)構(gòu)面密度的影響結(jié)構(gòu)面密度可用結(jié)構(gòu)面密度可用 隨隨 RQD