常用的巖土和巖石物理力學(xué)參數(shù)

常用的巖土和巖石物理力學(xué)參數(shù)常用的巖土和巖石物理力學(xué)參數(shù)/NUMPAGES22常用的巖土和巖石物理力學(xué)參數(shù)常用的巖土和巖石物理力學(xué)參數(shù)(E,ν)與(K,G)的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：（7.2）當(dāng)νν來計(jì)算G值。給出了巖土體的一些典型彈性特性值。巖石的彈性（實(shí)驗(yàn)室值）（Goodman,1980）表7.1干密度(kg/m3)E(GPa)νK(GPa)G(GPa)砂巖19.30.3826.87.0粉質(zhì)砂巖26.30.2215.610.8石灰石209028.50.2922.611.1頁巖2210-257011.10.298.84.3大理石270055.80.2537.222.3花崗巖73.80.2243.930.2土的彈性特性值（實(shí)驗(yàn)室值）（Das,1980）表7.2干密度(kg/m3)彈性模量E(MPa)泊松比ν松散均質(zhì)砂土147010-260.2-0.4密質(zhì)均質(zhì)砂土184034-690.3-0.45松散含角礫淤泥質(zhì)砂土1630密實(shí)含角礫淤泥質(zhì)砂土19400.2-0.4硬質(zhì)粘土17306-140.2-0.5軟質(zhì)粘土1170-14902-30.15-0.25黃土1380軟質(zhì)有機(jī)土610-820凍土2150各向異性彈性特性——作為各向異性彈性體的特殊情況，橫切各向同性彈性模型需要5中彈性常量：E1,E3,ν12,ν13和G13；正交各向異性彈性模型有9個彈性模量E1,E2,E3,ν12,ν13,ν23,G12,G13和G23。這些常量的定義見理論篇。均質(zhì)的節(jié)理或是層狀的巖石一般表現(xiàn)出橫切各向同性彈性特性。一些學(xué)者已經(jīng)給出了用各向同性彈性特性參數(shù)、節(jié)理剛度和空間參數(shù)來表示的彈性常數(shù)的公式。表3.7給出了各向異性巖石的一些典型的特性值。橫切各向同性彈性巖石的彈性常數(shù)（實(shí)驗(yàn)室）表7.3Ex(GPa)Ey(GPa)νyxνzxGxy(GPa)砂巖43.040.00.280.1717.0砂巖15.79.60.280.215.2石灰石39.836.00.180.2514.5頁巖66.849.50.170.2125.3大理石68.650.20.060.2226.6花崗巖10.75.20.200.411.2流體彈性特性——用于地下水分析的模型涉及到不可壓縮的土粒時用到水的體積模量Kf，如果土粒是可壓縮的，則要用到比奧模量M。純凈水在室溫情況下的Kf值是2Gpa。其取值依賴于分析的目的。分析穩(wěn)態(tài)流動或是求初始孔隙壓力的分布狀態(tài)（見理論篇第三章流體-固體相互作用分析），則盡量要用比較低的Kf，不用折減。這是由于對于大的Kf流動時間步長很小，并且，力學(xué)收斂性也較差。在FLAC3D中用到的流動時間步長,tf與孔隙度n，滲透系數(shù)k以及Kf有如下關(guān)系：（7.3）對于可變形流體（多數(shù)課本中都是將流體設(shè)定為不可壓縮的）我們可以通過獲得的固結(jié)系數(shù)來決定改變Kf的結(jié)果。（7.4）其中其中，——FLAC3D使用的滲透系數(shù)——滲透系數(shù)，單位和速度單位一樣（如米/秒）——水的單位重量考慮到固結(jié)時間常量與成比例，我么可以將Kf的值從其實(shí)際值（）減少，利用上面得表達(dá)式看看其產(chǎn)生的誤差。流動體積模量還會影響無流動但是有空隙壓力產(chǎn)生的模型的收斂速率（見1.7節(jié)流動與力學(xué)的相互作用）。如果Kf是一個通過比較機(jī)械模型得到的值，則由于機(jī)械變形將會產(chǎn)生孔隙壓力。如果Kf遠(yuǎn)比大，則壓縮過程就慢，但是一般有可能Kf對其影響很小。例如在土體中，孔隙水中還會包含一些尚未溶解的空氣，從而明顯的使體積模量減小。在無流動情況下，飽和體積模量為：（7.5）不排水的泊松比為：（7.6）這些值應(yīng)該和排水常量和作比較，來估計(jì)壓縮的效果。重要的是，在FLAC3D中，排水特性是用在機(jī)械連接的流變計(jì)算中的。對于可壓縮顆粒，比奧模量對壓縮模型的影響比例與流動。7.3固有的強(qiáng)度特性在FLAC3D中，描述材料破壞的基本準(zhǔn)則是摩爾-庫侖準(zhǔn)則，這一準(zhǔn)則把剪切破壞面看作直線破壞面：（7.7）其中——最大主應(yīng)力(壓縮應(yīng)力為負(fù));——最小主應(yīng)力——摩擦角c——粘聚力當(dāng)時進(jìn)入剪切屈服。這里的兩個強(qiáng)度常數(shù)φ和c是由實(shí)驗(yàn)室的三軸實(shí)驗(yàn)獲得的。當(dāng)主應(yīng)力變?yōu)槔r，摩爾-庫侖準(zhǔn)則就將失去其物理意義。簡單情況下，當(dāng)表面的在拉應(yīng)力區(qū)域發(fā)展到等于單軸抗拉強(qiáng)度的點(diǎn)時，，這個次主應(yīng)力不會達(dá)到拉伸強(qiáng)度—例如；（7.8）當(dāng)時進(jìn)入拉伸屈服。巖石和混凝土的抗拉強(qiáng)度通常有由西實(shí)驗(yàn)獲得。注意，抗拉強(qiáng)度不能超過σ3,這是和摩爾-庫侖關(guān)系的頂點(diǎn)的限制是一致的。最大的值由下式給出（7.9）表7.4列出了一系列具有代表性的典型的巖石標(biāo)本的粘聚力、摩擦角和抗拉強(qiáng)度值。土體的具有代表性的典型粘聚力和摩擦角的具有代表性的典型值見表7.5。土體強(qiáng)度用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度表示，與粘聚力C和摩擦角的關(guān)系由下式確定（7.10）巖石的強(qiáng)度特性值（實(shí)驗(yàn)室測定）表7.4摩擦角（度）粘聚力（MPa）抗拉強(qiáng)度（MPa）沙巖27.827.21.17粉質(zhì)巖32.134.7--泥質(zhì)頁巖14.434.8--硅巖42.070.6--石灰石42.06.721.58山脈花崗巖51.055.1--測試場地玄武巖31.066.213.1土體的強(qiáng)度特性值（排水實(shí)驗(yàn)測定）表7.5粘聚力（kpa）摩擦角的最大值（度）摩擦角的殘留值（度）沙礫--3432無細(xì)沙的沙性砂礫--3532粘性良好的沙性砂礫1.03532較細(xì)的砂礫和沙的混合體3.02822細(xì)沙粒--3230粗沙粒--3430級配良好的沙粒--3332低塑性泥沙2.02825中-高塑性泥沙3.02522低塑性粘土6.02420中塑性粘土8.02010高塑性粘土10.0176有機(jī)淤泥或粘土7.02015巖石物理力學(xué)性質(zhì)一覽表巖石物理力學(xué)性質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)土類巖石密度(g/cm3)液限%塑限%塑性指數(shù)變形模量（MPa）孔隙比%抗拉強(qiáng)度內(nèi)聚力C摩擦角備注碎石（堆積）類土2.65~2.7土粒密度20~400.4~0.6一般假定0一般假定036~42黃土類土干1.3~1.523~3315~208~13新黃土具有濕陷性0.8~1.1一般假定00.03~0.06（老）0.01~0.033(新)15~25（老）17.8~28.4(新)含水率%10~25粘性土1.8~2.0523~5516~307~254~12（壓縮模量）0.7~1.0一般假定00.005~0.068~26含水率%20~40巖類巖石密度(g/cm3)孔隙率吸水率軟化系數(shù)變形模量（103MPa）抗壓強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度內(nèi)聚力C摩擦角泥巖0.03~0.37（粘土巖）20.7~59（干粘土巖）0.010.04~0.09（粘土巖）2315~30（粘土巖）頁巖2.3~2.620.4~10.00.5~3.20.24~0.7416~2010~1002~103~2015~30泥板巖2.3~2.80.1~0.50.1~0.30.39~0.52123~199(干板巖)粉砂巖10~320.07~1.729~59石英砂巖2.6~2.7154~5868~102.51.9~3.013（寒武）54（震旦）75~82.5（似內(nèi)摩擦角）摩擦系數(shù)0.54（寒武）0.49（震旦）砂巖2.2~2.711.6~28.00.2~9.00.65~0.9717~4120~2004~258~4035~50礫巖2.40~2.660.8~10.00.3~2.40.50~0.966.7~16.2（新鮮巖體）10~1502~158~5035~50泥灰?guī)r2.3~2.71.0~10.00.5~3.00.44~0.541.3~2.6（新鮮巖體）3.5~2040~600.3~1.42.8~4.20.32（新鮮巖體）37（新鮮巖體）灰?guī)r2.3~2.7716.0~520.1~4.450.7~0.9435~3950~2005~2010~5035~50白云巖2.1~2.70.3~25.00.1~3.06.7~3280~25015~2520~5035~50片巖2.69~2.920.02~1.850.1~0.20.53~0.69（綠泥石片巖）44~7210~1001~101~2026~65千枚巖0.4~3.60.5~1.80.67~0.9610（石英千枚巖）10~1001~101~2026~65板巖2.3~2.750.45左右0.1~0.35.0（新鮮巖體）60~2007~152~2045~60大理巖2.6~2.70.1~6.00.1~1.049~6770~1402.0~4.04.9（裂隙較發(fā)育巖體）52（裂隙較發(fā)育巖體）石英巖2.4~2.80.1~8.70.1~1.50.94~0.9665~70150~35015~3010~5050~60花崗巖2.3~2.80.5~4.00.1~4.00.72~0.9730~37100~2507~2514~5045~60閃長巖2.52~2.960.2~5.00.3~5.00.6~0.81.5~8.5（具裂隙巖體）100~25010~2510~5053~55輝長巖2.55~2.980.3~4.00.5~4.0180~30015~3610~5050~55流紋巖2.5~3.3180~30015~3010~5045~60安山巖2.3~2.71.1~4.50.3~4.50.81~0.918.3~12.0（具裂隙巖體）100~25010~2010~4045~50玄武巖2.5~3.10.5~7.20.3~2.80.3~0.9583180~30015~3610~5050~55注：未注明為巖體的數(shù)據(jù)，均為巖石試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

[1]唐大雄劉佑榮

張文殊王清工程巖土學(xué)（第二版）地質(zhì)出版社1998北京

[2]重慶建筑工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)巖體力學(xué)

中國建筑工業(yè)出版社

1981.10北京

[3]工程地質(zhì)手冊編寫委員會工程地質(zhì)手冊（第三版）中國建筑工業(yè)出版社1992.12北京

[4]李先煒巖體力學(xué)性質(zhì)

煤炭工業(yè)出版社

泊松比范圍為0~0.5，不會大于0.5。砂巖泊松比0.22左右，煤巖0.3左右。一般巖石彈性模量量級為10，單位Pa。煤巖彈性模量量級為9，Pa。

在巖石的彈性工作范圍內(nèi)，μ一般為常數(shù)，但超越彈性范圍以后，μ隨應(yīng)力的增大而增大，直到μ=0.5為止。巖石種類E(10的4次方MPa)

μ閃長巖

10.1021～11.7565

0.26～0.37細(xì)?；◢弾r

8.1201～8.2065

0.24～0.29斜長花崗巖

6.1087～7.3984

0.19～0.22斑狀花崗巖

5.4938～5.7537

0.13～0.23花崗閃長巖

5.5605～5.8302

0.20～0.23石英砂巖

5.3105～5.8685

0.12～0.14片麻花崗巖

5.0800～5.4164

0.16～0.18正長巖

4.8387～5.3104

0.18～0.26片巖

4.3298～7.0129

0.12～0.25玄武巖

4.1366～9.6206

0.23～0.32安山巖

3.8482～7.6965

0.21～0.32絹云母頁巖

3.3677

--花崗巖

2.9823～6.1087

0.17～0.36細(xì)砂巖

2.7900～4.7622

0.15～0.25中砂巖

2.5782～4.0308

0.10～0.22中灰?guī)r

2.4056～3.8296

0.18～0.35石英巖

1.7946～6.9374

0.12～0.27板狀頁巖

1.7319～2.1163

--粗砂巖

1.6642~4.03060.10～0.45片麻巖

1.4043~5.51250.20～0.34頁巖

1.2503~4.1179

0.09～0.35大理巖