巖體變形性質(zhì)

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1、巖體的力學(xué)性質(zhì)包括巖體的變形性質(zhì),強(qiáng)度性質(zhì),動(dòng)力學(xué)性質(zhì)和水力學(xué)性質(zhì)等方面.巖體在外力作用下的力學(xué)屬性表現(xiàn)出非均質(zhì)性,非連續(xù),各向異性和非彈性.巖體的力學(xué)性質(zhì)取決于兩個(gè)方面:1)受力條件;2)巖體的地質(zhì)特征及其賦存環(huán)境條件.其中地質(zhì)特征包括巖石材料性質(zhì),結(jié)構(gòu)面的發(fā)育情況及性質(zhì)(影響巖體的力學(xué)性質(zhì)不同于巖塊的本質(zhì)原因);賦存環(huán)境條件包括天然應(yīng)力和地下水.第一節(jié)巖體的變形性質(zhì)一,巖體變形試驗(yàn)及其變形參數(shù)確定變形參數(shù)包括變形模量和彈性模量.按靜力法得到,動(dòng)力法得到.1.承壓板法剛性承壓板法和柔性承壓板法各級(jí)壓力P-W(巖體變形值)曲線按布西涅斯克公式計(jì)

2、算巖體的變形模量Em(Mpa)和彈性模量Eme(Mpa).式中:P—承壓板單位面積上的壓力(Mpa);D—承壓板的直徑或邊長(zhǎng)(cm);W,We—為相應(yīng)P下的總變形和彈性變形;ω—與承壓板形狀,剛度有關(guān)系數(shù),圓形板ω=0.785,方形板ω=0.886.μm—巖體的泊松比.★定義:巖體變形模量(Em):巖體在無(wú)側(cè)限受壓條件下的應(yīng)力與總應(yīng)變之比值.巖體彈性模量(Eme):巖體在無(wú)側(cè)限受壓條件下的應(yīng)力與彈性應(yīng)變之比值.2.鉆孔變形法鉆孔膨脹計(jì)利用厚壁筒理論(彈性力學(xué))得:式中:d為鉆孔孔隙(cm);P為計(jì)算壓力(Mpa);u為法向變形(cm).與承壓板

3、比較其優(yōu)點(diǎn):①對(duì)巖體擾動(dòng)小;②可以在地下水位以下筆相當(dāng)深的部位進(jìn)行;③試驗(yàn)方向不受限制;④可以測(cè)出幾個(gè)方向的變形,便于研究巖體的各向異性.缺點(diǎn):涉及巖體體積小,代表性受局限.3.狹縫法(狹縫扁千斤頂法)水平的,也可以是垂直的.如圖6.3所示.二,巖體變形參數(shù)估算現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)費(fèi)用昂貴,周期長(zhǎng),一般只在重要的或大型工程中進(jìn)行,因此,巖體變形參數(shù)的很多情況下必須進(jìn)行估算.兩種方法:①現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查→建立適當(dāng)?shù)膸r體地質(zhì)力學(xué)模型→室內(nèi)小試件試驗(yàn)資料→進(jìn)行估算;②巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)和大量試驗(yàn)資料→建立巖體分類(lèi)指標(biāo)與變形參數(shù)間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系→進(jìn)行估算.1.層狀巖體變形參

4、數(shù)估算E,μ,G為巖塊參數(shù),Kn,Ks為層面變形參數(shù).1)法向應(yīng)力σn作用下,如圖6.4所示沿n方向加荷:巖體總變形:沿t方向加荷:巖體的變形主要是巖塊引起的2)剪應(yīng)力作用下巖體剪切變形Δuj=層面滑動(dòng)變形Δu+巖塊的剪切變形Δur注:以上是假定巖塊和結(jié)構(gòu)面的變形參數(shù)及各巖層厚度均為常數(shù)的情況下推導(dǎo)出來(lái)的.2.裂隙巖體變形參數(shù)的估算1)比尼衛(wèi)斯基(Bieniawski,1978)(南非)Em=2RMR-100(RMR>55)Em變形模量,RMR分類(lèi)指標(biāo)值.RMR=9lgQ+44,(巴頓巖體質(zhì)量分類(lèi))Serafim和Pereira(1983)(R

5、MR≤55)2)挪威的Bhasin和Barton等(1993)巖體分類(lèi)指標(biāo)Q值—巖體質(zhì)量分級(jí)(巴頓)三,巖體變形曲線類(lèi)型及其特征(巖體中存在結(jié)構(gòu)面,與巖塊的峰值前的變形曲線區(qū)分開(kāi)來(lái))1.法向變形曲線1)直線型,如圖6.5a所示→彈性巖體dp/dw=k(巖體的剛度)2)上凹型,如圖6.5b所示→彈塑性巖體>0,值p↑而↑,層狀及節(jié)理巖體屬于此種類(lèi)型.3)下凹型(上凸型),如圖6.5c所示→塑彈性巖體隨p↑而↓,結(jié)構(gòu)面發(fā)育且泥質(zhì)充填的巖體或粘土巖,風(fēng)化巖屬于此種類(lèi)型.4)復(fù)合型→塑-彈-塑性巖體呈階梯或"S"型,如圖6.5d所示.結(jié)構(gòu)面發(fā)育不均或巖

6、性不均勻的巖體多屬于此種類(lèi)型.2.剪切變形曲線比較復(fù)雜根據(jù)τ-u曲線的形狀,殘余強(qiáng)度(τr)與峰值強(qiáng)度(τp)的比值,可分為3類(lèi),如圖6.6所示:1)峰前斜率小,破壞位移大,2～10mm;峰后位移↑,強(qiáng)度降低或不變,如圖6.6a所示.沿軟弱結(jié)構(gòu)面剪切時(shí)的情況.2)峰前斜率較大,峰值強(qiáng)度較高,有較明顯應(yīng)力降,如圖6.6b所示.沿粗糙結(jié)構(gòu)面,軟弱巖體及風(fēng)化巖體剪切時(shí)的情況.3)峰前斜率大,有較清晰的線性段和非線性段,峰值強(qiáng)度大,破壞位移小,1mm左右,殘余強(qiáng)度(τr)較低,如圖6.6c所示.剪斷堅(jiān)硬巖體時(shí)的情況.四,影響巖體變形性質(zhì)的因素巖體的巖性

7、,結(jié)構(gòu)面的發(fā)育特征,荷載條件,試件尺寸,試驗(yàn)方法和溫度等等.結(jié)構(gòu)面的影響(結(jié)構(gòu)面效應(yīng)):方位:導(dǎo)致巖體變形的各向異性,變形模量Em的各向異性;密度:ρ↑,變形增大,Em↓;充填特征;組合關(guān)系.第二節(jié)巖體的強(qiáng)度性質(zhì)巖體強(qiáng)度:指巖體抵抗外力破壞的能力.包括抗壓強(qiáng)度,抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度.一,巖體的剪切強(qiáng)度定義:巖體內(nèi)任一方向剪切面,在法向應(yīng)力作用下所能抵抗的最大剪應(yīng)力.包括:抗剪斷強(qiáng)度(σn≠0,預(yù)定剪切面)抗剪強(qiáng)度與巖塊類(lèi)似(σn≠0,沿已有破裂面)抗切強(qiáng)度(σn=0的抗剪斷強(qiáng)度)1.原位剪切試驗(yàn)及其強(qiáng)度參數(shù)(C,φ)確定雙千斤頂法直剪試驗(yàn)(在平巷

8、中進(jìn)行),如圖6.7所示.一般來(lái)說(shuō),巖體中的φm與巖塊的φ較接近;而巖體的Cm大大低于巖塊的C.這說(shuō)明結(jié)構(gòu)面的存在主要降低了巖體的連結(jié)能力,進(jìn)而降低其