岩体力学-2岩体的变形与强度

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1、岩体力学2. 岩体变形与强度主讲： 林 锋 2.岩体变形与强度 2.0 概述 2.1岩体的变形特征 2.1.1 试验方案 2.1.2 岩体的压力变形曲线类型 2.1.3 岩体的变形指标分析 2.1.4 岩体变形的结构效应 2.1.5 岩体动力变形特性 2.2 结构面及其力学性质 2.2.1 结构面的类型 2.2.2 结构面的自然特性 2.2.3 结构面的力学性质 2.3 岩体的强度 2.4 工程岩体的分级分类2.岩体变形与强度 岩体的变形及破坏特征与完整岩石不同。 岩体的变形是结构体（岩块）材料变形和结构变形的 总合，后者包括结构面闭合、充填物压密及结构体转动和 滑动等变形。岩体的结构变形往往

2、起控制作用。 岩体的变形与强度影响因素概述如下： （1）受力条件 （2）岩体本身特性及赋存条件的影响，具体如下： 组成岩体的岩石材料性质 岩体中结构面力学性质 岩体中结构面发育组合情况岩体结构类型 赋存环境，特别是水和地应力条件 尺寸效应2.0 概述 2.岩体变形与强度 依据水利水电工程岩石试验规程（SL264-2001） ，岩体力学试验项目除前面提到的岩块物理力学试验，还 包括以下项目： (1)岩体变形试验：承压板法，狭缝法、单（双）轴压 缩法、钻孔径向加压法、隧道液压枕径向加压法、隧道水 压法等，测量Ee、E、和抗力系数(K)等。 (2)岩体强度试验：混凝土与岩体接触面、结构面直剪 、结构

3、面直剪蠕变、岩体直剪、岩体三轴压缩、岩体载荷 试验等。 (3)岩体应力测试：孔壁（或底）应变法、孔径变形法 、水压致裂法、表面应变法等。 (4)岩石声波测试：岩块、岩体。 (5)工程岩体观测：如硐室收敛观测等。2.0 概述 2.1岩体的变形特征 岩体变形控制量化分析的基础是正确获得岩体的变形 破坏规律及相应的变形参数及强度参数。岩体变形参数需 要通过岩体变形试验来获得。 岩体变形试验包括：承压板法，狭缝法、单（双）轴 压缩法、钻孔径向加压法、隧道液压枕径向加压法、隧道 水压法等。可以获得变形模量、弹性模量、泊松比等。 一、岩体变形试验分类 （一）按照施加荷载作用方向 (1)法向变形试验：承压板

4、法、狭缝法、单双轴三轴压 缩试验、环形试验等； (2)切向变形试验：倾斜剪切仪，挖试洞等。2.1.0 概述 一、岩体变形试验分类 （二） 根据试验原理及方法 （1） 静力法：是在选定的岩体表面、槽壁或 钻孔壁面施加法向荷载，并测量变形值，然后绘 制压力变形关系曲线，计算岩体的变形参数。 主要有：承压板法，钻孔变形法、狭缝法、单（ 双）轴压缩法、水压洞室法等； （2）动力法：是用人工方法对岩体发射弹性波 （声波、超声波、地震波），并测定其在岩体中 的传播速度。根据弹性波激发方法不同，分为声 波法、超声波法、地震波法等。 目前，应用最广的是承压板法和动力法。2.1.0 概述2.1 岩体的变形特征

5、2.1.0 概述 2.1.1 试验方案 2.1.2 岩体的压力变形曲线类型 2.1.3 岩体的变形指标分析 2.1.4 岩体变形的结构效应 2.1.5 岩体动力变形特性2.1岩体的变形特征 承压板法试验可分为刚性承压板法和柔性承压板法。 柔性承压板法又可分为双枕法、四枕法、环形枕法和 中心孔法。 刚性承压板法适用于各级岩体；柔性承压板法适用于 完整和较完整的岩体。 试验宜在平洞内进行，特殊情况下也可在露天或竖井 内进行。 试点受力方向宜与工程岩体实际受力方向一致。2.1.1 试验方案 2.1.1 试验方案 （1）试点边缘至洞壁边缘距离应大于承压板直径D（ 边长）的1.5倍，至洞口或掌子面距离应

6、大于2D，至临 空面距离应大于6D。试点间距应大于3D；（2）试点表面以下3倍承压板直径或边长范围内的岩 性宜相同；（3）试点表层受扰动岩体清除干净（4）承压面应凿平整，并用砂轮打磨，起伏差应小于 D1%；承压面以外1.5D范围内岩体表面应平整，无松 动块石。（5）承压面积不宜小于2000cm2。（6）清洗试点表面，铺垫一层水泥浆，使承压板平行 试点表面，水泥浆厚度应小于D1%。（一）打点和贴板 （3）安装千斤顶 及传力柱 （4）安装百分表和 压力泵 2.1.1 试验方案 （二）刚性承压板法试验加压系统与传力系统安装。应符合下列规定： （1）承压板应满足刚度要求，单块承压板厚度不宜小于6c 。

7、，可采用叠置钢垫板或传力箱的方式提高刚度； （2）在承压板上依次安装千斤顶、钢垫板、传力柱、钢垫 板，在钢垫板和岩体间填筑砂浆或安装反力装置； （3）施压使整个系统接触紧密； （4）整个系统应具有足够刚度和强度，所有部件中心应保 持在同一轴线上，轴线应与加压方向一致。 试验记录应包括工程名称、岩石名称、试点编号、试点 位置、试验方法、试点描述、测表布置、测表编号、压力 表编号、承压板尺寸、压力变形、试验人员、试验日期。2.1.1 试验方案 （1）试验最大压力不宜小于工程设计压力的1.2倍，宜 等分5级施加； （2）加压前应对测表进行初始稳定读数观测，每隔10 min同时测读各测表一次，连续三次

8、读数不变后开始加压； （3）加压方式宜采用逐级一次循环法。根据需要可采用 逐级多次循环法或大循环法；（三）压力设计及应力路径 每级压力加压或退压后应立即读数，以后每隔10min读 数一次，当所有测表相邻两次读数差与同级压力下第一次 读数和前一级压力下最后一次读数差之比小于5%时，即可 施加或退至下一级压力。退压稳定标准与加压相同。（四）进度控制 2.1.1 试验方案 （1） 刚性承压板法试验应采用板上4个测表的变形平均 值作为岩体变形值；当其中一个测表失效时，可采用另外 三个测表（变形均匀时）或另一对称的两个测表（变形不 均匀时）的平均值作为变形值，并予以说明。（2）绘制压力P与变形W之间的关

9、系曲线，分析曲线类 型并确定变形值。（五）绘制PW曲线 2.1.2 岩体的压力变形曲线类型 岩体压力变形曲线分为4类:（1）直线型A型； （2）上凹形B型（3）上凸形C型； （4）复合型2.1.2 岩体的压力变形曲线类型（1）直线型A型p=f(W)=KW ， dp/dW =K（常数），为经过原点的直线， 岩性均匀（包括裂隙分布均匀）的岩体，多为这种：根据曲线 斜率和加压退压曲线，可以分为2个亚类。 陡直线型(A-1型)：曲线斜率陡，岩体刚度大；退压后岩 体变形几乎可完全恢复；表明岩体较完整、坚硬，致密均匀。 缓直线型(A-2型)： 曲线斜率缓，岩体刚度 很低。退压后岩体变形 有明显的不可恢复变

10、形 和回滞环。表明岩体结 构疏松、破碎，但裂隙 分布比较均匀。（2）上凹形B型p=f(W)， dp/dW随着P增加而增大，层状及节理岩体具有这 种类型，根据加压及退压曲线，可以分为2个亚类。B-1型： 每次加压曲线的斜率随加、退压循环次数增加逐 渐变大，即岩体刚度在增大； 各退压曲线比较缓，且相互近 于平行，岩体弹性变形较大。岩体特征：层状和似层状岩体。垂直层面方向加压。B-2型： 加压曲线斜率不断变大，岩体的刚度在增加；各退荷曲线很陡，退荷 后大部分变形不可恢复。 岩体特征：节理岩体 。节理面与加压方向夹角 较小，结构体在压力作用 下，产生楔入效应，退压 后变形难以恢复。（3）上凸形C型p=

11、f(W)， dp/dW随着P增加而减小。 岩体特征：节理裂隙很发育，且具有泥质充填；岩石性质软弱（如泥岩、风化岩）；岩体较深处埋藏有软弱夹层。2.1.2 岩体的压力变形曲线类型（4）复合型PW曲线为阶梯状或S型。岩体特征：岩体中裂隙发育不均。注意： （1）岩体受力时的力学行为十分复杂，它包括：岩石 的压密、节理裂隙的闭合、岩块沿节理的移动、转动，同 时，岩体受压的边界条件又随压力的增大而改变（受压层 深度随p增大而加深），因此，当岩体结构不均时，其压 力变形曲线出现各种复杂的形状是不奇怪的，必须以正 确的概念来解释各种曲线所代表的物理含义，从而弄清岩 体的变形机理。 （2）岩体同样具有弹性、塑

12、性、粘性特性，其相应物 理力学指标的确定同岩石的这些指标的确定是一样的。 2.1.2 岩体的压力变形曲线类型 将加载面及加载体视为半无限体，则计算公式如下： 变形模量： 弹性模量: 式中，E0 为变形模量，MPa，E 为弹 性模量，MPa，p为承压板单位面积上的 压力，MPa；D为承压板的边长或直径。 为与承压板形状和刚度有关的系数, 圆形板为0.785,方形板为0.866；W0为相应于压力p下的总变形量，We为相应于p压力下岩体的弹性变形。需要根据其它方法结果综合确定。 2.1.3 岩体的变形指标分析2.1.4 岩体变形的结构效应 研究岩体中结构面的方向、性质、密度和组合方式对 岩体变形的影

13、响。 （一）结构面方向的影响岩体的变形因结构面与力作用方向之间角度的不同而不同 ，导致岩体变形表现为各向异性，特别表现在岩体中结构面 组数较少时（12组）。 变形最大方向为垂直结构面方向，最小方向为平行结 构面方向；虽然总变形曲线和弹性变形曲线形状相似，但两 者的比值却因方向而异。 在变形最大方向，塑性变形量显著，显示结构面的压 密明显；在变形最小方向，弹性变形量几乎与总变形量相同 ，岩体变形主要为岩石材料的变形。 2.1.4 岩体变形的结构效应（二）结构面性质的影响结构面的性质主要指：张开程度、充填程度、充填物等。结构面性质影响显著。以发育一组裂隙的片麻岩（裂隙和片麻理方位不一致）中 洞室径

14、向变形为例，灌浆前，在低压力（0.40.9MPa）时， 主要沿裂隙法向变形；在较高压力（1.92.4MPa）时，则沿 片麻理法向变形最大。灌浆后，灌浆消除了裂隙法向变形，对片麻理影响甚微。对于较完整岩体，随着RQD降低，模量降低系数近似线性 减小。岩体的完整性系数 较低时，模量比较低，且变化不大；I 值较高时，随着 I 值增加，模量比以线性关系迅速增大。（三）结构面密度的影响反映结构面密度的指标主要有线（面、体）裂隙率 、岩体质量指标RQD，岩体的完整性系数等。 2.1.4 岩体变形的结构效应（四）结构面组合关系的影响 岩体中存在两组以上节理时，结构面排列组合方式不同 ，对岩体变形性质有相当大的影响：孙广忠等对 对缝式组合、错缝式组合岩体进行了研究， 比尔（Beer）对斜缝式组合进行了研究。当然，实际岩体中 总有两组以上结构面，其组合方式也千差万别。2.1.5 岩体动力变形特性 岩体的动力特性：是岩体在动荷载作用下所表现出来 的性质，包括岩体中弹性波的传播规律及岩体动力变形性 质与强度性质。 岩体的动力性质研究用于： （1）岩体的动力稳定性评价； （2）分析岩体结构特征，如完整性，卸荷松弛特征， 不连续面及其展布等； （3）岩体的部分物理力学参数测试。 本节： （1）岩体中弹性波的传播规律 （2）岩体中弹性波速的测定 （3）岩体的动力