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结构面倾角对节理岩体的连通特性和综合抗剪强度的影响

结构面倾角对节理岩体的连通特性和综合抗剪强度的影响
结构面倾角对节理岩体的连通特性和综合抗剪强度的影响

 2002年5月

水 利 学 报SH UI LI X UE BAO 第5期

收稿日期:2001212228

作者简介:杜景灿(1968-),男,山东金乡人,清华大学水利水电工程系岩土工程专业博士研究生,研究方向为岩体力学与岩

体工程.

文章编号:055929350(2002)0520041206结构面倾角对节理岩体的连通特性和综合抗剪强度的影响

杜景灿1,汪小刚2,陈祖煜1,2

(11清华大学水利水电工程系,北京100084;21中国水利水电科学研究院岩土工程研究所,北京100044)

摘 要:本文介绍了一种确定岩体结构面连通率的方法,该方法首先在岩体结构面网络中搜索到结构面-完整岩石组合的最小抗剪力路径,然后在此最小抗剪力路径上计算结构面的连通率.在考虑结构面的倾角后,本文首先推导出计算结构面抗剪应力的公式,进而提出在岩体结构面网络中搜寻最小抗剪力路径的方法.算例分析表明,考虑结构面倾角后,计算得出的结构面的连通率一般变小,而且在变化的幅度上不能忽略.文中还提供了一种新的确定岩体综合抗剪强度的方法,该综合抗剪强度不仅考虑了结构面和岩桥的抗剪破坏机理,还考虑了另一重要因素———结构面倾角的影响.实例分析表明结构面的倾角对确定岩体的综合抗剪强度影响很大.关键词:岩体结构面;节理岩体;网络模拟;倾角;结构面连通率;抗剪强度

中图分类号:T U45文献标识码:A

节理岩体的破坏实际上是在外力作用下,结构面之间的岩桥发生破裂,从而使岩体内的结构面互相组合、相互连接形成破坏面的过程.现在对岩体力学的研究已深入到结构面与结构面以及结构面之间岩桥的相互作用[1~3],但目前能用于解决实际工程中岩体稳定性分析问题的计算程序一般都不能考虑结构面之间的相互作用,因此综合而粗略地考虑结构面与其间岩桥的综合抗剪强度的指标,如M o 2

hr 2C oulomb 破坏准则的C 、φ值等.为了弥合理论研究与实际应用之间的差距,Lajtai [1]、Jennings [2]和

汪小刚、陈祖煜[4]

等提出首先确定岩体内结构面的连通率,然后用连通率作为加权系数,由结构面和岩桥的抗剪强度指标加权求和获取整个岩体的综合抗剪强度.文献[4]中的方法有效地利用了基于结构面现场观测数据而生成的结构面随机网络模拟的成果,并且考虑了结构面的空间分布特征及结构面之间岩桥的破坏机理,基本上可以解决存在多组结构面的情况下岩体结构面连通率的确定问题.但这一方法没有考虑结构面的倾角对确定节理岩体连通率和综合抗剪强度的影响,对于结构面密度较大的岩体,结构面在抵抗剪应力时所起的作用较大,这时考虑结构面的倾角对岩体的连通特性以及岩体的综合抗剪强度的影响是很有必要的.本文方法是对文献[4]中方法的改进.1 基本理论与方法的回顾[4]

111 结构面与岩桥破坏参数的确定 分析结构面的剪切破坏通常使用M ohr 2C oulomb 破坏理论,其

M ohr 2C oulomb 强度参数C 、

φ的值由试验确定.为方便的考虑结构面粗糙度的影响,结构面的抗剪强度τj 亦常使用下述的Barton 公式确定[5]:

τj =σN tan φb +J RC log σc σ

N (1)

式中:φb 为结构面的基本内摩擦角;JRC 为岩壁的粗糙系数;σc 为岩壁的湿抗压强度;σN 为法向有

效应力.

对于岩桥的破坏机理,Lajtai [1]经过详细的试验研究和理论分析后认为,在大多数边坡稳定分析

涉及的正应力范围内,岩桥受剪时,小主应力首先达到岩石的抗拉强度而发生拉伸破坏,可用下式计算岩桥的抗剪强度:

τb =[σt (σt +σN )]12(2)

式中:σt 为完整岩石的抗拉强度;τb 为沿着剪切方向的抗剪强度.

发生拉伸破坏的平面与产生强迫剪切的平面之间的夹角θ为θ=1

2arctan (2τb /σN )(3)图1 结构面和岩桥组合的3种基本形式

112 结构面和岩桥的基本组合形式及其抗剪

力R 的计算 在岩体结构面网络图中,结构

面和岩桥的组合情况是非常复杂的.根据对

网络中结构面和岩桥组合情况的分析,可将

复杂的结构面和岩桥的组合形式分解为图1

所示的3种基本形式.(1)相邻结构面重叠但不相交,如图1(a )所示,此时

R =τj 1l 1+σt h +τj 2l 2(4)

式中:τj 1、τj 2为不考虑结构面的倾角时,结构面的抗剪强度;l 1、l 2为结构面在剪切方向上投影的长度;h 为岩桥在与剪切方向相垂直的方向上的投影;d 为岩桥在剪切方向上投影的长度.

(2)相邻结构面不重叠且不相交,如图1(b )所示,此时又可分为两种情况:当β>θ时,抗剪力R 近似按式(4)计算;当β<θ时

R =τj 1l 1+[σt (σt +σn )]12d +τj 2l 2(5)

式中:σn 为垂直于水平方向上的正应力.

(3)相邻结构面相交,如图1(c )所示,此时

R =τj 1l 1+τj 2l 2(6)

113 不考虑结构面的倾角时岩体二维连通率的确定方法 (1)统计结构面现场观测数据,建立结构

面的几何概率模型,并据此生成岩体结构面的二维网络;(2)由式(1)、

(2)确定所需的力学参数,并根据实际情况确定一个垂直向下的平均正应力σn 值;

(3)在网络图上选定一剪切方向.以该方向为剪切力的方向,根据上述结构面的3种基本组合情况,确定相邻结构面和其间岩桥的抗剪力,由此在网络图上寻找一条由结构面和岩桥组合形成的总抗剪力最小的路径.然后用式(7)确定岩体的二维连通率:

k =∑JL

∑JL +∑RB R (7)

式中:∑JL 和∑RBR 分别代表结构面和岩桥在剪切方向上投影的总长度.

2 考虑结构面的倾角后确定岩体连通率的方法

211 考虑结构面倾角后结构面抗剪力的确定

21111 按M ohr 2C oulomb 强度理论确定沿结构面的抗剪力 在剪切方向与结构面的倾向相反时,如图2

所示.取结构面上一水平方向单位宽度的岩体为隔离体,因此重力W =1?σn =σn .设剪切方向与水

平面的夹角为α,结构面的倾角(即与水平面的夹角)为β;结构面的抗剪强度参数分别为C 、

φ.图中P 为由摩擦角φ引起的抗剪力S 1与下盘岩体对隔离体正压力的反力N 的合力;S 2为由凝聚力C —

24—

引起的抗剪力;T 为在隔离体上施加的剪切力.图2中M 2M ′为与合力P 相垂直的方向,N 2N ′为结构面AB 的法线方向.在极限平衡状态下,由垂直于P 方向(即M 2M ′方向)上力的平衡条件为

T cos (α+β+φ)=W cos (90°-β-φ)+S 2cos φ.

图2 结构面倾向与剪切方向相反时的受力平衡示意

假定τ为单位宽度的岩体沿剪切方向的平均抗剪应力.对单位宽度的隔离体,将Τ=1?

τ,W =σn ,S 2=c ?

1/cos β=C /cos β代入上式,并整理,可以得到极限平衡状态下在单位宽度岩体上所需施加的剪切力为

τ=

σn sin (β+φ)+C cos φ/cos βcos (α+β+φ)

(8) 由式(8)可见,在剪切方向与结构面的倾向相反时,要使上盘岩体滑动,则在水平方向单位宽度岩体上需施加的剪切力τ随着结构面倾角β和剪切方向与水平方向的夹角α的增大而增大.而当(α+β+φ)≥90°时,τ→∞.这时结构面已不可能起减小抗剪力的作用,可以在计算抗剪力时忽略这种结构面的影响.

图3 结构面倾向与剪切方向相同时的受力平衡示意

在剪切方向与结构面的倾向相同时,如图3所示,可以类似地由M 2M ′方向上力的平衡条件,推导出在极限平衡状态时水平方向单位宽度岩体的抗剪切力为

τ=σn sin (φ-β)+C cos φ/cos βcos (α+φ-β)(9) 式(9)表明,剪切方向与结构面的倾向相同时,上盘岩体滑动所需施加在单位宽度岩体上的剪切力τ随结构面倾角β的增加而增大,但随着剪切方向与水平方向的夹角α的增大而减小.当结构面的倾角β增大到某一值β0时,τ将等于零;当β>β0时,τ<0,这在实际情况中是不可能出现的,所以这时取τ=0.

21112 按Barton 公式确定沿结构面的抗剪力 当结构面倾向与剪切方向相反时,如图2所示,设S (S =S 1+S 2)为上盘岩体受到的沿结构面的抗剪力,N 为下盘岩体对上盘岩体的的正压力,其它符号同前.在极限平衡状态下,由沿结构面方向(即AB 方向)和N 2N ′方向力的平衡条件为

S +W cos (90°-β

)=T cos (α+β)N =W sin (90°-β

)+T sin (α+β).

将T =1?τ,S =τb ?1/cos β,W =1?σn ,N =σn ?

1/cos β及式(1)代入并整理,可以得到结构面倾向与剪切方向相反时,极限平衡状态下在单位宽度岩体上需施加的剪切力为

τ=[(σn cos

β+τsin (α+β)]?tan φb + J RC log σc (σn cos β+τsin (α+β))cos β+σn sin βcos (α+β)(10)

同理可导出结构面倾向与剪切方向一致时,极限平衡状态下单位宽度岩体上结构面的抗剪力公式为

τ=(σn cos β+τsin (α-β))?tan φb + J RC log σc (σn cos

β+τsin (α-β))cos β-σn sin βcos (α-β)(11)式(10)和式(11)可以用数值迭代方法[6]

求解.

212 考虑结构面倾角后岩体连通率的确定 考虑结构面倾角后,仍采用113的步骤在结构面网络图中搜寻抗剪力最小的路径,并确定结构面的连通率,不同之处是将式(4~6)中结构面的抗剪强度改用式(8)、式(9)或式(10)、式(11)代替.

图4 考虑直接将结构面组成的突出部分剪去的情况

另外,在如图4所示的情况下,沿路径1由式(4)~式(5)计算所得的抗力R 1要与直接将岩体凸起部分沿剪切方向剪去时的抗剪力R 2=τb l 2(

R 2为沿路径2的抗剪力,l 2为路径2的长度)相比较.如果R 1>R 2,则岩体直接沿剪切方向被剪断,这时选择路径2为剪切路径.

考虑结构面的倾角后,仍可由式(7)确定节理岩体的连通率,只是式中的

∑JL 和∑RB R 分别代表滑裂面上结构面的总长度和岩桥的总长度.

(图中黑粗线代表剪切路径通过已有的结构面,虚线表示剪切路径穿过岩桥)

图5 含3组结构面的岩体剖面(20m ×8m )

213 算例 图5为内含3组节理的岩体,其中两组节理与水平方向的夹角为30°,组内结构面的间距为210m ,另一组倾角为零.因为两组倾斜的结构面相互交叉,所以如果不考虑结构面倾角的影响,则岩体100%连通,连通率k =1.这种情况下计算的连通率主要由两组倾斜的结构面控制.

如果考虑结构面倾角的影响,取结构面的摩擦角为35°,凝聚力为0;取岩桥的抗拉强度(即为完整岩块的抗拉强度)为110MPa ;则由212中所述的方法计算搜索到的总抗剪力最小的路径如图5(b )所示.由此而得到的最小抗力剪切路径上的连通率k 仅为013.由图5(b )可见,考虑结构面的倾角后,连通率的大小主要由与剪切方向一致的结构面,即倾角为零的结构面控制.因此,结构面的倾角对计算岩体的连通率有重要的影响,是不能忽略的.

44—

3 节理岩体的综合抗剪强度

311 节理岩体综合抗剪强度的确定 使用上述确定节理岩体连通率的方法还可以模拟节理岩体的现场大型剪切试验,从而直接确定节理岩体的综合抗剪强度.其方法如下:

(1)首先假定一个垂直向下的平均正应力σ

n1

,使用212的方法确定对应于该正应力的最小总抗

剪力R

1

,由此可以确定单位宽度岩体的平均抗剪力τ1:

τ

1

=R1/B(12)

式中:B为计算R

1

时剪切带的宽度.

(2)改变平均正应力分别为σ

n2、σ

n3

,使用同样的方法可以确定对应于正应力σn2和σn3下单位宽

度岩体的平均抗剪力τ

2和τ

3

.

(3)由M ohr2C oulomb强度理论,可以拟合相应的正应力范围内节理岩体的M ohr2C oulomb强度包线,并确定其M ohr2C oulomb强度指标C和,如图6所示.

312 算例分析 对于如图5所示的节理岩体,如果忽略结构面倾角的影响,岩体为100%连通,其抗剪强度包线为(表1、图7):τ=σ

n

tan35°.考虑结构面的倾角后,取正应力分别为015MPa、110MPa、

115MPa和210MPa,按312中所述方法计算,所得的极限平衡状态下的抗剪应力如表1所示

.

图6 节理岩体综合抗剪强度包线示意

表1 节理岩体抗剪应力的计算值

正应力σnΠMPa

0150110011502100抗剪应力ΠMPa(考虑倾角前)0135017011051140抗剪应力ΠMPa(考虑倾角后)01530199114011

64

图7 岩体综合抗剪强度包线拟合示意

根据摩尔2库仑理论,由表1的抗剪应力和

对应的正应力可以经线性拟合得到图5所示节理

岩体的综合抗剪强度指标.拟合直线与拟合方程

如图7所示.由图7可见,考虑结构面的倾角

后,在015~210MPa的正应力范围内,岩体的综

合抗剪强度与相应的正应力之间存在较好的线性

关系.根据拟合直线方程可知岩体综合抗剪强度

指标为:C=0121MPa;φ=arctan(017424)=37°.

4 结论

(1)如果不考虑剪切过程中结构面倾角的影响,则会使得倾向与剪切方向相反的结构面(尤其是视倾角较陡的结构面)过多地进入破坏路径,增加节理岩体的连通率.考虑结构面的倾角后,与剪切方向一致的结构面对计算连通率的影响增大,剪切路径变得平缓,计算所得到的连通率变小.(2)考虑结构面的倾角的影响,一般情况下将增加岩体抵抗剪切的能力,计算所得到的岩体的综合抗剪强度相应增大.(3)考虑结构面的倾角而引起的岩体连通率和抗剪强度的变化通常很大,是不可忽略的.在实际的分析计算中,一般要按113的步骤多次进行结构面的网络模拟,并据此计算岩体的连通率和综合抗剪强度,然后取其平均值.根据M onte Carlo方法的原理,这一平均值将随着模拟计算次数的增

加而趋于真值.本文方法已应用到东风、小湾水电站、长江三峡永久船闸、恰普其海和糯扎渡等工程的边坡稳定分析中.

参 考 文 献:

[1] Lajtai E Z.S trength of discontinuous rocks in shear[J].G eotechnique,1969,19(2):218-233.

[2] Jennings J E.A mathematical theory for the calculation of the stability of open cut mines[A].Johannesburg:Proc.Sym2

posium on the Theoretical Background to the Planning of Open Pit M ines[C].1970,87-102.

[3] E instein H H,S tephanss on O.Fracture systems,fracture propagation and coalescence[A].Melbourne,Australia:G eo2

eng2000-An International C on ference on G eotechnical&G eological Engineering[C].2000,1-41.

[4] 汪小刚,陈祖煜,孙文松.应用蒙特卡罗法确定节理岩体的连通率和综合抗剪强度指标[J].岩石力学与

工程学报,1992,11(4):345-355.

[5] C ommittee on field tests2document N o.4October1977.International s ociety for rock mechanics commission on standard2

ization of laboratory and field tests[J].Int.J.R ock Mech.M in.Sci.&G eamech.Abstr,1978,15:319-368.

[6] 李庆扬,王能超,易大义.数值分析[M].湖北:华中理工大学出版社,1995:207-214.

Determination of persistence and comprehensive shear strength of

jointed rock mass based on w aveness created by dip angle

variations of discontinuities

DU Jing2can1,W ANG X iao2gang2,CHE N Zu2yu1,2

(11Tsinghua Univer sity,Beijing 100084,China;21China Institute o f Water Resources and

Hydropower Research,Beijing 100044,China)

Abstract:This paper presents a method that determines joint persistence ratio by searching in a joint map the joint2intact rock combination with least shear resistance.Equations calculating com prehensive shear strength of rock bridges and joints have been developed.The com prehensive strength considers not only the shear resistance of joints and rock bridges but als o the waveness created by the variations in dip angles between tw o adjacent joints.In general,the joint persistence ratio s o obtained is less than that ob2 tained by neglecting the waveness.Exam ples of practical applications indicated that a proper consideration of the dip angles of the joints is of im portant significance in the determination of the com prehensive shear strength of jointed rock mass.

K ey w ords:discontinuityΠjoint;jointed rock mass;simulating joint netw ork;dip angle;joint persis2 tence ratio;shear strength

6

4

岩质边坡岩体节理结构面抗剪强度的确定方法

龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/245526723.html, 岩质边坡岩体节理结构面抗剪强度的确定方法 作者:刘远亮韩佳泳徐标 来源:《城市建设理论研究》2013年第31期 摘要:在岩质边坡地质勘察工作中,岩体节理结构面的抗剪强度是岩质边坡勘察要确定的重要参数,而节理结构面抗剪强度的确定一直是该领域的技术难题,本文将提出一种新的、操作性强的方法,利用抗圧试验求取节理结构面抗剪强度,并应用到实际边坡勘察工作中,实践证明,通过该方法确定的结构面抗剪强度更接近实际情况并更具有实用意义,而且操作、计算方便,对类似的边坡工程有一定参考价值。 关键词: 地质勘察;节理结构面;抗剪强度 中图分类号:U213.1+3文献标识码:A 引言 结构面是岩体中力学强度较弱的部位或岩性相对软弱的夹层所构成岩体的不连续面,包括了一切的地质分离面。不同的结构面,其力学性质不同、规模大小不一。节理是岩石中的裂隙,其两侧岩石没有明显的位移。地壳上部岩石中最广泛发育的一种断裂构造,而岩体节理结构面抗剪强度是岩质边坡地质勘察工作要确定的重要力学参数,也是影响边坡稳定性的重要因素之一,因为边坡岩体的破坏通常大多是沿结构面发生破坏的,符合―最弱环节‖原理。目前如何求取节理结构面抗剪强度一直是工程界的技术难题。 节理结构面抗剪强度常用的求取方法主要有以下3种:(1)根据试验(原位剪切试验或室内直剪试验)分析选取。(2) 按规范或估算法选取。规范主要有国标、水利及铁路等行业规范标准等。(3)利用极限平衡法或数值分析进行反演确定。 岩体节理结构面抗剪强度确定方法 本文提出一种新的方法,利用―抗圧试验求取节理结构面抗剪强度‖。 1、计算原理:在岩石单轴抗压强度试验中,有大量的试验块体在轴向应力作用下未产生抗压性碎裂破坏,而是沿着岩石的节理面滑动分离成二块(见图1),这类破坏模式计算的抗压强度并不是真正的岩石单轴抗压强度,其数值与典型碎裂破坏模式的抗压强度严重偏小,不宜参加抗压强度标准值的统计计算。而利用这类破坏模式的实验数据,可求得沿节理面滑动的抗剪强度,即节理结构面的抗剪强度。

不同剪切速率下岩石节理的强度特性研究

第25卷 第12期 岩石力学与工程学报 V ol.25 No.12 2006年12月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Dec .,2006 收稿日期:2005–12–21;修回日期:2006–03–06 基金项目:国家自然科学基金重点项目(50439030);国家重点基础研究发展规划(973)项目(2002CB412705) 作者简介:李海波(1969–),男,博士,1988年毕业于郑州工学院水工专业,现任研究员,主要从事岩石动力学方面的研究工作。E-mail :hbli@https://www.wendangku.net/doc/245526723.html, 不同剪切速率下岩石节理的强度特性研究 李海波,冯海鹏,刘 博 (中国科学院 武汉岩土力学研究所,湖北 武汉 430071) 摘要:不同剪切速率作用下岩石节理强度特性是研究地震荷载作用下岩体结构响应和安全的基本参数,通过RMT –150C 电伺服试验机,利用人工浇铸的表面为锯齿状的混凝土岩石节理试样,研究不同剪切速率下各种岩石节理起伏角度岩石节理的强度特征。试验结果发现:(1) 岩石节理面的峰值剪切强度随着剪切速率的增大而减小,减小幅度随着剪切速率的增大变小;(2) 岩石节理面的峰值剪切强度随着起伏角度的增大而增大;(3) 岩石节理面的峰值剪切强度随着法向应力的增大而增大,基本成线性关系。最后,基于试验的结果提出考虑不同剪切速率的岩石节理峰值强度模型。 关键词:岩石力学;岩石节理;剪切速率;起伏角度;峰值剪切强度 中图分类号:TU 452 文献标识码:A 文章编号:1000–6915(2006)12–2435–06 STUDY ON STRENGTH BEHA VIORS OF ROCK JOINTS UNDER DIFFERENT SHEARING DEFORMATION VELOCITIES LI Haibo ,FENG Haipeng ,LIU Bo (Institute of Rock and Soil Mechanics ,Chinese Academy of Sciences ,Wuhan ,Hubei 430071,China ) Abstract :Strength of rock joints under different shear deformation velocities is the basic information to assess the response and safety of rock structures under earthquake. By using the RMT –150C servo-test system ,artificial concrete joint samples with hammered surfaces have been employed to study the strength of rock joints under different shearing velocities. Based on the experimental results ,it can be found that the peak shear strength decreases with the increase of shear deformation velocity ;and that the decreasing rates decrease with the increment of shearing deformation velocity. It is also indicated that the peak shear strength of rock joints clearly increases with the increase of normal stress and undulation angles at different shear deformation velocities. Based on the experimental results ,a model to describe the peak strength of rock joints with shear deformation velocity and undulation angle is presented. Key words :rock mechanics ;rock joints ;shearing deformation velocity ;undulation angle ;peak shear strength 1 引 言 岩石节理的强度和变形特征是分析地震荷载作用下岩体边坡及硐室安全和响应的基本参数。从荷载特征上看,地震既是动荷载又是往复荷载,因此, 在地震荷载作用下,岩石节理的强度和变形等力学特性一方面受往复荷载的影响,另一方面也受荷载速率影响。基于这一认识,国内外研究人员进行了一些探讨性的工作,主要集中在往复循环荷载作用下岩石节理力学特性的研究方面。J. C. Jaeger [1]和M. E. Plesha [2]等对新鲜岩石节理面进行循环剪切试验。

《岩体力学》教学大纲

《岩体力学》课程教学大纲 撰写人:学院审批:审批时间:年月日一.课程基本信息 开课单位:土木工程与建筑学院 课程编号:01z20044b 英文名称:Rock Mass Mechanics 学时:总计32学时,其中理论授课32学时,实验(含上机)0学时 学分:2.0学分 面向对象:2008级及以后年级的土木工程与工程管理本科专业学生 先修课程:《高等数学》、《土木工程概论》、《材料力学》、《普通地质学》、《弹性力学》、 《工程地质》、《计算机文化基础》等。 教材:《岩体力学》,沈明荣,陈建峰编著,上海:同济大学出版社,2006年07月,第三版。主要教学参考书或资料: 1.《岩体力学》,阳生权,阳军生编著,北京:机械工业出版社,2008年09月,第一版。 2.《岩石力学》,徐志英编著,北京:水利水电出版社,2007年07月,第三版。 3.《岩石力学》,张永兴编著,北京:中国建筑工业出版社,2008年03月,第二版。 4. GB 50218—94 工程岩体分级标准. 5. GB 50021—2001 岩土工程勘察规范. 6.《岩土工程手册》,岩土工程手册编委会编著,北京:中国建筑工业出版社,1999。 二.教学目的和任务 岩体力学是一门应用型基础学科,是属土木工程专业任选课。本课程的教学目的是通过课堂教学,使学生掌握岩石、岩体的基本概念,掌握地下洞室、岩质边坡和地基工程的稳定性分析方法及其基本的设计方法,并了解岩体力学的新理论新方法,掌握常用试验、测试的原理与方法。 三.教学目标和要求 通过本课程的学习,充分理解并掌握岩石基本参数的概念,影响因素,试验方法;掌握莫尔强度理论和格里菲斯强度理论;对工程中一般岩体力学问题具有一定的分析和计算能力,如洞室围岩稳定性分析、岩质边坡稳定性分析、坝基稳定性分析等.同时,学生具有正确进行数字计算的能力,掌握测量岩石主要参数的操作能力,具有分析试验数据和编写报告的能力。四.教学内容、学时分配及其基本要求 第一章绪言(学时:2) 授课内容:岩体力学的定义、岩体与岩石的区别和联系、岩体力学的发展历史与现状、岩体力学的研究任务与内容、常见岩体工程问题以及学习和研究岩体力学与工程问题的常用方法。基本要求:掌握岩体力学和岩体工程的定义,了解岩石与岩体的基本区别和联系。了解常见岩体工程问题,了解岩体力学发展历史与现状,以及学习和研究岩体力学与工程问题的常用方法。 岩石的基本物理力学性质(学时:4) 授课内容:岩石的基本物理性质,岩石的强度特性,岩石的变形特性,岩石的强度理论。 基本要求:了解岩石的基本物理性质;一般掌握岩石物理特性、强度的测量方法;了解岩石的成分及结构与力学性质的关系;重点掌握岩石在拉伸、单向压缩、剪切、三轴压缩条件下的强度和变形特性,常用的岩体强度理论中的格里菲斯强度理论、莫尔强度理论,并能够运用有关理论解决有关岩石力学问题。 岩体的动力学性质(学时:2)

最新一般岩石的抗压强度

一般岩石的抗压强度 1、岩浆岩类 (1)坚硬—软弱块—层状基性喷出岩。火山熔岩为块状,较坚硬—坚硬,干抗压强度48.0—193.0兆帕,软化系数0.64—0.99,岩体稳定性较好;火山碎屑岩为似层状或层状,软弱—较坚硬,干抗压强度 10.9—56.0兆帕,软化系数0.43—0.54,岩体稳定性差。力学强度的高低与岩石的节理裂隙发育和风化程度有关。中等风化玄武岩强度为微风化—新鲜的20—50%;火山碎屑岩易受风化,中等风化的锤击易碎。 (2)坚硬—较坚硬层状中—酸性喷出岩。岩石干抗压强度多大于108兆帕。流纹岩垂直和水平方向上的力学强度变化较大,在一定条件下可成为岩组中相对软弱的夹层。使岩体稳定性变差。 (3)坚硬块状侵入岩。岩石以中—粗粒或斑状结构为主,块状构造,新鲜者致密坚硬,裂隙不发育,力学强度普遍较高,尤其是新鲜花岗岩,抗压强度一般大于98兆帕。 2.变质岩类 (1)软硬相间薄—中厚层状变质砂页岩。岩层厚薄不等,软硬相间,岩石的完整性和抗风化能力差异很大,力学强度各向异性。片岩、千枚岩、板岩等软弱岩石,节理裂隙较发育,垂直干抗压强度12.0—113兆帕;石英岩、变质砂岩、硅质岩等硬质岩石,较坚硬—坚硬,垂直干抗压强度43.0—260兆帕,最高达338兆帕。风化岩石干抗压强仅40—90兆帕。 (2)坚硬块状混合岩类。岩石呈块状,完整性好,坚硬,干抗压强度59—196兆帕,强风化者为22兆帕。 (3)软弱碎裂状构造岩。岩石破碎,透水性强,压碎花岗岩垂直饱和抗压强度为73兆帕,部分小于20兆帕。 3.碎屑岩类

(1)软弱—较坚硬,中—厚层状红色砂泥岩。岩石呈不等厚互层状。力学强度因岩性不同而异。砂岩,砾岩等岩石较坚硬,干抗压强度多大于50兆帕,风化岩干抗压强度一般小于50兆帕。泥岩、粘土岩等垂直干抗压强度为11.8—17.0兆帕。 (2)软硬相间薄—中层状砂页岩。页岩常夹砂岩或与砂岩互层产出。砂岩干抗压强度为100—169兆帕,比片岩高几倍至十几倍,而砂岩强度又容易受风化影响,风化者为3.8—27兆帕,半风化者60— 70.3兆xx。 (3)坚硬—较坚硬中厚层状砂砾岩。岩石致密坚硬,抗水性和抗风化能力强,力学强度高,抗压强度多大于98兆帕。 (4)软硬相间层状碎屑岩夹碳酸盐岩。碳酸盐岩、石英砂岩、粉砂岩等抗压强度较高,页岩抗压强度低。但碳酸盐岩因岩溶发育,强度有所降低,尤其在断裂破碎带。 4.碳酸盐岩类 该岩类的工程地质特征主要与岩石的岩溶化程度有关。 (1)坚硬—较坚硬中—厚层状强岩溶化碳酸盐岩。包括灰岩、白云质灰岩、白云岩,岩溶率8—35%,新鲜岩石抗压强度一般大于98兆帕。(2)坚硬—较坚硬中—厚层状中等岩熔化碳酸盐岩。主要为灰岩、白云岩化灰岩、生物灰岩、白云岩等,沿断裂及褶皱轴一般发育有溶隙、溶洞、暗河等。岩溶率一般为1.2—3.3%,岩溶发育深度在100米心内。干抗强度69.5—107.7兆帕,饱和抗压强度 51.0—75.5兆帕,干抗剪强度8.0—12.7兆帕。 (3)坚硬—较坚硬中—厚层状弱岩溶化碳酸盐岩。主要岩石为灰岩、泥质灰岩、白云质灰岩、硅质灰岩、白云岩等,裂隙和岩溶发育程度差,灰岩抗压强度为60.7—66.1兆帕。

3 水对岩石强度的影响

前已述汲水对岩石强度影响: 膨胀、崩解、溶解 水→岩软化 渗透→水压水 对岩石强度有影响的是孔隙和裂隙中的水压力,统称为孔隙水压力,用p w表示。如果饱和岩石在荷载作用下不易排水或不能排水,那么,孔隙或裂隙中的水就有孔隙压力,岩石固体颗粒承受的压力将相应的减少,强度则降低。 对岩石中有连接的孔隙(包括细微裂隙)系统,施加应力σ,当

有孔隙水压力p w时,岩石的有效应力为 σ—岩石总应力(MPa);σ'—有效应力(MPa); p w——孔隙水压力(MPa) 在有孔隙水压力作用时,可利用《岩石破坏准则》来分析岩石的稳定性。 1.莫尔摩伦准则

根据莫尔库伦强度理论,考虑有孔隙水压力p w 的作用,其岩石的抗剪强度为: ①?στtg c f ?'+= 或可见,由于p w 的存在,岩石的抗剪强度降低。 ②对于用主应力表示的莫尔库伦破坏准则,考虑p w 作用,则有 c R N +'='?σσ3 1,式中w p -='11σσ,w p -='33σσ 推出 由上式可解得p w ,即岩石从初始作用应力σ1和σ3达到岩石破坏

时所需施加的孔隙水压力: 亭定(Handin)砂岩实验结果,在p w为零时作一系列的实验,绘莫尔应力圆,得到p w=0时的包络线,即岩石强度曲线。 当施加主应力σ1、σ3时,(p w=0)岩石稳定(莫尔圆II),在此主应力下,增加p w直至破坏(莫尔圆I与包线相切)。 从上面分析可见,p w对岩体强度影响很大。在实际工程中,特别是坝址区,对某种岩石,当主应力σ1、σ3一定时,水库蓄水后,如

果有渗流,则p w 从0增加p w ′,当 w p '-1σ 和w p '-3σ的应力圆与包线相切或相交时,岩体将失稳。 2.格里菲思准则 如果把有效应力引入格里菲思破坏准则,用1σ'和3 σ'代替原式中的1σ 和3σ ,即 w p -='11σσ,w p -='33 σσ w p 4331>+σσ时,

节理岩体

3.9. 隐式节理模型: 节理岩(Jointed Rock)模型 岩土材料在各方向上的特性值可能会不同,从而引起各方向在荷载作用下的反应不同,这样的特性叫做各向异性(anisotropic)。各向异性又分为弹性各向异性和塑性各向异性。弹性各向异性是指各方向使用不同的弹性刚度值,塑性各向异性是指像节理岩模型那样在各方向上使用不同的强度特性值。 节理岩模型是各向异性弹性-完全塑性(anisotropic elastic perfectly-plastic)模型,即同时具有弹性横观同性(transversely isotropic elastic)模型和塑性各向异性(anisotropic plastic)模型的特点。节理模型适合于模拟分层的岩石,该模型可模拟具有三个层方向和结合方向的完整岩。完整岩要输入五个参数和一个方向,是属于横观同性弹性材料,其各向异性特点表现在断层等现象上。假定主结合方向的剪切应力遵循库伦(Coulomb)准则,沿着该方向产生最大剪切应力时将产生塑性滑动(plastic sliding)。可以定义三个滑动方向(平面)的强度,第一个平面假定与弹性横观同性方向一致。各平面可具有不同的剪切刚度。 M ajor joint direction 图2.31 节理模型示意图 节理模型适合模拟具有连续的接缝或接缝的集合的岩石,接缝应平行且接缝中不能填充有断层粘土,接缝宽度与结构物的尺寸也要小很多。 节理模型的几个基本特性值如下: A. 完整岩的横观同性弹性特性: ,,,,x z xy zx xz E E G νν B. 三个方向上遵循库伦准则的剪切磨坏参数: ,i i c φ 3.9.1. 横观同性弹性材料刚度 节理模型中的横观同性特性与前面章节中介绍的正交异性材料相同。 3.9.2. 三个方向上的塑性反应 为了考察具有局部坐标系(n, s, t)的平面的塑性条件,需要先计算笛卡尔坐标下的应力。局部坐标应力包括正应力n σ和两个独立的剪切应力 s τ和t τ。 T i i σσ=T (2.96)

破碎岩体强度理论综述

HOEK -BROWN强度准则及其在破碎岩体强 度中的应用 摘要:岩石是有大量岩块和结构面组成的不均匀的各向异性材料。但是因为岩体内部结构的不可预见性和建模、计算能力的限制,很多情况下,只能将岩体作为均匀的宏观复合材料进行研究。如何准确定义破碎岩体的强度成了一个关系计算准确性和工程安全的重要问题。本文阐述了岩石力学中破碎岩体的主要强度理论。并对HOEK -BROWN强度理论的提出、发展、参数的选取与确定及实际应用进行了详细的探讨。 关键词:HOEK -BROWN强度准则,破碎岩体,岩体强度理论 1.研究岩体强度理论的重要性 人类生活和经济活动越来越离不开以岩体为对象的工程建设,例如水利水电工程、铁道交通工程、工业与民用建筑、隧道工程、矿山建筑与开发工程、国防工程、冶金化工、地震与防护工程等。总的来说,它们都需要以研究岩体的力学特征为基础。随着岩体工程的规模、数量及复杂性的增加,所涉及的岩体力学的问题也越来越复杂,以至于经常有重大岩体工程事故发生。美国的圣弗朗斯西重力坝、法国马尔帕塞大坝、意大利瓦扬水电站、加拿大亚当贝克水电站压力管道及日本关门铁路隧道等工程的失败或失事的惨痛教训,使人们意识必须加强岩体力学理论研究和分析,正确把握岩体在外荷载作用下的强度、变形及破坏规律。 2.研究破碎岩体强度的难点 在实际工程中遇到的均质岩体情况很少见,所碰到的岩体绝大多数均被各种结构面切割与破碎。节理是岩体中发育最广泛的一种结构面,在很多情况下节理面的力学性质很软弱。节理的存在严重的破坏了岩体的连续性和完整性,大大改

变了岩体的力学性质。节理岩体工程性质的特殊性主要表现在一下三个方面不连续。节理岩体是由不同规模、不同形态、不同成因、不同方向和不同次序的节理面以及被节理面围限而成的结构体共同组成的综合体,节理岩体在几何上和工程性质上都具有不连续性。由于发育在岩体中的节理面具有明显方向性,受节理面影响,节理岩体的工程性质呈现显著的各向异性。另外,实际工程岩体被节理切割程度的大小也与岩体工程规模有关,工程岩体结构也会随着含节理数的多少而发生变化,如图所示,所考虑的岩体范围越小,岩体中所含有的节理数就愈少,因而岩体的结构类型也就会有所不同。由于节理岩体工程性质的不连续、各向异性以及岩体组成物质的非均质,加之节理面在岩体不同部位发育程度和分布规律的差异,不同工程部位的岩体表现出不同的工程性质。节理在地壳上部岩石中具有广泛的分布,并且在岩体介质中呈现出强度低、易变形的特征。节理的发育常常为大坝、边坡和地下硐室等工程带来隐患,并导致工程岩体的失稳与破坏。地质工程中的岩体强度预测、岩坡稳定性分析、岩基承载力确定、地下硐室围岩稳定性评价及相关的动力学现象围岩垮塌或岩爆均直接或间接与岩体变形及强度特征有关。鉴于此,普遍认为节理岩体变形及强度特征的研究是一个富有挑战性的基础性课题,开展此方面的研究不仅非常必要,而且有着重要的实用价值和工程意义。节理的存在不仅大大改变岩体的力学性质,降低岩体的变形模量及强度参数,并使岩体呈现明显的各向异性。节理岩体变形具有各向异性的特征己为人们所熟知,竖向分布节理岩体的变形模量明显大于水平分布节理岩体的变形模量,这种区别主要在于变形机制不同。垂直节理面的压缩变形量主要是由岩块和节理面压密综合而成,平行节理面方向的压缩变形量主要是岩块和水平节理面的错动构成,节理岩体各方向的变形性质的差异由此而产生。与变形特征相类似,节理岩体也具有明显的强度各向异性特征。通常为了实际的需要将岩石近似地简化为各向同性体,基本上未考虑各向异性的性质,对一种岩石只给出一个确定的强度指标。在实际的岩石试验过程中发现,即使是同一地点取出的岩石,不同方向上的强度试验结果,往往也具有很大的离散性。因为本身就已经是各向异性的岩体,在后期构造改造的作用下,其各向异性表现得更加突出。参照图所示,对不含节理的完整岩体,可认为其在宏观上为均质、各向同性的材料对含有一组、二组或三组节理的岩体,其力学性质通常表现为各向异性若岩体被四组或四组以上的等规模、等间距及强度基

岩体力学课后习题答案

一章: 1.叙述岩体力学的定义. 岩体力学主要是研究岩体和岩体力学性能的一门学科,是探讨岩石和岩体在其周围物理环境(力场、温度场、地下水等)发生变化后,做出响应的一门力学分支。 2.何谓岩石?何谓岩体?岩石与岩体有何不同之处? (1)岩石:由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集而形成的自然物体。(2)岩体:一定工程范围内的自然地质体。(3)不同之处:岩体是由岩石块和各种各样的结构面的综合体。 3.何谓岩体结构?岩体结构的两大要素是什么? (1)岩体结构是指结构面的发育程度及其组合关系;或者是指结构体的规模、形态及其排列形式所表现的空间形态。(2)结构体和结构面。 4.岩体结构的六大类型? 块状、镶嵌、层状、碎裂、层状碎裂、松散结构。 5.岩体有哪些特征? 6.(1)不连续;受结构面控制,岩块可看作连续。(2)各向异性;结构面有一定的排列趋势,不同方向力学性质不同。(3)不均匀性;岩体中的结构面方向、分布、密度及被结构面切割成的岩块的大小、形状和镶嵌情况等在各部位不同,各部位的力学性质不同。(4)赋存地质因子特性(水、气、热、初应力)都会对岩体有一定作用。 二章: 1.岩石物理力学性质有哪些? 岩石的质量指标,水理性质指标,描述岩石风化能力指标,完整岩石的单轴抗压强度,抗拉强度,剪切强度,三向压缩强度和各种受力状态相对应的变形特性。 2.影响岩石强度特性的主要因素有哪些? 对单轴抗压强度的影响因素有承压板、岩石试件尺寸及形状(形状、尺寸、高径比),加载速率、环境(含水率、温度)。对三相压缩强度的影响因素:侧向压力、试件尺寸与加载速率、加载路径、空隙压力。 3.什么是岩石的应力应变全过程曲线? 所谓应力应变全过程曲线是指在刚性实验机上进行实验所获得的包括岩石达到峰值应力之后的应力应变曲线。 4.简述岩石刚性实验机的工作原理?:压力机加压(贮存弹性应能)岩石试件达峰点强度(释放应变能)导致试件崩溃。AA′O2O1面积—峰点后,岩块产生微小位移所需的能。ACO2O1面积——峰点后,刚体机释放的能量(贮存的能量)。ABO2O1——峰点后,普通机释放的能量(贮存的能量)。当实验机的刚度大于岩石的刚度,才有可能记录下岩石峰值应力后的应力应变曲线。 5.莫尔强度理论,格尔菲斯强度理论和E.hoek和E.T.brown提出的经验理论的优缺点? 莫尔强度理论优点是使用方便,物理意义明确;缺点是1不能从岩石破坏机理上解释其破坏特征2忽略了中间主应力对岩石强度的影响;格尔菲斯强度理论优点是明确阐明了脆性材料破裂的原因、破裂所需能量及破裂扩展方向;缺点是仅考虑岩石开裂并非宏观上破坏的缘故。E.hoek和E.T.brown提出的经验理论与莫尔强度理论很相似其优点是能够用曲线来表示岩石的强度,但是缺点是表达式稍显复杂。 6.典型的岩石蠕变曲线有哪些特征?

关于常用的岩土和岩石物理力学参数

(E , ν) 与(K , G )的转换关系如下: ) 1(2ν+= E G () 当ν值接近的时候不能盲目的使用公式,因为计算的K 值将会非常的高,偏离实际值很多。最好是确定好K 值(利用压缩试验或者P 波速度试验估计),然后再用K 和ν来计算G 值。 表和分别给出了岩土体的一些典型弹性特性值。 岩石的弹性(实验室值)(Goodman,1980) 表 土的弹性特性值(实验室值)(Das,1980) 表 各向异性弹性特性——作为各向异性弹性体的特殊情况,横切各向同性弹性模型需要5中弹性常量:E 1, E 3, ν12,ν13和G 13;正交各向异性弹性模型有9个弹性模量E 1,E 2,E 3, ν12,ν13,ν23,G 12,G 13和G 23。这些常量的定义见理论篇。 均质的节理或是层状的岩石一般表现出横切各向同性弹性特性。一些学者已经给出了用各向同性弹性特性参数、节理刚度和空间参数来表示的弹性常数的公式。表给出了各向异性岩石的一些典型的特性值。 横切各向同性弹性岩石的弹性常数(实验室) 表

流体弹性特性——用于地下水分析的模型涉及到不可压缩的土粒时用到水的体积模量K f ,如果土粒是可压缩的,则要用到比奥模量M 。纯净水在室温情况下的K f 值是2 Gpa 。其取值依赖于分析的目的。分析稳态流动或是求初始孔隙压力的分布状态(见理论篇第三章流体-固体相互作用分析),则尽量要用比较低的K f ,不用折减。这是由于对于大的K f 流动时间步长很小,并且,力学收敛性也较差。在FLAC 3D 中用到的流动时间步长,? tf 与孔隙度n ,渗透系数k 以及K f 有如下关系: ' f f k K n t ∝ ? () 对于可变形流体(多数课本中都是将流体设定为不可压缩的)我们可以通过获得的固结系数νC 来决定改变K f 的结果。 f 'K n m k C + = νν () 其中 其中,' k ——FLAC 3D 使用的渗透系数 k ——渗透系数,单位和速度单位一样(如米/秒) f γ——水的单位重量 考虑到固结时间常量与νC 成比例,我么可以将K f 的值从其实际值(Pa 9 102?)减少,利用上面得表达式看看其产生的误差。 流动体积模量还会影响无流动但是有空隙压力产生的模型的收敛速率(见节流动与力学的相互作用)。如果K f 是一个通过比较机械模型得到的值,则由于机械变形将会产生孔隙压力。如果K f 远比k 大,则压缩过程就慢,但是一般有可能K f 对其影响很小。例如在土体中,孔隙水中还会包含一些尚未溶解的空气,从而明显的使体积模量减小。 在无流动情况下,饱和体积模量为: n K K K f u + = () 不排水的泊松比为: ) G 3K (22G 3K u u u +-= ν () 这些值应该和排水常量k 和ν作比较,来估计压缩的效果。重要的是,在FLAC 3D 中,排水特性是用在机械连接的流变计算中的。对于可压缩颗粒,比奥模量对压缩模型的影响比例与流动。 固有的强度特性 在FLAC 3D 中,描述材料破坏的基本准则是摩尔-库仑准则,这一准则把剪切破坏面看作直线破坏面: s 13N f φσσ=-+ () 其中 )sin 1/()sin 1(N φφφ-+=

@@@情境五,2 构件的基本变形与强度计算.

情景五构件的基本变形与强度计算 情境描述 本情境的研究对象是变形固体,属于材料力学的范畴。工程构件的基本变形与强度计算不仅是本情境的学习重点,也是工程力学课程的学习重点。已学过的刚体静力分析的基本概念与理论以及静力平衡问题(属于静力学范畴)为学习本情境打下了基础。情境五将重点讨论工程构件的四种基本变形和强度、刚度计算,除为后续课程(机械构件及工装夹具设计)提供最基本的原理和方法外,还力图为同学们的终身学习与职业生涯发展以及工程素养的培养寻求(奠定)科学支撑。学习目标 ● 明确材料力学的任务、研究对象与方法,理解变形固体的基本假设,认知工程构件的四种基本变形,建立起强度、刚度、稳定性的概念。● 建立起内力、应力的概念,理解并测定材料的机械性能指标,能用截面法求拉(压)杆横截面上的正应力,并能对拉(压)杆进行强度校核、截面尺寸选择和确定结构的许用载荷。 ● 理解连接件剪切与挤压破坏的受力和变形特点,能正确地判断剪切面和挤压面,能熟练运用剪切强度条件和挤压强度条件对连接件进行强度计算。 ● 建立圆轴扭转变形的相关概念,正确绘制扭矩图,熟悉横截面上剪应力的分布规律,并能应用圆轴的强度、刚度条件对扭转圆轴进行设计计算。● 熟悉平面弯曲概念,会将实际受弯构件简化成梁的力学模型,熟悉纯弯曲时截面上正应力分布规律,能绘出弯矩图并对直梁进行弯曲强度计算,找出提高梁弯曲强度的主要措施。 ● 培养工程意识、质量意识与社会责任意识。 学习任务 ● 变形固体及其相关概念认知。 ● 轴向拉(压)杆的变形及其强度计算。 ● 连接件剪切与挤压变形及其实用计算。 ● 圆轴的扭转变形及其强(刚)度计算。 ● 直梁弯曲的强(刚)度计算。 任务五直梁弯曲的强(刚)度计算 【能力目标】 ?能正确地建立剪力方程与弯矩方程并画出剪力图和弯矩图。?能计算纯弯曲梁横截面上的正应力。 ?能运用弯曲强度条件进行设计计算,并能拟定提高梁抗弯曲能力的措施。?能运用梁的刚度条件校核其刚度。 ?会查型钢表。

岩石的基本物理力学性质及其试验方法

第一讲岩石的基本物理力学性质及其试验方法(之一) 一、内容提要: 本讲主要讲述岩石的物理力学性能等指标及其试验方法,岩石的强度特性。 二、重点、难点: 岩石的强度特性,对岩石的物理力学性能等指标及其试验方法作一般了解。 一、概述 岩体力学是研究岩石和岩体力学性能的理论和应用的科学,是探讨岩石和岩体对其周围物理环境(力场)的变化作出反应的一门力学分支。 所谓的岩石是指由矿物和岩屑在长期的地质作用下,按一定规律聚集而成的自然体。由于成因的不同,岩石可分成火成岩、沉积岩、变质岩三大类。岩体是指在一定工程范围内的自然地质体。通常认为岩体是由岩石和结构面组成。所谓的结构面是指没有或者具有极低抗拉强度的力学不连续面,它包括一切地质分离面。这些地质分离面大到延伸几公里的断层,小到岩石矿物中的片理和解理等。从结构面的力学来看,它往往是岩体中相对比较薄弱的环节。因此,结构面的力学特性在一定的条件下将控制岩体的力学特性,控制岩体的强度和变形。 【例题1】岩石按其成因可分为( )三大类。 A. 火成岩、沉积岩、变质岩 B. 花岗岩、砂页岩、片麻岩 C. 火成岩、深成岩、浅成岩 D. 坚硬岩、硬岩、软岩答案:A 【例题2】片麻岩属于( )。 A. 火成岩 B. 沉积岩 C. 变质岩 答案:C 【例题3】在一定的条件下控制岩体的力学特性,控制岩体的强度和变形的是( )。 A. 岩石的种类 B. 岩石的矿物组成 C. 结构面的力学特性 D. 岩石的体积大小答案:C 二、岩石的基本物理力学性质及其试验方法 (一)岩石的质量指标 与岩石的质量有关的指标是岩石的最基本的,也是在岩石工程中最常用的指标。 1 岩石的颗粒密度(原称为比重) 岩石的颗粒密度是指岩石的固体物质的质量与其体积之比值。岩石颗粒密度通常采用比重瓶法来求得。其试验方法见相关的国家标准。岩石颗粒密度可按下式计算 2 岩石的块体密度 岩石的块体密度是指单位体积岩块的质量。按照岩块含水率的不同,可分成干密度、饱和密度和湿密度。 (1)岩石的干密度 岩石的干密度通常是指在烘干状态下岩块单位体积的质量。该指标一般都采用量积法求得。即将岩块加工成标准试件(所谓的标准试件是指满足圆柱体直径为48~54mm,高径比为2.0~2.5,含大颗粒的岩石,其试件直径应大于岩石最大颗粒直径的10倍;并对试件加工具有以下的要求;沿试件高度,直径或边长的误差不得大于0.3mm;试件两端面的不平整度误差不得大于0.05mm;端面垂直于试件轴线,最大偏差不得大于0.25。)。测量试件直径或边长以及高度后,将试件置于烘箱中,在105~110℃的恒温下烘24h,再将试件放入干燥器内冷却至重温,最后称试件的质量。岩块干

动载作用下岩石强度的极限分析

动载作用下岩石强度的极限分析 为进一步探索岩石力学中强度理论与变形破坏规律的内在联系,将岩石在动、静载荷作用下的理论模型与实验现象统一起来,使理论计算和室内实验更好的应用于工程实际。本文依次从准静载,冲击动载和爆炸动载三个方面,通过理论分析和实验室试验两个角度,以统一的极限分析方法开展了岩石强度和损伤特性的研究工作,主要得到以下结论:基于极限分析原理,推导了常规单轴压缩加载时,岩 石粘聚力C和内摩擦角φ与单轴压缩破坏形式之间的理论关系式。归纳总结出岩石在单轴压缩实验中出现的以剪切应力主导的三种典型变形破坏形式,分别为贯穿试件两端的主剪切面破坏形式、圆锥面加拉伸裂纹破坏形式和轴向拉伸劈裂破坏形式。通过计算岩石剪切破坏面面积,运用极限分析方法,得到了准静载下岩石单轴抗压强度的极限分析上限解:该式说明了岩石宏观破坏形式与抗压强度间的对应关系,其中岩石粘聚力C和内摩擦角φ是影响岩石单轴抗压强度的关键因素。 在实验室完成了取自安徽省张集煤矿的多种岩石单、三轴岩石力学性能实验,研究发现:对于每一种岩石试样,采用三种可能出现的单轴剪切破坏形式进行理 论计算,得到的结果与实验直接得到的岩石单轴抗压强度相比,二者平均误差约 为10%;对于某一组岩石试样的单轴压缩结果,总能找到相应的破裂形式与之对应,将实际产生的宏观破坏面积并入计算中,二者的误差稳定缩小至6%左右。基 于理论分析和实验室试验,建立了一种针对Mohr-Coulomb强度理论中粘聚力C 和内摩擦角φ取值的反演分析方法。既然准静载下岩石强度和变形破坏形式间有稳定的相关性,通过对单轴压缩结果的分类计算,可以列出两组以上包含岩石粘 聚力C和内摩擦角φ的二元一次方程,求解该二元一次方程组即可获得相应的未知量。再次,采用取自山西省贾郭煤矿和四川省某采石场的多组岩样进行实验验证,对于同一个取芯钻孔中的岩石试样,其物理力学性质十分接近,实验后形成的宏观破坏形式比较一致,岩石的单轴抗压强度也与宏观破坏形式有良好的对应关系。 以硅质砂岩为例,根据三轴实验结果得到的硅质砂岩粘聚力为38.34MPa,内 摩擦角为40°,采用极限分析法计算得到的硅质砂岩粘聚力为36.58MPa,内摩擦角为30.83。所得结果中二者粘聚力值近乎一致,而采用反演公式计算得到的内 摩擦角比三轴试验直接得到的值偏小约10°。分析原因认为:粘聚力代表了岩石

构件的基本变形与强度练习题

构件的基本变形与强度练习题 构件的基本变形与强度练习题 一.填空题 1. --------------------------------------------------------- 杆件的基本变形有----------------------------- --------------------- 四种。 2.轴向拉伸与压缩的受力特点是: 变形特点是 --------- O 3?杆件所受其他物体的作用力都称为外力。它包括------------- 和 --------------- 杆件内 部由于外力的作用而产生的相互作用力称为

---------- ,在某一范围内随外力的增大而4.单位面积上的内力称为 5?工程中一般把------------- 作为塑性材料的 极限应力,对于脆性材料,则把------------ 作为材料的极限应力。 6. -------------------------------------------- 安全系数反应了-------------------------- 。 7.对于重要的构件和哪些如果破坏会造成重大

事故的构件,应将安全系数取 &当细长杆所受压力达到某个极限时,就会突然 变弯而丧失工作能力,这种现象称为 ------------- ,简称 ----------------- ----------------- , 变形特点是 10?构件发 生剪切变形的同时往往在接触的作用 面之间发生 -------------------------- -------------------- 。变形特点是 12?圆轴扭转时,横截面上只有 --------------- 应力,而没有 ------------- 应力。 13 弯曲变形的受力特点是 ------------------- ,变形特点是 15?根据支 撑方式不同,梁分为 ,三种形式。 9 11 轴扭转的受力特点是

关于常用的岩土和岩石物理力学参数

(E, ν) 与(K, G)的转换关系如下: ) 21(3ν-= E K ) 1(2ν+= E G (7.2) 当ν值接近0.5的时候不能盲目的使用公式3.5,因为计算的K 值将会非常的高,偏离实际值很多。最好是确定好K 值(利用压缩试验或者P 波速度试验估计),然后再用K 和ν来计算G 值。 表7.1和7.2分别给出了岩土体的一些典型弹性特性值。 岩石的弹性(实验室值)(Goodman,1980) 表7.1 土的弹性特性值(实验室值)(Das,1980) 表7.2 中弹性常量:E 1, E 3, ν12,ν13和G 13;正交各向异性弹性模型有9个弹性模量E 1,E 2,E 3, ν12,ν13,ν23,G 12,G 13和G 23。这些常量的定义见理论篇。 均质的节理或是层状的岩石一般表现出横切各向同性弹性特性。一些学者已经给出了用各向同性弹性特性参数、节理刚度和空间参数来表示的弹性常数的公式。表3.7给出了各向异性岩石的一些典型的特性值。 横切各向同性弹性岩石的弹性常数(实验室) 表7.3

流体弹性特性——用于地下水分析的模型涉及到不可压缩的土粒时用到水的体积模量K f ,如果土粒是可压缩的,则要用到比奥模量M 。纯净水在室温情况下的K f 值是2 Gpa 。其取值依赖于分析的目的。分析稳态流动或是求初始孔隙压力的分布状态(见理论篇第三章流体-固体相互作用分析),则尽量要用比较低的K f ,不用折减。这是由于对于大的K f 流动时间步长很小,并且,力学收敛性也较差。在FLAC 3D 中用到的流动时间步长,? tf 与孔隙度n ,渗透系数k 以及K f 有如下关系: ' f f k K n t ∝ ? (7.3) 对于可变形流体(多数课本中都是将流体设定为不可压缩的)我们可以通过获得的固结系数νC 来决定改变K f 的结果。 f 'K n m k C + = νν (7.4) 其中 3 /4G K 1 m += ν f 'k k γ= 其中,' k ——FLAC 3D 使用的渗透系数 k ——渗透系数,单位和速度单位一样(如米/秒) f γ——水的单位重量 考虑到固结时间常量与νC 成比例,我么可以将K f 的值从其实际值(Pa 9 102?)减少, 利用上面得表达式看看其产生的误差。 流动体积模量还会影响无流动但是有空隙压力产生的模型的收敛速率(见1.7节流动与力学的相互作用)。如果K f 是一个通过比较机械模型得到的值,则由于机械变形将会产生孔隙压力。如果K f 远比k 大,则压缩过程就慢,但是一般有可能K f 对其影响很小。例如在土体中,孔隙水中还会包含一些尚未溶解的空气,从而明显的使体积模量减小。 在无流动情况下,饱和体积模量为: n K K K f u + = (7.5) 不排水的泊松比为:

第三章 3 水对岩石强度的影响讲解学习

第三章3水对岩石强度的影响

五、水对岩石强度的影响 前已述汲水对岩石强度影响: 膨胀、崩解、溶解 水→岩软化 渗透→水压水 对岩石强度有影响的是孔隙和裂隙中的水压力,统称为孔隙水压力,用p w表示。如果饱和岩石在荷载作用下不易排水或不能排水,那么,孔隙或裂隙中的水就有孔隙压力,岩石固体颗粒承受的压力将相应的减少,强度则降低。 收集于网络,如有侵权请联系管理员删除

对岩石中有连接的孔隙(包括细微裂隙)系统,施加应力σ,当有孔隙水压力p w时,岩石的有效应力为 σ—岩石总应力(MPa);σ'—有效应力(MPa); p w——孔隙水压力(MPa) 在有孔隙水压力作用时,可利用《岩石破坏准则》来分析岩石的稳定性。 收集于网络,如有侵权请联系管理员删除

收集于网络,如有侵权请联系管理员删除 1.莫尔摩伦准则 根据莫尔库伦强度理论,考虑有孔隙水压力p w 的作用,其岩石的抗剪强度为: ①?στtg c f ?'+= 或 可见,由于p w 的存在,岩石的抗剪强度降低。 ②对于用主应力表示的莫尔库伦破坏准则,考虑p w 作用,则有 c R N +'='?σσ3 1,式中w p -='11σσ,w p -='33σσ 推出

由上式可解得p w,即岩石从初始作用应力σ1和σ3达到岩石破坏时所需施加的孔隙水压力: 亭定(Handin 验结果,在p w 得到p w=0 石强度曲线。 收集于网络,如有侵权请联系管理员删除

收集于网络,如有侵权请联系管理员删除 当施加主应力σ1、σ3时,(p w =0)岩石稳定(莫尔圆II ),在此主应力下,增加p w 直至破坏(莫尔圆I 与包线相切)。 从上面分析可见,p w 对岩体强度影响很大。在实际工程中,特别是坝址区,对某种岩石,当主应力σ1、σ3一定时,水库蓄水后, 如果有渗流,则p w 从0增加p w ′,当 w p '-1σ 和w p '-3σ的应力圆与 包线相切或相交时,岩体将失稳。

岩体的稳定性分析

幻灯片1 第四节:岩体的稳定性分析 一、岩体稳定性与区域稳定性的关系 区域稳定性的主要控制因素,也制约岩体的稳定性。 1)地壳板块的相对运动的强弱导致构造变动和产生高构造应力,从大范围控制了区域地层和岩体变形、位移或失稳。 2)活动性深大断裂活动(水平或垂直位移)引起区域地壳及其表层发生水平或升降运动,可引起位于断裂带的岩体变位或失稳。 3)地震活动在我国有些地区十分强烈,常引起大范围的构筑物的失稳和破坏。 幻灯片2 二、岩体破坏类型分析 1.岩体失稳的主要影响因素 ①受区域地壳稳定性控制。 ②受岩体的结构特征、变形特征、强度特性、水稳性等控制。 ③失稳的边界条件:岩体失稳要有一定的边界条件,即存在临空面和结构面组成的分离体。 ④荷载的类型、大小和方向决定了岩体的受力状态。 ⑤工程类别对岩体失稳方式有重要影响。 幻灯片3 2. 岩体破坏类型分析 ①当区域稳定性为相对稳定,工程岩体条件较好时,岩体失稳破坏的类型取决于边界条件、工程类型及工程荷载性质的组合特点,岩体失稳破坏的方式往往以剪切滑移方式为主。 ②当区域稳定性为相对活动,工程的场地条件较好时 ③区域环境和工程场地均处于突出的高水平构造应力状态时 ④当区域相对稳定,岩体抗压强度较高,不具备滑移的边界条件,地面建筑物承受强大的风荷载时,可能发生张拉破坏导致建筑物倾倒。 幻灯片4 ⑤区域相对稳定,工程场地为河流之滨,岩体本身条件较差,在建筑物荷载的作用下,建筑持力层将发生过大的压缩沉陷变形,与其侧向膨胀变形相对应的侧向压力将使岸坡前持力层发生压缩破坏,导致建筑物向河中倾覆,或沿可能的滑动面滑动。 幻灯片5 3. 岩体稳定分析 国内外应用于岩体稳定性分析的方法有: 地质分析类比法 岩体结构分析与计算法 岩体稳定性分类法 数值模拟计算法 地质模拟试验法等。

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