岩体力学特性及其参数确定.ppt

* 关于岩体强度和力学参数确定的方法 研究岩土力学问题，应以固体力学原理为基础，充分考虑其多相构造、加载途径、时间效应、温度效应、胶结性质、节理裂隙、各向异性等特殊性质。但由于岩体是含有大量裂隙、多相介质的复合体，含有地层形成过程中产生的层理、节理、破碎带等异常地质结构，此外还有在采动过程中产生的裂隙以及岩体的破碎等。要准确地把握这种材料的力学性能是异常艰难的。这就严重制约着人们准确地获得问题的条件及岩体应力应变本构关系并建立相应的力学模型，因此常常无法获得问题的精确解。 目前的处理方法大多只能是从宏观上来把握这种材料的力学特性，即把握岩体的宏观力学特性，并在某种假定下对问题进行简化，如简化为平面应变问题，或开展大量的现场试验研究。 岩体的力学特性 岩体破坏可以分为脆性破坏和塑性破坏两种形式。 由于岩体赋存环境的变异性，不能期望得到岩体参数的精确值，只能通过实验室试验或通过对岩体宏观特性的统计分析来预测或估算岩体强度和变形的可能范围。 经过试验对比，一般都认为诸如弹性模量、粘聚力和抗拉强度等煤岩体力学性质的参数取值往往只有煤岩块相应参数值的1／5~1／3，有的差别可能更大，比值达到1／20～1／10，而煤岩体的泊松比一般为煤岩块泊松比的1．2～1.4倍。 岩体的力学特性 岩石的力学特性是通过实验室的三轴压缩试验获得的，实验室三轴压缩试验可分为常规试验和真三轴试验，其中常规三轴试验是在径向压力(围压)σr(σr=σ2=σ3)不变的情况下，增加轴向压力σ1直到岩石试件破坏，得到某一围压作用下的应力-应变曲线，通过改变围压大小，得到一组不同围压作用下的全应力-应变曲线。而真三轴压缩试验是在不同的侧压作用下，即σ2≠σ3时，获得的全应力一应变曲线。 岩体的力学特性 一、岩石单轴压缩试验 图5-1 不同岩性岩石单轴压缩试验的全应力-应变曲线 (a)泥岩；(b)砂质页岩；(c)细砂岩；(d)中砂岩 岩体的力学特性 二、岩石三轴压缩试验 图5-2 岩石全应力-应变曲线及体积应变曲线 (a)应力-应变曲线；(b)体积应变曲线 大量的岩石三轴试验表明：岩石的塑性软化特性和剪胀性是岩石材料的特有性质，研究煤矿巷道围岩稳定性时，尤其要充分考虑这两大特性。 岩体力学参数的合理确定 一、描述岩体力学特性的参数 岩石的力学参数是通过实验室三轴压缩试验获得的，主要包括杨氏模量E、材料的泊松比μ、抗拉强度σt、体积力γ、粘聚力C、内摩擦角?、剪胀角ψ等。 在岩土工程中，一般常用粘聚力和内摩擦角描述岩石的力学特性。本文从工程实用的角度出发，根据粘聚力和内摩擦角的概念，引入广义粘聚力、广义内摩擦角和广义剪胀角，以此描述岩体的力学特性。 根据库仑准则τ=C+σtan?，τ是C和tan?的线性函数，可以通过弱化C 和tan ?来描述岩石的峰后软化特性。根据实验室试验，假设C和tan?服从软化规律： 岩体力学参数的合理确定 一、描述岩体力学特性的参数 式中 rp——广义塑性应变偏量， εijp——塑性应变偏量。 令 ，则上式变为： 岩体力学参数的合理确定 一、描述岩体力学特性的参数 式中 C——瞬时广义粘聚力； ?—瞬时广义内摩擦角； Co——峰值广义粘聚力； ?o——峰值广义内摩擦角； Cm——残余广义粘聚力； ?m——残余广义内摩擦角； rc----广义粘聚力软化系数，反映了广义粘聚力的软化程度； r?——广义内摩擦角软化系数，反映了广义内摩擦角的软化程度； bc——广义粘聚力软化常数，反映了广义粘聚力的软化速度； b?——广义内摩擦角软化常数，反映了广义内摩擦角的软化速度。 rc、r?、bc、b?均为围压的函数。 岩体力学参数的合理确定 二、确定岩体的体积模量K和剪切模量G 杨氏模量E和泊松比μ是表征材料力学属性的两个重要参数。但在一些情况下，E和μ并不能十分有效地反映材料的力学行为，如变形等。因此在一些数值模拟软件中(如FLAC和UDEC)，一般采用体积模量K和剪切模量G。K和G均由杨氏模量E和泊松比μ转化而来，它们的关系如下： 需要注意，当μ接近0．5时，K可能会趋于无穷大，此时不能盲目地进行计算，应根据力学试验或P波波速进行估算。 岩体力学参数的合理确定 二、确定岩体的体积模量K和剪切模量G 此外，岩体的剪切模量还可由下式获得： 式中 G——岩体剪切模量； Gr——完整岩石剪切模量； Ks——节理剪切刚度； s——节理间距。 岩体力学参数的合理确定 三、岩体变形模量的确定 (1)岩体的变形特性一般