岩石力学基础教程课件作者侯公羽第4章节岩体的基本力学性能.ppt

第4章 岩体的基本力学性能 大量实验研究表明：节理的强度低于岩石的强度，而节理岩体的强度在节理的强度和岩块的强度之间，如图4.1所示。 对于具体的结构面，可以对照JRC典型剖面目测确定JRC 值，也可以通过直剪试验或简单倾斜拉滑试验得出的峰值剪 切强度和基本摩擦角来反算JRC值： （4.15） 式中， 是峰值剪切角， ，或等于倾斜试验中 岩块产生滑移时的倾角．为了克服目测确定结构面JRC值的 主观性以及由试验反算确定JRC值的不便，近年来国内外学 者提出应用分形几何方法描述结构面的粗糙程度。 结构面的力学性质具有尺寸效应。Barton和Bandis(1982) 用不同尺寸的结构面进行了试验研究，结果表明：当结构面的 试块长度从5~6 cm增加到36~40 cm时，平均峰值摩擦角降低约 8°~12°．随着试块面积的增加，平均峰值剪切应力呈减少趋 势。结构面的尺寸效应，还体现在以下几个方面： ①随着结构面尺寸的增大，达到峰值强度时的位移量增大； ②由于尺寸的增加，剪切破坏形式由脆性破坏向延性破坏转化； ③尺寸加大，峰值剪胀角减小， ④随结构面粗糙度减小，尺寸效应也在减小。 已有研究表明，泥化物中有大量的亲水性粘土矿物，一般水稳性都比较差，对岩体的力学性质有显著影响。一般来说，主要粘土矿物影响岩体力学性能的大小顺序是：蒙脱石伊利石高岭石。表4.4汇总了不同类型软夹层的力学性能[3]，从表中可以看出，软弱结构面抗剪强度随碎屑(碎岩块)成分与颗粒尺寸的增大而提高，随粘土含量的增加而降低。 0.03～0.15 0.65～0.85 含铁锰质角砾破碎夹层 0～0.1 0.5～0.6 破碎夹层 0.02～0.04 0.3～0．4 破碎天泥层 0.005～0.02 0.1 5～0.25 泥化夹层和夹泥层 粘结力／MPa 摩擦系数 软弱夹层物质成分 表4.4 夹层物质成分对结构面抗剪强度的影响 4.5 岩体的强度及其影响因素分析 岩体强度是指岩体抵抗外力破坏的能力。它有抗压强度、抗拉强度和抗剪强度之分，但对于裂隙岩体来说，其抗拉强度很小，加上岩体抗拉强度测试技术难度大，所以目前对岩体抗拉强度研究很少，本节主要讨论岩体的抗压强度和抗剪强度。 岩体是由岩块和结构面组成的地质体，因此其强度必然受到岩块和结构面强度及其组合方式(岩体结构)的控制。 研究表明，裂隙岩体的强度介于岩块强度和结构面强度之间。它一方面受岩石材料性质的影响，另一方面受结构面特征(数量、方向、间距、性质等)和赋存条件(地应力、水、温度等)的控制。 4.5.1 岩体强度的测定 岩体强度试验是在现场原位切割较大尺寸试件进行单轴压缩、三轴压缩和抗剪强度试验。为了保持岩体的原有力学条件，在试块附近不能爆破，只能使用钻机、风镐等机械破岩，根据设计的尺寸，凿出所需规格的试体。一般试体为边长0.5~1.5m的立方体，加载设备用千斤顶和液压枕(扁千斤顶)。 岩体单轴抗压强度的测定 切割成的试件如图4.13所示。在拟加压的试件表面(在图4.13中为试件的上端)抹一层水泥砂浆，将表面抹平，并在其上放置方木和工字钢组成的垫层，以便把千斤顶旌加的荷载经垫层均匀传给试体。根据试体破坏时千斤顶施加的最大荷载及试体受载截面积，计算岩体的单轴抗压强度。 图4.13 岩体单轴抗压强度测定 1为方术；2为工字钢；3为千斤顶；4为水泥砂浆 岩体抗剪强度的测定 一般采用双千斤顶法：一个垂直千斤顶施加正压力，另一个千斤顶施加横向推力，如图4.14所示。 图4.14 岩体抗剪强度 为使剪切面上下不产生力矩效应，合力通过剪切面中心， 使其接近于纯剪切破坏，另一个千斤顶成倾斜布置。一般采取 倾角 =15°。试验时，每组试体应有5个以上，剪切面上应力 按(4.16)式计算。然后根据 、 绘制岩体强度曲线。 式中，P，T分别为垂直横向千斤顶施加的荷载；F为试体受 剪截面积。 （4.16） 岩体三轴压缩强度的测定 地下工程的受力状态是三维的，所以做三轴力学实验非常 重要，但由于现场原位三轴力学试验在技术上很复杂，只在非 常必要时才进行，现场岩体三轴试验装置如图4.15所示：用千 斤顶施加轴向荷载，用压力枕施加围压荷载。 根据围压情况，可分为等围压三轴试验()真三轴试验。近 期研究表明，中间主应力在岩体强度中起重要作用，在多节理 的岩体中尤其重要，因此，真三轴试验越来越受重视，而等围 压三轴试验的实用性更强。 图4.15 原位岩体三轴实验 1为混凝土顶座；2为垫板；3为顶柱；4为垫板；5为球面垫；6为垫板；7为压