应用力学课件.ppt

1.3.1 岩体的各向异性 概念： 微观上，岩石的组织结构非均匀，花岗岩（组织致密）也表现出 各向异性，只是程度较小，工程中视为各向同性材料； 宏观上，岩体中结构面的组合、交切，导致岩体各向异性，层状 岩体中尤为突出。 认识：岩体性质的各向异性是岩体主要特征之一； 工程岩体不能简化为各向同性材料，否则会造成重大误差。 研究方法：试验 岩体各向异性 (1). 岩体各向异性性质表现 单向应力状态下岩体中只有一组结构面时结构面产状与抗压强度的关系： 倾角为0时（荷载垂直结构面）， 岩体抗压强度最大； 倾角为45+φ/2（φ为结构面内摩 擦角）时，岩体强度最低。 载荷平行节理时，抗拉强度最大， 载荷垂直层理时抗拉强度最小。 此外，岩体弹性模量也表现出明显 的各向异性 MPa 70 60 50 40 30 20 10 0o 15o 30o 45o 60o 75o 90o 岩体强度随岩层倾角变化 岩体各向异性性质表现 存在两组结构面时： 岩体强度不是两组结构面力学效应之和，而受强度最低一组的控制； 在三向应力状态下： 低围压时，岩体强度的各向异性也较突出； 随围压增加，结构面产状的力学效应逐渐减弱； 高围压下，无论结构面产状如何，岩体强度值趋于单一； 有研究者认为，围压达到单轴抗压强度的1/2左右，各向异性就消失了 小结：岩体各向异性不仅取决于结构面产状，还与应力状态、应力值大 小以及结构面组数有关；同种岩体在不同环境中各向异性表现是不一样 的，具体分析时要考虑到具体条件。 岩体各向异性 (2). 岩体各向异性指标 各向异性系数： 式中 naH——各向异性系数 R⊥——载荷垂直层理时的强度 R∥ ——载荷平行层理时的强度 评价： naH可能1，也可能1，取决于岩体强度是拉伸还是受压。 过于简单，实际上工程岩体中各点强度是不一样的。 岩体各向异性指标 各向异性系数的普遍形式： 结构面倾角β，开挖圆形巷道。此时周边点的强度与坐标有关。 处于拉应力状态时，周边各点强度随 极坐标θ变化。A点为平行层理的拉 伸状态，B为垂直层理的拉伸状态。 AB上其余点需确定该点的各向异性 系数后才能换算出强度。 岩体各向异性系数为： ——拉应力状态下岩体各向异性系数 ——平行、垂直层理抗拉强度 A B θ β 计算简图 岩体各向异性指标 讨论： θ=β时，相当于垂直层理时的强度， θ=90+β时，相当于平行层理时的强度， 其余情况，岩体抗拉强度为 ，如果从巷道周边起的径向方向 表示不同点强度值，则围岩抗拉强度分布为一椭圆形。 处于压应力状态时，同理可得 ——拉应力状态下岩体各向异性系数 ——平行、垂直层理抗拉强度 A B θ β 岩体各向异性指标 讨论： θ=β时，相当于垂直层理时的强度， θ=90+β时，相当于平行层理时的强度， 其余情况，岩体抗压强度为 ，如果从巷道周边起的径向方向 表示不同点强度值，则围压抗拉强度分布为一椭圆形。 处于拉、压应力状态时，则应分区计算。 按上述方法，只要通过试验得到垂直和平行层理的强度，就能确定考虑结构面的岩体强度 1.3.3 岩体强度特征 影响因素： 岩体各向异性； 结构面力学性质、结构面组数、应力状态及环境等因素。 关于岩体强度特征的几点认识： （1）岩体强度低于岩块强度 具有完整结构岩体，强度接近于同种岩石岩块强度；存在一组可能导致整体滑动结构面，则岩体强度受控于结构面强度； 试验表明，岩体单轴抗压强度低于相同应力状态下的岩块强度。多数情况下岩体抗压强度与岩块抗压强度之比约为1：3。 岩体抗拉强度和抗剪强度都低于抗压强度。 岩体强度特征 （2）岩体强度受试件尺寸影响 岩体单轴抗压强度与试件尺寸之间的关系 单向抗压强度，MPa 试件边长，m 2 4 10 20 30 50 100 150 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 随试件尺寸增加，岩体单轴抗压强度减小； 试件尺寸边长超过1m，可不考虑尺寸影响； 岩体强度特征 （3）结构面组数、密度影响岩体强度 单轴抗压强度与结构面数目关系 Rc，MPa 结构面组数 1 2 3