巖石力學》課件完整版-文庫吧

【正文】 1]21 )1(2[/ ??? ??sp VV? sp VV /sp VV /三、巖體彈性波速得測定 （一）巖塊聲波傳播速度室內(nèi)測定 測定時，把聲源和接收器放在巖塊試件得兩端，通常用超聲波，其頻率為 1000Hz－ 2MHz。（ 示波見圖 3－ 1） 聲波儀 巖石試件 l發(fā)射傳感器 耦合濟 接收傳感器 SSPPtlVtlV//??測出 SP tt注： 由于縱波比橫波較后到達，因此橫波易受干擾，難于分辨，所以準確得測出橫波時很重要的。中國科學院巖土力學研究所建議用下述方法： （ 1）用激發(fā)橫向振動的 PZT型壓電晶片作橫波換能 器（圖 3－ 2a） （ 2）利用固體與固體的自由邊表面產(chǎn)生反射橫波（圖 3－ 2b） （ 3）利用水浸法量測試件的橫波（圖 3－ 2c） （二）巖體聲波傳播速度的現(xiàn)場測定 巖體聲波的傳播速度可以在 巷道幫面 或 平坦的 巖面 上測定。現(xiàn)場量測彈性波速度 的方法如圖（ 33）所示。 ? 量出聲源與接收器之間的距離 如圖 3－ 3中的 D1或 D2 ? 測出 P波和 S波傳播的時間 SP tt? 計算彈性波速度 Vp和 Vs （三）巖體彈性波測定結(jié)果 巖體中彈性波速經(jīng)過室內(nèi)外測定與歸納，得結(jié)果間表 3－ 1。 由表可見，巖體縱波波速變化范圍較大， 受各種因素影響。一般來說， ? 巖塊波速要大于巖體波速； ? 新鮮完整得巖體波速大； ? 裂隙越發(fā)育和風化破碎巖體的波速越小。 根據(jù)實驗結(jié)果整理的巖體動彈性模量見表（ 3－ 2） 動彈性模量與靜彈性模量的比值 ? 一般來說，巖體越堅硬越完整，則差值越小，否則，差值就越大。 ? 根據(jù)對比資料的統(tǒng)計，動彈性模量比靜彈性模量高百分之幾至幾十倍，如圖 3－ 4所示。 ? 從動彈性模量的數(shù)字來看，多集中在 之間。 M P a33 10501015 ???圖 34 返回 第二節(jié) 影響巖體波速的因素（ 5方面因素） 一、巖體彈性波速與巖體種類、巖石密度和 生成年代有關 ，波速越大 ，彈性波的速度也相應增加 表 3－ 1表示了各類巖石的彈性波速與巖石種類之間的關系。 圖 3－ 5從實例統(tǒng)計的角度，表示了各類巖 石的彈性波速及密度之間的關系。 ? ??PV二、巖體波速與巖體中裂隙或夾層的關系 彈性波在巖體中傳播時，遇到裂隙，則視充填物而異。若裂隙中充填物為空氣，則彈性波不能通過，而是繞過裂隙斷點傳播。在裂隙充水的情況下，聲能有 5％可以通過，若充填物為其他液體或固體物質(zhì)，則彈性波可部分或完全通過。彈性波跨越裂隙寬度的能力與彈性波的頻率和振幅有關 . ，跨越裂隙寬度俞大，反之俞小 圖 37 2. 裂隙數(shù)目越多，則縱波速度愈小 三、巖體波速與巖體的有效孔隙率 n及吸水率 有關 一些巖漿巖，沉積巖和變質(zhì)巖的縱波速度與有效孔隙率 n之間的關系見圖 3－ 9所示。 fW從圖中可以看出： 加，縱波波速則急劇下降 圖 3－ 10表示了縱波波速與吸水率之間的關系。 從圖中可以看出： 增加，縱波波速急劇的下降 四、巖體波速與各向異性性質(zhì)有關 巖體因成巖條件、結(jié)構(gòu)面和地應力等 原因而具有各向異性，因而彈性波在巖體 中的傳播、巖體動彈性模量等也具有各向 異性。表 3－ 6看出： 平行層面波速 /垂直巖層波速＝各向異性系數(shù) C C=； 多數(shù)： C= 相當一部分： c= 表 3－ 6 各向異性系數(shù)數(shù)值在 － ；絕大部分小于 ，縱波波速各向異性系數(shù)愈小 由表可見，所有系數(shù)均大于 1；其最大系數(shù)在 五、巖體受壓應力對彈性波傳播的影響 （一）室內(nèi)測試的結(jié)果 巖石在壓應力作用下，對彈性波的波速和 動彈性模量有一定的影響，受力狀態(tài)可分 靜水壓縮 、 三向壓縮 和 單向壓縮 ，量測方 式可分為 平行 或 垂直于最大應力 。 在單向壓縮且垂直應力方向測試巖石的波速時，所測波速有較明顯的影響；其它加載方法對所測波速的影響比較小，見圖 3－ 11， 12 均勻壓縮 單向壓縮 環(huán)向壓縮 從圖中可以看出，隨著壓力的增大，縱波的波速亦隨之增大。縱波增加的波速，在開始階段較快，然后逐漸變小，最后可能不增加。 ，當垂直于層面加載時，在低應力階段波速急速隨應力增長而增加， 當波速超過平行層面方向的波以后，增長變慢。 如圖 3－ 13所示 縮后，量測的波速因方向的不 同而不同 與壓應力相同方向上的縱波波速，在低應力階段波速急速增長，達到一定程度后增速減緩 與壓應力垂直方向上的縱波波速，隨應力增長而減小（波傳動方向上受拉應力） （二）現(xiàn)場量測的結(jié)果 在某工程中，測定了巷道兩幫的應力 變化對聲波波速的影響可以推斷松動圈的范圍。工程測點布置如圖 3－16 測試聲波速度 在松動區(qū)內(nèi)，由于巖體破碎且是低應力區(qū)，因而波速較小；高應力區(qū)，巖體完整，波速達到最大；原巖應力區(qū)，波速正常。根據(jù)波速沿測孔深度的變化曲線，確定這三個區(qū)的范圍。 如圖可見， 3條測線總的趨勢大約在 米處，波速最大，可推測松動圈范圍在此處。 另外，曲線 1在 ，這可能是該處巷道縱橫交錯，應力較復雜之故。 不同，縱波波速不同。但基本規(guī)律相同，即在低應力區(qū)縱波波速增長很快，隨著應力的增大，增長減慢，趨于常值。如圖 3－ 18所示 返回 第四章 巖體的基本力學性質(zhì) 巖體結(jié)構(gòu)面分析 一、結(jié)構(gòu)面 ： 斷層、節(jié)理、褶皺 …… 統(tǒng)稱 巖體 結(jié)構(gòu)面影響 完整性很好 ——連續(xù)介質(zhì)力學方法 非常破碎 ——土力學方法 兩者之間 ——裂隙體力學方法 巖體不連續(xù)性 ， 各向異性 反映區(qū)域性地質(zhì)構(gòu)造 降低巖體強度 圖 4－ 1節(jié)理巖體的強度特征與巖石強度的區(qū)別 Ⅰ －巖石； Ⅱ －節(jié)理化巖體： Ⅲ －節(jié)理 巖體強度 =巖塊強度 +節(jié)理強度 二、結(jié)構(gòu)面的分類 按照工程的要求分類 1． 絕對分類 2． 相對分類 ——相對工程而言的分類見表 41。 3． 按力學觀點分類 中等結(jié)構(gòu)面 ≤ 1～ 10m巨大 結(jié)構(gòu) 面 ≥ 10m 細小結(jié)構(gòu)面 延長 ≤1 m ???破壞面 破壞帶 行兩者之間 充填 非充填 見表 4－ 2 表 4－ 1結(jié)構(gòu)面的相對分類 圖 4－ 2 按力學觀點的破壞面和破壞帶分類 單節(jié)理 節(jié)理組 節(jié)理群 羽毛狀節(jié)理 破碎帶 無充填 有充填 有粘性充填物 三、巖體破碎程度分類 （一）裂隙度 K 設勘測線長度為 ，在 上出現(xiàn)的節(jié)理的個數(shù)為 n， 則 節(jié)理之間的平均間距為 裂隙度 切割度 單組結(jié)構(gòu)面 多組結(jié)構(gòu)面 ? ??nk ?knld 1?? 10m 實例：k=4/10=d=1/k= d180cm 整體結(jié)構(gòu) d=30~180 塊狀結(jié)構(gòu) d30 破裂結(jié)構(gòu) d 極破裂結(jié)構(gòu) K=0~1/m 疏節(jié)理 K=1~10/m 密節(jié)理 K=10~100/m 很密節(jié)理 K=100~1000/m 糜棱節(jié)理 按間距分類 按裂隙度分類 22112121co sco s11ddmmKKK?? ????????? ni i idK 1 c o s ?圖 4－ 3兩組節(jié)理的裂隙度計算圖 （二）切割度 節(jié)理并非在巖體內(nèi)全部貫通，用 “ 切割度 ” 來描述節(jié)理貫通度，在巖體中取一平直斷面， 總截面積為 A， 其中被節(jié)理面 切割的面積為 a； 則切割度為 exAaXe ??? niiaa多處不連續(xù)切割疊加： 實例 式中： －巖體體積內(nèi)部被某組節(jié)理切割的程度，單位 m2/m3. KXX er ?表 42 按切割度分類 rX切割度與裂隙度的關系 （三）巖體破碎程度分類（表 43） 四、結(jié)構(gòu)面的幾何特征 1．走向 例如： N30oE 2．傾斜 3．連續(xù)性 4．粗糙度：節(jié)理表面粗糙程度 5．起伏度 傾向 傾角 沿走向 沿傾角 （切割度為依據(jù) ） 幅度 a 長度 ?反映節(jié)理的外貌 —幾何要素 圖 4－ 5 節(jié)理面的起伏度與粗糙度 A↑ 和 ↓ 的節(jié)理表面起伏越急峻。 ?返回 第二節(jié) 結(jié)構(gòu)面的變形特性 一、節(jié)理的法向變形 （一）節(jié)理彈性變形（齒狀接觸） 式中 :d為塊體的邊長 。 n為接觸面的個數(shù) 。 為每個接觸面的面積 。 為泊松比； E為彈性模量。 法向 切向 nhEdm )1(22 220???? ???2h?按彈性力學Boussinesq公式計算齒狀節(jié)理接觸面彈性變形引起的閉合變形 （二）節(jié)理的閉合變形 齒狀接觸，開始是齒頂?shù)膲嚎s → 壓碎 → 閉合。下面介紹 Goodman方法： ① 張開節(jié)理無抗拉強度 ② 結(jié)構(gòu)面在壓應力下存在極限閉合量 且 ＜ e（ 節(jié)理的厚度 ） （ 1）基本假設 （ 2）狀態(tài)方程 mcVV ?? － 原位應力 ?mcV mcVA， t－ 回歸參數(shù) tmc VVVA )(?????????? MCmcVVV ???（ 3）狀態(tài)方程的幾何表示 當 t=t A=1時，有 tmc VVVA )( ?????? ??最大閉合 mcV(4)試驗方法（ VmC的確定） 步驟： （ 1）備制試件； （ 2）作 σ ε 曲線（ a）； （ 3） 將試件切開，并配 稱接觸再作曲線（ b）； （ 4） 非配稱接觸，作曲線（ c） 。 （ 5）兩種節(jié)理的可壓縮性 配稱節(jié)理的壓縮量： 非配稱節(jié)理的壓縮量： abV ?? ???acV ?? ??? 劈裂 稱接觸 圖 4－ 7 一條張開裂縫的壓縮變形曲線 二、節(jié)理的切向變形 （一）節(jié)理強度與剪切變形的關系 節(jié)理 “ ” 曲線分為 4類 。 見下圖 強度準則： 抗剪強度 節(jié)理變形 擴容現(xiàn)象 ?? ???? tgc ??圖 4－ 8 四種典型的節(jié)理強度和位移關系曲線 a充填節(jié)理 b齒狀節(jié)理 c充填齒狀節(jié)理 d復位式 （ 二）節(jié)理抗剪強度和擴容分析 基本理論：庫侖準則 類型：面接觸、齒狀接觸 1．面接觸 滾動摩擦 轉(zhuǎn)動摩擦 正好破壞時： ①破壞面與 的夾角 = ②剪應變 ③內(nèi)摩擦角（當 =常量， 節(jié)理面最大主應力） 極限： ④靜摩擦系數(shù) fs與靜摩擦角 令節(jié)理剪