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1、p工程地质学一、土的力学性质一、土的力学性质二、岩块的力学性质二、岩块的力学性质三、结构面的力学性质三、结构面的力学性质四、岩体的力学性质四、岩体的力学性质五、岩土体的强度理论五、岩土体的强度理论第三讲 岩土体的力学性质 岩土体的力学性质是指岩土体在外力作用下所表现的性质，主要是是其强度性质、变形性质和稳定性。 当岩土体作为建筑物地基时，在荷重作用下就会产生压缩变形，从而引起建筑物基础的沉降，当沉降量过大或产生不均匀沉降时，可能影响建筑物的正常使用，甚至引起建筑物开裂或倒塌。 当岩土体中剪应力超过其抗剪强度时，一部分会相对另一部分发生滑动，从而危及建筑物安全。在土的力学性质中，最主要和最有实际
2、意义的是土的压缩性和抗剪性。一、土的力学性质（一）土的压缩性1、土压缩变形的特点与机理、土压缩变形的特点与机理v土的压缩性是指土在压力作用下体积缩小的特性。u土体的压缩变形实际上是孔隙压缩、孔隙比变小所造成的。u在土的压缩过程中，假定土颗粒是不可压缩的，水是不可压缩的，只有孔隙可以压缩。u对饱和土而言，土的压缩主要是由孔隙中的水被挤出所致，压缩过程同排水过程一致。v孔隙水排出，土的压缩随时间而增长的过程，称为土的固结。2、压缩试验与压缩定律侧限压缩试验压缩试验图 -1 缩仪的压缩容器简图5压底座环刀荷载土 样加压活塞刚性护环透 水 石 iiwsehGeehheeehhehehAVs111 11
3、1000001011101100其中：不变，受压前后v压缩曲线是室内压缩实验的成果，它是土的孔隙比e与所受压力P的关系曲线。AehVs001压缩性曲线的形状与土样的成分、结构、状态及受力历史等有关。压缩性不同的土，其e-p曲线的形状不同。曲线愈陡，说明压力增加时孔隙比减小得多，土易变形，压缩性愈高。压缩稳定后的孔隙比；相应于压缩稳定后的孔隙比；相应于；加应力之和应力与附相当于某深度处的自重；应力相当于某深度处的自重；单位为称为压缩系数式中压缩系数作用下的压缩性。就表示了相应于压力点切线斜率曲线上任一2211211 -1221: : : : MPa : - pepekPapkPapappeedp
4、deapape压缩定律：在压力范围不大时，孔隙比的减小值与压力的增加值成正比。3、压缩定律、压缩定律1 -2- 11 -2- 11 -1 -2- 121210.5 5 . 0 0.1 1 . 0 200100MPaaMPaaMPaMPaaakPapkPap高压缩性土中等压缩性土低压缩性土的标准：来作为判断土的压缩性压缩系数时的到通常用压力间隔由压缩模量压缩模量指土在侧限压缩条件下竖向附加压应力与应变增量之比，单位为MPa。 11aeEzzs变形模量 变形模量指土在无侧限条件下附加压应力与压缩应变之比。 载荷试验022021-121 -121KEEEssu压缩模量指土在侧限压缩条件下竖向附加压应
5、力与应变增量之比。u变形模量指土在无侧限条件下附加压应力与压缩应变之比。变形模量与压缩模量的关系的比值与竖向向侧限条件下受压时，侧土的侧压力系数的比值与竖向件下受压时，侧向（泊松比）：无侧限条土的侧膨胀系数:0K（二）土的抗剪性土的抗剪强度抗剪强度指土体抵抗剪切破坏的极限能力，其数值数值等于剪切破坏时滑动面上的剪应力。土体破坏时的应力组合关系称为破坏准破坏准则则。1、土的抗剪强度机理摩擦强度摩擦强度（摩擦力）包括滑动摩擦和咬合摩擦v滑动摩擦滑动摩擦由颗粒间接触面粗糙不平所引起。v咬合摩擦咬合摩擦是指相邻颗粒对于相对移动的约束作用。 摩擦强度的影响因素影响因素有： 颗粒形状、矿物成分、粒径级配、
6、密度等。粘聚强度粘聚强度（粘聚力） 取决于土粒间的各种 胶结作用和静电引力。应变控制式和应力控制式2、直剪试验与库伦定律 砂土: f=tg 粘性土: f=c+tg 库伦定律333331=3+11=3+11、单轴压缩条件下的岩块变形空隙压密阶段(OA)峰值前变形阶段峰值后变形阶段oABCDE(+) (-) L V d 非稳定发展阶段(CD) D点:峰值强度微裂隙稳定发展阶段(BC) C点:屈服强度弹性变形阶段(AB) B点:弹性极限二、岩块的力学性质二、岩块的力学性质变形参数变形模量（modulus of deformation)是指单轴压缩条件下，轴向压应力与轴向应变之比。应力-应变曲线为直线
7、型(又称为弹性模量)oLiiEii 应力-应变曲线为“S”型 初始模量(i)指曲线原点处切线斜率 切线模量(t)指曲线上任一点处切线的斜率，在此特指中部直线段的斜率 割线模量(s)指曲线上某特定点与原点连线的斜率，通常取c处的点与原点连线的斜率Lo2501i1502iiiiE1212tE5050iE泊松比():是指在单轴压缩条件下，横向应变与轴向应变之比。 在实际工作中，常采用/处的横向应变与轴向应变来计算岩块的泊松比。 岩块的变形模量和泊松比受岩石矿物组成、结构构造、风化程度、空隙性、含水率、微结构面及其与荷载方向的关系等多种因素的影响，变化较大。Ld 在单向压缩条件下，岩块能承在单向压缩条
8、件下，岩块能承受的最大压应力，简称抗压强受的最大压应力，简称抗压强度（度（MPa） 。 测定方法：抗压强度试验测定方法：抗压强度试验试样pApcc2、单轴抗压强度、单轴抗压强度c类别亚类饱和单轴抗压强度(MPa)代表性岩石硬质岩石极硬岩石60花岗岩、花岗片麻岩、闪长岩、玄武岩、石灰岩、石英砂岩、石英岩、大理岩、硅质砾岩等次硬岩石3060软质岩石次软岩石530粘土岩、页岩、千枚岩、绿泥石片岩、云母片岩等极软岩石53、单轴抗拉强度t 单向拉伸条件下，岩块能承受的最单向拉伸条件下，岩块能承受的最大拉应力大拉应力，简称抗拉强度。简称抗拉强度。 测定方法测定方法 直接拉伸 间接法(劈裂法、点荷载法、三点
9、弯曲法)APttPtPt劈裂试验是用圆柱体或立方体试件，横置于压力机的承压板上，且在试件上、下承压面上各放一根垫条。然后以一定的加荷速率加压，直至试件破坏。在线布荷载(p)作用下，沿试件竖直向直径平面内产生的近于均布的水平拉应力x=2p/DL在水平向直径平面内产生的压应力y= 6p/ DL抗拉强度:DLPtt2（圆形试样）22aPtt（方形试样）定义：在剪切荷载作用下，岩块抵抗剪切破坏的最大剪应力，称为剪切强度。 （1）抗剪断强度：指试件在一定的法向应力作用下，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力。 （2）抗切强度： 指试件上的法向应力为零时，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力。 （3）摩擦强度： 指试
10、件在一定的法向应力作用下，沿已有破裂面（层面、节理等）再次剪切破坏时的 最大剪应力。Ctg CjjCtg4、剪切强度、剪切强度测试方法测试方法 直剪试验 变角板剪切试验 三轴试验 直剪试验在直剪仪上进行，按库仑定律求岩块的直剪试验在直剪仪上进行，按库仑定律求岩块的剪切强度参数剪切强度参数C、值。值。5、三轴压缩条件下岩石的、三轴压缩条件下岩石的变形与强度变形与强度三轴试验 真三轴试验 123 常规三轴试验 12=3 围压对变形破坏的影响1）岩石破坏前应变随3增大而增大2）岩石的峰值强度随3增大而增大3）随3增大岩石变形模量增大，软岩增大明显，致密的硬岩增大不明显4）随3增大，岩石的塑性不断增大
11、，随3增大到一定值时，岩石由弹脆性转变为塑性。这时，3的大小称为“转化压力” 。5）随3的增大，岩块从脆性劈裂破坏逐渐向塑性剪切及塑性流动破坏方式过渡。三轴压缩条件下岩石的强度三轴压缩条件下岩石的强度Apmm11）定义：）定义：试件在三向压应力作用下能抵抗的最大的轴向应力。2 2）测定方法）测定方法: : 在一定的围压3下，对试件进行三轴试验时，岩块的三轴压缩强度1m(MPa)为3 3）利用三轴试验确定抗剪强度）利用三轴试验确定抗剪强度 根据一组试件(4个以上)试验得到的三轴压缩强度1m和相应的3以及单轴抗拉强度t。在-坐标系中可绘制出岩块的强度包络线。除顶点外，包络线上所有点的切线与轴的夹角
12、及其在轴上的截距分别代表相应破坏面的内摩擦角()和内聚力(C)。 （一）法向变形性质（一）法向变形性质1. 法向变形特征法向变形特征 两块试件（含结构面、不含结构面）两块试件（含结构面、不含结构面）做变形试验，得变形曲线做变形试验，得变形曲线- -，设，设不含结构面的不含结构面的岩块变形为岩块变形为，含结，含结构面的岩块变形为构面的岩块变形为，则结构面的，则结构面的变形（法向闭合变形）变形（法向闭合变形）为：为：三、结构面的变形与强度性质三、结构面的变形与强度性质应力-变形关系曲线 ABC法 向 刚 度（normal stiffness）是指在法向应力作用下，结构面产生单位法向变形所需要的应力
13、，在数值上等于- 曲线上一点的切线斜率。 jnnVK2.法向刚度法向刚度 粗糙结构面，呈脆性变形型 平直结构面，呈塑性变形型 结构面变形与风化程度有关 结构面的剪切刚度，随法向应力的增大而增大，随结构面的规模增大而降低。1、剪切变形特征剪切变形特征 剪切刚度KS（shear stiffness）是反映结构面剪切变形性质的重要参数，其数值等于峰值前-u曲线上任一点的切线斜率。uKs2.2.剪切刚度剪切刚度1、平直无充填的结构面 平直无充填的结构面包括剪应力作用下形成的剪性破裂面，如剪节理、剪裂隙等，发育较好的层理面与片理面。 特点是面平直、光滑，只具微弱的风化蚀变。坚硬岩体中的剪破裂面还发育有镜
14、面、擦痕及应力矿物薄膜等。 这类结构面的抗剪强度大致与人工磨制面的摩擦强度接近，即：jjCtg（三）（三）结构面的强度 剪切特点： 当较小时，上盘岩块上下运动，产生爬坡效应，增大了 当较大时，将剪断凸起而运动，也增大了规则锯齿形结构面规则锯齿形结构面 （1） 较小，剪胀作用iiiinnsincoscossin)(itgb)(btgnnPatton公式（2）较大，啃断作用CtgtgitgCb)(1式中 ，分别为结构面壁岩的内摩擦角和内聚力。上式为法向应力1时，结构面的抗剪强度，其包络线如图所示。剪断凸起的条件为：不规则起伏结构面自然界岩体中绝大多数结构面的粗糙起伏形态是不规则的，起伏角也不是常数
15、。其强度包络线不是折线，而是曲线形式。uVtgd1巴顿对种不同粗糙起伏的结构面进行了试验研究，提出了剪胀角的概念并用以代替起伏角，剪胀角（angle of dilatancy）的定义为剪切时剪切位移的轨迹线与水平线的夹角，即： Barton 方程：Barton 通过大量结构面剪切试验，用统计方法求得结构面的基本摩擦角u之间。因此，上式右边的第二项应当就是结构面的基本摩擦角u ，而第一项的系数取整数。88.3278. 1 lg2ddtgJCSJRCudtg2 uJCSJRCtglg Barton方程 这类结构面由裂隙面和非贯通的岩桥组成。在剪切过程中，一般认为两者都起抗剪作用。 通过的裂隙面和岩
16、桥都起抗剪作用。假设沿整个剪切面上的应力分布是均匀的，结构面的线连续性系数为1，则整个结构面的抗剪强度为：tgKtgKCKCKjj)1 ()1 (1111裂面岩桥裂面岩桥 Ctg bbtgCtgKtgKCKCKjj)1 ()1 (1111裂面岩桥裂面岩桥 Ctg tgKtgKtgCKCKCjbjb)1()1(1111 具有充填物的软弱结构面包括泥化夹层和各种类型的夹泥层，其形成多与水的作用和各类滑错作用水的作用和各类滑错作用有关。这类结构面的力学性质常与充填物的物质充填物的物质成分、结构及充填程度和厚度成分、结构及充填程度和厚度等因素密切相关。四、岩体的变形与强度性质 岩体的变形是岩块变形和结
17、构变形的总和，结构变形通常包括结构面闭合、充填物的压密及结构体转动和滑动等变形。岩体变形=岩块变形+结构面闭合+充填物压缩+其他变形在一般情况下，岩体的结构变形起着控制作用。 （一）岩体变形性质承压板法狭缝法钻孔变形法水压洞室法单(双)轴压缩试验法声波法地震波法原位岩体变形试验静力法动力法1、岩体变形试验（1）法向变形）法向变形曲线曲线 直线型 上凹型 上凸型 复合型2、岩体变形曲线类型及其特征 （2）剪切变形曲线峰值前曲线平均斜率小，破坏位移大；峰值后应力降很小或不变。多为沿软弱结构面剪切。峰值前曲线平均斜率较大，峰值强度较高。峰值后应力降较大。多为沿粗糙结构面、软弱岩体及剧风化岩体剪切。峰
18、值前曲线斜率大，线性段和非线性段明显，峰值强度高，破坏位移小。峰值后应力降大，残余强度较低。多为剪断坚硬岩体。（二）岩体的强度性质岩体强度是指岩体抵抗外力破坏的能力岩体强度是指岩体抵抗外力破坏的能力。岩体的强度既不同于岩块的强度，也不同于结构面的强度，一般情况下，其强度介于岩块与结构面强度之间。岩体和岩块一样，岩体强度也有抗压强度、抗拉强度和剪切强度之分。1、岩体的剪切强度 岩体的剪切强度是指岩体内任一方向剪切面，在法向应力作用下所能抵抗的最大剪应力。剪切强度分为抗剪断强度、抗剪强度和抗切强度。 抗剪断强度是指在任一法向应力下，横切结构面剪切破坏时岩体能抵抗的最大剪应力。抗剪强度是指在任一法向
19、应力下，岩体沿已有破裂面剪切破坏时的最大应力。抗切强度是指剪切面上的法向应力为零时的抗剪断强度。v岩体的剪切强度是具有上限和下限的值域，其强度包络线也是有上限和下限的曲线族。上限是岩体的剪断强度,下限是结构面的抗剪强度。v应力较低时，强度变化范围较大，随着应力增大，范围逐渐变小。v应力高到一定程度时，包络线变为一条曲线，岩体强度将不受结构面影响而趋于各向同性体。沿结构面剪切(重剪破坏)时，岩体剪切强度最低，等于结构 面的抗剪强度。横切结构面剪切(剪断破坏)时，岩体剪切强度最高。沿复合剪切面剪切(复合破坏)时，其强度介于以上两者之间。2、裂隙岩体的压缩强度 岩体的压缩强度分为单轴抗压强度和三轴压
20、缩强度。 在生产实际中，通常是采用原位单轴压缩和三轴压缩试验来确定。 单结构面理论2sin22cos223131312sin)1 ()(2331ctgtgtgCjjjjjfCtg强度判据3、裂隙岩体强度的经验估算 Hoek-Brown的经验方程2331ccSmcmcS242Smmcmt11)()(BcmBcBccmTABarctgTABTACBccTA)(岩岩体体质质量量和和经经验验常常数数之之间间关关系系表表广义Hoek-Brown强度准则)(331smcbc)1428100exp(DGSImmib)39100exp(DGSIs)320exp()15exp(615 . 0GSI强度理论：强度理论：研究岩土体在一定的假说条件下在各种研究岩土体在一定的假说条件下在各种应力状态下的强度准则的理论。应力状态下的强度准则的理论。强度准则强度准则( (又称破坏判据又称破坏判据):):岩土体在极限应力状态岩土体在极限应力状态下（破坏条件）的应力状态和岩石强度参数之间的下（破坏条件）的应力状态和岩石强度参数之间的关系。可表示为极限应力状态下的主应力间的关系关系。可表示为极限应力状态下的主应力间的关系方程方程: :或处于极限平衡状态截面上的剪应力和正应力间的或处于极限平衡状态截面上的剪应力和正应力间的关系方程：关系方程：123,f f五、岩土体的强度理论五、岩土体的强度理论
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