第三章 岩体的变形与破坏Word文件下载.docx
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①各发展阶段的界限点,尤其是“长期强度”;
②空隙压力曲线:
a.空隙水压力~体积应变、变形发展阶段;
b.工程意义:
滑坡、地震等。
(2)岩体破坏的基本形式
①张性破坏(图示);
②剪切破坏(图示):
剪断,剪切。
③塑性破坏(图示)。
破坏形式取决于:
荷载条件、岩体的岩性及结构特征;
二者的相互关系。
①破坏形式与受力状态的关系:
a.与围压σ3有关:
低围压或负围压—拉张破坏(图示);
中等围压—剪切破坏(图示);
高围压(150MN/m2=1500kg/cm2)—塑性破坏。
b.与σ2的关系:
σ2/σ3<
4(包括σ2=σ3),岩体剪断破坏,破坏角约θ=25°
;
σ2/σ3>
8(包括σ2=σ1):
拉断破坏,破坏面∥σ1,破坏角0°
;
4≤σ2/σ3≤8:
张、剪性破坏,破坏角θ=15°
。
②破坏形式与岩体结构的关系:
完整块体状—张性破坏;
碎裂结构、碎块结构—塑性破坏;
裂隙岩体—取决于结构面与各主应力之间的方位关系。
2.岩体的强度特性
强度特性取决于:
岩性、结构;
受力状态。
一组结构面岩体在三向应力状态下的破坏形式及极限强度性状。
极限应力比n=σ1/σ3(岩体破坏时的大、小应力)
(1)当(45°
-φ/2)-17<
α<
(45°
-φ/2)+17°
岩体沿结构面滑动破坏,
岩体强度受结构面的Ci、φi控制;
C=0、α=(45°
-φ/2)时,强度最小。
随α增大或减小,强度增大。
(2)当α>
-φ/2)+27°
剪断完整岩石;
岩体强度受岩石的CE、φE控制;
岩体强度随结构面间距变小而降低。
当间距足够大时,岩体强度接近岩石材料强度。
(3)当0<
-φ/2)-17°
或(45°
<
部分沿结构面滑动,部分剪断岩石。
岩体强度与结构面和岩石的抗剪性能均有关,且当α由8°
→0°
及42°
→52°
,强度随之增高。
3.岩体在加载过程中的变形破坏
(1)拉断破坏机制
①拉应力条件下的拉断破坏:
岩体单向受拉或负围压。
a.与σ3垂直的裂隙,两端拉应力集中,最先拉断;
b.只要应力达到抗拉强度,即使应力不再增加,破裂也要发展。
破坏准则:
[σ3]≥St
②压应力条件下的拉裂:
与σ1成一定交角的裂隙两端拉应力最高,形成平行于σ1的拉裂面。
a.单向受压:
[σ1]=8St
b.三向受力:
(σ1-σ3)/(σ1+σ3)≥8St
(2)剪切变形破坏机制与过程
①完整岩体的剪断破坏机制:
a.纵向张性微破裂发展(图示);
b.微观横向压碎代发展(图示);
c.切断“薄梁”,累进性破坏(图示);
②沿已有结构面的剪切破坏机制:
a.平面摩擦:
层间错动面、剪性断裂、滑动面等。
破坏条件:
剪应力≥结构面残余强度,S≥σtgφS;
荷载方向与结构面法线的夹角≥平面摩擦角φS。
b.糙面摩擦:
爬坡-越过凸起体:
爬坡角较小、法向应力较低;
抗剪强度τ=σtg(φS+i)
剪胀→裂缝收缩,剪胀为负值。
剪断凸起体:
爬坡角较大、法向应力较高。
但即使是法向应力为零,i≥55°
的凸起体仍会剪断;
抗剪强度τ=σtg(φS)+C
凸起体刻痕或犁槽:
抗剪强度类似于剪断凸起体。
注意:
当σtgφS+C>
τ>
σtgφr(残余强度、峰值强度),可能挤入累进性破坏(原因:
凸起体应力集中);
凸起体的抗剪强度不均一,“各个击破”方式破坏,结构面突然丧失稳定性,强度急剧降低,破坏具有突发性,迅速释放能量。
c.转动和滚动摩擦:
上滑面运动轨迹—对角点P;
对角线OP为半径的圆弧线;
相当于滑块越过一个圆弧形凸起体,任意一点切线与剪切方向的夹角即为该点的爬坡角或下降角。
过程:
起动摩擦角:
φt=α=δ=tg-1a/b
起动后摩擦角:
φt=δ-γ(γ转动角)
当对角线OP直立时:
γ=δ
φt=0
此时,上滑面抬至最高点,岩块翻转,δ翻转角;
继续滑动--上下滑面间距缩短,φ为负值,滑面承受拉应力。
a.翻转角δ<
结构面的静摩擦角φ;
b.分割碎块的结构面愈密(δ角越小),转动摩擦愈易发生;
c.转动剪切一旦起动,摩擦角随之降低,甚至为负值;
d.碎块边角越多(趋于圆球形),翻转角越小,甚至接近0°
此时,转动摩擦可变为滚动摩擦。
(3)剪切发展过程中的累进性破坏
岩体应力一旦超过其长期强度,则进入累进性破坏阶段。
此时,平面滑动强度相当于残余强度;
糙面摩擦(或不连续结构面)强度则高于残余强度。
①累进性破坏:
a.结构不均一,剪应力集中不均一,
b.各凸起体强度不同;
c.各凸起体强度降低速度不一。
②应力-强度关系类型:
a.突破口处的剪应力>
岩石的极限强度:
突然破坏,时间短;
b.长期强度<
突破口处的剪应力<
加载至破坏的时间较长;
c.突破口处的剪应力<
长期强度(较接近):
工程年代内某一阶段将破坏,取决于强度降低速度(外营力);
d.突破口处的剪应力≤长期强度:
工程年代内不破坏。
③如何确定剪应力与长期强度的关系:
a.裂面连通率>
50%:
不考虑间断处(凸起体)的C值;
b.长期稳定,只考虑一级平缓起伏角;
短期稳定,可考虑次级较陡的凸起体;
c.KC≥3.5~4.0
(3)摩擦滑动过程中的粘滑与稳滑
①基本特点与产生条件:
a.稳滑:
缓慢、持续地滑动,剪切位移无突变;
应力不发生突然释放(应力降),不产生振动。
多发生在低围压条件下。
b.粘滑:
间歇性、跳跃性滑动,剪切位移发生突变;
产生很大的应力降(突然释放应力)和振动。
多发生在高围压条件下。
含有蒙脱石等膨胀性粘土矿物、或含水且透水性低,高围压下仍可表现为稳滑;
高温、高空隙压力,可使发生粘滑的围压条件提高。
②粘滑产生的机制:
结构面的摩擦阻力急剧降低,引起岩体突然失稳。
a.热软化效应:
滑动面温度升高、抗剪强度降低;
静摩擦>
>
动摩擦
突然滑动前应有稳滑阶段(为证实)。
b.嵌入蠕动效应:
较硬的凸起体逐渐嵌入对盘较软岩体,“刹车”形成“锁固”效应;
c.脆性破坏:
剪断“凸起体”;
间断“锁固段”。
4.岩体在卸荷过程中的变形破坏
卸荷:
①临空面附近岩体应力重分布导致应力集中效应;
②差异回弹在岩体中形成残余应力体系;
(1)差异卸荷回弹造成的张性破裂
①岩体材料性能差别;
②应力历史不同(颗粒和胶结物的受力不同);
③裂隙端部的扩展机制;
(2)差异卸荷回弹造成的剪切破裂
①岩芯裂饼现象:
力学机制:
a.岩柱受根部约束,不能充分回弹。
回弹的充分程度随距受限面高度h增加;
b.受限面只能约束一定高度岩柱回弹,超过某一临界高度h0的岩柱已充分回弹(取决于岩性、岩柱直径);
c.岩柱短轴垂面上的残余法向压应力与受限面上的残余剪应力的关系(上图);
当岩柱边缘的最大剪应力突破岩石的抗剪强度,沿受限面迅速剪断,破裂面向岩柱中心发展,剪应力集中也随之向岩柱中心转移,直至剪断。
所以,一定的地应力环境、同类岩石的岩饼,厚度与直径的比值基本一致。
②坡脚根部的差异回弹:
(3)河谷卸荷变形破裂发育的基本模式
①宽谷:
边坡—水平位移;
底部—隆起、逆冲、形成空洞;
②窄谷:
边坡—水平剪切位移;
坡脚、谷底--高地应力集中,存积很高的应变能。
③其它类型(图示)?
?
4.岩体在动荷载作用下的的变形破坏
动荷载—在岩体中传播的应力波。
①地震、爆破:
岩体存在阻尼,由此激发的应力波最终逐渐消失;
②机械振动:
应力波以强迫振动方式传播(干扰力),运动频率稳定;
(1)动应力与动参数之间的关系
①纵波在岩体中传播引起动态正应力(拉、压):
σd~质点加速度aP、振动频率fP、波速cP、弹模E;
②横波在岩体中传播引起剪应力:
τS~质点加速度aS、振动频率fS、波速cS、刚度(剪切模量)G;
(2)岩体结构对应力波传播的影响
应力波穿过地质界面,产生透射波应力σt、反射波应力σr。
σt、σr~两侧介质性质(弹模及密度E1、ρ1,E2、ρ2)的差异。
①应力波由硬质岩体传入软质岩体,即E1>
E2(图示):
反射波引起拉应力(σr为拉应力),界面附近张性破裂;
②应力波由软质岩体传入硬质岩体,即E1<
反射波应力σr为压应力,对稳定性无明显影响;
③应力波穿过软弱带(图示):
应力波的反射机制和低强度岩石吸收大量能量,软弱带对应力传播起屏蔽作用。
(3)动荷载作用下岩体破坏特征
①触发效应:
a.稳定性接近临界状态;
b.对振动特别敏感的岩土体(保水的碎裂岩体及松散岩体、保水疏松砂土、敏感粘土);
②累积效应:
多次位移积累,最终导致破坏。
5.岩体变形破坏过程的时间效应
(1)岩体具有流变特性
蠕变:
在恒定荷载作用下,变形随时间持续发展;
松弛:
在变形恒定的条件下,岩体内的应力随时间逐渐降低。
(2)岩体(粘弹性介质)蠕变发展过程
①减速蠕变—相当于压缩变形阶段;
②等速蠕变—相当于稳定破裂发展阶段;
③加速蠕变:
应力超过长期强度,进入累进性破坏阶段。
6.空隙水压力在岩体变形破坏中的作用
空隙、孔隙及裂隙中的地下水效应:
①机械、物理及化学作用—岩性不断变化、稳定性不断下降;
②力学作用—改变作用双方的受力状态。
(1)有效应力原理在岩体中的适用性
①裂隙岩体:
a.结构面上的正应力σS=σ-σW(有效应力);
b.剪应力τS=τ(空隙水压力变化对结构面上的剪应力无影响);
c.抗剪强度:
天然:
τ=σtgφ+C
饱水:
τS=σStgφ+C=(σ-σW)tgφ+C
强度降低Δτ=-σWtgφ
②孔隙岩体:
有效应力原理应用于空隙岩体时,须考虑孔隙水压力作用的有效面积系数η。
有效应力σS=σ-ησW
抗剪强度τS=(σ-ησW)tgφ+C
有效面积系数η(0~1):
η=1-B/BC
B=E/3(1-2μ)
B,BC—岩体、岩块的体积弹模;
混凝土η=0.84
花岗岩η=0.65
软弱岩体:
低应力η=0.5~1
高应力有效应力不适用。
注意:
研究破坏问题时,无论是裂隙岩体还是孔隙岩体,η=1;
研究变形问题时,裂席岩体,η=1;
完整岩体,η<
1。
(2)引起空隙水压力变化的因素
①气象、水文条件变化(降雨、水库蓄水……):
导致地下水位大面积变化;
空隙水压力变化滞后于气象水文条件的变化。
②岩体受力状态的变化:
a.饱水土体:
保水土体所承受的附加应力P由颗粒和水共同承担(有效压力Ps、中性压力PWe),由附加应力引起的中性压力PWe区别于土体中原有的静水压力,称之为超孔隙水压力(或剩余孔隙水压力)。
受力前(孔隙水压力)τS=σStgφ+C=(σ-σW)tgφ+C
受力后(超孔隙水压力)τS=(σS-σWe)tgφ+C
=(σ-σW-σWe)tgφ+C
排水:
σWe→0、σS→σ;
变化过程取决于—加载速率、岩土体透水性、
b.岩体:
裂隙发育,透水性较好;
静力—难以形成很高的超孔隙水压力;
动荷载可形成很高的瞬时超空隙水压力,岩体强度急剧降低。
③岩体变形破裂:
a.饱水封闭条件:
体积膨胀→孔隙水压力降低为负值→有效应力增加
岩体强度“膨胀强化”;
b.非封闭条件:
变形速率≤进出水速率:
空隙水压力不变,岩体抗剪强度不变;
变形速率≥进出水速率:
“膨胀强化”后孔隙水压力迅速上升;
c.水击机制:
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