5--岩体力学特性及其参数确定

第三节 岩石(体)力学参数的合理确定
一、描述岩体力学特性的参数
假定岩石峰后软化阶段任一点的应力状态均满足强度准则，处于强度破坏的临 界状态，取岩石在峰后阶段任一点的应力状态(σ1、σ2、σ3)，认为岩石在该点 应力状态下由弹性状态达到塑性屈服的岩石具有相同的强度。岩石在峰后任一 点的广义粘聚力和广义内摩擦角与在该点应力状态下由弹性状态达到塑性屈服 岩石的粘聚力和内摩擦角具有相同的量值。岩石刚进入峰后应变软化状态和已 经处于残余应力状态时的屈服面不同。在相同围压作用下，由于岩体破碎程度 不同，使屈服面不相同，过屈服面的切线的斜率(内摩擦角)和纵坐标上的截距 (粘聚力)也不相同。这反应了岩体峰后应变软化的力学特性。广义剪胀角是用来 描述岩石剪切破坏后体积膨胀的大小，它与岩石的内摩擦角之间满足0≤ψo≤o 关系。当ψo＝0时，无剪胀现象；当ψo=o时，即服从Mohr-Coulomb屈服准则， 具有最大的剪胀现象，通常ψo<o。
第一节 岩体的力学特性
岩石与岩体力学参数的关系，岩体力学参数与围压的关系，是岩石力学中 尚未很好解决的难题。ห้องสมุดไป่ตู้
如何评价受采动影响岩体的力学特性是数值模拟结果可靠与否的关键。 一般都从岩体受力后表现的宏观表征来描述，即利用试验得出的岩体应力 一应变关系，应用曲线拟合或弹塑性理论及其他理论建立本构模型。这样可以 忽略岩块之间接触的所有细节，而采用状态参数来描述岩体力学特性，根据状 态参数建立起岩体应力一应变之间的联系。
(3)现场测试的单轴抗压强度(y)和实验室测试的单轴抗压强度(x)之 间符合方程y＝0．284x；
(4)现场测试的泊松比(y)和实验室测试的泊松比(x)之间几乎符合方 程y＝x，即泊松比几乎没有什么变化。
第三节 岩石(体)力学参数的合理确定
由于岩体的力学参数受到岩块的力学性质、结构面的分布情况、结构面的性 质及地下水作用等因素的影响。
岩石的力学参数是通过实验室三轴压缩试验获得的，主要包括杨氏模量E、 材料的泊松比μ、抗拉强度σt、体积力γ、粘聚力C、内摩擦角、剪胀角ψ等。
在岩土工程中，一般常用粘聚力和内摩擦角描述岩石的力学特性。本文从 工程实用的角度出发，根据粘聚力和内摩擦角的概念，引入广义粘聚力、广 义内摩擦角和广义剪胀角，以此描述岩体的力学特性。
第二节 岩石与岩体力学参数的关系
由于数值模拟结果的可靠性很大程度上依赖于岩体力学参数的选取，选取不同 的力学参数将会产生不同的计算结果。若岩体力学参数选取不当，有时会产生错误 的结果，对工程实践会起误导作用。
如何选取节理岩体的力学参数，一个值得研究的问题。
然而由于岩体材料的复杂性，目前在力学参数选取方面还没有一套成熟的方 法。现场原位试验得到的参数固然准确可靠，但试验代价却很昂贵，只能在一 些相当重要的大型工程中进行。因此，对一般岩体工程来说，往往在室内岩块 试验基础上，通过折减的办法来估计岩体的力学参数，但这种方式主观性比较 强，选择的随意性大。由于岩体的力学参数表现出明显的随机性，且获得这些 参数十分困难，通常都采用数理统计方法来研究岩体的力学特性。
因此，采用岩体工程质量分级法对岩体力学参数进行选择，无疑是一种比较 实用的方法。
其中，RMR岩体分级法提供了计算岩体力学参数的公式，而《工程岩体分级 标准》所提供的分级法则提供了不同工程质量岩体力学参数的参考值，两者都 可以用于指导工程实践。
第三节 岩石(体)力学参数的合理确定
一、描述岩体力学特性的参数
第二节 岩石与岩体力学参数的关系
图5-3 岩体与岩石力学参数关系的统计分析 (a)杨氏模量；(b)单轴抗拉强度；(c)单轴抗压强度；(d)泊松比
第二节 岩石与岩体力学参数的关系
(1)现场测试的杨氏模量(y)和实验室测试的杨氏模量(x)之间符合方 程Y=0．469x；
(2)现场测试的单轴抗拉强度(y)和实验室测试的单轴抗拉强度(x)之 间符合方程y＝0．5x；
第五章 岩体力学特性及其参数确定
为了合理地进行岩土工程及地下工程设计和施工，必须确切了解岩土特性 及其由于自重、外部荷载或边界条件的变化而引起的岩体应力、变形及破坏的 发展规律，对岩体的稳定性做出正确的评价。
研究岩土力学问题，应以固体力学原理为基础，充分考虑其多相构造、加 载途径、时间效应、温度效应、胶结性质、节理裂隙、各向异性等特殊性质。 但由于岩体是含有大量裂隙、多相介质的复合体，含有地层形成过程中产生的 层理、节理、破碎带等异常地质结构，此外还有在采动过程中产生的裂隙以及 岩体的破碎等。要准确地把握这种材料的力学性能是异常艰难的。这就严重制 约着人们准确地获得问题的条件及岩体应力应变本构关系并建立相应的力学模 型，因此常常无法获得问题的精确解。
第一节 岩体的力学特性
一、岩石单轴压缩试验
图5-1 不同岩性岩石单轴压缩试验的全应力-应变曲线 (a)泥岩；(b)砂质页岩；(c)细砂岩；(d)中砂岩
第一节 岩体的力学特性
二、岩石三轴压缩试验
图5-2 岩石全应力-应变曲线及体积应变曲线 (a)应力-应变曲线；(b)体积应变曲线
大量的岩石三轴试验表明：岩石的塑性软化特性和剪胀性是岩石材料的特 有性质，研究煤矿巷道围岩稳定性时，尤其要充分考虑这两大特性。
第一节 岩体的力学特性
岩石的力学特性是通过实验室的三轴压缩试验获得的，实验室三轴压缩 试验可分为常规试验和真三轴试验，其中常规三轴试验是在径向压力(围 压)σr(σr=σ2=σ3)不变的情况下，增加轴向压力σ1直到岩石试件破坏，得 到某一围压作用下的应力-应变曲线，通过改变围压大小，得到一组不同围 压作用下的全应力-应变曲线。而真三轴压缩试验是在不同的侧压作用下， 即σ2≠σ3时，获得的全应力一应变曲线。
目前的处理方法大多只能是从宏观上来把握这种材料的力学特性，即把握 岩体的宏观力学特性，并在某种假定下对问题进行简化，如简化为平面应变问 题，或开展大量的现场试验研究。
第一节 岩体的力学特性
岩体破坏可以分为脆性破坏和塑性破坏两种形式。 由于岩体赋存环境的变异性，不能期望得到岩体参数的精确值，只能通 过实验室试验或通过对岩体宏观特性的统计分析来预测或估算岩体强度和变 形的可能范围。 经过试验对比，一般都认为诸如弹性模量、粘聚力和抗拉强度等煤岩体 力学性质的参数取值往往只有煤岩块相应参数值的1／5~1／3，有的差别可能 更大，比值达到1／20～1／10，而煤岩体的泊松比一般为煤岩块泊松比的 1．2～1.4倍。