岩体的变形与破坏的本构关系文档格式.docx
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2弹性变形阶段〔AB段〕:
经压缩变形后,岩体由不连续介质转变为连续介质;
应力-应变呈线性关系;
弹性极限B点。
3稳定破裂开展阶段〔BC段〕:
超过弹性极限〔屈服点〕后,进入塑性变形阶段。
a•出现微破裂,随应力增长而开展,应力保持不变、破裂那么停止发
展;
b.应变:
侧向应变加速开展,轴向应变有所增高,体积压缩速率减缓〔由于微破裂的出现〕;
4不稳定破裂开展阶段〔CD段〕:
微破裂开展出现质的变化:
a.破裂过程中的应力集中效应显著,即使是荷载应力保持不变,破裂仍会不断地累进性开展;
b.最薄弱部位首先破坏,应力重分布导致次薄弱部位破坏,直至整体破坏。
“累进性破坏〞。
c.应变:
体积应变转为膨胀,轴向及侧向应变速率加速增大;
※结构不均匀;
起始点为“长期强度〞;
5强度丧失、完全破坏阶段〔DE段〕:
破裂面开展为宏观贯穿性破坏面,强度迅速降低,岩体被分割成相互别离的块体—完全破坏。
〔2〕岩体破坏的根本形式
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〔T3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/rf=1500kg/cm2〕—塑性破坏。
b.与〔T2的关系:
〔T2/〔T3<
4〔包括〔T2=63〕,岩体剪断破坏,破坏角约0=25°
;
〔T2/63>
8〔包括62=61〕:
拉断破坏,破坏面//61,破坏角0
4<
62/63<
8:
张、剪性破坏,破坏角0=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=(T1/(T3(岩体破坏时的大、小应力)
图3—4三种破坏形式的极限应力系数(9〉(据乩釈John,1969}
A沿结构面滑动*②一剪斷完整岩石:
③—局部沿结构面,
局部菊断完整岩Th出压】al>
al>
ol
(1)当(45°
-©
/2)-17<
a<
(45°
/2)+17°
岩体沿结构面滑动破坏,
岩体强度受结构面的C、ui控制;
C=0a=(45°
-u/2)时,强度最小。
随a增大或减小,强度增大。
(2)当a>
/2)+27°
剪断完整岩石;
岩体强度受岩石的G、UE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<
a<
/2)-17°
或(45°
<
局部沿结构面滑动,局部剪断岩石。
岩体强度与结构面和岩石的抗剪性能均有关,且当a由8°
f0°
及
42°
一52°
,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c3垂直的裂隙,两端拉应力集中,最先拉断;
b.只要应力到达抗拉强度,即使应力不再增加,破裂也要开展。
破坏准那么:
[c3]>
St
2压应力条件下的拉裂:
与c1成一定交角的裂隙两端拉应力最高,形成平行于c1的拉裂面
ras—7压应力条件卜岩侔的拉斷破坏过程
a.单向受压:
[c1]=8St
b.二向受力:
〔c1-c3〕/〔c1+c3〕?
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.纵向张性微破裂开展〔图示〕;
b.微观横向压碎代开展〔图示〕;
c.切断“薄梁〞,累进性破坏〔图示〕;
(a)(b)(c)(d)(e)
图3—9岩体剪断破坏过程模式图
(据Lajiui,1974)
(a>
-<
b>
为稳定破裂阶段;
(c)—<
d)为不稳定破裂阶段;
仏}为剪断
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?
结构面剩余强度,S>
(TtgUS;
荷载方向与结构面法线的夹角?
平面摩擦角US。
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T=Ttg(Us+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T=Ttg(US)+C
凸起体刻痕或犁槽:
抗剪强度类似于剪断凸起体。
当TtgUs+C>
T>
TtgUr(剩余强度、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:
上滑面运动轨迹一对角点P;
对角线0P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:
ut=a=S=tg-a/b
起动后摩擦角:
ut=S-Y〔丫转动角〕
当对角线OP直立时:
丫=S
ut=0
此时,上滑面抬至最高点,岩块翻转,S翻转角;
继续滑动--上下滑面间距缩短,u为负值,滑面承受拉应力。
1T
图3—19平行六面休碎块转动摩擦模式图解
〔据纳西亚托」餌门
60别离的「仇〕紧贴的
①一模式图;
俚1法向桓移f剪胀〕Y与剪切位務4随转动角〔5?
应变?
Y的变优f③一廉擦角申
葩转动角Y的变化
a.翻转角S<结构面的静摩擦角u;
b.分割碎块的结构面愈密〔S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〕剪切开展过程中的累进性破坏岩体应力一旦超过其长期强度,那么进入累进性破坏阶段。
此时,平面滑动强度相当于剩余强度;
糙面摩擦〔或不连续结构面〕强度那么高于剩余强度。
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<岩石的极限强度:
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w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〜
〔3〕摩擦滑动过程中的粘滑与稳滑
①根本特点与产生条件:
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;
静摩擦>>动摩擦
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剩余应力体系;
〔1〕差异卸荷回弹造成的张性破裂
①岩体材料性能差异;
1
E大
2
E小
+
P=Q
(c)
(d)
剩余压应力剩余拉应力
图3-30两个紧畜联结的颗粒体棗中的剩余应力和张性破裂
〔据揽吉1977〕
②应力历史不同〔颗粒和胶结物的受力不同〕;
图371碎屑岩在“加荷胶结〞情况下.
01加荷技卸荷所引超的张性披裂〔据拉肓知
U〕如荷时破裂炖穿加竝
〔b〕卸荷吋碾袈沿撕厭边界产牛
3裂隙端部的扩展机制;
B
K3-J2检有裂纹在压应力集中情况下出现永久破坏所造或的駁第拉应力
□ft拉棘大,1餌门
W®
冇裂纹张也確軽凰武(b)环冇裂坟ift部应力垄中
k)端部压碎,也力集巾部慌騎棋01)和社旳圧碎部他产叫披录拉应力
(2)差异卸荷回弹造成的剪切破裂
1岩芯裂饼现象:
^3-33雅君江某电站河心姑孔中所见正长岩“岩讲
侦中国人民解放军0030。
邯队,1978)
〔b〕
^3-34钻进过程中储有弹件应变能的岩芯柱受限签异回禅应力状态示恁圏
3K02和FTM氐LE.;
玄泅3S.HH1STXT-4.HQ
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ho的岩柱已充
分回弹〔取决于岩性、岩柱直径〕;
c.岩柱短轴垂面上的剩余法向压应力与受限面上的剩余剪应力的关系〔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,破裂面向岩柱中心开展,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,厚度与直径的比值根本一致。
2坡脚根部的差异回弹:
]B*300
MS
图3—陆検江葛洲坝机窠开挖剖閒
江流域规也办金室,1盯册
1—地层代号〔白聖羸〕;
2-«
砂岩;
3—粘土嵐粉静岩*4一牯土岩团决;
一粘土岩;
—软弱夹层
编号:
?
-岩惋错动方向反措览〔«
m〕:
卜■错前邮隹11观昭孔号、钳fli及观割时间
〔3〕河谷卸荷变形破裂发育的根本模式
1宽谷:
边坡一水平位移;
底部一隆起、逆冲、形成空洞;
2窄谷:
边坡一水平剪切位移;
坡脚、谷底--高地应力集中,存积很高的应变能
河谷区卸荷变形破裂发育组合模式图
3其它类型〔图示〕?
?
?
4.岩体在动荷载作用下的的变形破坏
动荷载一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〕:
〔Td〜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:
Ts〜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〔Tt、反射波应力〔Tr。
〔Tt、Tr〜两侧介质性质〔弹模及密度日、p1,E2、p2〕的差异。
1应力波由硬质岩体传入软质岩体,即El>
E2〔图示〕:
反射波引起拉应力〔Tr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El<
反射波应力Tr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:
屡次位移积累,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,变形随时间持续开展;
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〕蠕变开展过程
破坏
第二级〔等速〕嫡变
应力斛除
初始(减题】蠕变
Ael
〕第三级f加速〕蠕变
永久变形
A时间
图340弹塑性介质蠕变试验的一般变形曲线
1减速蠕变一相当于压缩变形阶段;
2等速蠕变一相当于稳定破裂开展阶段;
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、物理及化学作用一岩性不断变化、稳定性不断下降;
2力学作用一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〔TS=-〔TW〔有效应力〕;
b.剪应力TS=T〔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:
T=TtgU+C
饱水:
TS=TStgU+C=〔T-Tv〕tgU+C
强度降低At=-twtgu
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n
有效应力〔Ts=a-nw
抗剪强度ts=〔a-nawtgu+c
有效面积系数n〔0〜1〕:
n=1-B/Bc
B=E/3〔1-2卩〕
B,Bc—岩体、岩块的体积弹模;
混凝土n
花岗岩n=0.65软弱岩体:
低应力n=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,n=1;
研究变形问题时,裂席岩体,n=1;
完整岩体,n<
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FWe〕,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〕tS=aStgu+c=〔a-aw〕tgu+c
受力后〔超孔隙水压力〕tS=〔aS-awe〕tgu+c
=〔a-aw-awe〕tgu+c
排水:
awL0、asia;
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:
变形速率冬进出水速率:
变形速率?
进出水速率:
c.
空隙水压力不变,岩体抗剪强度不变;
水击机制:
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