第三章 3 水对岩石强度的影响

五、水对岩石强度的影响

前已述汲水对岩石强度影响：

膨胀、崩解、溶解

水→岩软化

渗透→水压水

对岩石强度有影响的是孔隙和裂隙中的水压力，统称为孔隙水压力，用p w表示。如果饱和岩石在荷载作用下不易排水或不能排水，那么，孔隙或裂隙中的水就有孔隙压力，岩石固体颗粒承受的压力将相应的减少，强度则降低。

对岩石中有连接的孔隙（包括细微裂隙）系统，施加应力σ，当有孔隙水压力p w时，岩石的有效应力为

σ—岩石总应力（MPa）；σ'—有效应力（MPa）；

p w——孔隙水压力（MPa）

在有孔隙水压力作用时，可利用《岩石破坏准则》来分析岩石的稳定性。

1．莫尔摩伦准则

根据莫尔库伦强度理论，考虑有孔隙水压力p w 的作用，其岩石的抗剪强度为：

①?στtg c f ?'+= 或可见，由于p w 的存在，岩石的抗剪强度降低。

②对于用主应力表示的莫尔库伦破坏准则，考虑p w 作用，则有

c R N +'='?σσ3

1，式中w p -='11σσ，w p -='33σσ 推出

由上式可解得p w，即岩石从初始作用应力σ1和σ3达到岩石破坏时所需施加的孔隙水压力：

亭定（Handin

结果，在p w

p w=0时的包络线，

曲线。

当施加主应力σ1、σ3时，（p w =0）岩石稳定（莫尔圆II ），在此主应力下，增加p w 直至破坏（莫尔圆I 与包线相切）。

从上面分析可见，p w 对岩体强度影响很大。在实际工程中，特别是坝址区，对某种岩石，当主应力σ1、σ3一定时，水库蓄水后，如果有渗流，则p w 从0增加p w ′，当 w p '-1σ 和w p '-3σ的应力圆与包线相切或相交时，岩体将失稳。

2．格里菲思准则

如果把有效应力引入格里菲思破坏准则，用1σ'和3

σ'代替原式中的1σ 和3σ ,即 w p -='11σσ，w p -='33

σσ

w p 4331>+σσ时， ﹥0，破坏； ﹤0时，稳定

工程上应用的《水力劈裂》方法就是以这一理论为基础的。

w t p R +-=3σ

增大w p 使w t p R +-≤3σ，就会产生水力壁裂。 如原始主应力03=σ,t R ＝10MPa 。 则当10≥w p MPa 时，w t p R +-≤3σ 当

3σ

六、岩体强度分析

1、均质岩体强度分析

均质岩体主要是：

①完整岩体：岩块坚硬，且结构面不发育。

②软岩，结构不起主导作用

这种岩体可用：①莫尔库伦准则

②霍克和布朗经验破坏准则进行稳定分析。

莫尔库仑准则：

有孔隙水压力时：

霍克和布朗经验破坏准则

左项> 右项，破坏；

左项< 右项, 稳定。

m= 0 ~ 25，

s=0 ~ 1。

结构面所决定。

大主应力面成2

45?

α+= 角，裂面与主应力面平行。

对于有结构面存在时，多数情况下，沿结构面破裂，这时仍可用莫尔库伦强度准则来判定节理面上的稳定情况。

c，j?为节理面上的凝聚力和内摩擦角，

j

σ为节理面上的正应力。

τ为节理面的抗剪强度。

f

当节理面上的剪应力τ小于等于

τ时，节理面处于稳定和极限

f

状态：

判断节理岩体稳定与否可用图解法和解析法：

1)图解法（见图）

根据σ1、σ3做应力圆，如果节理面线与节理强度线相交则破坏，反之，即使应力圆已与强度线相交，但节理面的线却不与节理强度线相交，则节理面仍处于稳定状态。σ1

2) 解析法

根据应力关系式：

β

σβσβσσσσσ23213

13

1sin cos 2cos 2

2

+=-+

+=

ββσσβσστcos sin )(2sin 2

313

1-=-=

代入j j f tg c ?σττ?+=≤中，得到

满足此式，表明节理处于稳定或极限平衡状态。 利用上式可对节理岩体的稳定性进行简单的判断。

如，地下洞室、陡立边坡等的节理岩体稳定。 如图所示为高边坡，岩体中节理的倾角为β。

讨论：①j ?β<时，0)sin(>-β?j ， 上式左边为正，稳定

②j ?β=时，0)s i n (=-β?

j ，

0c o s ≥j j ?σ，稳定

③j ?β>时，0)sin(<-β?j 。

当j j j y c ?β??σcos )sin(cos ≤-时，满足稳定要求，反之不稳定

④2

45?

β+= 时，即节理面与均质岩体的破裂面一致

即在2

45?

β+= 时，节理岩体稳定的条件。

当岩体不稳定时，需要采取有效措施，如锚固、灌浆，对于边坡还可以减少y σ，即减载（减轻上部岩不重量）。

锚杆加固，

需设计锚固力的大小，其原理如下：

知： 因为x σ＝０，j ?β>,

不稳定时有0cos )sin(cos <+-j j j y c ?β??σ 为使其大于零，则需加水平应力x σ ，即使得

如果锚杆与水平夹角为α 则α

σσcos x

=

' α

σππσσcos 4422

x

d d A p ?=?'=?'='

σ′在y 向已有分量，

应为（ασσsin '+y ）则

一般求出x σ后，再增加一个百分数，即不用求解此式也可。

减载

对于边坡，通过减轻上部荷载，即减少y σ来增加稳定性。 因为β

?σsin 1cos 2-≥

j j y c ，为了使得 左式 < 右式

则需减小y σ ，方法是减少上部岩体的重量，使

β

?σσsin 1cos 2'-<

-j j y y c 则有

根据 y σ' 就可确定挖除多大范围的上部岩体。

● 孔隙水压力

当有孔隙水压力p w 时，有：

0sin cos )cos(sin )sin(cos 31≥-+-+-j w j j j j p c ??β?βσβ?βσ

当左边项 < 0时，不稳定，处理措施：排水，灌浆防渗,降低p w ● 固结

固结灌浆可以增加节理面的抗剪强度，增大c j 和j ?

因此，在边坡工程中，增加岩体稳定的常用措施有： 锚固、减载、排水、防渗灌浆和固结灌浆。