常见的岩土及岩石物理力学参数

简介：
本书全面介绍了常见岩土和岩石的基本物理性质与力学特性，包括密度、孔隙比、抗压强度等关键参数，为地质工程设计提供坚实基础。 ### 常用的岩土和岩石物理力学参数 #### 弹性参数转换与应用 在岩土工程领域，常用到两种弹性参数体系：杨氏模量( E )和泊松比( ν )体系，以及体积模量( K )和剪切模量( G )体系。两者之间的关系如下： \[ K = \frac{E}{3(1 - 2\nu)} \] \[ G = \frac{E}{2(1 + \nu)} \] 当泊松比接近0.5时，使用上述公式直接计算体积模量可能会导致结果显著偏高。因此，在这种情况下，推荐先确定体积模量（可以通过压缩试验或P波速度测试获得），再利用体积模量和泊松比来计算剪切模量。 #### 岩土体的弹性特性 表7.1展示了几种常见岩石的弹性特性数据，包括砂岩、粉质砂岩、石灰石、页岩、大理石以及花岗岩等。这些信息涵盖了干密度、杨氏模量( E )、泊松比( ν )、体积模量( K )和剪切模量( G )等多个重要参数。例如，砂岩的干密度约为1930 kg/m³，杨氏模量为0.38 GPa，泊松比为0.22，体积模量为26.8 GPa，剪切模量为7.0 GPa。 表7.2列出了不同类型土壤的弹性特性数据。这些类型包括但不限于松散和密质均质砂土、含角砾淤泥质砂土、硬质及软质粘土等。例如，松散均质砂土的干密度大约是1470 kg/m³，其杨氏模量( E )范围在10-26 MPa之间，泊松比介于0.2至0.4。 #### 各向异性弹性特性 某些地质条件下岩石会表现出各向异性的性质。对于横切各向同性模型而言，需要考虑五个常数：\(E_1, E_3, \nu_{12}, \nu_{13}\) 和 \(G_{13}\)；而对于正交各向异性弹性模型，则需九个常量：\(E_1, E_2, E_3,\nu_{12},\nu_{13},\nu_{23}, G_{12}, G_{13} \text{和} G_{23}\)。 表7.3列举了一些岩石（如砂岩、石灰石、页岩等）的横切各向同性弹性常数，例如：\(E_x, E_y,\nu_{yx},\nu_{zx},G_{xy}\)。举例来说，砂岩的具体值为 \(E_x = 43.0 \text{ GPa} ，E_y = 40.0 \text{ GPa}，\nu_{yx} = 0.28, \nu_{zx}=0.17,\) 和 \(G_{xy} = 17.0 \text{ GPa}\)。 #### 流体弹性特性 在地下水分析中，需要考虑流体的弹性性质。当土粒不可压缩时，可以使用水的体积模量( K_f )；而当土粒可压缩时，则需用到比奥模量( M )。纯净水在室温条件下的体积模量大约为2 GPa。 对于FLAC3D软件中的稳态流动分析或初始孔隙压力分布求解，建议使用较低的 \(K_f\) 值以确保足够的时间步长并改善力学收敛性。具体而言： \[ t_f = \frac{n^2 K_f}{\gamma_w k} \] 其中\(t_f\)为流动时间步长、\(n\)表示孔隙度、\(k\)是渗透系数，而\(\gamma_w\)代表水的单位重量。 当考虑可压缩流体时，可通过获得的固结系数来评估改变 \(K_f\) 值的影响。此外，饱和体积模量( M_s )和不排水泊松比( \nu_{undrained} )也是重要的参数，用于估计压缩效应。 #### 固有的强度特性 在FLAC3D软件中广泛使用摩尔-库仑准则来描述材料的破坏行为。该准则假设剪切破坏面是一条直线。具体表达式如下： \[ \sigma_1 - \sigma_3 = c + \phi(\sigma_1 + \sigma_3) \] 其中\(\sigma_1\)和\(\sigma_3\)分别为最大及最小主应力（压缩应力为负值），\(c\)代表