川大学岩石力学.ppt

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1、上节回顾Review,岩石力学研究的对象及特点,岩石力学研究的主要内容,岩石力学的研究方法,本节内容Next,我们将进入岩石力学的重要内容岩石的物理性质的学习中,第二章 岩石的物理性状（性质）Chapter 2 Physical Properties of Rock,目的及要求：了解工程实践中最关注的岩石的工程性质（即物理性质、力学性质和水理性质）；要求熟悉各种岩石物理性质的具体含义和测试过程与手段；掌握岩石物理性质的工程意义；岩石与岩体的工程分类；,重点：岩石的物理性质指标和岩石的渗透与水理性质。,难点：各类岩石物理参数的计算公式与测试方法、裂隙统计方面的内容。,学习提示Learning H

2、ints,2.1 岩体的结构特性,岩石（根据成因）可分为：,2.1 岩体的结构特性,2.1 岩体的结构特性,岩石（根据成因）可分为：,断层：规模较大，宽度几米几十米，延伸长度几百米几公里；,节理：规模中等，宽度几十厘米，延伸长度几米几十米；,裂隙：规模较小，宽度几厘米甚至更小，延伸长度几十厘米；,2.1 岩体的结构特性,岩石（根据成因）可分为：,结构面少，连续性差，闭合 巨型（原型）结构,结构面较发育 块状结构,结构面极发育 破裂（散体）结构,2.2 岩石的不连续性、不均匀性及各向异性,由于岩石中存在各种规模的结构面（断裂带、断层、节理、裂隙）,致使岩石的物理力学性质不连续、不均匀、各向异性,

3、因此，有必要引入刻划不均一程度的参数。,2.2 岩石的不连续性、不均匀性及各向异性,2.2.1 岩石的裂隙性,通常采用裂隙率作为定量评价(描述)裂隙切割的程度。,2.2.1 岩石的裂隙性,单向裂隙,a)沿一组裂隙面法向统计,含义：单位长度上裂隙条数（条m）。,显然：岩体切割越破碎。,2.2 岩石的不连续性、不均匀性及各向异性,2.2 岩石的不连续性、不均匀性及各向异性,2.2.1 岩石的裂隙性,单向裂隙,b)沿裂隙面方向（连通率）,a裂隙面长度；b岩桥长度；,Jinping,2.2 岩石的不连续性、不均匀性及各向异性,2.2.1 岩石的裂隙性,平面裂隙率,概念：指岩石单位面积上各类裂隙面积所占

4、比重。,讨论 的两种极限情况：,(1)时，无裂隙；,(2)时，全部被裂隙充满；,2.2 岩石的不连续性、不均匀性及各向异性,2.2.2 各向异性,正交各向异性（三个材料主轴、定义材料参数）,概念：岩石的强度、变形指标（力学性质）随空间方位不同而异的特性。(从岩石的不同方向施加荷载，其抵抗破坏的能力不同),三个材料主轴方向力学性质不同,表征各向异性材料的参数9个！,2.2 岩石的不连续性、不均匀性及各向异性,2.2.2 各向异性,概念：岩石的强度、变形指标（力学性质）随空间方位不同而异的特性。,横观各向同性（层状）,层面内 力学性质相同（多向同性面）；层 间 力学性质差异；涉及5个参数：,2.3

5、 岩石的物理性质指标,在前面说到，岩石力学问题的研究首先应从岩石的基本物理力学性质研究入手，本节介绍岩石（块）的基本物理性质的主要指标及测试方法。,中华人民共和国水利部.水利水电工程岩石试验规程SL264-2001S.中华人民共和国行业标准,2001年,2.3 岩石的物理性质指标,岩体属于三相体（固Solid、液Liquid、气Gas）,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.1 岩石的容重,指单位体积岩石的重量。,由于岩样中含有水分，根据“w”的不同含义，可分为：,干容重（烘干状态）,体积V的确定：标准件 直接量A、H；非标准件 用阿基米德原理,天然容重,天然状态（大气压力室温条件下含水量）,2

6、.3 岩石的物理性质指标,2.3.1 岩石的容重,饱和容重,测定方法：煮沸或抽真空充分饱和称重Wm,岩石的容重在一定程度上反映岩石的力学性质情况。通常，岩石的容重越大，则它的性质越好，反之越差。,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.2 比重,指岩石干重量Ws除以岩石的实体积（不含孔隙体积）Vs的干容重与4c水的容重的比值。,式中：绝对干燥时体积为V的岩石重量（kN）；岩石的实体体积（不包含孔隙体积）（m3）；水的容重（在4时等于10）（kN/m3）；,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.3 孔隙率,指岩石内孔隙体积与总体积之比。用下式表示：,根据干容重s和比重Gs也可以推导出孔隙率：,2.3

7、岩石的物理性质指标,2.3.3 孔隙率,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.4 天然含水量,指天然状态下，岩石的含水量与岩石干重比值的百分比。用下式表示：,式中：岩石的烘干前质量；水的质量（一个大气压和室温条件）；岩石烘干前的质量（天然质量）；,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.5 自然吸水率,指岩石在常温条件下浸水48小时后，岩石内的含水量与岩石干容重的比值。用下式表示：,式中：岩石的干重量；浸水48小时后岩石的重量；,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.6 饱和吸水率,指岩样在强制状态（真空、煮沸或高压）下，岩样最大吸水量与岩石干重量比值。用下式表示：,式中：岩石的干重量；岩石在强制条件

8、下的重量（吸入水岩石干重）；,测定方法：煮沸法或真空抽气法，用高压法可能会提高饱和程度，但设备复杂,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.7 饱水系数,指岩石吸水率与饱水率的比值百分率。用下式表示：,（一般饱水系数介于0.50.8之间）,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.7 饱水系数,K91时：冻结过程中，水结成冰的相变现象会对岩石中的孔隙和裂隙产生“冰劈”作用，造成岩石胀烈破坏。,饱水系数对岩石抗冻性具有重要影响，试验证明：,K91时：水尚有膨胀和挤入剩余敞开孔隙和裂隙的余地，可避免岩石的冰冻破坏；,2.3.8 抗冻系数,岩石经过反复冻结与融解，会使强度降低，甚至可能引起破坏（原因：岩样中各

9、种矿物成分膨胀系数不同变形压力、结冰时形成的膨胀压力）。常用抗冻系数和重量损失率表示。岩石冻融后的干抗压强度与冻融前的干抗压强度的比值称为岩石的抗冻系数。用下式表示：,测定方法：用经过25条件下反复（规定次数,一般为20次，严寒地区不少于25次）的降温、冻结、融解、升温过程后，测定岩石抗压强度的下降值。,2.3 岩石的物理性质指标,式中：冻融前岩石干抗压强度；冻融后岩石干抗压强度,式中：冻融前岩石试件重量；冻融后岩石试件重量,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.9 软化系数,岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性，用软化系数（c）表示。c定义为岩石试件的饱和状态抗压强度与干压强度的比值，即：

10、,讨论：c愈小则岩石软化性愈强。研究表明：岩石的软化性取决于岩石的矿物组成与空隙性。当岩石中含有较多的亲水性和可溶性矿物，且含大开空隙较多时，岩石的软化性较强，软化系数较小。,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.10 渗透系数K,受承压水作用的岩体，在裂隙节理等结构面内将产生渗流，其渗透性大小，工程上一般以渗透系数K表征（cms）对防渗处理措施而言，岩体渗透性的大小是防渗帷幕布置深度的依据（图示）；降雨导致的滑坡等,吕容系数Lu,渗透系数K,吕容系数也是表征岩石渗透特性的一种方式，其可与渗透系数互换。1Lu=110-5cms,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.10 渗透系数K,渗透对工程的影

11、响：,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.10 渗透系数K,降低岩石或结构的参数;,渗透对工程的影响：,产生渗透压力，减小岩石或结构的有效应力，从而降低岩石的抗剪强度；,2.3.10 渗透系数K,渗透系数的实验室测定,采用下式计算渗透系数K：,NOTE：尽管此类渗透仪的方法和仪器与土的渗透仪相似，但所采用的压力差要大得多。,2.3 岩石的物理性质指标,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.10 渗透系数K,渗透系数的实验室测定,值得注意的是：岩石的渗透系数不仅与岩石及水的物理性质有关，还与岩石的应力状态有关。,对于径向渗透试验：,2）反之水从内壁流向外壁，岩样受拉 K2。,1）当外壁水压大于内壁

12、水压，水从外 壁流向内壁，岩样受压K1；,一般来说，K2K1。,2.3.10 渗透系数K,渗透系数的实验室测定,或,应用了水力学中的达西(Darcy)定律,2.3 岩石的物理性质指标,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.10 渗透系数K,渗透系数的现场测定,现场抽水试验 Borehole Pumping Test,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.10 渗透系数K,渗透系数的现场测定,中华人民共和国电力部.水利水电工程钻孔抽水试验规程（DL/T5213-2005S.中华人民共和国行业标准,2005年,上节回顾Review,岩石的结构特性,岩石的不连续性、不均匀性及各向异性,岩石的主要物理力学

13、指标,本节内容Next,我们将继续学习岩体的工程分类，同时开始进入岩石力学重要章节岩石强度的学习中,2.4 岩体的工程分类,岩体工程分类既是工程岩体稳定性分析的基础，也是评价岩体工程地质条件的一个重要途径。,岩体工程分类实际上是通过岩体的一些简单和容易实测的指标，把工程地质条件和岩体的力学性质联系起来，并借鉴已建工程设计、施工和处理等方面成功与失败的经验教训，对岩体进行归类的一种工作方法。,目的是通过分类，概括地反映各类工程岩体的质量好坏，预测可能出现的岩体力学问题。为工程设计、加固、建筑物选型和施工方法选择等提供参数和依据。,2.4 岩体的工程分类,2.4.1 岩体质量指标RQD分类,RQD

14、(Rock Quality Designation)的岩石质量指标是迪尔1964年提出的。,RQD是根据修正岩芯采取率进行计算的。其中：,2.4 岩体的工程分类,2.4.1 岩体质量指标RQD分类,显然，RQD值的大小反映了岩体的完整程度，可将岩体分为类。,NOTE：岩体的质量不仅涉及RQD，还涉及如节理数组、粗糙程度、地下水发育程度等。,2.4 岩体的工程分类,2.4.2 岩体质量评分(RMR)地质力学围岩分类,RMR（Rock Mass Rating）由比尼卫斯基（Bienawski，1973）提出，后经多次修改，于1989年发表在工程岩体分类一书中。,该分类系统由岩块强度、RQD值、节理

15、间距、节理条件及地下水5类指标组成。具体做法为：,根据各类指标的数值，逐次计分，求和得总分RMR值（P27页表2-10）,根据节理、裂隙的产状变化对RMR的初值进行修正（P27页表2-11），以强调节理、裂隙对岩体稳定的不利影响。,2.4 岩体的工程分类,2.4.2 岩体质量评分(RMR)地质力学围岩分类,2.4 岩体的工程分类,2.4.2 岩体质量评分(RMR)地质力学围岩分类,2.4 岩体的工程分类,2.4.2 岩体质量评分(RMR)地质力学围岩分类,2.4 岩体的工程分类,2.4.3 其他分类方法,按不同的专业确立的岩体分类体系，如水工隧洞设计规范铁路隧道设计规范等，均有系统的分类体系。,重要的大型水电工程（如二滩、官地、锦屏、溪洛渡等），也有独立的分类体系（岩体结构特征，风化卸荷，地下水等）,