CH2第二章岩石力学.ppt

第二章岩体力学性质与岩体分类,2.1岩体的特点,前一章讨论了岩石的力学性质。有关结果都是由岩石试块在实验室试验所获得的。室内试验的结果能否反映现实工程中材料的力学性质？在机械行业中，回答是肯定的。岩石工程中呢？奥地利岩石力学专家Mller的例子：花岗岩，室内试验的岩石抗压强度为250MPa;根据边坡破坏情况反推的现场岩石的抗压强度：1.25MPa。因此：室内试验的结果不能代表现场的工程岩石。,为什么相差如此之大？是偶然还是普遍情形？,回答：普遍。尺寸较大的现场岩石，其强度通常都远低于小块岩石的强度。原因何在？现场岩石中的断层、层面、节理、裂隙等各种软弱结构面，是造成岩石强度下降的主要原因。室内试验的小试块，只包含微裂隙，不会有断层、节理存在，因此，强度相对较高。工程现场的岩石，尺寸要大得多，节理、裂隙和断层等都可能包含在其中。,结构面岩石节理,岩体,定义：由结构面和结构体组成的地质体，是定义岩体不可缺一的两个要素。结构面：指岩体中存在着的各种不同成因和不同特性的地质界面，包括物质的分界面、不连续面，如节理、片理、断层、不整合面等。结构体：由结构面在岩体中切割而成的几何体称为结构体（岩石）。要掌握岩体的力学特性，更重要的是掌握结构面的特性,一结构面,结构面是在地球长期地质历史中形成的，成因复杂，其分类方法也有多种。按地质成因的不同，可将结构面分为如下三类：1.原生结构面：在成岩过程中形成的结构面。又分为(a)沉积结构面。如层理面。(b)火成结构面。如岩浆与其他岩体的接触面。(c)变质结构面。如片理。,1.1结构面的分类,2.构造结构面指由地球构造活动所产生的结构面。包含：节理、劈理、断层等。3.次生结构面指在次生作用下形成的结构面。如风化裂隙、泥化夹层等。,1.2结构面的几何特征,结构面的存在，会使岩体的性质发生很大变化，强度大大降低。然而，随着结构面产状、形态、延展尺度、规模大小、发育程度等因素的变化，岩体强度也会发生极大变化。因此，在岩体工程中，通常需要对结构面的形态进行详细的研究。,1、结构面的产状,结构面在空间的分布状态，通常用走向、倾向、倾角描述。对岩体中的结构面而言，结构面与岩石工程之间的相互关系直接影响岩体的稳定性。(a)(b)(c)(d),2、结构面表面粗糙度的影响,粗糙度系数JRC；巴顿：粗糙度系数可分10级(标准粗糙度剖面)对右图所示的露天矿边坡，对结构面表面光滑平整和表面粗糙两种情形，则显然，表面光滑时较容易发生滑坡；表面粗糙时则边坡稳定性显著提高，不容易发生滑坡。因此，结构面表面的粗糙度，对这类工程的稳定性，有显著影响。粗糙度大抗滑力大,3、结构面的延展尺度和规模,延展尺度：主要指结构面本身的长度。可分为细小延展尺度1米；中等延展尺度1米10米；巨大延展尺度10米.贯通情况：主要指结构面长度与岩石工程尺度之间的关系。可分为非贯通2.半贯通3.贯通结构面是否贯通，对岩石工程的稳定性有很大影响。,4、结构面的密集度,结构面发育的密集程度，通常可以用两个指标来衡量：1.裂隙度k指单位长度上节理的条数；2.切割度d岩体被结构面切割分离的程度，结构面面积与评价断面面积之比。统计结构面密集程度的方法详细观测线法。,（1）裂隙度Ka.单组节理设观测线长度为，在上出现的节理的个数为n，则节理之间的平均间距为,单组结构面多组结构面,10m,实例：k=4/10=0.4/md=1/k=2.5m,b.多组节理,d180cm岩体为整体结构d=30180cm岩体为块状结构d=6.530cm岩体为碎裂结构d0.75结构面间距1.0m岩土工程特征：整体性强度高，岩体稳定，可视为均质、各向同性的连续介质。,（2）块状结构,节理发育，有若干软弱夹层或贯通微张裂隙将岩体切割成柱状、块状或菱形等结构体。工程范围内，有两组以上节理明显发育，构成影响工程稳定性的可能危险岩块，其尺寸小于工程几何尺寸。完整性系数0.350.75结构面间距0.51.0m岩土工程特征：整体性强度较高，结构面相互牵制，岩体基本稳定，接近弹性各向同性体。,（3）层状结构,由中厚（0.250.5m）及薄层（0.25m）的均一、坚硬、软弱或软硬相间的沉积岩或沉积变质岩形成的岩体。结构面以层理、片理、节理为主，往往有层间错动，结构体呈板状、片状互相紧密叠合。完整性系数：层状0.30.6;薄层状0.4结构面间距：层状0.30.5m；薄层状Ee,动力法考察动载荷作用下的弹性性质。岩体动弹性模量和动泊松比，根据弹性波在岩体中的传播速度进行求解。采用小量药包爆炸激发地震波，在距震源一定距离设置检波器，检测弹性波。根据弹性波波速算出动弹性模量Ed和动泊松比d。,2.5岩体的分类,岩体分类是对影响岩体稳定性和影响工程设计、施工和维护的各种因素建立一些评价指标，对工程辖区岩体进行评价，划分出不同的的级别或类别。分类的目的：为岩体工程建设的勘察、设计、施工和编制定额提供必要的基本依据。按分类目的，可分为综合性和专题性两种；按其所涉及的因素多少，可分为单因素分类法和多因素分类法两种。,工程岩体分类的参考影响因素,1、岩石的强度。GB岩土工程勘察规范用饱和单轴抗压强度进行岩石坚硬程度分类。2、岩体的完整性。岩体完整性取决于不连续面的组数和密度。可用结构面频率(裂隙度）、间距、岩心采取率、岩石质量指标RQD以及完整性系数作为定量指标进行描述。这些定量指标是表征岩体工程性质的重要参数。3、结构面条件。包括结构面产状、粗糙度和充填情况。岩体的工程性质主要取决于结构面的性质和分布状态以及其间的充填物性质。4、岩体及结构面的风化程度。风化程度越高，岩体越破碎，强度越低。5、地下水的影响。渗流，软化，膨胀，崩解，水压力等。,2.5.1单一指标分类法,1.按强度分类(普氏分类法)用岩石单轴抗压强度作为分类依据。在我国冶金矿山，长期使用普氏系数(f)分类法，至今仍然在沿用。,2.按岩石(芯)质量指标分类(RQD法)根据钻探时岩芯完好程度判断。该法在设计时有用。因为设计阶段往往资料不全，利用岩芯信息时必要的。P92表2-6,1、RMR分类法(南非科学工业研究会),类：80分，非常好的岩体；类：61-80分，好岩体；类：41-60分，一般岩体；类：21-40分，不好的岩体；类：20分，非常不好的岩体；,2.5.2复合指标分类法,（1）岩块强度(R1)（2）RQD值(R2)（3）节理间距(R3)（4）节理条件(R4)（5）地下水(R5)（6）节理方向对工程的影响的修正参数（R6）,R1,R2,R3,R4,R5,R6,该分类法已得到比较广泛的应用。,如：不支护隧道的自稳时间,岩体分级的意义对岩体（围岩）的好坏有个直观定性的认识；还可以为岩体参数的折减提供计算参数。,宾尼奥夫斯基（Bieniawski，1976)在大量实测统计的基础上，发现Q值与RMR值之间具有如下条件关系：,2、Q分类法,巴顿提出；Q分类法同样考虑6个方面的因素，考虑的地质因素较全面，而且把定性分析与定量评价结合起来了，软硬岩均适用，在处理极软弱的岩层中推荐采用此分类法。P95,我国工程岩体分级标准,工程岩体分级标准GB50218-94岩体基本质量指标BQ,类：550分，岩体完整；类：451-550分，岩体较完整；类：351-450分，岩体较破碎；类：251-350分，岩体破碎；类：250分，岩体极破碎；,BQ的修正：水、结构面产状、应力,岩石力学新兴的研究方向之岩石动力学,岩石动力学就是研究岩石材料在动载荷作用下表现出的力学行为的学科。如，爆炸、冲击等。岩石动力学研究内容与方向：岩石动态力学性质与本构关系；岩体（石）中应力波的传播与衰减规律；岩石动态断裂机理与数值模拟；岩石动力学与防护工程；岩石爆破与控爆技术；岩爆与冲击地压机理研究；岩石洞、基、坡动态稳定性分析；岩石锚杆、锚索、土钉抗动载效应；岩石动力参数的测试新技术与新方法；桩基动测技术及其应用等,1987年10月成立了中国岩石力学与工程学会岩石动力学专业委员会，每两年召开一次会议,岩石动力学的应用领域：高烈度地震区、山地边坡、坝基、地下洞室以及基岩上构建筑物的抗震与减震高地应力条件下脆/硬弹性岩体突发岩爆、矿井深部冲击地压等地运动研究与工程处理高速铁路、公路、隧洞与地下构筑物的振动与防护岩岸工程和海洋钻井平台受海浪、波浪的撞击与拍击。岩崩、爆炸冲击、岩石的高速碰撞对周边环境的影响等,岩石力学新兴的研究方向之岩石动力学,流体力学主要研究流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律。研究岩石（体）与水共同作用所表现出的力学特性（水岩相互作用流固耦合）地表水、地下水（孔隙水压力