岩石力学课程

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,岩石/岩体性质,物理性质,力学性质,包括密度、容重、含水率、抗冻等性质,包括弹性/变形模量、抗拉、抗压、抗剪强度等,第二章岩石的物理性状（性质）Chapter2PhysicalPropertiesofRock,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LearningHints,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：,2.1岩体的结构特性,岩体的组成,岩体是由结构面网络及其所围限的岩块(结构体)所组成。具有一定的结构是岩体的显著特征之一。岩体中存在着复杂的天然应力状态和地下水，这是岩体与其他材料的根本区别之一。,2.1岩体的结构特性,岩体的结构,岩体结构（rockmassstructure）指岩体中结构面与结构体的排列组合关系。,结构体(structuralelement)指岩体中被结构面切割围限的岩石块体。它不同于岩块的概念。结构体的规模取决于结构面的密度，密度愈小，结构体的规模愈大,与结构面对应,划分为五级。常用块度模数（单位体积内的级结构体数)或结构体体积来表示结构体规模。,2.1岩体的结构特性,岩体的结构,结构体形状图,结构体常见的形状:柱状、板状、楔形、菱形形状不同，稳定性不同。,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,2.1岩体的结构特性,岩体的结构类型,2.1岩体的结构特性,岩体结构面的特征,结构面的成因类型,地质成因类型,力学成因类型,原生结构面,构造结构面,次生结构面,张性结构面,剪性结构面,2.1岩体的结构特性,岩体结构面的特征,结构面的成因类型,沉积结构面,沉积岩在沉积和成岩过程中形成的，有层理面、软弱夹层、沉积间断面和不整合面等。,岩浆结构面,岩浆侵入及冷凝过程中形成的结构面，包括岩浆岩体与围岩的接触面、各期岩浆岩之间的接触面和原生冷凝节理等。,变质结构面,岩体在变质作用过程中形成，分为残留结构面和重结晶结构面。,构造结构面,岩体形成后在构造应力作用下形成的各种破裂面，包括断层、节理、劈理和层间错动面等。,次生结构面,岩体形成后在外营力作用下产生的结构面，包括卸荷裂隙、风化裂隙、次生夹泥层和泥化夹层等。,2.1岩体的结构特性,岩体结构面的特征,结构面的成因类型,张性结构面,由拉应力形成的，如羽毛状张裂面、纵张及横张破裂面、岩浆岩中的冷凝节理等特点：张开度大、连续性差、形态不规则、面粗糙，起伏度大及破碎带较宽,易被充填,常含水丰富，导水性强,剪性结构面,剪应力形成的，破裂面两侧岩体产生相对滑移，如逆断层、平移断层以及多数正断层等。特点：连续性好，面较平直，延伸较长并有擦痕镜面等。,2.1岩体的结构特性,岩体结构面的特征,结构面的成因类型,2.1岩体的结构特性,岩体结构面的特征,结构面的规模,级指大断层或区域性断层。控制工程建设地区的地壳稳定性，直接影响工程岩体稳定性；,级指延伸长而宽度不大的区域性地质界面。,级指长度数十米至数百米的断层、区域性节理、延伸较好的层面及层间错动等。,级指延伸较差的节理、层面、次生裂隙、小断层及较发育的片理、劈理面等。是构成岩块的边界面，破坏岩体的完整性，影响岩体的物理力学性质及应力分布状态。,级又称微结构面。常包含在岩块内，主要影响岩块的物理力学性质，控制岩块的力学性质。,、级结构面控制着工程岩体力学作用的边界条件和破坏方式，它们的组合往往构成可能滑移岩体的边界面，直接威胁工程安全稳定性,级结构面主要控制着岩体的结构、完整性和物理力学性质，数量多且具随机性，其分布规律具统计规律，需用统计方法进行研究。,2.1岩体的结构特性,岩体结构面的特征,产状,走向：指岩层层面与水平面交线的方位角，其表示岩层在空间延伸的方向，如图中AB线。倾向：指垂直走向顺倾斜面向下引出的直线在水平面的投影的方位角，表示岩层在空间的倾斜方向，如图中CD线。倾角：指岩层层面与水平面所夹的锐角，表示岩层在空间倾斜角度的大小，如图中。可见，用岩层产状的三个要素，能表达经过构造变动后的构造形态在空间的位置。,2.1岩体的结构特性,岩体结构面的特征,产状,2.1岩体的结构特性,岩体结构面的特征,产状,2.1岩体的结构特性,岩体结构面的特征,产状,测量走向时，使罗盘的长边紧贴层面，将罗盘放平，水准泡居中，读指北针所示的方位角，就是岩层的走向。,测量倾向时，将罗盘的短边紧贴层面，注意将罗盘的北端朝向岩层的倾斜方向，水准泡居中，读指北针所示的方位角，就是岩层的倾向。,测量倾角时，需将罗盘横着竖起来，使长边与岩层的走向垂直，紧贴层面，等倾斜器上的水准泡居中后，读悬锤所示的角度，就是岩层的倾角。,一组走向为北西320，倾向南西230，倾角35的岩层产状，可写成：N320W，S230W，35,由于岩层的走向与倾向相差90，所以在野外测量岩层的产状时，往往只记录倾向和倾角。如上述岩层的产状，可记录为SW23035形式。如需知道岩层的走向时，只需将倾向加减90即可。,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,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；,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,物理性质,水理性质,容重/密度,空隙性,吸水性,软化性,抗冻性,抗冻性,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）,2.3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Ws,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Wd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：岩石的干质量；岩石在强制条件下的质量（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：,KK1。,2.3.10岩石渗透性,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岩石渗透性,渗透系数的现场测定,现场抽水试验BoreholePumpingTest,2.3岩石的物理性质指标,2.3.10岩石渗透性,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,2.4岩体的工程分类,前面对岩石性质的研究均是采用实验室或现场试验的方法，偏向于“点”上研究，然而实际工程所面对的是大范围、大体积的岩石工程，更注重于“面”/“体”上的研究，实际上现场工程师对岩体性质的把握也无法细到很具体的程度，因此，针对设计而言，有必要根据对岩体各方面性质的系统研究，对工程区域研究进行整体把握，适当进行分类。,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(RockQualityDesignation)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（RockMassRating）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巴顿岩体质量(Q)分类,分类指标：Q值RQD岩石质量指标；Jn节理组数；Jr节理粗糙系数；J