岩石力学课件---4岩体的力学性质20061106

1、第第 四四 章章岩岩 体体 的的 力力 学学 性性 质质4-1 岩体的结构岩体的结构 岩体的结构岩体的结构是指岩体中结构面和结构体的形态和组合特征。是指岩体中结构面和结构体的形态和组合特征。 按岩体被结构面切割程度或结构体的形态特征，可将岩体按岩体被结构面切割程度或结构体的形态特征，可将岩体结构划分为以下几种基本类型：结构划分为以下几种基本类型：岩体结构岩体结构整体结构整体结构 层状结构层状结构 块状结构块状结构 碎裂结构碎裂结构散体结构散体结构层状结构层状结构 薄层状结构薄层状结构 镶嵌结构镶嵌结构层状碎裂结构层状碎裂结构碎裂结构碎裂结构一、整体结构一、整体结构 岩性单一，节理不发育，无软弱

2、结构面或夹泥，岩性单一，节理不发育，无软弱结构面或夹泥，层面结合良好，渗流对岩体特性影响不大，结构尺层面结合良好，渗流对岩体特性影响不大，结构尺寸大于工程尺寸。可视为均质、各向同性的连续介寸大于工程尺寸。可视为均质、各向同性的连续介质。质。 完整性系数完整性系数 0.75 结构面级别结构面级别 、V 结构面间距结构面间距 1m二、块状结构二、块状结构 节理发育，有若干软弱夹层或贯通微张裂隙将岩节理发育，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，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有两组以上节理明显发育，构

3、成影响工程稳定性的危险岩块，其尺寸小于工程几何尺寸。危险岩块，其尺寸小于工程几何尺寸。 结构面间距结构面间距 0.51 m 完整性系数完整性系数 0.350.75 结构面级别以结构面级别以、V为主为主 三、层状结构三、层状结构 由中厚（由中厚（0.10.5 m）及薄层（）及薄层（0.1m）的均一、）的均一、坚硬、软弱或软硬相间的沉积岩或沉积变质岩形成坚硬、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。工层间错动，结构体呈板状、片状互相紧密叠合。工程范围内，一组节理明显发育，

4、在层内具有均一的程范围内，一组节理明显发育，在层内具有均一的地质特征与力学特性，属各向异性、层内均质的连地质特征与力学特性，属各向异性、层内均质的连续介质。续介质。 完整性系数：层状完整性系数：层状 0.30.6； 薄层状薄层状 0.4 结构面级别结构面级别: 层状层状 以以、为主；薄层状为主；薄层状 、显著显著 结构面间距：层状结构面间距：层状 0.30.5 m ； 薄层状薄层状 0.3 m四、碎裂结构四、碎裂结构 构造发育，各种结构面与断裂交叉发育，且多为泥质充填。构造发育，各种结构面与断裂交叉发育，且多为泥质充填。岩体破碎，呈块状或片状，局部裹有坚硬的大块或条块状岩石，岩体破碎，呈块状或

5、片状，局部裹有坚硬的大块或条块状岩石，属不均一的不连续介质。属不均一的不连续介质。 岩体岩体完整性系数完整性系数结构面间距结构面间距结构面级别结构面级别镶嵌结构镶嵌结构0.36 0.5m 、级密集级密集层状碎裂结构层状碎裂结构0.4 0.5m 、发育发育破碎结构破碎结构0.3 0.5m 五、散体结构五、散体结构 主要为各种剧烈风化或挤压破碎的岩体或主要为各种剧烈风化或挤压破碎的岩体或土体。结构面相当发育，呈网状，岩体极度土体。结构面相当发育，呈网状，岩体极度破碎，并混有断层泥，呈松散堆积或压密堆破碎，并混有断层泥，呈松散堆积或压密堆积。属松散介质。积。属松散介质。 完整性系数：完整性系数：2a

6、，矩形截面，矩形截面. 加压装置：千斤顶，应力枕。加压装置：千斤顶，应力枕。 （1） 真三轴试验（真三轴试验（123)的强度计算的强度计算 在在123状态下，某一平面法线的方向余弦为状态下，某一平面法线的方向余弦为L,M,N。则。则 法向应力：法向应力： 剪应力：剪应力： 因因 可得：可得： 232221NMLn 22232222212nnNML 1222 NML232231212232)(41)()2( Lnn213212322231)(41)()2( Mnn221223132221)(41)()2( Nnn 分别令分别令L，M，N=0，则在，则在-平面坐标内表示时三个应力圆。平面坐标内表示

7、时三个应力圆。 2322232)(41)2( nn2132231)(41)2( nn2212221)(41)2( nn若令若令L= M = N= 则得八面体正应力和剪应力：则得八面体正应力和剪应力： 上式可写为：上式可写为： 313321 okn213232221)()()(31 okn)(okokf （2）假三轴试验（）假三轴试验（1 3 ，23)的强度计算的强度计算 在在1 3 ，23状态下，可化为平面问题。状态下，可化为平面问题。 法向应力：法向应力： 剪应力：剪应力： 由上二式得：由上二式得： 上式在上式在-平面坐标内表示的曲线是应力圆。平面坐标内表示的曲线是应力圆。 其圆心坐标为其圆

8、心坐标为 ， 半径为半径为 2cos223131 n2312231)2()2( nn 2sin231 n)0 ,2(31 )2(31 （3）平面状态下的强度计算（）平面状态下的强度计算（ 1 3 ，20） 此状态侧压力此状态侧压力20，为双向应力状态，为平面问题。其应力方，为双向应力状态，为平面问题。其应力方程与上相同程与上相同 ： 法向应力：法向应力： 剪应力：剪应力： 应力圆方程：应力圆方程： 其圆心坐标为：其圆心坐标为： 半径为：半径为： 2cos223131 n2312231)2()2( nn 2sin231 n)0 ,2(31 )2(31 一、岩体破坏概念一、岩体破坏概念 岩体在一定

9、的应力条件下丧失其结构联结称为岩体在一定的应力条件下丧失其结构联结称为岩岩体破坏体破坏（丧失承载力和稳定性）。岩体结构丧失后（丧失承载力和稳定性）。岩体结构丧失后的移动或运动称为的移动或运动称为岩体工程结构的破坏岩体工程结构的破坏（影响工程（影响工程使用、报废）。使用、报废）。 工程岩体破坏可分为两个阶段工程岩体破坏可分为两个阶段： 1、岩体结构联结的丧失：结构面开裂、错动或、岩体结构联结的丧失：结构面开裂、错动或 滑移；结构体拉伸破坏或剪切破坏；滑移；结构体拉伸破坏或剪切破坏； 2、结构体移动或运动。、结构体移动或运动。4-3 岩体破坏机理岩体破坏机理二、二、 岩体破坏机理岩体破坏机理 （一

10、）拉伸破坏（一）拉伸破坏 1、垂直结构面方向的拉伸破坏。、垂直结构面方向的拉伸破坏。 2、沿结构面方向的拉伸破坏。、沿结构面方向的拉伸破坏。 3、完整岩体的拉伸破坏。、完整岩体的拉伸破坏。 （二）剪切破坏（二）剪切破坏 1、沿结构面的剪切破坏、沿结构面的剪切破坏 2、切穿结构面的剪切破坏、切穿结构面的剪切破坏 岩体变形是评价工程稳定性的重要指标，也是岩体变形是评价工程稳定性的重要指标，也是岩体工程设计的基本原则之一。岩体工程设计的基本原则之一。 例如建拱坝、有压隧道应考虑？例如建拱坝、有压隧道应考虑？ 岩体变形由岩块与结构变形组成，结构变形包岩体变形由岩块与结构变形组成，结构变形包括结构面闭合

11、、充填物压密及结构转动或滑动括结构面闭合、充填物压密及结构转动或滑动等构成。一般情况下，岩体的结构变形起控制等构成。一般情况下，岩体的结构变形起控制作用。作用。一般通过现场原位试验研究岩体变形特性。一般通过现场原位试验研究岩体变形特性。4-4 岩体的变形特性岩体的变形特性一、岩体的单轴和三轴压缩变一、岩体的单轴和三轴压缩变形特性形特性 1、现场岩体的单轴和三轴压缩试验、现场岩体的单轴和三轴压缩试验的的 全过程曲线全过程曲线 2、典型的岩体、典型的岩体 全过程曲线全过程曲线 可分为可分为 4个阶段：个阶段： （1）裂隙压密阶段（）裂隙压密阶段（OA）：曲线上凹）：曲线上凹 （2）弹性变形阶段（）

12、弹性变形阶段（AB）:呈直线呈直线 （3）塑性变形阶段（）塑性变形阶段（BC）：曲线下凹）：曲线下凹 （4）破坏后阶段（）破坏后阶段（CD）：）： 残余强度残余强度d 峰值强度峰值强度c 3、岩体法向变形曲线的基本形式、岩体法向变形曲线的基本形式 （1）直线型：坚硬、完整无裂隙岩体）直线型：坚硬、完整无裂隙岩体 （2）下凹型：节理裂隙发育，泥质充填，岩性软弱）下凹型：节理裂隙发育，泥质充填，岩性软弱 （3）上凹型：坚硬但裂隙发育，多呈张开而无充填物）上凹型：坚硬但裂隙发育，多呈张开而无充填物 （4）S型型直线型直线型 下凹型下凹型 上凹型上凹型 S S型型 4、岩石与岩体的应力应变曲线、岩石与

13、岩体的应力应变曲线二、二、 岩体剪切变形特征岩体剪切变形特征-剪剪应力应力剪剪应变曲线应变曲线 岩体的剪切变形是许多岩体工程特别是边坡工程中最常见岩体的剪切变形是许多岩体工程特别是边坡工程中最常见的变形模式。的变形模式。 在屈服点之前，在屈服点之前，变形曲线与压缩变形相似。屈服点以后，变形曲线与压缩变形相似。屈服点以后，岩体内某个结构面和结构体可能首先被剪坏，随之出现一次应岩体内某个结构面和结构体可能首先被剪坏，随之出现一次应力降，峰值前可能出现多次应力降。当应力增加到一定程度，力降，峰值前可能出现多次应力降。当应力增加到一定程度，没被剪坏部位以瞬间破坏的方式出现，并伴有一次大的应力降，没被剪

14、坏部位以瞬间破坏的方式出现，并伴有一次大的应力降，然后可能产生稳定滑移。然后可能产生稳定滑移。三、岩体各向异性变形特征三、岩体各向异性变形特征 1、特征：、特征： 竖直向分布的节理岩体变形模量明显大于水平向分布节理竖直向分布的节理岩体变形模量明显大于水平向分布节理岩体的变形模量。岩体的变形模量。 2、变形机制不同变形机制不同： （1）垂直层面的压缩变形量主要由岩块和）垂直层面的压缩变形量主要由岩块和结构面结构面（软弱夹层）（软弱夹层）压压密密所形成的变形构成；层状岩体不仅开裂层面压缩变形量大，所形成的变形构成；层状岩体不仅开裂层面压缩变形量大，而且在成岩过程中，由于沉积规律的变化，层面出现在矿

15、物连而且在成岩过程中，由于沉积规律的变化，层面出现在矿物连结力弱、致密度低的部位，这是垂直层面方向压缩变形量大的结力弱、致密度低的部位，这是垂直层面方向压缩变形量大的另一个原因。另一个原因。 （2）平行层面方向的压缩变形量主要是岩块和少量）平行层面方向的压缩变形量主要是岩块和少量结构面错动结构面错动而而成。成。 3、构成岩体变形各向异性的两个基本要素：、构成岩体变形各向异性的两个基本要素： （1）物质成分和物质结构的方向性）物质成分和物质结构的方向性 （2）节理、结构面和层面的方向性）节理、结构面和层面的方向性四、原位岩体变形参数测定四、原位岩体变形参数测定 目标：测定岩体的变形指标目标：测定

16、岩体的变形指标E、与与关系。关系。 岩体现场变形试验方法：静力法、动力法（弹性波测岩体现场变形试验方法：静力法、动力法（弹性波测量法）量法） 常用的静力法有：承压板试验（千斤顶荷载试验）、常用的静力法有：承压板试验（千斤顶荷载试验）、径向荷载试验、水压法等。径向荷载试验、水压法等。 1、表面承压板试验、表面承压板试验 试验通常在平巷中进行。试验点具有代表性，面积以试验通常在平巷中进行。试验点具有代表性，面积以0.251.0m2为宜。为宜。（1）试验装置）试验装置 垫板（承压板）、加荷装置（千斤顶或压力枕）、传力装置垫板（承压板）、加荷装置（千斤顶或压力枕）、传力装置（传力支柱、传力柱垫板）、变

17、形测量装置（测微计）（传力支柱、传力柱垫板）、变形测量装置（测微计）（2）加荷方式）加荷方式 采用何种加荷方式，可根据岩采用何种加荷方式，可根据岩体结构和工程要求而定。体结构和工程要求而定。 完整岩体：完整岩体： 可采用大循环加荷方式，以可采用大循环加荷方式，以确定岩体在不同荷载下的变确定岩体在不同荷载下的变形特性；形特性； 多裂隙岩体：多裂隙岩体： 可采用多循环或单循环加荷可采用多循环或单循环加荷方式，以了解各种结构面对方式，以了解各种结构面对岩体变形的影响。岩体变形的影响。 (3)、参数计算、参数计算 假设岩体为假设岩体为弹性半无限空间弹性半无限空间，则岩体表面垂直，则岩体表面垂直位移可根

18、据弹性理论的布西涅斯克解答求得。位移可根据弹性理论的布西涅斯克解答求得。 A、圆形柔性垫板、圆形柔性垫板：垫板中心点处的垂直位移垫板中心点处的垂直位移为：为： 式中：式中：P中心荷载；中心荷载；r圆垫板半径圆垫板半径ErPW )1(220 垫板的平均位移为：垫板的平均位移为： 式中：式中： A受荷表面的面积；受荷表面的面积；m与垫板形状、刚度与垫板形状、刚度及荷载分布情况有关的系数及荷载分布情况有关的系数, 方形板取方形板取0.88，圆形板，圆形板取取0.79 。 如果测得垫板的垂直位移如果测得垫板的垂直位移WO，则可由上式求得，则可由上式求得变形变形模量模量。AEmPW)1(20 B、矩形刚

19、性垫板、矩形刚性垫板：垫板下岩面的垂直位移为：垫板下岩面的垂直位移为： 式中：式中：P中心荷载；中心荷载；a，b矩形垫板的边长。矩形垫板的边长。 bbaabababaEabPW222220lnln)1( C、中心带孔的圆形柔性垫板、中心带孔的圆形柔性垫板（中心带孔的压力枕）：（中心带孔的压力枕）：中心点处的垂直位移为中心点处的垂直位移为 式中：式中：P中心荷载；中心荷载；b圆垫板半径；圆垫板半径；a中心孔半径中心孔半径)()1(220abEPW 设垫板总变形（位移）量为设垫板总变形（位移）量为W0,其中弹性变形量为其中弹性变形量为We,塑性塑性变形量为变形量为Wp,则岩体的变形指标：则岩体的变

20、形指标： 岩体变形模量：岩体变形模量： 岩体弹性模量：岩体弹性模量：式中：式中：p受荷面单位面积上的压力；受荷面单位面积上的压力；b承压板直径或边长；承压板直径或边长；与承压板形状和刚度有关的系数，与承压板形状和刚度有关的系数，方形板为方形板为0.88，圆形板为，圆形板为0.79；岩体泊松比。岩体泊松比。020)1(WpbE eeWpbE )1(2 弹性模量弹性模量Ee和变形模量和变形模量E0 0eeE00epE 2、钻孔承压板法、钻孔承压板法表面承压板法测得的岩体变形表面承压板法测得的岩体变形模量偏低，这是由于工程岩体模量偏低，这是由于工程岩体表面附近岩体大多发生了不同表面附近岩体大多发生了

21、不同程度的松动。为了排除松动的程度的松动。为了排除松动的影响，采用影响，采用孔底承压板法孔底承压板法测定岩体变形模量测定岩体变形模量。测定结果。测定结果表明：孔底承压板法测得的原表明：孔底承压板法测得的原位岩体变形参数比表面承压板位岩体变形参数比表面承压板试验测定值高很多，甚至超过试验测定值高很多，甚至超过一个量级。一个量级。 四、原位岩体变形参数测定四、原位岩体变形参数测定-动力法动力法(弹性波法弹性波法) 岩体岩体动弹性模量动弹性模量Ed的测定：的测定： 采用小量药包爆炸激发地震波，在距震源一定距离设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

22、模置检波器，检测弹性波。根据弹性波波速算出动弹模Ed和和动泊松比动泊松比d。 式中：式中：vp,vs纵波波速和横波波速，纵波波速和横波波速，为岩体密度。为岩体密度。 一般而言：一般而言：Ed Ee , d 。dddpdvE 1)21)(1(2)(222222spspdvvvv 一、弹性波在岩体中的传播特性一、弹性波在岩体中的传播特性 1、波的概念、波的概念 所谓波是指某种扰动或某种运动参数或运动状态所谓波是指某种扰动或某种运动参数或运动状态参数（如应力、应变、振动、温度、电磁场强度等）参数（如应力、应变、振动、温度、电磁场强度等）的变化在介质中的传播。的变化在介质中的传播。应力波就是应力在介质

23、中应力波就是应力在介质中的传播的传播。 岩体对动荷载（爆破等）产生的振动所反映出岩体对动荷载（爆破等）产生的振动所反映出的力学特性称为岩体的动力学特性；弹性波（应力的力学特性称为岩体的动力学特性；弹性波（应力波、地震波等）在岩体中传播特性都属于岩体动力波、地震波等）在岩体中传播特性都属于岩体动力学特性。学特性。 4-5 岩体的动力学特性岩体的动力学特性 应力波类型应力波类型： （1）弹性波：在弹性介质中传播的波。）弹性波：在弹性介质中传播的波。 （2）粘弹性波：在非线性弹性介质中传播的波。）粘弹性波：在非线性弹性介质中传播的波。 （3）塑性波：应力超过弹性极限的波。其传播速度比）塑性波：应力超

24、过弹性极限的波。其传播速度比弹性波传播速度小得多，传播距离也近得多，一般弹性波传播速度小得多，传播距离也近得多，一般只在震源附近才观测得到。只在震源附近才观测得到。 （4）冲击波：如果固体介质的变形性质能使大扰动的）冲击波：如果固体介质的变形性质能使大扰动的传播速度远大于小扰动的传播速度，在介质中就会传播速度远大于小扰动的传播速度，在介质中就会形成形成波头陡峭的以超声波传播的波波头陡峭的以超声波传播的波。 在岩体中传播的主要是弹性波。在岩体中传播的主要是弹性波。 2、弹性波的类型、弹性波的类型 按传播方式与质点振动方向关系分类按传播方式与质点振动方向关系分类弹性波弹性波体波体波 表面波表面波

25、勒夫波：在表面水平方向作横向剪切振动勒夫波：在表面水平方向作横向剪切振动 瑞利波：沿传播方向的垂直面内作椭圆形逆进运动。瑞利波：沿传播方向的垂直面内作椭圆形逆进运动。 纵波（纵波（P P波、压缩波）：波动传播方向与质点振动方向波、压缩波）：波动传播方向与质点振动方向一致。一致。 横波（横波（S S波、剪切波）：波动传播方向与质点振动方向波、剪切波）：波动传播方向与质点振动方向垂直。垂直。 纵 波横 波表面波地表震动纵波是推进波，在地壳中传播速度5.57km/s，最先到达震中，地面发生上下振动，破坏性较弱； 横波传播速度为3.24.0km/s，第二个到达震中，地面发生前后、左右抖动，破坏性较强；

26、面波又称L波，是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波，其波长大、振幅强，只能沿地表面传播，是造成建筑物强烈破坏的主要因素。 按弹性波的频率分类：按弹性波的频率分类： 超声波超声波：频率：频率20kHz. 声波声波：频率为几千赫兹：频率为几千赫兹20kHz，人耳可听到。，人耳可听到。 次声波次声波：频率：频率声波频率。声波频率。 地震波地震波：频率为几十几百赫兹的弹性波。：频率为几十几百赫兹的弹性波。 3、弹性波的反射与折射、绕射和散射、弹性波的反射与折射、绕射和散射 （1）弹性波在两种介质交界面上的反射和折射）弹性波在两种介质交界面上的反射和折射（2）弹性波的绕射）弹性波的绕射 当弹性波碰

27、到障碍物（如裂隙）不能通过而发当弹性波碰到障碍物（如裂隙）不能通过而发生边缘绕射。绕射是入射波在障碍物边缘形成的新生边缘绕射。绕射是入射波在障碍物边缘形成的新的波源进一步在岩体中传播。利用绕射原理可测定的波源进一步在岩体中传播。利用绕射原理可测定裂隙深度。裂隙深度。（3）弹性波的散射）弹性波的散射 弹性波在传播过程中遇到不光滑的界面时，而弹性波在传播过程中遇到不光滑的界面时，而发生散射。可利用散射现象来观测岩体内部的破碎发生散射。可利用散射现象来观测岩体内部的破碎程度。程度。 （4）弹性波的叠加）弹性波的叠加 由于弹性波在界面处发由于弹性波在界面处发 生反射、折射、绕射和生反射、折射、绕射和

28、散射。对于具有裂隙的散射。对于具有裂隙的 岩体来说，弹性波经过一岩体来说，弹性波经过一 定距离后，变成一种复定距离后，变成一种复 杂的合成波。杂的合成波。 4、弹性波的传播速度及岩体的动弹性参数、弹性波的传播速度及岩体的动弹性参数 （1）纵波和横波速度）纵波和横波速度根据测定的弹性波速度，可计算动弹性参数：根据测定的弹性波速度，可计算动弹性参数：由由(a)式可知，纵波速度大于横波速度，且有：式可知，纵波速度大于横波速度，且有： Gvp2 Gvs （a）,)1(2,)21)(1(ddddddEGE 式中：式中：dddpdvE 1)21)(1(2)(222222spspdvvvv ddspvv 2

29、1)1(2 （b）（2）表面波速度（瑞利波波速）表面波速度（瑞利波波速vR) 瑞利波波速瑞利波波速vR是横波速度的是横波速度的m倍，倍，m值可按下式确定：值可按下式确定： 式中式中为横波速度与纵波速度之比，即：为横波速度与纵波速度之比，即： 若岩体的泊松比为若岩体的泊松比为0.25，则，则 m=0.9194 0)6 . 116()1624(822246 mmm)1(221ddpsvv 5、岩体中弹性波的频谱特性、岩体中弹性波的频谱特性 （1）频谱的概念）频谱的概念 任何复杂的周期波形都可视为由许多不同频率、振幅和相任何复杂的周期波形都可视为由许多不同频率、振幅和相位的简谐波（正弦波）所组成。不

30、同频率的谐波具有不同的振位的简谐波（正弦波）所组成。不同频率的谐波具有不同的振幅谱和相位谱。幅谱和相位谱。 振幅谱振幅谱：将各正弦波的振幅按频率高低排列，即为振幅谱。：将各正弦波的振幅按频率高低排列，即为振幅谱。 相位谱相位谱：将各正弦波的初相角按频率高度排列，即为相位谱。：将各正弦波的初相角按频率高度排列，即为相位谱。 （2）弹性波频谱分析）弹性波频谱分析/9 弹性波的主要参数有：弹性波的主要参数有： 最大振幅；持续时间；振动周期；能量。最大振幅；持续时间；振动周期；能量。 频谱分析：频谱分析：把弹性波分解成多个谐波，以了解把弹性波分解成多个谐波，以了解弹性波的组成成分，对动态测量资料进行误

31、差和干弹性波的组成成分，对动态测量资料进行误差和干扰信号的分析和修正，对动态过程的物理量的传递、扰信号的分析和修正，对动态过程的物理量的传递、衰减和相关性进行分析。衰减和相关性进行分析。 规律规律： 弹性波在岩体中传播，高频波衰减快，传播距离短，弹性波在岩体中传播，高频波衰减快，传播距离短，低频波衰减慢，传播距离长。低频波衰减慢，传播距离长。自然滤波。自然滤波。 6、岩体中弹性波的衰减特性、岩体中弹性波的衰减特性 弹性波在岩体中传播时，由于裂隙的影响和岩性弹性波在岩体中传播时，由于裂隙的影响和岩性的变化，在传播时会出现内损耗，使波动具有的机的变化，在传播时会出现内损耗，使波动具有的机械能转化为

32、热能（弹性波的吸收），使弹性波原有械能转化为热能（弹性波的吸收），使弹性波原有的机械能发生衰减。的机械能发生衰减。 品质因素品质因素Q：在一周期内的总能量与振动消耗的能量：在一周期内的总能量与振动消耗的能量之比（相对消耗量）。岩体的品质因素越大，所消之比（相对消耗量）。岩体的品质因素越大，所消耗的能量越少，越接近完全弹性。耗的能量越少，越接近完全弹性。 品质因素品质因素Q与衰减系数与衰减系数的关系：的关系： 式中：式中：=v/f；v波速；波速；f频率；频率；波长。波长。)2exp(12 Q二、弹性波探测技术二、弹性波探测技术 1、弹性波测试的物理基础、弹性波测试的物理基础 岩体虽然不是理想的弹

33、性体，但是，如果作用力岩体虽然不是理想的弹性体，但是，如果作用力小且持续时间短，相应产生的质点位移量也非常微小且持续时间短，相应产生的质点位移量也非常微小，一般不超过其弹性变形范围。因此可将岩体作小，一般不超过其弹性变形范围。因此可将岩体作为为弹性介质弹性介质来研究。不同性质的弹性体，由于其物来研究。不同性质的弹性体，由于其物理力学性质不同而弹性波的传播特性也不同。用人理力学性质不同而弹性波的传播特性也不同。用人工的方法对岩体激发弹性波，研究它在岩体中的传工的方法对岩体激发弹性波，研究它在岩体中的传播特性，并根据其结果判断岩体的特性及状态。播特性，并根据其结果判断岩体的特性及状态。 2、影响弹

34、性波传播的因素、影响弹性波传播的因素 （1）结构面的影响）结构面的影响 A、岩体的完整性越差，弹性波速度越低；、岩体的完整性越差，弹性波速度越低； B、张性结构面使波传播受阻，波速降低；、张性结构面使波传播受阻，波速降低； C、结构面中充填物具有塑性变形特征，使波能吸收衰减；、结构面中充填物具有塑性变形特征，使波能吸收衰减； D、结构面使波反射、折射、绕射、散射，导致合成波复杂、结构面使波反射、折射、绕射、散射，导致合成波复杂化化 E、结构面分布不均匀性或方向性，使各方向的弹性波传播、结构面分布不均匀性或方向性，使各方向的弹性波传播速度不等。速度不等。 结构面对弹性波的传播起着隔波和导波作用，

35、结构面对弹性波的传播起着隔波和导波作用，弹性波弹性波沿结构面传播速度大于垂直结构面传播速度沿结构面传播速度大于垂直结构面传播速度。（2）岩性、地质年代、风化程度的影响）岩性、地质年代、风化程度的影响 A、坚硬岩石中弹性波速度高，软弱岩体中弹性波速度低；、坚硬岩石中弹性波速度高，软弱岩体中弹性波速度低； B、地质年代不同，弹性波传播的速度不同；、地质年代不同，弹性波传播的速度不同； C、风化程度不同，弹性波传播的速度也不同。新鲜、坚、风化程度不同，弹性波传播的速度也不同。新鲜、坚硬无裂隙岩体，弹性波速度大（硬无裂隙岩体，弹性波速度大（vp=40006000m/s)，显著，显著风化，粘土化岩体风化

36、，粘土化岩体vp=1000m/s 左右；左右； （3）岩体应力状态的影响）岩体应力状态的影响 A、 压应力状态，弹性波速高，拉应力状态弹性波速低；压应力状态，弹性波速高，拉应力状态弹性波速低； B、 在一定应力范围内，波速随压应力增大而增加。在一定应力范围内，波速随压应力增大而增加。（4）温度的影响）温度的影响 在低温或常温下，以压力的影响为主；在高温下，温在低温或常温下，以压力的影响为主；在高温下，温度与压力对波速起联合控制作用，度与压力对波速起联合控制作用，一般随温度、压力升高，一般随温度、压力升高，波速增大。波速增大。 3、弹性波测试、弹性波测试 （1） 主要仪器：弹性波探测仪（声波仪）

37、主要仪器：弹性波探测仪（声波仪） 包括发射系统（发射机、发射换能器）和包括发射系统（发射机、发射换能器）和接收系统（接收机和接收换能器）两大部分。接收系统（接收机和接收换能器）两大部分。 发射机发射机：发射一定频率的电脉冲。：发射一定频率的电脉冲。 发射换能器发射换能器：将电脉冲转换为弹性波（声波），：将电脉冲转换为弹性波（声波），对岩体激发振动。对岩体激发振动。 接收换能器接收换能器：将接收到的弹性波转换为电磁振：将接收到的弹性波转换为电磁振荡，送往接收机。荡，送往接收机。 接收机接收机：将接收到的信号放大，然后送到示波：将接收到的信号放大，然后送到示波器或数字显示器。器或数字显示器。 （2

38、）四种触发方式）四种触发方式 A、平面内触发方式、平面内触发方式 发射机发射出一个电磁振荡，由发射换能器将电磁发射机发射出一个电磁振荡，由发射换能器将电磁振荡转换为弹性波，向岩体发射，由接收换能器接收弹振荡转换为弹性波，向岩体发射，由接收换能器接收弹性波，并经接收机转换为电磁振荡。性波，并经接收机转换为电磁振荡。 B、平面锤击外触发方式、平面锤击外触发方式 由铁锤锤击岩体表面直接产生弹性波，并由发由铁锤锤击岩体表面直接产生弹性波，并由发射换能器向岩体发射，由接收换能器接收弹性波，射换能器向岩体发射，由接收换能器接收弹性波，并经接收机转换为电磁振荡并经接收机转换为电磁振荡C、钻孔内触发方式、钻孔

39、内触发方式 发射换能器和接收换能器设置在钻孔内。借助发射换能器和接收换能器设置在钻孔内。借助于耦合剂（一般为水）向孔壁岩体传递弹性波，由于耦合剂（一般为水）向孔壁岩体传递弹性波，由接收换能器接收弹性波，并经接收机转换为电磁振接收换能器接收弹性波，并经接收机转换为电磁振荡。荡。 D、电火花外触发方式、电火花外触发方式 这种触发方式与钻孔内触发方式相同。这种触发方式与钻孔内触发方式相同。 4、岩体弹性波波速测定、岩体弹性波波速测定 （1）岩块弹性波速度室内测定）岩块弹性波速度室内测定 D、电火花外触发方式、电火花外触发方式 纵波速度：纵波速度： 横波速度：横波速度： 式中：式中：D岩石试件两端面的

40、间距；岩石试件两端面的间距； tp、ts纵波和横波在两端面间传播的时间纵波和横波在两端面间传播的时间。 pptDv sstDv （2）岩体弹性波速度的现场测定）岩体弹性波速度的现场测定 D、电火花外触发方式、电火花外触发方式 纵波速度：纵波速度： 横波速度：横波速度： 式中：式中：D声源和测点间的距离声源和测点间的距离； tp、ts纵波和横波传播的时间。纵波和横波传播的时间。 pptDv sstDv 5、岩体弹性波速度测定的应用、岩体弹性波速度测定的应用 （1）测定岩体动弹性参数、岩体的完整性和各向异性）测定岩体动弹性参数、岩体的完整性和各向异性 （2）测定坑洞围岩松动圈厚度）测定坑洞围岩松动

41、圈厚度 （3）测定岩柱的稳定性）测定岩柱的稳定性 （4）测定岩层分布和风化破碎情况）测定岩层分布和风化破碎情况 （5）测定地层层位）测定地层层位 （6）检测岩体加固质量）检测岩体加固质量三、三、 声发射（声发射（AE）技术）技术 声发射（声发射（Acoustic Emission）是材料破坏时发出声波是材料破坏时发出声波的现象。利用这种现象研究岩体的破坏过程和预报的现象。利用这种现象研究岩体的破坏过程和预报岩体破坏。岩体破坏。 凯塞效应（凯塞效应（Kaiser)：当岩体受外力作用所产生的应当岩体受外力作用所产生的应力未超过该岩体历史上曾经受过的最大应力时，声力未超过该岩体历史上曾经受过的最大应

42、力时，声发射活动不明显，而当岩体受外力作用所产生的应发射活动不明显，而当岩体受外力作用所产生的应力超过该岩体历史上曾经受过的最大应力时，声发力超过该岩体历史上曾经受过的最大应力时，声发射活动突然加剧，而且各个方向受力都如此。这种射活动突然加剧，而且各个方向受力都如此。这种现象称为凯塞效应。现象称为凯塞效应。 （一）、岩石声发射特征（一）、岩石声发射特征 1、声发射信号特征、声发射信号特征 （1）岩石声发射具有随机性，无规律。）岩石声发射具有随机性，无规律。 （2）每次声发射信号的波形都不完全相同。）每次声发射信号的波形都不完全相同。 （3）岩石声发射信号有很宽的频带，从零点几上兆）岩石声发射信

43、号有很宽的频带，从零点几上兆Hz。 （4）岩石声发射的频谱为分离的尖峰，尖峰出现在某些频）岩石声发射的频谱为分离的尖峰，尖峰出现在某些频 率附近，而其他频率分量为率附近，而其他频率分量为0，其振幅也是离散的。，其振幅也是离散的。2、岩石破坏声发射全过程特征、岩石破坏声发射全过程特征 岩石破坏声发射全过程的岩石破坏声发射全过程的4个阶段个阶段： （1）开始加载阶段（）开始加载阶段（AB），原始裂纹闭合，有声发射），原始裂纹闭合，有声发射信号出现。信号出现。 （2）继续加载）继续加载(BC），试件产生线性应变声发射信号逐），试件产生线性应变声发射信号逐渐上升，但上升幅度较小。渐上升，但上升幅度较小

44、。 （3）裂纹稳定扩展阶段（）裂纹稳定扩展阶段（CD）。原始裂纹开始活动，）。原始裂纹开始活动，声发射迅速上升。声发射迅速上升。 （4）裂纹非稳定扩展阶段（）裂纹非稳定扩展阶段（DF）。裂纹扩展速度加快，）。裂纹扩展速度加快，形成宏观破裂，声发射信号突然加剧达到最大。形成宏观破裂，声发射信号突然加剧达到最大。3、声发射信号检测、声发射信号检测 （1）岩石声发射检测参数）岩石声发射检测参数 A、累计活动（、累计活动（N）：记录一定时间间隔的声发射次数。）：记录一定时间间隔的声发射次数。 B、发射率（、发射率（NR）：单位时间内的声发射次数，即频率。）：单位时间内的声发射次数，即频率。 C、幅度（

45、、幅度（A）：每一声发射事件的最大振幅。）：每一声发射事件的最大振幅。 D、发射能（、发射能（E）：每一时间段内声发射振幅的平方。）：每一时间段内声发射振幅的平方。 E、累计能（、累计能（E）：在一定的时间间隔内）：在一定的时间间隔内所有声发射能的所有声发射能的总和总和。 F、能率（、能率（ER）：）：单位时间内观测到的全部声发射事件发单位时间内观测到的全部声发射事件发射能的总和射能的总和。（2）岩石声发射信号的表征参数）岩石声发射信号的表征参数 岩石声发射过程特征参数是岩石破坏失稳预报的基础。岩石声发射过程特征参数是岩石破坏失稳预报的基础。 A、事件数和频度：事件数的确定方法有两种：事件数的

46、确定方法有两种： 以第一监测周期各种声发射的最大振幅以第一监测周期各种声发射的最大振幅Amax(fi)的平的平均值为阈值，即：均值为阈值，即： 式中：式中：T为第一监测周期采样时间；为采样间隔为第一监测周期采样时间；为采样间隔。 凡各列频谱值达到（凡各列频谱值达到（1/m）的平均值为阈值即为大事件）的平均值为阈值即为大事件（m为为2,3)。 以某一电压（以某一电压（0.5V)为阈值。凡各列频谱值达到为阈值。凡各列频谱值达到0.5V者为者为一事件，达到一事件，达到1.5V者为一大事件。者为一大事件。 liifAlA1maxmax1 Tl事件频度（事件频度（n）：单位时间的事件数称为事件频度。：单

47、位时间的事件数称为事件频度。 大事件频度（大事件频度（nb）：单位时间的大事件数称为大事件频度。：单位时间的大事件数称为大事件频度。 设某个采样间隔设某个采样间隔i的事件数为的事件数为Pi,大事件数为大事件数为ri，时间，时间取分钟为单位，则有：取分钟为单位，则有： liiPTn160 liibrTn160 B、单个事件的能量（、单个事件的能量（IE）和单位时间声发射的能率（）和单位时间声发射的能率（E） 单个声发射信号的能量单个声发射信号的能量IE应包含所分析的频率范围应包含所分析的频率范围内各种频率成分的能量之和，即：内各种频率成分的能量之和，即： 式中：式中： m为采样点数，为采样点数，

48、R为输入阻抗，为输入阻抗，A为幅值。为幅值。 每分钟的能率为：每分钟的能率为：)(12sARImsE )(60)(60/12/1sATRsITETjTjE （二）、声发射技术的应用（二）、声发射技术的应用 1、监测预报岩体的破坏、监测预报岩体的破坏 2、原岩应力的测定、原岩应力的测定岩体的水力学特性是岩体与水共同作用所表现出的力学特性。岩体的水力学特性是岩体与水共同作用所表现出的力学特性。一、岩体的水文地质结构一、岩体的水文地质结构 1、岩体水文地质结构、岩体水文地质结构 按岩体中地下水赋存条件可将岩体划分为含水体（层）和隔水体（层）。按岩体中地下水赋存条件可将岩体划分为含水体（层）和隔水体（

49、层）。 含水体（层）含水体（层）：包括孔隙含水体、裂隙含水体和管道含水体。：包括孔隙含水体、裂隙含水体和管道含水体。 隔水体（层）隔水体（层）：层状隔水体和块状隔水体。：层状隔水体和块状隔水体。 孔隙含水体孔隙含水体：多见于中新生代砂砾岩体中；：多见于中新生代砂砾岩体中； 裂隙含水体裂隙含水体：多存在于构造变动剧烈的岩浆岩、变质岩及坚硬的沉积岩：多存在于构造变动剧烈的岩浆岩、变质岩及坚硬的沉积岩中；中；4-6 岩体的水力学特性岩体的水力学特性 管道含水体管道含水体：发育于喀斯特化岩体内；：发育于喀斯特化岩体内； 层状隔水体层状隔水体：主要在沉积岩内，它由软弱岩层组成，：主要在沉积岩内，它由软弱

50、岩层组成，在构造作用下常成塑性变形，断裂较少或断裂紧闭；在构造作用下常成塑性变形，断裂较少或断裂紧闭； 块状隔水体块状隔水体：一种由不透水岩体组成（如碳酸盐胶结：一种由不透水岩体组成（如碳酸盐胶结的砂砾岩）；另一种是在地应力作用下结构面紧闭的的砂砾岩）；另一种是在地应力作用下结构面紧闭的碎裂结构岩体。碎裂结构岩体。2、岩体水文地质结构分类、岩体水文地质结构分类 （1）统一含水体的地下水活动特征）统一含水体的地下水活动特征 常见于没有隔水岩体的河间地块岩体中，可以是常见于没有隔水岩体的河间地块岩体中，可以是孔隙统一含水体，也可以是裂隙统一含水体。孔隙统一含水体，也可以是裂隙统一含水体。主要靠主要

51、靠大气降雨补给。也可由河道运流补给大气降雨补给。也可由河道运流补给。地下水运动方地下水运动方式受岩体结构控制式受岩体结构控制，运动速度受潜水面的，运动速度受潜水面的水力坡降水力坡降和和岩体渗透性岩体渗透性控制。控制。 （2）层状含水体的地下水活动特征）层状含水体的地下水活动特征 特点：含水体位于两隔水体之间。其补给、流动、排特点：含水体位于两隔水体之间。其补给、流动、排泄严格受隔水体控制。泄严格受隔水体控制。 （3）脉状含水体的地下水活动特征）脉状含水体的地下水活动特征 特点：主要存在于切割隔水体的特点：主要存在于切割隔水体的断层破碎带或结构面断层破碎带或结构面内。其产状主要受断层发育特征控制

52、。它有很多分枝，内。其产状主要受断层发育特征控制。它有很多分枝，成为脉状地下水系。成为脉状地下水系。脉状地下水系往往与统一含水体脉状地下水系往往与统一含水体和层状含水体相通和层状含水体相通，使它们成为脉状地下水补给、排，使它们成为脉状地下水补给、排泄场所。泄场所。 （4）管道含水体的地下水活动特征）管道含水体的地下水活动特征 特点：管道含水体主要发育于喀斯特化岩体内，是一特点：管道含水体主要发育于喀斯特化岩体内，是一种喀斯特水，种喀斯特水，主要由大气降水补给主要由大气降水补给，沿喀斯特管道流，沿喀斯特管道流动，或以动，或以喀斯特泉的方式排泄喀斯特泉的方式排泄。二、岩体中的渗流二、岩体中的渗流

53、1、岩体的渗透性、岩体的渗透性 渗流：指地下水在裂隙中的流动。渗流：指地下水在裂隙中的流动。 （1）渗透速度（渗流速度）渗透速度（渗流速度)v 式中：式中： Q渗流量，即单位时间内通过过水断面的渗流体积渗流量，即单位时间内通过过水断面的渗流体积,(m3/s)。 V渗透速度，渗透速度，m/s 。 A过水断面，过水断面，m2 ; AQv （2）渗流基本定律）渗流基本定律 A、达西定律及其适用范围、达西定律及其适用范围 式中：式中：I水力坡降；水力坡降；K 渗透系数，渗透系数，m/s 。 适用条件：适用条件：层流（线性渗流）层流（线性渗流）B、非线性渗流定律、非线性渗流定律 在在紊流紊流情况下，地下

54、水的渗流服从哲才（情况下，地下水的渗流服从哲才（A.Chezy)公公式：式： 式中：式中：I水力坡降；水力坡降；Kc 紊流时的渗透系数，紊流时的渗透系数，m/s 。AIKAlHKQ 或：或：IKAQv lHKvdd IKQc （3）岩体的渗透系数测定）岩体的渗透系数测定 B、非线性渗流定律、非线性渗流定律 2种方法：压水试验和抽水试验种方法：压水试验和抽水试验 ：压水试验压水试验单位吸水量：单位吸水量：渗透系数渗透系数K按按巴布什金巴布什金经验公式计算：经验公式计算： 式中：式中：Q耗水量（耗水量（L/min);W单位吸水量，单位吸水量，L/(min.m2)；L试验段长度试验段长度(m)；p

55、试验压力，试验压力，用压力水头表示用压力水头表示(m)。 r0钻孔半径钻孔半径(m)；试验段位置有关的系数，试验段底试验段位置有关的系数，试验段底至隔水层的距离大于至隔水层的距离大于L时，取时，取0.66，反之，取，反之，取1.32。LpQW 0lg528. 0rLWK ：抽水试验抽水试验1，按水位稳定：，按水位稳定： 稳定流与非稳定流抽水试验；稳定流与非稳定流抽水试验；2，钻孔是否穿透含水层：，钻孔是否穿透含水层： 完整孔与非完整孔抽水试验；完整孔与非完整孔抽水试验；3，钻孔数量，钻孔数量:单孔与多孔抽水试验。单孔与多孔抽水试验。 潜水含水层单孔完整井稳定运动时的渗透系数可按下潜水含水层单孔

56、完整井稳定运动时的渗透系数可按下式计算（式计算（Dupuit公式）：公式）： 式中：式中：Q单位时间的抽水量，单位时间的抽水量，m3/d； H含水层厚度，含水层厚度，m； h井中水位降落后水层厚度，井中水位降落后水层厚度，m； r抽水井的半径，抽水井的半径，m ； R降水影响半径，降水影响半径，m； K 渗透系数，渗透系数，m/d。2222000.732lnlgQRQRKrHhrHh 2、地下水对岩体稳定性的影响、地下水对岩体稳定性的影响 （1）软化、泥化和崩解作用）软化、泥化和崩解作用 （2）静水压力）静水压力u作用作用 式中：式中：无水情况下结构面上的正应力，无水情况下结构面上的正应力，u

57、静水压力。静水压力。 （3）动水压力作用）动水压力作用 式中：式中：I水头梯度，水头梯度，w水的重度。水的重度。 tg)(uc Ipwd 一、岩石的热学性质一、岩石的热学性质 1、热容性、热容性 岩石的热容性岩石的热容性就是指进行热交换时岩石吸收热量的能力。用就是指进行热交换时岩石吸收热量的能力。用比比热热和和容积热容容积热容两项指标表示。两项指标表示。 比热（比热（C)：单位：单位质量质量岩石温度变化岩石温度变化10C时所需输入的热量。时所需输入的热量。 容积热容容积热容(CV)：单位：单位体积体积的岩石，在温度变化的岩石，在温度变化10C时所需输入的热量。时所需输入的热量。 2、导热性、导热性 岩石的导热性就是指传导热量的能力，常用岩石的导热性就是指传导热量的能力，常用导热系数导热系数来度量。来度量。 3、热膨胀性、热膨胀性 温度的变化能改变岩石试件的尺寸和形状，还会引起岩石内部温度的变化能改变岩石试件的尺寸和形状，还会引起