第九次课—岩体动力、水力性质

1、n4.5 岩体的动力学性质岩体的动力学性质 n4.6 岩体的水力学性质岩体的水力学性质4.5 岩体的动力学性质岩体的动力学性质一、岩体中弹性波的传播规律 二、岩体中弹性波速度的测定 三、岩体的动力变形与强度参数岩体的动力学性质是岩体在动荷载作用下所表现出来的性质，包括岩体中弹性波的传播规律及岩体动力变形与强度性质。 一、岩体中弹性波的传播规律n弹性波在介质中的传播速度仅与介质密度及其动力变形参数Ed，d有关。因此可以通过测定岩体中的弹性波速来确定岩体的动力变形参数。 岩体受到振动、冲击或爆破应力波塑性波和冲击波弹性波面波体波纵波(P波)横波(S波)瑞利波(R波)勒夫波(L波)压缩波剪切波 )1

2、 (2 )21)(1 ()1 (ddsddddpEvEv弹性波遇到介质分界面n折射n反射n绕射 测定裂隙深度n散射 观测岩体内部破碎情况影响弹性波在岩体中的传播速度的因素 n不同岩性岩体中弹性波速度不同，岩体愈致密坚硬，波速愈大，反之，则愈小；风化程度也会影响传播速度。n结构面具有隔波与导波的作用，沿结构面传播的速度大于垂直结构面传播的速度，导致弹性波传播特性的各向异性。 n在压应力作用下，波速随应力增加而增加，波幅衰减少；反之，在拉应力作用下，则波速降低，衰减增大。二、岩体中弹性波速度的测定n地震波法n声波法n超声波法 22smspmptDvtDv选择代表性测线，布置测点和安装声波仪发生正弦

3、脉冲，向岩体内发射声波 记录纵、横波在岩体中传播的时间 动力检测法的优缺点 优点n对岩体的破坏和扰动小n不受自然条件限制n效率高，成本低 缺点n检测结果不稳定，须与静力测试方法配合弹性波测定的主要应用n岩体的动弹性参数、岩体的完整性和各向异性n测定坑硐围岩松动圈厚度n测定岩柱的稳定性n测定岩层分布和风化破碎情况n测定底层层位（利用反射波或折射波）声发射技术n预报与监测岩体破坏n其他应用n原岩应力测定静态破坏动态破坏（岩爆）三、岩体的动力变形参数1、动力变形参数、动力变形参数n动力变形参数有：动弹性模量和动泊松比及动剪切模量。可通过声波测试确定。n计算公式：2222222)1 (2 )(22)1

4、 (21)21)(1 (msdddmsmpmsmpddmsdddmpdvEGvvvvvvEn岩体与岩块的动弹性模量都普遍大于静弹性模量 n坚硬完整岩体Ed/Eme约为1.22.0n风化、裂隙发育的岩体和软弱岩体Ed/Eme约为1.510.0左右，大者超过20.0 可n原因： 静力法采用的最大应力大部分在1.010.0MPa，少数则更大，变形量常以mm计，而动力法的作用应力约为104MPa量级，引起的变形量很微小。因此静力法会测得较大的不可逆变形，而动力法则测不到这种变形。 静力法持续的时间较长。 静力法扰动了岩体的天然结构和应力状态。 动弹性模量与静弹性模量的关系用动弹性模量换算静弹性模量 d

5、mejEE利用岩块与岩体的纵波速度计算岩体完整性系数Kv2rpmpVvvK4.6 岩体的水力学性质岩体的水力学性质岩体水力学性质是指岩体的渗透特性及其在渗流作用下所表现出来的力学性质。 岩体渗流的特点岩体间隙结构及相关介质岩体渗流的特点岩体渗流性大小取决于岩体结构面性质和岩块的岩性岩体渗流裂隙导水，微裂隙和岩石空隙蓄水裂隙网络渗流具有定向性一般将岩体看做非连续介质岩体渗流具有“偏流效应”岩体渗流具有高度的非均匀性和各向异性大部分岩体渗流均符合达西渗流定律岩体渗流受应力场影响明显岩体的空隙是地下水赋存场所和运移通道岩体间隙结构及相关介质多孔连续介质裂隙网络介质狭义双重介质广义双重介质岩溶管道网络

6、介质溶隙-管道介质非连通裂隙网络连通裂隙网络一、单个结构面的水力特征 二、裂隙岩体的水力特征 三、试验法测定岩体渗透系数四、地下水渗流对岩体的影响五、岩体应力对岩体渗透性能的影响裂隙岩体的水力特性一、单个结构面的水力特征1、平直光滑无充填贯通结构面、平直光滑无充填贯通结构面 假设如图，有微分方程xpy牛顿粘滞定律yux平均流速xpyeux122xhJghpw JKJgeufwx122122geKfxpyyux122边界条件0, 02, 0yyueyuxx222418eyxpeux2、非平直光滑无充填贯通结构面、非平直光滑无充填贯通结构面 5 . 12228 . 8112ehccgeKKfK2为

7、结构面的面连续性系数c为结构面的相对粗糙修正系数 h为结构面起伏差 为水的运动粘滞系数（cm2/s），w二、裂隙岩体的水力特征1、含一组结构面岩体、含一组结构面岩体的渗透性能的渗透性能 n设结构面的张开度为e，间距为S，渗透系数为Kf；岩块的渗透系数为Km。 mfKKSeKScgeKKSeKf1232fmKK2、含多组结构面岩体的渗透性能、含多组结构面岩体的渗透性能 研究模型： 1.用等效连续介质模型来研究，认为裂隙岩体是由空隙性差而导水性强的结构面系统和导水性弱的岩块孔隙系统构成的双重连续介质； 2. 把岩体看成为单纯的按几何规律分布的裂隙介质，用裂隙水力学参数或几何参数来表征裂隙岩体的渗透

8、空间结构。根据结构面发育的随机性，借助计算机搜索出一定范围内的连通结构面网络图，在此基础上，进一步计算岩体的渗透张量。 三、试验法测定岩三、试验法测定岩体渗透系数体渗透系数 n抽水试验 n压水试验n岩体单位吸水量是指单位试验压力下、单位长度试段在单位时间内的岩体的吸水量。LpQW 0lg525. 0raLWK 土木工程专业课程岩体力学23 四、地下水渗流对岩体的影响四、地下水渗流对岩体的影响岩体与地下水的相互作用，一方面水改变着岩体的物岩体与地下水的相互作用，一方面水改变着岩体的物理、化学及力学性质，另一方面岩石也改变着地下水理、化学及力学性质，另一方面岩石也改变着地下水自身的物理、力学性质及

9、化学组份。自身的物理、力学性质及化学组份。地下水渗流对岩体的影响物理作用物理作用化学作用化学作用力学作用力学作用土木工程专业课程岩体力学24 物理作用：物理作用：岩体结构面上的摩阻力减小改变岩体结构面充填物的物理性状，内聚力和摩擦角减小。软化系数区别于重力水的润滑，软化作用。润滑作用：润滑作用：软化和泥化作用：软化和泥化作用：结合水的强化作用：结合水的强化作用：泥石流、山体滑坡土木工程专业课程岩体力学25 化学作用：化学作用：离子交换作用：以粘土矿物为主，增加岩体的孔隙 度和渗透性能水化作用：改变岩石结构，降低岩石内聚力水解作用：改变地下水PH值与岩体的物质组成溶解溶蚀作用：地下水呈弱酸性，对

10、可溶性岩石产生溶蚀作用，增大岩石的孔隙率和渗透性氧化还原作用：改变了岩体中的矿物组成以及地下水的化学成分与侵蚀性土木工程专业课程岩体力学26 力学作用：力学作用：孔隙静水压力作用孔隙静水压力作用孔隙动水压力作用孔隙动水压力作用有效应力，有效应力， 总应力，总应力，p 孔隙静水水压力孔隙静水水压力当地下水多孔连续介质岩土体时，使有效应力减小，从而降低岩石的强度：p土木工程专业课程岩体力学27当多孔连续介质岩土体中充满时，施加孔隙静水压力和动水压力作用，其中，动水压力为：Jdd 动水压力，动水压力，地下水容重，地下水容重，J地下水水力坡度地下水水力坡度 当裂隙岩体充满时，施加一垂直于裂隙壁面的静水压力和平行于裂隙壁面的动水压力，其中，动水压力为：Jbd2b： 裂隙的隙宽，裂隙的隙宽， d ，J意义同上意义同上五、岩体应力对岩体渗透性能的影响n岩体的渗透系数随应力增加而降低。n若对岩体循环加载卸载，多个循环后，岩体渗透性趋于稳定。n随岩体埋深的增加，结构面的密度和张开度相应减小，所以岩