岩石力学课程Chapter2

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 ,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）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

2、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 hints,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（rockmass structure）指岩体中结构面与结构体的排列组合关系。,结构体(structural element)指岩体中被结构面切割

3、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

4、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

5、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

6、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

7、：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

8、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

9、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

10、,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）；

11、 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

12、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）（

13、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

14、.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

15、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 岩石的物理性质指标,2.3.6 饱和吸水率,2.3.8 抗冻性,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）。常用质量损失率和抗冻系数表示。 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。,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,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.9 软化性,岩石

16、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：,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 渗透性,定义：在一定的水力梯度或压力作用下，有压水可以透过岩石的孔隙、裂隙而流动，岩石能透过水的这种能力称为岩石渗透性。,对孔隙介质岩体，一般认为，水在岩石中的流动，如同水在土中流动一样，也服从于线性渗流规律达西定律.,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.10 渗

17、透性,在一定水力梯度下,渗流速度反映岩土体渗透性强弱，岩体渗透性一般以渗透系数k表征（cms）。 渗透系数k是渗流速度与水力梯度成正比的比例系数，即单位水力梯度下水在岩体孔隙中的渗流速度。,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 渗透性,渗透系数是表征岩石透水性的重要指标，其大小取决于岩石中空隙、裂隙的数量、规模及连通情况等，并可在室内根据达西定律测定。,notes,岩石的渗透性一般都很小，远小于相应岩体的透水性，新鲜致密岩石的渗透系数一般均小于10-7cm/s量级。,同一种岩石，

18、有裂隙发育时，渗透系数急剧增大，一般比新鲜岩石大46个数量级，甚至更大，说明空隙性对岩石透水性的影响是很大的,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.10 渗透性,岩体的渗透性是一个复杂的问题，根据目前的研究，岩体的渗流大体可划分为准均匀介质渗流、裂隙性介质渗流和岩溶性介质渗流三种。,准均匀介质渗流 属于这一类型的有全、强风化带及弱风化带的中上部的多孔隙砂岩。在该渗流场中，达西定律基本上适用。,裂隙性介质渗流裂隙性介质渗流是岩体渗流的基本形式，水的渗流主要受裂隙的类型、裂隙的大小、裂隙的产状及裂隙充填情况所控制。,岩溶介质渗流岩溶介质渗流是岩体渗流最复杂的一种形式，由于受岩溶的发育规律所控制，岩溶

19、的渗流具有间歇性、隐伏性、封闭性和地下水系等特点。,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.10 渗透性,渗透对工程的影响,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.10 渗透性,降低岩石或结构的参数;,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；,渗透对工程的影响,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.10 渗透性,渗透破坏的防治措施,控制坝基及地基的渗流，其主要任务可归结为三点：,一是尽量减少渗漏量；,二是提早释放渗透压力，保证地基与水工建筑物有足够的静力稳定性；,三是防止渗透破坏，保证渗透稳定性。,渗透破坏的防治措施可分为渗流水动力条件改变、渗流出口保护和土石性质改善等三个方面。

20、,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.10 渗透性,渗透破坏的防治措施,坝基有岩基和非岩基两大类，非岩基也称为松散地基。对松散地基的渗流通常采用垂直和水平两种控制手段，具体措施有： 设置截水槽； 浇筑混凝土防渗墙或灌浆帷幕； 铺筑上游水平防渗铺盖。 坝基的渗流控制主要是防渗和保证渗透稳定，如我国黄河小浪底工程高154m的土石坝及三峡工程二期围堰堰体等均采用防渗墙和防渗帷幕灌浆结合防止坝基渗流。,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.10 渗透性,渗透破坏的防治措施,防渗帷幕,防渗墙和铺盖,坝基排水,2.3.10 渗透性,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

21、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 渗透性,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 渗透性,渗透系数的现场测定,现场抽水试验 boreho

22、le pumping test,2.3 岩石的物理性质指标,2.3.10 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

23、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(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