岩石力学课程Chapter2

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：岩浆岩沉积岩变质岩在已有岩石的基础上，经过变质混合作用后形成的；海洋、湖泊沉积形成→特点：层状，同一时期性质相近；岩浆喷发、坚硬、均一；也叫火成岩§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Ⅳ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：淤积→地质体(岩体)结构面结构体结构面少，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）结构根据相对组合关系划分岩体的结构§2.1岩体的结构特性岩体结构类型岩体地质类型主要结构形状结构面发育情况岩土工程特征可能发生的岩土工程问题整体状结构均质，巨块状岩浆岩、变质岩，巨厚层沉积岩、正变质岩巨块状以原生构造节理为主，多呈闭合型，裂隙结构面间距大于15m，一般不超过1～2组，无危险结构面组成的落石掉块整体性强度高，岩体稳定，可视为均质弹性各向同性体不稳定结构体的局部滑动或坍塌，深埋洞室的岩爆块状结构厚层状沉积岩、正变质岩、块状岩浆岩、变质岩块状、柱状只具有少量贯穿性较好的节理裂隙，裂隙结构面间距0.7～1.5m。一般为2～3组，有少量分离体整体强度较高，结构面互相牵制，岩体基本稳定，接近弹性各向同性体层状结构多韵律的薄层及中厚层状沉积岩、副变质岩层状、板状、透镜体有层理、片理、节理，常有层间错动面接近均一的各向异性体，其变形及强度特征受层面及岩层组合控制，可视为弹塑性体，稳定性较差不稳定结构体可能产生滑塌，特别是岩层的弯张破坏及软弱岩层的塑性变形碎裂状结构构造影响严重的破碎岩层块状断层、断层破碎带、片理、层理及层间结构面较发育，裂隙结构面间距0.25~0.5m，一般在3组以上，由许多分离体形成完整性破坏较大，整体强度很低，并受断裂等软弱结构面控制，多呈弹塑性介质，稳定性很差易引起规模较大的岩体失稳，地下水加剧岩体失稳散体状结构构造影响剧烈的断层破碎带，强风化带，全风化带碎屑状颗粒状断层破碎带交叉，构造及风化裂隙密集，结构面及组合错综复杂，并多充填粘性土，形成许多大小不一的分离岩块完整性遭到极大破坏，稳定性极差，岩体属性接近松散体介质易引起规模较大的岩体失稳，地下水加剧岩体失稳岩体的结构类型§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成因类型地质类型主要特征工程地质评价产状分布性质原生结构面沉积结构面1层理层面2软弱夹层3不整合面、假整合面4沉积间断面一般与岩层产状一致，为层间结构面海相岩层中此类结构面分布稳定，陆相岩层中呈交错状，易尖灭层面、软弱夹层等结构面较为平整；不整合面及沉积间断面多由碎屑泥质物构成，且不平整国内外较大的坝基滑动及滑坡很多由此类结构面所造成的，如奥斯汀、圣·弗朗西斯、马尔帕塞坝的破坏，瓦依昂水库附近的巨大滑坡岩浆岩结构面1侵入体与围岩接触面2岩脉岩墙接触面3原生冷凝节理岩脉受构造结构面控制，而原生节理受岩体接触面控制接触面延伸较远，比较稳定，而原生节理往往短小密集与围岩接触面可具熔合及破碎两种不同的特征，原生节理一般为张裂面，较粗糙不平一般不造成大规模的岩体破坏，但有时与构造断裂配合，也可形成岩体的滑移，如有的坝肩局部滑移变质结构面1片理2片岩软弱夹层产状与岩层或构造方向一致片理短小，分布极密，片岩软弱夹层延展较远，具固定层次结构面光滑平直，片理在岩层深部往往闭合成隐蔽结构面，片岩软弱夹层具片状矿物，呈鳞片状在变质较浅的沉积岩，如千枚岩等路堑边坡常见塌方。片岩夹层有时对工程及地下洞体稳定也有影响构造结构面1节理（X型节理、张节理）2断层（冲断层、捩断层、横断层）3层间错动4羽状裂隙、劈理产状与构造线呈一定关系，层间错动与岩层一致张性断裂较短小，剪切断裂延展较远，压性断裂规模巨大，但有时为横断层切割成不连续状张性断裂不平整，常具次生充填，呈锯齿状，剪切断裂较平直，具羽状裂隙，压性断层具多种构造岩，成带状分布，往往含断层泥、糜棱岩对岩体稳定影响很大，在上述许多岩体破坏过程中，大都有构造结构面的配合作用。此外常造成边坡及地下工程的塌方、冒顶次生结构面1卸荷裂隙2风化裂隙3风化夹层4泥化夹层5次生夹泥层受地形及原结构面控制分布上往往呈不连续状，透镜状，延展性差，且主要在地表风化带内发育一般为泥质物充填，水理性质很差在天然及人工边坡上造成危害，有时对坝基、坝肩及浅埋隧洞等工程亦有影响，但一般在施工中予以清基处理§2.1岩体的结构特性岩体结构面的特征结构面的规模Ⅰ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；Ⅱ级——指延伸长而宽度不大的区域性地质界面。Ⅲ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。Ⅳ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。Ⅴ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。Ⅱ、Ⅲ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Ⅳ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∠α。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：N320°W，S230°W，∠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SW230°∠35°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dnn1含义：单位长度上裂隙条数（条∕m）。显然：↑→岩体切割越破碎。1nd§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）baan2a―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。AtlKniiiA1→第i条裂隙长度；→第i条裂隙宽度；ilit讨论的两种极限情况：AK(1)时，无裂隙；0AK(2)时，全部被裂隙充满；1AK§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：nEniEiG§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SL264-2001[S].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）孔隙（含水、空气等）矿物颗粒§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：VW干容重（烘干状态）VWdd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）VW00§2.3岩石的物理性质指标2.3.1岩石的容重饱