岩土力学研究生课件

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1、岩土力学研究生岩石的密度岩石的密度岩石密度（岩石密度（rock densityrock density），单位为，单位为g/cmg/cm3 3。它是研究岩石风化、岩体稳定性、围岩压力和选取建它是研究岩石风化、岩体稳定性、围岩压力和选取建筑材料等必需的参数筑材料等必需的参数； 岩石密度又分为颗粒密度和块体密度：岩石密度又分为颗粒密度和块体密度：1.2.2 1.2.2 岩石的基本物理性质岩石的基本物理性质岩土力学研究生颗粒密度颗粒密度岩石的颗粒密度岩石的颗粒密度（s s）是指岩石固体相部分的质量与其是指岩石固体相部分的质量与其体积的比值。它不包括空隙在内，因此其大小仅取决于组体积的比值。它不包括空

2、隙在内，因此其大小仅取决于组成岩石的矿物密度及其含量。成岩石的矿物密度及其含量。岩石的颗粒密度属实测指标，常用比重瓶法进行测定。岩石的颗粒密度属实测指标，常用比重瓶法进行测定。 物理性质物理性质：1.2.2 1.2.2 岩石的基本物理性质岩石的基本物理性质岩土力学研究生块体密度块体密度块体密度块体密度（或岩石密度）是指岩石单位体积内的质量，按岩石试件（或岩石密度）是指岩石单位体积内的质量，按岩石试件的含水状态，又有干密度（的含水状态，又有干密度（d d）、）、饱和密度（饱和密度（satsat）、）、和天然密度和天然密度（）之分，在未指明含水状态时一般是指岩石的天然密度。之分，在未指明含水状态时

3、一般是指岩石的天然密度。 d d= = （1-161-16） satsat= = （1-171-17） （1-181-18） 物理性质物理性质：1.2.2 1.2.2 岩石的基本物理性质岩石的基本物理性质VmsVmsatVm岩土力学研究生岩石的空隙性岩石的空隙性岩石的空隙率分为总空隙率（岩石的空隙率分为总空隙率（n n）、）、总开空隙率（总开空隙率（n n0 0）、）、大开空隙率大开空隙率（n nb b）、）、小开空隙率（小开空隙率（n na a）和闭空隙率和闭空隙率( (n nc c) )几种，各自的定义如下：几种，各自的定义如下： n= *100%=(1- )100% （1-4） n0=

4、*100% （1-5） nb= *100% （1-6） na= *100%=n0-nb （1-7） nc= *100%=n-n0 （1-8） 物理性质物理性质：1.2.2 1.2.2 岩石的基本物理性质岩石的基本物理性质VVVsdVVV 0VVVbVVVaVVVc岩土力学研究生岩石在水溶液作用下表现出来的性质，称为水理性质。主要有岩石在水溶液作用下表现出来的性质，称为水理性质。主要有吸水吸水性、软化性、抗冻性、渗透性、膨胀性及崩解性性、软化性、抗冻性、渗透性、膨胀性及崩解性等。等。1)1) 岩石的吸水性岩石的吸水性岩石在一定的试验条件下吸收水分的能力，称为岩石在一定的试验条件下吸收水分的能力，

5、称为岩石的吸水性岩石的吸水性。常。常用吸水率，饱和吸水率与饱水系数等指标表示。用吸水率，饱和吸水率与饱水系数等指标表示。(1(1）吸水率：）吸水率：岩石的吸水率（岩石的吸水率（ a a）是指岩石试件在大气压力条件下自是指岩石试件在大气压力条件下自由吸入水的质量（由吸入水的质量（m mw1w1）与岩样干质量（与岩样干质量（m ms s）之比，用百分数表示，之比，用百分数表示，岩石岩石的颗粒密度属实测指标，常用比重瓶法进行测定。的颗粒密度属实测指标，常用比重瓶法进行测定。 岩石的水理性质岩石的水理性质：1.2 .3 1.2 .3 岩石的水理性质岩石的水理性质%1001sWmm岩土力学研究生饱和吸水

6、率饱和吸水率岩石的饱和吸水率（岩石的饱和吸水率（ ）是指岩石在高压（一般压力为是指岩石在高压（一般压力为15Mpa15Mpa）或真空或真空条件下吸入水的质量（条件下吸入水的质量（m mw2w2）与岩样干质量（与岩样干质量（m ms s）之比之比, ,用百分数表示，用百分数表示， 岩石的水理性质岩石的水理性质：1.2 .3 1.2 .3 岩石的水理性质岩石的水理性质 p= 100% （1-11）swmm2在高压（或真空）条件下，总开空隙率可表示为：在高压（或真空）条件下，总开空隙率可表示为：n n0 0= = 100%= =100%= =d d P P （1-121-12）它反映了岩石总开空隙率

7、的发育程度，因此亦可间接地用它来判定岩石的它反映了岩石总开空隙率的发育程度，因此亦可间接地用它来判定岩石的风化能力和抗冻性。风化能力和抗冻性。 VVv0wpd岩土力学研究生饱水系数饱水系数岩石的吸水率（岩石的吸水率（ a a）与饱和吸水率（与饱和吸水率（ p p）之比，称为饱水系数。之比，称为饱水系数。它反映了岩石中大、小开空隙的相对比例关系。它反映了岩石中大、小开空隙的相对比例关系。一般说来，饱水系数愈大，岩石中的大开空隙相对愈多，而小一般说来，饱水系数愈大，岩石中的大开空隙相对愈多，而小开空隙相对愈少。开空隙相对愈少。饱水系数大，说明常压下吸水后余留的空隙就愈少，岩石愈容饱水系数大，说明常

8、压下吸水后余留的空隙就愈少，岩石愈容易被冻胀破坏，因而其抗冻性差。易被冻胀破坏，因而其抗冻性差。 岩石的水理性质岩石的水理性质：1.2 .3 1.2 .3 岩石的水理性质岩石的水理性质岩土力学研究生岩石的软化性岩石的软化性岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性软化性，用软化系数（，用软化系数（K KR R）表示。表示。K KR R定义为岩石试件的饱和抗压强度（定义为岩石试件的饱和抗压强度（R Rcwcw）与干压强度的比值与干压强度的比值，即： （1-13）K KR R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愈小则岩石软化性愈强。研究表明：岩石

9、的软化性取决于岩石的矿物组成与空隙性。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，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。岩石的软化性较强，软化系数较小。 岩石的水理性质岩石的水理性质：1.2 .3 1.2 .3 岩石的水理性质岩石的水理性质ccwhRRK 岩土力学研究生岩石的抗冻性岩石的抗冻性岩石抵抗冻融破坏的能力，称为抗冻性。常用岩石抵抗冻融破坏的能力，称为抗冻性。常用冻融系数冻融系数和和质量损失质量损失率率来表示。来表示。冻融系数（冻融系数（RdRd）是指岩石试件经反复冻融后的干抗压强度（是指岩石试件经反复

10、冻融后的干抗压强度（Rc2Rc2）与冻与冻融前干抗压强度（融前干抗压强度（Rc1Rc1）之比，用百分数表示，之比，用百分数表示， 质量损失率（质量损失率（K Km m）是指冻融试验前后干质量之差（是指冻融试验前后干质量之差（m ms1s1- -m ms2s2）与试验前干与试验前干质量（质量（m ms1s1）之比，以百分数表示即之比，以百分数表示即 岩石的水理性质岩石的水理性质：1.2 .3 1.2 .3 岩石的水理性质岩石的水理性质%10012ccdRRR%100121sssmmmmK岩土力学研究生 岩石的膨胀性岩石的膨胀性岩石的膨胀性是指岩石浸水后体积增大的性质。岩石的膨胀性是指岩石浸水后体

11、积增大的性质。大多数结晶岩和化学岩是不具有膨胀性的，这是因为岩石中的矿物大多数结晶岩和化学岩是不具有膨胀性的，这是因为岩石中的矿物亲水性小和结构联结力强的缘故。如果岩石中含有绢云母、石墨和绿亲水性小和结构联结力强的缘故。如果岩石中含有绢云母、石墨和绿泥石一类矿物，由于这些矿物结晶具有片状结构的特点，水可能渗进泥石一类矿物，由于这些矿物结晶具有片状结构的特点，水可能渗进片状层之间，同样产生楔劈效应，有时也会引起岩石体积增大。片状层之间，同样产生楔劈效应，有时也会引起岩石体积增大。岩石膨胀大小一般用膨胀力和膨胀率两项指标表示，这些指标可通岩石膨胀大小一般用膨胀力和膨胀率两项指标表示，这些指标可通过

12、室内试验确定。目前国内大多采用土的固结仪和膨胀仪的方法测定过室内试验确定。目前国内大多采用土的固结仪和膨胀仪的方法测定岩石的膨胀性岩石的膨胀性。 岩石的水理性质岩石的水理性质：1.2 .3 1.2 .3 岩石的水理性质岩石的水理性质岩土力学研究生岩石的崩解性岩石的崩解性岩石的崩解性是指岩石与水相互作用时失去粘结性并变成完全丧失岩石的崩解性是指岩石与水相互作用时失去粘结性并变成完全丧失强度的松散物质的性能。这种现象是由于水化过程中削弱了岩石内部强度的松散物质的性能。这种现象是由于水化过程中削弱了岩石内部的结构联络引起的。常见于由可溶盐和粘土质胶结的沉积岩地层中。的结构联络引起的。常见于由可溶盐和

13、粘土质胶结的沉积岩地层中。岩石崩解性一般用岩石的耐崩解性指数表示。这项指标可以在实验岩石崩解性一般用岩石的耐崩解性指数表示。这项指标可以在实验室室内做干湿循环试验确定。内做干湿循环试验确定。 岩石的水理性质岩石的水理性质：1.2 .3 1.2 .3 岩石的水理性质岩石的水理性质%10001022WWWWId岩土力学研究生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

14、力学性质联系起来，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。其目的是通过分类，概括地反映各类岩体进行归类的一种工作方法。其目的是通过分类，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、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。加固、建筑物选型和施工方法选择等提供参数和依据。目前国内外已提出的岩体分类方案得到大家共识的有数十种之多，目前国内

15、外已提出的岩体分类方案得到大家共识的有数十种之多，多以考虑地下洞室围岩稳定性为主。有定性的，也有定量或半定量的，多以考虑地下洞室围岩稳定性为主。有定性的，也有定量或半定量的，有单一因素分类，也有考虑多种因素的综合分类。各种方案所考虑的有单一因素分类，也有考虑多种因素的综合分类。各种方案所考虑的原则和因素也不尽相同，但岩体的完整性和成层条件、岩块强度、结原则和因素也不尽相同，但岩体的完整性和成层条件、岩块强度、结构面发育情况和地下水等因素都不同程度地考虑到了。下面主要介绍构面发育情况和地下水等因素都不同程度地考虑到了。下面主要介绍几种国内外在水工建设工程中应用较广、影响较大的分类方法。几种国内外

16、在水工建设工程中应用较广、影响较大的分类方法。 1.4.1 1.4.1 岩体的工程分类岩体的工程分类岩土力学研究生美国伊利诺斯大学用岩体质量指标美国伊利诺斯大学用岩体质量指标RQDRQD来表示岩石的完整性。来表示岩石的完整性。采用直径为采用直径为75mm75mm的双层岩心管金刚石钻进，提取直径为的双层岩心管金刚石钻进，提取直径为54mm54mm的岩心，的岩心，将长度小于将长度小于10cm10cm的破碎岩心及软弱物质剔除，然后测量大于或等于的破碎岩心及软弱物质剔除，然后测量大于或等于10cm10cm长柱状岩心的总长度长柱状岩心的总长度( (L Lp p) )。用这一有效的岩心长度与采集岩心段用这

17、一有效的岩心长度与采集岩心段的钻孔总进尺的钻孔总进尺( (L L) )之比，取其百分数就是之比，取其百分数就是RQDRQD。按照按照RQDRQD值大小可把岩石分成五个质量等级值大小可把岩石分成五个质量等级 按岩体质量指标分级按岩体质量指标分级：1.4.1 1.4.1 岩体的工程分类岩体的工程分类%100LLRQDp岩土力学研究生由比尼卫斯基（由比尼卫斯基（BienawskiBienawski，19731973）提出，后经多次修改，于提出，后经多次修改，于19891989年年发表在发表在工程岩体分类工程岩体分类一书中。一书中。该分类系统由该分类系统由岩块强度、岩块强度、RQDRQD值、节理间距、

18、节理条件及地值、节理间距、节理条件及地下水下水5 5类指标组成。分类时，根据各类指标的数值，按表类指标组成。分类时，根据各类指标的数值，按表1-7A1-7A的标准的标准评分，求和得总分评分，求和得总分RMRRMR值。值。然后按表然后按表1-7B1-7B和表和表1-81-8的规定对总分作适当的修正，即再根据的规定对总分作适当的修正，即再根据节理节理裂隙的产状变化裂隙的产状变化对初值加以修正。最后用修正后的总分对照表对初值加以修正。最后用修正后的总分对照表1-1-7C7C求得所研究岩体的类别及相应的无支护地下洞的自稳时间和岩体强求得所研究岩体的类别及相应的无支护地下洞的自稳时间和岩体强度指标（度指

19、标（c,c,）值。值。 岩体质量评分岩体质量评分(RMR)(RMR)地质力学围岩分类地质力学围岩分类：1.4.1 1.4.1 岩体的工程分类岩体的工程分类岩土力学研究生1 1）岩石按坚硬程度分类：）岩石按坚硬程度分类：岩土工程勘察规范岩土工程勘察规范（GB50021GB5002120012001）规定岩石的坚硬程度可按规定岩石的坚硬程度可按表表1-91-9分类。分类。 岩石的工程分类岩石的工程分类1.4.2 1.4.2 岩石的工程分类岩石的工程分类坚硬程度坚硬程度坚硬岩坚硬岩较硬岩较硬岩较软岩较软岩软岩软岩极软岩极软岩饱 和 单 轴 抗 压 强 度（MPa）fr6060fr3030fr1515

20、fr5fr5岩土力学研究生2 2）岩石按风化程度分类）岩石按风化程度分类 国标国标岩土工程勘察规范岩土工程勘察规范（GB500212002GB500212002）中提出岩石按风化中提出岩石按风化程度分类见表程度分类见表1-101-10。 岩石的工程分类岩石的工程分类1.4.2 1.4.2 岩石的工程分类岩石的工程分类风化程度野外特征风化程度参数指标压缩波速度vp(m/s)波速比kv风化程度kt未风化岩质新鲜，偶见分化痕迹50000.91.00.91.0微风化结构基本未变，仅节理面有渲染或略有变色。有少量风化裂隙400050000.80.90.80.9中等风化结构部分破坏，沿节理面有次生矿物。风化裂隙发育，岩体被切割成岩块。用镐难挖，岩芯钻方可钻进200040000.60.80.40.8强风化结构大部分破坏，矿物成分显著变化，分化裂隙发育，岩体破碎。用镐可挖掘，干钻不易钻进100020000.40.60.4全风化结构基本破坏，但尚可辨认，有残余结构强度，可用镐挖，干钻可钻进50010000.20.4-残积土组织结构已全部破坏，已风化成土状，锹镐易挖掘，干钻易钻进，具可塑性5000.2-