巖體力學(xué)與巖體工程（二）（新版）

朽木易折，金石可鏤。千里之行，始于足下。第頁/共頁因?yàn)閹r石的孔隙主要是由巖石內(nèi)的粒間孔隙和細(xì)微裂隙所構(gòu)成，所以孔隙率也是判定巖石質(zhì)量的重要物理性質(zhì)指標(biāo)?？紫堵试酱?，孔隙和細(xì)微裂隙也就越多，巖石的力學(xué)性質(zhì)就越差；反之越好。某些巖石的孔隙率見表19-5。（三）巖石的水理性質(zhì)1．巖石的含水率是指巖石孔隙率中含水的質(zhì)量與固體質(zhì)量之比的百分?jǐn)?shù)ω=m按照試件含水率的不同，可分成巖石在天然狀態(tài)下的含水率和飽和狀態(tài)下的含水率。其實(shí)驗(yàn)主意類似于密度實(shí)驗(yàn)的主意，其區(qū)別在于必須求出所含水的質(zhì)量。巖石的含水率對于軟巖來說是一個(gè)比較重要的參數(shù)。組成軟巖的礦物成分中往往含有較多的粘土礦物，而這些粘土礦物遇水軟化的特性，將對巖石的變形、強(qiáng)度有很大的影響。對于中等堅(jiān)硬以上的巖石而言，其影響就顯得并不重要。2．巖石的吸水率w。巖石在一定條件下吸收水分的性能稱為巖石的吸水性。它取決于巖石中孔隙的數(shù)量、大小、開閉程度和分布情況。表征巖石吸水性的指標(biāo)為吸水率。巖石的吸水率是指巖石在常溫常壓條件下吸入水的質(zhì)量與試件固體的質(zhì)量之比。ωa式中：msat——烘干巖樣浸水48h后的總質(zhì)量。巖石吸水率的實(shí)驗(yàn)主意類似于飽和密度的實(shí)驗(yàn)主意，可通過飽和密度的實(shí)驗(yàn)，得到巖石的吸水率。巖石吸水率的大小，取決于巖石所含孔隙、裂隙的數(shù)量、大小、開閉程度及其分布情況，是一個(gè)間接反映巖石孔隙多少的指標(biāo)，巖石的吸水率越大，表明巖石中的孔隙越大，數(shù)量越多，并且連通性越好，巖石的力學(xué)性質(zhì)越差。與巖石的含水量一樣，對于軟巖它是一個(gè)比較重要的參數(shù)。部分巖石的吸水率見表19-3。3．巖石的滲透性巖石的滲透性是指巖石在一定的水壓力作用下，水穿透巖石的能力。它反映了巖石中孔隙的大小、方向及其互相連通的程度。為了近似地分析裂隙巖體的滲流問題，假定它順從達(dá)西(Darcy)定律。按照這個(gè)定律，滲流流量與水力坡降成正比，即qx=Kdhdx式中：q沿x方向水的流量:h一一水頭的高度；A垂直于z方向的截面面積;K-巖石的滲透系數(shù)。滲透系數(shù)的物理意義是介質(zhì)對某種特定流體的滲透能力。因此，對于水在巖石中滲流來說滲透系數(shù)的大小就取決于巖石的物理特性和結(jié)構(gòu)特征。就普通工程而言，所協(xié)助的是滲透系數(shù)K的大小。巖石的滲透系數(shù)可在現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過實(shí)驗(yàn)決定。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的儀器和主意與土的滲透儀相類似，不過做實(shí)驗(yàn)時(shí)采用的壓力差比做土的實(shí)驗(yàn)大得多。徑向滲透實(shí)驗(yàn)也是一種在室內(nèi)測量巖石滲透系數(shù)的主意，它是將具有一定壁厚的圓筒狀巖樣置于壓力水中（見圖19-3a），則水經(jīng)試樣外壁徑向滲入試樣內(nèi)孔，此時(shí)巖樣處于受壓狀態(tài)’測定滲入內(nèi)孔的流量Q;相反，如將壓力水注入內(nèi)孔，使水由內(nèi)向外滲出（見圖19-3b），此時(shí)巖樣則處于受拉狀態(tài)，同樣需要測定注入內(nèi)孔的補(bǔ)給壓力水流量Q0以上這兩種徑向?qū)嶒?yàn)的滲透系數(shù)K值均可按下式計(jì)算。式中：Q--內(nèi)孔滲出或注入的流量(m3/s)；p-滲透水壓強(qiáng)度(kPa)；L一L長度(m)；γw一一水的重度(kN/m3)；R1、R2一分離為試樣內(nèi)外半徑(m)。因?yàn)樵嚇邮軌籂顟B(tài)和受拉狀態(tài)所得的滲流量Q并不相同，因此由式(19-14)計(jì)算得出的這兩種不同應(yīng)力狀態(tài)的滲透系數(shù)K顯然也是不同的。這個(gè)差別對于研究巖體滲流狀態(tài)時(shí)是不容忽略的，也就是說，巖體的滲透系數(shù)不僅受滲透水壓強(qiáng)度p的影響，而且受應(yīng)力狀態(tài)所左右。部分巖石的滲透系數(shù)范圍值示于表19-4，以供參考。就普通工程而言，所協(xié)助的是滲透系數(shù)K的大小。通常，滲透系數(shù)是利用徑向滲透實(shí)驗(yàn)所得到。所謂徑向滲透實(shí)驗(yàn)，是采用鉆有一同軸孔的巖芯，使這空心圓柱體試件能夠產(chǎn)生徑向流動。當(dāng)液體表面作用著恒定的壓力時(shí)，使液體沿著巖石內(nèi)的裂隙網(wǎng)流動，測得各系數(shù)，進(jìn)而求得巖石的滲透系數(shù)。巖石的滲透系數(shù)對于解決一些實(shí)際問題具有直接的意義。例如，將水、油或者氣體泵人多孔隙的巖體中；為了能量轉(zhuǎn)換而在地下洞室中儲存液體，評價(jià)水庫的不透水性，排除深埋洞室的滲水等等。但是，就滲透性而言，巖石的滲透系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于巖石的滲透系數(shù)，巖體的滲透性也遠(yuǎn)遠(yuǎn)比巖石的滲透性重要，其緣故是巖石中存在著的不延續(xù)面。表19-5列出了某些巖體的滲透系數(shù)范圍值，與表19-7相比可以看出，巖體的滲透系數(shù)比巖石的滲透系數(shù)要小得多。所以，就解決實(shí)際工程問題而言，舉行現(xiàn)場巖體的滲透性實(shí)驗(yàn)研究異常重要。（四）巖石的抗風(fēng)化指標(biāo)巖石開挖后，因?yàn)槠瑺顒兟?、水化、崩解、溶解、氯化、磨蝕和其他過程對巖石性質(zhì)的影響，通常用以下三個(gè)指標(biāo)來表征巖石的抗風(fēng)化特性。軟化系數(shù)η巖石浸水后強(qiáng)度降低的性能為軟化性。當(dāng)巖石的大開型孔隙較多時(shí)，水易于進(jìn)入，如巖石中含有較多的親水性和可溶性礦物，就會使巖石顆粒間的銜接被削弱引起強(qiáng)度降低，造成巖石軟化。通常用軟化系數(shù)η作為表征巖石軟化性的指標(biāo)。軟化系數(shù)是指巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度。σcast與干燥狀態(tài)下單獨(dú)抗壓強(qiáng)度σedη=σcsat軟化系數(shù)是一個(gè)不大于1的系數(shù)，該值越小，則表示巖石受水的影響越大，普通來說，軟化系數(shù)η>0.75的認(rèn)為是軟化性弱、抗水抗風(fēng)化性和抗凍性強(qiáng)的巖石：而η<0.75的則認(rèn)為是工程地質(zhì)性質(zhì)較差的巖石。部分巖石的軟化系數(shù)見表19-6。2．巖石耐崩解性指數(shù)Id耐崩解性指數(shù)是通過對巖石試件舉行烘干，浸水循環(huán)實(shí)驗(yàn)所得的指數(shù)。它直接反映了巖石在浸水和溫度變化的環(huán)境下抵御風(fēng)化作用的能力。耐崩解性指數(shù)的實(shí)驗(yàn)是將經(jīng)過烘干的試塊（質(zhì)量約為500g，且分成10塊左右），放人一個(gè)帶有篩孔的圓筒內(nèi)，使該圓筒在水槽中以20rad/min的速度，延續(xù)旋轉(zhuǎn)10min，然后將留在圓筒內(nèi)的巖塊取出再次烘干稱重。如此反復(fù)舉行量測后，按下式求得耐崩解性指數(shù)Ιd2=式中：Id2一一表示經(jīng)兩次循環(huán)實(shí)驗(yàn)而求得的耐崩解性指數(shù)，該指數(shù)在0～100%內(nèi)變化；ms——實(shí)驗(yàn)前試塊的烘干質(zhì)量；mr——?dú)埩粼趫A筒內(nèi)試塊的烘干質(zhì)量。3．巖石的膨脹性含有粘土礦物的巖石，遇水后會發(fā)生膨脹現(xiàn)象。這是因?yàn)檎惩恋V物遇水促使其顆粒間的水膜增厚所致。因此，對于含有粘土礦物的巖石，控制經(jīng)開挖后遇水膨脹的特性是十分須要的。巖石的膨脹特性通常以巖石的自由膨脹率、巖石的側(cè)向約束膨脹率、膨脹壓力等來表述。(1)巖石的自由膨脹率巖石的自由膨脹率是指巖石試件在無任何約束的條件下浸水后所產(chǎn)生膨脹變形與試件原R寸的比值。常用的有巖石的徑向自由膨脹率V。和軸向自由膨脹率VH。這一參數(shù)適用于采易崩解的巖石。（19-17）式中：ΔH、ΔD分離為浸水后巖石試件軸向、徑向膨脹變形量；H、D分離為巖石試件實(shí)驗(yàn)前的高度、直徑。自由膨脹率的實(shí)驗(yàn)通常是將加工完成的試件進(jìn)入水中，按一定的時(shí)光間隔測量其變形量，總算按式(19-17)計(jì)算而得。(2)巖石的側(cè)向約束膨脹率VHP與巖石自由膨脹率不同，巖石側(cè)向約束膨脹率是將具有側(cè)向約束的試件浸入水中，是巖石試件僅產(chǎn)生軸向膨脹變形而求得的膨脹率。其計(jì)算式如下(19-18)式中：ΔH1——有側(cè)向約束條件下所測得的軸向膨脹變形量。(3)膨脹壓力膨脹壓力是指巖石試件浸水后，使試件保持原有體積所施加的最大壓力。其實(shí)驗(yàn)主意類似于膨脹率實(shí)驗(yàn)，只是要求限制試件不浮上變形而測量其相應(yīng)的最大壓力。上述三個(gè)參數(shù)從不同的角度反映了巖石遇水膨脹的特性，進(jìn)而可利用這些參數(shù)評價(jià)建造于含有粘土礦物巖體中的洞室的穩(wěn)定性，并為這些工程的設(shè)計(jì)提供須要的參數(shù)。四、巖石的力學(xué)性質(zhì)及其實(shí)驗(yàn)主意巖石力學(xué)性質(zhì)的含義包括兩個(gè)方面：巖石的變形邏輯和強(qiáng)度特征。巖石的變形邏輯是指巖石在各種荷載作用下的變形邏輯，其中包括巖石的彈性變形、塑性變形、粘性流動和破壞邏輯，它反映了巖石的力學(xué)屬性。巖石的強(qiáng)度是指巖石試件在荷載作用下開始破壞時(shí)的最大應(yīng)力（強(qiáng)度極限）以及應(yīng)力與破壞之間的關(guān)系，它反映了巖石抵御破壞的能力和破壞邏輯。上述兩方面的性質(zhì)正是巖土工程師在巖石工程的設(shè)計(jì)和施工中最為協(xié)助的，因?yàn)樗P(guān)系到巖石工程的穩(wěn)定和變形。（一）巖石常規(guī)室內(nèi)力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容及基本要求1．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容固然巖石的力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)包括變形實(shí)驗(yàn)與強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)兩部分內(nèi)容，但在大部分情況下，這兩種實(shí)驗(yàn)往往密不可分，通?？梢酝瑫r(shí)舉行。實(shí)際巖石的受力狀態(tài)十分復(fù)雜，因此為了解巖石在各種應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)特性，必須通過各種室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究巖石的力學(xué)性質(zhì)。目前常規(guī)室內(nèi)力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容：(1)彈性波傳揚(yáng)速度測試。通過測量彈性波（包括縱波或P波、橫渡或S波）在巖石中的傳揚(yáng)速度，計(jì)算巖石的動彈性變形參數(shù)（動彈性模量、動泊松比）。(2)單軸抗壓實(shí)驗(yàn)。測量巖石的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線和單軸抗壓強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度，了解巖石的變形特性