岩石力学第二章岩石的物性指标与工程分类

1、第二章第二章岩石的物性指标和工程分类岩石的物性指标和工程分类主讲人主讲人 刘忠玉刘忠玉 教授教授手机：手机mail：第一节第一节 岩石和岩体的概念岩石和岩体的概念 工程地质学已讲授工程地质学已讲授 岩石岩石是经过自然地质作用而形成的是经过自然地质作用而形成的(一种或多种一种或多种)矿物集合体，分岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类，矿物集合体，分岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类，可看做可看做连续的、致密的、均质的、各向同性的介连续的、致密的、均质的、各向同性的介质。质。 岩体岩体则是指一定工程范围内的自然地质体，由结则是指一定工程范围内的自然地质体，由结构面和结构体所组成，为不连

2、续介质，往往表现构面和结构体所组成，为不连续介质，往往表现出各向异性或非均质性。出各向异性或非均质性。第二节第二节 岩石的基本构成岩石的基本构成 工程地质学已讲授工程地质学已讲授 新鲜岩石的力学性质主要取决于岩石的矿新鲜岩石的力学性质主要取决于岩石的矿物成分和颗粒之间的连接。物成分和颗粒之间的连接。 岩石的结构连接类型主要有胶结连接和结岩石的结构连接类型主要有胶结连接和结晶连接两种晶连接两种 岩石中的微结构面岩石中的微结构面第三节第三节 岩石的物理性质指标岩石的物理性质指标 工程地质学已讲授工程地质学已讲授 岩石的质量指标主要有密度、容重、比重。岩石的质量指标主要有密度、容重、比重。 岩石的孔

3、隙性指标包括孔隙率和孔隙比。岩石的孔隙性指标包括孔隙率和孔隙比。 岩石的水理性质指标主要包括岩石的含水岩石的水理性质指标主要包括岩石的含水率、吸水率（孔隙指数）、饱水率及渗透率、吸水率（孔隙指数）、饱水率及渗透系数。系数。 岩石的抗风化能力通常从膨胀性、软化系岩石的抗风化能力通常从膨胀性、软化系数、崩解性、抗冻性几个方面来评价。数、崩解性、抗冻性几个方面来评价。第四节第四节 岩石的热学和电学性质岩石的热学和电学性质一、容热性一、容热性 岩石的岩石的容热性容热性就是进行热交换时岩石吸收热量的就是进行热交换时岩石吸收热量的能力，用岩石的比热和容积热容两项指标表示。能力，用岩石的比热和容积热容两项指

4、标表示。 比热比热就是在不存在相互转变条件下，为使单位质就是在不存在相互转变条件下，为使单位质量岩石温度升高量岩石温度升高1时所需输人的热量，用符号时所需输人的热量，用符号C表示，单位为表示，单位为J/ ( g)或或Cal/ ( g)，取决于矿物，取决于矿物成分及其含量，大多数的矿物比热为成分及其含量，大多数的矿物比热为0.51.0 J/ ( g)，尤其是以，尤其是以0.70.95 J/ ( g)常见常见 容积热容容积热容为单位体积的岩石，在温度变化为单位体积的岩石，在温度变化1时所时所需要的热量，用符号需要的热量，用符号Cv表示，单位为表示，单位为J/m3)或或cal/(cm3)。二、导热性

5、二、导热性 岩石的导热性是指岩石传导热的能力，常用导热岩石的导热性是指岩石传导热的能力，常用导热系数系数(热导率热导率)来度量，即当温度梯度为来度量，即当温度梯度为1时，单位时，单位时间内通过单位面积岩石所传导的热量。导热性时间内通过单位面积岩石所传导的热量。导热性与岩石的密度有关。与岩石的密度有关。三、热膨胀性三、热膨胀性 用线膨胀系数用线膨胀系数(或体积膨胀系数或体积膨胀系数)表示岩石的热膨表示岩石的热膨胀性。膨胀系数定义为岩石的温度升高胀性。膨胀系数定义为岩石的温度升高1所引起所引起的线性伸长量的线性伸长量(体积增长量体积增长量)与其在温度为与其在温度为0时的时的长度长度(体积体积)的比

6、值。的比值。四、导电性四、导电性 岩石的导电性是指岩石介质传导电流的能力，常岩石的导电性是指岩石介质传导电流的能力，常用电导串或电阻率表示。用电导串或电阻率表示。第五节第五节 岩体结构岩体结构 工程地质学已讲授工程地质学已讲授 岩体结构包括：结构面和结构体。岩体结构包括：结构面和结构体。一、结构面的类型与自然特征一、结构面的类型与自然特征 按其成因可分为原生结构面、构造结构面和次生按其成因可分为原生结构面、构造结构面和次生结构面三种。结构面三种。 结构面的自然特性，包括结构面的等级、结构面结构面的自然特性，包括结构面的等级、结构面的物质组成及结合状态、结构面的空间分布与延的物质组成及结合状态、

7、结构面的空间分布与延展性以及结构面的密集程度等。展性以及结构面的密集程度等。二、结构体及其力学特点二、结构体及其力学特点 结构体的特征常用其规模、形态、产状及力学性结构体的特征常用其规模、形态、产状及力学性质等进行描述。质等进行描述。第六节第六节 岩体工程分类岩体工程分类一、工程岩体分类的目的与原则一、工程岩体分类的目的与原则岩体工程分类方法的基本目的：岩体工程分类方法的基本目的： 将岩体分成形态类似的组；将岩体分成形态类似的组； 对了解岩体特性提供可靠的依据；对了解岩体特性提供可靠的依据； 对解决实际工程问题提供必要的定量数据，对解决实际工程问题提供必要的定量数据，以便进行岩石工程的规划和设

8、计；以便进行岩石工程的规划和设计； 为所有关心岩石力学问题的科技人员在学为所有关心岩石力学问题的科技人员在学术交流上提供有效的公共基础。术交流上提供有效的公共基础。工程分类的原则工程分类的原则(1)确定分级的目的和使用对象。确定分级的目的和使用对象。(2)分类应该是定量的，以便于用在技术计算和制定分类应该是定量的，以便于用在技术计算和制定定额上。定额上。(3)分类的级数应合适，不宜太多或太少，一般都分分类的级数应合适，不宜太多或太少，一般都分为五级。为五级。(4)工程岩体分类方法及步骤应该简单明了，数字便工程岩体分类方法及步骤应该简单明了，数字便于记忆，便于应用。于记忆，便于应用。(5)以实测

9、参数为基础，这些参数可在现场又快又省以实测参数为基础，这些参数可在现场又快又省地测量。地测量。(6)考虑的因素应有各自的物理意义，并且应该是独考虑的因素应有各自的物理意义，并且应该是独立的影响因素。立的影响因素。工程岩体分类的独立因素分析工程岩体分类的独立因素分析 岩石质量（独立因素）：室内单轴抗压强度。岩石质量（独立因素）：室内单轴抗压强度。 岩体的完整性（独立因素）岩体的完整性（独立因素） ：结构面特征的：结构面特征的统计结果；弹性波波速和风化作用（主要是统计结果；弹性波波速和风化作用（主要是对地表工程）对地表工程） 水的影响（独立因素）水的影响（独立因素） 地应力（在综合影响中反映）地应

10、力（在综合影响中反映） 某些综合因素：例如：用隧洞的自稳时间或某些综合因素：例如：用隧洞的自稳时间或塌落量、巷道顶面的下沉位移量来反映工程塌落量、巷道顶面的下沉位移量来反映工程的稳定性。的稳定性。二、工程岩体代表性分类系统介绍二、工程岩体代表性分类系统介绍(一一)按岩石质量指标按岩石质量指标RQD 分类分类 RQD即修正的岩芯采集率是选用完整的、长度不即修正的岩芯采集率是选用完整的、长度不小于小于10cm的岩芯总长度与钻孔长度之比。的岩芯总长度与钻孔长度之比。(二二)以弹性波以弹性波(纵波纵波)速度分类速度分类(三三)节理岩体的节理岩体的RMR分类方法分类方法 宾尼奥夫斯基（宾尼奥夫斯基（ B

11、ieniawski，1976)提出的分类指标提出的分类指标RMR(Rock Mass Rating)，由下列由下列6种指标组成：种指标组成： （1）岩块强度）岩块强度(R1) （2）RQD值值(R2) （3）节理间距）节理间距(R3) （4）节理条件）节理条件(R4) （5）地下水）地下水(R5) （6）节理方向对工程的影响的修正参数（）节理方向对工程的影响的修正参数（R6） 即：即：654321RRRRRRRMR （1 1）对应岩石强度的岩体评分值）对应岩石强度的岩体评分值R R1 1 点荷载指标点荷载指标（MPa） 岩石单轴抗压强度岩石单轴抗压强度Rc(MPa)评分值评分值 1025015

12、 4810025012 245010071225 504不采用不采用5 252不采用不采用1 51不采用不采用 10（2 2）对应于岩芯质量指标的岩体评分值）对应于岩芯质量指标的岩体评分值R R2 2RQD（）（） 91100 769051752650 3 130.310.050.30.05评分值评分值302520105（4 4）对于节理状态的岩体评分值）对于节理状态的岩体评分值R R4 4 说明说明评分值评分值尺寸有限的粗糙的表面、硬岩壁尺寸有限的粗糙的表面、硬岩壁25略粗糙的表面、张开度略粗糙的表面、张开度1mm，硬岩壁硬岩壁20略粗糙的表面、张开度略粗糙的表面、张开度5mm的断层泥充填的

13、张开节理的断层泥充填的张开节理;张开度张开度5mm的的节理，延伸超过数米节理，延伸超过数米0（5 5）取决于地下水状态的岩体评分值）取决于地下水状态的岩体评分值R R5 5每米隧道的涌每米隧道的涌水水量（量（L/min）节理水压力与最大节理水压力与最大主应力的比值主应力的比值总的状态总的状态评分值评分值无无0完全干燥完全干燥15101250.5有严重地下有严重地下水问题水问题，流，流水水0(四四)隧道质量指标隧道质量指标Q第一项比值第一项比值(RQD/Jn )代表岩体结构的影响，代表岩体结构的影响，即岩块尺寸；即岩块尺寸；第二项比值第二项比值(Jr/Ja)表示节表示节理壁或节理充填物的粗理壁或

14、节理充填物的粗糙度和摩擦特性，即抗糙度和摩擦特性，即抗剪强度剪强度;第三项比值第三项比值(Jw/SRF)表表示水压和综合应力的影示水压和综合应力的影响，即主动应力。响，即主动应力。具体分类见表具体分类见表2-16RMR和和Q之间的关系之间的关系（1）岩体质量指标）岩体质量指标岩体质量指标岩体质量指标RQD（%）很差很差025差差2550一般一般5075好好7590很好很好90100（2 2）节理组数影响（）节理组数影响（J Jn n) )（3）节理）节理粗糙度粗糙度影响（影响（Jr)（4）节理）节理蚀变程度蚀变程度影响（影响（Ja)（5）裂隙水影响（）裂隙水影响（Ja)（6）节理水）节理水Jw

15、和地应力影响（和地应力影响（SRF) 见见 P41P41，表表2-162-16地下开挖当量直径：地下开挖当量直径：ESRDr巷巷道道支支护护比比跨跨度度、直直径径或或高高度度 根据根据Q值，可将岩体分为值，可将岩体分为9类，如图：类，如图： Q分类法考虑的地质因素较全面，而且把分类法考虑的地质因素较全面，而且把定性分析与定量评价结合起来了，软硬岩均适定性分析与定量评价结合起来了，软硬岩均适用，在处理极软弱的岩层中推荐采用此分类法。用，在处理极软弱的岩层中推荐采用此分类法。 宾尼奥夫斯基（宾尼奥夫斯基（ Bieniawski，1976)在大量实在大量实测统计的基础上，发现测统计的基础上，发现Q值与值与RMR值之间具有值之间具有如下条件关系：如下条件关系：44ln9 QR