岩体力学与岩体工程（二）（新版）

朽木易折，金石可镂。千里之行，始于足下。第页/共页因为岩石的孔隙主要是由岩石内的粒间孔隙和细微裂隙所构成，所以孔隙率也是判定岩石质量的重要物理性质指标。孔隙率越大，孔隙和细微裂隙也就越多，岩石的力学性质就越差；反之越好。某些岩石的孔隙率见表19-5。（三）岩石的水理性质1．岩石的含水率是指岩石孔隙率中含水的质量与固体质量之比的百分数ω=m按照试件含水率的不同，可分成岩石在天然状态下的含水率和饱和状态下的含水率。其实验主意类似于密度实验的主意，其区别在于必须求出所含水的质量。岩石的含水率对于软岩来说是一个比较重要的参数。组成软岩的矿物成分中往往含有较多的粘土矿物，而这些粘土矿物遇水软化的特性，将对岩石的变形、强度有很大的影响。对于中等坚硬以上的岩石而言，其影响就显得并不重要。2．岩石的吸水率w。岩石在一定条件下吸收水分的性能称为岩石的吸水性。它取决于岩石中孔隙的数量、大小、开闭程度和分布情况。表征岩石吸水性的指标为吸水率。岩石的吸水率是指岩石在常温常压条件下吸入水的质量与试件固体的质量之比。ωa式中：msat——烘干岩样浸水48h后的总质量。岩石吸水率的实验主意类似于饱和密度的实验主意，可通过饱和密度的实验，得到岩石的吸水率。岩石吸水率的大小，取决于岩石所含孔隙、裂隙的数量、大小、开闭程度及其分布情况，是一个间接反映岩石孔隙多少的指标，岩石的吸水率越大，表明岩石中的孔隙越大，数量越多，并且连通性越好，岩石的力学性质越差。与岩石的含水量一样，对于软岩它是一个比较重要的参数。部分岩石的吸水率见表19-3。3．岩石的渗透性岩石的渗透性是指岩石在一定的水压力作用下，水穿透岩石的能力。它反映了岩石中孔隙的大小、方向及其互相连通的程度。为了近似地分析裂隙岩体的渗流问题，假定它顺从达西(Darcy)定律。按照这个定律，渗流流量与水力坡降成正比，即qx=Kdhdx式中：q沿x方向水的流量:h一一水头的高度；A垂直于z方向的截面面积;K-岩石的渗透系数。渗透系数的物理意义是介质对某种特定流体的渗透能力。因此，对于水在岩石中渗流来说渗透系数的大小就取决于岩石的物理特性和结构特征。就普通工程而言，所协助的是渗透系数K的大小。岩石的渗透系数可在现场和实验室内通过实验决定。室内实验的仪器和主意与土的渗透仪相类似，不过做实验时采用的压力差比做土的实验大得多。径向渗透实验也是一种在室内测量岩石渗透系数的主意，它是将具有一定壁厚的圆筒状岩样置于压力水中（见图19-3a），则水经试样外壁径向渗入试样内孔，此时岩样处于受压状态’测定渗入内孔的流量Q;相反，如将压力水注入内孔，使水由内向外渗出（见图19-3b），此时岩样则处于受拉状态，同样需要测定注入内孔的补给压力水流量Q0以上这两种径向实验的渗透系数K值均可按下式计算。式中：Q--内孔渗出或注入的流量(m3/s)；p-渗透水压强度(kPa)；L一L长度(m)；γw一一水的重度(kN/m3)；R1、R2一分离为试样内外半径(m)。因为试样受压状态和受拉状态所得的渗流量Q并不相同，因此由式(19-14)计算得出的这两种不同应力状态的渗透系数K显然也是不同的。这个差别对于研究岩体渗流状态时是不容忽略的，也就是说，岩体的渗透系数不仅受渗透水压强度p的影响，而且受应力状态所左右。部分岩石的渗透系数范围值示于表19-4，以供参考。就普通工程而言，所协助的是渗透系数K的大小。通常，渗透系数是利用径向渗透实验所得到。所谓径向渗透实验，是采用钻有一同轴孔的岩芯，使这空心圆柱体试件能够产生径向流动。当液体表面作用着恒定的压力时，使液体沿着岩石内的裂隙网流动，测得各系数，进而求得岩石的渗透系数。岩石的渗透系数对于解决一些实际问题具有直接的意义。例如，将水、油或者气体泵人多孔隙的岩体中；为了能量转换而在地下洞室中储存液体，评价水库的不透水性，排除深埋洞室的渗水等等。但是，就渗透性而言，岩石的渗透系数远远大于岩石的渗透系数，岩体的渗透性也远远比岩石的渗透性重要，其缘故是岩石中存在着的不延续面。表19-5列出了某些岩体的渗透系数范围值，与表19-7相比可以看出，岩体的渗透系数比岩石的渗透系数要小得多。所以，就解决实际工程问题而言，举行现场岩体的渗透性实验研究异常重要。（四）岩石的抗风化指标岩石开挖后，因为片状剥落、水化、崩解、溶解、氯化、磨蚀和其他过程对岩石性质的影响，通常用以下三个指标来表征岩石的抗风化特性。软化系数η岩石浸水后强度降低的性能为软化性。当岩石的大开型孔隙较多时，水易于进入，如岩石中含有较多的亲水性和可溶性矿物，就会使岩石颗粒间的衔接被削弱引起强度降低，造成岩石软化。通常用软化系数η作为表征岩石软化性的指标。软化系数是指岩石饱和单轴抗压强度。σcast与干燥状态下单独抗压强度σedη=σcsat软化系数是一个不大于1的系数，该值越小，则表示岩石受水的影响越大，普通来说，软化系数η>0.75的认为是软化性弱、抗水抗风化性和抗冻性强的岩石：而η<0.75的则认为是工程地质性质较差的岩石。部分岩石的软化系数见表19-6。2．岩石耐崩解性指数Id耐崩解性指数是通过对岩石试件举行烘干，浸水循环实验所得的指数。它直接反映了岩石在浸水和温度变化的环境下抵御风化作用的能力。耐崩解性指数的实验是将经过烘干的试块（质量约为500g，且分成10块左右），放人一个带有筛孔的圆筒内，使该圆筒在水槽中以20rad/min的速度，延续旋转10min，然后将留在圆筒内的岩块取出再次烘干称重。如此反复举行量测后，按下式求得耐崩解性指数Ιd2=式中：Id2一一表示经两次循环实验而求得的耐崩解性指数，该指数在0～100%内变化；ms——实验前试块的烘干质量；mr——残留在圆筒内试块的烘干质量。3．岩石的膨胀性含有粘土矿物的岩石，遇水后会发生膨胀现象。这是因为粘土矿物遇水促使其颗粒间的水膜增厚所致。因此，对于含有粘土矿物的岩石，控制经开挖后遇水膨胀的特性是十分须要的。岩石的膨胀特性通常以岩石的自由膨胀率、岩石的侧向约束膨胀率、膨胀压力等来表述。(1)岩石的自由膨胀率岩石的自由膨胀率是指岩石试件在无任何约束的条件下浸水后所产生膨胀变形与试件原R寸的比值。常用的有岩石的径向自由膨胀率V。和轴向自由膨胀率VH。这一参数适用于采易崩解的岩石。（19-17）式中：ΔH、ΔD分离为浸水后岩石试件轴向、径向膨胀变形量；H、D分离为岩石试件实验前的高度、直径。自由膨胀率的实验通常是将加工完成的试件进入水中，按一定的时光间隔测量其变形量，总算按式(19-17)计算而得。(2)岩石的侧向约束膨胀率VHP与岩石自由膨胀率不同，岩石侧向约束膨胀率是将具有侧向约束的试件浸入水中，是岩石试件仅产生轴向膨胀变形而求得的膨胀率。其计算式如下(19-18)式中：ΔH1——有侧向约束条件下所测得的轴向膨胀变形量。(3)膨胀压力膨胀压力是指岩石试件浸水后，使试件保持原有体积所施加的最大压力。其实验主意类似于膨胀率实验，只是要求限制试件不浮上变形而测量其相应的最大压力。上述三个参数从不同的角度反映了岩石遇水膨胀的特性，进而可利用这些参数评价建造于含有粘土矿物岩体中的洞室的稳定性，并为这些工程的设计提供须要的参数。四、岩石的力学性质及其实验主意岩石力学性质的含义包括两个方面：岩石的变形逻辑和强度特征。岩石的变形逻辑是指岩石在各种荷载作用下的变形逻辑，其中包括岩石的弹性变形、塑性变形、粘性流动和破坏逻辑，它反映了岩石的力学属性。岩石的强度是指岩石试件在荷载作用下开始破坏时的最大应力（强度极限）以及应力与破坏之间的关系，它反映了岩石抵御破坏的能力和破坏逻辑。上述两方面的性质正是岩土工程师在岩石工程的设计和施工中最为协助的，因为它关系到岩石工程的稳定和变形。（一）岩石常规室内力学性质实验的内容及基本要求1．实验内容固然岩石的力学性质实验包括变形实验与强度实验两部分内容，但在大部分情况下，这两种实验往往密不可分，通常可以同时举行。实际岩石的受力状态十分复杂，因此为了解岩石在各种应力状态下的力学特性，必须通过各种室内实验研究岩石的力学性质。目前常规室内力学性质实验的内容：(1)弹性波传扬速度测试。通过测量弹性波（包括纵波或P波、横渡或S波）在岩石中的传扬速度，计算岩石的动弹性变形参数（动弹性模量、动泊松比）。(2)单轴抗压实验。测量岩石的应力与应变关系曲线和单轴抗压强度及残余强度，了解岩石的变形特性