【井巷工程课件】第一章 岩石的性质及工程分类

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2. 岩体和一般建筑材料的比较
岩石和土壤类似，与其它工程材料有显著的区别。 岩石和土壤类似，与其它工程材料有显著的区别。 钢筋混凝土结构的设计，工程师首先计算外荷裁， 钢筋混凝土结构的设计，工程师首先计算外荷裁，然后根据所要 求的强度选择材料（采取措施以保证其强度），同时相应地确定出 求的强度选择材料（采取措施以保证其强度），同时相应地确定出 ）， 结构的几何尺寸。 结构的几何尺寸。 然而，在岩体结构中，作用荷载往往难于确定。此外， 然而，在岩体结构中，作用荷载往往难于确定。此外，由于地下 洞室一类的岩体结构有许多可能的破坏模式，材料“强度” 洞室一类的岩体结构有许多可能的破坏模式，材料“强度”的确定 既需要量测，也需要判断。还有最后一点， 既需要量测，也需要判断。还有最后一点，地下结构的几何尺寸至 少在一定程度上由地质构造来决定。 少在一定程度上由地质构造来决定。
Rock mass = Rock material + Rock discontinuities
然地质体
岩石：不分岩块与岩体时的泛称。 ♣ 岩石：不分岩块与岩体时的泛称。
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岩块（ 性质： 岩块（Rock）性质：
强度：抗压强度、抗拉强度、剪切强度等； 强度：抗压强度、抗拉强度、剪切强度等； 变形：弹性模量、泊松比； 变形：弹性模量、泊松比； 矿物：矿物成分、颗粒大小、结构等； 矿物：矿物成分、颗粒大小、结构等； 物理性质：密度、水理性、孔隙性等。 物理性质：密度、水理性、孔隙性等。
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本章主要参考书
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第一节
概述
Rock mechanics is the theoretical and applied science of the mechanical behaviour of rock and rock masses it is masses; that branch of mechanics concerned with the response of rock and rock masses to the force fields of their physical environment.
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3. 软化性 强度； 强度；
ηc =
Rcw－水饱和岩石的单向抗压强度； Rc－干燥岩石的单向抗压 水饱和岩石的单向抗压强度； 4. 膨胀性和崩解性
Rcw ≤1 Rc
强度越大， 强度越大，软化系数越大
膨胀压力
治水
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岩石的碎胀性-----选用装载、运输、提升等设备 选用装载、运输、 四. 岩石的碎胀性
各向异性的 Anisotropic 非线弹性的 Non-Lineraly Elastic
D.I.A.N.E.
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第二节
一. 岩石的比重与密度
岩石物理性质
岩石物理力学性质是岩体最基本、最重要的性质之一， 也是岩石力学学科中研究最早、最完善的内容之一。
绝对干燥时体积为Vc的岩石重量G 1. 相对密度（比重）： 比重＝ 岩石固体实体积V × 水的密度ρ c w
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1. 岩块、岩体和岩石 岩块、
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♣ ♣
岩块（ 岩块（Rock）：从地壳岩层中切取出来的小块体，通常是 ） 从地壳岩层中切取出来的小块体，
指岩石材料（ ） 指岩石材料（Rock Materials）。 岩体（ 岩体（Rock Mass） ：指岩石工程周围较大范围内的自 ） 岩体= 岩块（岩石材料） 弱面（层理、节理、断层） 岩体= 岩块（岩石材料） + 弱面（层理、节理、断层）
影响强度及风化速度
e~n关系 关系
VV VV /V e = = VC VC /V n = 1 − γ
c
/Gγ
VV V = V − VV V
n = 1 − n
W
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岩石的水理性质---- 孔隙量 大小、 孔隙量、 三. 岩石的水理性质 -孔隙量、大小、开闭及分布
1. 吸水率 2. Fra Baidu bibliotek水性
吸水率 = 大气压力下吸入水的质量 试件干质量
第一章 岩石的性质及工程分类
井巷工程的最基本工作就是破岩与维护。因此， 井巷工程的最基本工作就是破岩与维护。因此，在这一 章主要讲述岩石的一些基本性质，包括岩石的物理性质和 章主要讲述岩石的一些基本性质， 力学性质，为破岩与维护的基础知识；另外， 力学性质，为破岩与维护的基础知识；另外，围岩的工程 分级一直是工程设计的基本依据之一，将在本章的最后进 分级一直是工程设计的基本依据之一， 行讲授。本章的重点应是围岩分级。 行讲授。本章的重点应是围岩分级。
破碎后总体积 碎胀系数 = 原岩体积
坚硬程度、块度大小、 坚硬程度、块度大小、堆积排列情况
岩石名称 碎胀系数 k
砂、砾岩 1.05~1.2
砂质粘土 1.2~1.25
中硬岩石 1.3~1.5
坚硬岩石 1.5~2.5
煤 < 1.2
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扁鹊的医术
魏文王问名医扁鹊说。 你们家兄弟三人，都精于医术， 魏文王问名医扁鹊说。“你们家兄弟三人，都精于医术，到底哪一位 最好呢？ 最好呢？” 扁鹊答：‘’长兄最好，中兄次之，我最差。 扁鹊答：‘’长兄最好，中兄次之，我最差。” 长兄最好 文王再问： 那么为什么你最出名呢？ 文王再问：“那么为什么你最出名呢？” 扁鹊答：“长兄治病，是治病于病情发作之前。由于一般人不知道他事 扁鹊答： 长兄治病，是治病于病情发作之前。 先能铲除病因，所以他的名气无法传出去；中兄治病， 先能铲除病因，所以他的名气无法传出去；中兄治病，是治病于病情初起 时，一般人以为他只能治轻微的小病，所以他的名气只及本乡里。而我是 一般人以为他只能治轻微的小病，所以他的名气只及本乡里。 治病于病情严重之时。一般人都看到我在经脉上穿针管放血、 治病于病情严重之时。一般人都看到我在经脉上穿针管放血、在皮肤上敷 药等大手术，所以以为我的医术高明，名气因此响遍全国。 药等大手术，所以以为我的医术高明，名气因此响遍全国。” 事后控制不如事中控制，事中控制不如事前控制， 事后控制不如事中控制，事中控制不如事前控制，可惜大多数的人均未 能体会到这一点，等到错误的决策造成了重大的损失才寻求弥补。 能体会到这一点，等到错误的决策造成了重大的损失才寻求弥补。
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岩石的强度（ 3. 岩石的强度（P10） ）
单向抗压强度 单向抗拉强度 剪切强度 三轴压缩
研究岩石的强度的意义 ⑴ 岩石的强度是各种岩石分类（级）中的重要数量指标。 岩石的强度是各种岩石分类（ 中的重要数量指标。 作为强度(安全)准则，判别所计算或测定的岩土工程是否稳定. ⑵ 作为强度(安全)准则，判别所计算或测定的岩土工程是否稳定. 在简单的工程条件下，可作为极限平衡条件（塑性条件）， ），求 ⑶ 在简单的工程条件下，可作为极限平衡条件（塑性条件），求 解弹塑性问题的塑性区范围、弹性区和塑性区应力与应变。 解弹塑性问题的塑性区范围、弹性区和塑性区应力与应变。
弱面( 弱面 Discontinuities)性质 性质
弱面包括层理、节理、断层等。 弱面包括层理、节理、断层等。 性质包括：剪切强度、方位、距离、硬度、张开度、充填性、风 性质包括：剪切强度、方位、距离、 硬度、 张开度、充填性、 化性、 化性、粗糙性等 岩石材料的性质对岩体性质影响很小，而弱面控制着岩体的性质 岩石材料的性质对岩体性质影响很小， 例如：岩体压缩时，破坏是沿着已存在的弱面发生的； 例如：岩体压缩时，破坏是沿着已存在的弱面发生的； 在拉伸时，由于弱面的存在，强度很小。 在拉伸时，由于弱面的存在，强度很小。
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岩石的孔隙性-----密度与强度降低，风化速度加快 密度与强度降低， 二. 岩石的孔隙性 密度与强度降低 1. 孔隙度（率）n
n= V − Vc ρc = 1 − d ⋅ ρ × 100% V w
2. 孔隙比e
V − Vc d ⋅ ρ w e= = −1 Vc ρc
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2. 岩石在三轴压缩条件下的力学性质
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首先，破坏前岩石的应变随围压增大而增加；另外，随围压增大， 首先，破坏前岩石的应变随围压增大而增加；另外，随围压增大， 应变随围压增大而增加 岩石的塑性也不断增大 且由脆性逐渐转化为延性。围压增加时， 塑性也不断增大， 岩石的塑性也不断增大，且由脆性逐渐转化为延性。围压增加时， 试件承载力则随围压稳定增长，出现所谓应变硬化现象。 试件承载力则随围压稳定增长，出现所谓应变硬化现象。 围压是影响岩石力学属性的主要因素之一。 围压是影响岩石力学属性的主要因素之一。 从图分析围压对岩石变形影响，得出如下结论： 从图分析围压对岩石变形影响，得出如下结论： ①随着围压的增大，岩石的抗压强度显著增加； 随着围压的增大，岩石的抗压强度显著增加； ②随着围压的增大，岩石的变形显著增大； 随着围压的增大，岩石的变形显著增大； ③随着围压的增大，岩石的弹性极限显著增大； 随着围压的增大，岩石的弹性极限显著增大； ④随着围压的增大，岩石的应力一应变曲线形态发生明显改变， 随着围压的增大，岩石的应力一应变曲线形态发生明显改变， 岩石的性质发生了变化：由弹脆性一弹塑性一应变硬化。 岩石的性质发生了变化：由弹脆性一弹塑性一应变硬化。
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第三节
岩石力学性质 岩石力学性质 力学
Strength, Deformation and Failure of Rock Material
试验所需的试件应该加工成标准的圆柱形， 试验所需的试件应该加工成标准的圆柱形，其高与直径之比应该 介于2.0~3.0之间，试件的直径最好不要超过50mm。 介于2.0~3.0之间，试件的直径最好不要超过50mm。试件的直径应 2.0~3.0之间 50mm 该至少是岩石最大颗粒直径的20倍 该至少是岩石最大颗粒直径的20倍。 20
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1. 岩石的单轴压缩全应力—应变曲线 岩石的单轴压缩全应力—
单轴压缩试验设备
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弹模值：E=20~50GPa，为软钢弹模（206GPa） 10~24%； 弹模值：E=20~50GPa，为软钢弹模（206GPa）的10~24%； 泊松比： 泊松比：ν = − ε 2 = 0.15 ~ 0.35 ，理想塑性材料 ν = 0.5 ε1
尺度、 尺度、浸水时间 地下水水头、 地下水水头、应力场
dh qx = k A dx
(Darcy定律) (Darcy定律) 定律
qx－沿x方向的流量； h－水头的高度； A－垂直于 方向的截 方向的流量； －水头的高度； －垂直于x方向的截 方向的流量 面面积； k－渗透系数。（ 水库、地热、储存等） 面面积； －渗透系数。（ 水库、地热、储存等） 于是，当水温在 ℃ 渗透系数k具有速度的量纲 具有速度的量纲（ ）。 于是，当水温在20℃ ，渗透系数 具有速度的量纲（m/s）。
岩石力学是研究岩石的力学性状的一门理论和应用科学，它是 岩石力学是研究岩石的力学性状的一门理论和应用科学， 力学的一个分支，是探讨岩石对其周围物理环境中力场的反应。 力学的一个分支，是探讨岩石对其周围物理环境中力场的反应。
US National Committee on Rock Mechanics, 1964
岩石样品渗透性的确定对实际问题有直接的意义，例如：将水、 岩石样品渗透性的确定对实际问题有直接的意义，例如：将水、油或 气泵入多孔的岩层中，或从其中抽出来；在多孔岩层中处理卤水废物； 气泵入多孔的岩层中，或从其中抽出来；在多孔岩层中处理卤水废物；为 了能量转换而在地下洞穴中贮存液体；评价水库的不透水性； 了能量转换而在地下洞穴中贮存液体；评价水库的不透水性；排除深处洞 室的海水，或预估流入隧洞的水量等。 室的海水，或预估流入隧洞的水量等。
2. 密度（容重）（kN/m3）：
G ρc = V G ρ= 1 V
2.30~2.80，组成岩石的矿物的比重 ，
矿物成份、孔隙、含水量、 矿物成份、孔隙、含水量、埋藏深度 容重大， 容重大，力学性质好
比重与密度在数值上大体相等。 比重与密度在数值上大体相等。 一般地，岩石密度越大，其力学性质越好。 一般地，岩石密度越大，其力学性质越好。
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常用建筑材料的特性 连续的 均质的 各向同性的 线弹性的 Continuous Homogeneous Isotropic Lineraly Elastic
C.H.I.L.E.
岩体的特性（具有尺度效应） 岩体的特性（具有尺度效应） 不连续的 非均质的 Discontinuous Inhomogeneous