岩石工程特性主要指标.ppt

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1、第一节 岩石工程特性主要指标,1物理指标 （1）密度：包括天然、烘干、饱和，通常不说明即指烘干密度。通常借助作抗压一起作，单独46cm立方体测定三个样 （2）比重：以细碎岩粉过0.25mm筛后，用比重瓶作 （3）吸水率、饱水率：大气压下饱水获得的称吸水率：Wa 式中：g0大气压浸水48hours的重量 gs试样105110烘24h的重量 饱水率gp真空泵抽气浸水4h的重量,2力学指标,（1）抗压强度干、湿挤压强度 1）压力机试验获得 试样要求径高比12，或宽高比12，d=5cm或更大。干、湿各三块。 借此可以获得天然含水量，天然密度，饱和密度吸水率，饱水率、空隙率（n0） gw水中称重的重量,

2、(2)劈裂试验抗拉强度 试样三块，d=5cm，高度为直径的0.51倍 是什么状态，就代表该状的抗拉强度 加载直接破坏（以每秒35kg/cm2）,2力学指标,（4）抗剪强度 直剪式中型剪：（变角板已淘汰） 每种状态试样45块，尺寸：151510cm或1510cm 分天然状态，饱和状态 放直剪仪上，先加正应力，正应力最大值等于或大于设计应力，其余等分取整数，如4kg/cm2，就分成1，2，3，4。每级加载后立即读数，5分钟后再读，稳定标准，连续两次不超1%mm。百分表上1小格。达到预定正应力至稳定，可以开剪。 剪应力施加 初估最大剪切荷载，然后按810%的荷载量级先加剪应力，当剪切变形等于前一级1

3、.5倍时，剪切荷载减半施加。剪切荷载采用时间控制，每5分钟加载一次，记录、一量表读数。位移达到11.5cm，停止剪切。 剪完后可回复原位，作摩擦试验。 也可以作单点摩擦试验。 绘制曲线，确定比例值，屈服值、峰值、残余值。,2力学指标,3送样单及试验数量,（1）工程名称；（2）岩石定名；（3）试件编号；（4）试件位置件数；（5）送样人；（6）时间；（7）试验项目，要求；（8）一组试样，如果合作。例如89mm钻头，岩心直径85mm，则需岩样长度：变形、抗压、密度、饱水密度、吸水率、饱水率，天然含水量，天然密度： 102cm，加上锯、切、磨，如果每节25cm，需1.5m，抗拉30cm。抗剪50cm，

4、共需2.3m或更多的岩样。因此，要注意试样的不均匀性。如果试样不够平行两块，1.7m样也可以.,第二节 岩石工程特性指标的用途,1划分岩石强度类型,水电站,俄国,英Franklin,建设部,2围岩或岩体质量分类指标,二、岩石工程特性指标的用途,1）水电围岩或岩体质量分类 2)建设部岩体质量分类 3）Z、T、Bieniawski RMR分类,3选择岩体强度,二、岩石工程特性指标的用途,岩块强度考虑连通率后，连通率在野外获得。 岩体强度tg=tgr(1k) +(tg0)K 如果连通率K=60%，岩块tgr=1.7，摩擦tg0=0.8，tgm=1.16,4可以间接选取岩体变形参数。后面讲。,第一节

5、岩体变形试验,二岩体工程测试及参数评价,一、刚性承压板试验 在基岩上修建各种大型建筑物，由于荷载量级很大 （大的电站高坝可达5070kg/cm2），在正向应力作用 下将引起地基沉陷和沉陷差。为了预测建筑物的沉陷量 及沉降差，必须获得各类岩体、厚大的弱面，各工程地 质单元岩体的变形模量、弹性模量、泊松比。由于岩体 的特殊性（具有一定的刚度、裂隙、试验需要较高的荷载及较大的面积），变形试验大多在现场、洞子中进行 。,一、刚性承压板试验,二岩体工程测试及参数评价,1基本原理 岩体变形试验仍然是以半无限空间弹性理论，用布民公式来获得变形参数（Boussniesq）。土力学中计算地基土的应力、变形已有应

6、用了解。对于岩体，塑性变形此土要小一些，更接近实际。根据现场成果观测资料，在野外试面应满足基本的边界条件：即试点距洞底不小于2d，离两侧应为1.5d，d为承压板直径(一般50cm上下)。 2试验方法 （1）设备 200300T千斤顶一台 5cm厚，50cmd的承压板34块 加压油路、泵、系统 传力柱：=150mm或更大的厚壁管 工字钢或槽钢作表支架 千分、百分表6块,（2）安装如右图,一、刚性承压板试验,二岩体工程测试及参数评价,（3）加压试验、观测记录 试验总压力为工程荷载的1.2倍； 将总荷载分510级。分级加载 板面积压力=总的压力千斤顶面积=千斤顶压力 加一级荷载前先将各表调零，然后加

7、压至预定数，稳压。然后读数，分表读，一般68块表，然后每10分钟读一次，每两读数差比总位移小于0.05，可以认为稳定。如下图，,一、刚性承压板试验,二岩体工程测试及参数评价,稳定后如是求变模或载荷试验，可继续加压。如要获得弹模，则要求卸荷，用稳定的值获得弹性模量。如图，用We值获得表示弹性模量，不能恢复的为塑性变形-塑性模量。综合的为变形模量。试验可分为单循环和多级循环。单循环省时、较快，变形模量可靠。多级循环类似反复加载的情况。两者差值23%，最大不超过10%。,3成果整理 按照试验获得曲线型来获取计算的资料 （1）直线型 坚硬均质岩体、碎裂岩体、变形、应力呈线性，可直接以每点的值来取。 （

8、2）上凹型、强化型、裂隙岩体，一般含裂隙的较好岩体均有此种情况。随应力增高，模量增高。要按应力取值，取全值也可以留有一定的安全系数。 （3）下凹型 破碎岩体、含软岩夹层的岩体、或性较软的岩体、屈服型、模量随应力减小，要根据荷载来取值。或取平均值。 （4）长尾型 上软、下硬的岩体、表部松弛的岩体，或洞子试件面清理松弛层不够，取值应去样前部位移量。 （5）折尾型 留有较好岩盖、或应力强化的表层，取值时延长，获得零点。此种是变模降低。,一、刚性承压板试验,二岩体工程测试及参数评价,以上取值后，按经验值取：,二、动力法,二岩体工程测试及参数评价,当弹性波在岩体中传播时，其动力参数:速度、振幅、频率很容

9、易受到岩性、结构面、风化程度等地质因素的影响，反过来我们就可以借助弹性波波速的变化来了解岩体的一些特性，如弹性模量、单位弹性抗力系数，岩体的完整性、各种软弱层带在不同围压下的状态特征等。从击发装置和频率不一样，一般分地震波法及声波法，前者频率低。后者高，20KHz，前者是通过换能器将电振荡能量转换为机械振动能量传给岩体，后者是通过爆破将能量传给岩体，但其基本理论是基于弹性体波动微分方程波速与弹性参数之间的关系，其： （3） （2） （1） 将（1）代入（2）得（3）式，其中 在野外横波是不易测的，此时可选用经验值，代替算出VS，再以VP来计算Ed。,三、动静弹现场布点原则,二岩体工程测试及参数

10、评价,动模性模量是根据波速来决定的，由于岩体中存在较多的细微裂隙，不大影响弹性波传递，相反在静弹试验，加压时间长，细微裂隙反应明显，所以dEs，其差别就要由岩体本身及岩石来决定，二者难以找到一个统一的关系。但动弹模测定快速范围大，经济。对于研究岩体的工程地质单元划分是非常有利的，所以不少单位常就一个工程区内，先在划分单元的基础上。分区作E0，然后测定波速，就能建立VpE0，EdE0，其EdES的关系曲线，这对于评价各单元的参数是极为有利的。相反通过大致单元划分，在作Vp分区，再作E0，再划分，这样就能进行很好的工程地质分区。一般大型工程清基都控制在Vp4000-4500m/s，对于选择大的基础

11、面是一种有效的方法。,第二节 岩体变形参数及取值方法,二岩体工程测试及参数评价,一、变形参数取值 二、岩体变形参数的用途 三、岩体变形参数现场布点原则及取值单元划分 四、岩体变形参数的选取,一、变形参数取值,1变形模量 1）利用现场变形试验成果取值，然后按各区的成果取值 2）利用纵波速度 （1）利用动、静模量关系式进行取值 先建立： E0=f(Vp) 然后以各测点的波速代入取值。 （2）直接以纵波速度代入经验公式获得E0 Log(E0)=2.278 log(Vp)-0.434 式中：E0GPa=103MPa；Vpkm/s （3）在没有任何现场试验资料的情况下可以用岩石饱和挤压强度来选取变形参数

12、。 E0=0.2453R03.13,2.泊松比,二岩体工程测试及参数评价,泊松比在没有试验资料的情况下可以用变形模量值选择 E020GPa 0.24 E0=1020GPa =0.240.26 E0=510GPa =0.26.28 E0=25GPa =0.280.30 E0=0.22GPa =0.300.33,3弹性模量取值,二岩体工程测试及参数评价,1）根据现场试验选值 2）利用VpE0关系式，E0ES关系式取值 3）实在没有，可按变模的2倍取值。,二、岩体变形参数的用途,二岩体工程测试及参数评价,1用于计算的参数 2岩石风化程度的划分 用波速比 风化程度 波速比 新鲜 1 微风化 0.81

13、弱风化（中风化） 0.60.8 强风化 0.40.6 全风化 0.250.4,1）用变形模量分类 2）用纵波速度划分岩体质量类型或围岩类型 国内外用纵波速度对隧道围岩分类,二、岩体变形参数的用途,二岩体工程测试及参数评价,4）岩体完整性划分 用(Vpm/Vpr)2=Kv 5）岩体结构划分,二、岩体变形参数的用途,二岩体工程测试及参数评价,三、岩体变形参数现场布点原则及取值单元划分,（一）布点原则或考虑的因素 1根据岩石，河谷斜坡岩石风化 2根据岩性布点 3考虑构造，大断层要专门布点 4考虑应力状态、荷载 （二）取值单元划分 按上面考虑的因素对研究地段划分单位，一般工程将其划分成块体单元。有了单

14、元后，按单元布点，最后获得各单元的变形参数。 这些单元的试验，一部分可以采用静弹，一部分可以采用地震波测来解决。,二岩体工程测试及参数评价,一、强度试验,二岩体工程测试及参数评价,岩体的抗剪强度对于完整岩体来讲不仅较高，而且C值普遍较大，而对于软岩、软弱夹层则C、值不仅较低，而且由于其本身的物理性质，赋存条件不同，变化很大。而抗剪强度是我们在斜坡稳定、坝基稳定、以及地下洞室稳定分析中不可少的计算参数。由于岩体特定的赋存条件（水应力状态），开展现场大剪试验，是获及e、值的重要途径。,（一）强度试验,二岩体工程测试及参数评价,1目前抗剪试验有的种类 1）岩石或岩体与砼土之间的抗剪试验，此项试验是为

15、了了解砼与岩石间的抗剪强度在砼坝/岩石间的表层抗滑稳定分析中要用。 2）较完整岩体的抗剪试验。岩体是由结构面+岩石构成，而裂隙岩体径：其中的裂隙不是全连通的，这些裂隙没有连通的岩体，他们具有抗剪断强度，由于岩石的C值，多在数十公斤，这对于稳定分析是一个极重要的值。因此需要取得。 3）软面、弱面的抗剪试验 C、值低，而且随环境条件变化，获取这些参数列重要。,（一）强度试验,二岩体工程测试及参数评价,2岩体抗剪试验的方法 1）有两种平推法，产生应力分布不均匀 斜推法：不晚控制，随Q增加产生分量，对应的要减一个值不易操作 2）具体试验是制样4-5块，分别以不同正应力剪损，然后求C、。 3）单点法 比

16、例极限，某一试点加到比例极限后，加大，再作，1，再作最后一级剪至破坏。 临近破坏法，剪切试体显著变形，停止加大n，再剪，停止，取后一级剪坏 单点摩擦 剪断破坏的试件，然后在不同上应力下再剪，单点法包线常在峰值和残值的包线间。对于软层单点摩擦和多点试验其抗剪强度大致相等,（一）强度试验,二岩体工程测试及参数评价,3资料整理 （1）计算、 （2）绘制曲线 （3）根据曲线，分别计算比例值,屈服值，峰值，残余强度,二、岩体强度参数取值,二岩体工程测试及参数评价,1用现场试验成果进行取值 1）先进行单元划分，分不含大的弱面的岩体和弱面，弱面必须单独取值。 2）根据各单元的大剪资料取值： （1）点群中心法

17、：将每一单元的大剪试验资料的各荷载等级下的、值放入座标系中，每一组有45个点，无论是否在一直一上，均纳入点群中，然后和点群中心线，中心线的作法可以相关，可以穿越点群中心作直线，得到C值和值。其值可以作为本单元岩体的强度，但获得的这种强度参数必须以岩体中硬性结构面的连通率进行强度修正，修正的值才能作为建议值。 （2）给定斜率法或优定斜率法：此种方法是从日本引进的，其方法是根据各单元各组大剪的各级正应力，对应的剪应务的点群，作下限的包线，再作平行的上包线，以下限值的C、作为建议指标，此时不计岩体连通率。,二岩体工程测试及参数评价,用纵波速度评价岩体强度 1）用纵波速度评价岩体强度的理论分析 用纵波

18、速度评价岩体的强度，目前国内外尚没有先例，能否用来评价岩体的强度必须作理论上的分析。 国内外利用纵波速度对岩体结构、完整性进行分类已有较多的应用。由于岩体结构实质上反映了岩体的完整性，而岩体的完整性又反映了岩体的强度，因而能够表征岩体结构类型的纵波速度，能够表征岩体的强度。另一方面，地震波在岩体中传播遇到结构面时，发生波幅衰减、波速降低，而岩体的强度同样受结构面切割程度所控制。这两种变化都是由于岩体中结构面的存在造成的，因此岩体纵波速度的高低是可以表征岩体强度的高低的。 再从岩体弹性波速中的纵波和横波来分析，纵波为压缩波，它能够表征岩体的变形特性，而作为剪切波的横波，直接与岩体的强度有关。用纵

19、波速度评价岩体强度 它们间的关系式为 （4-6） （4-7） （4-8） （4-9） 式中：Ed动弹性模量； Vp纵波速度； Vs横波速度； 泊松比； 岩石密度； G剪切模量。 由式（4-6）（4-9）可以看出，无论VpVs、VpVs均有内在的联系，在横波速度不易获得的情况下可以用纵波速度及其它指标来获得岩体剪切模量或了解岩体的强度特征，因此岩体的强度与横波速度或纵波速度应存在较好的相关性。,2 建立关系式,f=0.2637(Vp)-0.093 C=3.791Log(Vp)-1.198 F混凝土=0.20(Vp)+0.15 C混凝土=2.65Log(Vp)-0.752 Vp-波速（km/s)

20、C-内聚力（Mpa),二、岩体强度参数取值,3以岩石强度及连通率取值 若连通率K，室内拉剪断f、C，抗剪f、C则岩体抗剪断强度 这样作 接近， 值一般偏大，要参照类型 4用岩体完整性系数取值,第三节 岩体抗剪强度试验及参数取值,三、岩体强度应用时应注意的问题,岩体强度中有比例值、屈服值、峰值、残余值、长期强度。 一般在稳定分析时，用比例值太安全保守，大多不用，峰值强度具有很大风险性，也不能用，残余值一般已完全破坏，山都跑了，只用在滑坡。工程中大多用屈服值，长期值。 长期值是时间过程，或时间效应，流变过程，要选值必须作岩体流变，非特大型工程，一般是作不成的。 屈服值一般不易选取，如有就用。没有时

21、可选峰值强度折减，峰值好取,无人为的较大误差。选出峰值后，以峰值计折屈服值。工程很多试验资料表明，在0.85左右 峰值0.85=屈服值 长期值一般工程多不用，大型运行长的工程一般考虑此种值，作为最后的稳定较核。,第三节 岩体抗剪强度试验及参数取值,1.点荷载试验, 国际推荐50岩柱点荷载公式： R=18.08Is50 Is点荷载强度指数（直径为50mm），岩样的点荷载强度指数。 径向： 轴向： 非50mm直径的，可以相关式核算F=（De/50）0.4 成都地院公式，可用于任意形状。 R=17.86Is 以上用什么状态，就获得什么样状态下的抗压强度。上数试验要10块以上岩块。 在一般情况下，野外

22、无烘箱多用天然状态获得抗压强度近似代表干抗压，对一般干燥岩石是偏于安全的。如果不能饱水，可用相关式获得饱和抗压强度，一般均要求作，但实在缺数据，特别是研究生作论文钱少或资料不全可以软化系数：,第四节 岩石点荷载试验,2岩石点荷载试验资料的整理,第四节 岩石点荷载试验,由于岩点荷载试验，岩石块径均较小，一般难以全面反映岩石的抗压强度，即难以反映微裂隙体系。因此要求作大量的样品来取得抗压强度的标准值。按统计规律，一般要求30块以上，才能反映正态分布的特征。在工程上如果可以应满足上数量，如不行应尽量多，起码应在1520块。每一块分别计算出抗压强度然后按统计方法处理。 先算均值， 算出标准差： 算出变异系数 得出标准值 以上述标准值作为岩石的饱和抗压强度,3岩石工程分级,第四节 岩石点荷载试验,介绍电力 部的分级,电力部的分级,1) 岩石工程分级,第五节 岩石承载力评价,此评价当f04000Kpa，应用工程实验经验。,2）电力部标准,第五节 岩石承载力评价,3）承载力标准值的计算,第五节 岩石承载力评价,f回归修正系数 变异系数 f0承载力基本值。 f0.75应分析过大原因，如无误则增加试验组数,