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1、会计学1岩土工程岩土工程1岩体和土体的工程性质及评价岩体和土体的工程性质及评价2n n目前我们在研究土的压缩性，目前我们在研究土的压缩性，均认为土的压缩完全是由于孔均认为土的压缩完全是由于孔隙中水和气体向外排出而引起隙中水和气体向外排出而引起的。的。饱和砂土饱和砂土透水性强，在压力作用下，固结很快完成透水性强，在压力作用下，固结很快完成饱和粘土饱和粘土透水性弱，在压力作用下，固结需要很长时间完成透水性弱，在压力作用下，固结需要很长时间完成第2页/共142页3瞬时沉降瞬时沉降主固结沉降主固结沉降次固结沉降次固结沉降建筑物的总沉降由以下三部分组成：建筑物的总沉降由以下三部分组成：第3页/共142页
2、4n n瞬时沉降指在加荷后立即发生瞬时沉降指在加荷后立即发生的沉降的沉降n n饱和粘土饱和粘土 在很短的时间内，孔隙中的水在很短的时间内，孔隙中的水来不及排出，加之土体中的土来不及排出，加之土体中的土粒和水是不可压缩的，因而瞬粒和水是不可压缩的，因而瞬时沉降是在没有体积变形的条时沉降是在没有体积变形的条件下发生的，它主要是由于土件下发生的，它主要是由于土体的侧向变形引起的体的侧向变形引起的n n瞬时沉降一般不予考虑瞬时沉降一般不予考虑第4页/共142页5n n对于控制要求较高的对于控制要求较高的对于控制要求较高的对于控制要求较高的建筑物，瞬时沉降可建筑物，瞬时沉降可建筑物，瞬时沉降可建筑物，瞬
3、时沉降可用用用用弹性理论弹性理论弹性理论弹性理论估算。对估算。对估算。对估算。对于饱和粘土在局部均于饱和粘土在局部均于饱和粘土在局部均于饱和粘土在局部均布荷载作用下，地基布荷载作用下，地基布荷载作用下，地基布荷载作用下，地基地瞬时沉降可用下式地瞬时沉降可用下式地瞬时沉降可用下式地瞬时沉降可用下式计算计算计算计算影响系数第5页/共142页6n n主固结与主固结沉降主固结与主固结沉降主固结与主固结沉降主固结与主固结沉降 在荷载作用下饱和土体中孔隙水的排除导致土体在荷载作用下饱和土体中孔隙水的排除导致土体在荷载作用下饱和土体中孔隙水的排除导致土体在荷载作用下饱和土体中孔隙水的排除导致土体体积随时间逐
4、渐减小，有效应力逐渐增加，这一体积随时间逐渐减小，有效应力逐渐增加，这一体积随时间逐渐减小，有效应力逐渐增加，这一体积随时间逐渐减小，有效应力逐渐增加，这一过程称为主固结。过程称为主固结。过程称为主固结。过程称为主固结。随着时间的增加，孔隙水应力逐渐消散，有效应随着时间的增加，孔隙水应力逐渐消散，有效应随着时间的增加，孔隙水应力逐渐消散，有效应随着时间的增加，孔隙水应力逐渐消散，有效应力逐渐增加并最终达到一个稳定值，此时孔隙水力逐渐增加并最终达到一个稳定值，此时孔隙水力逐渐增加并最终达到一个稳定值，此时孔隙水力逐渐增加并最终达到一个稳定值，此时孔隙水应力消散为零，主固结沉降完成，这一过程所产应
5、力消散为零，主固结沉降完成，这一过程所产应力消散为零，主固结沉降完成，这一过程所产应力消散为零，主固结沉降完成，这一过程所产生的沉降为固结沉降。生的沉降为固结沉降。生的沉降为固结沉降。生的沉降为固结沉降。第6页/共142页7n n次固结沉降 土体在主固结成将完成之后有效应力不变的情况下还会随时间的增长进一步产生沉降，称为次固结沉降n n次固结沉降对某些土如软粘土是比较重要的，对于坚硬土或超固结土，这一分量相对较小。第7页/共142页8n n为了研究土的压缩特性，通常为了研究土的压缩特性，通常需要进行试验需要进行试验室内固结试验室内固结试验现场原位试验（荷载试验、旁压试验）现场原位试验（荷载试验
6、、旁压试验）1.1.1.1压缩曲线和压缩性指标压缩曲线和压缩性指标第8页/共142页9室内固结试验与压缩曲线室内固结试验与压缩曲线第9页/共142页10室内固结试验与压缩曲线室内固结试验与压缩曲线n n用环刀切取扁园柱体，一般高用环刀切取扁园柱体，一般高2 2厘厘米，直径应大于高度米，直径应大于高度2 25 5倍，面倍，面积为积为30cm30cm2 2或或50 cm50 cm2 2,试样连同环试样连同环刀一起装入护环内，上下有透水刀一起装入护环内，上下有透水石以便试样在压力作用下排水。石以便试样在压力作用下排水。n n在透水石顶部放一加压上盖，所在透水石顶部放一加压上盖，所加压力通过加压支架作
7、用在上盖，加压力通过加压支架作用在上盖，同时安装一只百分表用来量测试同时安装一只百分表用来量测试样的压缩。样的压缩。n n由于试样不可能产生侧向变形而由于试样不可能产生侧向变形而只有竖向压缩。于是，我们把这只有竖向压缩。于是，我们把这种条件下的压缩试验称为单向压种条件下的压缩试验称为单向压缩试验或侧限压缩试验。缩试验或侧限压缩试验。固结仪第10页/共142页11室内固结试验与压缩曲室内固结试验与压缩曲线线n n假定试样土粒本身体假定试样土粒本身体积不变，土的压缩仅积不变，土的压缩仅由于孔隙体积的减小，由于孔隙体积的减小，因此土的压缩变形常因此土的压缩变形常用孔隙比用孔隙比e e的变化来的变化来
8、表示。表示。n n压力压力p p与相应的稳定与相应的稳定孔隙比的关系曲线称孔隙比的关系曲线称为压缩曲线为压缩曲线e-p曲线e-logp曲线第11页/共142页12室内固结试验与压缩曲线室内固结试验与压缩曲线n na a图：压力与加荷历时图：压力与加荷历时关系关系n nb b图：各级压力下，图：各级压力下，试样孔隙比随时间的试样孔隙比随时间的变化过程变化过程n n压缩快压缩快压缩稳定，压缩稳定，稳定的快慢和土的性稳定的快慢和土的性质有关质有关第12页/共142页13压缩系数压缩系数n n用单位压力增量所用单位压力增量所引起的孔隙比的改引起的孔隙比的改变，即压缩曲线的变，即压缩曲线的割线坡度表征土
9、的割线坡度表征土的压缩性的高低压缩性的高低压缩系数e-p曲线第13页/共142页14压缩系数压缩系数n na是表征土压缩性的重要指标之一ep曲线越陡，曲线越陡，a就越大，土的压缩性越高就越大，土的压缩性越高ep曲线越平缓，曲线越平缓，a就越小，土的压缩性越低就越小，土的压缩性越低第14页/共142页15压缩系数压缩系数n n压缩曲线不是直线，即使是同一种土，其压缩压缩曲线不是直线，即使是同一种土，其压缩压缩曲线不是直线，即使是同一种土，其压缩压缩曲线不是直线，即使是同一种土，其压缩系数也不是常量。系数也不是常量。系数也不是常量。系数也不是常量。n n工程上为了便于统一比较，习惯采用工程上为了便
10、于统一比较，习惯采用工程上为了便于统一比较，习惯采用工程上为了便于统一比较，习惯采用100kpa200kpa100kpa200kpa范围的压缩系数来衡量土的压缩范围的压缩系数来衡量土的压缩范围的压缩系数来衡量土的压缩范围的压缩系数来衡量土的压缩性的高低性的高低性的高低性的高低我国我国建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范规定规定第15页/共142页16压缩指数压缩指数n n在较高的压力范围内，在较高的压力范围内，压缩曲线近似为一直线，压缩曲线近似为一直线，很明显，该直线越陡，很明显，该直线越陡，意味着土的压缩性越高。意味着土的压缩性越高。压缩指数e-logp曲线第16页/共142页17压缩指
11、数压缩指数n nCc与土的压缩性的关系elgp曲线越陡，曲线越陡，Cc就越大，土的压缩性越高就越大，土的压缩性越高elgp曲线越平缓，曲线越平缓，Cc就越小，土的压缩性越低就越小，土的压缩性越低第17页/共142页181.1.1.2回弹再压缩指数回弹再压缩指数n n试样回弹不是沿初始压试样回弹不是沿初始压试样回弹不是沿初始压试样回弹不是沿初始压缩曲线，说明土体的变缩曲线，说明土体的变缩曲线，说明土体的变缩曲线，说明土体的变形是由可恢复的弹性变形是由可恢复的弹性变形是由可恢复的弹性变形是由可恢复的弹性变形和不可恢复的塑性变形和不可恢复的塑性变形和不可恢复的塑性变形和不可恢复的塑性变形组成形组成形
12、组成形组成n n回滞环回滞环回滞环回滞环非完全弹性非完全弹性非完全弹性非完全弹性n n回弹和再压缩曲线比初回弹和再压缩曲线比初回弹和再压缩曲线比初回弹和再压缩曲线比初始曲线平缓，说明在回始曲线平缓，说明在回始曲线平缓，说明在回始曲线平缓，说明在回弹和再压缩范围内土的弹和再压缩范围内土的弹和再压缩范围内土的弹和再压缩范围内土的压缩性降低压缩性降低压缩性降低压缩性降低n n超过超过超过超过b b点，再压缩曲线点，再压缩曲线点，再压缩曲线点，再压缩曲线趋于初始压缩曲线的延趋于初始压缩曲线的延趋于初始压缩曲线的延趋于初始压缩曲线的延长线长线长线长线第18页/共142页19回弹再压缩指数回弹再压缩指数
13、Cs=(0.10.2)Cc Cs=(0.10.2)Cc回弹再压缩土的压缩性减小回弹再压缩土的压缩性减小回弹再压缩土的压缩性减小回弹再压缩土的压缩性减小n n土体如果承受到比现土体如果承受到比现土体如果承受到比现土体如果承受到比现在大的压力，其压缩在大的压力，其压缩在大的压力，其压缩在大的压力，其压缩性将降低，也就是说性将降低，也就是说性将降低，也就是说性将降低，也就是说土的应力历史对压缩土的应力历史对压缩土的应力历史对压缩土的应力历史对压缩性有很大影响性有很大影响性有很大影响性有很大影响软土地基加固软土地基加固第19页/共142页20其它压缩性指标其它压缩性指标n n压缩模量：压缩模量：压缩模
14、量：压缩模量：土体在无侧向变形条件下，竖直应力与土体在无侧向变形条件下，竖直应力与土体在无侧向变形条件下，竖直应力与土体在无侧向变形条件下，竖直应力与竖向应变之比。其大小反映了土体在单竖向应变之比。其大小反映了土体在单竖向应变之比。其大小反映了土体在单竖向应变之比。其大小反映了土体在单向压缩条件下对压缩变形的抵抗能力。向压缩条件下对压缩变形的抵抗能力。向压缩条件下对压缩变形的抵抗能力。向压缩条件下对压缩变形的抵抗能力。第20页/共142页21其它压缩性指标其它压缩性指标n n体积压缩系数体积压缩系数体积压缩系数体积压缩系数mvmv 单位应力作用下单位体积的体积变化单位应力作用下单位体积的体积变
15、化单位应力作用下单位体积的体积变化单位应力作用下单位体积的体积变化初始孔隙比初始孔隙比第21页/共142页22n n1.1.1.3固结系数固结系数Cv 定义：土的压缩随时间而增长的过程叫固结。定义：土的压缩随时间而增长的过程叫固结。定义：土的压缩随时间而增长的过程叫固结。定义：土的压缩随时间而增长的过程叫固结。固结系数固结系数固结系数固结系数CvCv：表征土固结速率的一个特征系数。表征土固结速率的一个特征系数。表征土固结速率的一个特征系数。表征土固结速率的一个特征系数。第22页/共142页23n n（1 1）时间对数法（）时间对数法（logtlogt法）法）n n（2 2）时间平方根法（）时间
16、平方根法（）第23页/共142页24n n1.1.1.41.1.1.4次固结系数次固结系数CaCan n经验公式：经验公式：n n次固结对大多数土可不考虑，次固结对大多数土可不考虑，但对软弱土不能忽略。但对软弱土不能忽略。次固结第24页/共142页251.1.2 1.1.2 渗透性参数渗透性参数渗透性参数渗透性参数n n土是具有连续孔土是具有连续孔隙的介质。当土隙的介质。当土作为建筑物的地作为建筑物的地基和直接用作建基和直接用作建筑材料时，水就筑材料时，水就会在水位差的作会在水位差的作用下，从水位较用下，从水位较高的一侧透过土高的一侧透过土的孔隙流向水位的孔隙流向水位较低的一侧。较低的一侧。第
17、25页/共142页26n n水在土体中的渗透，一方面会水在土体中的渗透，一方面会造成水量的损失，影响工程效造成水量的损失，影响工程效益；另一方面将引起土体内部益；另一方面将引起土体内部的应力状态的变化，从而改变的应力状态的变化，从而改变水工建筑物或地基的稳定条件，水工建筑物或地基的稳定条件，严重时还会酿成破坏事故。严重时还会酿成破坏事故。n n土的渗透性的强弱，对土体的土的渗透性的强弱，对土体的固结、强度以及工程施工都有固结、强度以及工程施工都有非常重要的影响非常重要的影响 第26页/共142页27关于防渗墙关于防渗墙防渗墙射水法施工防渗墙第27页/共142页28n n渗透系数的大小是直接衡量
18、土的透水性强弱的重渗透系数的大小是直接衡量土的透水性强弱的重渗透系数的大小是直接衡量土的透水性强弱的重渗透系数的大小是直接衡量土的透水性强弱的重要力学性质指标。渗透系数的测定可以分为要力学性质指标。渗透系数的测定可以分为要力学性质指标。渗透系数的测定可以分为要力学性质指标。渗透系数的测定可以分为现场现场现场现场试验和室内试验试验和室内试验试验和室内试验试验和室内试验两大类。一般，现场试验比室内两大类。一般，现场试验比室内两大类。一般，现场试验比室内两大类。一般，现场试验比室内试验得到的结果要准确可靠。因此，对于重要工试验得到的结果要准确可靠。因此，对于重要工试验得到的结果要准确可靠。因此，对于
19、重要工试验得到的结果要准确可靠。因此，对于重要工程常需进行现场测定。程常需进行现场测定。程常需进行现场测定。程常需进行现场测定。n n室内测定土地渗透系数的仪器和方法很多，但就室内测定土地渗透系数的仪器和方法很多，但就室内测定土地渗透系数的仪器和方法很多，但就室内测定土地渗透系数的仪器和方法很多，但就其原理来讲，可分为其原理来讲，可分为其原理来讲，可分为其原理来讲，可分为常水头试验和变水头试验常水头试验和变水头试验常水头试验和变水头试验常水头试验和变水头试验两两两两种，前者适用于透水性强的无粘性土，后者适用种，前者适用于透水性强的无粘性土，后者适用种，前者适用于透水性强的无粘性土，后者适用种，
20、前者适用于透水性强的无粘性土，后者适用于透水性弱的粘性土。于透水性弱的粘性土。于透水性弱的粘性土。于透水性弱的粘性土。渗透性参数渗透性参数渗透性参数渗透性参数定义：水流通过土中孔隙的难易程度的性质。定义：水流通过土中孔隙的难易程度的性质。定义：水流通过土中孔隙的难易程度的性质。定义：水流通过土中孔隙的难易程度的性质。第28页/共142页29常水头法常水头法 n n常水头法就是在整个常水头法就是在整个常水头法就是在整个常水头法就是在整个试验过程中，水头保试验过程中，水头保试验过程中，水头保试验过程中，水头保持不变，试验装置如持不变，试验装置如持不变，试验装置如持不变，试验装置如图图图图 n n用
21、量筒和秒表测出某用量筒和秒表测出某用量筒和秒表测出某用量筒和秒表测出某一时刻一时刻一时刻一时刻t t内流经试样的内流经试样的内流经试样的内流经试样的水量水量水量水量V V，即可求出流过，即可求出流过，即可求出流过，即可求出流过土体的流量，再根据土体的流量，再根据土体的流量，再根据土体的流量，再根据达西定律求解达西定律求解达西定律求解达西定律求解k k第29页/共142页30变水头法变水头法n n粘性土，渗透系数小，流粘性土，渗透系数小，流粘性土，渗透系数小，流粘性土，渗透系数小，流经水量少经水量少经水量少经水量少n n变水头法在整个试验过程变水头法在整个试验过程变水头法在整个试验过程变水头法在
22、整个试验过程中，水头是随着时间而变中，水头是随着时间而变中，水头是随着时间而变中，水头是随着时间而变化的，试验装置如图，试化的，试验装置如图，试化的，试验装置如图，试化的，试验装置如图，试样的一端与细玻璃管相接，样的一端与细玻璃管相接，样的一端与细玻璃管相接，样的一端与细玻璃管相接，在试验过程中测出某一时在试验过程中测出某一时在试验过程中测出某一时在试验过程中测出某一时段内细玻璃管中水位的变段内细玻璃管中水位的变段内细玻璃管中水位的变段内细玻璃管中水位的变化，就可根据达西定律求化，就可根据达西定律求化，就可根据达西定律求化，就可根据达西定律求出水的渗透系数。出水的渗透系数。出水的渗透系数。出水
23、的渗透系数。第30页/共142页31变水头法变水头法n n设玻璃管的内截面积设玻璃管的内截面积设玻璃管的内截面积设玻璃管的内截面积为为为为a a，试验开始以后，试验开始以后，试验开始以后，试验开始以后任一时刻任一时刻任一时刻任一时刻t t的水位差为的水位差为的水位差为的水位差为h h，经时段，经时段，经时段，经时段dtdt，细玻，细玻，细玻，细玻璃管中水位下落璃管中水位下落璃管中水位下落璃管中水位下落dhdh，则在时段则在时段则在时段则在时段dtdt内流经试内流经试内流经试内流经试样的水量样的水量样的水量样的水量第31页/共142页32变水头法变水头法第32页/共142页33n n无粘性土无粘
24、性土n n软土软土第33页/共142页34土的渗透系数参考值土的渗透系数参考值土类土类渗透系数渗透系数k(cm/s)k(cm/s)渗透性渗透性纯砾纯砾1010-1-1高渗透性高渗透性纯砾与砾混合物纯砾与砾混合物1010-3-31010-1-1中渗透性中渗透性极细砂极细砂1010-5-51010-3-3低渗透性低渗透性粉土、砂与粘土粉土、砂与粘土混合物混合物1010-7-71010-5-5极低渗透性极低渗透性粘土粘土100.750.75；块状岩体；块状岩体；块状岩体；块状岩体 0.4-0.750.4-0.75碎裂状岩体碎裂状岩体碎裂状岩体碎裂状岩体 0.40.4岩体声波速折减系数岩块强度岩体强度
25、岩块声波速第69页/共142页70n n1.2.1.21.2.1.2岩体三轴抗压强度岩体三轴抗压强度预定的围压预定的围压p p：p0p0，p1p1，p2 p2，p3p3测出的强度测出的强度对数据回归分析得线性公式：对数据回归分析得线性公式：上式两边同乘折减系数：上式两边同乘折减系数：岩体强度公式为：岩体强度公式为：参考数值计算教材第70页/共142页71第71页/共142页72第72页/共142页73n n1.2.1.31.2.1.3岩体抗剪强度参数岩体抗剪强度参数根据实验结果可得：根据实验结果可得：剪切破坏面上的应力剪切破坏面上的应力第73页/共142页74第74页/共142页75n n1.
26、2.21.2.2岩体变形参数的确定（录像）岩体变形参数的确定（录像）变形参数有：弹性模量、变形模量、动泊松比、动弹性模量变形参数有：弹性模量、变形模量、动泊松比、动弹性模量n n1.2.2.11.2.2.1弹性模量弹性模量EeEe和变形模量和变形模量E0E0第75页/共142页76n n现场刚性承压板实验求模量现场刚性承压板实验求模量第76页/共142页77第77页/共142页78n n1.2.2.21.2.2.2岩体动泊松比和动弹性模量岩体动泊松比和动弹性模量用声波仪测出纵波和横波波速后按下式求：用声波仪测出纵波和横波波速后按下式求：或或静动弹模的关系：静动弹模的关系：一般来说，岩体越坚硬越
27、完整，则差值越小，否则，差值一般来说，岩体越坚硬越完整，则差值越小，否则，差值就越大。就越大。第78页/共142页79第79页/共142页80n n1.2.31.2.3工程岩体质量评价工程岩体质量评价 设计前对岩体质量作出评价：有助于深入认识岩体力学特设计前对岩体质量作出评价：有助于深入认识岩体力学特性和合理选取参数；有助于岩体工程设计和施工，也有助性和合理选取参数；有助于岩体工程设计和施工，也有助于采取合理的工程处理措施。于采取合理的工程处理措施。1.2.3.11.2.3.1岩体裂隙度和切割度岩体裂隙度和切割度n n岩体裂隙度岩体裂隙度岩体裂隙度岩体裂隙度K K K K取样线上单位长度上的节
28、理数：取样线上单位长度上的节理数：K=0K=01/m 1/m 疏节理疏节理 按密集程度分类按密集程度分类 K=1K=110/m 10/m 密节理密节理 K=10K=10100/m 100/m 很密节理很密节理 K=100K=1001000/m 1000/m 糜棱节理糜棱节理第80页/共142页81n n岩体岩体岩体岩体切割度切割度切割度切割度X X X Xe e e e岩体被裂隙切割分离面积所占比岩体被裂隙切割分离面积所占比重：重：被切割面积未切割面积第81页/共142页82第82页/共142页831.2.3.21.2.3.21.2.3.21.2.3.2岩体质量指标和声波速度比岩体质量指标和声
29、波速度比岩体质量指标和声波速度比岩体质量指标和声波速度比n n岩石质量指标岩石质量指标岩石质量指标岩石质量指标 RQDRQDRQDRQD （Rock Quality DesignationRock Quality DesignationRock Quality DesignationRock Quality Designation）RQDRQDRQDRQD是是是是选选选选用用用用坚坚坚坚固固固固完完完完整整整整的的的的、其其其其长长长长度度度度大大大大于于于于等等等等于于于于10mm10mm10mm10mm的的的的岩岩岩岩芯芯芯芯总总总总长长长长度度度度与与与与钻钻钻钻孔孔孔孔长长长长度度度度
30、的的的的比比比比，百百百百分分分分数数数数表示为：表示为：表示为：表示为：工程实践说明，工程实践说明，RQDRQD是一种比岩芯采取率更好的是一种比岩芯采取率更好的指标。指标。第83页/共142页84钻孔取出的岩石试样钻孔取出的岩石试样第84页/共142页85例例 某某钻钻孔孔的的长长度度为为250cm250cm，其其中中岩岩芯芯采采取取总总长长度度为为200cm,200cm,而而大大于于10cm10cm的的岩岩芯芯总总长长度度为为157cm(157cm(图图).).则则岩芯采取率：岩芯采取率：200/250=80%RQD=157/250=63%RQD=157/250=63%第85页/共142页
31、86用用用用RQDRQDRQDRQD值来描述岩石的质量值来描述岩石的质量值来描述岩石的质量值来描述岩石的质量-分级分级分级分级(表表表表5-4)5-4)5-4)5-4)第86页/共142页87n n弹性波（纵波）速度弹性波（纵波）速度弹性波（纵波）速度弹性波（纵波）速度依据：依据：依据：依据：弹性波变化能反映岩体结构特性和完整性弹性波变化能反映岩体结构特性和完整性。波速越大质量越好。波速越大质量越好。n n 中科院地质所根据他们对岩体结构的分类，列出了中科院地质所根据他们对岩体结构的分类，列出了弹性波在各类岩体中传播特性，如表弹性波在各类岩体中传播特性，如表5-55-5。第87页/共142页8
32、8 水水在在岩岩土土体体孔孔隙隙中中的的流流动动过过程程称称为为渗渗透透。岩岩土土体体具具有有渗渗透透的的性性质质称称为岩土体的渗透性。为岩土体的渗透性。1.2.3.3 1.2.3.3 岩体的渗透特性岩体的渗透特性 由水的渗透引起岩土体边坡失稳、边坡变形、地基变形、岩溶渗透塌陷等均属于岩土体的渗透稳定问题。水在孔隙介质中的渗透问题，目前的研究在试验及理论上都有一定的水平，在解决实际问题方面也能够较好地反映水在孔隙介质中的渗流的运动规律。第88页/共142页89 在在一一定定的的水水力力梯梯度度或或压压力力作作用用下下，岩岩石石能能被被水水透透过过的的性性质质，称称为为透透水水性性。对对孔孔隙隙
33、介介质质岩岩体体，一一般般认认为为，水水在在岩岩石石中中的的流流动动，如同水在土中流动一样，也服从于线性渗流规律如同水在土中流动一样，也服从于线性渗流规律达西定律；达西定律；渗渗透透系系数数是是表表征征岩岩石石透透水水性性的的重重要要指指标标，其其大大小小取取决决于于岩岩石石中中空空隙隙、裂裂隙隙的的数数量量、规规模模及及连连通通情情况况等等，并并可可在在室室内内根根据据达达西西定定律律测测定定。岩岩石石的的渗渗透透性性一一般般都都很很小小，远远小小于于相相应应岩岩体体的的透透水水性，新鲜致密岩石的渗透系数一般均小于性，新鲜致密岩石的渗透系数一般均小于1010-7-7cm/scm/s量级。量级
34、。同同一一种种岩岩石石，有有裂裂隙隙发发育育时时，渗渗透透系系数数急急剧剧增增大大，一一般般比比新新鲜鲜岩岩石石大大4 46 6个个数数量量级级，甚甚至至更更大大，说说明明空空隙隙性性对对岩岩石石透透水水性性的的影响是很大的影响是很大的 岩石的透水性岩石的透水性：第89页/共142页90 岩岩体体的的渗渗透透性性是是一一个个复复杂杂的的问问题题，根根据据目目前前的的研研究究，岩岩体体的的渗渗流流大大体体可可划划分分为为准准均均匀匀介介质质渗渗流流、裂裂隙隙性性介质渗流和岩溶性介质渗流介质渗流和岩溶性介质渗流三种。三种。(1)(1)准准均均匀匀介介质质渗渗流流：属属于于这这一一类类型型的的有有全
35、全、强强风风化化带带及及弱弱风风化化带带的的中中上上部部的的多多孔孔隙隙砂砂岩岩。在在该该渗渗流流场中，达西定律基本上适用；场中，达西定律基本上适用；(2)(2)裂裂隙隙性性介介质质渗渗流流：裂裂隙隙性性介介质质渗渗流流是是岩岩体体渗渗流流的的基基本本形形式式，水水的的渗渗流流主主要要受受裂裂隙隙的的类类型型、裂裂隙隙的大小、裂隙的产状及裂隙充填的大小、裂隙的产状及裂隙充填情况所控制。情况所控制。岩体的渗透性岩体的渗透性：第90页/共142页91(3)(3)(3)(3)岩岩岩岩溶溶溶溶介介介介质质质质渗渗渗渗流流流流：岩岩岩岩溶溶溶溶介介介介质质质质渗渗渗渗流流流流是是是是岩岩岩岩体体体体渗渗
36、渗渗流流流流最最最最复复复复杂杂杂杂的的的的一一一一种种种种形形形形式式式式，由由由由于于于于受受受受岩岩岩岩溶溶溶溶的的的的发发发发育育育育规规规规律律律律所所所所控控控控制制制制，岩岩岩岩溶溶溶溶的的的的渗渗渗渗流流流流具具具具有有有有间歇性、隐伏性、封闭性和地下水系间歇性、隐伏性、封闭性和地下水系间歇性、隐伏性、封闭性和地下水系间歇性、隐伏性、封闭性和地下水系等特点。等特点。等特点。等特点。岩体的渗透性岩体的渗透性：第91页/共142页92n n岩体渗透系数岩体渗透系数达西定律：达西定律：岩石渗透性通过室内岩块试件测定；岩石渗透性通过室内岩块试件测定；岩体渗透性通过现场试验测定；岩体渗透
37、性通过现场试验测定；第92页/共142页93第93页/共142页94第94页/共142页95第95页/共142页961.3岩体天然应力及其测量岩体天然应力及其测量n n原岩原岩：未受工程影响而又处于自然平衡状态的未受工程影响而又处于自然平衡状态的岩体。岩体。n n原岩原岩应力应力（亦称（亦称初始应力初始应力或或地应力地应力）：）：n定义之一：定义之一：原岩中存在的原岩中存在的应力。应力。n定义之二：岩体在天然定义之二：岩体在天然状态下所存在的内应力。状态下所存在的内应力。n n 一般习惯把原岩一般习惯把原岩应力分为应力分为自重应力场自重应力场和和构造应力场构造应力场。n 由上覆岩体的自重所引起
38、的应力称为由上覆岩体的自重所引起的应力称为自重应力；自重应力；地层中由于过去地层中由于过去地质构造地质构造运动运动产生和现在正在产生和现在正在活动与变化活动与变化的的应力，应力，地质作用残存地质作用残存的应力统称为的应力统称为构造应构造应力力。第96页/共142页97n研究岩体初始应力状态的工程意义：研究岩体初始应力状态的工程意义：1.正确确定开挖岩体过程中的岩体内部应力变化正确确定开挖岩体过程中的岩体内部应力变化2.合理设计地下工程的支护尺寸合理设计地下工程的支护尺寸n n岩体应力现场量测方法概述岩体应力现场量测方法概述 目的：目的：了解岩体中存在的应力大小和方向，从而为分析岩了解岩体中存在
39、的应力大小和方向，从而为分析岩体工程的受力状态以及为支护及岩体加固提供依据。体工程的受力状态以及为支护及岩体加固提供依据。n n 岩体应力量测按目的可分为：岩体初始应力量测和地岩体应力量测按目的可分为：岩体初始应力量测和地下工程应力分布量测下工程应力分布量测 n n 岩体应力量测常用方法岩体应力量测常用方法:应力解除法、应力恢复法和水应力解除法、应力恢复法和水压致裂法。压致裂法。n n 工程中某种应力量测方法的精确度能控制误差在工程中某种应力量测方法的精确度能控制误差在0.4MPa0.4MPa以内，其结果通常被认为是令人满意的。以内，其结果通常被认为是令人满意的。第97页/共142页98岩体的
40、初始应力岩体的初始应力n n自重应力自重应力自重应力自重应力 海姆公式（瑞士，海姆公式（瑞士，HaimHaim，18781878）：静水压力假定，无剪应）：静水压力假定，无剪应力。力。静止侧压力系数Z0K0Z0第98页/共142页99n n构造应力构造应力构造应力构造应力 在漫长的地质年代里，由于地壳的构造运动，不仅在岩在漫长的地质年代里，由于地壳的构造运动，不仅在岩层或岩体中引起构造应力，同时也在岩层和岩体中引起层或岩体中引起构造应力，同时也在岩层和岩体中引起相应的变形，这种变形表现为各种岩层和岩体以不同产相应的变形，这种变形表现为各种岩层和岩体以不同产状、形状和一定的几何形态有规律地分布于
41、地壳中。状、形状和一定的几何形态有规律地分布于地壳中。n构造应力尚无法用数学力学的方法进行分析计算，而只能采用现场应力量测的方法来求得，但是构造应力的方向可以根据地质力学的方法加以判断。第99页/共142页1001.3.1应力解除法应力解除法n n基本原理：释放应力，量测变形，弹性求解基本原理：释放应力，量测变形，弹性求解n n按探测深度可分：按探测深度可分：表面应力解除法，浅孔应力解除及深孔应力解除。表面应力解除法，浅孔应力解除及深孔应力解除。n n按测试应变的方法不同可分：按测试应变的方法不同可分：孔径变形测试，孔壁应变测试及钻孔应力解除法等。孔径变形测试，孔壁应变测试及钻孔应力解除法等。
42、目前常用：目前常用：孔径变形法孔径变形法、孔壁应变法、孔壁应变法第100页/共142页101n n1.3.1.21.3.1.2孔径变形法孔径变形法如图如图1.13在在 作用下孔周边作用下孔周边A点的径向位移点的径向位移u为：为：解除应力，径向变形解除应力，径向变形u就会恢复，如图就会恢复，如图1.14虚线所示虚线所示第101页/共142页102n n若孔径变形计互成若孔径变形计互成6060度角布置，即度角布置，即则则n n若成若成4545度角布置，即度角布置，即则则式中：对浅孔式中：对浅孔k=d/E,k=d/E,深孔深孔 ,u,u测得的径向变形，测得的径向变形，1 1主应力主应力 1 1与径向
43、变形与径向变形u u1 1的夹角。的夹角。注意：算出的应力仅是垂直于钻孔轴线平面内的应力，不是岩体内真的主应力注意：算出的应力仅是垂直于钻孔轴线平面内的应力，不是岩体内真的主应力第102页/共142页103现场实测步骤：现场实测步骤：第103页/共142页104n n空间应力量测 共面三孔交汇法确定三维应力 第104页/共142页105用前面方法求出主应力，则用下面公式可求任意面的应力分量：用前面方法求出主应力，则用下面公式可求任意面的应力分量：用前面方法求出主应力，则用下面公式可求任意面的应力分量：用前面方法求出主应力，则用下面公式可求任意面的应力分量：式中：第105页/共142页106第1
44、06页/共142页107第107页/共142页108n n1.3.1.3孔壁应变测试法工序同前，但小孔不是装孔径变形计，而是装三工序同前，但小孔不是装孔径变形计，而是装三轴应变计，贴在孔壁上，测出孔壁的应变就可求轴应变计，贴在孔壁上，测出孔壁的应变就可求岩体的六个应变分量（三个正应力和三个剪应力）。岩体的六个应变分量（三个正应力和三个剪应力）。第108页/共142页109n n应力恢复法应力恢复法 利用应力恢复法量测岩体表面应力时，应在岩体表面沿不同方向安置三个应变计，以便能够测出岩体沿这三个不同方向的伸缩变形。先读出应变计的初始读数。然后，沿着与所测应力相垂直的方向开挖一狭长槽，如图所示。第
45、109页/共142页1101.3.2水压致裂法水压致裂法比较常用，常用于测深层岩体应力，最大深度可达几千米。目比较常用，常用于测深层岩体应力，最大深度可达几千米。目前国内最深前国内最深2000m（大港油田）（大港油田）1.3.2.1水压致裂法量测的基本原理水压致裂法量测的基本原理 水压致裂法地应力测量是利用一对可膨胀的橡胶封隔器，水压致裂法地应力测量是利用一对可膨胀的橡胶封隔器，在预定的测量深度上下封隔一段钻孔，然后泵入液体对这段个在预定的测量深度上下封隔一段钻孔，然后泵入液体对这段个别孔施压，直至压裂，根据压裂参数计算地应力。别孔施压，直至压裂，根据压裂参数计算地应力。水压致裂法地应力测量以
46、下列水压致裂法地应力测量以下列3个假设条件为前提：个假设条件为前提：围岩是线性、均匀、各向同性的弹性体。围岩是线性、均匀、各向同性的弹性体。围岩为多孔介质时，注入的流体按达西定律在岩石孔隙中围岩为多孔介质时，注入的流体按达西定律在岩石孔隙中流动流动 岩体中地应力的一个主应力方向与钻孔轴向平行。岩体中地应力的一个主应力方向与钻孔轴向平行。第110页/共142页111第111页/共142页112n n应力计算应力计算测出压裂参数，测出压裂参数，按右式近似计算按右式近似计算应力：应力：第112页/共142页113n n水压致裂法量测程序水压致裂法量测程序(1)(1)座封座封(2)(2)注液施压注液施
47、压(3)(3)岩壁致裂致裂压力岩壁致裂致裂压力(4)(4)关泵关泵(5)(5)放液卸压关闭压力放液卸压关闭压力(6)(6)解封解封(7)(7)破裂缝记录破裂缝记录第113页/共142页1141.4土的工程分类土的工程分类 200 20 2 0.05 0.005 200 20 2 0.05 0.005 分界粒径分界粒径漂石漂石 卵石卵石 园砾园砾 砂粒砂粒 粉粒粉粒 粘粒粘粒块石块石 碎石碎石1.4.1无粘性土的分类无粘性土的特点：（1）颗粒肉眼可见；（2）无粘性；（3）具有单粒结构；（4）压缩性和抗剪强度主要取决于其密度；（5）现场原状土样极难取得。第114页/共142页115无粘性土的分类无
48、粘性土的分类第115页/共142页116n n1.4.2粘性土的分类粘性土的特征（1）具有粘性和可塑性；（2）具有胀缩性；（3）压缩性和抗剪强度与土的含水量有着密切的关系；（4）具有结构性。第116页/共142页117n n粘性土的分类 砂质粉土 粉土 粘质粉土 粉质粘土 细粒土 粘土第117页/共142页1181.5工程岩体分类工程岩体分类n n分类的目的分类的目的分类的目的分类的目的（1 1）为岩石工程建设的勘察、设计、施工和编制定额提供必要的基本依据。）为岩石工程建设的勘察、设计、施工和编制定额提供必要的基本依据。（2 2）便于施工方法的总结）便于施工方法的总结,交流交流,推广。推广。（
49、3 3）为便于行业内技术改革和管理。）为便于行业内技术改革和管理。n n岩体复杂、理论不完善、靠经验。岩体复杂、理论不完善、靠经验。岩体复杂、理论不完善、靠经验。岩体复杂、理论不完善、靠经验。从定性和定量两个方面来评价岩体的工程性质，根据工程类型及使从定性和定量两个方面来评价岩体的工程性质，根据工程类型及使用目的对岩体进行分类，这也是岩体力学中最基本的研究课题。用目的对岩体进行分类，这也是岩体力学中最基本的研究课题。第118页/共142页119n n分类原则分类原则分类原则分类原则（1 1）有明确的类级和适用对象。）有明确的类级和适用对象。（2 2）有定量的指标。）有定量的指标。（3 3）类级
50、一般分五级为宜。）类级一般分五级为宜。（4 4）分类方法简单明了、数字便于记忆和应用。）分类方法简单明了、数字便于记忆和应用。（5 5）根据适用对象，选择考虑因素。）根据适用对象，选择考虑因素。趋势：趋势：趋势：趋势：“综合特征值综合特征值”分类法分类法 第119页/共142页120n n分类的独立因素分类的独立因素 在分类中起主导和控制作用的有如下几方在分类中起主导和控制作用的有如下几方 面因素面因素：（1 1）岩石材料的质量（强度指标）。）岩石材料的质量（强度指标）。（2 2）岩体的完整性，结构面产状、密度、声波等。）岩体的完整性，结构面产状、密度、声波等。（3 3）水汶状态（软化、冲蚀、