3.3岩体力学性质-水力学性质讲解

3.1概述3.2岩体结构基本类型3.3岩体结构面及其充填特征3.4结构面的力学性质3.5岩体的变形特性3.6岩体的强度特性3.7岩体的水力学性质3.8岩体质量评价及其分类第三章岩体力学性质3.7岩体的水力学性质岩体的水力学性质是指岩体的渗透特性及在渗流作用下所表现出来的力学性质。岩体渗流的特点：取决于岩体结构面和岩块的性质；岩体渗流以裂隙导水，微裂隙和岩石孔隙储水为特色；岩体的裂隙网络渗流具有定向性；岩体一般可以看成非连续介质（对于密集裂隙可以看成等校连续介质）岩体的渗流具有非均质性和各向异性；一般符合达西定律；受到应力场的影响显著；在裂隙交叉处具有“偏流效应”，偏向宽大裂隙的一侧；3.7.1岩体空隙的结构类型岩体空隙是地下水赋存场子所和运移通道，岩体空隙的分布形状、大小、连通性及空隙的类型，影响着的岩体的渗流路径及渗流特性。多孔连续介质定义多孔介质质点为包含在多孔介质的表征性体积单元（REV，Representativeelementvolume）内的所有流体质点与固体颗粒的总和。由连续分布的多孔介质点组成的介质称为多孔连续介质。3.7.1岩体空隙的结构类型裂隙网络介质由裂隙（如节理、断层等）个体在空间上相互交叉形成的网络状空隙结构，这种含水介质称为裂隙网络介质。又为连通裂隙网络和非连通裂隙网络。双重介质由裂隙（节理、断层等）和其间的孔隙岩块构成的空隙结构，裂隙导水（渗流具有定向性），孔隙岩块储水（渗流具有均质各向同性），这种含水介质称为双重介质。根据岩体结构面的连续性，可将岩体划分为连续介质、等效连续介质和非连续介质（包括裂隙网络介质和双重介质）3.7.2岩体的渗流问题岩体的渗透性指岩体允许透过流体（气体和液体）能力，其定量指标可用渗透率、渗透系数、渗透率张量和渗透系数张量描述。岩体的渗透率是表征岩体介质特征的函数，它描述了岩体介质的一种平均性质，表示岩体介质传导流体的能力。岩体的渗透系数。也称为水力传导系数，是岩体介质特征和流体特征的函数。它描述了岩体介质和流体介质的一种平均性质。k(σ)为岩体在应力为σ时的渗透率；d为岩体颗粒的有效粒径；c为比例常数；K(σ)为渗透系数；u为粘滞系数；3.7.2岩体的渗流问题单裂隙介质的渗透率各向同性介质的渗透性a.渗透率b.渗透系数)exp()(2cdk/)()(gkK)exp()(2bkf3.7.2岩体的渗流问题岩体的渗透张量由于岩体介质具有非均质各向异性，只用一个渗透系数不能反映岩体各向异性的渗透性能，需要用张量来描述岩体介质各方向上的不同渗透性能。333231232221131211kkkkkkkkkK当裂隙的隙宽和密度十分整齐和规则，渗透张量可用主渗透方向的系数表示：332211000000kkkK3.7.2岩体的渗流问题岩体裂隙网络样本（张有天）裂隙样本的渗透椭圆10m8m5m模拟区大小为10m×10m，生成裂隙网络的区域为8m×8m，选取测定渗透张量的区域为5m×5m，固定区域的中心点，逆时针旋转矩形，每隔15°计算一次裂隙网络的渗透系数岩体渗透张量计算00.511.59075604530150345330315300285270255240225210195180165150135120105计算得到的最大渗透系数Kmax=1.33×10-6m/s，最小渗透系数Kmin=7.61×10-7m/s，方向角为45°，Kmax/Kmin=1.75。∠0°1m∠15°∠30°1m1m完整裂隙网络连通裂隙网络岩体渗透张量计算1m1m1m∠45°∠60°∠75°完整裂隙网络连通裂隙网络岩体渗透张量计算3.7.3地下水渗流对岩体力学性质的影响地下水是一种重要的地质营力，它与岩体之间的相互作用，一方面改变着岩体的物理、化学及力学性质，另一方面也改变着地下水自身物理、力学性质及化学组分。地下水渗流对岩体产生三种作用：物理作用、化学作用和力学作用。物理作用润滑作用。使不连续面上的摩阻力减小和作用在不连续面上的剪应力效应增强，诱发岩体沿不连续面剪切运动。反映在力学上就是使岩体的摩擦角减小。软化和泥化作用。表现在对岩体结构面充填物的物理性状改变上，从固态向液态的弱化作用。使岩体力学性能降低，内聚力和摩擦角减小。3.7.3地下水渗流对岩体力学性质的影响化学作用离子作用。地下水与岩体之间的离子交换使得岩土体的结构改变，从而影响岩土体的力学性质。溶解作用和溶蚀作用。大气降水带入地下大量的酸性气体，对碳酸盐类岩石产生溶蚀作用。水化作用。水分子附着到岩石离子上，改变岩石微细观结构，减小岩土体的内聚力，还有遇水膨胀作用，如膨胀土。水解作用。改变岩土体的PH值，使岩土体物质发生改变，从而影响其力学性质。3.7.3地下水渗流对岩体力学性质的影响力学作用主要通过空隙静水压力和空隙动水压力作用对岩土体的力学性质施加影响，前者减小本的有效应力而降低岩体强度，使裂隙产生扩容变形；后者对岩体产生切向推力，降低岩体抗剪强度。岩体裂隙或断层中的地下水对裂隙壁施加两种力：一是垂直于裂隙壁的空隙静水压力（面力），使裂隙产生垂向变形；二是平行于裂隙壁的空隙动水压力，使裂隙产生切向变形。