岩石工程特性主要指标

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4—6cm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105~110℃烘24h的重量饱水率gp—真空泵抽气浸水4h的重量1000ssgggWa100sspsagggW2．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1∶2，或宽高比1∶2，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wpspggggn0(2)劈裂试验——抗拉强度①试样三块，d=5cm，高度为直径的0.5～1倍②是什么状态，就代表该状的抗拉强度③加载直接破坏（以每秒35kg/cm2）2．力学指标dhP21（4）抗剪强度直剪式中型剪：（变角板已淘汰）①每种状态试样4~5块，尺寸：15×15×10cm或φ15×10cm②分天然状态，饱和状态③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。④剪应力施加初估最大剪切荷载，然后按8—10%的荷载量级先加剪应力，当剪切变形等于前一级1.5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1—1.5cm，停止剪切。⑤剪完后可回复原位，作摩擦试验。⑥也可以作单点摩擦试验。⑦绘制τ—ε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，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.饱水干317cm317cm第二节岩石工程特性指标的用途1．划分岩石强度类型岩质类型坚硬岩中硬岩较软岩软岩RS(MPa)6060—3030—1515—5水电站岩质类型坚硬岩中等坚硬不坚硬岩软岩RS9060—9030—6030俄国岩石强度类型点荷载强度指数极坚硬很坚硬坚硬中硬软的很软极IS（50）MPa1010—33—11—0.30.1~0.10.1~0.030.03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、BieniawskiRMR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=tgr(1－k)+(tg0)K如果连通率K=60%，岩块tgr=1.7，摩擦tg0=0.8，tgm=1.164．可以间接选取岩体变形参数。后面讲。第一节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50—70kg/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①200~300T千斤顶一台②5cm厚，50cmd的承压板3—4块③加压油路、泵、系统④传力柱：=150mm或更大的厚壁管⑤工字钢或槽钢作表支架⑥千分、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①试验总压力为工程荷载的1.2倍；②将总荷载分5~10级。分级加载板面积×压力=总的压力÷千斤顶面积=千斤顶压力③加一级荷载前先将各表调零，然后加压至预定数，稳压。然后读数，分表读，一般6—8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2—3%，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。（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WdPE4)1(2以上取值后，μ按经验值取：坚硬、完整0.22-0.24破碎岩体0.28-0.30裂隙岩体0.26-0.28软岩断层岩0.32~0.33二、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μ值，代替算出VS，再以VP来计算Ed。1)(1)(211)21)(1(222SPSPPdVVVVVE21)1(2SPVV22222)43(SPSPSdVVVVVE)1(22SdVE1)(1)(2122SPSPVVVVgGPEgVS)1(2三、动静弹现场布点原则二岩体工程测试及参数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ＥdEs，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Vp－E0，Ed－E0，其Ed－ES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E0Log(E0)=2.278log(Vp)-0.434式中：E0——GPa=103MPa；Vp——km/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。E0=0.2453R0－3.132.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E0≥20GPaμ≤0.24E0=10―20GPaμ=0.24~0.26E0=5―10GPaμ=0.26~.28E0=2―5GPaμ=0.28~0.30E0=0.2~2GPaμ=0.30~0.333．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Vp―E0关系式，E0~ES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0.8~1弱风化（中风化）0.6~0.8强风化0.4~0.6全风化0.25~0.4m/sVm/sVmpmfpm新鲜岩体纵波速度风化岩体纵波速度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岩体质量类型质量变形模量(E0×104MPa)GPaⅠ类优220Ⅱ类良2—120—10Ⅲ类中1—0.510—5Ⅳ类差0.5~0.25—2Ⅴ类劣.2~0.022—0.2等级类型日本岩石力学委员会西南铁科所水电部王思敬水电部成勘院Ⅰ优50004000~600055005500Ⅱ良5000~40004000~30004500~55004000~50004500~5500Ⅲ中4000~30003500~20003500~50003000~40003500~4500Ⅳ差3000~20002500~10002000~40002000~35002000~3500Ⅴ劣200015002500~2000200020004）岩体完整性划分用(Vpm/Vpr)2=Kv5）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岩体完整程度完整较完整完整性差较破碎破碎Kv1~0.750.75~0.450.45~0.250.25~0.10.1岩体结构类型整体块状块状次块状碎裂散体Vp范围5.04000~50003000~40002000~35002000采用值25504500350027501500最小值5.0350025001500500三、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