4.9岩体水力学性质

4.9岩体水力学性质
岩体的水力学性质是指岩体的渗透恃性及在渗流作用下所表现出的力学性质。

水在岩体中的作用包括两个方面：一方面是水对岩石的物理化学作用，在工程上常用软化系数来表示；另一方面是水与岩体相互相耦合作用下的力学效应，包括裂隙水压力与渗流动水压力等的力学作用效应。

在裂隙水压力的作用下，减少了岩体内的有效应力，从而降低了岩体的剪切强度；在渗流动水压力作用下，改变了岩体中的应力场和破坏机理，直接影响岩体工程的稳定性。

影响岩体水力学特性的重要因素是结构面的几何特性和力学特性，包括结构面的分布密度、产状、延展性、张开度、粗糙起伏度、充填与胶结特征等。

同时，还受到岩体应力状态及水流特征的影响。

在研究岩体水力学特征时，以上诸多因素不可能全部考虑到。

往往先从最简单的单个结构面开始研究，而且只考虑平面光滑无充填时的情况，然后根据结构面的连通性、粗糙起伏及充填等情况进行适当的修正。

对于含多组结构面的岩体水力学特征则比较复杂，研究成果不多，一般用等效连续介质模型和数值模拟方法来研究。

4.9.1.单个结构面的水力特征
设结构面为一平直光滑无限延伸的面，张开度e 各处相等。

取坐标系xoy ，如图4.45所示。

水流沿结构面延伸方向流动，当忽略结构面壁的渗透性时，则稳定流情况下，各水层间的剪应力τ和静水压力p 之间的关系，由水力平衡条件得
p y x
τ∂∂=∂∂ （4.68） 由牛顿滞定理，得
x u y
τη∂=∂ （4.69） 由上两式得
22x u p y y x
∂∂=∂∂
（4.70） 式中：x u —－为沿x 方向的水流速度；
η——为水的动力粘滞系数，（0.1a P s ⋅）。

该模型的边界条件为：
,02
0,0x x e y u u y y =±=∂==∂ （4.71）
设结构面张度e 很小，静水压力p 沿y 轴的变化忽略不计。

用分离变量法，解方程（4.70），并代入边界条件（4.71），得
22
24(1)8x e p y u x e
η∂=--∂ （4.71）
由此式可见，水流速度在断面上呈二次抛物线分布，当y ＝0处，水流速度最大。

其断面平均流速为：
22212e e x x u dy
e p u e x
η-∂==-∂⎰ （4.72） 由于静水压力p 和水力梯度J 可以写成 w h p gh
J x ρ∆==∆ （4.73） 所以，断面平均流速又可以写成为：
212w x e g u J K J νρη
=-=- （4.74） 2
12f ge K ν
= （4.75） 式中：ν――为水的运动粘滞系数（2
cm s ），w
ηνρ=。

以上是按平直光滑无充填贯通结构面导出的，但实际上岩体中的结构面往往是粗糙起伏 的和非贯通的，并常有充填物阻塞。

为此，路易斯(Louis ，1974)提出了如下的修正式：
2
212x f K ge u J K J c
ν=-=- （4.76） 2
212f K ge K c
ν= （4.77） 式中：2K ――为结构面的面连续性系数，指结构面连通面积与总面积之比；
c ――为结构面的相对粗糙修正系数， 1.518.8()2h c e
=+。

其中，h 为结构面起伏差。

4.9.2.岩体的渗透性
一、单组结构面岩体的渗透性能
层状岩体是一种典型的单结构面岩
体，如图4.46所示。

设其层状结构面的
张开度为e 、间距为S ，渗透系数为f K ；岩块的渗透系数为r K 。

将结构面内的水
流平摊到岩体中去，可得到顺结构面走
向方向的岩体等效渗透系数：m f
r e K K K S =+。

由于岩块的渗透性比结构面要弱得多，因此常常忽略r K 不计，这样岩体 4.46 层状岩体的水力学模型
的渗透系数就变成：
3212m f K ge e K K S Sc
ν== （4.78） 二、多组结构面岩体的渗透性
多组结构面岩体的渗透性不仅取决于单组结构面的贯通率，而且取决于各组结构面之间的互相连通率，其渗透性难于从理论上准确确定，通常由现场实验测定。

为了进行近似估计，罗姆(Romm ，1966)假设，①同组结构面的间距和张开度为固定值，但不同组结构面的间距和张开度可以不同；②各组结构面内的水流相互不干扰。

同时认为，岩体中水的渗流速度矢量v 是各结构面组平均渗流速度矢量i u 之和，即：
1n
i i i i e v u S ==∑ （4.79）
式中：i e 和i S ――分别为第i 组结构面的张度和间距。

按单个结构面的水力特征(4.77)式，第i 组结构面内的断面平均流速矢量为：
22()12i i i j i i
K e g u J m m vc =- （4.80） 式中：i m ――为水力梯度矢量J 在第i 组结构面上的单位矢量。

将(4.80)式代入(4.79)式得：
3211()()12n
n i i j i ji j i i i i i K e g v J m m K J m m vS c ===-=-∑∑ （4.81） 以上各式中的结构面的产状、结构面间距、张开度等参数由现场实测得到，由于岩体中的这些参数都具有某种随机性，因此，必须在大量实侧资料统计的基础上才能确定。

9.4.3岩体中的渗流应力
当岩体中存在着渗透水流时，位于地下水面以下的岩体将受到渗流静水压力和动水压力的作用，这两种渗流应力又称为渗流体积力。

由水力学可知，不可压缩流体在重力作用下的压力总水头(h )为：
2
w p u h z g g
ρ=++ （4.82） 式中：z ――为位置水头；p ――为静水压力；w ρ――为水的密度；
w p g
ρ――为压力水头；u ――为水流速度；2u g 为速度水头。

由于岩体中的水流速度很小，因此2u g 于比起z 和w p g
ρ常可忽略，所以有：
w p h z g
=+
或()w p g h z ρ=- （4.83） 由渗流引起的体积力为： x w y w z w w p h f g x x
p h f g y y
p h f g g z z ρρρρ∂∂=-=-∂∂∂∂=-=-∂∂∂∂=-=-+∂∂ （4.84）
由(4.84)式可知，渗流体积力由流动水压力w h g x ρ∂-∂、w h g y
ρ∂-∂、w h g z ρ∂-∂和重力w g ρ两部分组成，前者与水力梯度有关；后者在渗流空间为一常数；只要求出了岩体中各点的水头值h ，便可完全确定出渗流场中的体积力；并可由（4.83)式求得相应各点的静水压力p 。

习 题
1、试简述影响岩体力学性质的主要因素。

2、表述岩体结构面空间状态的几何参数通常有哪些？各参数的含义是什么？
3、如果确定岩体中的结构面密度？
4、简单说明按地质成因分类时，各类结构面的地质特征。

5、根据结构面的破坏属性，分别说明各类结构面的破坏特征。

6、试说明用测线法测试结构面迹线的基本步骤。

7、试分析结构面切向变形典型u τ-∆曲线的特点。

8、什么是岩体扩容？为什么会出现扩容现象？
9、 一种砂岩，其强度符合库仑准则，C ＝5MPa ，o 30=ϕ。

，如果三轴应力状态下，最小主应力3σ＝10MPa ，保持不变，求岩石强度极限状态时的最大主应力1σ。

若此时1σ和63作用方向分别为铅直和水平，而岩块内仅包有一条节理。

该节理的0=c ，o 30=ϕ。

节理对水平面的倾角或30o ， 或为45o ，或为60o ， 或为75o ，或为90o 。

问： 1)在何种节理况下，节理不破坏，仅岩块破坏?
2)在何种节理情况下，仅节理破坏，或岩块和节理都破坏且岩块破裂面与节理重合？
3)在何种节理情况下，节理和岩块都破坏，但岩块破裂面并不与节理面重合？
10、试论述结构面对岩体强度和变形特性的影响。

11、试分析规则齿状结构面的强度特性。

12、有一结构面，其起伏角o i 10=，结构面内摩擦角25o w ϕ=，两壁岩石的内摩擦角o 40=ϕ
C ＝10MPa ，作此结构面的强度线(στ-曲线)。

提示：齿尖的剪断强度近似为岩石的剪断强度。

13、岩体中有一结构面，其o w 30=ϕ，0=w c ；而岩石的内摩擦角o 48=ϕ，内聚力C ＝20MPa ，岩体受围压Mpa 1032==σσ，最大主应力Mpa 451=σ；问当结构面法线与1σ方向的夹角为o 45时，岩体是否会沿结构面破坏？
14、试分别用直角坐标和极坐标做出13题岩体的13()σσ-~β曲线。

15、试简述通过弹性波在岩块和岩体中的传播速度来估计岩体强度的原理和方法。

16、 估计岩体强度的H0ek-Brown 经验公式考虑了哪些因素，各因素选择的依据是什么？
17、试分析岩体在多次循环荷载作用下，典型法向应力－应变曲线的特点。

18、什么是岩体的变形模量、与弹性模量有什么不同、确定岩体变形模量的通常有哪些方法？
19、试说明用承压板法确定岩体变形模量的基本原理和操作步骤。

20、谈一谈水在岩体中的作用和影响岩体水力学特性的重要因素。

21、简述岩体渗流应力分析中的基本假设和基本理论。