地下水和围压对软岩力学性质影响的试验研究

第26卷第11期岩石力学与工程学报V ol.26 No.11 2007年11月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Nov.，2007 地下水和围压对软岩力学性质影响的试验研究

郭富利，张顶立，苏洁，肖丛苗

(北京交通大学隧道及地下工程教育部工程研究中心，北京 100044)

摘要：常规三轴压缩试验一直是认识岩石在复杂环境(如地下水丰富和高地应力)下力学性质的主要手段，因此，

利用XTR01–01型微机控制电液伺服岩石三轴试验仪研究在不同饱水时间和不同围压下软岩强度的变化规律，

就宜万铁路堡镇隧道高地应力大变形段中所揭示的黑色炭质页岩设计了不同饱水状态下的三轴试验方案，并进行

了三轴力学性质测试，描述了软岩在饱水时间为1个月的全应力–应变曲线特征，重点探讨了围压和饱水状态对

软岩强度的影响规律，详细分析了二者对软岩强度变化的作用机制及特点。最后，根据围岩动态演化规律，结合

试验研究结论，提出高地应力软弱围岩的支护原则。

关键词：岩石力学；饱水软岩；力学性质软化；三轴试验；支护原则

中图分类号：TU 452 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2007)11–2324–09

EXPERIMENTAL STUDY ON INFLUENCES OF GROUNDWATER AND CONFINING PRESSURE ON MECHANICAL BEHA VIORS

OF SOFT ROCKS

GUO Fuli，ZHANG Dingli，SU Jie，XIAO Congmiao

(Tunnel and Underground Engineering Research Center of Ministry of Education，Beijing Jiaotong University，Beijing100044，China)

Abstract：Baozhen tunnel is the only soft rock tunnel and the key project in the Yichang—Wanzhou Railway. The very complex geological environments，such as high earth stress，deep-buried rich groundwater，very weak and cracked rock masses and asymmetric pressure along the rock strata，make self-stability of the tunnel unfavorable. During tunnel construction，the high deformation rate，intense and long-time deformation are the basic characteristics. At the same time，the deformation shows asymmetrical features and uniformities. Through analyzing the causes of large deformation，it is deemed that groundwater and high earth stress are the critical factors causing large deformation. So using XTR01–01 microcomputer electro-hydraulic servo-controlled triaxial test instrument to study the change law of soft rock strength under different saturated time and confining pressure is significant to assure the design, construction and operation safety of tunnel. The mechanical behaviors of black macker that is widely distributed in Baozhen tunnel are discussed by designing a series of triaxial compressive tests under different saturated times；and research on variation laws of mechanical properties under different confining pressures and saturated times is carried out，describing complete stress-strain curve of macker(saturated time is 1 month) with different confining pressures. The variation laws along with confining pressure and saturated time are analyzed. In addition，the mechanism and relationship between confining pressure，saturated time and strength are researched. Finally，according to dynamic evolution law of adjacent rock，the supporting principles for large deformation in weak rock and high earth stress are put forward.

Key words：rock mechanics；water-saturated soft rocks；softening of mechanical properties；triaxial test；supporting principles

收稿日期：2007–06–18；修回日期：2007–07–26

基金项目：国家高技术研究发展计划(863)项目(2006AA11Z119)

作者简介：郭富利(1976–)，男，2003年毕业于太原理工大学采矿工程专业，现为博士研究生，主要从事岩石力学试验方面的研究工作。E-mail：guofuli1@https://www.sodocs.net/doc/0b13318292.html,

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1 引 言

随着交通建设和采矿业的不断发展，越来越多

的隧道以及其他地下工程将不得不穿越软岩地层。对于此类不良地质工程问题，软岩的力学特性研究就成为了工程界最为关注的问题之一。

国内外学者

[1～6]

就围压对岩石力学强度的影响

做了大量的室内三轴试验。试验结果认为：(1) 岩石抗压强度随着围压的增加而提高；(2) 饱水状态对岩石力学强度影响的试验研究相对较少，一般认为饱水时间越长，岩石抗压强度越低；(3) 同时考虑地下水和围压对岩石力学强度影响的试验研究相对较少。

然而在实际岩体工程中，岩石一般处于三向应力状态并同时承受地下水的作用。因此，围压和地下水对岩石力学强度的影响规律研究就显得尤为重要。鉴于此，本文以宜万铁路堡镇隧道高地应力大变形段的炭质页岩为研究对象，结合围岩赋存条件，利用常规三轴压缩试验研究围压和饱水时间对软岩力学强度的影响规律，为堡镇隧道高地应力大变形段的设计、施工和安全运营等提供理论依据，并根据试验结果提出高地应力大变形段围岩的支护原则。

2 工程概况

堡镇隧道位于贺家坪～榔坪，采用左、右两单线方案，全长约11.5 km 。左线DK72+834～DK79+ 887段及右线YDK72+248～YDK79+995段埋深较大，局部地段达到630 m ；左线穿越志留系碎屑岩10.263 km ，其中32O +泥灰岩、页岩段长1.3 km ，按照国际岩石力学学会于1990年和1993年定义的软岩概念(单轴抗压强度c R = 0.5～25.0 MPa)来看，基本可定为软岩。围岩级别划分情况如下：III 级围岩

4 818 m ，占整个隧道长度的41.67%；IV 级6 589 m ，占整个隧道长度的56.98%；V 级围岩156 m ，占整个隧道长度的1.35%。根据测试及分析隧道洞身最大水平主应力为16 MPa ，隧道横截面内的最大初始应力max σ约为14.7

5 MPa 。对应岩体(炭质页岩、砂质页岩和灰岩)，其单轴抗压强度c R = 3.9～9.1

MPa ，c max 0.260.60 4.00R σ=～＜，根据《工程岩体分级标准》(GB50218–94)，该区属极高应力区，

隧道极可能产生大的位移和变形。

堡镇隧道是宜万铁路建设的控制性工程之一，地质条件之复杂实属罕见，工程特点可以概括为：深埋、偏压、富水、高地应力，软岩、顺层、山高谷深、地质复杂、施工风险多、科技含量大及建设标准高。

3 软岩饱水的力学试验设计

XTR01–01型微机控制电液伺服岩石三轴试验仪(如图1所示)是由长春市新特技术有限责任公司研制。由轴压系统、侧向压力系统、孔隙水系统和微机系统4部分组成。试验机可作岩石单轴及三轴(包括带孔隙水压)的各种试验。采用双层微机测控配置，高分辨率快速全数字化自动控制技术，用高级语言编制岩石力学性能试验专用的积木式控制软件和可视软件支持，良好的中文人机交换界面，自动数据采集，自动存储，屏幕动态显示试验全过程[7]。

图1 XTR01–01型微机控制电液伺服岩石三轴试验仪 Fig.1 Microcomputer electro-hydraulic servo-controlled

triaxial test machine XTR01–01

结合宜万铁路堡镇隧道重大工程建设，根据堡镇隧道高地应力大变形段所揭示的围岩情况、地应力和地下水分布情况以及现场监控量测资料和围岩收敛变形特征，认为引起隧道大变形的主导因素是软岩、高地应力和地下水。因此开展堡镇隧道高地应力大变形段软岩在不同饱水时间和不同围压下力学性质变化规律的室内试验研究，对于揭示软岩力学性质的饱水软化和软岩强度随围压增加而提高的本质和规律及指导大变形段工程支护实践具有重要意义。试验岩样取自大变形段广泛分布的炭质页岩，岩体中裂隙发育，失水易干裂，浸水易软化，岩体

? 2326 ? 岩石力学与工程学报 2007年

强度低，胶结程度差，易风化，地下水较发育。炭质页岩容重为27.19 kN/m3，含水率2%～4%。试验岩样尺寸为φ 50.00 mm×l00.00 mm，制样过程造成的岩样尺寸误差为±0.4 mm，其试验设计流程如图2所示。本试验采用不同围压和不同饱水时间下炭质页岩的三轴试验方法，试验采用轴向位移控制，速率为0.1 mm/min。

4 软岩饱水三轴试验结果及其分析

4.1 软岩全应力–应变曲线特征

首先，将所采集的岩样进行分类、选样并用油性彩笔标号，选取饱水时间为1个月的岩样试件进行试验。试验(包括单轴和三轴试验)采用轴向位移控制，纵向应变率为1×10－5s－1。对于三轴压缩试验采用先加围压至预定值，然后加轴向力直至试样破坏。最后，根据计算机自动采集的数据进行统计和拟合，绘出炭质页岩全应力–应变曲线。

图3为几条比较有代表性的全应力–应变曲线(图中曲线上的数据为围压)。从炭质页岩三轴压缩全过程典型曲线(见图4)可以看出，炭质页岩的应力–应变全过程曲线可以划分为OA，AB，BC，CD，DE五段，以峰值点C为界，全过程曲线可划分为峰前和峰后两个区域。

(1)OA段。该段的应力–应变曲线向上凹，但解除荷载后没有残余变形，有学者把这一阶段分为压密区，点A为压密点。压密区对应于图4中的OA段，它是由于岩石试件中的微裂隙或节理面压密而产生的，对于所研究的节理、裂隙发育的炭质页岩而言，压密是其强度性质的主要特征之一。

(2) AB段。该曲线段接近于直线，应力与应变基本呈线形关系，试件结构无明显变化，属于线弹性变形阶段。试验结果表明，用来描述AB段的弹性模量和围压呈线性关系，弹性模量随着围压的增加而增大。

(3)BC段，是岩石微裂隙开始产生、扩展、累积的阶段。岩石内部的裂隙开始逐渐扩展并释放能量。这一阶段，有些称之为屈服阶段，为非弹性变形。试验结果表明，BC段曲线斜率和泊松比与应变和围压有关，其中曲线斜率随着围压的增加而增大，泊松比随着围压的增加而减小，曲线斜率随着应变的增加而减小，泊松比随着应变的增加而增加。点C的应力称为峰值强度，也就是通常意义上的强度。

(4)CD段，是应变软化段。在峰值强度之后，随着应变的增加，应力下降，岩石发生应变软化。轴向压力使试件形成破裂面，强度降低，应变增长。这种强度随应变增长而逐渐下降的破坏称为渐进破坏。点D的应力称为残余强度。试验结果表明，残余强度与围压呈线性关系，随着围压的增加而增

图2 试验设计流程图

Fig.2 Flow chart of experimental designs

第26卷 第11期 郭富利，等. 地下水和围压对软岩力学性质影响的试验研究 ? 2327 ?

图3 炭质页岩不同围压下全应力–应变曲线 Fig.3 Complete stress-strain curves of macker under different

confining pressures

图4 典型的炭质页岩的全过程σ-ε曲线 Fig.4 Typical complete σ-ε curve of macker

大。

(5) DE 段，是塑性流动阶段。随着塑性变形的持续发展，最终强度不再降低，达到破碎、松动的残余强度，并有相当大的体积扩容，这个阶段可以认为是理想的塑性阶段。在单轴受压的情况下，由于没有侧向压力，炭质页岩在变形不大的情况下就产生破坏，这种破坏为脆性破坏，表现了通常所见到的岩石脆性特征，其残余强度趋于0。 4.2 软岩强度变化规律

为了模拟软岩的赋存条件，考虑地下水和围压对其强度的影响，按照图2的试验设计流程，将所采集的岩样分别在天然状态、饱水2周、1个月、2个月和3个月时，开展软岩的力学性质试验，采用刚性三轴试验机测定软岩的抗压强度。最后通过统计和拟合，获得饱水时间和围压对软岩力学性质的影响规律。

通过三轴强度试验，得到软岩在不同饱水状态下和不同围压下的三轴试验强度值，结果如表1所

表1 不同围压、不同饱水时间炭质页岩试验强度表 Table 1 Tests strength of mackers under different confining

pressures and different water-saturated times

强度/MPa

围压/MPa

天然状态

2周 1月

2月

3月 0 8.67 5.32 4.25 3.19 2.89 5

11.58

9.98

8.40 7.58

7.36

10 16.25 14.69 12.71 11.2711.0615 18.27 17.65 16.85 16.3715.8720 25.68 24.40 25.50 24.5423.5625 38.89 37.57 38.10 36.3037.50

示。

4.2.1 不同饱水状态下围压对软岩强度的影响

在不同饱水状态下，岩样在不同围压下的强度试验曲线如图5所示。从图5中可知，围压对试验曲线的影响近似于指数变化。因而，采用关系式exp()y a bx =对岩样在不同围压下抗压强度试验值进行拟合，可以得到不同饱水时间下抗压强度与围压的关系式。

由图5还可以看出，拟合曲线与试验结果基本 吻合。分析图5中的拟合曲线表明：在不同饱水时间下，软岩抗压强度随围压的变化基本符合指数变化规律，围压对软岩强度影响规律不受饱水时间的影响，随围压的增长炭质页岩抗压强度逐渐增高。 4.2.2 不同围压下饱水时间对软岩强度的影响

在不同围压下，饱水时间对软岩强度影响曲线如图6所示。由图6可知，饱水时间对软岩强度影响规律分2种情况：

(1) 当围压为0～15 MPa 时，其试验曲线近似于指数变化，因而采用关系式exp()y a b kx =+?对岩样在不同饱水时间的抗压强度试验值进行拟合。从图6(a)～(d)可以看出，拟合曲线与试验结果基本吻合。

(2) 当围压为20～25 MPa 时，其试验曲线近似于线性变化，因而采用关系式y a bx =+对岩样在不同饱水时间的抗压强度试验值进行拟合。可以得到不同围压下抗压强度与饱水时间的关系式。从图6(e)，(f)可以看出，拟合曲线与试验结果基本吻合。

4.3 试验结果分析

σ3 = 0 MPa σ3 = 5 MPa σ3 = 10 MPa

σ3 = 15 MPa

σ3 = 20 MPa

σ3 = 25 MPa

0 12345678910

51015202530

3540σ /M P a

ε /10

－3

?E

残余强度 D

? ?

B

?屈服强度

A

?压密点

O

0 2 4 681012141618

024681012141618σ /M P a

ε /10－

6

C 峰值强度

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(a) 天然状态

(d) 饱水时间2个月

图5

(a) σ

3

= 0 MPa

(b) σ

3

= 5 MPa

(c) σ

3

= 10 MPa 抗

压

强

度/

M

P

a

抗

压

强

度/

M

P

a

抗

压

强

度/

M

P

a

围压/MPa

抗

压

强

度/

M

P

a

饱水时间/月

抗

压

强

度/

M

P

a

抗

压

强

度/

M

P

a

饱水时间/月

抗

压

强

度/

M

P

a

饱水时间/月抗

压

强

度

/

M

P

a

围压/MPa

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(d) σ3 = 15 MPa

(e) σ3 = 20 MPa

(f) σ3 = 25 MPa

图6 不同围压下饱水时间与软岩抗压强度关系曲线 Fig.6 Relationship curves between water-saturated time and

soft rock compressive strength under different confining pressures

岩石三轴抗压强度受矿物成分、结构构造、结晶情况、试样尺寸、围压、加载速率、应力路径、孔隙水压力、温度及饱水时间等因素影响，不同的矿物本身有着不同的强度。在常规三轴试验中，由相同的矿物组成的岩石的变形破坏规律受围压和饱水时间的影响较大。

4.3.1 围压对试验结果的影响分析

(1) 岩样试件在受压后发生的变形与破坏形态与其所受的围压密切相关，随着围压的增大，主应

力差–应变曲线斜率增大，破坏荷载增大，塑性变

形明显增大，表明岩样试件的刚度和强度随围压的增大而增大，有一定的压硬性。

(2) 岩石破坏后，残余强度随围压增大而提高，同时，随着围压的增大，峰值应力对应的应变值有所增大，岩石的变形特性表现为低围压下的脆性向高围压下的延性转变。

(3) 在围压作用下，当轴向压力较小时，主应

力差–应变曲线呈上凹形，随着应力水平的增大，曲线呈直线形，当应力达到一定程度时，曲线呈下凹形，直至岩石破坏，岩石属塑–弹–塑性体，是一种以孔隙和裂隙行为为主导的变形。因此在压应力下，先是孔隙和裂隙闭合，岩石刚度加大，曲线斜率增大上凹，孔隙和裂隙闭合后，岩石发生弹性变形，其后裂隙稳定扩展生成新的裂隙，曲线下凹，发生“扩容”，直至破坏。

(4) 围压较低(3σ≤5 MPa)或单轴试验时，岩石呈脆性破坏，破坏过程瞬时完成，当岩体中有近竖直向裂隙时表现为沿裂隙面的拉张破坏。当裂隙面与最大主应力方向约成45°时，表现为沿裂隙面的剪切滑移破坏，破坏时发出较低且清脆的声响。低围压或单轴试验岩样破坏后的典型破坏状况如图7所示。

图7 低围压或单轴试验岩样破坏后的典型破坏状况 Fig.7 Typical failure modes of rock samples with low

confining pressure or in uniaxial test

(5) 围压较大时(3σ＞5MPa)，岩石进入韧性剪切破坏，破坏过程有一定的延时，表现为微裂隙随应力增大而逐渐扩展，最后导致岩石的完全破坏，具有一定的应变软化特性。

(6) 从试验过程来看，受岩石孔隙、裂隙和成岩作用程度的影响，在低围压状态下，岩石性质以各向异性为主导，岩石呈脆性拉张破坏，即破坏面平行于主压应力方向，或者沿裂隙面发生破坏。当

抗压强度/M P a

饱水时间/月 抗压强度/M P a

饱水时间/月 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0抗压强度/M P a

饱水时间/月

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围压增大时，岩石被压密，在轴向应力作用下，矿物颗粒发生剪切滑移，颗粒间接触更为紧密，各向异性减弱，各向同性性质有所增加，要使之破坏，应增大应力，导致了岩石的应变硬化现象。高围岩水平下，岩石试件发生塑性破坏如图8所示。

图8 高围压岩样破坏后的典型破坏状况Fig.8 Typical failure modes of rock samples with high confining pressure

4.3.2 地下水对试验结果的影响分析

(1) 岩石试件的饱水软化是指岩石与水相互作用时强度降低的性能，软化作用的机制是由于水分子进入粒间间隙而削弱了粒间连结造成的。此外，水是一种良好的溶剂，可以溶解许多岩石试件中的矿物成分，对岩石试件也起了软化作用。

(2) 隧道围岩遇水软化是指地下水沿着围岩孔隙、裂隙等结构面渗透到岩体中的过程中发生了一系列的物理和化学作用，从而使岩体发生物理或化学方面的变化，如体积增大、容重增加，有些含亲水性高的矿物浸水后其颗粒之间水膜增厚而引起岩石的膨胀。由于膨胀作用，使得岩体内部产生应力不均匀或部分胶结物被溶解，从而导致岩石颗粒分散，即崩解，因此造成围岩强度相对降低。

(3) 分析图6中2种拟合曲线，可以发现：

①围压低于20 MPa时(图6(a)～(d))，炭质页岩在饱水过程中抗压强度的变化呈指数形式，但随着饱水时间的增大，饱水时间对炭质页岩抗压强度的影响逐渐减弱，且2个月的饱水时间为炭质页岩抗压强度趋于稳定的转折点。

②围压达到20 MPa后(图6(e)，(f))，炭质页岩在饱水过程中抗压强度的变化呈直线性变化。虽然随饱水时间的增长，炭质页岩抗压强度有降低的趋势，但从试验结果的波动性来看，此时可以不考虑饱水时间对炭质页岩抗压强度的影响，没有明确的抗压强度时趋于稳定的饱水时间转折点，且围压为20 MPa时则为饱水时间对炭质页岩抗压强度失去影响的转折点。

5 试验结果对工程支护的指导作用

对于地下工程而言，在围岩应力重分布过程中，围岩必将按照其应力–应变关系随应力而产生相应的变位(围岩的回弹变形、塑性变形及黏性变形)，以适应应力状态的变化，并在围岩系统能量最低的原则下，与围岩应力共同发展演化，以求在新的平衡点上达到新的稳定平衡状态，这一过程即为围岩的动态演化过程[8～10]。

从试验结果来看，岩石在峰值前变形量较小，而峰后岩石体积变形要比峰值前大得多，峰后破裂围岩体积膨胀变形才是围岩收敛变形的主要原因。因此，依据弹塑性等理论进行隧道支护研究是不准确的、不客观的，应该在对围岩动态演化过程正确认识的基础上，结合试验结果、施工方法、支护结构型式和支护时间等，探求堡镇隧道高地应力大变形段软岩支护方法，以控制并适合围岩动态演化路径，使隧道围岩以稳定方式达到新的稳定平衡状态。下面就堡镇隧道高地应力大变形段软岩支护提出4点建议：

(1) 以围岩动态过程为支护的基础

高应力区软岩大变形具有“变形快、变形量大且破坏严重、持续时间长”的基本特征，但同时又表现出时间上和空间上不均匀、不对称等诸多特征。这些特征正是开挖卸荷引起的、始于掌子面前方的半芯岩体的围岩动态过程的必然结果，其根本在于围岩破坏后的体积膨胀，必须从高地应力环境下软弱围岩的动态全过程出发，根据动态特征(围岩应力时空特征、围岩结构变化特征、围岩变形破坏特征及机制等)，制定能适应其动态特征的最佳支护型式和支护方法。

从围岩动态变化的观点出发，结合软岩强度试验结果可以知道，围岩的动态自掌子面前方的半芯岩体就开始发生，也即围岩应力、围岩内部结构在掌子面前方就开始演化，并引起相应变形(预收敛)。半芯岩体的预收敛使掌子面发生各种变形。在堡镇隧道大变形段所揭示的软岩中，掌子面的这种变形较为显著，因此，对掌子面进行超前支护(如安设超前小导管、掌子面注浆以及爆破后，立即向掌子面

第26卷第11期郭富利，等. 地下水和围压对软岩力学性质影响的试验研究 ? 2331 ?

喷射素混凝土等)，通过超前支护改善掌子面围岩应力状态，提高掌子面围岩强度，防止掌子面岩体的过度变形，是保护围岩的第一步。

(2) 以围岩本身为支护的主体

关于支护对象，在以前的研究和工程实践中，存在两种主要观点[11～14]。一种观点认为，导致围岩变形破坏的原因是围岩应力，故支护对象应该是围岩应力(如软岩巷道中的“碎胀力”、“膨胀力”等)。另一种观点则认为，围岩支护对象是围岩的变形和破坏，故支护就是对巷道的变形采取措施。对于堡镇隧道大变形段而言，由于其剧烈变形破坏只是围岩复杂动态的最终表现，应力变化只是外因，而内在原因是围岩自身结构的变化。因此，从这种意义上，围岩支护对象不应该是结果(变形或破坏)，也不应该是外因(围岩应力)，而应该是内因(围岩及其结构)。

总之，在高地应力环境下软弱围岩支护的研究和实践中，应始终坚持以围岩为支护对象的原则。根据软岩三轴试验结果和围岩结构特征、动态特征、变形破坏机制等，探讨改善围岩应力状态的各种工程措施，力求提高围岩的强度，充分发挥围岩自身的承载能力。

(3) 以围岩保护为支护的出发点

在地下工程中，开挖导致工程岩体既有卸荷又有加荷，这是地下工程与其他岩石工程的根本区别。开挖导致围岩回弹变形，引起一定范围内围岩的应力释放和转移，应力重分布导致径向应力释放(卸荷)，切向应力增加(加荷)，应力差增大。在洞壁及其附近，由初始的三向应力状态转变为双向压缩状态(掌子面上、洞壁处为单向应力状态)，造成岩石强度大幅度下降，使洞室向不稳定方向发展。如果围岩中集中的应力值小于下降后的岩石强度，围岩处于弹塑性状态，围岩自行稳定；反之，围岩将发生破坏。这种破坏从周边逐渐向深部扩展，直至达到新的三向应力平衡状态为止，此时围岩中出现了一个破裂带，把这个由于应力作用产生的破裂带称为围岩松动圈[15]。在无约束状态下，围岩松动圈具有极易松散的潜在特性，而且也易受到各种因素的扰动，因此，必须加强对它的保护，从而更好地利用围岩。

地下工程开挖前，所有节理裂隙、含一定厚度断层泥的大小断层以及接触破碎带紧密闭合，导水性较弱。从堡镇隧道大变形段开挖揭示的围岩实际情况来看，原岩应力高且开挖作用较大，围岩松驰卸荷强烈，导致围岩内的结构面以不同形式张开或滑移，地下水便沿这些张开结构面(或剪切滑移造成的空间)活动，地下水的存在与参与，必将通过力学作用和物理化学作用，弱化其作用范围内的围岩性质，使围岩发生更大的变形和更严重的破坏，于是岩体结构也随之产生更大的变化，这种变化又促进水的运动。保护围岩可以降低地下水对围岩的软化作用，进而降低围岩的变形破坏程度。

(4) 以主动承载为支护的目标

岩石具有峰后强度，这是岩石的一个重要特征，表明岩石破坏以后，并不是完全失去承载能力，而是仍然具有一定的残余强度。围岩支护的最佳途径是充分发挥和调动围岩的自承能力，使其成为支护结构的一部分，从而以最低的支护代价获得满足工程要求的稳定性，按承载圈理论[15]，即利用围岩自身形成主动承载圈。从软岩的三轴试验曲线(图3)来看，随着围压的增大，岩石的变形量和残余强度也相应增大，因此对于软岩大变形隧道来讲，实行“先柔后刚”的支护原则，允许围岩发生一定程度的变形，然后通过改善隧道围岩的应力状态，充分发挥岩石自身的承载能力，一方面节约支护费用，降低工程造价，另一方面也不会影响岩石工程的稳定性。

6 结论与建议

(1) 堡镇隧道分布的软岩多处于高地应力环境，地下水发育，长期饱水对其力学性质具有较强的软化作用。模拟软岩的赋存环境、饱水条件，设计软岩软化的饱水试验，并通过测试，分析其在不同饱水时间下和不同围压下的力学特征，较好地反映软岩的实际工程环境和强度变化特征，从而为该地区的工程实践提供较好的参考。

(2) 软岩抗压强度随围压变化的定量表征关系一般服从指数变化规律，即exp()

y a bx

=，抗压强度随着围压的增大而提高。

(3) 对比炭质页岩在不同围压下抗压强度与饱

水时间的关系曲线，可以发现：当围压

3

σ＜20 MPa

时，其试验曲线近似于指数变化；当围压

3

σ≥20 MPa时，其试验曲线近似于线性变化。

? 2332 ? 岩石力学与工程学报 2007年

(4) 围压

3

σ＜20 MPa时，2个月的饱水时间为

炭质页岩抗压强度趋于稳定的转折点；围压

3

σ≥20 MPa时，不考虑饱水时间对炭质页岩抗压强度的影响。

(5) 岩石的软化性是指岩石与水相互作用时强度降低的性能。软化作用的机制是由于水分子进入粒间间隙而削弱了粒间连结造成的。同时，水是一种良好的溶剂，可以溶解许多岩石中的矿物成份，对岩石也起了软化作用。此外，有些含亲水性高的矿物浸水后膨胀，使得岩体内部产生应力不均匀或部分胶结物被溶解，也会造成围岩强度降低。

(6) 从围岩动态演化的观点出发，结合软岩强度试验结果，就堡镇隧道高地应力大变形段围岩支护提出4点建议：①以围岩动态过程为支护的基础；②以围岩本身为支护的主体；③以围岩保护为支护的出发点；④以主动承载为支护的目标。参考文献(References)：

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煤岩地层岩石的力学特性分析(初稿)

煤岩地层岩石的力学特性分析 摘要：煤岩地层岩石的力学特性包括变形特征和强度特征。本文对煤岩的力学特性进行了系统的分析，探讨了岩石试件在各种载荷作用下的变形规律和开始破坏时的最大应力（强度极限）以及应力与破坏之间的关系，为煤矿的开采和煤层气的开发提供理论依据。 关键词：煤岩力学特性变形特征强度特征 1、煤岩的结构构造特征 岩石的组成成分、结构构造特征造成了岩石物质成分的非均质性、物理力学性质的各向异性和结构构造的不连续性。这是区别于其他力学材料的最突出特征，而煤岩层的这些特征尤为显著。 煤岩的非均质性和各向异性突出表现在其组成成分在同一煤层中纵向（垂直层理）和横向不同方向和深度上的差异，以及在其生成过程中所形成的明显层状构造和孔隙结构所体现出的差异。通常煤岩中存在有两组近于垂直的割理，主要裂隙组面割理发育较完善延伸可至数百米，而端割理发育在面理之间，沟通了面割理。两组割理与层理面近于垂交或陡角相交。由于煤岩层状构造发育，空隙结构特殊，构造作用对后期的改造或产生裂隙，都充分体现出了煤岩结构构造的不连续性。 2、煤岩地层岩石的强度特征

2．1单轴压缩条件下煤岩的强度特征 对鲍店矿3煤31个煤样和新河矿3煤48个煤样在MTS815.03岩石伺服试验机上采用s 15- ?的轴向应变加载速度进行 10 mm/ 单轴压缩试验(加载方向均垂直于煤层层面),得出的详细力学参数见论文第3章表.33和.34,结果汇总在表4.1中。 煤岩强度较低且离散性大的原因除与试验条件、取样制样技术等外在因素有关外,第2章的研究结果表明,主要与其微组分、微孔隙裂隙、微结构等内在因素有关。对煤岩单轴抗压强度的试验结果表明,煤岩强度与其容重、空隙率、含水率、煤体结构以及煤岩变质程度等有关。具体来讲,煤块的单轴抗压强度随其容重的增加而增加;随其孔隙率的增加而减小;煤体节理裂隙越发育,其强度越低;受火成岩影响,煤的变质程度越高,其强度越高。 2．2三轴压缩条件下煤样的强度特征 岩石在三轴压缩条件下的最大承载能力称三轴极限强度或

地下水和围压对软岩力学性质影响的试验研究

第26卷第11期岩石力学与工程学报V ol.26 No.11 2007年11月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Nov.，2007 地下水和围压对软岩力学性质影响的试验研究 郭富利，张顶立，苏洁，肖丛苗 (北京交通大学隧道及地下工程教育部工程研究中心，北京 100044) 摘要：常规三轴压缩试验一直是认识岩石在复杂环境(如地下水丰富和高地应力)下力学性质的主要手段，因此， 利用XTR01–01型微机控制电液伺服岩石三轴试验仪研究在不同饱水时间和不同围压下软岩强度的变化规律， 就宜万铁路堡镇隧道高地应力大变形段中所揭示的黑色炭质页岩设计了不同饱水状态下的三轴试验方案，并进行 了三轴力学性质测试，描述了软岩在饱水时间为1个月的全应力–应变曲线特征，重点探讨了围压和饱水状态对 软岩强度的影响规律，详细分析了二者对软岩强度变化的作用机制及特点。最后，根据围岩动态演化规律，结合 试验研究结论，提出高地应力软弱围岩的支护原则。 关键词：岩石力学；饱水软岩；力学性质软化；三轴试验；支护原则 中图分类号：TU 452 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2007)11–2324–09 EXPERIMENTAL STUDY ON INFLUENCES OF GROUNDWATER AND CONFINING PRESSURE ON MECHANICAL BEHA VIORS OF SOFT ROCKS GUO Fuli，ZHANG Dingli，SU Jie，XIAO Congmiao (Tunnel and Underground Engineering Research Center of Ministry of Education，Beijing Jiaotong University，Beijing100044，China) Abstract：Baozhen tunnel is the only soft rock tunnel and the key project in the Yichang—Wanzhou Railway. The very complex geological environments，such as high earth stress，deep-buried rich groundwater，very weak and cracked rock masses and asymmetric pressure along the rock strata，make self-stability of the tunnel unfavorable. During tunnel construction，the high deformation rate，intense and long-time deformation are the basic characteristics. At the same time，the deformation shows asymmetrical features and uniformities. Through analyzing the causes of large deformation，it is deemed that groundwater and high earth stress are the critical factors causing large deformation. So using XTR01–01 microcomputer electro-hydraulic servo-controlled triaxial test instrument to study the change law of soft rock strength under different saturated time and confining pressure is significant to assure the design, construction and operation safety of tunnel. The mechanical behaviors of black macker that is widely distributed in Baozhen tunnel are discussed by designing a series of triaxial compressive tests under different saturated times；and research on variation laws of mechanical properties under different confining pressures and saturated times is carried out，describing complete stress-strain curve of macker(saturated time is 1 month) with different confining pressures. The variation laws along with confining pressure and saturated time are analyzed. In addition，the mechanism and relationship between confining pressure，saturated time and strength are researched. Finally，according to dynamic evolution law of adjacent rock，the supporting principles for large deformation in weak rock and high earth stress are put forward. Key words：rock mechanics；water-saturated soft rocks；softening of mechanical properties；triaxial test；supporting principles 收稿日期：2007–06–18；修回日期：2007–07–26 基金项目：国家高技术研究发展计划(863)项目(2006AA11Z119) 作者简介：郭富利(1976–)，男，2003年毕业于太原理工大学采矿工程专业，现为博士研究生，主要从事岩石力学试验方面的研究工作。E-mail：guofuli1@https://www.sodocs.net/doc/0b13318292.html,

岩石及岩体地基本性质

第一章岩石及岩体的基本性质 第一节概述 岩石是组成地壳的基本物质，它由各种造岩矿物或岩屑在地质作用下按一定规律（通过结晶或借助于胶结物粘结）组合而成。 一、岩石的分类 自然状态下的岩石，按其固体矿物颗粒之间的结合特征，可分为： ①固结性岩石：固结性岩石是指造岩矿物的固体颗粒间成刚性联系，破碎后仍可保持一定形状的岩石。 ②粘结性岩石、③散粒状岩石、④流动性岩石等。 在煤矿中遇到的大多是固结性岩石。常见的有砂岩、石灰岩、砂质页岩、泥质页岩、粉砂岩等。 按岩石的力学性质不同，常把矿山岩石分为： ①坚硬岩石②松软岩石两类。 工程中常把饱水状态下单向抗压强度大于10MPa的岩石叫做坚硬岩石，而把低于该值的岩石称为松软岩石。 松软岩石具有结构疏松、密度小、孔隙率大、强度低、遇水易膨胀等特点。 从矿压控制角度看，这类岩石往往会给采掘工作造成很大困难。 二、岩石的结构和构造 岩石的强度与岩石的结构和构造有关。 1.岩石的结构指决定岩石组织的各种特征的总合。如岩石中矿物颗粒的结晶程度、颗粒大小、颗粒形状、颗粒间的联结特征、孔隙情况，以及胶结物的胶结类型等。 岩石中矿物颗粒大小差别很大，在沉积岩中，有的颗粒小到用肉眼难以分辩（如石灰岩、泥岩、粉砂岩中的细微颗粒），有的颗粒可大至几厘米（如砾岩中的粗大砾石）。组成岩石的物质颗粒大小，决定着岩石的非均质性。颗粒愈均匀，岩石的力学性质也愈均匀。一般来说，组成岩石的物质颗粒愈小，则该岩石的强度愈大。

2.岩石的构造是指岩石中矿物颗粒集合体之间，以及与其它组成部分之间的排列方式和充填方式。主要有以下几种构造： 1.整体构造——岩石的颗粒互相紧密地紧贴在一起，没有固定的排列方向； 2.多孔状构造——岩石颗粒间彼此相连并不严密，颗粒间有许多小空隙； 3.层状构造——岩石颗粒间互相交替，表现出层次叠置现象（层理）。 岩石的构造特征对其力学性质有明显影响，如层理的存在常使岩石具有明显的各向异性。在垂直于层理面的方向上，岩石承受拉力的性能很差，沿层理面的抗剪能力很弱。受压时，随加载方向与层理面的交角不同，强度有较大差别。 第二节 岩石的物理性质 一、岩石的相对密度（比重） 岩石的相对密度就是岩石固体部分实体积（不包括空隙）的质量与同体积水质量的比值。其计算公式为： w c d V G γ?=? （1-1） 式中 Δ—岩石的比重； G d —绝对干燥时岩石固体实体积的重量，g ； V c —岩石固体部分实体积，cm 3； γw —水的密度，g/cm 3 岩石比重的大小取决于组成岩石的矿物比重，而与岩石的空隙和吸水多少无关。岩石的比重可用于计算岩石空隙度和空隙比。煤矿中常见岩石的比重见表1-1。 二、岩石的质量密度 岩石的密度是指单位体积（包括空隙）岩石的质量。 根据含水状态不同，岩石的密度分为天然密度、干密度、和饱和密度。 天然密度是岩石在天然含水状态下的密度。 干密度是岩石在105～110℃烘箱烘至恒重时的密度。 饱和密度是岩石在吸水饱和状态下的密度。 干密度、饱和密度和天然密度的表达式如下：

软岩的工程地质特性研究

随着地下工程建设规模不断扩大，在城乡建设、水电、交通、矿山、港口以及国防军事等领域都涉及软岩问题，而国家西部大开发的战略实施，大量的交通、能源与水利工程在西部的兴建，地下工程软弱围岩的稳定性和支护方法更已成为地下工程中迫切需要解决的问题。在我国天生桥、二滩、小浪底、乌江构皮滩、瀑布沟等大型水电工程中，均存在软弱岩体的流变性及围岩的稳定性问题；许多煤矿开采时间较长，由于资源开采深度的增加，使一些生产矿井软岩巷道大变形、大地压、难支护的工程问题更加突出；在软岩地区修建的桥隧工程中，围岩的稳定性同样是工程设计和施工中的重点和难点，且常常由于围岩地质条件多变，围岩、支护结构失稳事故时有发生，给人民生命财产造成巨大损失。 1 软岩的概念及其物理力学特征 1.1 软岩的概念 关于软岩的定义，总括起来，大体上可分为描述性定义、指标化定义和工程定义3类。1984年12月在昆明召开的煤矿矿山压力名词讨论会，将软岩界定为“强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱岩层”，并从地质岩体分类的角度指出该类岩石的常见种类多为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质矿岩，是天然形成的复杂的地质介质。这是一种典型的描述性定义方式。而到了1990年至1993年间，国际岩石力学学会逐步将软岩明确定义为单轴抗压强度（ c）在0.5~25MPa之间的一类岩石。虽然此种包含具体指标的定义方式考虑了岩石的物理力学性质，但这种分类仍然属于从地质角度定义软岩的范畴，未考虑施工条件和使用环境的差异，将该定义用于工程实践中会出现一些矛盾。如地下硐室所处深度足够的浅，地应力水平足够的低，则单轴抗压强度小于25MPa的岩石也不会产生软岩的特征，工程实践中，采用比较经济的一般支护技术即可奏效；相反，单轴抗压强度大于25MPa的岩石，当其工程部位所处的深度足够的深、地应力水平足够的高，也可以产生软岩的大变形、大地压和难支护的现象。因此，地质软岩的定义用于工程实践时往往产生歧义。 近些年，工程软岩的概念被提了出来，它是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体。如果说目前流行的软岩定义强调了软岩的软、弱、松、散等低强度的特点，那么工程软岩的定义不仅重视软岩的强度特性，而且强调软岩所承受的工程力荷载的大小，强调从软岩的强度和工程力荷载的对立统一关系中分析、把握软岩的相对性实质。 工程软岩要满足的条件是：

软岩力学特性试验

软岩力学特性试验 软岩是一种特定环境下的具有显著塑性变形的复杂岩石力学介质，其基本力学理论和方法迫切需要深入研究。 软岩问题一直是困扰隧道运行和建设的重大难题之一。每年约有800万米的巷道在软弱围岩中开掘，随着开挖深度的增加，软岩问题愈趋严重，直接影响工程安全生产，危及人身安全。 通过可学的试验判定软岩两个基本力学属性：软化临界荷载和软化临界深度，从而判断是否属于软岩工程，杜宇转雀帝实施工程设计极为重要。 软岩的基本属性 软岩之所以能产生显著塑性变形的原因，是因为软岩中的泥质成分和结构面控制了软岩的工程力学特性，一般说来，软岩具有可塑性，膨胀性，崩解性，分散性，流变性，触变性和离子交换性。 可塑性 可塑性是指软岩在工程力的作用下形成变形，去掉工程力之后这种变形不能恢复的性质。低应力软岩、高应力软岩和节理化软岩的可塑性机理不同，低应力软岩的可塑性是由软岩中泥质成分的亲水性和结构面扩容共同引起的。 节理化软岩的可塑性变形是由于软岩中的缺陷和结构面扩容共同引起的，与粘土的矿物成分吸水软化的机制没有关系。描述结构面扩容，一般用塑性扩容内变量θp，这方面的研究尚待进一步深入。高应力软岩的可塑性变形机制比较复杂，前述两种机制（结构面扩容机制和粘土矿物吸水软化机制）可同时存在。 膨胀性 软岩在力的作用下或在水的作用下体积增大的现象，称为软演的膨胀性。根据产生的膨胀钉激励，膨胀性可分为内部膨胀性，外部膨胀性和应力扩容膨胀性三种。 内部膨胀是指水分子进入晶胞间而发生的膨胀。在常温下观察蒙脱石的层间水状态，则可见到其层间成平行水分子并有规则的层面排列。和水继续作用，则水分子层相继在层间平等堆积，扩大层间距离。 外部膨胀性是极化水分子进入颗粒与颗粒之间产生的膨胀性。因为粘土矿物都是层状硅酸盐，所以其表面积主要是底表面积。也就是说，水主要存在于小薄片之间，并使其膨胀，这种膨胀性称为外部膨胀性。 扩容膨胀性是软岩受力后其中的微裂隙扩展、贯通而产生的体积膨胀现象，故亦称应力扩容膨胀性。如果说内部膨胀是指层间膨胀、外部膨胀是指粒间膨胀的话，扩容膨胀则是集合间体系或更大的微裂隙的受力扩容。 崩解性 低应力软岩和高应力软岩、节理化软岩的崩解机理是不同的。低应力软岩的崩解性是软岩中的粘土矿物集合体在与水作用使膨胀应力不均匀分布造成崩裂现象；高应力软岩和节理化软岩的崩解性则主要表现为在航道工程力的作用下，由于裂隙发育的不均匀造成局部张应力集中引起的向空间崩裂、片帮现像。

煤系地层常见岩石力学参数

常见岩层力学参数 组号岩石名称容重d/ (kg/m3) 弹性模量E /GPa 体积模量K/GPa K=E/(3(1-2v)) 剪切模量 G/GPa G=E/(2(1+v))泊松比v 内聚力 /MPa 摩擦角 /° 抗拉强度 /MPa 1 粉砂岩246019.510.838.13 0.2 2.7538 1.84泥岩24618.75 6.08 3.47 0.26 1.2300.605砂质泥岩2510 5.425 2.56 2.36 0.147 2.16360.75细砂岩287333.421.01 13.52 0.235 3.242 1.29砂岩248713.5 5.97 6.01 0.123 2.0640 1.13 13煤1380 5.3 4.91 2.01 0.32 1.25320.15泥岩248317.79.97 7.35 0.204 1.2320.58粉砂岩246019.510.83 8.13 0.2 3.7538 1.84砂岩258025.012.22 10.79 0.159 2.542 3.6砂质泥岩253010.85 5.12 4.73 0.147 2.4540 2.01粉砂岩246019.510.83 8.13 0.2 2.7538 1.84 2中砂岩2580 5.99 3.3 2.50.20 4.037 1.2土层19600.25 0.280.0930.35 0.85250.35细砂岩2540 4.01 2.7 1.60.25 2.035 1.0煤14000.99 0.850.380.31 1.0280.5粗砂岩25607.07 4.2 2.90.22 5.034 1.5

软岩的物理力学特性

3软岩的物理力学特性 3.1软岩的成分 软岩一般是由固体相、液体相、气体相三相组成的多相体系，有时由两相组成。固体相是由许许多多大小不等、形状不同的矿物颗粒按照各种不同的排列方式组合在一起，构成软岩的主要部分，称为“骨架”。在颗粒间的孔隙中，通常有液相的水溶液和气体形成三相体，有时只被水或气体充填形成二相体。颗粒、水溶液和气体这3个基本组成部分不是彼此孤立地、机械地混在一起，而是经过了漫长的地质过程的建造和改造作用使其相互联系、相互作用，共同形成软岩的物质基础，并决定软岩的力学特性。 固相颗粒是软岩的最主要的物质组成，构成软岩的主体，是最稳定、变化最小的成分，在三相之间相互作用过程中，一般居主导地位。对于固相颗粒部分，在进行软岩的工程地质研究时，从颗粒大小的组合、矿物成分、化学成分3个方面来考虑。组成软岩的液体相部分实际上是化学溶液而不是纯水。将溶液作为纯水研究时，基于颗粒的亲水性而形成的强结合水、弱结合水、毛细水、重力水对软岩工程地质也有很大的影响。 3．1．1软岩粒组及粒度成分 软岩的粒度成分是指软岩中各种大小颗粒的相对含量。粒组是将粒径的大小分为若干组。粒组划分的原则是，首先考虑在一定的粒径变化范围内，其工程地质性质是相似的，若超过了这个变化幅度就要引起质的变化。而粒组界限的确定，则视其主导作用的特性而定。其次要考虑与目前粒度成分的测定技术相适应。 目前我国广泛应用的粒组划分是： (1)卵石组(d>2mm)。多为岩石碎块。这种粒组形成的软岩，孔隙粗大，透水性极强，毛细水上升高度极小，无论在潮湿或干燥状态下，均没有连结，可塑性、膨胀性、压缩性均极小，强度较高。 (2)砂粒组(d=2～0．05mm)。主要为原生矿物，大多是石英、长石、云母等。这种粒组软岩孔隙较大，透水性强，毛细水上升高度很小，可塑性和膨胀性较小，压缩性极弱，强度较高。 (3)粉粒组(d=0．05—0。005mm)。是原生矿物与次生矿物的混合体，它的性质介于砂粒与黏粒之间。由该粒组形成的软岩，因孔隙小而透水性弱，毛细水可上升到一定高度，有一定的压缩性，强度较低。 (4)黏粒组(d<0．005mm)。主要由次生矿物组成。由该粒组形成的软岩，其孔隙很小，透水性极弱，毛细水上升高度较高，有可塑性、膨胀性，强度较低。 3．1．2软岩中矿物成分的类型 软岩的固体相部分，实质上都是矿物颗粒，并且是一种多矿物体系。不同的矿物其性质各不相同，它们在软岩中的相对含量和粒度成分一样，也是影响软岩力学性质的重要因素。 (1)原生矿物组成软岩固体相部分的物质，主要来自岩石风化产物。岩石经过物理风化、迁移作用、沉积作用、成岩作用而形成软岩。原生矿物仍保留着风化作用前存在于母岩中的矿物成分。软岩中原生矿物主要有硅酸盐类矿物、氧化物类矿物，此外尚有硫化物类矿物及磷酸盐类矿物。 硅酸盐类矿物中常见的有长石类、云母类、辉石类及角闪石类等矿物。常见的长石类矿物有钾长石(KAlSi308)和钙长石(CaM208)，它们不太稳定，受风化作用易形成次生矿物。常见的云母类矿物有白云母[KAl2(AlSi3 010)(OH，F)2]和黑云母[K(Mg，Fe，Mn)3 AlSi3 O10

岩石物理力学性质试验规程 第23部分：岩石点荷载强度试验(标准状

I C S19.020 D00 中华人民共和国地质矿产行业标准 D Z/T0276.23 2015 代替D Y-94 岩石物理力学性质试验规程 第23部分:岩石点荷载强度试验 R e g u l a t i o n f o r t e s t i n g t h e p h y s i c a l a n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f r o c k P a r t23:T e s t f o r d e t e r m i n i n g t h e p o i n t l o a d s t r e n g t ho f r o c k 2015-02-04发布2015-04-01实施中华人民共和国国土资源部发布

D Z/T0276.23 2015 前言 D Z/T0276‘岩石物理力学性质试验规程“分为31个部分: 第1部分:总则及一般规定; 第2部分:岩石含水率试验; 第3部分:岩石颗粒密度试验; 第4部分:岩石密度试验; 第5部分:岩石吸水性试验; 第6部分:岩石硬度试验; 第7部分:岩石光泽度试验; 第8部分:岩石抗冻试验; 第9部分:岩石耐崩解试验; 第10部分:岩石膨胀性试验; 第11部分:岩石溶蚀试验; 第12部分:岩石耐酸度和耐碱度试验; 第13部分:岩石比热试验; 第14部分:岩石热导率试验; 第15部分:岩石击穿电压和击穿强度试验; 第16部分:岩石体积电阻率和表面电阻率试验; 第17部分:岩石放射性比活度试验; 第18部分:岩石单轴抗压强度试验; 第19部分:岩石单轴压缩变形试验; 第20部分:岩石三轴压缩强度试验; 第21部分:岩石抗拉强度试验; 第22部分:岩石抗折强度试验; 第23部分:岩石点荷载强度试验; 第24部分:岩石声波速度测试; 第25部分:岩石抗剪强度试验; 第26部分:岩体变形试验(承压板法); 第27部分:岩体变形试验(钻孔变形法); 第28部分:岩体强度试验(直剪试验); 第29部分:岩体强度试验(承压板法); 第30部分:岩体锚杆载荷试验; 第31部分:岩体声波速度测试三 本部分为D Z/T0276的第23部分三 本部分按照G B/T1.1 2009给出的规则起草三 本部分代替D Y-94‘岩石物理力学性质试验规程20.点荷载强度试验“三本部分与D Y-94相比,主要技术变化如下: 增加了 术语和定义 原理 两章; 增加了软岩试验时D值的测量说明; Ⅰ

131-煤岩物理力学性质与冲击倾向性关系

煤岩物理力学性质与冲击倾向性关系 李宏艳 1,2 (1.煤炭科学研究总院,北京100013;2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院),北京100013) [摘　要]　冲击倾向性是煤岩介质的固有属性,是发生冲击矿压的必要条件,物理力学参数表征煤岩介质的性质,基于大量煤岩介质物理力学参数数据及冲击倾向性结果,分析了煤岩物理力学性质中吸水性、强度参数、变形参数与冲击倾向性之间的定量或定性关系。试验研究及理论分析结果表明,随着煤岩介质吸水性增强,其动态破坏时间越长,冲击能量指数越低,冲击倾向性程度越低;煤岩介质随着单轴抗压强度的增强,受载过程中积蓄的弹性应变能增大而耗散的永久变形能减少,冲击倾向性增加;弹性模量大于9G P a 时,冲击倾向性类别只为强冲击。 [关键词]　冲击倾向性;物理力学参数;动态破坏时间;冲击能量指数;弹性能量指数[中图分类号]T U 45 [文献标识码]A [文章编号]1006-6225(2011)03-0043-04 P h y s i c a l a n dMe c h a n i c a l P r o p e r t y o f C o a l a n dR o c k a n dI t s R e l a t i o n s h i pw i t hR o c k -b u r s t L i a b i l i t y L I H o n g -y a n 1,2 (1.C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ,B e i j i n g 100013,C h i n a ; 2.S t a t eK e y L a b o r a t o r y o f C o a l R e s o u r c e s H i g h -e f f i c i e n c y M i n i n g a n d C l e a nU t i l i z a t i o n ,C h i n a C o a l R e s e a r c hI n s t i t u t e ,B e i j i n g 100013,C h i n a ) A b s t r a c t :R o c k -b u r s t l i a b i l i t y i s i n n e r p r o p e r t y o f c o a l a n d r o c k b o d y a n d i s n e c e s s a r y c o n d i t i o n o f r o c k -b u r s t .P h y s i c a l a n d m e c h a n i c a l p a r a m e t e r s r e p r e s e n t c o a l a n dr o c kb o d y 's p r o p e r t y . B a s e d o na m o u n t o f e x p e r i m e n t a l d a t a o f p h y s i c a l ,m e c h a n i c a l p a r a m e t e r a n d r o c k -b u r s t l i a b i l i t y o f c o a l a n dr o c kb o d y ,t h e q u a l i t a t i v e a n d q u a n t i t a t i v e r e l a t i o n s h i p s o f w a t e r a b s o r b a b i l i t y ,s t r e n g t h ,d e f o r m a t i o n m o d u l e a n d r o c k -b u r s t l i a b i l i t y w e r e a n a l y z e d .R e s u l t s s h o w e d t h a t w i t h a b s o r b a b i l i t y o f c o a l a n d r o c k b o d y i n c r e a s i n g ,i t s d y n a m i c d a m a g e t i m e i n c r e a s e d ,r o c k -b u r s t e n e r g y i n d e x r e d u c e d a n d r o c k -b u r s t l i a b i l i t y d e c r e a s e d .W i t h u n i a x i a l c o m p r e s s i o n s t r e n g t hi n c r e a s e d ,e l a s t i c e n -e r g ya c c u m u l a t e di nl o a d i n gp r o c e d u r ei n c r e a s e da n dr e l e a s e dp e r m a n e n t d e f o r m a t i o ne n e r g yr e d u c e d ,s or o c k -b u r s t l i a b i l i t yi n -c r e a s e d .Wh e ne l a s t i c m o d u l e w a s l a r g e r t h a n 9G P a ,r o c k -b u r s t l i a b i l i t y o f a l l s a m p l e s w a s s t r o n g . K e yw o r d s :r o c k -b u r s t l i a b i l i t y ;p h y s i c a l a n d m e c h a n i c a l p a r a m e t e r ;d y n a m i cd a m a g e t i m e ;r o c k -b u r s t e n e r g yi n d e x ;e l a s t i c e n e r g y i n d e x [收稿日期]2011-02-25 [基金项目]国家重点基础研究发展计划(973计划)课题(2010226801) [作者简介]李宏艳(1978-),女,河北唐山人,博士后,高级工程师,主要从事矿山岩石力学与煤岩动力灾害防治相关研究工作。 煤岩作为典型的脆性岩石赋存于复杂的地质环境中,煤岩介质的物理力学性质更趋于复杂化,尤其是具有积蓄变形能并产生冲击式破坏的性质,即 冲击倾向性,冲击倾向性是煤岩介质固有属性。煤岩介质冲击倾向性是引发煤矿冲击矿压等煤岩动力灾害的必要条件。因此,准确把握煤岩介质冲击倾向性的强弱,是控制冲击矿压等煤矿突发性灾害的重要前提。针对煤岩介质冲击倾向性实验、指标、判别,国内外学者作了大量研究工作,从不同角度对冲击倾向性的影响因素进行了分析,从而提出了一系列冲击倾向性评价指标,例如弹性能指标(W E T ) [1-3]、能量指标(P E S )[2] 、脆性指标修正值 (B I M )[4] 、能量耗散指标(K )[5]、动态破坏时间(D T )[6]、有效释放率 (B E R )[3,7] 、脆性指标 (B )[8] ,能量释放率(E R R)[9] 、有效冲击能 [10] 等。指标的提出为冲击倾向性评价奠定了基础,同时也为冲击矿压的预测预报提供了依据。而影响煤岩介质冲击倾向性的因素较多,主要分为内在因素与外部因素。内在因素以煤岩属性(矿物成分、碎屑含量、颗粒大小、岩石结构、颗粒接触方式、 胶结物成分、胶结类型)为主要影响因素的研究主要包括煤岩介质矿物成分及细观结构对冲击倾向性的影响 [11-12] 。外部因素主要体现在对煤岩体生 成条件、赋存环境、围岩应力、围岩性质(顶底板条件)以及密度、温度和湿度等的影响,如对组合煤岩结构冲击倾向性的试验研究 [13-14] ,探讨含水量对煤岩冲击倾向性的影响的研究 [15] 。煤岩 介质内在属性是决定煤岩介质冲击倾向性的内在因素,通过煤岩介质的物理力学参数加以定量表征,因此以煤岩物理力学参数为媒介,探讨冲击倾向性 第16卷第3期(总第100期) 2011年6月 煤　矿　开　采C o a l m i n i n g T e c h n o l o g y V o 1.16N o .3(S e r i e s N o .100) J u n e 2011 DOI :10.13532/j .cn ki .cn11-3677/td .2011.03.013

岩石的基本物理力学性质及其试验方法

第一讲岩石的基本物理力学性质及其试验方法(之一) 一、内容提要： 本讲主要讲述岩石的物理力学性能等指标及其试验方法，岩石的强度特性。 二、重点、难点： 岩石的强度特性，对岩石的物理力学性能等指标及其试验方法作一般了解。 一、概述 岩体力学是研究岩石和岩体力学性能的理论和应用的科学，是探讨岩石和岩体对其周围物理环境(力场)的变化作出反应的一门力学分支。 所谓的岩石是指由矿物和岩屑在长期的地质作用下，按一定规律聚集而成的自然体。由于成因的不同，岩石可分成火成岩、沉积岩、变质岩三大类。岩体是指在一定工程范围内的自然地质体。通常认为岩体是由岩石和结构面组成。所谓的结构面是指没有或者具有极低抗拉强度的力学不连续面，它包括一切地质分离面。这些地质分离面大到延伸几公里的断层，小到岩石矿物中的片理和解理等。从结构面的力学来看，它往往是岩体中相对比较薄弱的环节。因此，结构面的力学特性在一定的条件下将控制岩体的力学特性，控制岩体的强度和变形。 【例题1】岩石按其成因可分为( )三大类。 A. 火成岩、沉积岩、变质岩 B. 花岗岩、砂页岩、片麻岩 C. 火成岩、深成岩、浅成岩 D. 坚硬岩、硬岩、软岩答案：A 【例题2】片麻岩属于( )。 A. 火成岩 B. 沉积岩 C. 变质岩 答案：C 【例题3】在一定的条件下控制岩体的力学特性，控制岩体的强度和变形的是( )。 A. 岩石的种类 B. 岩石的矿物组成 C. 结构面的力学特性 D. 岩石的体积大小答案：C 二、岩石的基本物理力学性质及其试验方法 (一)岩石的质量指标 与岩石的质量有关的指标是岩石的最基本的，也是在岩石工程中最常用的指标。 1 岩石的颗粒密度(原称为比重) 岩石的颗粒密度是指岩石的固体物质的质量与其体积之比值。岩石颗粒密度通常采用比重瓶法来求得。其试验方法见相关的国家标准。岩石颗粒密度可按下式计算 2 岩石的块体密度 岩石的块体密度是指单位体积岩块的质量。按照岩块含水率的不同，可分成干密度、饱和密度和湿密度。 (1)岩石的干密度 岩石的干密度通常是指在烘干状态下岩块单位体积的质量。该指标一般都采用量积法求得。即将岩块加工成标准试件(所谓的标准试件是指满足圆柱体直径为48～54mm，高径比为2.0～2.5，含大颗粒的岩石，其试件直径应大于岩石最大颗粒直径的10倍；并对试件加工具有以下的要求；沿试件高度，直径或边长的误差不得大于0.3mm；试件两端面的不平整度误差不得大于0.05mm；端面垂直于试件轴线，最大偏差不得大于0.25。)。测量试件直径或边长以及高度后，将试件置于烘箱中，在105～110℃的恒温下烘24h，再将试件放入干燥器内冷却至重温，最后称试件的质量。岩块干

岩块和岩体的地质特征概述岩体与岩块本质的区别

第二章岩块和岩体的地质特征 第一节概述 岩体与岩块本质的区别： ①岩体中存在有各种各样的结构面； ②不同于自重应力（场）的天然应力场和地下水。 第二节岩块 一、岩块的物质组成（substance composition） 1．岩块（rock or rock block） 指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元。 国内外，有些学者又称为结构体（structural element）、岩石材料（rock material）及完整岩石（intact rock）等等。 2．岩石（rock） 具有一定结构构造的矿物（含结晶和非结晶的）集合体。 3．岩块的力学性质 一般取决于组成岩块的矿物成分及其相对含量。 造岩矿物五大类：含氧盐、氧化物及氢氧化物、卤化物、硫化物、自然元素。 其中，含氧盐中的硅酸盐、碳酸盐及氧化物类矿物最常见，构成99.9%的岩石。 （1）硅酸盐类矿物：长石、辉石、角闪石、橄榄石及云母和粘土矿物等。 ①长石、辉石、角闪石和橄榄石，硬度大，呈粒、柱状晶形，如含此类矿物多的岩石：花岗岩、闪长岩及玄武岩等，强度高，抗变形性能好。多生成于高温环境，易风化成高岭石、水云母等，无以橄榄石的基性斜长石等抗风化能力最差，长石、角闪石次之。 ②粘土矿物：属层状硅酸盐类矿物，主要有高岭石、水云母（伊利石）和蒙脱石三类，具薄片状或鳞片状构造，硬度小。含此类矿物多的岩石如粘土岩、粘土质岩，物理力学性质差，并具有不同程度的胀缩性。（2）碳酸盐类矿物 是石灰岩和白云岩类的主要造岩矿物。岩石的物理力学性质取决于岩石中CaCO3及酸不溶物的含量。CaCO3含量↑，如纯灰岩、白云岩等强度高，抗变形和抗风化性能比较好； 泥质含量↑，如泥质灰岩、泥灰岩等，力学性质较差； 硅质含量↑，岩石性质将娈好。 碳酸盐类岩体中，常发育岩溶现象。 （3）氧化物类矿物 以石英最常见，是地壳岩石的主要造岩矿物。 硬度大，化学性质稳定。石英↑，岩块的强度和抗变形性能明显增强。 4．岩块的矿物组成与岩石的成因及类型密切相关 （1）岩浆岩：多以硬度大的粒柱状硅酸盐、石英等矿物为主，物理力学性质一般很好。 （2）沉积岩：粗碎屑岩如砂砾岩等，力学性质很大程度上取决于胶结物成分及其类型；细碎屑岩如页岩、泥岩等，多以片状的粘土矿物为主，力学性质一般很差。 （3）变质岩：与母岩类型及变质程度有关。 浅变质岩如千枚岩、板岩等，多含片状矿物（如绢云母、绿泥石及粘土矿物等），岩块力学性质较差。 深变质岩如片麻岩、混合岩、石英岩等，多以粒状矿物（如长石、石英、角闪石等）为主，力学性质好。 二、岩块的结构与构造（structure and construct） 1．岩块的结构（岩石结构） 指岩石中矿物（及岩屑）颗粒相互之间的关系，包括颗粒的大小、形状、排列、结构连结特点及岩石中的微结构面（即内部缺陷）。 二者对岩块（石）的工程性质影响最大。

软岩的力学特性及工程危害.

隧道软岩大变形的力学机制及其防治措施 学院：环境与土木工程学院 任课老师：邓辉 姓名：邹杰 学号：2012050126 班级：地质三班

隧道软岩大变形的力学机制及 其防治措施 摘要：深埋长大隧道在克服高山峡谷等地形障碍、缩短空间距离及改善陆路交 通工程运行质量等方面具有不可替代的作用。随着我国基础建设事业的高速发展和西部大开发的进一步推进，大量深埋长大山岭隧道工程纷纷上马，特别是用于公路交通的长大山岭公路隧道得到了前所未有的发展，遇到的地质条件也越来越复杂。当隧道穿越高地应力区及软弱围岩区，常引发隧道软岩大变形等地质灾害。深埋长大隧道投资巨大、建设周期长，一般都是整个建设项目的关键性控制工期工程，因此，研究深埋长大山岭隧道软岩大变形机理，对其进行灾害预测和治理研究有着非常重要的意义。本文首先对软岩的类型力学性质进行了划分，找到软岩的特点。对隧道软岩进行了分析，为隧道软岩大变形的工程危害及处理措施提供了理论基础。介绍了区域工程地质条件，主要包括区域地质，地形地貌，地层岩性，地质构造，水文地质条件及岩体物理力学性质等。总结了隧道围岩大变形特征，在综合考虑围岩岩性、地质情况、应力特性、变形速率与累计变形量、施工与设计理念及施工扰动等多种因素的基础上，从工程性质方面着手，将云岭隧道围岩大变形定义为：在两郧(郧西-郧县)断裂影响下，隧道正常施工开挖后，围岩变形速率或累计变形量超过警戒值，且没有缓和趋势，超过预留变形量造成侵限，或者围岩产生具有累进性和明显时间效应的塑性变形且变形得不到有效约束的现象。 关键字：隧道软岩变形工程危害 一、软岩的概念 软岩是软弱不良岩层的简称。我国煤炭系统于1984年召开过矿山压力名词专题讨论会，初步将软岩定义为“强度低，孔隙大，胶结程度差，受构造切割面及风化影响显著或含有大量膨胀粘土矿物的松、散、软、弱岩层。后认为该定义还应补充软岩的流变性及高地应力情况，综合这一定义又进行了一条列的软岩分类研究工作，例如早期提出的按单一指标分类的有：①单向抗压强度小于20入且〕a的岩层称为软岩。②抗压强度与上覆岩层荷重(rh)之比小于或等于2的岩层为软岩；③松动圈厚度大于或等于1.sm的围岩称为软岩周等等。 但是此定义欠明确。突出表现以下两方面：①在软弱的岩石(岩块)、岩体(小范围)、岩层和围岩中到底定义哪一个?②是依据岩层(或其它)的基本特性来定义还是依据围岩的变形和破坏情况来定义，或是依据支护的难易程度来定义? 本文认为一个软岩概念难以包括以上所有内容，从较为科学的角度出发，应该用两个概念分别定义: （1）沿用岩体工程分类的思想和方法，只依据岩层的物理、力学和化学等性质来定义软岩。不再涉及地应力、围岩变形和支护难易程度，其定义可为:“软

煤岩动静力学参数关系试验研究

第43卷 第1期 煤田地质与勘探 Vol. 43 No.1 2015年2月 COAL GEOLOGY & EXPLORA TION Feb . 2015 收稿日期: 2013-08-30 基金项目: 山东省自然科学基金项目(ZR2011DM014；ZR2011EEM019)；国家自然科学基金项目(51274135) 作者简介: 于师建(1962—)，男，山东章丘人，博士，教授，从事岩石力学性质实验研究. E-mail ：ysj7179@https://www.sodocs.net/doc/0b13318292.html,. 引用格式: 于师建，杨永杰，刘伟韬. 煤岩动静力学参数关系试验研究[J]. 煤田地质与勘探，2015,43(1)：17–21. 文章编号: 1001-1986(2015)01-0017-05 煤岩动静力学参数关系试验研究 于师建，杨永杰 刘伟韬 (山东科技大学资源与环境工程学院，山东 青岛 266590) 摘要: 煤岩的动、静力学参数关系的试验研究，对研究煤岩的位移和变形特征及工程支护设计具有重要意义。将取自新河煤矿3煤的煤样加工成Φ50 mm×100 mm 的圆柱体标准试件；采用500 kHz 频率的纵横波换能器分别进行纵横波速度测试；在MTS815.03电液伺服试验机上进行单轴压缩试验，得到静态弹性模量和泊松比。试验结果表明：煤岩动弹性模量与横波速度相关性强于与纵波速度的相关性，煤岩介质的纵波对孔隙和裂隙发育程度的敏感程度要比横波高；煤岩试件Ed/Es 比值主要集中在1.4~1.7，室内煤岩试件动、静弹性模量和动静泊松比之间存在较好的线性相关关系。 关 键 词：煤岩；弹性模量；泊松比；纵波速度；横波速度 中图分类号：P631 文献标识码：A DOI: 10.3969/j.issn.1001-1986.2015.01.004 Experimental study on the relationship between dynamic and static mechanical parameters of coal YU Shijian, Y ANG Yongjie, LIU Weitao (College of Natural Resources and Environmental Engineering , Shandong University of Science and Technology , Qingdao 266590, China ) Abstract: Experimental study on relationships between dynamic and static mechanical parameters of coals is highly significant for study on displacement and deformation characteristics of coal and design of support project. Coal samples taken from the 3th seam in Xinhe mine are shaped into standardized cylinder samples (Φ50 mm×100 mm). P-wave and s-wave velocities were measured using transducer with a frequency of 500 kHz. The uniaxial compre-ssion tests were carried out on the MTS815.03 Electro-hydraulic servo-controlled testing machine to obtain the static elastic modulus and Poisson’s ratio. Experimental results showed that the correlativity between dynamic elastic modulus and s-wave velocity of coal is better than that with p-wave velocity. The ratio of Ed/Es is mainly distributed between 1.4 and 1.7 in the tested samples. There is a good linear relationship between dynamic/static elastic modulus and dynamic/static Poisson’s ratio in tested samples. Key words: coal; elastic modulus; Poisson’s ratio; p-wave velocity; s-wave velocity 煤岩的位移和变形特征对煤岩巷道支护的设计 具有重要意义，而煤岩的位移和变形特征取决于煤 岩的力学参数。然而煤是远古地表腐植物沉积演化 的一种岩类矿物，成岩后具有不均匀性，由不同形 状、大小的块状颗粒叠压而成，微空洞、微裂隙非 常发育，加上层理、节理等软弱结构面的影响，煤 岩是一类含有原始损伤的微观非均质体。同其他沉 积岩石相比，煤岩微组分更为复杂多样，煤岩微结 构也更为复杂多变，受煤岩微组分和微结构的影响， 煤岩的物理力学参数更为复杂，因此，现场测试煤 岩的力学参数是确定煤岩位移特征的有效方法。现 场加载测试岩体弹性模量的方法有承压板法[1]、狭缝法[2]、钻孔千斤顶法[3]。这几类方法需要耗费大量的人力物力，难以大范围推广应用。 材料的形变特性与弹性波在材料中的传播速度存在确定的数量关系[4]，是求取材料动态力学参数的基本关系式。煤岩弹性波速度测试能够方便地在现场或实验室进行，因而煤岩动态力学参数可以通过声波测试的方法得到[5]。由于煤岩不是线弹性、均匀和各向同性介质，动态力学参数不能取代静态力学参数而直接用于工程设计。如果通过实验得到煤岩动静力学参数的统计关系，就能够由动态力学参数值估算出静态力学参数值。 许多研究者对岩(石)体的动弹性力学参数与静