第2章 巖石的工程地質(zhì)特征

1、第二章第二章 巖石的工程地質(zhì)特征巖石的工程地質(zhì)特征 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 2.0 2.0 概述概述 下一頁下一頁 一、巖石與土工程地質(zhì)性質(zhì)的差別：一、巖石與土工程地質(zhì)性質(zhì)的差別： 巖石和土都是礦物的集合體，是自然界地質(zhì)作用的產(chǎn)物， 并在地質(zhì)作用下相互轉(zhuǎn)化。土在一定溫度和壓力下，經(jīng) 過壓密、脫水、膠結(jié)及重結(jié)晶等成巖作用形成巖石；巖 石經(jīng)風化作用，又可變成土。 2.0 2.0 概述概述 土土巖石巖石 風化作用風化作用 地質(zhì)成巖作用地質(zhì)成巖作用 一、巖石與土工程地質(zhì)性質(zhì)的差別：一、巖石與土工程地質(zhì)性質(zhì)的差別： 巖石與土之間，既存在多方面的共性和密切聯(lián)系，又有 明顯的不同。 一般來說，巖石的力學性能、抗水

2、性以及 完整性等都比土好得多。也有些巖石與土很難區(qū)別，如 某些固結(jié)程度較差的黏土巖、泥灰?guī)r、凝灰?guī)r等，顆粒 間的連結(jié)弱、強度低、抗變形性能差，其工程地質(zhì)性質(zhì) 與土接近，可作為巖石與土的過渡類型。 但總的來說，巖石的建筑條件比土體要優(yōu)越得多，許多 土體中出現(xiàn)的問題，對巖石來說則顯得十分微弱。 2.0 2.0 概述概述 一、巖石與土工程地質(zhì)性質(zhì)的差別：一、巖石與土工程地質(zhì)性質(zhì)的差別： 巖石與土之間存在著許多差別。首先，巖石礦物顆粒之間具 有牢固的連結(jié)，這既是巖石的重要結(jié)構(gòu)特征，也是巖石區(qū)別于 土并賦予巖石以優(yōu)良工程性質(zhì)的主要原因。巖石顆粒之間的連 結(jié)分結(jié)晶連結(jié)和膠結(jié)連結(jié)兩種。 結(jié)晶連結(jié)是巖石中的礦

3、物顆粒通過結(jié)晶相互嵌合在一起的連 結(jié)，如巖漿巖、大部分變質(zhì)巖及部分沉積巖具有這種連結(jié)。 膠結(jié)連結(jié)是巖石中的顆粒通過膠結(jié)物膠結(jié)在一起的連結(jié)，如 碎屑沉積巖、黏土巖等具有這種連結(jié)。這兩種連結(jié)都表現(xiàn)出很 強的連結(jié)力，所以被稱為“硬連結(jié)”。 2.0 2.0 概述概述 一、巖石與土工程地質(zhì)性質(zhì)的差別：一、巖石與土工程地質(zhì)性質(zhì)的差別： 土則缺乏這種連結(jié)，土顆粒之間或毫無連結(jié)、或是連結(jié)力很 弱的水膠連結(jié)和水連結(jié)，其連結(jié)力是無法與巖石顆粒間的連結(jié) 相比的。因此，土表現(xiàn)出松散、軟弱的特征，連結(jié)力也不穩(wěn)定。 黏性土干燥時因顆粒間公共水化膜變薄而連結(jié)力較強，顯得比 較堅硬；而含水量增大時，則其連結(jié)力削弱，質(zhì)地變軟。

4、 巖石的硬連結(jié)不單賦予它以很高的強度和抗變形性能，而且 使其具有明顯的抗水性。大部分堅硬巖石浸水后連結(jié)力并無明 顯的削弱，也不會顯著地軟化。與上相比較，巖石的這一性質(zhì) 更為重要。當然，也有些巖石的抗水性并不高，如黏土巖，遇 水也會被軟化。由易溶鹽類礦物組成的巖石，如鹽巖、石膏等， 浸水后易溶蝕。還有些膠結(jié)不良或膠結(jié)物為泥質(zhì)和易溶鹽類的 砂礫巖，抗水性也不高，在水的長期作用下，連結(jié)力就會下降 或喪失。 2.0 2.0 概述概述 一、巖石與土工程地質(zhì)性質(zhì)的差別：一、巖石與土工程地質(zhì)性質(zhì)的差別： 其次，巖石雖然比起土來具有強度高、不易變形以及整體性 和抗水性好的優(yōu)點，但作為地下工程體（如井筒、巷道、

5、硐室、 隧道等）、建筑物地基或建筑物環(huán)境的巖體，也具有缺陷，這 就是巖體中存在著斷層、節(jié)理等結(jié)構(gòu)面，使巖體受到不同程度 的切割，完整性遭到破壞，導致巖體物理、力學性質(zhì)變差和嚴 重不均勻。當斷裂破壞嚴重時，巖體甚至破碎分散猶如碎屑土。 這種被稱為構(gòu)造巖的破碎巖石，有的屬于半堅硬巖石，有的已 經(jīng)成為松軟土。巖體中的這種結(jié)構(gòu)面分割情況，在土中是見不 到的，只有在某些裂隙黏土或老黃土中才有微弱的裂隙分布。 因此巖體的結(jié)構(gòu)比土體復雜。即使是堅硬完整的巖塊，在其內(nèi) 部也存在有微裂隙和缺陷，如節(jié)理面、微破裂面等，這就程度 不同地削弱了巖塊的強度，同時也導致了巖塊力學性質(zhì)的各向 異性。 2.0 2.0 概述概

6、述 一、巖石與土工程地質(zhì)性質(zhì)的差別：一、巖石與土工程地質(zhì)性質(zhì)的差別： 最后，巖體與土體的另一個重要差別，就是巖體中具有較高 的地應(yīng)力，這是巖體在長期的地質(zhì)歷史過程中遭受地質(zhì)構(gòu)造作 用的結(jié)果，而土體中僅有自重應(yīng)力存在。地應(yīng)力的存在，使巖 體的物理力學性質(zhì)變得更為復雜。工程中巖石和巖體有明顯區(qū) 別。通常把在地質(zhì)歷史過程中形成的，具有一定的巖石成分和 一定結(jié)構(gòu)，并賦存于一定地應(yīng)力狀態(tài)的地質(zhì)環(huán)境中的地質(zhì)體， 稱為巖體。巖體在形成過程中，長期經(jīng)受著建造和改造兩大地 質(zhì)作用，生成了各種不同類型的結(jié)構(gòu)面，如斷層、節(jié)理、層理、 片理等；所以，巖體往往表現(xiàn)出明顯的不連續(xù)、非均質(zhì)和各向 異性。具有一定的結(jié)構(gòu)是巖體

7、的顯著特征之一，它決定了巖體 的工程特性及其在外力作用下的變形破壞機理。由此可見，從 抽象的、典型化的概念來說，可以把巖體看做是由結(jié)構(gòu)面和受 它包圍的結(jié)構(gòu)體共同組成的。而巖石是不含有結(jié)構(gòu)面的礦物集 合體，故在這種條件下，可以將巖石近似看做巖塊（結(jié)構(gòu)體） 進行分析和研究。 2.0 2.0 概述概述 一、巖石與土工程地質(zhì)性質(zhì)的差別：一、巖石與土工程地質(zhì)性質(zhì)的差別： 巖體在形成過程中，長期經(jīng)受著建造和改造兩大地質(zhì)作用， 生成了各種不同類型的結(jié)構(gòu)面，如斷層、節(jié)理、層理、片理等； 所以，巖體往往表現(xiàn)出明顯的不連續(xù)、非均質(zhì)和各向異性。具 有一定的結(jié)構(gòu)是巖體的顯著特征之一，它決定了巖體的工程特 性及其在外力

8、作用下的變形破壞機理。 由此可見，從抽象的、典型化的概念來說，可以把巖體看做 是由結(jié)構(gòu)面和受它包圍的結(jié)構(gòu)體共同組成的。而巖石是不含有 結(jié)構(gòu)面的礦物集合體，故在這種條件下，可以將巖石近似看做 巖塊（結(jié)構(gòu)體）進行分析和研究。 2.0 2.0 概述概述 一、概述一、概述 巖石作為多孔介質(zhì)的一種，是各種礦物的集合體，沒有顯著 軟弱面的石質(zhì)材料，是各種地質(zhì)作用的產(chǎn)物，是構(gòu)成地殼的物 質(zhì)基礎(chǔ)。研究巖石主要是研究巖石的種類、性質(zhì)、成分、形成 過程、演變歷史以及與礦產(chǎn)關(guān)系。 地殼中絕大部分礦產(chǎn)都產(chǎn)于巖石中，他們之間有著密切的成 因聯(lián)系。如煤產(chǎn)生在沉積巖里，大部分金屬礦則產(chǎn)生在巖漿巖 或其形成與巖漿巖有直接或間

9、接聯(lián)系。 一方面，研究巖石就是為了發(fā)現(xiàn)巖石與礦產(chǎn)的關(guān)系，從中找 出規(guī)律，以便更多更好地找尋和開發(fā)礦產(chǎn)；另一方面，大多數(shù) 巖石本身就是重要礦產(chǎn)，如花崗巖、大理巖，可用作天然的建 筑和裝飾石料；此外，冶金用的耐火材料和熔劑、農(nóng)業(yè)用的無 機肥料以及部分能源，都來自天然巖石。 2.1 2.1 巖石的基本特征巖石的基本特征 一、概述一、概述 巖石對于采礦者來說尤為重要。工業(yè)場地擺布于巖石之上， 開拓系統(tǒng)布置在巖石之中，開采對象（礦體）不僅賦存在巖石 內(nèi)而且有著成因聯(lián)系，要采礦石必須先采出大量巖石（如露天 礦的剝離）。因此，采礦工程技術(shù)人員必須具備巖石學的知識。 2.1 2.1 巖石的基本特征巖石的基本特

10、征 二、巖石的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造二、巖石的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造 在研究人造（工藝）巖石時，要廣泛應(yīng)用巖石學的知識。 在研究提高各種硅酸鹽制品耐火材料、鑄石、陶瓷、水 泥、玻璃等和其他人造巖石的質(zhì)量，以及研究其內(nèi)部組成和結(jié) 構(gòu)與物理化學性能時，也要大量應(yīng)用巖石學的研究方法。 不難理解，地質(zhì)作用的性質(zhì)及進行的環(huán)境，決定著礦物彼此 組合的關(guān)系，亦即礦物在巖石中的分布情況。換句話說，決定 著巖石的外貌，并以此作為鑒別三大類巖石的主要根據(jù)之一， 這些關(guān)系表現(xiàn)在巖石的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造兩個方面。 2.1 2.1 巖石的基本特征巖石的基本特征 二、巖石的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造二、巖石的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造 1、巖石的結(jié)構(gòu) 巖石的結(jié)構(gòu)是指巖石中礦物的結(jié)晶程

11、度、顆粒大小和形狀以 及彼此間的組合方式。 這主要決定于地質(zhì)作用進行的環(huán)境，在同一大類巖石中，由 于他們生成的環(huán)境不同，就產(chǎn)生了種種不同的結(jié)構(gòu)。 2、巖石的構(gòu)造 巖石的構(gòu)造是指巖石中礦物集合體之間或礦物集合體與巖石 的其他組成部分之間的排列方式以及充填方式。這反映著地質(zhì) 作用的性質(zhì)。 由巖漿作用生成的巖漿巖大多具有塊狀構(gòu)造；由變質(zhì)作用生 成的變質(zhì)巖，多數(shù)情況下他們的組成礦物一般都依一定方向平 行排列，具有片理狀構(gòu)造；由外力地質(zhì)作用生成的沉積巖，是 逐層沉積的，多具有層狀構(gòu)造。 2.1 2.1 巖石的基本特征巖石的基本特征 二、巖石的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造二、巖石的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造 3、巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造研究意義 研

12、究巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，不僅對劃分巖類、正確識別巖石有著 實際的意義，而且在采掘工藝中，對于研究巖體穩(wěn)定、井巷支 護、爆破措施及選擇采掘機械起著重要作用。 2.1 2.1 巖石的基本特征巖石的基本特征 三、巖石的分類三、巖石的分類 工程中的巖石分類方式較多，現(xiàn)就常見的幾種分類方式介紹 如下。 1、按其成因劃分 按其成因劃分，可分為巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖三大類。 三大類巖石的具體概念及特征參加礦物巖石學教材 2.1 2.1 巖石的基本特征巖石的基本特征 三、巖石的分類三、巖石的分類 工程中的巖石分類方式較多，現(xiàn)就常見的幾種分類方式介紹 如下。 2、按照其堅固性劃分 按照巖石的堅固性劃分可分為兩類：硬質(zhì)

13、巖石和軟質(zhì)巖石。 （1）硬質(zhì)巖石是指其飽和單軸極限抗壓強度30MPa 的巖石。 常見的硬質(zhì)巖石有花崗巖、石灰?guī)r、石英巖、閃長巖、玄武巖、 石英砂巖、硅質(zhì)礫巖和花崗片麻巖等。 （2）軟質(zhì)巖石是指其飽和單軸極限抗壓強度30MPa的巖石。 常見的軟質(zhì)巖石有頁巖、泥巖、綠泥石片巖和云母片巖等。 除此之外，巖石按照其風化程度可分為五類，即未風化、微 風化、弱風化、中等風化和強風化。（也有資料分三類/四類， 即微風化 /弱風化、中等風化和強風化。） 2.1 2.1 巖石的基本特征巖石的基本特征 四、巖石與開采有關(guān)的技術(shù)四、巖石與開采有關(guān)的技術(shù) 研究巖石主要是研究巖石的礦物成分和結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點等，這 些不僅是

14、巖石進行分類和命名的主要依據(jù)，而且也是決定該類 巖石開采技術(shù)的重要因素。 1、巖石的礦物成分 巖漿巖、沉積巖及變質(zhì)巖的種類繁多，組成其巖石的礦物成 分也各不相同。 對于巖漿巖，其中最常見的礦物是石英、長石、角門石、輝 石、橄欖石及黑云母。這些礦物除黑云母外，都是硬度較大的 礦物，所以未經(jīng)強烈蝕變和劇烈錯動的巖漿巖一般強度都較大， 穩(wěn)定性都比較好，有利于采用高速度、高效率的采掘方法。 此外，在酸性巖中，含有較大量的游離的二氧化硅，在其中 進行采掘作業(yè)時，有產(chǎn)生矽肺病的可能，必須加強通風防塵措 施，以預防矽肺病。 2.1 2.1 巖石的基本特征巖石的基本特征 四、巖石與開采有關(guān)的技術(shù)四、巖石與開采

15、有關(guān)的技術(shù) 1、巖石的礦物成分 沉積巖中對采掘影響的礦物成分有以下幾類： （1）二氧化硅類礦物：主要有石英、燧石和蛋白石等。含這 類礦物特多的巖石有石英砂巖、硅質(zhì)灰石和陵石灰石。該類礦 物的特點是硬而脆，所以，當巖石中這些礦物含量高時，巖石 的穩(wěn)固性好。在掘進過程中，雖難于鑿巖，但爆破效果好，且 一般不需要支護，但因含游離的二氧化硅多，要特別注意防塵。 （2）碳酸鹽類礦物：主要有方解石、白云石、菱鎂礦、菱錳 礦等。含這類礦物多的巖石有石灰?guī)r、白云巖和泥質(zhì)灰?guī)r等。 這類巖石鑿巖及爆破性能均好，巖體穩(wěn)固性也較強，有利于采 用快速掘進的方法，但由于含方解石較多，易于溶解而產(chǎn)生溶 孔和溶洞，常是地下水

16、活動的通道和儲存的場所，礦山開采時， 可能引起礦坑突然涌水而造成重大事故。因此，必須加強水文 地質(zhì)工作，搞好防排水措施。 2.1 2.1 巖石的基本特征巖石的基本特征 四、巖石與開采有關(guān)的技術(shù)四、巖石與開采有關(guān)的技術(shù) 1、巖石的礦物成分 沉積巖中對采掘影響的礦物成分有以下幾類： （3）黏土類礦物：主要有高嶺石、蒙脫石和水云母等。含這 類礦物多的巖石有各種動土巖、頁巖及泥巖。這類巖石的特點 是硬度小，具有可塑性，遇水膨脹、軟化和粘結(jié)，具有鑿巖性 好（不包括黏土）、穩(wěn)固性差、爆破性也差的特點。同時，他 們長期受水浸泡時，會使地下坑道變形、露天邊坡不穩(wěn)、礦車 結(jié)底、溜井和鑿巖機水眼堵塞等。但是，只要

17、加強防排水措施， 就可以避免或減少上述問題的發(fā)生。 變質(zhì)巖類巖石的礦物組成中，常因含一定數(shù)量的滑石、綠泥 石和云母等，對采掘影響較大，這些礦物光滑柔軟，且多呈片 狀，因而穩(wěn)定性極差，不少礦山常因此而冒頂片幫，故在采礦 過程中必須引起足夠的重視。至于所含其他礦物組分，大多與 巖漿巖和沉積巖相似，其采掘特點參見巖漿巖和沉積巖。 2.1 2.1 巖石的基本特征巖石的基本特征 四、巖石與開采有關(guān)的技術(shù)四、巖石與開采有關(guān)的技術(shù) 2、巖石的結(jié)構(gòu) 巖石具有許多結(jié)構(gòu)，但對采掘影響最大的是顆粒的粗細。對 于巖漿巖而言，在其他條件相似的條件下，隱晶質(zhì)、細粒、均 粒的巖石比粗粒和斑狀的巖石強度大。 例如玄武巖為隱晶

18、質(zhì)結(jié)構(gòu)，而輝長巖為粗粒結(jié)構(gòu)，所以玄武 巖的抗壓強度可到達500MPa，而輝長巖的抗壓強度僅為120- 360MPa 。又如花崗斑巖為斑狀結(jié)構(gòu)，其抗壓強度只有120MPa ， 而同一成分的細?；◢弾r因具有等粒結(jié)構(gòu)，其抗壓強度可達 260MPa。 強度大的巖石雖然較難鑿巖，但卻容易維護，甚至可以不支 護，給采掘工作帶來很大的方便。沉積巖與巖漿巖相似，但對 于碎屑巖，其物理機械性質(zhì)主要取決于膠結(jié)物的成分和性質(zhì)， 泥質(zhì)膠結(jié)比鐵質(zhì)或硅質(zhì)膠結(jié)的巖石硬度小，穩(wěn)固性差。而變質(zhì) 巖的結(jié)構(gòu)對采掘的影響不太突出。 2.1 2.1 巖石的基本特征巖石的基本特征 四、巖石與開采有關(guān)的技術(shù)四、巖石與開采有關(guān)的技術(shù) 3、巖

19、石的構(gòu)造 巖漿巖多具有塊狀構(gòu)造。這種構(gòu)造的最大特點是巖石各個方向 的強度相近，從而增加了巖石的穩(wěn)定性，所以巖漿巖的塊狀構(gòu) 造不像沉積巖的層理構(gòu)造和變質(zhì)巖的片理構(gòu)造那樣對鑿巖、爆 破和支護等有明顯的影響。 值得注意的是，巖漿巖的原生節(jié)理（即巖漿巖生成時冷凝收縮 所產(chǎn)生的裂隙）發(fā)育，如玄武巖的柱狀節(jié)理、細碧巖的枕狀節(jié) 理等，這些節(jié)理的存在，降低了巖石的穩(wěn)固性，影響了巖石的 爆破效果。 2.1 2.1 巖石的基本特征巖石的基本特征 四、巖石與開采有關(guān)的技術(shù)四、巖石與開采有關(guān)的技術(shù) 3、巖石的構(gòu)造 沉積巖最大的特點是具有層理構(gòu)造，這種構(gòu)造的存在，使巖 石在各個方向的強度不同，在其他條件相同或相似的情況

20、下， 層理愈發(fā)育，巖石的穩(wěn)固性愈低，各個方向的強度差異也愈大。 一般是平行巖石層理方向的抗壓和抗剪強度小，抗張強度大， 而垂直于巖石層理方向，則情況正好相反。在這類巖石中開掘 巷道時，若順著層理方向掘進，不僅爆破效果不好，而且容易 產(chǎn)生冒頂、片幫事故，給采掘帶來不利的影響；如果斜交，特 別是垂直層理方向掘進時，則可以提高爆破效果，也可增加頂 板及兩幫的穩(wěn)固性。 2.1 2.1 巖石的基本特征巖石的基本特征 四、巖石與開采有關(guān)的技術(shù)四、巖石與開采有關(guān)的技術(shù) 3、巖石的構(gòu)造 變質(zhì)巖的構(gòu)造尤其是片理構(gòu)造對采掘影響更大，其影響同沉積 巖的層理構(gòu)造相似。如千枚巖、片巖及板巖的片理比較發(fā)育， 巖石沿片理延

21、伸方向結(jié)合力較低，故其穩(wěn)定性極差。 一般情況下，巖石的片理愈發(fā)育，各個方向的強度相差愈大， 在平行片理的方向抗壓和抗剪強度小，抗拉強度大；垂直片理 方向則恰好相反。 巖石片理發(fā)育時，對采掘極為不利，必須加強支護，其有效的 辦法是在垂直片理的方向上采用錨桿噴漿，即可增強該類巖石 的穩(wěn)定性，避免冒頂和片幫。 露天礦開采時，一方面，因片理所造成的巖石穩(wěn)定性差，從而 影響巖體的邊坡穩(wěn)定，但另一方面有時可以提高爆破效果。 2.1 2.1 巖石的基本特征巖石的基本特征 一、概述一、概述 巖石的基本性質(zhì)是巖石內(nèi)部組成礦物成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的綜 合反映，研究巖石的基本性質(zhì)對研究工程體的穩(wěn)定性是有重要 意義的，其

22、研究內(nèi)容包括巖石的物理性質(zhì)和力學性質(zhì)。 其中，物理性質(zhì)是自然狀態(tài)下所表現(xiàn)出的特征，而力學性質(zhì) 則是反映在外力作用下所表現(xiàn)出的相應(yīng)特征，不同的巖石其物 理力學性質(zhì)是不同的，即使是同一種性質(zhì)的巖石，由于其形成 過程及賦存環(huán)境等多種外界因素的不同，其所表現(xiàn)出的性質(zhì)也 有差別。 巖石的物理性質(zhì)是其內(nèi)部礦物基本性質(zhì)、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造的綜合 反映，研究主要包括以下幾方面的內(nèi)容： 2.2 2.2 巖石的物理與水理性質(zhì)巖石的物理與水理性質(zhì) 二、二、巖石的密度 巖石的密度是指單位體積巖石的質(zhì)量。又可分為顆粒密度和塊體 密度。 2.2 2.2 巖石的物理與水理性質(zhì)巖石的物理與水理性質(zhì) 三、三、巖石的相對密度 巖石的相對

23、密度是指單位體積巖石固體部分的重量與同體積水 （4C）的重量之比，即 2.2 2.2 巖石的物理與水理性質(zhì)巖石的物理與水理性質(zhì) 巖石的相對密度取決于組成巖石的礦物相對密度及其在巖石中 的相對含量。常見巖石的相對密度參見下表 2.2 2.2 巖石的物理與水理性質(zhì)巖石的物理與水理性質(zhì) 三、三、巖石的相對密度 四、四、巖石的容重 2.2 2.2 巖石的物理與水理性質(zhì)巖石的物理與水理性質(zhì) 按巖石的含水情況不同，容重也可分為天然容重、干容重和 飽和容重，其意義參見巖石密度中的天然密度、干密度和飽和密 度。巖石的天然容重取決于組成巖石的礦物成分、空隙發(fā)育程度 及其含水情況。大多數(shù)巖石的天然容重在2.3-3

24、.1 g/cm3之間，參 見下表 四、四、巖石的容重 2.2 2.2 巖石的物理與水理性質(zhì)巖石的物理與水理性質(zhì) 四、四、巖石的容重 2.2 2.2 巖石的物理與水理性質(zhì)巖石的物理與水理性質(zhì) 4-1-3 常見巖石的天然容重（g/cm3） 五、五、巖石空隙性 2.2 2.2 巖石的物理與水理性質(zhì)巖石的物理與水理性質(zhì) 巖石的空隙性是巖石孔隙性和裂隙性的統(tǒng)稱。巖石空隙性的度 量通常有兩種：一種用空隙率（度）來表示，也可以用孔隙率（度） 和裂隙率（度）來表示；另一種用巖石的空隙比來表示。 巖石的空隙性對巖石的其他性質(zhì)有重要的影響，如巖石的密度、 含水性、透水性、變形性質(zhì)等。 六、六、巖石空隙性 2.2

25、2.2 巖石的物理與水理性質(zhì)巖石的物理與水理性質(zhì) 一般工程中所提到的巖石空隙率是指總空隙率。巖石因形成條 件及其后期經(jīng)受的變化和埋藏深度不同，空隙率變化范圍很大，可 自小于百分之一到百分之幾十。新鮮的結(jié)晶巖類的空隙率一般小于 3%，而沉積巖則較高，為1%-10%，但有些膠結(jié)不良的砂礫巖，空隙 率可以達到10%-20%，甚至更大。常見巖石的空隙率如下表 七、七、巖石的吸水性 2.2 2.2 巖石的物理與水理性質(zhì)巖石的物理與水理性質(zhì) 由于巖石是一種多孔介質(zhì)，在工程環(huán)境條件下，如井下潮濕的 環(huán)境、壩體的處水環(huán)境等，內(nèi)部常常含有一定的水，由于水的侵入 使得巖石的物理力學性質(zhì)發(fā)生很大的變化，這在巖體工程

26、體中是經(jīng) 常要考慮的。 巖石的吸水性是指巖石在一定試驗條件下的吸水性能。它取決 于巖石的空隙數(shù)量、大小、開閉程度和分布情況。表征巖石吸水性 的指標有吸水率、飽水率和飽水系數(shù)。 八、八、巖石的透水性 2.2 2.2 巖石的物理與水理性質(zhì)巖石的物理與水理性質(zhì) 巖石能被水透過的性質(zhì)，稱為巖石的透水性，常用滲透系數(shù)表 示。它的大小取決于空隙的數(shù)量、大小、方向及連通情況。 一般認為，水在巖石中的流動服從達西定律，因此，可用達西 滲透儀在室內(nèi)測定完整巖石試件的滲透系數(shù)。某些巖石的滲透系數(shù) 參見表 2.2 2.2 巖石的物理與水理性質(zhì)巖石的物理與水理性質(zhì) 八、八、巖石的透水性 八、八、巖石的透水性 2.2

27、2.2 巖石的物理與水理性質(zhì)巖石的物理與水理性質(zhì) 巖石的透水性對巖石的工程穩(wěn)定性影響很大，一般來說，地下 的巖石處于流體（液體和氣體）的環(huán)繞之中，相對處于平衡狀態(tài)， 而受到人類工程活動影響時，其原始的平衡狀態(tài)被打破，巖石系統(tǒng) 為尋求新的平衡就要發(fā)生相應(yīng)的狀態(tài)調(diào)整，在調(diào)整過程中流體的流 動對巖石是有很大影響的，二者是處于耦合狀態(tài)下的調(diào)整，這一點 在壩體工程、地下巖石中的核廢料處理、地下土體中的水污染處理 等問題中經(jīng)常要涉及到，那里所提到的滲透性是多孔介質(zhì)對流體通 過能力的綜合反映，這里所提到的巖石透水性只不過是將液體和多 孔介質(zhì)給界定了而已。 九、九、巖石的軟化性 2.2 2.2 巖石的物理與水

28、理性質(zhì)巖石的物理與水理性質(zhì) 巖石遇水之后其強度往往會降低，我們將巖石浸水后其強度降 低的性質(zhì)稱為巖石軟化性。巖石的軟化性取決于它的礦物組成及空 隙性。當巖石中含有較多的親水性礦物以及大開空隙較多時，則其 軟化性較強。 表征巖石軟化性的指標是軟化系數(shù)（ KR），為巖石飽水抗壓強 度（cw）與干抗壓強度（ cd）之比，即 顯然，KR值愈小則巖石的軟化性愈強。當巖石的KR0.75 時， 軟化性弱，同時也可說明其抗凍性和抗風化能力強。常見巖石的軟 化系數(shù)參見表。由表可知：巖石的軟化系數(shù)均小于1.0，說明巖石 都具有不同程度的軟化性。 九、九、巖石的軟化性 2.2 2.2 巖石的物理與水理性質(zhì)巖石的物理

29、與水理性質(zhì) 2.2 2.2 巖石的物理與水理性質(zhì)巖石的物理與水理性質(zhì) 九、九、巖石的軟化性 九、九、巖石的軟化性 2.2 2.2 巖石的物理與水理性質(zhì)巖石的物理與水理性質(zhì) 巖石的軟化性對工程體的穩(wěn)定性影響很大，如水工建筑、地表 各種工程邊坡、地下軟巖工程體的維護等，在設(shè)計中是必須要考慮 的。另外，在地下采礦活動中有時也充分利用水對巖石所產(chǎn)生的軟 化作用來防治地質(zhì)災害的發(fā)生，如煤與瓦斯突出防治中的水力處理 措施、大面積來壓中堅硬頂板的注水軟化處理等。 十、十、巖石的抗凍性 2.2 2.2 巖石的物理與水理性質(zhì)巖石的物理與水理性質(zhì) 巖石抵抗凍融破壞的性質(zhì)，稱為巖石的抗凍性。巖石浸水后， 當水的溫度

30、降至0C以下時，空隙中的水將凍結(jié)使體積增大（可達 9%），對巖石產(chǎn)生凍脹力，使其結(jié)構(gòu)和連結(jié)遭到破壞。 反復凍融后，將使巖石的強度降低。巖石的抗凍性常用抗凍系 數(shù)和質(zhì)量損失率兩個指標表示。 抗凍系數(shù)（Rd）是指巖石凍融實驗后干抗壓強度（cd2）與凍 融前干抗壓強度（cd1）之比，以百分數(shù)表示，即 質(zhì)量損失率（Km）是指凍融前后巖樣干質(zhì)量之差（ms1-ms2）與 凍融前干質(zhì)量（ms1）之比，以百分率表示，即 十、十、巖石的抗凍性 2.2 2.2 巖石的物理與水理性質(zhì)巖石的物理與水理性質(zhì) 實驗時，要求先將試件浸水飽和，然后在-20溫度下冷凍， 凍后融化，融化后再冷凍，如此反復凍融25 次或更多。凍融

31、次數(shù) 可以根據(jù)工程地區(qū)的氣候條件決定。 巖石的抗凍性，主要取決于巖石中大開空隙的發(fā)育情況、親水 性和可溶性礦物的含量及礦物顆粒間的連結(jié)力。大開空隙越多、親 水性和可溶性礦物含量越高時，巖石的抗凍性越低；反之越高。一 般認為，抗凍系數(shù)大于75%，質(zhì)量損失率小于2%時，為抗凍性好的 巖石；吸水率小于5%、軟化系數(shù)大于0.75以及飽水系數(shù)小于0.8 的 巖石，具有足夠的抗凍能力。 在四季溫差比較大的地區(qū)，巖石的抗凍性在砌石壩體的設(shè)計以 及建筑物基礎(chǔ)（砌石基礎(chǔ)）設(shè)計中尤其重要，往往其抗凍性直接影 響到工程體的安全、穩(wěn)定以及使用壽命。 十一、十一、巖石的膨脹性和崩解性 2.2 2.2 巖石的物理與水理性

32、質(zhì)巖石的物理與水理性質(zhì) 膨脹性和崩解性主要是松軟巖石所表現(xiàn)的特征。前者是指軟巖 浸水后體積增大和相應(yīng)地引起壓力增大的性能，后者是指軟巖浸水 后發(fā)生的解體現(xiàn)象。巖石的膨脹和崩解作用往往對地下工程和隧道 工程的施工和巷道工程的穩(wěn)定性帶來不良影響。 巖石的膨脹性和崩解性主要取決于其膠結(jié)程度及造巖礦物的親 水性，一般含有大量黏土礦物（如蒙脫石、高嶺土和水云母等）的 軟巖遇水后極易產(chǎn)生膨脹和崩解。 十一、十一、巖石的膨脹性和崩解性 2.2 2.2 巖石的物理與水理性質(zhì)巖石的物理與水理性質(zhì) 巖石的膨脹性可用膨脹應(yīng)力和膨脹率來表示。巖石與水進行物 理化學反應(yīng)后，隨時間變化會產(chǎn)生體積增大現(xiàn)象，這時使試件體積

33、保持不變所需要的壓力稱為巖石的膨脹應(yīng)力，而增大后的體積與原 體積的比率稱為巖石的膨脹率。這些指標是在實驗室內(nèi)借助于膨脹 應(yīng)力測定儀和膨脹儀按規(guī)定的測定方法加以確定。 巖石的崩解性用耐崩解性指標表示，它是指巖石試件在承受干 燥和濕潤兩個標準循環(huán)之后，巖樣對軟化和崩解作用所表現(xiàn)出的抵 抗能力。這個指標也可在實驗室內(nèi)借助耐崩解儀按有關(guān)規(guī)定確定。 十二、十二、巖石的碎脹性和壓實性 2.2 2.2 巖石的物理與水理性質(zhì)巖石的物理與水理性質(zhì) 巖石的碎脹性是指破碎后的巖石較破碎前的巖石其體積增大的 性質(zhì)，而巖石的壓實性是指巖石破碎后在外力作用下，隨著時間的 推移能夠逐步被重新壓實的性質(zhì)。 對于巖石的碎脹性通

34、常用巖石的碎脹性系數(shù)來表示，巖石的碎 脹性系數(shù)是指巖石破碎后的體積與破碎前的體積之比，表示為 十二、十二、巖石的碎脹性和壓實性 2.2 2.2 巖石的物理與水理性質(zhì)巖石的物理與水理性質(zhì) 另外，有時還要用到巖石的殘余碎脹系數(shù)，所謂巖石的殘余碎 脹系數(shù)是指破碎后的巖石經(jīng)過一段時間壓實后，此時的體積和破碎 前原體積之比，表示為 十二、十二、巖石的碎脹性和壓實性 2.2 2.2 巖石的物理與水理性質(zhì)巖石的物理與水理性質(zhì) 巖石的碎脹系數(shù)和殘余碎脹系數(shù)對工作面礦體采出后直接頂垮 落形成的堆積體的高度，以及隨后老頂結(jié)構(gòu)失穩(wěn)造成工作面頂板來 壓的影響很大，在計算頂板來壓強度時往往要考慮到直接頂巖層的 厚度以及

35、其碎脹系數(shù)，借此可以了解到其對采空區(qū)的充填程度及來 壓狀況。另外在路基的碎石墊層設(shè)計中也要考慮到巖石的壓實性。 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 2.0 2.0 概述概述 下一頁下一頁 一、一、概述 2.3 2.3 巖石的變形性質(zhì)巖石的變形性質(zhì) 巖石的力學性質(zhì)是指巖石在外力作用下所表現(xiàn)出來的性質(zhì)，巖 石的力學性質(zhì)包括巖石的變形性質(zhì)和強度性質(zhì)。巖石的變形性質(zhì)所 表現(xiàn)的是巖石對外力的尺寸響應(yīng)，而強度性質(zhì)所表現(xiàn)的是巖石抵抗 外力破壞的能力。 在外力作用下巖石首先產(chǎn)生變形，隨著力的不斷增加，達到或 超過某一極限值時，便產(chǎn)生破壞，巖石遭受破壞時的應(yīng)力稱為巖石 的強度。研究巖石的力學性質(zhì)，主要是要研究巖石的變形、破壞與

36、強度等性質(zhì)。 研究巖石的變形性質(zhì)，主要是研究巖石在外力作用下所表現(xiàn)出 來的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，而巖石的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系又與巖石的受力狀 態(tài)有關(guān)，下面就巖石的變形性質(zhì)加以闡述。 二、二、單向受壓條件下的巖石變形 2.3 2.3 巖石的變形性質(zhì)巖石的變形性質(zhì) 在外力作用下，巖石內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，由于質(zhì)點位置的 改變，引起巖石變形。巖石的變形可分為彈性變形和塑性變形兩種。 按固體力學定義，彈性變形是指物體受力發(fā)生相應(yīng)的全部變形， 并在外力解除的同時，變形立即消失，因而是可逆變形。 塑性變形是指物體受力變形，在外力解除后，變形不再恢復， 是不可逆變形，又稱為永久變形或殘余變形。 巖石的變形規(guī)律，可通過外力作

37、用下的變形過程及變形參數(shù)說 明。所以，首先來研究巖石的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。 二、二、單向受壓條件下的巖石變形 2.3 2.3 巖石的變形性質(zhì)巖石的變形性質(zhì) 1. 巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線特征 巖石在連續(xù)加載條件下的應(yīng)變，可分為軸向應(yīng)變（L）、橫向 應(yīng)變（ d ）和體積應(yīng)變（ v ）。前兩者可用電阻應(yīng)變儀測量。 體積應(yīng)變則用 v= L-2 d來進行計算求得。求得了各級應(yīng)力下的這三 種應(yīng)變值，就可繪出相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變曲線，也有的是由XY繪圖 儀直接自動繪出。該曲線是分析研究巖石變形機理的主要依據(jù)，其 中以壓應(yīng)力軸向應(yīng)變曲線-L曲線應(yīng)用最廣。 根據(jù)大量的實驗研究，在單向壓力作用下，典型的應(yīng)力應(yīng)變 全程曲線，即反映

38、單軸壓縮巖石試件在破裂前后全過程的應(yīng)力應(yīng) 變關(guān)系的曲線如下圖所示。 二、二、單向受壓條件下的巖石變形 2.3 2.3 巖石的變形性質(zhì)巖石的變形性質(zhì) 1. 巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線特征 下一頁 二、二、單向受壓條件下的巖石變形 2.3 2.3 巖石的變形性質(zhì)巖石的變形性質(zhì) 1. 巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線特征 從圖可以將巖石的變形過程劃分為六個階段。 （1）微裂隙及孔隙閉合階段（圖中oa 段）。在載荷作用初期， 巖石中的裂隙及孔隙被逐漸壓密，形成早期非線性變形。曲線呈上 凹型，即斜率隨著應(yīng)力增大而逐漸增大，表明裂隙、孔隙壓密開始 較快，隨后逐漸減慢。本階段變形對裂隙化巖石來說比較明顯，但 對堅硬少裂隙的巖石則

39、不明顯，甚至不顯現(xiàn)。 （2）可恢復彈性變形階段（圖中ab 段）。隨載荷增加，軸向 變形成比例增長，斜率保持不變，并在很大程度上是可恢復的彈性 變形。這一階段的上界應(yīng)力稱為彈性極限，其值約等于峰值強度的 30-40%。此階段中有微量新型隙隨之產(chǎn)生。 返回 二、二、單向受壓條件下的巖石變形 2.3 2.3 巖石的變形性質(zhì)巖石的變形性質(zhì) 1. 巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線特征 從圖可以將巖石的變形過程劃分為六個階段。 （3）部分彈性變形至微裂隙擴展階段（圖中bc 段）。這一階 段的特點可由開始膨脹和近似性增長的體積應(yīng)變來表征。這是由于 巖石連續(xù)壓縮所造成的。曲線-L仍呈近似直線，而曲線-v則 明顯偏離直線。這

40、一階段的上界應(yīng)力稱為屈服極限，這時巖石 壓密至最密實狀態(tài)，體積應(yīng)變趨于零，該點出現(xiàn)在80%峰值強度處。 （4）非穩(wěn)定裂隙擴展至巖石結(jié)構(gòu)破壞階段（圖中cd段）。這 一階段的特點是微裂隙迅速增加和不斷擴展，形成局部拉裂或剪裂 面。體積變形由壓縮轉(zhuǎn)變?yōu)榕蛎洠罱K導致巖石結(jié)構(gòu)完全破壞。本 階段的上界應(yīng)力稱為峰值強度或單軸抗壓強度。 返回 二、二、單向受壓條件下的巖石變形 2.3 2.3 巖石的變形性質(zhì)巖石的變形性質(zhì) 1. 巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線特征 從圖可以將巖石的變形過程劃分為六個階段。 （5）微裂隙聚結(jié)與擴展階段（圖中de 段）。巖石通過峰值應(yīng) 力階段，雖然其內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全破壞，但巖石仍呈整體。到本階段

41、裂 隙擴展成分叉狀，并相互聯(lián)合形成宏觀斷裂面。此時由于應(yīng)變軟化 效應(yīng)，應(yīng)力隨著應(yīng)變增加面降低。 （6）沿破斷面滑移階段（圖中ef段）。本階段巖石基本上已 經(jīng)分離成一系列碎塊體，并在外力作用下相互滑移，隨之變形不斷 增加。而應(yīng)力則降低到某一穩(wěn)定值，這一穩(wěn)定值稱為殘余強度，其 大小等于塊體間的摩擦阻力。 返回 二、二、單向受壓條件下的巖石變形 2.3 2.3 巖石的變形性質(zhì)巖石的變形性質(zhì) 1. 巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線特征 從圖可以將巖石的變形過程劃分為六個階段。 以上討論了巖石在單向壓力作用下變形的全過程。這是一條典 型的曲線，反映了巖石一般的變形性質(zhì)。但自然界中的巖石，因其 礦物組成及結(jié)構(gòu)不同，應(yīng)力

42、應(yīng)變曲線特征也不盡相同。就巖石本 身而言，每一種礦物都有各自的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。 不同礦物的彈性極限也各不相同，同一種礦物在不同受力方向 上的彈性極限也不同?？障对桨l(fā)育巖石變形越容易，空隙的分布、 形態(tài)等也都將導致應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的復雜化。有的巖石應(yīng)力應(yīng)變 關(guān)系與上述典型曲線相同或類似，有的則不同。如當巖石裂隙發(fā)育 輕微時，則裂隙壓密階段表現(xiàn)不明顯，曲線oa 段就可能不存在。 返回 二、二、單向受壓條件下的巖石變形 2.3 2.3 巖石的變形性質(zhì)巖石的變形性質(zhì) 1. 巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線特征 通過各種巖石的實驗研究，將巖石在單向壓力作用下的應(yīng)力 應(yīng)變曲線歸納為6種類型（如下圖）： 下一頁 二、二、單向受

43、壓條件下的巖石變形 2.3 2.3 巖石的變形性質(zhì)巖石的變形性質(zhì) 1. 巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線特征 類型（彈性），表現(xiàn)為近似于直線的特點，直到發(fā)生突發(fā)性 破壞。這是玄武巖、石英巖、輝綠巖、白云巖及堅硬石灰?guī)r等的特 征變形曲線。 類型（彈塑性），開始為直線，末端出現(xiàn)非彈性屈服段。 較軟而少裂隙的巖石，如石灰?guī)r、粉砂巖和凝灰?guī)r等常呈這種變形 曲線。 類型（塑一彈性），開始為上凹型曲線，然后轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€。 堅硬而裂隙較發(fā)育的巖石，如砂巖、花崗巖等，在垂直微裂隙方向 加載時常具有這種變形曲線。 返回 二、二、單向受壓條件下的巖石變形 2.3 2.3 巖石的變形性質(zhì)巖石的變形性質(zhì) 1. 巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線特征

44、 類型和類型（塑彈塑性）為S型曲線。曲線中段的斜 率大小與巖性軟硬程度有關(guān)。巖性較軟且含有微裂隙者，如片麻巖、 大理巖和片巖等常具有這種變形特性。 類型（彈塑蠕變性），開始為直線，很快變?yōu)榉蔷€性變 形和連續(xù)緩慢的蠕變變形，是巖鹽和其他蒸發(fā)巖的特征變形曲線。 返回 二、二、單向受壓條件下的巖石變形 2.3 2.3 巖石的變形性質(zhì)巖石的變形性質(zhì) 2.循環(huán)載荷條件下的巖石變形特征 巖石在循環(huán)加載作用下的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系，隨著加卸載方法及 卸載應(yīng)力的不同而異。 （1）彈性段卸載 當在同一載荷條件下對試件加載、卸載時，如果卸載點的應(yīng)力 低于巖石的彈性極限，則卸載曲線將基本上沿加載曲線回到原點， 表現(xiàn)為彈性

45、恢復，沒有殘余應(yīng)變；但不同的巖石又 分為三種情況，如圖所示。 返回 2.3 2.3 巖石的變形性質(zhì)巖石的變形性質(zhì) 2.循環(huán)載荷條件下的巖石變形特征 （1）彈性段卸載 返回 線彈性：彈性段為直線。 完全彈性（非線性彈性）：彈性段為幾何非線性的，但卸載后 應(yīng)力應(yīng)變沿原來加載曲線返回原點，沒有殘余應(yīng)變。 滯彈性：彈性段為幾何非線性的，卸載時應(yīng)力應(yīng)變曲線不沿 原來加載曲線返回，但最終回到原點，沒有殘余應(yīng)變。 但應(yīng)注意，大部分彈性變形在卸載后能很快恢復，而小部分 （約10-20%），需要經(jīng)過一段時間后才能恢復，這種現(xiàn)象稱為彈性 后效。 2.3 2.3 巖石的變形性質(zhì)巖石的變形性質(zhì) （2）塑性段加卸載 在

46、塑性段重復加卸載，分兩種情況： 恒載條件下加卸載 每次加、卸載量相等，并重復加卸載多次，實驗獲得應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系曲線如圖a所示?？梢钥吹饺缦绿攸c：最初應(yīng)力應(yīng)變關(guān) 系曲線很彎曲，且卸載后不能恢復的塑性變形較大；以后塑性變 形逐漸減小，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線越陡，也越接近直線；后一級 與前一級曲線分別近似平行。說明巖石經(jīng)過多次加載、卸載后， 越易呈現(xiàn)彈性性質(zhì)。 返回 2.3 2.3 巖石的變形性質(zhì)巖石的變形性質(zhì) （2）塑性段加卸載 變量重復加、卸載應(yīng)力應(yīng)變曲線 每次卸載后再重新加載時，其載荷量是變化的，一般采取逐級加大載 荷的方法。如此重復加載、卸載實驗，獲得應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖b所 示，可以看到如下特

47、點：前一級卸載與后一級加載之間，出現(xiàn)回滯環(huán)，說 明了卸載時彈性變形恢復的滯后現(xiàn)象。如果每級卸載后的下一級加載量有 規(guī)律地遞增，則各級峰值應(yīng)力連線基本呈現(xiàn)一有規(guī)律的直線或曲線，并且 其形態(tài)與前述逐級加載下的應(yīng)力應(yīng)變曲線相似；與恒量重復加載、卸載 一樣，最初應(yīng)力應(yīng)變曲線很彎曲，越后越近似直線；各級相鄰兩加載、 卸載的應(yīng)力應(yīng)變曲線，分別近似平行。 返回 2.3 2.3 巖石的變形性質(zhì)巖石的變形性質(zhì) 3.巖石的變形參數(shù) 根據(jù)彈性理論，巖石的變形特征可用變形模量和泊松比兩個 基本參數(shù)表示。 （1）變形模量 指巖石在單向受壓時，軸向應(yīng)力（d）與軸向應(yīng)變（L）之 比。當壓應(yīng)力應(yīng)變?yōu)橹本€時，變形模量為常量，如

48、圖a所示，數(shù) 值上等于直線的斜率。由于其變形為彈性變形，所以該模量又稱 為彈性模量。 返回 2.3 2.3 巖石的變形性質(zhì)巖石的變形性質(zhì) 3.巖石的變形參數(shù) （1）變形模量 當應(yīng)力應(yīng)變?yōu)榍€關(guān)系時，變形模量為變量，即不同 應(yīng)力階段上的模量不同。常用初始模量、切線模量和割線模量三 種模量來表示，如圖b所示。 返回 2.3 2.3 巖石的變形性質(zhì)巖石的變形性質(zhì) 3.巖石的變形參數(shù) （1）變形模量 初始模量（Ei）：是指曲線原點處的切線斜率，即 切線模量（Et）：是指曲線中段直線的斜率，即 割線模量（Es）：是指曲線上某特定點與原點連線的斜率。 通常取相當于抗壓強度50%,的應(yīng)變點與原點連線的斜率，

49、即 返回 2.3 2.3 巖石的變形性質(zhì)巖石的變形性質(zhì) 3.巖石的變形參數(shù) （1）變形模量 對于卸載點的應(yīng)力高于彈性極限時，則卸載曲線從原來的加 載曲線偏離出來，如下圖所示。 返回 2.3 2.3 巖石的變形性質(zhì)巖石的變形性質(zhì) 3.巖石的變形參數(shù) （1）變形模量 返回 2.3 2.3 巖石的變形性質(zhì)巖石的變形性質(zhì) 3.巖石的變形參數(shù) 返回 (2）泊松比（） 是指巖石在單向受壓時，橫向應(yīng)變（d）與軸向應(yīng)變（L） 之比，即 在實際工作中，常采用抗壓強度的50%的應(yīng)變點的橫向應(yīng)變與 軸向應(yīng)變來計算泊松比。常見巖石的變形模量和油松比參見下表。 2.3 2.3 巖石的變形性質(zhì)巖石的變形性質(zhì) 返回 (2）

50、泊松比（） 3.巖石的變形參數(shù) 2.3 2.3 巖石的變形性質(zhì)巖石的變形性質(zhì) 返回 (2）泊松比（） 3.巖石的變形參數(shù) 實驗研究表明，巖石的變形模量和泊松比往往具有各向異性的 特征。當平行于微結(jié)構(gòu)面加載時，變形模量最大；而垂直微結(jié)構(gòu)面 的變形模量最小。 兩者的比值，沉積巖一般為1.08-2.05，變質(zhì)巖一般為2.0左右。 2.3 2.3 巖石的變形性質(zhì)巖石的變形性質(zhì) 返回 二、巖石在三軸壓縮條件下的變形性質(zhì) 三、巖石的流變性 參見教材P66-P68此處略 2.4 2.4 巖石的強度性質(zhì)巖石的強度性質(zhì) 返回 巖石在外力作用下所表現(xiàn)的力學性質(zhì)中，除了變形性質(zhì)以外， 還有一個重要的性質(zhì)就是巖石的強

51、度性質(zhì)，它主要是反映巖石抵抗 外力破壞的能力。 巖石在外力作用下，當達到或超過某一極限值時，便發(fā)生破壞。 通常把巖石抵抗外力破壞的能力稱為巖石的強度。由于巖石的強度 不僅因巖石的種類不同而有差異，即使同一類巖石甚至同一層的巖 石，由于其形成過程的外力作用、礦物的組成成分含量等的不同， 其強度也是不同的。 所以，一般根據(jù)所研究工程體的具體情況而進行實驗室壓力試 驗確定。 一、概述 2.4 2.4 巖石的強度性質(zhì)巖石的強度性質(zhì) 返回 巖石在外力作用下發(fā)生破壞時，按外力的性質(zhì)不同可將巖石 的強度分為抗壓強度、抗拉強度和抗剪強度三類。 1、單軸抗壓強度 單軸抗壓強度是指巖石單向受壓時，能夠承受的最大壓

52、應(yīng)力，即 二、巖石強度的種類 2.4 2.4 巖石的強度性質(zhì)巖石的強度性質(zhì) 返回 2、巖石的抗拉強度 二、巖石強度的種類 巖石單向受拉時，能承受的最大拉應(yīng)力，稱為巖石的抗拉強度。 雖然在工程實踐中，通常不允許拉應(yīng)力出現(xiàn)，但拉斷破壞仍是工程 巖體及自然界巖體主要的破壞方式之一。而且?guī)r石抵抗拉應(yīng)力的能 力最低，因此，抗拉強度是一個非常重要的巖石力學指標。 測定巖石抗拉強度的方法有直接拉伸法和間接拉伸法兩種。由 于直接拉伸法的試件制備困難且實驗技術(shù)復雜，目前多采用間接拉 伸法，其中又以劈裂法和點載荷實驗最常用。 2.4 2.4 巖石的強度性質(zhì)巖石的強度性質(zhì) 返回 2、巖石的抗拉強度 二、巖石強度的種

53、類 劈裂法是把圓柱體或立方體試件橫置于專門的抗拉夾具內(nèi)，然 后以一定加載速率加壓，直至試件破壞，如圖所示。 2.4 2.4 巖石的強度性質(zhì)巖石的強度性質(zhì) 返回 2、巖石的抗拉強度 二、巖石強度的種類 巖石的抗拉強度按下式進行計算： 需要說明的是，巖石的抗拉強度測試方法由于制樣困難和實驗技 術(shù)復雜，且存在不少問題需要進一步解決，因此，目前除有條件者 外，一般利用它與抗壓強度的比例關(guān)系間接確定。 2.4 2.4 巖石的強度性質(zhì)巖石的強度性質(zhì) 返回 3、巖石的抗剪強度 二、巖石強度的種類 巖石受到剪力作用時抵抗剪切破壞的最大剪應(yīng)力，稱為剪切強 度。巖石的剪切強度與土一樣，也是由內(nèi)聚力（C）和內(nèi)摩擦阻

54、力 （tan）兩部分組成的，只是他們都比土的相應(yīng)部分大，這 與巖石具有牢固的連結(jié)有關(guān)。按實驗方法的不同，所測定的剪切強 度的含義也不同，通常分為以下幾種： （1）抗切強度 剪切面上不加法向載荷時巖石的抗剪強度，通常稱為抗切強度， 其加載方式和強度特性關(guān)系參見圖。在這種情況下，剪切破壞面上 巖石的內(nèi)聚力就等于抗切強度，屬于純剪強度，即 2.4 2.4 巖石的強度性質(zhì)巖石的強度性質(zhì) 返回 3、巖石的抗剪強度 二、巖石強度的種類 （2）抗剪強度 剪切面上加法向載荷的剪切實驗稱為壓剪實驗，這種實驗得出 的強度指標，即在某一法向壓應(yīng)力作用下試件能抵抗的最大剪應(yīng)力， 稱為抗剪強度，其加載方式和強度特性關(guān)系

55、參見圖（b）。由圖中 曲線可以看出，這種情況下巖石的抗剪強度是一個變量，它與試件 破壞時作用在剪裂面上的正應(yīng)力有關(guān)，即 2.4 2.4 巖石的強度性質(zhì)巖石的強度性質(zhì) 返回 3、巖石的抗剪強度 二、巖石強度的種類 （3）摩擦強度 摩擦強度是指巖石試件內(nèi)已經(jīng)有斷裂面時，在某一法向壓力作 用下所能抵抗剪切破壞的能力。由于巖石試件已經(jīng)剪斷而失去粘結(jié) 內(nèi)聚力（C=0），這時得出的抗剪強度僅是由內(nèi)摩擦阻力所造成的， 故稱為摩擦強度，又稱為殘余抗剪強度。其加載方式和強度特性關(guān) 系參見圖c。此時其值為： （4）重剪強度 重剪強度是指巖石試件內(nèi)部存在不完全斷裂面時，在某一法向 壓力作用下抵抗剪切破壞的能力。這種

56、情況與自然界巖石或多或少 都存在裂隙面相近似，所以更能較為實際地反應(yīng)巖石的實際抗剪強 度。其加載方式和強度特性關(guān)系參見圖d，此時： 2.4 2.4 巖石的強度性質(zhì)巖石的強度性質(zhì) 返回 3、巖石的抗剪強度 二、巖石強度的種類 2.4 2.4 巖石的強度性質(zhì)巖石的強度性質(zhì) 返回 二、巖石強度的種類 4、多軸抗壓強度 多軸抗壓強度是指在其他方向壓力固定不變的條件下，變化一 個方向即軸向壓力，至巖石破壞時的最大值。巖石的多軸抗壓強度 主要通過實驗測定，應(yīng)用較廣的是巖石的三軸抗壓強度，它是指巖 石試件在三軸壓力作用下所能承受的最大軸向壓應(yīng)力。 通過巖石的變形曲線（參見上節(jié)圖）可以看出，隨著圍壓的增 大，

57、巖石的抗壓強度也不斷增大。 2.4 2.4 巖石的強度性質(zhì)巖石的強度性質(zhì) 返回 三、巖石的破壞機理和強度影響因素 1、巖石的破壞機理 巖石在外力作用下首先發(fā)生不同形式的變形，繼而產(chǎn)生微細裂 縫和破裂，如果這種狀況不斷發(fā)展，則將導致巖石試件最終破壞， 即試件分解為兩個或更多個部分。 任何材料的破壞，從不同部分離散的狀態(tài)來看，不外是離散的 部分相互遠離或錯開。所以物體的破壞機理歸結(jié)到底只有兩種，即 拉斷和剪切，因此巖石的破壞從機理上來說也只有拉壞和剪壞，而 通常所說的巖石被“壓壞”，從力學角度來看實質(zhì)上是不存在的。 例如，在進行單向壓縮試驗時，根據(jù)試驗機加壓板造成的約束 條件不同，以及試件上下受載

58、端面光滑程度的不同，試件既可能出 現(xiàn)拉壞，也可能出現(xiàn)剪壞。通常加壓板與巖石試件端面之間的摩擦 越大，則巖石試件出現(xiàn)剪切破壞的可能性就越大。 2.4 2.4 巖石的強度性質(zhì)巖石的強度性質(zhì) 返回 三、巖石的破壞機理和強度影響因素 2、巖石強度影響因素 巖石的抗壓強度是反映巖石力學性質(zhì)的主要指標之一。它在巖 體工程分類、建筑材料選擇及工程巖體穩(wěn)定性評價計算中都是必不 可少的指標。實驗研究表明，巖石的抗壓強度受一系列因素的影響 和控制。 這些因素包括兩個方面：一方面是巖石本身的因素，如礦物組 成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造及含水狀態(tài)等；另一方面是實驗條件，如試件形狀、 大小、高徑比及加工精度、加載速率等。 2.4 2.

59、4 巖石的強度性質(zhì)巖石的強度性質(zhì) 返回 三、巖石的破壞機理和強度影響因素 2、巖石強度影響因素 （1）巖石本身的影響 a 巖石的礦物組成 巖石的礦物組成是影響其抗壓強度的重要因素之一。一般來說， 含強度高的礦物（如石英、長石、角門石、輝石及橄欖石等）較多 時，巖石強度就高；相反，含軟弱礦物（如云母、黏土礦物、滑石 及綠泥石等）較多時，強度就低。石英巖、花崗巖、閃長巖等巖石 的抗壓強度一般為100-300Mpa，最高可達350MPa，而頁巖、黏土巖 和千枚巖等巖石的抗壓強度最高不超過100Mpa。 2.4 2.4 巖石的強度性質(zhì)巖石的強度性質(zhì) 返回 三、巖石的破壞機理和強度影響因素 2、巖石強度

60、影響因素（1）巖石本身的影響 b 巖石的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造 巖石的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造對強度的影響，主要表現(xiàn)在礦物顆粒間的連 結(jié)、顆粒大小與形狀、空隙性等，一般來說，具有結(jié)晶連結(jié)的巖石 強度比非結(jié)晶連結(jié)的高；細粒結(jié)構(gòu)的巖石強度比粗粒結(jié)構(gòu)的巖石強 度高，這是因為細結(jié)晶的巖石顆粒間接觸面積大，連結(jié)力增強的緣 故。由粒柱狀礦物組成的巖石，其強度高且一般不屬于各向異性； 而片狀、鱗片狀礦物組成的巖石，不僅強度低，而且往往具有較強 的各向異性。對于膠結(jié)連結(jié)的巖石，其強度主要取決于膠結(jié)物成分。 硅質(zhì)膠結(jié)的強度最高，鐵鈣質(zhì)膠結(jié)的次之，泥質(zhì)膠結(jié)的最低。 巖石空隙性常反映它的密實程度，空隙度越大，強度越低。強 度隨著其密度減小而