工程地質(zhì)學(xué)理論—巖石的工程地質(zhì)的基本性質(zhì)

1、工程地質(zhì)學(xué)理論巖石的工程地質(zhì)的基本性質(zhì)第五章 巖石的工程地質(zhì)性質(zhì)第一節(jié) 巖石與土工程地質(zhì)性質(zhì)的差別第二節(jié) 巖石的物理、水理性質(zhì)第三節(jié) 巖石的力學(xué)性質(zhì)中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 22022/7/12第一節(jié) 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)、重結(jié)晶等成巖作用形成巖石。巖石經(jīng)風化作用，形成土。堅硬巖石軟弱巖石半成巖石堅硬土層軟弱土層巖石風化作用土 成巖作用巖石巖石與土之間，即存在多方面的共性和聯(lián)系，又有明顯不同:巖石在力學(xué)性能、抗水性、完整性等都比土好的多。但也有些巖石與土很難區(qū)別，如粘土巖、泥灰?guī)r

2、、凝灰?guī)r等?？偟膩碚f，巖石的建筑條件比土體要優(yōu)越的多，土體中出現(xiàn)的問題，對巖體就顯得十分微弱或不存在了。中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 32022/7/12巖石與土之間的差別，主要表現(xiàn)在：（1）巖石礦物顆粒間具有牢固的連結(jié)。（巖石區(qū)別于土并賦予巖石以優(yōu)良工程地質(zhì)性質(zhì)的主要原因） 巖石結(jié)晶連結(jié)、膠結(jié)連結(jié) 土 水膠連結(jié)、水 連 結(jié)（2）巖石具有強度高、不易變形以及整體性和抗水性好，其中存在著結(jié)構(gòu)面（帶）。如斷層、節(jié)理等，使巖體受到不同程度切割。土體中一般沒有這種結(jié)構(gòu)面切割。 巖體結(jié)構(gòu)面切割巖塊力學(xué)性質(zhì)各向異性 土體很少有結(jié)構(gòu)面土體可以看作各向同性（3）巖體中具有較高的地應(yīng)力。（巖體在長期地質(zhì)歷史過程中，遭受

3、地質(zhì)構(gòu)造作用的結(jié)果） 巖體自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力物理力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜 土體自重應(yīng)力2022/7/12中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 4中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 52022/7/12巖石:礦物、巖屑的集合體。結(jié)構(gòu)面:指地質(zhì)歷史發(fā)展過程中，在巖體內(nèi)形成的具有一定的延伸方向和長度，厚度相對較小的地質(zhì)界面或帶。巖塊:指不含顯著結(jié)構(gòu)面的巖石塊體，是構(gòu)成巖體的最小巖石單元體。巖體:指地質(zhì)歷史過程中形成的，由巖塊和結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)組成的，具有一定的結(jié)構(gòu)并賦存于一定的天然應(yīng)力狀態(tài)和地下水等地質(zhì)環(huán)境中的地質(zhì)體。第二節(jié) 巖石的物理性質(zhì)中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 62022/7/12巖石和土一樣，也是由固體、液體和氣體三相組成的。物理性質(zhì)：物理性質(zhì)

4、是指巖石由于三相組成的相對比例關(guān)系不同所表現(xiàn)的物理狀態(tài)。水理性質(zhì)：巖石在水溶液作用下表現(xiàn)出來的性質(zhì)，稱為水理性質(zhì)中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 72022/7/12一、巖石的密度是指單位體積內(nèi)巖石的質(zhì)量，單位為g/cm3 ，巖石密度可分為巖石顆粒密度和巖石塊體密度。 1、巖石顆粒密度(s)： 是指巖石固體相部分的質(zhì)量與其體積的比值。 s= ms/Vs它不包括空隙，故其大小僅取決于組成巖石的礦物密度及其含量。巖石顆粒密度屬實測指標，常用比重瓶進行測定。2、巖石塊體密度()：指巖塊質(zhì)量與其體積之比值，即巖塊單位體積的質(zhì)量。 =m/V巖石塊體密度除與礦物成分有關(guān)外，還與巖石的空隙性及含水狀態(tài)密切有關(guān)。致密而裂

5、隙不發(fā)育的巖石，塊體密度與顆粒密度接近；隨空隙、裂隙的增加，塊體密度相應(yīng)減少。注意：（1）s與的區(qū)別 (s)（2）s與的單位 （g/cm3, kN/m3） （3）測試方法（s-比重瓶法；-量積法）中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 82022/7/12二、巖石的空隙性巖石孔隙性和裂隙性的統(tǒng)稱，用空隙率表示。巖石空隙率是巖石中空隙體積與巖石總體積之比，以百分數(shù)表示。巖石的空隙有的與大氣相通稱開空隙，有的與大氣 不相通稱閉空隙。開空隙按開啟程度有大、小之分，故把巖石的空隙率分為總空隙率、總開空隙率、大開空隙率、小開空隙率和閉空隙率。其計算公式如下：中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 92022/7/12巖石的空隙(裂隙、孔隙

6、) 閉空隙開空隙大開空隙小開空隙總空隙率(n)總開空隙率(no)大開空隙率(nb)小開空隙率(na)閉空隙率(nc)中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 102022/7/12隙比巖石空隙率第三節(jié) 巖石的水理性質(zhì)巖石在水溶液作用下表現(xiàn)出來的性質(zhì)，稱為水理性質(zhì)。主要有巖石的吸水性、軟化性、抗凍性及透水性等。一、巖石的吸水性定義：巖石在一定的試驗條件下吸收水分的能力，稱為巖石的吸水性。常用吸水率、飽和吸水率和飽水系數(shù)等指標表示。1.吸水率(Wa)：巖石試件在大氣壓力和室溫條件下自由吸入水的質(zhì)量(mw1)與巖樣干質(zhì)量(ms)之比，用百分數(shù)表示巖石吸水率的大小，主要取決于巖石中空隙和裂隙的數(shù)量、大小及其開啟程度，此與

7、巖石成因及巖性有關(guān)。中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 112022/7/12中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 122022/7/122.飽和吸水率巖石的飽和吸水率(Wsat)是指巖石試件在高壓(一般為15MPa)或真空條件下吸入水的質(zhì)量(mw2)與巖樣干質(zhì)量(ms)之比，用百分數(shù)表示:巖石的飽和吸水率也是表示巖石物理性質(zhì)的一個重要指標。3.飽水系數(shù)巖石的吸水率(Wa)與飽和吸水率(Wsat)之比，稱為飽水系數(shù)。它反映了巖石中大、小開空隙的相對比例關(guān)系。中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 132022/7/12二、巖石的軟化性巖石浸水飽和后強度降低的性質(zhì)，稱為軟化性。用軟化系數(shù)表示。軟化系數(shù)(KR)為巖石試件的飽和抗壓強度(cw)與

8、干抗壓強度(c)的比值。中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 142022/7/12顯然KR 愈小，巖石軟化性愈強，巖石的軟化性取決于巖石的礦物組成與空隙性，當巖石中含有較多的親水性和可溶性礦物，大開空隙較多，巖石的軟化性較強，軟化系數(shù)較小。KR，巖石的軟化性弱，工程地質(zhì)性質(zhì)較好；KR，巖石軟化性較強，工程地質(zhì)性質(zhì)較差。三、巖石的抗凍性巖石抵抗凍融破壞的能力，稱為抗凍性和質(zhì)量損失率來表示。抗凍系數(shù)(Rd)：巖石試件經(jīng)反復(fù)凍融后的干抗壓強度(c2)與凍融前干抗壓強度(c1)之比，用百分數(shù)表示中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 152022/7/12質(zhì)量損失率(Km)：凍融試驗前后干質(zhì)量之差(ms1ms2)與試驗前干質(zhì)量(ms

9、1)之比，以百分數(shù)表示中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 162022/7/12Rd75，Km2，抗凍性高;吸水率Wa5、軟化系數(shù)KR，飽水系數(shù)小于的巖石，抗凍性高。四、巖石的透水性在一定的水力梯度或壓力差作用下，巖石能被水透過的性質(zhì)，稱為透水性。一般認為，水在巖石中的流動，如同水在土中流動一樣，也服從于線性滲流規(guī)律達西定律，即滲透系數(shù)是表征巖石透水性的重要指標。其大小取決于巖石中空隙的數(shù)量、規(guī)模及連通情況等，并可在室內(nèi)根據(jù)達西定律測定。中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 172022/7/12第三節(jié) 巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石的力學(xué)性質(zhì)是巖石在外力作用下所表現(xiàn)出來的性質(zhì)。在外力作用下，巖石首先產(chǎn)生變形，這種變形可分為彈性變形和

10、塑性變形。彈性變形是物體受力發(fā)生的全部變形，在外力解除的同時立即消失。因而是可逆變形；塑性變形是物體受力后，在外力解除后，變形不再恢復(fù)，是不可逆變形，又稱為永久變形或殘余變形。隨著力的不斷增加，當達到或超過某一極限值時，巖石便產(chǎn)生破壞。巖石抵抗外力破壞的能力稱為強度。根據(jù)破壞的應(yīng)力類型，巖石破壞有拉破壞、剪破壞和流動破壞。由于受力狀態(tài)和破壞形式的不同，巖石強度又可分為單軸抗壓強度、單軸抗拉強度、抗剪強度等。研究巖石的力學(xué)性質(zhì)，一般是通過室內(nèi)巖石力學(xué)試驗進行研究，主要研究巖石的變形破壞與強度性質(zhì)。中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 賈洪彪182022/7/12一、單軸壓縮條件下的巖石變形（一） 連續(xù)加載 中國

11、地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 192022/7/121、變形階段空隙壓密階段(OA)：曲線呈上凹型峰值前變形階段峰值后變形階段oABCDE(+) (-) L V d 破壞后階段(DE)全過程曲線前過程曲線非穩(wěn)定發(fā)展階段(CD) D點:峰值強度微裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段(BC) C點:屈服強度彈性變形階段(AB) B點:彈性極限2、峰值前巖塊的變形特征 中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 賈洪彪202022/7/12彈性型彈-塑性型塑-彈性型塑-彈-塑性型1塑-彈-塑性型2彈性-蠕變型3、巖石的變形參數(shù)1)變形模量（modulus of deformation)是指單軸壓縮條件下，軸向壓應(yīng)力與軸向應(yīng)變之比。當應(yīng)力-應(yīng)變?yōu)橹本€關(guān)系

12、時，變形模量為常量，數(shù)值上等于直線的斜率。該模量又稱為彈性模量)中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 212022/7/12oLii當應(yīng)力-應(yīng)變曲線為“S”型 ，常用的有初始模量、切線模量和割線模量。初始模量(i)指曲線原點處切線斜率：切線模量(t)指曲線上任一點處切線的斜率，在此特指中部直線段的斜率：割線模量(s)指曲線上某特定點與原點連線的斜率，通常取c處的點與原點連線的斜率：中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 222022/7/12Lo2501i1502i2)泊松比():是指在單軸壓縮條件下，橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變之比，即在實際工作中，常采用/處的橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變來計算巖塊的泊松比。巖塊的變形模量和泊松比受巖石礦物組成

13、、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、風化程度、空隙性、含水率、微結(jié)構(gòu)面及其與荷載方向的關(guān)系等多種因素的影響，變化較大。中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 232022/7/12（二） 循環(huán)加載中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 242022/7/122. 卸荷點（P）的應(yīng)力高于巖石的彈性極限(A)，則卸荷曲線從原來的加荷曲線偏離出來。1. 卸荷點（P）的應(yīng)力低于巖石的彈性極限(A)，則卸荷曲線將基本上沿加荷回到原點，表現(xiàn)為彈性恢復(fù)（圖）。3.如反復(fù)加、卸荷多次，可得到如下圖所示的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，由圖可見，每次加荷曲線與卸荷曲線都不重合，圍成一環(huán)行面積，稱為回滯環(huán)。當每次卸荷后再加荷到原來荷載并繼續(xù)增加時（圖a），則曲線沿著單調(diào)加荷曲線上升，其形

14、狀與連續(xù)加荷情況基本一致。說明反復(fù)受載過程并未改變巖石變形的習(xí)性。當應(yīng)力在彈性極限以上的某一較高應(yīng)力下反復(fù)加荷卸荷時（圖b），將導(dǎo)致變形進一步增加，直至破壞。破壞時的應(yīng)力低于峰值強度，通常稱為疲勞強度。(巖石記憶、回滯環(huán)、疲勞破壞）中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 賈洪彪252022/7/12中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 262022/7/12二、單軸受力條件下的巖石的強度巖石強度：巖石抵抗外力破壞的能力，按外力的性質(zhì)不同，又可分為抗壓強度、抗拉強度及剪切強度等。中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 272022/7/12巖塊破壞方式 脆性破壞塑性破壞(延性破壞）拉破壞剪切破壞1、定義：在單向壓縮條件下，巖石能承受的最大壓應(yīng)力，

15、稱為單軸抗壓強度，簡稱抗壓強度（MPa） 。 2、意義衡量巖塊基本力學(xué)性質(zhì)的重要指標巖體工程分類、建立巖體破壞判據(jù)的重要指標用來大致估算其他強度參數(shù) 3、測定方法抗壓強度試驗式中為抗壓強度(MPa)；p為巖石試件受壓破壞時的荷載(N); A為試件的斷面積(mm2)。中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 282022/7/12試樣p一、單軸抗壓強度c二、單軸抗拉強度t1.定義： 單向拉伸條件下，巖石能承受的最大拉應(yīng)力，稱為巖石的抗拉強度。2.意義： 衡量巖體力學(xué)性質(zhì)的重要指標 用來建立巖石強度判據(jù)，確定強度包絡(luò)線 選擇建筑石材不可缺少的參數(shù) 3.測定方法： 直接拉伸 間接法(劈裂法、點荷載法、三點彎曲法)中國地

16、質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 292022/7/12中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 302022/7/12直接拉伸法是將圓柱狀試件兩端固定在材料試驗機的拉伸夾具內(nèi)，然后對試件施加軸向拉荷載至破壞。PtPt中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 312022/7/12劈裂試驗是用圓柱體或立方體試件，橫置于壓力機的承壓板上，且在試件上、下承壓面上各放一根墊條。然后以一定的加荷速率加壓，直至試件破壞。中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 322022/7/12在線布荷載(p)作用下，沿試件豎直向直徑平面內(nèi)產(chǎn)生的近于均布的水平拉應(yīng)力x=2p/DL在水平向直徑平面內(nèi)產(chǎn)生的壓應(yīng)力y= 6p/ DL抗拉強度:（圓形試樣）（方形試樣）中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 33202

17、2/7/12點荷載試驗是將試件放在點荷載儀中的球面壓頭間，加壓至試件破壞，利用破壞荷載求巖塊的點荷載強度。 點荷載強度抗拉強度2022/7/12中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 341、定義：在剪切荷載作用下，巖（石）塊抵抗剪切破壞的最大剪應(yīng)力，稱為剪切強度2、類型： （1）抗剪斷強度：指試件在一定的法向應(yīng)力作用下，沿預(yù)定剪切面剪斷時的最大剪應(yīng)力。它反映了巖石的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦阻力。 （2）抗切強度： 指試件上的法向應(yīng)力為零時，沿預(yù)定剪切面剪斷時的最大剪應(yīng)力。它反映了巖石的內(nèi)聚力。 （3）抗剪（摩擦）強度： 指試件在一定的法向應(yīng)力作用下，沿已有破裂面（層面、節(jié)理等）再次剪切破壞時的最大剪應(yīng)力。它反映了巖石中

18、微結(jié)構(gòu)面或人工破壞面上的阻力。中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 352022/7/12三、剪切強度中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 362022/7/123、意義 反映巖塊的力學(xué)性質(zhì)的重要指標 用來估算巖體力學(xué)參數(shù)及建立強度判據(jù) 4、測試方法 直剪試驗 變角板剪切試驗 三軸試驗 中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 372022/7/12直剪試驗在直剪儀上進行，按庫侖定律求巖塊的剪切強度參數(shù)C、值。三、三軸壓縮條件下巖石的變形與強度1、三軸試驗 382022/7/12（1）真三軸試驗 123 （2）假三軸或常規(guī)三軸試驗 12=3 2、圍壓對變形破壞的影響中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 賈洪彪392022/7/121）巖石破壞前應(yīng)變隨圍壓3增大而增大。左下圖中的大理巖，在圍壓為0或較低、50、1