巖石的工程性質(zhì)課件

1、巖石的工程性質(zhì)任務(wù)2.1 巖石的工程性質(zhì) 巖石的相對(duì)密度：在數(shù)值上，它等于巖石試件的總質(zhì)量（含孔隙中水的質(zhì)量）與其總體積（含孔隙體積）之比。巖石相對(duì)密度的大小，取決于組成巖石的礦物相對(duì)密度及其在巖石中的相對(duì)含量。一般巖石的相對(duì)密度約在2.65左右，相對(duì)密度大的可達(dá)3.3。對(duì)于同一種巖石，若密度大的結(jié)構(gòu)致密、孔隙性小，強(qiáng)度和穩(wěn)定相對(duì)較高。 巖石的密度巖石相對(duì)密度巖石固體部分（不含孔隙）的重力與同體積水在4C時(shí)重力的比值飽和密度巖石中的孔隙全部被水充滿時(shí)的密度干密度巖石孔隙中完全沒(méi)有水存在時(shí)的密度巖石的物理性質(zhì)：它是巖石的基本工程性質(zhì)，主要是指巖石的密度和孔隙性。巖石的密度： 巖石的孔隙率（或稱孔

2、隙度）是指巖石中孔隙（含裂隙）的體積與巖石總體積之比值，常以百分?jǐn)?shù)表示 巖石孔隙率的大小，主要取決于巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，同時(shí)也受風(fēng)化作用、巖漿作用、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及變質(zhì)作用的影響。由于巖石中孔隙、裂隙發(fā)育程度變化很大，其孔隙率的變化也很大?？障缎粤?xí)慣用孔隙性來(lái)代替。即巖石的孔隙性反映巖石中孔隙、裂隙的發(fā)育程度。巖石的孔隙性： 巖石的空隙性巖石的孔隙性巖石的裂隙性用空隙率、孔隙率、裂隙率來(lái)表示巖石的發(fā)育程度巖石的孔隙率，%。巖石中孔隙（含裂隙）的體積，cm3巖石的總體積，cm3巖石名稱相對(duì)密度ds重度/(kN/m-3)孔隙率n/%花崗巖2.502.8423.028.00.042.80正長(zhǎng)巖2.502.90

3、24.028.5閃長(zhǎng)巖2.603.1025.229.60.185.00輝長(zhǎng)巖2.703.2025.529.80.294.00輝綠巖2.603.1025.329.70.295.00玄武巖2.503.3025.031.00.307.20安山巖2.402.8023.027.01.104.50凝灰?guī)r2.502.7022.925.01.507.50礫巖2.672.7124.026.60.8010.00砂巖2.602.7522.027.11.6028.30頁(yè)巖2.572.7723.027.00.4010.00石灰?guī)r2.402.8023.027.70.5027.00泥灰?guī)r2.702.8023.025.01.

4、0010.00白云巖2.702.9021.027.00.3025.00片麻巖2.603.1023.030.00.702.20花崗片麻巖2.602.8023.033.00.302.40片巖2.602.9023.026.00.021.85板巖2.702.9023.127.50.100.45大理石2.702.9026.027.00.106.00石英巖2.532.8428.033.00.108.70蛇紋巖2.402.8026.00.102.50石英片巖2.602.8028.029.00.703.00 常見(jiàn)巖石的物理性質(zhì)二、巖石的水理性質(zhì)（1）巖石的吸水率 式中：1 巖石吸水率，%。 Gw巖石在常壓下所

5、吸水分的重力，kN Gs干燥巖石的重力，kN。巖石名稱吸水率1 / %飽水率2 / %飽水因數(shù)/ %花崗巖0.460.840.55玄武巖0.270.390.69云母片巖0.131.310.10砂巖7.0111.990.60石灰?guī)r0.090.250.36白云質(zhì)石灰?guī)r0.740.920.80巖石的吸水率與巖石的孔隙量、大小、開(kāi)閉程度和空間分布等因素有關(guān)。巖石的吸水率愈大，則水對(duì)巖石的侵蝕、軟化作用就愈強(qiáng)，巖石強(qiáng)度和穩(wěn)定性受水作用的影響也就愈顯著。巖石的水理性質(zhì)吸水性透水性溶解性軟化性抗凍性是指巖石與水作用時(shí)所表現(xiàn)的性質(zhì)1、吸水性:（2）巖石的飽水率（2）是指在高壓（15Mpa）或真空條件下巖石吸水

6、能力，仍以巖石所吸水分的重力與干燥巖石重力之比的百分?jǐn)?shù)表示。巖石名稱巖石滲透系數(shù)K/(ms-1)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)野外實(shí)驗(yàn)花崗巖10-710-1110-410-9玄武巖10-1210-210-7砂巖310-3810-810-3310-8頁(yè)巖10-9510-1310-810-11石灰?guī)r10-510-1310-310-7白云巖10-510-1310-310-7片巖10-8210-7吸水率飽水率飽水因數(shù)巖石飽水因數(shù)的大小與巖石的抗凍性有關(guān)，一般飽水因數(shù)小于0.8的巖石是抗凍的。 2、巖石的透水性：是指巖石允許水通過(guò)的能力。巖石的透水性大小，主要取決于巖石孔隙、裂隙的大小和連通情況。巖石的透水性用滲透系數(shù)（K）

7、來(lái)表示。巖石的軟化性：是指巖石在水的作用下，強(qiáng)度和穩(wěn)定性降低的性質(zhì)。巖石的軟化性主要取決于巖石的礦物成分和結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征。巖石中粘土礦物含量高、孔隙率大、吸水率高、則易于與水作用而軟化，使其強(qiáng)度和穩(wěn)定性大大降低甚至喪失。 巖石的軟化性指標(biāo)為軟化因數(shù)，它等于巖石在飽水狀態(tài)下的極限抗壓強(qiáng)度與巖石風(fēng)干狀態(tài)下極限抗壓強(qiáng)度的比值。未受風(fēng)化影響的巖石，軟化因數(shù)接近于1，是弱軟化或不軟化的巖石，其抗水、抗風(fēng)化和抗凍性強(qiáng)；軟化因數(shù)小于0.75的巖石，為強(qiáng)軟化的巖石，工程性質(zhì)較差。巖石名稱軟化因數(shù)巖石名稱軟化因數(shù)花崗巖0.720.97泥質(zhì)砂巖、粉砂巖0.210.75閃長(zhǎng)巖0.600.80泥巖0.400.60閃長(zhǎng)玢

8、巖0.780.81頁(yè)巖0.240.74輝綠巖0.330.90石灰?guī)r0.700.94礫巖0.500.96硅質(zhì)板巖0.750.79砂巖0.93泥質(zhì)板巖0.390.52巖石的溶解性：是指巖石溶解于水的性質(zhì)。常見(jiàn)的可溶性巖石有石灰?guī)r、白云巖、石膏、巖鹽等。巖石的溶解性，主要取決于巖石的化學(xué)成分，但和水的性質(zhì)有密切關(guān)系，如富含CO2的水，則具有較大的溶解能力。巖石的抗凍性：是指巖石抵抗冰凍作用的能力。 巖石的抗凍性，與巖石的飽水因數(shù)、軟化因數(shù)有著密切關(guān)系。一般是飽水因數(shù)愈小，巖石的抗凍性愈強(qiáng)。易于軟化的巖石，其抗凍性也低。溫度變化劇烈，巖石反復(fù)凍融，則降低巖石的抗凍能力。 巖石的抗凍性，一般用巖石在抗凍

9、試驗(yàn)前后抗壓強(qiáng)度的降低率表示?？箟簭?qiáng)度降低率小于20%25%的巖石，為抗凍的；大于25%的巖石，為非抗凍的。三、巖石的力學(xué)性質(zhì)主要包括變形和強(qiáng)度。巖石在外力作用下首先是變形，當(dāng)外力繼續(xù)增加，達(dá)到或超過(guò)某一極限時(shí)，便開(kāi)始破壞。巖石的變形與破壞是巖石受力后發(fā)生變化的兩個(gè)階段。巖石抵抗外荷而不破壞的能力稱巖石強(qiáng)度，荷載過(guò)大并超過(guò)巖石能承受的能力時(shí)，便造成破壞。按外力作用方式不同將巖石強(qiáng)度分抗壓強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度巖石單向受壓時(shí)，抵抗壓碎破壞的最大軸向壓應(yīng)力稱為巖石的極限抗壓強(qiáng)度，簡(jiǎn)稱抗壓強(qiáng)度（R)。R=P/A P-試樣破壞時(shí)的總壓力A巖石受壓截面面積影響抗壓強(qiáng)度的因素： （1）巖石礦物成分、

10、顆粒大小、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的影響； （2）受巖石風(fēng)化程度影響； （3）飽和條件下巖石抗壓強(qiáng)度小于天然狀態(tài)或干燥條件下巖石的抗壓強(qiáng)度；試驗(yàn)條件的影響。 2. 抗拉強(qiáng)度 巖石在單向拉伸破壞時(shí)的最大拉應(yīng)力，稱為抗拉強(qiáng)度（L) L=pA抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)一般有軸向拉伸法和劈裂法，實(shí)際常利用其與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系間接確定?？估瓘?qiáng)度主要決定于巖石礦物組成之間的粘聚力的大小。巖石名稱抗壓強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度抗切強(qiáng)度巖石名稱抗壓強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度抗切強(qiáng)度花崗巖100-25014-507-25石灰?guī)r30-25010-505-25玄武巖150-30020-6010-30板巖100-20015-307-20頁(yè)巖5-1003-302-10石英巖1

11、50-30020-6010-30 表2-1-5 據(jù)巖石受剪時(shí)的條件不同把抗剪切強(qiáng)度分為抗剪強(qiáng)度：兩塊巖樣在垂直接合面上一定壓應(yīng)力的作用下，巖樣接觸面之間所能承受的最大剪切力?？骨袕?qiáng)度：巖石剪斷面上無(wú)正壓應(yīng)力下，剪斷時(shí)的最大剪應(yīng)力值，它是測(cè)定巖石粘聚力的一種方法?？辜魯鄰?qiáng)度：巖石剪斷面上有一定的壓應(yīng)力作用時(shí)，被剪斷時(shí)的最大剪應(yīng)力值。 3. 抗剪斷強(qiáng)度（） 巖石在一定的壓力條件下，被剪破時(shí)的極限剪切應(yīng)力值 。 四、影響巖石工程性質(zhì)的因素1.內(nèi)因組成巖石的礦物：組成巖石的礦物硬度大則巖石的強(qiáng)度高，巖石的相對(duì)密度大則強(qiáng)度大。巖石的結(jié)構(gòu)：一般巖漿巖、沉積巖中的礦物間為結(jié)晶聯(lián)結(jié)，結(jié)合力強(qiáng)工程性質(zhì)較好。而沉

12、積巖中碎屑巖膠結(jié)連結(jié)，其強(qiáng)度主要取決于碎屑成分，膠結(jié)物的成分及膠結(jié)類型等。巖石的構(gòu)造：巖石中礦物成分分布不均勻，常使一些強(qiáng)度低、易風(fēng)化的礦物定向富集，影響巖石的強(qiáng)度變化。 2.外因（1）巖石的風(fēng)化風(fēng)化作用使巖體原生裂隙大，并增加新的風(fēng)化裂隙，改變了巖石的物理、水理性質(zhì)，導(dǎo)致巖體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性大為降低。巖石風(fēng)化發(fā)生于地殼表層，當(dāng)成巖環(huán)境與地表環(huán)境差異愈大時(shí)，巖石的抗風(fēng)化能力愈弱。歸納為兩方面影響巖石工程性質(zhì)的因素巖石的礦物組成不同，由其化學(xué)活潑性所決定的抗風(fēng)化能力亦不相同。巖漿巖抗風(fēng)化能力由大至小的順序是:酸性巖(花崗巖中性巖(閃長(zhǎng)巖/安山巖)基性巖(玄武巖)超基性巖(橄欖巖)；變質(zhì)巖抗風(fēng)化能力

13、由大到小的順序是:淺變質(zhì)巖中等變質(zhì)巖深變質(zhì)巖；一般說(shuō)沉積巖的抗風(fēng)化能力比巖漿巖及變質(zhì)巖高, 粘土礦物,鈣-鎂碳酸鹽類巖石易遭水化,水解及淋濾作用的影響。實(shí)踐證明,沉積巖中的泥巖/頁(yè)巖風(fēng)化速度很快。 整石帶塊石帶碎石帶粉碎帶地殼表層的巖石經(jīng)長(zhǎng)期風(fēng)化作用后,殘留原地的松散堆積物,稱為殘積物。覆蓋在地殼表面的風(fēng)化基巖上， 具有一定厚度的風(fēng)化巖石層稱為風(fēng)化殼,它是原巖在一定的地質(zhì)歷史時(shí)期各種因素綜合作用的產(chǎn)物。巖石的風(fēng)化是由表及里的,地表部分受風(fēng)化作用的影響最顯著,由地表往下風(fēng)化作用的影響逐漸減弱以至消失。風(fēng)化巖層風(fēng)化分帶 基本特性顏色礦物成分結(jié)構(gòu)、構(gòu)造破碎程度力學(xué)性質(zhì)其它特征劇風(fēng)化帶原巖完全變色，常

14、呈黃褐、棕紅等色除石英外，其余把部分礦物風(fēng)化為次生礦物結(jié)構(gòu)、構(gòu)造完全破壞，僅外觀保持原巖的狀態(tài)，礦物晶粒間市區(qū)膠結(jié)連結(jié)呈土狀，用手可折斷、捏碎強(qiáng)度很低，抗壓強(qiáng)度僅為新鮮巖石的1/4錘擊聲啞，鐵鎬可挖動(dòng)強(qiáng)風(fēng)化帶大部分變色，巖塊中心較新鮮礦物大部分風(fēng)化為次生礦物結(jié)構(gòu)、構(gòu)造大部分破壞巖石呈干砌石狀，巖塊上裂紋密布，疏松易碎強(qiáng)度較低，抗壓強(qiáng)度低于新鮮巖石的1/3錘擊聲啞，鐵鎬開(kāi)挖，偶爾需爆破弱風(fēng)化帶巖體表面及裂隙面大部分變色，斷口顏色仍較新鮮沿裂隙面礦物變質(zhì)明顯，有次生礦物出現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)造大部分完好巖體一般完好，原生結(jié)構(gòu)構(gòu)造清晰，風(fēng)化裂隙發(fā)育強(qiáng)度較原巖低，抗壓強(qiáng)度僅為1/3-2/3錘擊發(fā)聲不夠清脆，需爆破

15、微風(fēng)化帶僅沿裂隙面顏色略有改變僅沿裂隙面有礦物輕微變質(zhì)，并有鐵銹結(jié)構(gòu)構(gòu)造未變巖體完整性好，風(fēng)化裂隙少見(jiàn)與新鮮巖石相差無(wú)幾，不易區(qū)別錘擊發(fā)聲清脆，需爆破開(kāi)挖（2)水的影響：巖石浸水飽和后其強(qiáng)度會(huì)降低，這是巖石軟化性的表現(xiàn)。五、巖石的工程分類、分級(jí)巖石按強(qiáng)度分類硬質(zhì)巖石極限抗壓強(qiáng)度大于30MP如花崗巖、閃長(zhǎng)巖、玄武巖、石英砂巖、石灰?guī)r、大理巖、石英巖軟質(zhì)巖石極限抗壓強(qiáng)度5-30MP如鈣質(zhì)頁(yè)巖、泥質(zhì)砂巖、千枚巖、片巖極軟巖石極限抗壓強(qiáng)度小于5MP如粘土巖、泥質(zhì)頁(yè)巖、泥灰?guī)r巖石按工程分級(jí)軟石各種松軟巖石、鹽巖、膠結(jié)不緊的礫巖、泥質(zhì)頁(yè)巖、砂巖、泥灰?guī)r、節(jié)理較多的石灰?guī)r次堅(jiān)石 硅質(zhì)頁(yè)巖、硅質(zhì)砂巖、白云巖、

16、石灰?guī)r、堅(jiān)實(shí)的泥灰?guī)r、軟玄武巖、片麻巖、正長(zhǎng)巖、花崗巖堅(jiān)石硬玄武巖，堅(jiān)實(shí)的石灰?guī)r、大理巖、石英巖、閃長(zhǎng)巖、粗?；◢弾r、正長(zhǎng)巖等硬質(zhì)巖石：作為建筑石材。軟質(zhì)巖石：不僅強(qiáng)度低，而且抗水性也差，在水的長(zhǎng)期作用下，其內(nèi)部的聯(lián)結(jié)力會(huì)逐漸降低，甚至失去。在工程上，根據(jù)巖石飽和單軸極限抗壓強(qiáng)度分為三類：六、巖體工程地質(zhì)力學(xué)巖石巖體地質(zhì)體巖體擁有復(fù)雜的原生結(jié)構(gòu)和多期的構(gòu)造遺跡。巖石是巖體的物質(zhì)基礎(chǔ)，它具有原生結(jié)構(gòu)面和多樣的層組組合。巖體層組結(jié)構(gòu)特征不同，其工程地質(zhì)特性也各不相同。 巖體工程地質(zhì)力學(xué) 是運(yùn)用地質(zhì)力學(xué)和巖體力學(xué)的理論基礎(chǔ)和方法研究巖體在受力條件下變形破壞的機(jī)制、物理狀態(tài)和力學(xué)屬性，最后結(jié)合工程要求

17、，作出巖體穩(wěn)定分析計(jì)算和評(píng)價(jià)。巖體結(jié)構(gòu) 是巖體中的結(jié)構(gòu)面以及被這些結(jié)構(gòu)面相互切割而成的結(jié)構(gòu)體共同組合的型式。巖體結(jié)構(gòu)的兩大要素結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)面（地質(zhì)界面）斷層面節(jié)理面裂隙面層面不整合面接觸面結(jié)構(gòu)體由地質(zhì)界面切割的形狀不一、大小不等的各種各樣的地質(zhì)塊體巖體工程地質(zhì)力學(xué)研究?jī)?nèi)容工程地質(zhì)巖組的劃分及其特征；巖體結(jié)構(gòu)及其類型劃分；褶皺斷裂系統(tǒng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的地質(zhì)力學(xué)分析；軟弱結(jié)構(gòu)面的形成過(guò)程及其特性；巖石和巖體的基本力學(xué)特性；巖體的裂隙滲透特性；巖體的變形，破壞機(jī)制；巖體的應(yīng)力狀態(tài)和穩(wěn)定性分析；巖體動(dòng)力學(xué)特性； 測(cè)試技術(shù)及方法研究。巖體結(jié)構(gòu)的兩大要素巖體工程地質(zhì)力學(xué)研究的最終目的是：評(píng)價(jià)和研究巖體的穩(wěn)

18、定性。巖體穩(wěn)定性是個(gè)相對(duì)概念，即不同的工程建筑所要求的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)是不一樣的。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，存在下列條件時(shí)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性不利：1.邊坡及其鄰近地段已有滑坡、崩塌、陷穴等不良地質(zhì)現(xiàn)象存在。2.巖質(zhì)邊坡中有頁(yè)巖、泥巖、片巖等易風(fēng)化、軟化巖層或軟硬交互的不利巖層組合。3.軟弱結(jié)構(gòu)面與坡面傾向一致或交角小于45。，且結(jié)構(gòu)面傾角小于坡角，或基巖面傾向坡外且傾角較大。4.地層滲透性差異大，地下水在弱透水層或基巖面上積聚流動(dòng)；斷層及裂隙中有承壓水出露.5.坡上有水體漏水，水流沖刷坡腳或因河水位急劇升降引起岸坡內(nèi)動(dòng)力水的強(qiáng)烈作用。6.邊坡處于強(qiáng)震區(qū)或鄰近地段，采用大爆破施工。路塹邊坡穩(wěn)定路、橋地基穩(wěn)定隧道圍巖穩(wěn)定巖體的穩(wěn)定它是一個(gè)相對(duì)的概念，是指在一定的時(shí)間內(nèi)、一定的自然條件和人為因素的影響下，巖體不產(chǎn)生破壞性的剪切滑動(dòng)、塑性變形或張裂破壞。邊坡的穩(wěn)定性分析，是將已有的天然邊坡或人工邊坡的研究經(jīng)驗(yàn)(包括穩(wěn)定的或破壞的)，用于邊坡的穩(wěn)定性分析，如坡角或計(jì)算參數(shù)的取值、邊坡的處理措施等。一般巖質(zhì)邊坡容許坡度值如下：巖土類別巖土性質(zhì)容許坡度值(高寬比)坡高在8m以內(nèi)坡高在815m坡高在1530m硬質(zhì)巖石微風(fēng)化