工程地質學第五章巖石的工程地質性質

工程地質學第五章巖石的工程地質性質第1頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/281中國地質大學工程學院賈洪彪第五章巖石的工程地質性質第一節(jié)巖石與土工程地質性質的差別第二節(jié)巖石的物理、水理性質第三節(jié)巖石的力學性質第2頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/282中國地質大學工程學院賈洪彪第一節(jié)巖石與土工程地質性質的差別巖石和土都是礦物的集合體，是自然地質作用的產物，并在地質作用下相互轉化。土在一定溫度和壓力下，經過壓密、脫水、膠結、重結晶等成巖作用形成巖石。巖石經風化作用，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、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。第3頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/283中國地質大學工程學院賈洪彪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。（巖石區(qū)別于土并賦予巖石以優(yōu)良工程地質性質的主要原因）巖石——結晶連結、膠結連結土——水膠連結、水連結（2）巖石中存在著結構面（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構面切割。巖體——結構面切割——巖塊力學性質各向異性土體——沒有結構面——土體可以看作各向同性（3）巖體中具有較高的地應力。（巖體在長期地質歷史過程中，遭受地質構造作用的結果）巖體——自重應力、構造應力——物理力學性質復雜土體——自重應力第4頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/284中國地質大學工程學院賈洪彪巖石:礦物、巖屑的集合體。結構面:指地質歷史發(fā)展過程中，在巖體內形成的具有一定的延伸方向和長度，厚度相對較小的地質界面或帶。巖塊:指不含顯著結構面的巖石塊體，是構成巖體的最小巖石單元體。巖體:指地質歷史過程中形成的，由巖塊和結構面網絡組成的，具有一定的結構并賦存于一定的天然應力狀態(tài)和地下水等地質環(huán)境中的地質體。第二節(jié)巖石的物理、水理性質第5頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/285中國地質大學工程學院賈洪彪第6頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/286中國地質大學工程學院賈洪彪巖石和土一樣，也是由固體、液體和氣體三相組成的。物理性質：物理性質是指巖石由于三相組成的相對比例關系不同所表現(xiàn)的物理狀態(tài)。水理性質：巖石在水溶液作用下表現(xiàn)出來的性質，稱為水理性質第7頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/287中國地質大學工程學院賈洪彪一、巖石的密度

1、顆粒密度(ρs)

ρs=ms/Vs2、塊體密度(ρ)

ρ=m/V

注意：（1）ρs與ρ的區(qū)別(ρs>ρ)

（2）ρs與ρ的單位（g/cm3,kN/m3）（3）測試方法（ρs---比重瓶法；ρ--量積法）第8頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/288中國地質大學工程學院賈洪彪二、巖石的空隙性巖石的空隙(裂隙、孔隙)

閉空隙開空隙大開空隙小開空隙第9頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/289中國地質大學工程學院賈洪彪隙比巖石空隙率總空隙率(n)總開空隙率(no)大開空隙率(nb)小開空隙率(na)閉空隙率(nc)第10頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2810中國地質大學工程學院賈洪彪三、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。

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量(mw1)與巖樣干質量(ms)之比，用百分數表示第11頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2811中國地質大學工程學院賈洪彪2.飽和吸水率巖石的飽和吸水率(Wp)是指巖石試件在高壓(一般壓力為15MPa)或真空條件下吸入水的質量(mw2)與巖樣干質量(ms)之比，用百分數表示:第12頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2812中國地質大學工程學院賈洪彪3.飽水系數巖石的吸水率(Wa)與飽和吸水率(Wp)之比，稱為飽水系數。它反映了巖石中大、小開空隙的相對比例關系。第13頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2813中國地質大學工程學院賈洪彪四、巖石的軟化性巖石浸水飽和后強度降低的性質，稱為軟化性。軟化系數(KR)為巖石試件的飽和抗壓強度(σcw)與干抗壓強度(σc)的比值。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，軟化系數較小。KR＞0.75，巖石的軟化性弱，工程地質性質較好；KR＜0.75，巖石軟化性較強，工程地質性質較差。第14頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2814中國地質大學工程學院賈洪彪五、巖石的抗凍性巖石抵抗凍融破壞的能力，稱為抗凍性?？箖鱿禂?Rd)：巖石試件經反復凍融后的干抗壓強度(σc2)與凍融前干抗壓強度(σc1)之比，用百分數表示第15頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2815中國地質大學工程學院賈洪彪質量損失率(Km)：凍融試驗前后干質量之差(ms1－ms2)與試驗前干質量(ms1)之比，以百分數表示Rd＞75％，Km＜2％，抗凍性高;吸水率Wa＜5％、軟化系數KR＞0.75，飽水系數小于0.8的巖石，抗凍性高。第16頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2816中國地質大學工程學院賈洪彪六、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，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，即第17頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2817中國地質大學工程學院賈洪彪一、單軸壓縮條件下的巖塊變形（一）連續(xù)加載

1、變形階段空隙壓密階段(OA)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:彈性極限第三節(jié)巖石的力學性質第18頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2818中國地質大學工程學院賈洪彪2、峰值前巖塊的變形特征

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-蠕變型第19頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2819中國地質大學工程學院賈洪彪3、變形參數1)變形模量（modulusofdeformation)是指單軸壓縮條件下，軸向壓應力與軸向應變之比。應力-應變曲線為直線型(又稱為彈性模量)oLii第20頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2820中國地質大學工程學院賈洪彪應力-應變曲線為“S”型

初始模量(Ｅi)指曲線原點處切線斜率切線模量(Ｅt)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(Ｅs)指曲線上某特定點與原點連線的斜率，通常取σc／２處的點與原點連線的斜率Lo2501i1502i第21頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2821中國地質大學工程學院賈洪彪2)泊松比(μ):是指在單軸壓縮條件下，橫向應變與軸向應變之比.

在實際工作中，常采用σｃ/２處的橫向應變與軸向應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、結構構造、風化程度、空隙性、含水率、微結構面及其與荷載方向的關系等多種因素的影響，變化較大。第22頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2822中國地質大學工程學院賈洪彪（二）循環(huán)加載2.

卸荷點（P）的應力高于巖石的彈性極限(A)1.卸荷點（P）的應力低于巖石的彈性極限(A)第23頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2823中國地質大學工程學院賈洪彪3.反復加卸荷(巖石記憶、回滯環(huán)、疲勞破壞）第24頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2824中國地質大學工程學院賈洪彪二、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。巖塊破壞方式脆性破壞塑性破壞(延性破壞）拉破壞剪切破壞第25頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2825中國地質大學工程學院賈洪彪1、定義：在單向壓縮條件下，巖塊能承受的最大壓應力，簡稱抗壓強度（MPa）。

2、意義衡量巖塊基本力學性質的重要指標巖體工程分類、建立巖體破壞判據的重要指標用來大致估算其他強度參數

3、測定方法抗壓強度試驗試樣p一、單軸抗壓強度σc第26頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2826中國地質大學工程學院賈洪彪第27頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2827中國地質大學工程學院賈洪彪二、單軸抗拉強度σt1.定義：

單向拉伸條件下，巖塊能承受的最大拉應力，簡稱抗拉強度。2.意義：

衡量巖體力學性質的重要指標用來建立巖石強度判據，確定強度包絡線選擇建筑石材不可缺少的參數

3.測定方法：

直接拉伸間接法(劈裂法、點荷載法、三點彎曲法)第28頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2828中國地質大學工程學院賈洪彪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，然后對試件施加軸向拉荷載至破壞。PtPt第29頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2829中國地質大學工程學院賈洪彪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。第30頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2830中國地質大學工程學院賈洪彪在線布荷載(p)作用下，沿試件豎直向直徑平面內產生的近于均布的水平拉應力σx=2p/πDL在水平向直徑平面內產生的壓應力σy=6p/DL抗拉強度:（圓形試樣）（方形試樣）第31頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2831中國地質大學工程學院賈洪彪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。第32頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2832中國地質大學工程學院賈洪彪點荷載強度抗拉強度第33頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2833中國地質大學工程學院賈洪彪1、定義：在剪切荷載作用下，巖塊抵抗剪切破壞的最大剪應力，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力作用下，沿預定剪切面剪斷時的最大剪應力。

（2）抗切強度：指試件上的法向應力為零時，沿預定剪切面剪斷時的最大剪應力。

（3）摩擦強度：指試件在一定的法向應力作用下，沿已有破裂面（層面、節(jié)理等）再次剪切破壞時的最大剪應力。三、剪切強度第34頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2834中國地質大學工程學院賈洪彪3、意義反映巖塊的力學性質的重要指標用來估算巖體力學參數及建立強度判據

4、測試方法直剪試驗變角板剪切試驗三軸試驗

第35頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2835中國地質大學工程學院賈洪彪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C、φ值。第36頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2836中國地質大學工程學院賈洪彪三、三軸壓縮條件下巖石的變形與強度1、三軸試驗真三軸試驗1>2>3

常規(guī)三軸試驗1>2=3

第37頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2837中國地質大學工程學院賈洪彪

2、圍壓對變形破壞的影響1）巖石破壞前應變隨