工程地質(zhì)學(xué)第五章巖石的工程地質(zhì)性質(zhì)

工程地質(zhì)學(xué)第五章巖石的工程地質(zhì)性質(zhì)第1頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/281中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院賈洪彪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)第2頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/282中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院賈洪彪第一節(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(fēng)化作用，形成土。堅(jiān)硬巖石——軟弱巖石——半成巖石——堅(jiān)硬土層——軟弱土層巖石——風(fēng)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、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(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(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——沒有結(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)力第4頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/284中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院賈洪彪巖石: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、水理性質(zhì)第5頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/285中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(zhì)：物理性質(zhì)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)第7頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/287中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(zhì)大學(xué)工程學(xué)院賈洪彪三、巖石的吸水性定義：巖石在一定的試驗(yàn)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(zhì)量(mw1)與巖樣干質(zhì)量(ms)之比，用百分?jǐn)?shù)表示第11頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2811中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(zhì)量(mw2)與巖樣干質(zhì)量(ms)之比，用百分?jǐn)?shù)表示:第12頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2812中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院賈洪彪3.飽水系數(shù)巖石的吸水率(Wa)與飽和吸水率(Wp)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。第13頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2813中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院賈洪彪四、巖石的軟化性巖石浸水飽和后強(qiáng)度降低的性質(zhì)，稱為軟化性。軟化系數(shù)(KR)為巖石試件的飽和抗壓強(qiáng)度(σcw)與干抗壓強(qiáng)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(qiáng)，軟化系數(shù)較小。KR＞0.75，巖石的軟化性弱，工程地質(zhì)性質(zhì)較好；KR＜0.75，巖石軟化性較強(qiáng)，工程地質(zhì)性質(zhì)較差。第14頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2814中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)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。抗凍系數(shù)(Rd)：巖石試件經(jīng)反復(fù)凍融后的干抗壓強(qiáng)度(σc2)與凍融前干抗壓強(qiáng)度(σc1)之比，用百分?jǐn)?shù)表示第15頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2815中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院賈洪彪質(zhì)量損失率(Km)：凍融試驗(yàn)前后干質(zhì)量之差(ms1－ms2)與試驗(yàn)前干質(zhì)量(ms1)之比，以百分?jǐn)?shù)表示Rd＞75％，Km＜2％，抗凍性高;吸水率Wa＜5％、軟化系數(shù)KR＞0.75，飽水系數(shù)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(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(zhì)，稱為透水性。一般認(rèn)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(dá)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(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(diǎn):峰值強(qiáng)度微裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段(BC)C點(diǎn):屈服強(qiáng)度彈性變形階段(AB)B點(diǎn):彈性極限第三節(jié)巖石的力學(xué)性質(zhì)第18頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2818中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(zhì)大學(xué)工程學(xué)院賈洪彪3、變形參數(shù)1)變形模量（modulusofdeformation)是指單軸壓縮條件下，軸向壓應(yīng)力與軸向應(yīng)變之比。應(yīng)力-應(yīng)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(zhì)大學(xué)工程學(xué)院賈洪彪應(yīng)力-應(yīng)變曲線為“S”型

初始模量(Ｅi)指曲線原點(diǎn)處切線斜率切線模量(Ｅt)指曲線上任一點(diǎn)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(diǎn)與原點(diǎn)連線的斜率，通常取σc／２處的點(diǎn)與原點(diǎn)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(zhì)大學(xué)工程學(xué)院賈洪彪2)泊松比(μ):是指在單軸壓縮條件下，橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變之比.

在實(shí)際工作中，常采用σｃ/２處的橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變來計(jì)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(jié)構(gòu)構(gòu)造、風(fēng)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。第22頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2822中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院賈洪彪（二）循環(huán)加載2.

卸荷點(diǎn)（P）的應(yīng)力高于巖石的彈性極限(A)1.卸荷點(diǎn)（P）的應(yīng)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(zhì)大學(xué)工程學(xué)院賈洪彪3.反復(fù)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(zhì)大學(xué)工程學(xué)院賈洪彪二、單軸受力條件下的巖石的強(qiáng)度巖石強(qiáng)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(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(yīng)力，簡稱抗壓強(qiáng)度（MPa）。

2、意義衡量巖塊基本力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)巖體工程分類、建立巖體破壞判據(jù)的重要指標(biāo)用來大致估算其他強(qiáng)度參數(shù)

3、測定方法抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試樣p一、單軸抗壓強(qiáng)度σc第26頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2826中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(zhì)大學(xué)工程學(xué)院賈洪彪二、單軸抗拉強(qiáng)度σt1.定義：

單向拉伸條件下，巖塊能承受的最大拉應(yīng)力，簡稱抗拉強(qiáng)度。2.意義：

衡量巖體力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)用來建立巖石強(qiáng)度判據(jù)，確定強(qiáng)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(diǎn)荷載法、三點(diǎn)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(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(yàn)機(jī)的拉伸夾具內(nèi)，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(zhì)大學(xué)工程學(xué)院賈洪彪劈裂試驗(yàn)是用圓柱體或立方體試件，橫置于壓力機(jī)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(zhì)大學(xué)工程學(xué)院賈洪彪在線布荷載(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σx=2p/πDL在水平向直徑平面內(nèi)產(chǎn)生的壓應(yīng)力σy=6p/DL抗拉強(qiáng)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(zhì)大學(xué)工程學(xué)院賈洪彪點(diǎn)荷載試驗(yàn)是將試件放在點(diǎn)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(diǎn)荷載強(qiáng)度。第32頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2832中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院賈洪彪點(diǎn)荷載強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度第33頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2833中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(yīng)力，稱為剪切強(qiáng)度

2、類型：

（1）抗剪斷強(qiáng)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。

（2）抗切強(qiáng)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。

（3）摩擦強(qiáng)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。三、剪切強(qiáng)度第34頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2834中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院賈洪彪3、意義反映巖塊的力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)用來估算巖體力學(xué)參數(shù)及建立強(qiáng)度判據(jù)

4、測試方法直剪試驗(yàn)變角板剪切試驗(yàn)三軸試驗(yàn)

第35頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2835中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院賈洪彪直剪試驗(yàn)在直剪儀上進(jìn)行，按庫侖定律求巖塊的剪切強(qiáng)度參數(shù)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(zhì)大學(xué)工程學(xué)院賈洪彪三、三軸壓縮條件下巖石的變形與強(qiáng)度1、三軸試驗(yàn)真三軸試驗(yàn)1>2>3

常規(guī)三軸試驗(yàn)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(zhì)大學(xué)工程學(xué)院賈洪彪

2、圍壓對變形破壞的影響1）巖石破壞前應(yīng)變隨