工程地質學第五章+巖石的工程地質性質

第五章巖石的工程地質性質中國地質大學（武漢）工程學院工程地質學EngneeringGeology2023/9/28中國地質大學工程學院2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2023/9/28中國地質大學工程學院3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(chǎn)物，并在地質作用下相互轉化。土在一定溫度和壓力下，經(jīng)過壓密、脫水、膠結、重結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。總的來說，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。2023/9/28中國地質大學工程學院4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2023/9/28中國地質大學工程學院5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(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(wǎng)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2023/9/28中國地質大學工程學院62023/9/28中國地質大學工程學院7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2023/9/28中國地質大學工程學院8一、巖石的密度是指單位體積內(nèi)巖石的質量。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(ρs)：

是指巖石固體相部分的質量于體積的比值。

ρs=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。2、巖石塊體密度(ρ)：指巖塊質量與其體積之比值，即巖塊單位體積的質量。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）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：2023/9/28中國地質大學工程學院9巖石的空隙(裂隙、孔隙)

閉空隙開空隙大開空隙小開空隙2023/9/28中國地質大學工程學院10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)2023/9/28中國地質大學工程學院11三、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。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量(mw1)與巖樣干質量(ms)之比，用百分數(shù)表示2023/9/28中國地質大學工程學院122.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(shù)表示:2023/9/28中國地質大學工程學院133.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系。2023/9/28中國地質大學工程學院14四、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。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(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(shù)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。2023/9/28中國地質大學工程學院15五、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?shù)(Rd)：巖石試件經(jīng)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(shù)表示2023/9/28中國地質大學工程學院16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(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。2023/9/28中國地質大學工程學院17六、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，即第三節(jié)巖石的力學性質巖石的力學性質是巖石在外力作用下所表現(xiàn)出來的性質。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力稱為強度。研究巖石的力學性質，主要是研究巖石的變形、破壞與強度性質。2023/9/28中國地質大學工程學院賈洪彪182023/9/28中國地質大學工程學院19一、單軸壓縮條件下的巖石變形（一）連續(xù)加載

1、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2023/9/28中國地質大學工程學院賈洪彪202、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2023/9/28中國地質大學工程學院213、巖石的變形參數(shù)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。當應力-應變?yōu)橹本€關系時，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)o

L

i

i2023/9/28中國地質大學工程學院22當應力-應變曲線為“S”型

，常用的有初始模量、切線模量和割線模量。初始模量(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：

Lo

2

50

1

i

1

50

2

i2023/9/28中國地質大學工程學院232)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，即

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。2023/9/28中國地質大學工程學院24（二）循環(huán)加載2.

卸荷點（P）的應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（圖）。3.如反復加、卸荷多次，可得到如下圖所示的應力-應變曲線，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，其形狀與連續(xù)加荷情況基本一致。當應力在彈性極限以上的某一較高應力下反復加荷卸荷時（圖b），將導致變形進一步增加，直至破壞。破壞時的應力低于峰值強度，通常稱為疲勞強度。(巖石記憶、回滯環(huán)、疲勞破壞）2023/9/28中國地質大學工程學院賈洪彪252023/9/28中國地質大學工程學院262023/9/28中國地質大學工程學院27二、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，按外力的性質不同，又可分為抗壓強度、抗拉強度及剪切強度等。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2023/9/28中國地質大學工程學院281、定義：在單向壓縮條件下，巖石能承受的最大壓應力，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性質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試樣p一、單軸抗壓強度σc2023/9/28中國地質大學工程學院29二、單軸抗拉強度σt1.定義：

單向拉伸條件下，巖石能承受的最大拉應力，稱為巖石的抗拉強度。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(jù)，確定強度包絡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)2023/9/28中國地質大學工程學院30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。PtPt2023/9/28中國地質大學工程學院31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。2023/9/28中國地質大學工程學院32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力σx=2p/πDL在水平向直徑平面內(nèi)產(chǎn)生的壓應力σy=6p/

DL抗拉強度:（圓形試樣）（方形試樣）2023/9/28中國地質大學工程學院33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。2023/9/28中國地質大學工程學院34點荷載強度抗拉強度2023/9/28中國地質大學工程學院351、定義：在剪切荷載作用下，巖（石）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。它反映了巖石的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦阻力。

（2）抗切強度：指試件上的法向應力為零時，沿預定剪切面剪斷時的最大剪應力。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。它反映了巖石中微結構面或人工破壞面上的阻力。三、剪切強度2023/9/28中國地質大學工程學院363、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(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

2023/9/28中國地質大學工程學院37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、φ值。2023/9/2838三、三軸壓縮條件下巖石的變形與強度1、三軸試驗（1）真三軸試驗

1>2>3

（2）假三軸或常規(guī)三軸試驗

1>2=3

2023/9/28中國地質大學工程學院賈洪彪39

2、圍壓對變形破壞的影響1）巖石破壞前應變隨圍壓

3增大而增大。左下圖中的大理巖，在圍壓為0或較低、50、68.5、165MPa巖石分別呈現(xiàn)脆性狀態(tài)、脆性向塑性過渡、延性流動、應變硬化現(xiàn)象