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第五章巖石的工程地質(zhì)性質(zhì)中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院工程地質(zhì)學(xué)EngneeringGeology2023/9/28中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院2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)2023/9/28中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院3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(duì)巖體就顯得十分微弱或不存在了。2023/9/28中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(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2023/9/28中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院5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(duì)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)2023/9/28中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院62023/9/28中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(zhì):物理性質(zhì)是指巖石由于三相組成的相對(duì)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)2023/9/28中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院8一、巖石的密度是指單位體積內(nèi)巖石的質(zhì)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(zhì)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(zhì)量與其體積之比值,即巖塊單位體積的質(zhì)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(cè)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?jǐn)?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(jì)算公式如下:2023/9/28中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(zhì)大學(xué)工程學(xué)院11三、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。常用吸水率、飽和吸水率和飽水系數(shù)等指標(biāo)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?jǐn)?shù)表示2023/9/28中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(zhì)量(mw2)與巖樣干質(zhì)量(ms)之比,用百分?jǐn)?shù)表示:2023/9/28中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(duì)比例關(guān)系。2023/9/28中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院14四、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。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(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。2023/9/28中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(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2023/9/28中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院16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。2023/9/28中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(zhì),稱為透水性。一般認(rèn)為,水在巖石中的流動(dòng),如同水在土中流動(dòng)一樣,也服從于線性滲流規(guī)律——達(dá)西定律,即第三節(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,隨著力的不斷增加,達(dá)到或超過某一極限值時(shí),便產(chǎn)生破壞,巖石遭受破壞時(shí)的應(yīng)力稱為強(qiáng)度。研究巖石的力學(xué)性質(zhì),主要是研究巖石的變形、破壞與強(qiáng)度性質(zhì)。2023/9/28中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院賈洪彪182023/9/28中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(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2023/9/28中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(yīng)力與軸向應(yīng)變之比。當(dāng)應(yīng)力-應(yīng)變?yōu)橹本€關(guān)系時(shí),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(zhì)大學(xué)工程學(xué)院22當(dāng)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(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:
Lo
2
50
1
i
1
50
2
i2023/9/28中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院232)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,即
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。2023/9/28中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院24(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),則卸荷曲線從原來的加荷曲線偏離出來。1.卸荷點(diǎn)(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(diǎn),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(dāng)每次卸荷后再加荷到原來荷載并繼續(xù)增加時(shí)(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(dāng)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(shí)(圖b),將導(dǎo)致變形進(jìn)一步增加,直至破壞。破壞時(shí)的應(yīng)力低于峰值強(qiáng)度,通常稱為疲勞強(qiáng)度。(巖石記憶、回滯環(huán)、疲勞破壞)2023/9/28中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院賈洪彪252023/9/28中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院262023/9/28中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院27二、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,按外力的性質(zhì)不同,又可分為抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及剪切強(qiáng)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(zhì)大學(xué)工程學(xué)院281、定義:在單向壓縮條件下,巖石能承受的最大壓應(yīng)力,稱為單軸抗壓強(qiáng)度,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(cè)定方法抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試樣p一、單軸抗壓強(qiáng)度σc2023/9/28中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院29二、單軸抗拉強(qiáng)度σt1.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(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(cè)定方法:
直接拉伸間接法(劈裂法、點(diǎn)荷載法、三點(diǎn)彎曲法)2023/9/28中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院30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(duì)試件施加軸向拉荷載至破壞。PtPt2023/9/28中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院31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。2023/9/28中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(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)2023/9/28中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院33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。2023/9/28中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院34點(diǎn)荷載強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度2023/9/28中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(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(shí)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(qiáng)度:指試件上的法向應(yīng)力為零時(shí),沿預(yù)定剪切面剪斷時(shí)的最大剪應(yīng)力。它反映了巖石的內(nèi)聚力。
(3)抗剪(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(shí)的最大剪應(yīng)力。它反映了巖石中微結(jié)構(gòu)面或人工破壞面上的阻力。三、剪切強(qiáng)度2023/9/28中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院363、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(cè)試方法直剪試驗(yàn)變角板剪切試驗(yàn)三軸試驗(yàn)
2023/9/28中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院37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。2023/9/2838三、三軸壓縮條件下巖石的變形與強(qiáng)度1、三軸試驗(yàn)(1)真三軸試驗(yàn)
1>2>3
(2)假三軸或常規(guī)三軸試驗(yàn)
1>2=3
2023/9/28中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院賈洪彪39
2、圍壓對(duì)變形破壞的影響1)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、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(dòng)、應(yīng)變硬化現(xiàn)象
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