工程地質(zhì)學(xué)第五章+巖石的工程地質(zhì)性質(zhì)

第五章巖石的工程地質(zhì)性質(zhì)中國(guó)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(guó)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(guó)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(guò)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?lái)說(shuō)，巖石的建筑條件比土體要優(yōu)越的多，土體中出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)巖體就顯得十分微弱或不存在了。2023/9/28中國(guó)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(méi)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(méi)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(zhǎng)期地質(zhì)歷史過(guò)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(guó)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(guò)程中，在巖體內(nèi)形成的具有一定的延伸方向和長(zhǎng)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(guò)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(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院62023/9/28中國(guó)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(lái)的性質(zhì)，稱為水理性質(zhì)2023/9/28中國(guó)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(kāi)空隙，有的與大氣不相通稱閉空隙。開(kāi)空隙按開(kāi)啟程度有大、小之分，故把巖石的空隙率分為總空隙率、總開(kāi)空隙率、大開(kāi)空隙率、小開(kāi)空隙率和閉空隙率。其計(jì)算公式如下：2023/9/28中國(guó)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(kāi)空隙大開(kāi)空隙小開(kāi)空隙2023/9/28中國(guó)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(kāi)空隙率(no)大開(kāi)空隙率(nb)小開(kāi)空隙率(na)閉空隙率(nc)2023/9/28中國(guó)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(guó)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(guó)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(kāi)空隙的相對(duì)比例關(guān)系。2023/9/28中國(guó)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(kāi)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(guó)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(guó)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(guó)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(guò)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(lái)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(guò)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(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院賈洪彪182023/9/28中國(guó)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(guò)程曲線

前過(guò)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(lái)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(guó)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(lái)的加荷曲線偏離出來(lái)。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(jiàn)，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(lái)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(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院賈洪彪252023/9/28中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院262023/9/28中國(guó)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(guó)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(jiǎn)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(lèi)、建立巖體破壞判據(jù)的重要指標(biāo)用來(lái)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(guó)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(lái)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(lèi)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(guó)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(lái)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(guó)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(kù)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(guó)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(guò)渡、延性流動(dòng)、應(yīng)變硬化現(xiàn)象