[工学]第六章 岩石工程地质性质.ppt

第六章 岩石的工程地质性质,朱章雄, 6.1 岩石的物理性质 一、岩石的密度 二、岩石的空隙性 6.2 岩石的水理性质 一、岩石的吸水性 二、岩石的软化性 三、岩石的抗冻性 四、岩石的透水性 6.3 岩石的力学性质, 6.1 岩石的物理性质,岩石和土一样，也是由固体、液体和 气体三相组成的。 定义：物理性质是指岩石由于三相组成的相对比例关系不同所表现的物理状态。 1、岩石的密度 2、岩石的空隙性,一、岩石的密度,1、颗粒密度(s) s= ms/Vs 2、块体密度() =m/V 注意： （1）s与的区别 (s) （2）s与的单位 （g/cm3 kN/m3） （3）测试方法（s-比重瓶法；-量积法）,常见岩石的物理性质指标值,二、岩石的空隙性,总空隙率(n) 总开空隙率(no) 大开空隙率(nb) 小开空隙率(na) 闭空隙率(nc),岩石的空隙 (裂隙、孔隙),闭空隙,开空隙,大开空隙,小开空隙,隙比,岩石空隙率, 6.2 岩石的水理性质,定义：岩石在水溶液作用下表现出来的性质，称为水理性质。主要有： 1.吸水性 2.软化性 3.抗冻性 4.透水性,一、岩石的吸水性,定义：岩石在一定的试验条件下吸收水分的能力，称为岩石的吸水性。 1.吸水率(Wa)：岩石试件在大气压力和室温条件下自由吸入水的质量(mw1)与岩样干质量(ms)之比，用百分数表示,2.饱和吸水率,岩石的饱和吸水率(Wp)是指岩石试件在高压(一般压力为15MPa)或真空条件下吸入水的质量(mw2)与岩样干质量(ms)之比，用百分数表示，即,3.饱水系数 岩石的吸水率(Wa)与饱和吸水率(Wp)之比，称为饱水系数。它反映了岩石中大、小开空隙的相对比例关系。,几种岩石的吸水性指标值,二、岩石的软化性,岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性， 软化系数(KR)为岩石试件的饱和抗压强度(cw)与干抗压强度(c)的比值,岩石中含有较多的亲水性和可溶性矿物，大开空隙较多，岩石的软化性较强，软化系数较小。 KR0.75，岩石的软化性弱，工程地质性质较好 KR0.75，岩石软化性较强，工程地质性质较差,常见岩石的物理性质指标值,岩石的抗冻性是指岩石抵抗冻融破坏的性能，是评价岩石抗风化稳定性的重要指标。 岩石的抗冻性用抗冻系数Cf表示，指岩石试样在250C的温度期间内，反复降温、冻结、融解、升温，然后测量其抗压强度的下降值（c-cf）,以此强度下降值与融冻试验前的抗压强度c之比的百分比代表抗冻系数Cf ，即,可见：抗冻系数Cf 越小，岩石抗冻融破坏的能力越强。,三、岩石的抗冻性,三、岩石的抗冻性,抗冻系数(Rd)：岩石试件经反复冻融后的干抗压强度(c2)与冻融前干抗压强度(c1)之比，用百分数表示,质量损失率(Km)：冻融试验前后干质量之差(ms1ms2)与试验前干质量(ms1)之比，以百分数表示,Rd75，Km2，抗冻性高 吸水率Wa5、软化系数KR0.75，饱水系数小于0.8的岩石，抗冻性高。,在一定的水力梯度或压力差作用下，岩石能被水透过的性质，称为透水性。地下水存在于岩石孔隙、裂隙之中，而且大多数岩石的孔隙裂隙是连通的，因而在一定的压力作用下，地下水可以在岩石中渗透。岩石的这种能透水的性能称为岩石的透水性。岩石的透水性大小不仅与岩石的孔隙度大小有关，而且还与孔隙大小及其贯通程度有关。 衡量岩石透水性的指标为渗透系数(K)。一般来说，完整密实的岩石的渗透系数往往很小。岩石的渗透系数一般是在钻孔中进行抽水或压水试验而测定的。 一般认为，水在岩石中的流动，如同水在土中流动一样，也服从于线性渗流规律达西定律，即,四、岩石的透水性,几种岩石的渗透系数值,岩石的碎胀性,岩石破碎后的体积VP比原体积V增大的性能称为岩石的碎胀性，用碎胀系数来表示。,碎胀系数不是一个固定值，是随时间而变化的。 永久碎胀系数（残余碎胀系数）不能再压密时的碎胀系数称为永久碎胀系数., 6.3 岩石的力学性质,岩石的强度：岩石抵抗外力作用的能力，岩石破坏时能够承受的最大应力。 a.单向抗压强度 b.单向抗拉强度 c.剪切强度 d.三轴抗压强度 岩石的变形：岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变化。 a.单向压缩变形 b.反复加载变形 c.三轴压缩变形 d.剪切变形,岩石的变形特性,弹性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形能够恢复的性质。 塑性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形不能恢复的性质。 脆性：物体在外力作用下变形很小时就发生破坏的性质。 延性：物体能够承受较大的塑性变形而不丧失其承载能力的性质。 粘性（流变性）：物体受力后变形不能在瞬间完成，且应变速度（d/dt）随应力大小而变化的性质。,岩石强度与外力有关 a.外力性质：动载荷、静载荷 b.外力方式：拉伸、压缩、剪切 C.应力状态：单向、双向、三向,1 岩石单轴抗压强度 1）定义：岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所能承受的最大压应力称为岩石的单轴抗压强度(Uniaxial compressive strength)，或称为非限制性抗压强度(unconfined compressive strength)。如图所示。 2）计算公式： c=P/A,3）4种破坏形式： 1.X状共轭斜面剪切破坏，是最常见的破坏形式。 2.单斜面剪切破坏，这种破坏也是剪切破坏。 3.塑性流动变形，线应变10。 4.拉伸破坏，在轴向压应力作用下，在横向将产生拉应力。这是泊松效应的结果。这种类型的破坏就是横向拉应力超过岩石抗拉极限所引起的。,4)实验方法 a.试件标准 立方体505050mm或 707070mm 圆柱体，但使用最广泛的是圆柱体。圆柱体直径D一般不小于50mm。 L/D=2.53.0（国际岩石力学委员会ISRM建议的 尺寸） 要求：两端不平度0.5mm；尺寸误差0.3mm；两端面垂直于轴线误差0.25度。 加载速率：0.50.8Pa/s,b.非标准试件的对试验结果的影响及其修正,c.压缩实验设备示意图(500t压力机),d. 端部效应及其消除方法 端部效应:,消除方法: 润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部） 加长试件,5)水对单轴抗压强度的影响软化系数 岩石的软化系数：饱和岩石抗压强度b与干燥岩石抗压强度c之比 =b/ c1,2 岩石单轴抗拉强度,1）定义：岩石在单轴拉伸荷载作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力称为岩石的单轴抗拉强度(Tensile strength) ,。 试件在拉伸荷载作用下的破坏通常是沿其横截面的断裂破坏，岩石的拉伸破坏试验分直接试验和间接试验两类。,2)直接拉伸试验加载和试件示意图,计算公式：破坏时的最大 轴向拉伸荷载(Pt)除以试件 的横截面积(A)。即： t=Pt/A,2)直接拉伸试验加载和试件示意图（续）,3)间接拉伸试验加载和试件示意图 巴西试验法（Brazilian test），俗称劈裂试验法。 a.试件:为一岩石圆盘，加载方式如图所示。实际上荷载是沿着一条弧线加上去的，但孤高不能超过圆盘直径的1/20。,b.应力分布：圆盘在压应力的作用下，沿圆盘直径yy的应力分布和xx方向均为压应力。而离开边缘后，沿yy方向仍为压应力，但应力值比边缘处显著减少。并趋于均匀化；xx方向变成拉应力。并在沿yy的很长一段距离上呈均匀分布状态。 c.破坏原因：从图可以看出，虽然拉应力的值比压应力值低很多，但由于岩石的抗拉强度很低，所以试件还是由于x方向的拉应力而导致试件沿直径的劈裂破坏。破坏是从直径中心开始，然后向两端发展，反映了岩石的抗拉强度比抗压强度要低得多的事实。,d.计算公式： t=x=-2P/dt y=(1/r1+1/r2-1/d)2P/t 圆盘中心处： t=x=-2P/dt y=6P/dt,3抗剪切强度,1)定义：岩石在剪切荷载作用下达到破坏前所能承受的最大剪应力称为岩石的抗剪切强度（Shear strength）。 剪切强度试验分为非限制性剪切强度试验（Unconfined shear strength test）和限制性剪切强度试验（Confined shear strength test）二类。 非限制性剪切试验在剪切面上只有剪应力存在，没有正应力存在；限制性剪切试验在剪切面上除了存在剪应力外，还存在正应力。,2）四种典型的非限制性剪切强度试验：a.单面剪切试验， b.冲击剪切试验, c.双面剪切试验，d.扭转剪切试验，分别见图。,3）非限制性剪切强度记为So计算公式： （a）单面剪切试验 So=Fc/A （b）冲击剪切试验 So=Fc/2ra （c）双面剪切试验 So=Fc/2A （d）扭转剪切试验 So=16M c /D3 式中：Mc试件被剪断前达到的最大扭矩 （Nm） D试件直径（m）,4）四种典型的限制性剪切强度试验 a.直剪仪（剪切盒）压剪试验（单面剪） b.立方体试件单面剪试验 c.试件端部受压双面剪试验 d.角模压剪试验（变角剪切试验）,5) Hoek直剪仪试验装置,6）角模压剪试验及受力分析示意图 在压力P的作用下，剪切面上可分解为沿剪切面的剪力Psin/A和垂直剪切面的正应力Pcos/A，如图所示。,7）限制性剪切强度试验结果及其分析 试验结果：剪切面上正应力越大，试件被剪破坏前所能承受的剪应力也越大。 原因：剪切破坏一要克服内聚力，二要克服摩擦力，正应力越大，摩擦力也越大。 将破坏时的剪应力和正应力标注到-应力平面上就是一个点，不同的正、剪应力组合就是不同的点。将所有点连接起来就获得了莫尔强度包络线，如图所示。,残余强度：当剪切面上的剪应力超过了峰值剪切强度后，剪切破坏发生，然后在较小的剪切力作用下就可使岩石沿剪切面滑动。能使破坏面保持滑动所需的较小剪应力就是破坏面的残余强度。 正应力越大，残余强度越高，如图所示。所以只要有正应力存在，岩石剪切破坏面仍具有抗剪切的能力。,4 三轴抗压强度,1)定义：岩石在三向压缩荷载作用下，达到破坏时所能承受的最大压应力称为岩石的三轴抗压强度(Triaxial compressive strength)。 与单轴压缩试验相比，试件除受轴向压力外，还受侧向压力。侧向压力限制试件的横向变形，因而三轴试验是限制性抗压强度(confined compressive strength)试验。,2)实验加载方式： a. 真三轴加载:试件为立方体，加载方式如图所示。 应力状态：12 3 这种加载方式试验装置繁杂，且六个面均可受到由加压铁板所引起的摩擦力，对试验结果有很大影响，因而实用意义不大。故极少有人做这样的三轴试验。 b.假三轴试验:，试件为圆柱体，试件直径25150mm，长度与直径之比为2：1或3：1。加载方式如图所示，轴向压力的加载方式与单轴压缩试验时相同。 但由于有了侧向压力，其加载上时的端部效应比单轴加载时要轻微得多。 应力状态： 12=3,三轴压缩试验加载示意图 真三轴 12 3 假三轴 12=3,3)假三轴试验装置图： 由于试件侧表面已被加压油缸的橡皮套包住，液压油不会在试件表面造成摩擦力，因而侧向压力可以均匀施加到试件中。其试验装置示意图如下。,4)第一个经典三轴试验 a.试验者和时间：意大利人冯卡门(VonKarman)于1911年完成的。 b.试验岩石：白色圆柱体大理石试件，该大理石具有很细的颗粒并且是非常均质的。 c.试验发现： 在围压为零或较低时，大理石试件以脆性方式破坏，沿一组倾斜的裂隙破坏。 随着围压的增加，试件的延性变形和强度都不断增加，直至出现完全延性或塑性流动变形，并伴随工作硬化，试件也变成粗腰桶形的。 在试验开始阶段，试件体积减小，当达到抗压强度一半时，出现扩容，泊松比迅速增大。,5) 三轴试验与莫尔强度包络线 a.三轴压缩试验的最重要的成果：就是对于同一种岩石的不同试件或不同的试验条件给出几乎恒定的强度指标值。这一强度指标值以莫尔强度包络线（Mohrs strength envelop）的形式给出。 b.莫尔强度包络线的绘制：须对该岩石的56个试件做三轴压缩试验，每次试验的围压值不等，由小到大，得出每次试件破坏时的应力莫尔圆，通常也将单轴压缩试验和拉伸试验破坏时的应力莫尔圆，用于绘制应力莫尔强度包络线。如图所示。 曲线形： 直线形：,6) 三轴试验岩石强度参数的确定 a.直线形：轴的截距称为岩石的粘结力（或称内聚力），记为C（MPa），与轴的夹角称为岩石的内摩擦角，记为（度）。 b.曲线形： 一种方