工程地质学--第五章-岩石的工程地质性质

第五章岩石的工程地质性质中国地质大学（武汉）工程学院,工程地质学EngneeringGeology,2020/6/6,中国地质大学工程学院,2,第五章岩石的工程地质性质,第一节岩石与土工程地质性质的差别第二节岩石的物理、水理性质第三节岩石的力学性质,2020/6/6,中国地质大学工程学院,3,第一节岩石与土工程地质性质的差别,岩石和土都是矿物的集合体，是自然地质作用的产物，并在地质作用下相互转化。土在一定温度和压力下，经过压密、脱水、胶结、重结晶等成岩作用形成岩石。岩石经风化作用，形成土。坚硬岩石软弱岩石半成岩石坚硬土层软弱土层岩石风化作用土成岩作用岩石岩石与土之间，即存在多方面的共性和联系，又有明显不同:岩石在力学性能、抗水性、完整性等都比土好的多。但也有些岩石与土很难区别，如粘土岩、泥灰岩、凝灰岩等。总的来说，岩石的建筑条件比土体要优越的多，土体中出现的问题，对岩体就显得十分微弱或不存在了。,2020/6/6,中国地质大学工程学院,4,岩石与土之间的差别，主要表现在：（1）岩石矿物颗粒间具有牢固的连结。（岩石区别于土并赋予岩石以优良工程地质性质的主要原因）岩石结晶连结、胶结连结土水胶连结、水连结（2）岩石具有强度高、不易变形以及整体性和抗水性好，其中存在着结构面（带）。如断层、节理等，使岩体受到不同程度切割。土体中一般没有这种结构面切割。岩体结构面切割岩块力学性质各向异性土体很少有结构面土体可以看作各向同性（3）岩体中具有较高的地应力。（岩体在长期地质历史过程中，遭受地质构造作用的结果）岩体自重应力、构造应力物理力学性质复杂土体自重应力,2020/6/6,中国地质大学工程学院,5,岩石:矿物、岩屑的集合体。结构面:指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面或带。岩块:指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元体。岩体:指地质历史过程中形成的，由岩块和结构面网络组成的，具有一定的结构并赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。,第二节岩石的物理性质,2020/6/6,中国地质大学工程学院,6,2020/6/6,中国地质大学工程学院,7,岩石和土一样，也是由固体、液体和气体三相组成的。物理性质：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。水理性质：岩石在水溶液作用下表现出来的性质，称为水理性质,2020/6/6,中国地质大学工程学院,8,一、岩石的密度,是指单位体积内岩石的质量，单位为g/cm3，岩石密度可分为岩石颗粒密度和岩石块体密度。1、岩石颗粒密度(s)：是指岩石固体相部分的质量与其体积的比值。s=ms/Vs它不包括空隙，故其大小仅取决于组成岩石的矿物密度及其含量。岩石颗粒密度属实测指标，常用比重瓶进行测定。2、岩石块体密度()：指岩块质量与其体积之比值，即岩块单位体积的质量。=m/V岩石块体密度除与矿物成分有关外，还与岩石的空隙性及含水状态密切有关。致密而裂隙不发育的岩石，块体密度与颗粒密度接近；随空隙、裂隙的增加，块体密度相应减少。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）,二、岩石的空隙性,岩石孔隙性和裂隙性的统称，用空隙率表示。岩石空隙率是岩石中空隙体积与岩石总体积之比，以百分数表示。岩石的空隙有的与大气相通称开空隙，有的与大气不相通称闭空隙。开空隙按开启程度有大、小之分，故把岩石的空隙率分为总空隙率、总开空隙率、大开空隙率、小开空隙率和闭空隙率。其计算公式如下：,2020/6/6,中国地质大学工程学院,9,岩石的空隙(裂隙、孔隙),闭空隙,开空隙,大开空隙,小开空隙,2020/6/6,中国地质大学工程学院,10,隙比,岩石空隙率,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),2020/6/6,中国地质大学工程学院,11,第三节岩石的水理性质,岩石在水溶液作用下表现出来的性质，称为水理性质。主要有岩石的吸水性、软化性、抗冻性及透水性等。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。常用吸水率、饱和吸水率和饱水系数等指标表示。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，用百分数表示岩石吸水率的大小，主要取决于岩石中空隙和裂隙的数量、大小及其开启程度，此与岩石成因及岩性有关。,2020/6/6,中国地质大学工程学院,12,2.饱和吸水率岩石的饱和吸水率(Wsat)是指岩石试件在高压(一般为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:岩石的饱和吸水率也是表示岩石物理性质的一个重要指标。,2020/6/6,中国地质大学工程学院,13,3.饱水系数岩石的吸水率(Wa)与饱和吸水率(Wsat)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。,2020/6/6,中国地质大学工程学院,14,二、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。用软化系数表示。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。,显然KR愈小，岩石软化性愈强，岩石的软化性取决于岩石的矿物组成与空隙性，当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。,2020/6/6,中国地质大学工程学院,15,三、岩石的抗冻性,岩石抵抗冻融破坏的能力，称为抗冻性和质量损失率来表示。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,2020/6/6,中国地质大学工程学院,16,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。,2020/6/6,中国地质大学工程学院,17,四、岩石的透水性,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。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，即渗透系数是表征岩石透水性的重要指标。其大小取决于岩石中空隙的数量、规模及连通情况等，并可在室内根据达西定律测定。,第三节岩石的力学性质,岩石的力学性质是岩石在外力作用下所表现出来的性质。在外力作用下，岩石首先产生变形，这种变形可分为弹性变形和塑性变形。弹性变形是物体受力发生的全部变形，在外力解除的同时立即消失。因而是可逆变形；塑性变形是物体受力后，在外力解除后，变形不再恢复，是不可逆变形，又称为永久变形或残余变形。随着力的不断增加，当达到或超过某一极限值时，岩石便产生破坏。岩石抵抗外力破坏的能力称为强度。根据破坏的应力类型，岩石破坏有拉破坏、剪破坏和流动破坏。由于受力状态和破坏形式的不同，岩石强度又可分为单轴抗压强度、单轴抗拉强度、抗剪强度等。研究岩石的力学性质，一般是通过室内岩石力学试验进行研究，主要研究岩石的变形破坏与强度性质。,2020/6/6,中国地质大学工程学院贾洪彪,18,2020/6/6,中国地质大学工程学院,19,一、单轴压缩条件下的岩石变形,（一）连续加载,1、变形阶段空隙压密阶段(OA)：曲线呈上凹型,o,A,B,C,D,E,(+),(-),L,V,d,破坏后阶段(DE)全过程曲线前过程曲线,非稳定发展阶段(CD)D点:峰值强度,微裂隙稳定发展阶段(BC)C点:屈服强度,弹性变形阶段(AB)B点:弹性极限,2020/6/6,中国地质大学工程学院贾洪彪,20,2、峰值前岩块的变形特征,弹性型,弹-塑性型,塑-弹性型,塑-弹-塑性型1,塑-弹-塑性型2,弹性-蠕变型,2020/6/6,中国地质大学工程学院,21,3、岩石的变形参数,1)变形模量（modulusofdeformation)是指单轴压缩条件下，轴向压应力与轴向应变之比。当应力-应变为直线关系时，变形模量为常量，数值上等于直线的斜率。该模量又称为弹性模量),2020/6/6,中国地质大学工程学院,22,当应力-应变曲线为“S”型，常用的有初始模量、切线模量和割线模量。初始模量(i)指曲线原点处切线斜率：切线模量(t)指曲线上任一点处切线的斜率，在此特指中部直线段的斜率：割线模量(s)指曲线上某特定点与原点连线的斜率，通常取c处的点与原点连线的斜率：,2020/6/6,中国地质大学工程学院,23,2)泊松比():是指在单轴压缩条件下，横向应变与轴向应变之比，即,在实际工作中，常采用/处的横向应变与轴向应变来计算岩块的泊松比。岩块的变形模量和泊松比受岩石矿物组成、结构构造、风化程度、空隙性、含水率、微结构面及其与荷载方向的关系等多种因素的影响，变化较大。,2020/6/6,中国地质大学工程学院,24,（二）循环加载,2.卸荷点（P）的应力高于岩石的弹性极限(A)，则卸荷曲线从原来的加荷曲线偏离出来。,1.卸荷点（P）的应力低于岩石的弹性极限(A)，则卸荷曲线将基本上沿加荷回到原点，表现为弹性恢复（图）。,3.如反复加、卸荷多次，可得到如下图所示的应力-应变曲线，由图可见，每次加荷曲线与卸荷曲线都不重合，围成一环行面积，称为回滞环。当每次卸荷后再加荷到原来荷载并继续增加时（图a），则曲线沿着单调加荷曲线上升，其形状与连续加荷情况基本一致。说明反复受载过程并未改变岩石变形的习性。当应力在弹性极限以上的某一较高应力下反复加荷卸荷时（图b），将导致变形进一步增加，直至破坏。破坏时的应力低于峰值强度，通常称为疲劳强度。(岩石记忆、回滞环、疲劳破坏）,2020/6/6,中国地质大学工程学院贾洪彪,25,2020/6/6,中国地质大学工程学院,26,2020/6/6,中国地质大学工程学院,27,二、单轴受力条件下的岩石的强度,岩石强度：岩石抵抗外力破坏的能力，按外力的性质不同，又可分为抗压强度、抗拉强度及剪切强度等。,岩块破坏方式,脆性破坏,塑性破坏(延性破坏）,拉破坏,剪切破坏,2020/6/6,中国地质大学工程学院,28,1、定义：在单向压缩条件下，岩石能承受的最大压应力，称为单轴抗压强度，简称抗压强度（MPa）。2、意义衡量岩块基本力学性质的重要指标岩体工程分类、建立岩体破坏判据的重要指标用来大致估算其他强度参数3、测定方法抗压强度试验式中为抗压强度(MPa)；p为岩石试件受压破坏时的荷载(N);A为试件的断面积(mm2)。,试样,p,一、单轴抗压强度c,2020/6/6,中国地质大学工程学院,29,二、单轴抗拉强度t,1.定义：单向拉伸条件下，岩石能承受的最大拉应力，称为岩石的抗拉强度。2.意义：衡量岩体力学性质的重要指标用来建立岩石强度判据，确定强度包络线选择建筑石材不可缺少的参数3.测定方法：直接拉伸间接法(劈裂法、点荷载法、三点弯曲法),2020/6/6,中国地质大学工程学院,30,直接拉伸法是将圆柱状试件两端固定在材料试验机的拉伸夹具内，然后对试件施加轴向拉荷载至破坏。,2020/6/6,中国地质大学工程学院,31,劈裂试验是用圆柱体或立方体试件，横置于压力机的承压板上，且在试件上、下承压面上各放一根垫条。然后以一定的加荷速率加压，直至试件破坏。,2020/6/6,中国地质大学工程学院,32,在线布荷载(p)作用下，沿试件竖直向直径平面内产生的近于均布的水平拉应力x=2p/DL在水平向直径平面内产生的压应力y=6p/DL,抗拉强度:,（圆形试样）,（方形试样）,2020/6/6,中国地质大学工程学院,33,点荷载试验是将试件放在点荷载仪中的球面压头间，加压至试件破坏，利用破坏荷载求岩块的点荷载强度。,2020/6/6,中国地质大学工程学院,34,点荷载强度抗拉强度,2020/6/6,中国地质大学工程学院,35,1、定义：在剪切荷载作用下，岩（石）块抵抗剪切破坏的最大剪应力，称为剪切强度2、类型：（1）抗剪断强度：指试件在一定的法向应力作用下，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力。它反映了岩石的内聚力和内摩擦阻力。（2）抗切强度：指试件上的法向应力为零时，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力。它反映了岩石的内聚力。（3）抗剪（摩擦）强度：指试件在一定的法向应力作用下，沿已有破裂面（层面、节理等）再次剪切破坏时的最大剪应力。它反映了岩石中微结构面或人工破坏面上的阻力。,三、剪切强度,2020/6/6,中国地质大学工程学院,36,3、意义反映岩块的力学性质的重要指标用来估算岩体力学参数及建立强度判据4、测试方法直剪试验变角板剪切试验三轴试验,2020/6/6,中国地质大学工程学院,37,直剪试验在直剪仪上进行，按库仑定律求岩块的剪切强度参数C、值。,2020/6/6,38,三、三轴压缩条件下岩石的变形与强度1、三轴试验,（1）真三轴试验123（2）假三轴或常规三轴试验12=3,2020/6/6,中国地质大学工程学院贾洪彪,39,2、围压对变形破坏的影响,1）岩石破坏前应变随围压3增大而增大。左下图中的大理岩，在围压为0或较低、50、68.5、165MPa岩石分别呈现脆性状态、脆性向塑性过渡、延性流动、应变硬化现象。2）岩石的峰值强度随3增大而增大3）随3增大岩石变形模量增大，软岩增大明显，致密的硬岩增大不明显,2020/6/6,40,4）随3增大，岩石的塑性不断增大，随3增大到一定值时，岩石由弹脆性转变