西南科技大学本科工程地质学课件5

在工程地质学杂志上，工程地质学的主讲人是刘穗海。本章的主要内容有：1 .岩土工程地质性质的差异；2.岩石的物理性质；3.岩石的水物理性质；4.岩石的热性质；5.岩石的力学特性-岩石的变形、强度和蠕变特性；5.岩石的工程地质性质；1.岩土工程地质性质的差异；1.岩石和矿物颗粒之间的结晶和胶结作用。2.岩石强度高，不易变形，整体性和耐水性好，但岩体具有断裂结构面；3.岩体具有高地应力。第一段岩土工程地质性质与第二段岩土物理性质的差异。首先，岩石密度是指每单位体积的岩石质量，分为颗粒密度和块体密度。岩石的颗粒密度(s):指岩石固相部分的质量与其体积之比。岩石块密度：指岩石块的单位体积质量。块密度(含水条件)、干密度(d)、自然密度()、饱和密度(sat)、湿密度、2。岩石孔隙度、总孔隙度(n)、总开放孔隙度(no)、大开放孔隙度(nb)、小开放孔隙度(na)、封闭孔隙度(nc)、岩石孔隙度(裂缝、孔隙)、封闭孔隙度、开放孔隙度、大开放孔隙度、小开放孔隙度、孔隙比、岩石孔隙度，3。岩石吸水率，定义：岩石在一定试验条件下的吸水能力称为岩石吸水率评价指标：吸水率(wa)、饱和吸水率、水饱和系数1、吸水率(Wa):常压和室温条件下岩石样品的自由吸水质量(mw1)与干质量(ms)之比，以百分比表示，2。饱和吸水岩石的饱和吸水速率(Wp)是指在高压(正常压力为15兆帕)或真空条件下，岩石样品的吸水质量(mw2)与岩石样品干质量(ms)之比，以百分比表示，即3。岩石的吸水率(wa)和饱和吸水率(Wp)与水饱和系数的比值，它反映了岩石中大孔隙和小孔隙的相对比例。，几种岩石的吸水率指标值，。岩石的软化特性和水饱和后强度降低的特性称为软化系数(KR):岩石试样的饱和抗压强度(cw)与干抗压强度(c)之比。岩石含有更多的亲水性和可溶性矿物，具有更大的孔隙，具有更强的软化特性和更小的软化系数。KR 0.75，岩石软化较弱，工程地质性质较好KR 75%，km 2%，抗冻性高吸水率wa 0.75，水饱和系数小于0.8，高抗冻性岩石，vi。岩石渗透性是指岩石对水的渗透性，用渗透系数表示。大小取决于岩石中空隙的数量、大小、方向和连通性。遵循达西定律的实验室使用达西渗透仪测量渗透系数。几种岩石的渗透系数值。第七，岩石的热性质。1.岩石的比热容是指将1克岩石材料的温度提高1摄氏度所需的热量，用来表示岩石储存热量的能力。Q=c*m(1-2)实验室使用差示扫描量热法测量2。岩石的热导率Q=-kFdQt/dx，其中：f-横截面积；dq-温度梯度t-流动时间；k-热导率(W/(m*k)3，岩石的热扩散率=k/(*c)，其中：c-比热容；k-热导率；-密度、第3节中的岩石力学性质和外力作用下的岩石性质称为岩石力学性质。岩石受损时的应力称为强度。一、单向下的岩石变形塑性变形：物体在外力作用下的变形在外力释放后不会恢复。它是不可逆变形，也称为永久变形或残余变形。岩石变形，(1)，岩石应力-应变曲线特征，岩石应变，轴向应变L，侧向应变d，体积应变 v= l-2 d，- l曲线是应用最广泛的。在单向压力作用下，典型的应力-应变全过程曲线如下图所示，岩石变形过程可分为6个阶段。直接测量，1、微裂纹和孔隙闭合阶段(A)呈非线性变形，曲线呈凹形，斜率随着应力的增加而逐渐增大。2.可恢复弹性变形阶段(B)随着载荷的增加，轴向变形成正比增加，这在很大程度上是可恢复弹性变形。在此阶段，上限应力为弹性极限，其值约为峰值强度的30%-40%。3.部分弹性变形到微裂纹扩展阶段(C)，其特征在于体积应变开始扩展并近似线性增加。-L曲线近似为直线，而-v曲线明显偏离直线。在这一阶段，上限应力是屈服极限，此时岩石被压实到最密实状态，体积应变趋于零。这一点出现在80%的峰值。4.不稳定裂隙扩展到岩石结构破坏阶段。(4)微裂隙迅速增加并不断扩展，形成局部拉伸或剪切破裂面，体积变形由压缩变为膨胀，最终导致岩石结构完全破坏。这一阶段的上限应力称为峰值强度或单轴抗压强度。5.微裂隙聚结和扩展阶段(E)岩石的内部结构被完全破坏，岩石仍然完好无损。断裂扩展部件是分叉的，并且它们彼此结合以形成宏观断裂表面。6.岩石在沿破裂面的滑动阶段(F)基本上分离成一系列碎片，并在外部载荷的作用下相互滑动，变形不断增加。当应力下降到一定的稳定值时，称为残余强度，其大小等于碎片之间的摩擦阻力。不同类型岩石的应力-应变曲线不同。单轴压缩岩石有六种典型的应力-应变曲线。I型应力和应变之间的关系是直的或接近直的，直到试样被突然破坏。由于塑性阶段不明显，这些岩石被称为弹性岩石，如玄武岩、石英岩、白云石和极强的ii型石灰岩。当应力较低时，应力-应变曲线近似为直线。当应力增加到一定值时，应力-应变曲线向下弯曲，随着应力的逐渐增加，曲线的斜率变得越来越小。在破坏之前，这些岩石在低应力下表现出弹性，在高应力下表现出塑性，因此它们被称为弹塑性岩石，如较弱的石灰岩、泥岩、凝灰岩和其他类型三。在低应力下，应力-应变曲线略微向上弯曲。当应力增加到一定值时，应力-应变曲线逐渐变成一条直线，直至发生破坏。由于这些岩石在低应力下表现出塑性，在高应力下表现出弹性，所以它们被称为塑性-弹性岩石，如砂岩、花岗岩、平行于压力方向的片岩和一些辉绿岩。当第四类应力较低时，应力-应变曲线向上弯曲。当压力增加到一定值时，变形曲线变成一条直线。最后，曲线向下弯曲，曲线看起来像S型。因为这些岩石在低应力下表现出塑性，在高应力下表现出弹性，在破坏前表现出塑性，所以它们被称为塑性-弹性-塑性岩石。例如，它们大多数是变质岩(大理石、片麻岩等)。)类型五与类型四基本相同，也呈S型，但曲线斜率相对平缓。它通常出现在具有高压缩性的岩石中。应力垂直于片岩的片岩具有第六类性质。应力-应变曲线从一个小的直线段开始，然后有一个非弹性曲线段，并继续蠕变。这种材料称为弹性粘性岩石，如岩盐和一些软弱岩石，(2)岩石的变形参数1和变形模量是指岩石在单轴压缩时轴向应力与轴向应变L的比值。当压力-应变关系为直线时，变形模量为常数常用的有：初始模量Ei:切线斜率Ei=i/i切线模量Et:斜率Et=(2-1)/(2-1)割线模量Es:斜率Es=曲线上特定点与原点连线的50/50；(2)岩石变形参数2和泊松比是指岩石在单轴压缩时横向应变(d)与轴向应变(L)之比：=d/l。在实际工作中，横向应变d和50%抗压强度的轴向应变是常用的。实验表明，岩石的变形模量和泊松比具有各向异性特征。(3)循环荷载作用下岩石的变形特性循环荷载作用下岩石的应力应变关系随加卸载方式和卸载应力而变化。1.当试样在相同载荷条件下加载和卸载时：1)如果卸载点(P)处的应力低于岩石的弹性极限(A)，卸载曲线将基本上沿加载曲线返回原点弹性恢复。大部分弹性变形在卸载后可以很快恢复，而一小部分只能在一段时间后才能恢复。这种现象被称为弹性后效。2)如果卸载点(P)处的应力高于岩石的弹性极限(A)，卸载曲线偏离原始加载曲线。2.如果多次重复加载和卸载，可以得到图A和B的应力-应变曲线。图a示出了在每次卸载之后，载荷被添加到原始值，并且载荷继续增加。每个加载曲线与卸载曲线不一致，形成一个环形区域，称为磁滞回线。图A中的曲线沿单调加载曲线上升，其形状与连续加载基本相同。3.当应力在高于弹性极限的某个较高应力下反复加载和卸载时(图b)，变形将进一步增加，直到它被破坏。破坏时的应力低于峰值强度，通常称为疲劳强度。(2)单轴加载下的岩石强度在外力作用下达到或超过一定的极限值时会被破坏。根据破坏时的应力类型，破坏可分为拉伸破坏和剪切破坏。岩石抵抗外力的能力叫做力量。根据外力的性质，岩石的强度分为抗压强度、抗拉强度和抗剪强度。(1)岩石的抗压强度岩石在单轴压缩下能承受的最大压应力称为单轴抗压强度，简称抗压强度。c=P/A: c-抗压强度；压缩破坏下岩石的p载荷；试样截面积中岩石的抗压强度是通过实验测量的。岩石的抗压强度是反映岩石力学性质的主要指标之一。它是岩体工程分类、建筑材料选择和工程岩体稳定性评价中不可缺少的指标。影响岩石抗压强度的因素1、岩石的矿物组成2、岩石的结构和构造3、岩石的含水状态4、试验条件(2)、岩石的抗拉强度岩石试样在单轴拉伸下能承受的最大拉力称为岩石的抗拉强度。测量岩石抗拉强度有两种方法：直接拉伸法和间接拉伸法。目前主要采用间接法，其中最常用的是劈裂法和点荷载试验。1、劈裂法劈裂法是将圆柱体或立方体试件，横放在压机的承压板上，并在试件与上下承压板之间各放一个缓冲条，然后以一定的加载速率加压，直至试件失效。根据以下公式计算抗拉强度：t=2Pt/Dl，其中t-岩石抗拉强度。铂试样的破坏载荷；D-试件直径；L-按试样长度影响岩石抗拉强度的因素：影响岩石抗拉强度的因素与影响抗压强度的因素相同，但控制因素是岩石的结构，尤其是孔隙度的影响。(3)岩石的剪切强度当受到剪切力时，岩石抵抗剪切破坏的最大剪切应力称为剪切强度。岩石的抗剪强度由内聚力(C)和内摩擦阻力(*tg)组成。根据不同的试验方法，抗剪强度分为三种类型：1 .抗剪强度：沿预定的剪切平面在一定的压力下剪切时的最大剪应力3.剪切强度：当法向应力为零时，沿预定剪切平面剪切时的最大剪切应力。它反映了岩石的内聚力。实验室剪切试验通常测量岩石的剪切强度。常用的方法包括：直剪法、变角板剪切法、三轴试验。岩石在三轴和三轴应力下的变形和强度为了研究岩石在三轴应力下的变形和强度，三轴试验通常在两种应力状态下进行：1.123，称为不等压三轴或真三轴试验2.12=3，称为伪三轴或常规三轴试验；常规三轴试验中围压对岩石变形、破坏和强度的影响：和4。岩石的蠕变特性在恒定大小和方向的外力作用下，岩石变形随时间不断增加的现象称为岩石蠕变。岩石的蠕变特性主要取决于岩石本身的性质。岩石的蠕变变形过程可分为三个阶段：1 .初始蠕变阶段(AB阶段):应变最初随时间迅速增加，但其增长率随时间逐渐降低，曲线呈凹形。2.恒速蠕变阶段(BC段):应变随着时间以相等的速率增加，曲线接近直线。3.加速蠕变阶段(CD阶段):应变率快速增加，直到岩石被破坏(点D)，该阶段的完成时间相对较短。蠕变阶段的持续时间取决于岩石类型、载荷大小和温度等因素。蠕变极限长期强度是影响岩石力学性质的主要因素，1)水对岩石力学性质的影响与水结合：有三种效应：连接效应、润滑效应和水楔效应。链接效应：矿物颗粒彼此越拉越近，从而起到链接作用。润滑：可溶性盐溶解，胶体水解，使原来的连接变成水胶连接，导致矿物颗粒之间的连接力减弱，摩擦力降低。水充当润滑剂。水楔效应：当两种矿物颗粒紧密结合在一起，水分子被添加到矿物表面时，矿物颗粒利用其表面吸引力将水分子吸引到周围环境中，由于吸引力的作用，水分子在两种颗粒的接触点处挤入两种矿物颗粒之间的空隙中。当岩石受压时：如果压应力大于吸力，水分子将被压力挤出接触点。相反，如果压缩应力降低到吸力以下，水分子将再次挤进两个粒子，增加两个粒子之间的间距。这样，将产生两个结果：第一，岩石体积膨胀；如果岩石处于不可变形状态，将产生膨胀压力；其次，水胶连接取代了胶体和可溶性盐连接，导致润滑和岩石强度降低。重力水：对岩石力学性质的影响主要表现在孔隙水压力、溶解和淹没。孔隙压力的影响：孔隙压力降低了颗粒之间的压应力，从而降低了岩石的抗剪强度，使岩石的微裂纹端部处于拉伸状态，从而破坏了岩石之间的连接。溶解-潜蚀：岩石中的渗透性水在其流动过程中可以溶解并带走岩石中的可溶性物质，有时还会冲走岩石中的小颗粒，从而大大降低岩石强度，增加变形。除了上述五种作用之外，水在冻融过程中的膨胀和收缩将极大地损害岩石的机械强度。2)、温度对岩石力学性质的影响一般地热每增加100米深度，温度增加3。一般来说，随着温度的升高，岩石的延展性增加，屈服点降低，强度降低。如图所示，这是三种不同岩石在围压为500兆帕、温度从25上升到800时的应力应变特征。、玄武岩花岗岩白云岩，加载速率对岩石力学性质的影响，加载速率越大，弹性模量越大；加载速率越小，弹性模量越小。加载速率越高，获得的强度指标值越高。国际岩石力学学会(一例如，欧洲阿尔卑斯山的山岭隧道穿过非常坚硬的花岗岩。由于山体陡峭，花岗岩处于高三维地应力状态，并表现出明显的塑性变形。