7-岩石工程地质性质

第章岩石和岩体的工程地质性质,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,7.1岩石的物理性质,一、岩石的质量指标,相对密度(d)d=mr/Vrw天然密度()=m/V重度（）注意：（1）d与的区别(d)（2）d与的单位（kN/m3g/cm3）（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,孔隙比,岩石空隙率,三、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,1、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。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,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,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,2、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(Rb)与干抗压强度(Rc)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,3、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。,7.2、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.抗剪切强度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,一、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。,1、全应力应变曲线的特征1）1966年库克教授利用自制的刚性试验机获得了的一条大理岩的全应力应变曲线,可将岩石变形分为下列五个阶段:,微裂隙压密阶段（OA段）：即试件中原有张开性结构面或微裂隙逐渐闭合，岩石被压密，形成早期的非线性变形，曲线呈上凹型。A点对应荷载称为压密极限强度。本阶段变形对裂隙化岩石来说较明显，而对坚硬少裂隙的岩石则不明显，甚至不显现。弹性变形阶段AB段:该阶段的应力应变曲线成近似直线型。岩石变形以弹性变形为主，B点为弹性极限强度。微裂隙稳定发展阶段（BC段：该阶段岩石中产生新的裂隙，应变的增加速率超过应力的增加速率，使曲线的斜率逐渐降低。C点是岩石从弹性变为塑性的转折点，称为屈服点。相应于该点的应力为屈服极限，其值约为峰值强度的2/3。,非稳定破裂发展阶段（CD段）：进入本阶段后，微破裂的发展出现了质的变化，破裂不断发展，直至试件完全破坏。试件由体积压缩转为扩容，轴向应变和体积应变速率迅速增大。D点对应的应力称为峰值强度或单轴极限抗压强度。破裂后阶段（D点以后段）：岩块承载力达到峰值强度后，其内部结构遭到破坏，但试件基本保持整体状。到本阶段，裂隙快速发展，交叉且相互联合形成宏观断裂面。此后，岩块变形主要表现为沿宏观断裂面的块体滑移，试件承载力随变形增大迅速下降，但并不降到零，说明破裂的岩石仍有一定的承载力。,19,2）全应力应变曲线的工程意义,揭示岩石试件破裂后，仍具有一定的承载能力。,预测岩爆。,20,预测蠕变破坏。当应力水平在H点以下时保持应力恒定，岩石试件不会发生蠕变。应力水平在GH点之间保持恒定。蠕变应变发展会和蠕变终止轨迹相交，蠕变将停止，岩石试件不会破坏。若应力水平在G点及以上保持恒定，则蠕变应变发展就和全应力应变曲线的右半部，试件将发生破坏。,21,预测循环加载条件下岩石的破坏。循环荷载：爆破，而且是动荷载。在高应力水平下循环加载，岩石在很短时间内就破坏。在低应力水平下循环加载，岩石可以经历相对较长一段时间，岩石工程才会发生破坏。所以，根据岩石受力水平，循环荷载的大小、周期、全应力应变曲线来预测循环加载条件下岩石破坏时间。,3)单轴压缩条件岩石应力应变曲线6种类型岩石的应力应变曲线随着岩石性质不同有各种不同的类型。米勒（Mller）采用28种岩石进行大量的单轴试验后，据峰值前应力应变曲线将岩石分成六种类型，如图所示。,23,类型应力与应变关系是一直线或者近似直线，直到试件发生突然破坏为止。由于塑性阶段不明显，这些岩石被称为弹性岩石。例如：玄武岩、石英岩、白云岩以及极坚固的石灰岩。类型应力较低时，应力应变曲线近似于直线，当应力增加到一定数值后，应力应变曲线向下弯曲，随着应力逐渐增加而曲线斜率也就越变越小，直至破坏。由于这些岩石低应力时表现出弹性，高应力时表现出塑性，所以被称为弹塑性岩石。例如：较弱的石灰岩、泥岩以及凝灰岩等。类型在应力较低时，应力应变曲线略向上弯曲。当应力增加到一定数值后，应力应变曲线逐渐变为直线，直至发生破坏。由于这些岩石低应力时表现出塑性，高应力时表现出弹性，所以被称为塑弹性岩石。例如：砂岩、花岗岩、片理平行于压力方向的片岩以及某些辉绿岩等。,24,类型应力较低时，应力应变曲线向上弯曲，当压力增加到一定值后，变形曲线成为直线，最后，曲线向下弯曲，曲线似S型。由于这些岩石低应力时表现出塑性，高应力时表现出弹性，破坏前又表现出塑性，所以被称为塑弹塑性岩石。例如：大多数为变质岩（大理岩、片麻岩等）。类型基本上与类型相同，也呈S型，不过曲线斜率较平缓。一般发生在压缩性较高的岩石中。应力垂直于片理的片岩具有这种性质。类型应力应变曲线开始先有很小一段直线部分，然后有非弹性的曲线部分，并继续不断地蠕变。这类材料被称为弹粘性岩石。例如：岩盐、某些软弱岩石。,25,2弹塑性岩石在循环荷载条件下的变形特征在循环荷载条件下，弹性岩石变形如何？非弹性岩石（弹塑性）的变形又如何呢？,a线弹性体，其应力应变呈直线关系=Eb非线性弹性体，其应力应变呈非直线的关系=f(),27,1)弹塑性岩石等荷载循环加载变形特征,等荷载循环加载：如果多次反复加载与卸载，且每次施加的最大荷载与第一次施加的最大荷载一样。塑性滞回环：则每次加、卸载曲线都形成一个塑性回滞环。这些塑性回滞环随着加、卸载的次数增加而愈来愈狭窄，并且彼此愈来愈近，岩石愈来愈接近弹性变形，一直到某次循环没有塑性变形为止，如图中的HH环。临界应力：当循环应力峰值小于某一数值时，循环次数即使很多，也不会导致试件破坏；而超过这一数值岩石将在某次循环中发生破坏（疲劳破坏），这一数值称为临界应力。此时，给定的应力称为疲劳强度。,2)弹塑性岩石增荷载循环加载变形特征,增荷载循环加载：如果多次反复加载、卸载循环，每次施加的最大荷载比前一次循环的最大荷载为大。塑性回滞环：每次加、卸载曲线都形成一个塑性回滞环。随着循环次数的增加，塑性回滞环的面积也有所扩大，卸载曲线的斜率（它代表着岩石的弹性模量）也逐次略有增加，表明卸载应力下的岩石材料弹性有所增强。岩石的记忆性：每次卸载后再加载，在荷载超过上一次循环的最大荷载以后，变形曲线仍沿着原来的单调加载曲线上升（图中的OC线），好象不曾受到反复加载的影响似的，这种现象称为岩石的变形记忆。,30,d.弹塑性岩石岩石的应力应变关系不是直线，而是曲线，卸载曲线不沿原加载路径返回，且应变也不能恢复到原点O。对于任一应变，不是唯一的应力与之对应，应力不是应变的函数关系。弹性模量和变形模量：弹性变形，以e表示；塑性变形，以p表示；总变形，以表示。弹性模量E：把卸载曲线的割线的斜率作为弹性模量，即:E=PM/NM=/e变形模量Eo：是正应力与总应变()之比，即：Eo=PM/OM=/=/(e+p)塑性回滞环：加载曲线与卸载曲线所组成的环，叫做塑性回滞环。,3、岩石的蠕变性质,1940.05,1939.01,阿尔卑斯山谷反倾岩层中蠕动,湖南五强溪板溪群轻度变质砂岩、石英岩、板岩中的蠕动，深达4050m,34,第一阶段(a-b)，初始蠕变阶段：应变速率随时间增加而减小。第二阶段(b-c)，稳定蠕变阶段：应变速率保持不变。第三阶段(c-d)：加速蠕变阶段：应变速率随时间增加而增加。,（1）典型蠕变三个阶段,35,a.趋于稳定蠕变：低应力状态下发生的蠕变，图中sCb.趋于不稳定蠕变：较高应力状态下发生的蠕变，图中sA、sB,（2）蠕变的两种类型,二、岩石的强度特征,1、岩石的破坏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、三向就岩石的性质而言，岩石的破坏只有拉断和剪断两种。从工程地质目的出发我们着重研究岩石的抗拉强度、抗压强度和抗剪强度。,2、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(Uniaxialcompressivestrength)，如图所示。2）计算公式：c=P/A,3)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.压缩实验设备示意图(500t压力机),c.非标准试件的对试验结果的影响及其修正,尺寸效应,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,4）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。,3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(Tensilestrength)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（Braziliantest），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。,4、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（Shearstrength）。剪切强度试验分为非限制性剪切强度试验（Unconfinedshearstrengthtest）和限制性剪切强度试验（Confinedshearstrengthtest）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）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）,剪断试验摩擦试验抗切试验,4）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。,五、影响岩石力学性质的因素,（一）矿物成分对岩石力学性质的影响1、矿物硬度的影响矿物硬度大，岩石的弹性越明显，强度越高。如岩浆岩，橄榄石等矿物含量的增多，弹性越明显，强度越高；沉积岩中，砂岩的弹性及强度随石英含量的增加而增高；石灰岩的弹性和强度随硅质物含量的增加而增高。变质岩中，含硬度低的矿物（如云母、滑石、蒙脱石、伊利石、高岭石等）越多，强度越低。,2、不稳定矿物的影响化学性质不稳定的矿物，如黄铁矿、霞石以及易溶于水的盐类，如石膏、滑石、钾盐等，具有易变性和溶解性。含有这些矿物的岩石其力学性质随时间而变化。3、粘土矿物的影响含有粘土矿物（蒙脱石、伊利石、高岭石等）的岩石，遇水时发生膨胀和软化，强度降低很大。,（二）岩石的结构构造对岩石力学性质的影响,1、岩石结构的影响岩石的结构指岩石中晶粒或岩石颗粒的大小、形状以及结合方式。岩浆岩：粒状结构、斑状结构、玻璃质结构；沉积岩：粒状结构、片架结构、斑基结构；变质岩：板理结构、片理结构、片麻理结构。岩石的结构对岩石力学性质的影响主要表现在结构的差异上。例如：粒状结构中，等粒结构比非等粒结构强度高；在等粒结构中，细粒结构比粗粒结构强度高。,2、岩石构造的影响岩石的构造指岩石中不同矿物集合体之间或矿物集合体与其他组成部分之间的排列方式及充填方式。岩浆岩：颗粒排列无一定的方向，形成块状构造；沉积岩：层理构造、页片状构造；变质岩：板状构造、片理构造、片麻理构造。层理、片理、板理和流面构造等统称为层状构造。宏观上，块状构造的岩石多具有各向同性特征，而层状构造岩石具有各向异性特征。,（三）水对岩石力学性能的影响,岩石中的水,水对岩石力学性质的影响与岩石的孔隙性和水理性（吸水性、软化性、崩解性、膨胀性、抗冻性）有关。水对岩石力学性质的影响主要体现在5个方面：连结作用、润滑作用、水楔作用、孔隙压力作用、溶蚀及潜蚀作用。,结合水（连结、润滑、水楔作用）,重力水（自由水）（孔隙压力、溶蚀及潜蚀作用）。,1、连结作用：束缚在矿物表面的水分子通过其吸引力将矿物颗粒拉近，起连结作用。这种作用相对于矿物颗粒间的连结强度非常微弱，故对岩石力学性质影