工程地质学第五章岩石的工程地质性质.ppt

1、工程地质学概论,第五章 岩石的工程地质性质 贾 洪 彪 中国地质大学（武汉）工程学院,2020/8/24,中国地质大学工程学院 贾洪彪,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,2020/8/24,中国地质大学工程学院 贾洪彪,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

2、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。,2020/8/24,中国地质大学工程学院 贾洪彪,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

3、各向异性 土体没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,2020/8/24,中国地质大学工程学院 贾洪彪,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、水理性质,2020/8

4、/24,中国地质大学工程学院 贾洪彪,6,2020/8/24,中国地质大学工程学院 贾洪彪,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,2020/8/24,中国地质大学工程学院 贾洪彪,8,一、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）,2020/8/24,中国地质大学工程学院 贾洪彪,9,二、岩

5、石的空隙性,岩石的空隙 (裂隙、孔隙),闭空隙,开空隙,大开空隙,小开空隙,2020/8/24,中国地质大学工程学院 贾洪彪,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),2020/8/24,中国地质大学工程学院 贾洪彪,11,三、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,2020/8/24,中国地质大学工程学院 贾洪彪,12,2.饱和吸水率 岩石的饱和吸水率(Wp)是指岩

6、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:,2020/8/24,中国地质大学工程学院 贾洪彪,13,3.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。,2020/8/24,中国地质大学工程学院 贾洪彪,14,四、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

7、质性质较好； KR0.75，岩石软化性较强，工程地质性质较差。,2020/8/24,中国地质大学工程学院 贾洪彪,15,五、岩石的抗冻性,岩石抵抗冻融破坏的能力，称为抗冻性。 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,2020/8/24,中国地质大学工程学院 贾洪彪,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。,2020/8/24,中国地质大学工程学院 贾洪彪,17,六

8、、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,2020/8/24,中国地质大学工程学院 贾洪彪,18,一、单轴压缩条件下的岩块变形,（一） 连续加载,1、变形阶段 空隙压密阶段(OA),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,第三节 岩石的力学性质,2020/8/24,中国地质大学工程学院 贾洪彪,1

9、9,2、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,2020/8/24,中国地质大学工程学院 贾洪彪,20,3、变形参数,1)变形模量（modulus of deformation)是指单轴压缩条件下，轴向压应力与轴向应变之比。 应力-应变曲线为直线型(又称为弹性模量),2020/8/24,中国地质大学工程学院 贾洪彪,21,应力-应变曲线为“S”型 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,2

10、020/8/24,中国地质大学工程学院 贾洪彪,22,2)泊松比():是指在单轴压缩条件下，横向应变与轴向应变之比.,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。,2020/8/24,中国地质大学工程学院 贾洪彪,23,（二） 循环加载,2. 卸荷点（P）的应力高于岩石的弹性极限(A),1. 卸荷点（P）的应力低于岩石的弹性极限(A),2020/8/24,中国地质大学工程学院 贾洪彪,24,3.反复加卸荷(岩石记忆、回滞环、疲劳破坏）,2020

11、/8/24,中国地质大学工程学院 贾洪彪,25,二、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。,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,2020/8/24,中国地质大学工程学院 贾洪彪,26,1、定义： 在单向压缩条件下，岩块能承受的最大压应力，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,试 样,p,一、单轴抗压强度c,2020/8/24,中国地质大学工程学院 贾洪彪,27,2020/8/24,中国地质大学工程学院 贾洪彪,28,

12、二、单轴抗拉强度t,1.定义： 单向拉伸条件下，岩块能承受的最大拉应力，简称抗拉强度。 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),2020/8/24,中国地质大学工程学院 贾洪彪,29,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。,2020/8/24,中国地质大学工程学院 贾洪彪,30,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。,2

13、020/8/24,中国地质大学工程学院 贾洪彪,31,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）,2020/8/24,中国地质大学工程学院 贾洪彪,32,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。,2020/8/24,中国地质大学工程学院 贾洪彪,33,点荷载强度 抗拉强度,2020/8/24,中国地质大学工程学院 贾洪彪,34,1、定义：在剪切荷载作用下，岩块抵抗剪切破坏的最大剪应力，称为剪切强度2、类型：

14、（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。 （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。 （3）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。,三、剪切强度,2020/8/24,中国地质大学工程学院 贾洪彪,35,3、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,2020/8/24,中国地质大学工程学院 贾洪彪,36,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。,2020/8/2

15、4,中国地质大学工程学院 贾洪彪,37,三、三轴压缩条件下岩石的变形与强度 1、三轴试验,真三轴试验 123 常规三轴试验 12=3,2020/8/24,中国地质大学工程学院 贾洪彪,38,2、围压对变形破坏的影响,1）岩石破坏前应变随3增大而增大 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,2020/8/24,中国地质大学工程学院 贾洪彪,39,4）随3增大，岩石的塑性不断增大，随3增大到一定值时，岩石由弹脆性转变为塑性。这时，3的大小称为“转化压力” 。5）随3的增大，岩块从脆性劈裂破坏逐渐向塑性剪切及塑性流动破坏方式过渡。,2020/8/24,中国地质大学工程学院 贾洪彪,40,3、三轴压缩条