工程地質學第五章巖石的工程地質性質ppt課件

1、工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質工程地質學概論第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質賈賈 洪洪 彪彪中國地質大學武漢工程學院中國地質大學武漢工程學院工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質第一節(jié) 巖石與土工程地質性質的差別第二節(jié) 巖石的物理、水理性質第三節(jié) 巖石的力學性質工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質第一節(jié)第一節(jié) 巖石與土工程地質性質的差別巖石與土工程地質性質的差別巖石和土都是礦物的集合體，是自然

2、地質作用的產物，并在地質巖石和土都是礦物的集合體，是自然地質作用的產物，并在地質作用下相互轉化。作用下相互轉化。土在一定溫度和壓力下，經過壓密、脫水、膠結、重結晶等成巖土在一定溫度和壓力下，經過壓密、脫水、膠結、重結晶等成巖作用構成巖石。作用構成巖石。巖石經風化作用，構成土。巖石經風化作用，構成土。鞏固巖石鞏固巖石脆弱巖石脆弱巖石半成巖石半成巖石鞏固土層鞏固土層脆弱土層脆弱土層巖石巖石風化作用風化作用土土 成巖作用成巖作用巖石巖石巖石與土之間，即存在多方面的共性和聯(lián)絡，又有明顯不同巖石與土之間，即存在多方面的共性和聯(lián)絡，又有明顯不同:巖石巖石在力學性能、抗水性、完好性等都比土好的多。但也有些巖

3、石與在力學性能、抗水性、完好性等都比土好的多。但也有些巖石與土很難區(qū)別，如粘土巖、泥灰?guī)r、凝灰?guī)r等?？偟膩碚f，巖石的土很難區(qū)別，如粘土巖、泥灰?guī)r、凝灰?guī)r等?？偟膩碚f，巖石的建筑條件比土體要優(yōu)越的多，土體中出現(xiàn)的問題，對巖體就顯得建筑條件比土體要優(yōu)越的多，土體中出現(xiàn)的問題，對巖體就顯得非常微弱或不存在了。非常微弱或不存在了。工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質巖石與土之間的差別，主要表如今：巖石與土之間的差別，主要表如今：1巖石礦物顆粒間具有結實的連結。巖石區(qū)別于土并賦予巖石礦物顆粒間具有結實的連結。巖石區(qū)別于土并賦予巖石以優(yōu)良工程地質性質的主要緣由巖

4、石以優(yōu)良工程地質性質的主要緣由 巖石巖石結晶連結、膠結連結結晶連結、膠結連結 土土 水膠連結、水水膠連結、水 連連 結結2巖石中存在著構造面帶。如斷層、節(jié)理等，使巖體遭巖石中存在著構造面帶。如斷層、節(jié)理等，使巖體遭到不同程度切割。土體中普通沒有這種構造面切割。到不同程度切割。土體中普通沒有這種構造面切割。 巖體巖體構造面切割構造面切割巖塊力學性質各向異性巖塊力學性質各向異性 土體土體沒有構造面沒有構造面土體可以看作各向同性土體可以看作各向同性3巖體中具有較高的地應力。巖體在長期地質歷史過程中，巖體中具有較高的地應力。巖體在長期地質歷史過程中，蒙受地質構造作用的結果蒙受地質構造作用的結果 巖體巖

5、體自重應力、構造應力自重應力、構造應力物理力學性質復雜物理力學性質復雜 土體土體自重應力自重應力工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質巖石巖石: :礦物、巖屑的集合體。礦物、巖屑的集合體。構造面構造面: :指地質歷史開展過程中，在巖體內構成的具有指地質歷史開展過程中，在巖體內構成的具有一定的延伸方向和長度，厚度相對較小的地質界面或帶。一定的延伸方向和長度，厚度相對較小的地質界面或帶。巖塊巖塊: :指不含顯著構造面的巖石塊體，是構成巖體的最指不含顯著構造面的巖石塊體，是構成巖體的最小巖石單元體。小巖石單元體。巖體巖體: :指地質歷史過程中構成的，由巖塊和

6、構造面網絡指地質歷史過程中構成的，由巖塊和構造面網絡組成的，具有一定的構造并賦存于一定的天然應力形狀組成的，具有一定的構造并賦存于一定的天然應力形狀和地下水等地質環(huán)境中的地質體。和地下水等地質環(huán)境中的地質體。第二節(jié)第二節(jié) 巖石的物理、水理性質巖石的物理、水理性質工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質巖石和土一樣，也是由固體、液體和氣體三巖石和土一樣，也是由固體、液體和氣體三相組成的。相組成的。物理性質：物理性質是指巖石由于三相組成物理性質：物理性質是指巖石由于三相組成的相對

7、比例關系不同所表現(xiàn)的物理形狀。的相對比例關系不同所表現(xiàn)的物理形狀。水理性質：巖石在水溶液作用下表現(xiàn)出來的水理性質：巖石在水溶液作用下表現(xiàn)出來的性質，稱為水理性質性質，稱為水理性質工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質一、巖石的密度 1、顆粒密度(s) s= ms/Vs 2、塊體密度() =m/V 留意： 1s與的區(qū)別 (s) 2s與的單位 g/cm3, kN/m3 3測試方法s-比重瓶法；-量積法工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質二、巖石的空隙性巖石的空隙(裂隙、孔隙) 閉空隙開空隙大開空隙小開空隙工程地質

8、學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質%10000VVnv%100VVnvbbbvaannVVn0%1000%100nnVVnvcc1dssVVVe%100)1(%100sdvVVn隙比巖石空隙率 總空隙率(n) 總開空隙率(no) 大開空隙率(nb) 小開空隙率(na) 閉空隙率(nc)工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質三、巖石的吸水性定義：巖石在一定的實驗條件下吸收水分的才干，稱為巖石的吸水性。 1.吸水率(Wa)：巖石試件在大氣壓力和室溫條件下自在吸入水的質量(mw1)與巖樣干質量(ms)之比，用百分數(shù)表示

9、%10021wwammW %100ddawaVbbWWVVn工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質2.飽和吸水率巖石的飽和吸水率(Wp)是指巖石試件在高壓(普通壓力為15MPa)或真空條件下吸入水的質量(mw2)與巖樣干質量(ms)之比，用百分數(shù)表示:%1002swpmmW %100dd00WpWVVnwpV工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質3.飽水系數(shù)巖石的吸水率(Wa)與飽和吸水率(Wp)之比，稱為飽水系數(shù)。它反映了巖石中大、小開空隙的相對比例關系。工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程

10、地質性質巖石的工程地質性質四、巖石的軟化性 巖石浸水飽和后強度降低的性質，稱為軟化性。巖石浸水飽和后強度降低的性質，稱為軟化性。 軟化系數(shù)軟化系數(shù)(KR)為巖石試件的飽和抗壓強度為巖石試件的飽和抗壓強度(cw)與干與干抗壓強度抗壓強度(c)的比值。的比值。ccwRK 巖石中含有較多的親水性和可溶性礦物，大開空隙較多，巖石的軟化性較強，軟化系數(shù)較小。 KR0.75，巖石的軟化性弱，工程地質性質較好； KR0.75，巖石軟化性較強，工程地質性質較差。工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質五、巖石的抗凍性 巖石抵抗凍融破壞的才干，稱為抗凍性。 抗凍系數(shù)(Rd

11、)：巖石試件經反復凍融后的干抗壓強度(c2)與凍融前干抗壓強度(c1)之比，用百分數(shù)表示%10012ccdR工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質 質量損失率(Km)：凍融實驗前后干質量之差(ms1ms2)與實驗前干質量(ms1)之比，以百分數(shù)表示%100121sssmmmmKRd75，Km2，抗凍性高;吸水率Wa5、軟化系數(shù)KR0.75，飽水系數(shù)小于0.8的巖石，抗凍性高。工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質六、巖石的透水性 在一定的水力梯度或壓力差作用下，巖石能被水透過的性質，稱為透水性。 普通以為，水在

12、巖石中的流動，好像水在土中流動一樣，也服從于線性滲流規(guī)律達西定律，即KJU 工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質一、單軸緊縮條件下的巖塊變形一、單軸緊縮條件下的巖塊變形一一 延續(xù)加載延續(xù)加載 1 1、變形階段、變形階段空隙壓密階段空隙壓密階段(OA)(OA)峰值前變形階段峰值后變形階段oABCDE(+) (-) L V d 破壞后階段(DE)全過程曲線前過程曲線非穩(wěn)定開展階段(CD) D點:峰值強度微裂隙穩(wěn)定開展階段(BC) C點:屈服強度彈性變形階段(AB) B點:彈性極限第三節(jié)第三節(jié) 巖石的力學性質巖石的力學性質工程地質學概論工程地質學概論:第五

13、章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質2、峰值前巖塊的變形特征、峰值前巖塊的變形特征 彈性型彈-塑性型塑-彈性型塑-彈-塑性型1塑-彈-塑性型2彈性-蠕變型工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質3、變形參數(shù)、變形參數(shù)1)變形模量modulus of deformation)是指單軸緊縮條件下，軸向壓應力與軸向應變之比。應力-應變曲線為直線型(又稱為彈性模量)oLiiEii工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質 應力-應變曲線為“S型 初始模量(i)指曲線原點處切線斜率 切線模量(t)指曲線上任一點處切線

14、的斜率，在此特指中部直線段的斜率 割線模量(s)指曲線上某特定點與原點連線的斜率，通常取c處的點與原點連線的斜率Lo2501i1 50 2iiiiE1212tE5050iE工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質2)泊松比():是指在單軸緊縮條件下，橫向應變與軸向應變之比. 在實踐任務中，常采用/處的橫向應變與軸向應變來計算巖塊的泊松比。 巖塊的變形模量和泊松比受巖石礦物組成、構造構造、風化程度、空隙性、含水率、微構造面及其與荷載方向的關系等多種要素的影響，變化較大。Ld工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質二二

15、 循環(huán)加載循環(huán)加載2. 卸荷點卸荷點P的應力的應力高于巖石的彈性極限高于巖石的彈性極限(A)1. 卸荷點卸荷點P的應力低的應力低于巖石的彈性極限于巖石的彈性極限(A)工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質3.3.反復加卸荷反復加卸荷( (巖石記憶、回滯環(huán)、疲勞破壞巖石記憶、回滯環(huán)、疲勞破壞工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質二、單軸受力條件下的巖石的強度二、單軸受力條件下的巖石的強度巖石強度：巖石抵抗外力破壞的才干。巖塊破巖塊破壞方式壞方式 脆性破壞脆性破壞塑性破壞塑性破壞(延性破壞延性破壞拉破壞拉破壞剪切破

16、壞剪切破壞工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質1、定義：、定義：在單向緊縮條件下，巖塊能接受的最大壓應力，簡稱抗在單向緊縮條件下，巖塊能接受的最大壓應力，簡稱抗壓強度壓強度MPa 。 2、意義、意義衡量巖塊根本力學性質的重要目的衡量巖塊根本力學性質的重要目的巖體工程分類、建立巖體破壞判據的重要目的巖體工程分類、建立巖體破壞判據的重要目的用來大致估算其他強度參數(shù)用來大致估算其他強度參數(shù) 3、測定方法、測定方法抗壓強度實驗抗壓強度實驗試樣pApcc一、單軸抗壓強度一、單軸抗壓強度c工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地

17、質性質工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質二、單軸抗拉強度二、單軸抗拉強度t1.定義：定義： 單向拉伸條件下，巖塊能接受的最大拉應力，簡稱抗單向拉伸條件下，巖塊能接受的最大拉應力，簡稱抗拉強度。拉強度。2.意義：意義： 衡量巖膂力學性質的重要目的衡量巖膂力學性質的重要目的 用來建立巖石強度判據，確定強度包絡線用來建立巖石強度判據，確定強度包絡線 選擇建筑石材不可短少的參數(shù)選擇建筑石材不可短少的參數(shù) 3.測定方法：測定方法： 直接拉伸直接拉伸 間接法間接法(劈裂法、點荷載法、三點彎曲法劈裂法、點荷載法、三點彎曲法)工程地質學概論工程地質學概論:第五章第

18、五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質APtt直接拉伸法是將圓柱狀試件兩端固定在資料實驗機的拉伸夾具內，然后對試件施加軸向拉荷載至破壞。PtPt工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質劈裂實驗是用圓柱體或立方體試件，橫置于壓力機的承壓板上，且在試件上、下承壓面上各放一根墊條。然后以一定的加荷速率加壓，直至試件破壞。工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質在線布荷載(p)作用下，沿試件豎直向直徑平面內產生的近于均布的程度拉應力x=2p/DL在程度向直徑平面內產生的壓應力y= 6p/ DL抗拉強度:DLPtt2圓形

19、試樣22aPtt方形試樣工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質點荷載實驗是將試件放在點荷載儀中的球面壓頭間，加壓至試件破壞，利用破壞荷載求巖塊的點荷載強度。 工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質 點荷載強度 抗拉強度kIst2DPIst工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質1、定義：在剪切荷載作用下，巖塊抵抗剪切破壞的最大剪應力，稱、定義：在剪切荷載作用下，巖塊抵抗剪切破壞的最大剪應力，稱為剪切強度為剪切強度2、類型：、類型： 1抗剪斷強度：指試件在一定的法向應力作用

20、下，沿預定剪切抗剪斷強度：指試件在一定的法向應力作用下，沿預定剪切面剪斷時的最大剪應力。面剪斷時的最大剪應力。 2抗切強度：抗切強度： 指試件上的法向應力為零時，沿預定剪切面剪斷指試件上的法向應力為零時，沿預定剪切面剪斷時的最大剪應力。時的最大剪應力。 3摩擦強度：摩擦強度： 指試件在一定的法向應力作用下，沿已有破裂面指試件在一定的法向應力作用下，沿已有破裂面層面、節(jié)理等再次剪切破壞時的層面、節(jié)理等再次剪切破壞時的 最大剪應力。最大剪應力。Ctg CjjCtg三、剪切強三、剪切強度度工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質3 3、意義、意義 反映巖塊的力學性質的重要目的反映巖塊的力學性質的重要目的 用來估算巖膂力學參數(shù)及建立強度用來估算巖膂力學參數(shù)及建立強度判據判據 4 4、測試方法、測試方法 直剪實驗直剪實驗 變角板剪切實驗變角板剪切實驗 三軸實驗三軸實驗 工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質直剪實驗在直剪儀上進展，按庫侖定律求巖塊的剪切強度參數(shù)C、值。工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質三、三軸緊縮條件下巖石的