工程地質(zhì)學第五章巖石的工程地質(zhì)性質(zhì)

1、工程地質(zhì)學第五章巖石的工程地質(zhì)性質(zhì)第1頁，共41頁，2022年，5月20日，4點0分，星期三2022/9/161中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪彪第五章 巖石的工程地質(zhì)性質(zhì)第一節(jié) 巖石與土工程地質(zhì)性質(zhì)的差別第二節(jié) 巖石的物理、水理性質(zhì)第三節(jié) 巖石的力學性質(zhì)第2頁，共41頁，2022年，5月20日，4點0分，星期三2022/9/162中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪彪第一節(jié) 巖石與土工程地質(zhì)性質(zhì)的差別巖石和土都是礦物的集合體，是自然地質(zhì)作用的產(chǎn)物，并在地質(zhì)作用下相互轉(zhuǎn)化。土在一定溫度和壓力下，經(jīng)過壓密、脫水、膠結(jié)、重結(jié)晶等成巖作用形成巖石。巖石經(jīng)風化作用，形成土。堅硬巖石軟弱巖石半成巖石堅硬土層軟弱土層巖石

2、風化作用土 成巖作用巖石巖石與土之間，即存在多方面的共性和聯(lián)系，又有明顯不同:巖石在力學性能、抗水性、完整性等都比土好的多。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，對巖體就顯得十分微弱或不存在了。第3頁，共41頁，2022年，5月20日，4點0分，星期三2022/9/163中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪彪巖石與土之間的差別，主要表現(xiàn)在：（1）巖石礦物顆粒間具有牢固的連結(jié)。（巖石區(qū)別于土并賦予巖石以優(yōu)良工程地質(zhì)性質(zhì)的主要原因） 巖石結(jié)晶連結(jié)、膠結(jié)連結(jié) 土 水膠連結(jié)、水 連 結(jié)（2）巖石中存在著結(jié)構(gòu)面（帶）。如斷層、節(jié)理等，使巖

3、體受到不同程度切割。土體中一般沒有這種結(jié)構(gòu)面切割。 巖體結(jié)構(gòu)面切割巖塊力學性質(zhì)各向異性 土體沒有結(jié)構(gòu)面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(zhì)歷史過程中，遭受地質(zhì)構(gòu)造作用的結(jié)果） 巖體自重應力、構(gòu)造應力物理力學性質(zhì)復雜 土體自重應力第4頁，共41頁，2022年，5月20日，4點0分，星期三2022/9/164中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪彪巖石:礦物、巖屑的集合體。結(jié)構(gòu)面:指地質(zhì)歷史發(fā)展過程中，在巖體內(nèi)形成的具有一定的延伸方向和長度，厚度相對較小的地質(zhì)界面或帶。巖塊:指不含顯著結(jié)構(gòu)面的巖石塊體，是構(gòu)成巖體的最小巖石單元體。巖體:指地質(zhì)歷史過程中形成的，由巖塊和結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡組

4、成的，具有一定的結(jié)構(gòu)并賦存于一定的天然應力狀態(tài)和地下水等地質(zhì)環(huán)境中的地質(zhì)體。第二節(jié) 巖石的物理、水理性質(zhì)第5頁，共41頁，2022年，5月20日，4點0分，星期三2022/9/165中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪彪第6頁，共41頁，2022年，5月20日，4點0分，星期三2022/9/166中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪彪巖石和土一樣，也是由固體、液體和氣體三相組成的。物理性質(zhì)：物理性質(zhì)是指巖石由于三相組成的相對比例關(guān)系不同所表現(xiàn)的物理狀態(tài)。水理性質(zhì)：巖石在水溶液作用下表現(xiàn)出來的性質(zhì)，稱為水理性質(zhì)第7頁，共41頁，2022年，5月20日，4點0分，星期三2022/9/167中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪彪

5、一、巖石的密度 1、顆粒密度(s) s= ms/Vs 2、塊體密度() =m/V 注意： （1）s與的區(qū)別 (s) （2）s與的單位 （g/cm3, kN/m3） （3）測試方法（s-比重瓶法；-量積法）第8頁，共41頁，2022年，5月20日，4點0分，星期三2022/9/168中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪彪二、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第9頁，共41頁，2022年，5月20日，4點0分，星期三2022/9/169中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪彪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)第10頁，共41

6、頁，2022年，5月20日，4點0分，星期三2022/9/1610中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪彪三、巖石的吸水性定義：巖石在一定的試驗條件下吸收水分的能力，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由吸入水的質(zhì)量(mw1)與巖樣干質(zhì)量(ms)之比，用百分數(shù)表示第11頁，共41頁，2022年，5月20日，4點0分，星期三2022/9/1611中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪彪2.飽和吸水率巖石的飽和吸水率(Wp)是指巖石試件在高壓(一般壓力為15MPa)或真空條件下吸入水的質(zhì)量(mw2)與巖樣干質(zhì)量(ms)之比，用百分數(shù)表示:第12頁，共41頁，2022年，5月20日，4點

7、0分，星期三2022/9/1612中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪彪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(guān)系。第13頁，共41頁，2022年，5月20日，4點0分，星期三2022/9/1613中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪彪四、巖石的軟化性巖石浸水飽和后強度降低的性質(zhì)，稱為軟化性。軟化系數(shù)(KR)為巖石試件的飽和抗壓強度(cw)與干抗壓強度(c)的比值。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(zhì)性質(zhì)較好；KR0.75，巖石軟化性較強，工程地質(zhì)性質(zhì)較差。第1

8、4頁，共41頁，2022年，5月20日，4點0分，星期三2022/9/1614中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪彪五、巖石的抗凍性巖石抵抗凍融破壞的能力，稱為抗凍性?？箖鱿禂?shù)(Rd)：巖石試件經(jīng)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)表示第15頁，共41頁，2022年，5月20日，4點0分，星期三2022/9/1615中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪彪質(zhì)量損失率(Km)：凍融試驗前后干質(zhì)量之差(ms1ms2)與試驗前干質(zhì)量(ms1)之比，以百分數(shù)表示Rd75，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。第16頁，共41頁，2022年

9、，5月20日，4點0分，星期三2022/9/1616中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪彪六、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(zhì)，稱為透水性。一般認為，水在巖石中的流動，如同水在土中流動一樣，也服從于線性滲流規(guī)律達西定律，即第17頁，共41頁，2022年，5月20日，4點0分，星期三2022/9/1617中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪彪一、單軸壓縮條件下的巖塊變形（一） 連續(xù)加載 1、變形階段空隙壓密階段(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)定發(fā)展階段(CD) D點:峰值強度微裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段(BC

10、) C點:屈服強度彈性變形階段(AB) B點:彈性極限第三節(jié) 巖石的力學性質(zhì)第18頁，共41頁，2022年，5月20日，4點0分，星期三2022/9/1618中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪彪2、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-蠕變型第19頁，共41頁，2022年，5月20日，4點0分，星期三2022/9/1619中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪彪3、變形參數(shù)1)變形模量（modulus of deformation)是指單軸壓縮條件下，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)oLii第20頁，共41頁，2022年，5月20日

11、，4點0分，星期三2022/9/1620中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪彪應力-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Lo2501i1502i第21頁，共41頁，2022年，5月20日，4點0分，星期三2022/9/1621中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪彪2)泊松比():是指在單軸壓縮條件下，橫向應變與軸向應變之比.在實際工作中，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、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、風化程度、空隙性、含

12、水率、微結(jié)構(gòu)面及其與荷載方向的關(guān)系等多種因素的影響，變化較大。第22頁，共41頁，2022年，5月20日，4點0分，星期三2022/9/1622中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪彪（二） 循環(huán)加載2. 卸荷點（P）的應力高于巖石的彈性極限(A)1. 卸荷點（P）的應力低于巖石的彈性極限(A)第23頁，共41頁，2022年，5月20日，4點0分，星期三2022/9/1623中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪彪3.反復加卸荷(巖石記憶、回滯環(huán)、疲勞破壞）第24頁，共41頁，2022年，5月20日，4點0分，星期三2022/9/1624中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪彪二、單軸受力條件下的巖石的強度巖石強度：巖石抵抗外力

13、破壞的能力。巖塊破壞方式 脆性破壞塑性破壞(延性破壞）拉破壞剪切破壞第25頁，共41頁，2022年，5月20日，4點0分，星期三2022/9/1625中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪彪1、定義：在單向壓縮條件下，巖塊能承受的最大壓應力，簡稱抗壓強度（MPa） 。 2、意義衡量巖塊基本力學性質(zhì)的重要指標巖體工程分類、建立巖體破壞判據(jù)的重要指標用來大致估算其他強度參數(shù) 3、測定方法抗壓強度試驗試樣p一、單軸抗壓強度c第26頁，共41頁，2022年，5月20日，4點0分，星期三2022/9/1626中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪彪第27頁，共41頁，2022年，5月20日，4點0分，星期三2022/9/162

14、7中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪彪二、單軸抗拉強度t1.定義： 單向拉伸條件下，巖塊能承受的最大拉應力，簡稱抗拉強度。2.意義： 衡量巖體力學性質(zhì)的重要指標 用來建立巖石強度判據(jù)，確定強度包絡線 選擇建筑石材不可缺少的參數(shù) 3.測定方法： 直接拉伸 間接法(劈裂法、點荷載法、三點彎曲法)第28頁，共41頁，2022年，5月20日，4點0分，星期三2022/9/1628中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪彪直接拉伸法是將圓柱狀試件兩端固定在材料試驗機的拉伸夾具內(nèi)，然后對試件施加軸向拉荷載至破壞。PtPt第29頁，共41頁，2022年，5月20日，4點0分，星期三2022/9/1629中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪

15、彪劈裂試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。第30頁，共41頁，2022年，5月20日，4點0分，星期三2022/9/1630中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪彪在線布荷載(p)作用下，沿試件豎直向直徑平面內(nèi)產(chǎn)生的近于均布的水平拉應力x=2p/DL在水平向直徑平面內(nèi)產(chǎn)生的壓應力y= 6p/ DL抗拉強度:（圓形試樣）（方形試樣）第31頁，共41頁，2022年，5月20日，4點0分，星期三2022/9/1631中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪彪點荷載試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

16、塊的點荷載強度。 第32頁，共41頁，2022年，5月20日，4點0分，星期三2022/9/1632中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪彪點荷載強度抗拉強度第33頁，共41頁，2022年，5月20日，4點0分，星期三2022/9/1633中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪彪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，稱為剪切強度2、類型： （1）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。 （2）抗切強度： 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。 （3）摩擦強度： 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 最大剪應

17、力。三、剪切強度第34頁，共41頁，2022年，5月20日，4點0分，星期三2022/9/1634中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪彪3、意義 反映巖塊的力學性質(zhì)的重要指標 用來估算巖體力學參數(shù)及建立強度判據(jù) 4、測試方法 直剪試驗 變角板剪切試驗 三軸試驗 第35頁，共41頁，2022年，5月20日，4點0分，星期三2022/9/1635中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪彪直剪試驗在直剪儀上進行，按庫侖定律求巖塊的剪切強度參數(shù)C、值。第36頁，共41頁，2022年，5月20日，4點0分，星期三2022/9/1636中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪彪三、三軸壓縮條件下巖石的變形與強度1、三軸試驗 真三軸試驗 123

18、 常規(guī)三軸試驗 12=3 第37頁，共41頁，2022年，5月20日，4點0分，星期三2022/9/1637中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪彪 2、圍壓對變形破壞的影響1）巖石破壞前應變隨3增大而增大2）巖石的峰值強度隨3增大而增大3）隨3增大巖石變形模量增大，軟巖增大明顯，致密的硬巖增大不明顯第38頁，共41頁，2022年，5月20日，4點0分，星期三2022/9/1638中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪彪4）隨3增大，巖石的塑性不斷增大，隨3增大到一定值時，巖石由彈脆性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄?。這時，3的大小稱為“轉(zhuǎn)化壓力” 。5）隨3的增大，巖塊從脆性劈裂破壞逐漸向塑性剪切及塑性流動破壞方式過渡。第39頁，共41頁，2022年，5月20日，4點0分，星期三2022/9/1639中國地質(zhì)大學工程學院 賈洪彪3、三軸壓縮條件下巖石的強度1）定義：試件在三向壓應力作用下能抵抗的最大