工程地質(zhì)學(xué)第五章巖石的工程地質(zhì)性質(zhì)

1、工程地質(zhì)學(xué)第五章巖石的工程地質(zhì)性質(zhì)第1頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)0分，星期三2022/9/161中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(xué)性質(zhì)第2頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)0分，星期三2022/9/162中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(guò)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(fēng)化作用，形成土。堅(jiān)硬巖石軟弱巖石半成巖石堅(jiān)硬土層軟弱土層巖石

2、風(fēng)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(xué)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?lái)說(shuō)，巖石的建筑條件比土體要優(yōu)越的多，土體中出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)巖體就顯得十分微弱或不存在了。第3頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)0分，星期三2022/9/163中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(méi)有這種結(jié)構(gòu)面切割。 巖體結(jié)構(gòu)面切割巖塊力學(xué)性質(zhì)各向異性 土體沒(méi)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(yīng)力。（巖體在長(zhǎng)期地質(zhì)歷史過(guò)程中，遭受地質(zhì)構(gòu)造作用的結(jié)果） 巖體自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力物理力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜 土體自重應(yīng)力第4頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)0分，星期三2022/9/164中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(guò)程中，在巖體內(nèi)形成的具有一定的延伸方向和長(zhǎng)度，厚度相對(duì)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(guò)程中形成的，由巖塊和結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)組

4、成的，具有一定的結(jié)構(gòu)并賦存于一定的天然應(yīng)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(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)0分，星期三2022/9/165中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 賈洪彪第6頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)0分，星期三2022/9/166中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(duì)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(lái)的性質(zhì)，稱為水理性質(zhì)第7頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)0分，星期三2022/9/167中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(cè)試方法（s-比重瓶法；-量積法）第8頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)0分，星期三2022/9/168中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 賈洪彪二、巖石的空隙性巖石的空隙(裂隙、孔隙) 閉空隙開(kāi)空隙大開(kāi)空隙小開(kāi)空隙第9頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)0分，星期三2022/9/169中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 賈洪彪隙比巖石空隙率總空隙率(n)總開(kāi)空隙率(no)大開(kāi)空隙率(nb)小開(kāi)空隙率(na)閉空隙率(nc)第10頁(yè)，共41

6、頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)0分，星期三2022/9/1610中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 賈洪彪三、巖石的吸水性定義：巖石在一定的試驗(yàn)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?jǐn)?shù)表示第11頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)0分，星期三2022/9/1611中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)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?jǐn)?shù)表示:第12頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)

7、0分，星期三2022/9/1612中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(kāi)空隙的相對(duì)比例關(guān)系。第13頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)0分，星期三2022/9/1613中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 賈洪彪四、巖石的軟化性巖石浸水飽和后強(qiáng)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(qiáng)度(cw)與干抗壓強(qiáng)度(c)的比值。巖石中含有較多的親水性和可溶性礦物，大開(kāi)空隙較多，巖石的軟化性較強(qiáng)，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(qiáng)，工程地質(zhì)性質(zhì)較差。第1

8、4頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)0分，星期三2022/9/1614中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)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。抗凍系數(shù)(Rd)：巖石試件經(jīng)反復(fù)凍融后的干抗壓強(qiáng)度(c2)與凍融前干抗壓強(qiáng)度(c1)之比，用百分?jǐn)?shù)表示第15頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)0分，星期三2022/9/1615中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 賈洪彪質(zhì)量損失率(Km)：凍融試驗(yàn)前后干質(zhì)量之差(ms1ms2)與試驗(yàn)前干質(zhì)量(ms1)之比，以百分?jǐn)?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(yè)，共41頁(yè)，2022年

9、，5月20日，4點(diǎn)0分，星期三2022/9/1616中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(guò)的性質(zhì)，稱為透水性。一般認(rèn)為，水在巖石中的流動(dòng)，如同水在土中流動(dòng)一樣，也服從于線性滲流規(guī)律達(dá)西定律，即第17頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)0分，星期三2022/9/1617中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(guò)程曲線前過(guò)程曲線非穩(wěn)定發(fā)展階段(CD) D點(diǎn):峰值強(qiáng)度微裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段(BC

10、) C點(diǎn):屈服強(qiáng)度彈性變形階段(AB) B點(diǎn):彈性極限第三節(jié) 巖石的力學(xué)性質(zhì)第18頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)0分，星期三2022/9/1618中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)0分，星期三2022/9/1619中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(yīng)力與軸向應(yīng)變之比。應(yīng)力-應(yīng)變曲線為直線型(又稱為彈性模量)oLii第20頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日

11、，4點(diǎn)0分，星期三2022/9/1620中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 賈洪彪應(yīng)力-應(yīng)變曲線為“S”型 初始模量(i)指曲線原點(diǎn)處切線斜率切線模量(t)指曲線上任一點(diǎn)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(diǎn)與原點(diǎn)連線的斜率，通常取c處的點(diǎn)與原點(diǎn)連線的斜率Lo2501i1502i第21頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)0分，星期三2022/9/1621中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 賈洪彪2)泊松比():是指在單軸壓縮條件下，橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變之比.在實(shí)際工作中，常采用/處的橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變來(lái)計(jì)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(fēng)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(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)0分，星期三2022/9/1622中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 賈洪彪（二） 循環(huán)加載2. 卸荷點(diǎn)（P）的應(yīng)力高于巖石的彈性極限(A)1. 卸荷點(diǎn)（P）的應(yīng)力低于巖石的彈性極限(A)第23頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)0分，星期三2022/9/1623中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 賈洪彪3.反復(fù)加卸荷(巖石記憶、回滯環(huán)、疲勞破壞）第24頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)0分，星期三2022/9/1624中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 賈洪彪二、單軸受力條件下的巖石的強(qiáng)度巖石強(qiáng)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(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)0分，星期三2022/9/1625中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(yīng)力，簡(jiǎn)稱抗壓強(qiáng)度（MPa） 。 2、意義衡量巖塊基本力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)巖體工程分類、建立巖體破壞判據(jù)的重要指標(biāo)用來(lái)大致估算其他強(qiáng)度參數(shù) 3、測(cè)定方法抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試樣p一、單軸抗壓強(qiáng)度c第26頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)0分，星期三2022/9/1626中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 賈洪彪第27頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)0分，星期三2022/9/162

14、7中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 賈洪彪二、單軸抗拉強(qiáng)度t1.定義： 單向拉伸條件下，巖塊能承受的最大拉應(yīng)力，簡(jiǎn)稱抗拉強(qiáng)度。2.意義： 衡量巖體力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo) 用來(lái)建立巖石強(qiáng)度判據(jù)，確定強(qiáng)度包絡(luò)線 選擇建筑石材不可缺少的參數(shù) 3.測(cè)定方法： 直接拉伸 間接法(劈裂法、點(diǎn)荷載法、三點(diǎn)彎曲法)第28頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)0分，星期三2022/9/1628中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(yàn)機(jī)的拉伸夾具內(nèi)，然后對(duì)試件施加軸向拉荷載至破壞。PtPt第29頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)0分，星期三2022/9/1629中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 賈洪

15、彪劈裂試驗(yàn)是用圓柱體或立方體試件，橫置于壓力機(jī)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(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)0分，星期三2022/9/1630中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(yīng)力x=2p/DL在水平向直徑平面內(nèi)產(chǎn)生的壓應(yīng)力y= 6p/ DL抗拉強(qiáng)度:（圓形試樣）（方形試樣）第31頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)0分，星期三2022/9/1631中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 賈洪彪點(diǎn)荷載試驗(yàn)是將試件放在點(diǎn)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(diǎn)荷載強(qiáng)度。 第32頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)0分，星期三2022/9/1632中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 賈洪彪點(diǎn)荷載強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度第33頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)0分，星期三2022/9/1633中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(yīng)力，稱為剪切強(qiáng)度2、類型： （1）抗剪斷強(qiáng)度：指試件在一定的法向應(yīng)力作用下，沿預(yù)定剪切面剪斷時(shí)的最大剪應(yīng)力。 （2）抗切強(qiáng)度： 指試件上的法向應(yīng)力為零時(shí)，沿預(yù)定剪切面剪斷時(shí)的最大剪應(yīng)力。 （3）摩擦強(qiáng)度： 指試件在一定的法向應(yīng)力作用下，沿已有破裂面（層面、節(jié)理等）再次剪切破壞時(shí)的 最大剪應(yīng)

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

18、 常規(guī)三軸試驗(yàn) 12=3 第37頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)0分，星期三2022/9/1637中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 賈洪彪 2、圍壓對(duì)變形破壞的影響1）巖石破壞前應(yīng)變隨3增大而增大2）巖石的峰值強(qiáng)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(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)0分，星期三2022/9/1638中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(shí)，巖石由彈脆性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄?。這時(shí)，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(dòng)破壞方式過(guò)渡。第39頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)0分，星期三2022/9/1639中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 賈洪彪3、三軸壓縮條件下巖石的強(qiáng)度1）定義：試件在三向壓應(yīng)力作用下能抵抗的最大