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2.1概述2.2巖石的基本構(gòu)成和地質(zhì)分類(lèi)2.3巖石的物理性質(zhì)2.4巖石的力學(xué)性質(zhì)2.5影響巖石力學(xué)性質(zhì)的主要因素
第二章巖石物理力學(xué)性質(zhì)2.1概述第二章巖石物理力學(xué)性質(zhì)1巖石是構(gòu)成地殼表層巖石圈的主題,目前人類(lèi)前所未有地、廣泛地接觸和改造巖體;20世紀(jì)被譽(yù)為高層建筑的世紀(jì),而21世紀(jì)出于環(huán)境保護(hù)等方面的原因,人類(lèi)將要向地下索取更多的空間,因此專(zhuān)家預(yù)言21世紀(jì)將是地下工程的世紀(jì)。2.1概述巖石是構(gòu)成地殼表層巖石圈的主題,目前人類(lèi)前所未有地、廣泛地接2巖石是賦存于自然界中的十分復(fù)雜的介質(zhì),是自然界各種礦物的集合體;巖石形成后遭受了不同的地質(zhì)作用,包括地應(yīng)力變化、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、風(fēng)化作用以及人類(lèi)的改造作用;因此,巖石的力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出非線性、不連續(xù)性、不均質(zhì)性和各向異性;巖石力學(xué)需要以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),為數(shù)值計(jì)算等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),這是數(shù)值計(jì)算及工程施工的基礎(chǔ);+2m2.1概述巖石是賦存于自然界中的十分復(fù)雜的介質(zhì),是自然界各種礦物的集合32.2巖石的基本構(gòu)成和分類(lèi)巖石是礦物的集合體,是天然地質(zhì)作用的產(chǎn)物。巖石是構(gòu)成巖體的基本組成單位,在以巖體為研究對(duì)象時(shí),可以看成是均勻的;巖石中存在微裂隙、粒間空隙、晶格缺陷等微結(jié)構(gòu)面;2.2巖石的基本構(gòu)成和分類(lèi)巖石是礦物的集合體,是天然地質(zhì)作4巖石的基本構(gòu)成巖石中微結(jié)構(gòu)面包括:晶粒邊界、微裂隙、粒間空隙、晶格缺陷等巖石的基本構(gòu)成巖石中微結(jié)構(gòu)面包括:晶粒邊界、微裂隙、粒間空隙5巖石的基本構(gòu)成巖石的基本構(gòu)成是由組成巖石的物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)兩大方面來(lái)決定的造巖礦物主要有:正長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、石英、黑云母、白云母、角閃石、輝石、方解石、白云石、高嶺石、赤鐵礦等,巖石中礦物成分會(huì)影響巖石的物理力學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性;巖石的結(jié)構(gòu)類(lèi)型:結(jié)晶連接、膠結(jié)連接、微結(jié)構(gòu)面(包括礦物的解理、晶格缺陷、晶粒邊界、粒間空隙、微裂隙等);微結(jié)構(gòu)對(duì)于巖石物理力學(xué)性質(zhì)的影響大大降低巖石的強(qiáng)度(格里菲斯理論的解釋?zhuān)诘蛧鷫合旅黠@);微結(jié)構(gòu)面具有方向性,致使巖石各向異性;增大了巖石的變形,改變巖石的彈性波速、電阻率和導(dǎo)熱系數(shù)等物理參數(shù);巖石的基本構(gòu)成巖石的基本構(gòu)成是由組成巖石的物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)兩大6巖石的地質(zhì)成因分類(lèi)
可以分為巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖巖漿巖:巖漿冷凝后形成的,又可分為深成巖、淺成巖和噴出巖(火山巖);深成巖常見(jiàn)巖石:花崗巖、閃長(zhǎng)巖、花崗閃長(zhǎng)巖、石英閃長(zhǎng)巖;淺成巖常見(jiàn)巖石:花崗斑巖、閃長(zhǎng)玢巖、偉晶巖、輝綠巖;噴出巖常見(jiàn)巖石:玄武巖、安山巖和流紋巖巖石的地質(zhì)成因分類(lèi)可以分為巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖7沉積巖(水成巖):由風(fēng)化剝蝕作用或火山作用形成的物質(zhì),在原地或被外力搬運(yùn),在適當(dāng)?shù)臈l件下沉積下來(lái),經(jīng)膠結(jié)和成巖作用而形成的;又細(xì)分為:火山碎屑巖、膠結(jié)碎屑巖、粘土巖、化學(xué)巖和生物巖;火山碎屑巖常見(jiàn)巖石:火山集塊巖、火山角礫巖、凝灰?guī)r;膠結(jié)碎屑巖常見(jiàn)巖石:各種礫巖、砂巖、粉砂巖、膠結(jié)碎屑巖;粘土巖常見(jiàn)巖石:頁(yè)巖、泥巖;化學(xué)巖和生物巖常見(jiàn)巖石:碳酸鹽類(lèi)巖石(石灰?guī)r和白云巖)巖石的地質(zhì)成因分類(lèi)沉積巖(水成巖):由風(fēng)化剝蝕作用或火山作用形成的物質(zhì),在原8變質(zhì)巖:在已有巖石的基礎(chǔ)上,經(jīng)過(guò)變質(zhì)混合作用后形成的。可分為接觸變質(zhì)巖、動(dòng)力變質(zhì)巖、區(qū)域變質(zhì)巖;動(dòng)力變質(zhì)巖常見(jiàn)巖石:壓碎巖、角礫巖、糜棱巖;區(qū)域變質(zhì)巖常見(jiàn)巖石:片麻巖、片巖、千枚巖、板巖、石英巖、大理巖;巖石的地質(zhì)成因分類(lèi)變質(zhì)巖:在已有巖石的基礎(chǔ)上,經(jīng)過(guò)變質(zhì)混合作用后形成的??煞譃?2.3巖石的物理性質(zhì)2.3.1巖石的容重2.3.2巖石的比重2.3.3巖石的孔隙性2.3.4巖石的水理性2.3巖石的物理性質(zhì)2.3.1巖石的容重10巖石的容重指巖石單位體積(包括巖石內(nèi)孔隙體積)的重量。巖石容重表達(dá)式為式中,為巖石容重(kN/m-3);W為被測(cè)巖樣的重量(kN);V為被測(cè)巖樣的體積(m3)。
巖石的容重取決于組成巖石的礦物成分、孔隙發(fā)育程度及其含水量。巖石容重的大小,在一定程度上反映出巖石力學(xué)性質(zhì)的優(yōu)劣。一般地,巖石容重愈大,其力學(xué)性質(zhì)也愈好,反之則愈差。2.3.1巖石的容重巖石的容重指巖石單位體積(包括巖石內(nèi)孔隙體積)的重量。巖石容112.3.1巖石的容重巖石力學(xué)計(jì)算及工程設(shè)計(jì)中常用到巖石容重。根據(jù)巖石的含水狀況,將容重分為天然容重()、干容重()和飽和容重()。2.3.1巖石的容重巖石力學(xué)計(jì)算及工程設(shè)計(jì)中常用到巖石容重122.3.1巖石的容重測(cè)量巖石的容重可采用量積法(直接法)、水中法和蠟封法。選用依據(jù)——巖石的性質(zhì)和形態(tài)量積法測(cè)定巖石容重適用于能制備成規(guī)則試樣的巖石。測(cè)定試件的平均斷面面積A,平均高度h以及試樣的重量W,代入式容重表達(dá)式即求得巖石的天然容重。若試樣在105℃
~110℃溫度下烘干24小時(shí)稱(chēng)重,可測(cè)定巖石的干容重():gs——巖樣烘干24小時(shí)后的重量(kN)2.3.1巖石的容重測(cè)量巖石的容重可采用量積法(直接法)、132.3.1巖石的容重水中稱(chēng)重法測(cè)定巖石的容重首先稱(chēng)量出不規(guī)則巖樣的重量(W),再根據(jù)阿基米德原理測(cè)定出不規(guī)則巖樣的體積(V),由容重公式求得天然容重(γ)。還可用同一巖樣測(cè)定巖石的吸水率和飽和吸水率。不適用于遇水崩解、溶解和干縮濕脹的巖石。蠟封法測(cè)定巖石容重計(jì)算巖石干容重的公式為:gs為干巖樣重量;g1為蠟封后的巖樣重量;g2為浸入純水中稱(chēng)得的重量;為蠟的容重。適用于前兩種方法不能測(cè)定的的巖石。2.3.1巖石的容重水中稱(chēng)重法測(cè)定巖石的容重14巖石的比重:巖石固體部分重量與4℃時(shí)同體積水的重量的比值,即2.3.2巖石的比重式中,Gs為巖石的比重;Ws為體積為V的巖石固體部分的重量(kN);Vs為巖石固體部分(不包括孔隙)的體積(m3);rw為4℃時(shí)單位體積水的重量(kN/m-3)。巖石的比重,數(shù)值上等于其密度。巖石的比重:巖石固體部分重量與4℃時(shí)同體積水的重量的比值,即152.3.3巖石的孔隙性天然巖石中含有數(shù)量不等、成因各異的孔隙和裂隙,它們對(duì)巖石力學(xué)的影響基本一致,工程實(shí)踐中難以分開(kāi),通稱(chēng)為巖石的孔隙性。用孔隙率n表示。巖石的孔隙率n是指巖石孔隙的體積與巖石總體積的比值,以百分?jǐn)?shù)表示。巖石的孔隙(裂隙、孔隙)
閉孔隙開(kāi)孔隙大開(kāi)孔隙小開(kāi)孔隙2.3.3巖石的孔隙性天然巖石中含有數(shù)量不等、成因各異的孔16總孔隙率(n)總開(kāi)孔隙率(no)大開(kāi)孔隙率(nb)小開(kāi)孔隙率(ns)閉孔隙率(nc)巖石孔隙率2.3.3巖石的孔隙性隙比總孔隙率(n)巖石孔隙率2.3.3巖石的孔隙性隙比17孔隙率是衡量巖石工程質(zhì)量的重要物理性質(zhì)指標(biāo)之一。巖石的孔隙率反映了孔隙和裂隙在巖石中所占的百分比,孔隙率愈大,巖石力學(xué)性能則愈差。2.3.3巖石的孔隙性孔隙率是衡量巖石工程質(zhì)量的重要物理性質(zhì)指標(biāo)之一。巖石的孔隙率18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(chēng)為巖石的吸水性。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2.3.4巖石的水理性質(zhì)巖石的水理性質(zhì)指巖石與水相互作用時(shí)所表現(xiàn)的性質(zhì),包括巖石的吸水性、透水性、軟化性和抗凍性。吸水性2.3.4巖石的水理性質(zhì)巖石的水理性質(zhì)指巖石與水相互19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,即飽水系數(shù)巖石的吸水率(Wa)與飽和吸水率(Wp)之比,稱(chēng)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。巖石的吸水性飽和吸水率飽水系數(shù)巖石的吸水性20巖石的吸水性國(guó)外采用高壓設(shè)備,測(cè)定巖石的飽和吸水率;國(guó)內(nèi)常用真空抽氣法或煮沸法測(cè)定飽和吸水率。巖石的吸水性國(guó)外采用高壓設(shè)備,測(cè)定巖石的飽和吸水率;國(guó)內(nèi)常用21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(chēng)為透水性。水只能沿連通孔隙滲透,主要決定于巖石孔隙的大小、方向及其互相連通情況一般認(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22幾種巖石的滲透系數(shù)值幾種巖石的滲透系數(shù)值23巖石的軟化性巖石浸水飽和后強(qiáng)度降低的性質(zhì),稱(chēng)為軟化性,軟化系數(shù)(KR)為巖石試件的飽和抗壓強(qiáng)度(σcw)與干抗壓強(qiáng)度(σc)的比值巖石中含有較多的親水性和可溶性礦物,大開(kāi)孔隙較多,巖石的軟化性較強(qiáng),軟化系數(shù)較小。KR>0.75,巖石的軟化性弱,工程地質(zhì)性質(zhì)較好KR<0.75,巖石軟化性較強(qiáng),工程地質(zhì)性質(zhì)較差巖石的軟化性巖石浸水飽和后強(qiáng)度降低的性質(zhì),稱(chēng)為軟化性,巖石中24巖石的抗凍性巖石抵抗凍融破壞的能力,稱(chēng)為抗凍性??箖鱿禂?shù)(cf):巖樣在±25℃的溫度區(qū)間內(nèi),反復(fù)降溫、凍結(jié)、升溫、融解,其抗壓強(qiáng)度有所下降,巖樣抗壓強(qiáng)度的下降值與凍融前的抗壓強(qiáng)度的比值,用百分率表示,即式中,cf為巖石的抗凍系數(shù);σc為巖樣凍融前的抗壓強(qiáng)度(kPa);σcf為巖樣凍融后的抗壓強(qiáng)度(kPa)巖石的抗凍性巖石
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