35岩石及岩体的工程地质性质

3.5岩石与岩体的工程地质性质岩石与岩体的区别•岩石•岩体：岩体是工程影响范围内的地质体，它包含有岩石块、层理、裂隙和断层等。3.5.1岩石的主要物理力学性质1、岩石的主要物理性质指标2、岩石的主要力学性质指标3、影响岩石工程性质的因素•1、岩石的主要物理性质指标•（1）比重：岩石固体(不包括孔隙)部分单位体积的重量。在数值上，等于岩石固体颗粒的重量与同体积的水在4℃时重量的比。其大小，决定于岩石中矿物的比重及其在岩石中的相对含量。•（2）重度(容重），指岩石单位体积的重量，在数值上等于岩石试件的总重量(包括孔隙中的水重)与其总体积(包括孔隙体积)之比。其大小，决定于岩石中矿物的比重，岩石的孔隙性及其含水情况。•岩石孔隙中完全没有水存在时的重度，称为干重度。其大小决定于岩石的孔隙性及矿物的比重。•岩石中的孔隙全被水充满时的重度，称为岩石的饱和重度。•一般来讲，重度大，说明岩石的结构致密、孔隙性小，岩石的强度和稳定性也比较高。•（3）岩石的孔隙性•岩石的孔隙性，反映岩石中各种孔隙(包括细微的裂隙)的发育程度，对岩石的强度和稳定性产生重要的影响。用孔隙度表示。孔隙度在数值上等于岩石中各种孔隙的总体积与岩石总体积的比。用百分数表示。•岩石孔隙度的大小，主要决定于岩石的结构和构造，同时也受外力因素的影响。•（4）岩石的含水率•岩石的含水率（w，%）是试件在105～110℃下烘干至恒量时所失去的水的质量（m0-ms,g）与试件干质量（ms，g）的比值，以百分数表示。（5）岩石的吸水性•岩石在一定的条件下吸收水分的能力称为岩石的吸水性。表征岩石吸水性的指标有吸水率、饱和吸水率和饱水系数。•岩石吸水率（wa，%）是试件在大气压力和室温条件下吸入水的质量（m0-ms,g）与试件固体质量（ms，g）的比值，以百分数表示；•岩石饱和吸水率（wsa，%）是试件在强制状态下的最大吸水量（mpms，g）与试件固体质量（ms，g）的比值，以百分数表示。•岩石饱水系数kw是指岩石吸水率与饱水率的比值，以百分数表示。•一般岩石的饱水系数kw介于0.5～0.8之间。饱水系数对于判别岩石的抗冻性具有重要意义。•（6）岩石的软化性岩石受水作用后，强度和稳定性发生变化的性质称为岩石的软化性。指标是软化系数：等于岩石在饱和状态下的极限抗压强度和在风干状态下的极限抗压强度的比，用小数表示。其值越小，表示岩石在水作用下的强度和稳定性越差。软化系数小于0.75的岩石，认为是软化性强的岩石，工程性质比较差。•（7）岩石的抗冻性岩石孔隙中有水存在时，水一结冰，体积膨胀，就产生巨大的压力，由于这种压力的作用，会促使岩石的强度降低和稳定性破坏，岩石抵抗这种压力作用的能力，称为岩石的抗冻性。一般用岩石在抗冻试验前后抗压强度的降低率表示。抗压强度降低率小于20%～25%的岩石，认为是抗冻的，大于25%的岩石，认为是非抗冻性的。（8）岩石的膨胀性•膨胀性是指某些由黏土矿物组成的岩石浸水后，因黏土矿物具有较强的亲水性，致使岩石中颗粒间的水膜增厚，或者水渗入矿物晶体内部，从而引起岩石的体积或长度膨胀。表征岩石膨胀性的指标有岩石自由膨胀率、岩石侧向约束膨胀率和岩石膨胀压力等。•岩石自由膨胀率（VH）是岩石试件在浸水后产生的径向变形（D，mm）和轴向变形（H，mm）分别与岩石试件直径（D，mm）和高度（H，mm）之比，以百分数表示。岩石侧向约束膨胀率（VHP）是岩石试件在有侧限条件下，轴向受有限荷载时，浸水后产生的轴向变形（H1，mm）与试件原高度（H，mm）之比，以百分数表示。岩石膨胀压力（Ps，MPa）是岩石试件浸水后保持原体积不变所需的压力。（9）岩石的耐崩解性•岩石的崩解性是指由于吸水膨胀作用，致使岩石内部出现非均匀分布的应力，加之有的胶结物被溶解掉，因而造成岩石中颗粒及其集合体分散。•岩石耐崩解性指数（Id2，%）是试件在经过干燥和浸水两个标准循环后，试件残留的质量（mr，g）与原质量（ms，g）之比，以百分数表示。岩石耐崩解性试验主要适用于黏土类岩石和风化岩石。岩石的主要物理性质指标•（1）岩石的变形性质•岩石变形有弹性变形、塑性变形和黏性变形三种。•1）弹性变形•岩石在外力作用下发生变形，当外力撤去后又恢复其原有的形状及体积的变形称为弹性变形。•2）塑性变形•岩石在超过其屈服极限外力作用下发生变形，当外力撤去后不能完全恢复其原有的形状及体积的变形称为塑性变形。•3）黏性变形•岩石在外力作用下变形不能在瞬间完成，并且应变速率d/dt是应力的函数，即，应力随着应变速率d/dt的增大而增大，当外力撤去后不能恢复其原有形状及体积的变形称为黏性变形。2、岩石的主要力学性质指标单轴压缩条件下岩石变形特征（曲线）应力应变•单轴压缩条件下岩石变形特征（变形阶段划分）•1）第一变形阶段为图中OA段曲线，属于微裂隙压密阶段，岩石中微裂隙在压力作用下逐渐被压密，岩石的应力—应变曲线呈上凹形。•2）第二变形阶段为图中AB段曲线，属于弹性变形阶段，岩石中微裂隙进一步闭合及压密，孔隙被压缩，因而岩石的应力—应变曲线为曲型的直线形式。曲线上B点所对应的应力e为弹性极限强度或比例极限。•3）第三变形阶段为图中BC段曲线，属于初级膨胀阶段，岩石的应力—应变曲线为略向下凹的曲线，该曲线上C点所对应的应力y为屈服极限。•4）第四变形阶段为图中CD段曲线，属于破坏阶段，岩石的应力—应变曲线为较平缓的向下凹的曲线。曲线上D点所对应的应力Rc为峰值强度或单轴极限抗压强度。•5）第五变形阶段为图中DE段曲线，属于峰值后的变形与破坏阶段。曲线上E点所对应的应力r为残余强度。岩石的变形指标•在弹性变形范围内，岩石的变形性能一般用弹性模量和泊桑比两个指标表示。•弹性模量是应力和应变之比。单位“帕斯卡Pa”。其值越大，变形越小，说明岩石抵抗变形的能力越高。•岩石横向应变与纵向应变的比，称为岩石的泊桑比，用小数表示。泊桑比越大，表示岩石受力作用后的横向变形越大。岩石的泊桑比一般在0.2～0.4之间。•（2）岩石的强度岩石的强度：岩石抵抗外力破坏的能力。•1）岩石的抗压强度•抗压强度是指岩石在单向压力作用下抵抗压碎破坏的能力。在数值上等于岩石受压达到破坏时的极限应力。•岩石抗压强度的大小，直接和岩石的结构和构造有关，同时受矿物成分和岩石生成条件的影响，差别很大。•岩石抗压强度一般是在压力机（材料试验机）上对岩石试件进行加压实验测定的。•2）岩石的抗剪强度•抗剪强度（）指岩石抵抗剪切破坏的能力。抗剪强度指标是黏聚力c和内摩擦角。δ——法向压应力•1）抗剪断强度（s）：系指试样在一定的垂直压应力（）的作用下，被剪断时的最大剪应力，剪断前试样上没有破裂面。•2）抗剪强度：是沿岩石裂隙面或软弱面等发生剪切滑动时的指标，其强度大大低于抗剪断强度。ctg•3）岩石的抗拉强度岩石在单轴拉伸荷载作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力称为岩石的单轴抗拉强度，简称为抗拉强度。岩石的抗拉强度远小于抗压强度。•目前，常用劈裂法测定岩石抗拉强度。•岩石抗压强度最高，抗剪强度居中，抗拉强度最小。岩石越坚硬，其值相差越大，软弱的岩石差别较小。岩石的抗剪强度和抗压强度，是评价岩石(岩体)稳定性的指标，是对岩石(岩体)的稳定性进行定量分析的依据。岩石的力学性质指标3、影响岩石工程性质的因素•（1）矿物成分•矿物分布均匀，高强度矿物在岩石的结构中形成牢固的骨架，岩石强度增高。•在对岩石的工程性质进行分析和评价时，应注意那些可能降低岩石强度的矿物。如花岗岩中的黑云母含量是否过高，石灰岩、砂岩中粘土类矿物的含量是否过高等。（2）结构•根据岩石的结构特征，可将岩石分为两类：一类是结晶联结的岩石；另一类是由胶结物联结的岩石。•结晶联结：矿物的结晶颗粒靠直接接触产生的力牢固地固结在一起，结合力强，孔隙度小，结构致密、容重大、吸水率变化范围小，比胶结联结的岩石具有较高的强度和稳定性。一般粗粒抗压强度小于细粒的。•胶结联结：其强度和稳定性主要决定于胶结物的成分和胶结的形式，同时也受碎屑成分的影响，变化很大。•胶结联结的形式，有基底胶结、孔隙胶结和接触胶结三种。基底胶结的碎屑物质散布于胶结物中，碎屑颗粒互不接触。岩石孔隙度小，强度和稳定性完全取决于胶结物的成分。孔隙胶结的碎屑颗粒互相间直接接触，胶结物充填于碎屑间的孔隙中，所以其强度与碎屑和胶结物的成分都有关系。接触胶结则仅在碎屑的相互接触处有胶结物联结，一般孔隙度都比较大、重度小、吸水率高、强度低、易透水。胶结的三种形式（a）基底胶结（b）空隙胶结（c）接触胶结（3）构造•构造对岩石物理力学性质的影响，主要是由矿物成分在岩石中分布的不均匀性，和岩石结构的不连续性所决定的。•一些强度低、易风化的矿物，多沿一定方向富集，或成条带状分布，或者成为局部的聚集体，从而使岩石的物理力学性质在局部发生很大变化。•由于存在着层理、裂隙和各种成因的孔隙，致使岩石结构的连续性与整体性受到一定程度的影响，从而使岩石的强度和透水性在不同的方向上发生明显的差异。一般来说，垂直层面的抗压强度大于平行层面的抗压强度，平行层面的透水性大于垂直层面的透水性。•（4）水•岩石被水饱和后会使岩石的强度降低。当岩石受到水的作用时，水就沿着岩石中可见和不可见的孔隙、裂隙浸入。削弱矿物颗粒间的联结，使岩石的强度降低。当其他条件相同时，孔隙度大的岩石，被水饱和后其强度降低的幅度也大。•水对岩石强度的影响，在一定程度内是可逆的。•（5）风化•风化作用促使岩石的原有裂隙进一步扩大，并产生新的风化裂隙，使岩石矿物颗粒间的联结松散并使矿物颗粒沿解理面崩解。风化作用的这种物理过程，能促使岩石的结构、构造和整体性遭到破坏，孔隙度增大，重度减小，吸水性和透水性显著增高，强度和稳定性将大为降低。岩体是由结构面和结构体两部分组成的。结构面也称不连续面，切割岩体的各种地质界面统称为结构面。它们是一些具有一定方向、延展较广、厚度较薄的二维地质界面，如层面、沉积间断面、节理、断层等，也包括厚度较薄的软弱夹层。结构面在空间按不同组合，可将岩体切割成不同形状和大小的块体，这些被结构面所围限的岩块称为结构体。岩体的结构特征，就是指岩体中结构面和结构体的形状、规模、性质及其组合关系的特征。3.5.2岩体的结构特征岩体结构示意图1)原生结构面(1)沉积结构面沉积岩的层理、层面、沉积间断面及沉积软弱夹层等都属于沉积结构面。(2)火成结构面岩浆侵入、喷溢及冷凝过程中形成的结构面，如流纹面、冷凝节理、侵入体与围岩的接触面及岩浆间歇喷溢所形成的软弱接触面等。(3)变质结构面变质结构面可分为残留的变余结构面和变成的重结晶结构面两种。前者为沉积岩浅变质所具有，层面仍保留，但在层面上有绢云母、绿泥石等鳞片状矿物密集并呈定向排列。重结晶结构面主要有片理和片麻理等。一、结构面的成因类型玄武岩的原生柱状裂隙沉积岩的层间裂隙2)构造结构面（内动力形成的结构面）构造应力作用下，于岩体中形成的断裂面、错动面(带)、破碎带的统称。包括节理、劈理、断层、层间剪切带等。3)次生结构面（外动力形成的结构面）主要是由风化作用、卸荷及人类活动所形成的结构面，其共同特点是分布在地表或地表以下数十米的范围内。构造裂隙卸荷裂隙次生缝隙：地壳运动在岩体中形成的构造裂隙，风化和卸荷作用形成的裂隙。剪节理（剪切裂隙）岩体结构面类型及其特征河谷地区的卸荷裂隙(1)规模：结构面的规模大小相差悬殊。大者可延展数十公里，宽度可达数十米。规模小者延展仅数十厘米或数十米，甚至可以是很微小的不连续裂隙。(2)形态：结构面的形态有平直的、波状的，锯齿状的、台阶状的和不规则状的几种。它们影响抗剪强度。(3)方位：即结构面的产状。(4)密集程度（间距）：系指相邻结构面间的垂直距离，通常是指一组结构面的平均间距。(5))连通性：指在一定空间范围内的岩体中，结构面在走向、倾向方向的连通程度。连通性越差，抗剪强度越强。二、结构面的特征(6)结构面侧壁强度：反映结构面经受风化的程度。(7)张开度：指结构面两壁间的垂直距离。结构面的张开度