工程地质学--第五章-岩石的工程地质性质

第五章岩石的工程地质性质中国地质大学（武汉）工程学院工程地质学EngneeringGeology工程地质学概论:第五章岩石的工程地质性质2020/3/8中国地质大学工程学院2第五章岩石的工程地质性质第一节岩石与土工程地质性质的差别第二节岩石的物理、水理性质第三节岩石的力学性质工程地质学概论:第五章岩石的工程地质性质2020/3/8中国地质大学工程学院3第一节岩石与土工程地质性质的差别•岩石和土都是矿物的集合体，是自然地质作用的产物，并在地质作用下相互转化。•土在一定温度和压力下，经过压密、脱水、胶结、重结晶等成岩作用形成岩石。•岩石经风化作用，形成土。•坚硬岩石——软弱岩石——半成岩石——坚硬土层——软弱土层•岩石——风化作用——土——成岩作用——岩石•岩石与土之间，即存在多方面的共性和联系，又有明显不同:岩石在力学性能、抗水性、完整性等都比土好的多。但也有些岩石与土很难区别，如粘土岩、泥灰岩、凝灰岩等。总的来说，岩石的建筑条件比土体要优越的多，土体中出现的问题，对岩体就显得十分微弱或不存在了。工程地质学概论:第五章岩石的工程地质性质2020/3/8中国地质大学工程学院4•岩石与土之间的差别，主要表现在：（1）岩石矿物颗粒间具有牢固的连结。（岩石区别于土并赋予岩石以优良工程地质性质的主要原因）岩石——结晶连结、胶结连结土——水胶连结、水连结（2）岩石具有强度高、不易变形以及整体性和抗水性好，其中存在着结构面（带）。如断层、节理等，使岩体受到不同程度切割。土体中一般没有这种结构面切割。岩体——结构面切割——岩块力学性质各向异性土体——很少有结构面——土体可以看作各向同性（3）岩体中具有较高的地应力。（岩体在长期地质历史过程中，遭受地质构造作用的结果）岩体——自重应力、构造应力——物理力学性质复杂土体——自重应力工程地质学概论:第五章岩石的工程地质性质2020/3/8中国地质大学工程学院5岩石:矿物、岩屑的集合体。结构面:指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面或带。岩块:指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元体。岩体:指地质历史过程中形成的，由岩块和结构面网络组成的，具有一定的结构并赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。第二节岩石的物理性质工程地质学概论:第五章岩石的工程地质性质2020/3/8中国地质大学工程学院6工程地质学概论:第五章岩石的工程地质性质2020/3/8中国地质大学工程学院7•岩石和土一样，也是由固体、液体和气体三相组成的。•物理性质：物理性质是指岩石由于三相组成的相对比例关系不同所表现的物理状态。•水理性质：岩石在水溶液作用下表现出来的性质，称为水理性质工程地质学概论:第五章岩石的工程地质性质2020/3/8中国地质大学工程学院8一、岩石的密度•是指单位体积内岩石的质量，单位为g/cm3，岩石密度可分为岩石颗粒密度和岩石块体密度。1、岩石颗粒密度(ρs)：是指岩石固体相部分的质量与其体积的比值。ρs=ms/Vs它不包括空隙，故其大小仅取决于组成岩石的矿物密度及其含量。岩石颗粒密度属实测指标，常用比重瓶进行测定。2、岩石块体密度(ρ)：指岩块质量与其体积之比值，即岩块单位体积的质量。ρ=m/V岩石块体密度除与矿物成分有关外，还与岩石的空隙性及含水状态密切有关。致密而裂隙不发育的岩石，块体密度与颗粒密度接近；随空隙、裂隙的增加，块体密度相应减少。注意：（1）ρs与ρ的区别(ρsρ)（2）ρs与ρ的单位（g/cm3,kN/m3）（3）测试方法（ρs---比重瓶法；ρ--量积法）工程地质学概论:第五章岩石的工程地质性质二、岩石的空隙性•岩石孔隙性和裂隙性的统称，用空隙率表示。岩石空隙率是岩石中空隙体积与岩石总体积之比，以百分数表示。•岩石的空隙有的与大气相通称开空隙，有的与大气不相通称闭空隙。开空隙按开启程度有大、小之分，故把岩石的空隙率分为总空隙率、总开空隙率、大开空隙率、小开空隙率和闭空隙率。其计算公式如下：2020/3/8中国地质大学工程学院9岩石的空隙(裂隙、孔隙)闭空隙开空隙大开空隙小开空隙工程地质学概论:第五章岩石的工程地质性质2020/3/8中国地质大学工程学院10%10000VVnv%100VVnvbbbvaannVVn0%1000%100nnVVnvcc1dssVVVe%100)1(%100sdvVVn隙比岩石空隙率•总空隙率(n)•总开空隙率(no)•大开空隙率(nb)•小开空隙率(na)•闭空隙率(nc)工程地质学概论:第五章岩石的工程地质性质2020/3/8中国地质大学工程学院11第三节岩石的水理性质岩石在水溶液作用下表现出来的性质，称为水理性质。主要有岩石的吸水性、软化性、抗冻性及透水性等。一、岩石的吸水性定义：岩石在一定的试验条件下吸收水分的能力，称为岩石的吸水性。常用吸水率、饱和吸水率和饱水系数等指标表示。1.吸水率(Wa)：岩石试件在大气压力和室温条件下自由吸入水的质量(mw1)与岩样干质量(ms)之比，用百分数表示岩石吸水率的大小，主要取决于岩石中空隙和裂隙的数量、大小及其开启程度，此与岩石成因及岩性有关。%10021wwammW工程地质学概论:第五章岩石的工程地质性质2020/3/8中国地质大学工程学院122.饱和吸水率岩石的饱和吸水率(Wsat)是指岩石试件在高压(一般为15MPa)或真空条件下吸入水的质量(mw2)与岩样干质量(ms)之比，用百分数表示:岩石的饱和吸水率也是表示岩石物理性质的一个重要指标。%1002swsatmmW工程地质学概论:第五章岩石的工程地质性质2020/3/8中国地质大学工程学院133.饱水系数•岩石的吸水率(Wa)与饱和吸水率(Wsat)之比，称为饱水系数。•它反映了岩石中大、小开空隙的相对比例关系。satasWWK/工程地质学概论:第五章岩石的工程地质性质2020/3/8中国地质大学工程学院14二、岩石的软化性•岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性。用软化系数表示。•软化系数(KR)为岩石试件的饱和抗压强度(σcw)与干抗压强度(σc)的比值。ccwRK•显然KR愈小，岩石软化性愈强，岩石的软化性取决于岩石的矿物组成与空隙性，当岩石中含有较多的亲水性和可溶性矿物，大开空隙较多，岩石的软化性较强，软化系数较小。•KR＞0.75，岩石的软化性弱，工程地质性质较好；•KR＜0.75，岩石软化性较强，工程地质性质较差。工程地质学概论:第五章岩石的工程地质性质2020/3/8中国地质大学工程学院15三、岩石的抗冻性•岩石抵抗冻融破坏的能力，称为抗冻性和质量损失率来表示。•抗冻系数(Rd)：岩石试件经反复冻融后的干抗压强度(σc2)与冻融前干抗压强度(σc1)之比，用百分数表示%10012ccdR工程地质学概论:第五章岩石的工程地质性质2020/3/8中国地质大学工程学院16•质量损失率(Km)：冻融试验前后干质量之差(ms1－ms2)与试验前干质量(ms1)之比，以百分数表示%100121sssmmmmK•Rd＞75％，Km＜2％，抗冻性高;•吸水率Wa＜5％、软化系数KR＞0.75，饱水系数小于0.8的岩石，抗冻性高。工程地质学概论:第五章岩石的工程地质性质2020/3/8中国地质大学工程学院17四、岩石的透水性•在一定的水力梯度或压力差作用下，岩石能被水透过的性质，称为透水性。•一般认为，水在岩石中的流动，如同水在土中流动一样，也服从于线性渗流规律——达西定律，即•渗透系数是表征岩石透水性的重要指标。其大小取决于岩石中空隙的数量、规模及连通情况等，并可在室内根据达西定律测定。KJU工程地质学概论:第五章岩石的工程地质性质第三节岩石的力学性质•岩石的力学性质是岩石在外力作用下所表现出来的性质。•在外力作用下，岩石首先产生变形，这种变形可分为弹性变形和塑性变形。弹性变形是物体受力发生的全部变形，在外力解除的同时立即消失。因而是可逆变形；塑性变形是物体受力后，在外力解除后，变形不再恢复，是不可逆变形，又称为永久变形或残余变形。•随着力的不断增加，当达到或超过某一极限值时，岩石便产生破坏。岩石抵抗外力破坏的能力称为强度。根据破坏的应力类型，岩石破坏有拉破坏、剪破坏和流动破坏。由于受力状态和破坏形式的不同，岩石强度又可分为单轴抗压强度、单轴抗拉强度、抗剪强度等。•研究岩石的力学性质，一般是通过室内岩石力学试验进行研究，主要研究岩石的变形破坏与强度性质。2020/3/8中国地质大学工程学院贾洪彪18工程地质学概论:第五章岩石的工程地质性质2020/3/8中国地质大学工程学院19一、单轴压缩条件下的岩石变形（一）连续加载1、变形阶段•空隙压密阶段(OA)：曲线呈上凹型峰值前变形阶段峰值后变形阶段oABCDE(+)(-)LVd•破坏后阶段(DE)全过程曲线前过程曲线•非稳定发展阶段(CD)D点:峰值强度•微裂隙稳定发展阶段(BC)C点:屈服强度•弹性变形阶段(AB)B点:弹性极限工程地质学概论:第五章岩石的工程地质性质2020/3/8中国地质大学工程学院贾洪彪202、峰值前岩块的变形特征弹性型弹-塑性型塑-弹性型塑-弹-塑性型1塑-弹-塑性型2弹性-蠕变型工程地质学概论:第五章岩石的工程地质性质2020/3/8中国地质大学工程学院213、岩石的变形参数1)变形模量（modulusofdeformation)是指单轴压缩条件下，轴向压应力与轴向应变之比。•当应力-应变为直线关系时，变形模量为常量，数值上等于直线的斜率。该模量又称为弹性模量)oLiiEii工程地质学概论:第五章岩石的工程地质性质2020/3/8中国地质大学工程学院22•当应力-应变曲线为“S”型，常用的有初始模量、切线模量和割线模量。•初始模量(Ｅi)指曲线原点处切线斜率：•切线模量(Ｅt)指曲线上任一点处切线的斜率，在此特指中部直线段的斜率：•割线模量(Ｅs)指曲线上某特定点与原点连线的斜率，通常取σc／２处的点与原点连线的斜率：Lo2501i1502iiiiE1212tE5050iEiiiE1212tE5050iE工程地质学概论:第五章岩石的工程地质性质2020/3/8中国地质大学工程学院232)泊松比(μ):是指在单轴压缩条件下，横向应变与轴向应变之比，即•在实际工作中，常采用σｃ/２处的横向应变与轴向应变来计算岩块的泊松比。•岩块的变形模量和泊松比受岩石矿物组成、结构构造、风化程度、空隙性、含水率、微结构面及其与荷载方向的关系等多种因素的影响，变化较大。Ld工程地质学概论:第五章岩石的工程地质性质2020/3/8中国地质大学工程学院24（二）循环加载2.卸荷点（P）的应力高于岩石的弹性极限(A)，则卸荷曲线从原来的加荷曲线偏离出来。1.卸荷点（P）的应力低于岩石的弹性极限(A)，则卸荷曲线将基本上沿加荷回到原点，表现为弹性恢复（图）。工程地质学概论:第五章岩石的工程地质性质•3.如反复加、卸荷多次，可得到如下图所示的应力-应变曲线，由图可见，每次加荷曲线与卸荷曲线都不重合，围成一环行面积，称为回滞环。当每次卸荷后再加荷到原来荷载并继续增加时（图a），则曲线沿着单调加荷曲线上升，其形状与连续加荷情况基本一致。说明反复受载过程并未改变岩石变形的习性。当应力在弹性极限以上的某一较高应力下反复加荷卸荷时（图b），将导致变形进一步增加，直至破坏。破坏时的应力低于峰值强度，通常称为疲劳强度。•(岩石记忆、回滞环、疲劳破坏）2020/3/8中国地质大学工程学院贾洪彪25工程地质学概论:第五章岩石的工程地质性质2020/3/8中国地质大学工程学院26工程地质学概论:第五章岩石的工程地质性质2020/3/8中国地质大学工程学院27二、单轴受力条件下的岩石的强度岩石强度：岩石抵抗外力破坏的能力，按外力的性质不同，又可分为抗压强度