第4章-岩石与土的工程性质

4.1.1岩石、土、岩体的工程性质差别岩石与土之间的区别，主要表现在以下几方面：岩石矿物颗粒之间具有牢固的连接，这既是岩石很总要的结构特征，也是岩石区别于土并赋存岩石优良工程性质的主要原因。岩石虽然与土比起来具有强度高、不易变形、整体性好及抗水性好的优点，但作为建筑物地基或建筑物环境的岩体，也具有缺陷。岩体重具有较高的地应力，这是岩体在长期的地质历史过程中，遭受地质构造作用的结果。4.1.2工程性质内容与指标4.1.2.1岩石的物理性质1.岩石重量岩石的重量是岩石最基本的物理性质之一。一般用比重和重度两个指标表示。岩石的比重是岩石固体（不包括孔隙）部分单位体积的重量。岩石的比重大小取决于组成岩石的矿物的比重及其在岩石重的相对含量。常见的岩石的比重一般介于2.5～3.3之间。岩石的重度是指岩石单位体积的重量，也成容重。岩石重度的大小决定于岩石中矿物的比重，岩石的孔隙性及其含水的情况。岩石孔隙中完全没有水存在的重度称为干重度，岩石中的孔隙全部被水充满时的重度，称为岩石的饱和重度。对于同一种岩石，若重度有差异，则重度大的结构致密、孔隙性小，强度和稳定性相对较高。岩石空隙性是岩石孔隙性和裂隙性的统称。岩石空隙性常用空隙率表示，也可以用孔隙率和裂隙率表示。空隙率：岩石空隙体积与岩石总体积之比，以百分数表示。可以根据空隙类型区分为总空隙率、大开空隙率、总开空隙率、比空隙率等。岩石的孔隙率的大小，主要决定于岩石的结构构造，同时也受风化作用、岩浆作用、构造运动和变质作用的影响。。2.岩石空隙性3.岩石热学性在岩石的热学性质指标中，最主要的是岩石的比热容。岩石的比热容是指1g岩石物质的温度上升1℃所需要的热量，用以表示岩石储藏热量的能力。4.1.2.2岩石水理性质岩石水理性质指岩石与水相互作用时所表现的性质。通常包括岩石吸水性、透水性、软化性和抗冻性。1.岩石吸水性岩石的吸水性，反映岩石在一定条件下的吸水能力。一般用吸水率表示。岩石的吸水率，是指岩石在通常大气压下的吸水能力。在数值上等于岩石的吸水重量与同体积干燥岩石重量的比。用百分数表示。岩石的吸水率，与岩石孔隙度的大小、孔隙张开程度等因素有关。岩石的吸水率大，则水对岩石颗粒间结合物的浸湿、软化作用就强。岩石强度和稳定性受水作用的影响也就越显著。2.岩石透水性岩石能被水透过的性能称岩石透水性，水只沿连通空隙渗透。岩石透水性大小可用渗透系数衡量，它主要决定于岩石空隙的大小、数量、方向及其相互连通情况。3.岩石软化性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。岩石的软化性主要决定于岩石的矿物成分、结构和构造持征。岩石软化性的指标是软化系数。在数值上，它等于岩石在饱和状态下的极限抗压强度和在风干状态下极限抗压强度的比。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。4.岩石抗冻性岩石的孔隙、裂隙中有水存在时，水结冰，体积膨胀，则产生较大的压力，使岩石的强度和稳定性遭到破坏。岩石抵抗这种冰冻作用的能力，称为岩石的抗冻性。在高寒冰冻地区，抗冻性是评价岩石工程地质性质的一个重要指标。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，认为是非抗冻的。4.1.2.3岩石力学性质岩石的力学性质是指岩石抵抗外力作用的性能。岩石在外力作用下，首先发生变形，当外力增加到某一数值时，岩石便开始破坏。所以在研究岩石的力学性质时，既要考虑岩石的变形特性，也要考虑岩石的强度特性。1.岩石的变形岩石典型的应力～应变曲线岩石在外力作用下产生变形，且其变形性质分为弹性和塑性两种。根据曲率的变化，可将岩石变形过程划分为四个阶段：1)微裂隙压密阶段(图中oa段）岩石中原有的微裂隙在荷重作用下逐渐被压密，曲线呈上凹形，曲线斜率随应力增大而逐渐增加，表示微裂隙的变化开始较快，随后逐渐减慢。a点对应的应力称为压密极限强度。对于微裂隙发育的岩石，本阶段比较明显，但致密坚硬的岩石很难划出这个阶段。2)弹性变形阶段（图中ab段）岩石中的微裂隙进一步闭合，孔隙被压缩，原有裂隙基本上没有新的发展，也没有产生新的裂隙，应力与应变基本上成正比关系，曲线近于直线，岩石变形以弹性为主。b点对应的应力称为弹性极限强度。3)裂隙发展和破坏阶段（图中bc段）当应力超过弹性极限强度后，岩石中产生新的裂隙，同时已有裂隙也有新的发展，应变的增加速率超过应力的增加速率，应力～应变曲线的斜率逐渐降低，并呈曲线关系，体积变形由压缩转变为膨胀。应力增加，裂隙进一步扩展，岩石局部破损，且破损范围逐渐扩大形成员通的破裂面，导致岩石“破坏”。c点对应的应力达到最大值，称为峰值强度或单轴极限抗压强度。4)峰值后阶段（图中c点之后）岩石被环后，经过较大的变形，应力下降到一定程度开始保持常数，d点对应的应力称为残余强度。由于大多数岩石的变形具有不同程度的弹性性质，且工程实践中建筑物所能作用于岩石的压应力远远低于单轴极限抗压强度。因此，可在一定程度上将岩石看作准弹性体，用弹性参数表征其变形特征。岩石的变形性能一般用弹性模量和泊松比两个指标表示。弹性模量是在单轴压缩条件下，轴向压应力和轴向应变之比。岩石在轴向压力作用下，除产生纵向压缩外，还会产生横向膨胀。这种横向应变与纵向应变的比值，称为岩石的泊松（泊桑）比。2.岩石强度岩石抵抗外力破坏的能力称为岩石的强度。它与应变形式有很大关系。岩石受力作用破坏，有压碎、拉断和剪断等形式。所以其强度分为抗压强度、抗拉强度和抗剪强度等。（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。ApR式中R－抗压强度（Pa）；P－岩石破坏是的压力（N）；A－岩石受压面积（m2）岩石抗压强度的大小，直接与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。（2）岩石的抗剪强度。抗剪强度是指岩石抵抗剪切破坏的能力。以岩石被剪破时的极限应力表示。岩石的抗剪强度决定着建筑物的抗滑稳定性，是评价建筑物稳定性的重要指标之一。根据工程实际的剪切破坏情况，可分为三种抗剪强度：抗剪断强度是指在一定压应力作用下岩石剪断时，剪破面上的最大剪应力。ctg式中τ－岩石抗剪断强度Pa；σ－破坏面上的压应力（Pa）；φ－岩石的内摩擦角；c－岩石的内聚力（Pa）抗剪强度是沿已有的破裂面发生剪切滑动时的指标。tg抗切强度是压应力等于零时的抗剪断强度。c（3）岩石的抗拉强度。抗拉强度是岩石单向拉伸时抵抗拉断破坏的能力，以拉断破坏时的最大张应力表示。APt式中－岩石的抗拉强度（Pa）；P－岩石破坏时的拉力（Pa）；A－试件横截面积在岩石强度的几个指标中，岩石的抗压强度最高，抗剪强度居中，抗拉强度最小。抗剪强度为抗压强度的10％～40％；抗拉强度仅是抗压强度的2％～16％。岩石越坚硬，其值相差越大，软弱的岩石差别较小。由于岩石的杭拉强度很小，所以当岩层受到挤压形成褶皱时，常在弯曲变形较大的部位受拉破坏，产生张性裂隙。岩石的工程性质好坏主要取决于两方面的因素：一是内部因素，即岩石的地质特征，包括岩体内部裂隙系统的性质及其分布情况、岩石的矿物成分、结构构造、成因产状等；二是外部因素，即岩石形成后的外部影响因素，包括风化作用、地质构造、流水等。4.2.1影响岩石工程性质的内部因素岩石是由矿物组成的，岩石的矿物成分对岩石的物理力学性质产生直接影响。由于岩石受力是通过矿物颗粒的直接接触来传递的，如果强度较高的矿物在岩石中互不接触，则应力就会受到中间低强度矿物的影响，岩石就不能显示出高的强度。所以不能简单地认为，含有高强度矿物的岩石强度就高。所以，对岩石的工程地质性质进行分析和评价时，应注意可能降低岩石强度的因素。如黑云母含量是否过高，石灰岩、砂岩中的粘土类矿物的含量是否过高等。因为黑云母是硅酸盐类矿物中硬度最低、解理最发育的矿物之一。在石灰岩和砂岩中当粘土类矿物含量大于20％时，岩石的强度和稳定性就会降低。1.岩石的矿物成分2.岩石的结构岩石的结构是影响岩石工程地质性质的重要因素。岩石的结构分为两类：结晶联结的岩石，如大部分的岩浆岩、变质岩和一部分沉积岩；胶结联结的岩石，如沉积岩中的碎屑岩等。结晶联结的岩石由于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。但就结晶联结来讲，结晶颗粒的大小则对岩石的强度有明显的影响。就矿物成份和结构类型相同的岩石来说，小颗粒结晶岩石的强度大于大颗粒结晶岩石。胶结联结的岩石，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。就胶结物的成分而言，岩石的强度和稳定性：硅质胶结＞钙质和铁质胶结＞泥质胶结。胶结的形式，有基底胶结，孔隙胶结和接触胶结三种形式。对岩石强度有重要影响。基底胶结：碎屑物质散布于胶结物中，碎屑颗粒互不接触。力学性质完全取决于胶结物的性质。孔隙胶结: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：仅在碎屑的相互接触处有胶结物联结，所以接触胶结的岩石，一般孔隙度都比较大、容重小、吸水率高、强度低、易透水。如果胶结物为泥质，与水作用则容易软化而丧失岩石的强度和稳定性。3.岩石的构造岩石的构造对岩石物理力学性质的影响，主要是由于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。Case1:岩石中矿物成分分布的极不均匀性，常使一些强度低、易风化的矿物定向富集，从而使岩石的物理力学性质在局部发生很大变化。而岩石受力破坏和岩石遭受风化，首先都是从岩石的这些缺陷中开始发生的。Case2:不同的矿物成分虽然在岩石中的分布是均匀的，但由于存在着层理、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，使得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。如果case1和case2同时存在，则岩石的强度和稳定性将会明显降低。4.2.2影响岩石工程性质的外部因素岩石被水饱和后会使岩石的强度降低，降低程度在很大程度上取决于岩石的孔隙度。降低机制：水沿着岩石中可见和不可见的孔隙、裂隙浸入。浸湿岩石全部自由表面上的矿物颗粒，并继续沿着矿物颗粒间的接触面向深部浸入，削弱矿物颗粒间的联结，结果使岩石的强度受到影响。一定程度内的可逆性：当岩石干燥后其强度可以得到恢复。如果发生干湿循环，化学溶解或使岩石的结构状态发生改变，则岩石强度的降低，就转化成不可逆的过程了。（1）地质构造地壳产生构造变形时，生成各种节理和破碎带，使岩石破碎并且扩大了岩石与空气、水的接触面积，大大促进了岩石风化作用。褶曲轴部和断层破碎带及其附近裂隙密集发育的岩石，都非常有利于风化作用的进行。（2）水风化作用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等。影响后果：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，强度和稳定性大为降低。随着化学过程的加强，则会引起岩石中的某些矿物发生次生变化，从根本上改变岩石原有的工程性质。（3）风化作用4.2.3常见岩石的工程性质评述岩石的各项工程性质指标的优劣与岩石的成因、产状、结构、构造、矿物成分、节理发育程度及风化程度有极密切的关系。（1）侵入岩。侵入岩是岩浆在地下缓慢冷凝结晶生成的，矿物结晶良好，颗粒之间连接牢固，多呈块状构造。常见花岗岩、闪长岩、辉长岩工程性质一般较好（晶质结构、块状构造）。不同岩石具体分析，还有差别。（2）喷出岩。喷出岩是岩浆喷出地表后迅速冷凝生成的，由于地表条件复杂，使喷出岩具有很不相同的地质特征。常见粗面岩、安山岩、玄武岩岩石工程性质要具体分析。如隐晶质结构、致密块状构造的岩石性质良好。而流纹、气孔构造、具原生节理，则性质变差。具体评述岩浆岩工程性质时