岩体的工程地质研究03z

1、东南大学远程教育(yun chn jio y)工 程 地 质第 三 章主讲(zhjing)教师： 童小东1共七十一页第3章 岩体的工程地质 研究(ynji) 第1节 岩石和岩体的基本特性(txng) 第2节 岩石的物理性质指标 第3节 岩石和岩体的力学性质 第4节 岩体工程地质研究 2共七十一页第1节 岩石和岩体的 基本(jbn)特性 岩石：是指经过地质(dzh)作用而天然形成的矿物集合体。按其成因可分为三类：火成岩（岩浆岩）、变质岩和沉积岩。 岩体：指由结构面和被结构面所分割的岩石构成的整体。3共七十一页桩体护壁(hb)4共七十一页一、岩石(ynsh)和岩体的特性 与土相比较，岩石和岩体有以

2、下特性： 1.力学强度高：抗压强度最高可达100MPa以上。 2.抗水性强：一般岩石的抗水性较强（含有大量可溶盐类的岩石除外）。 3.不均匀性、各向异性和不连续性：是复杂的“地球介质”。 5共七十一页 4.强度、压缩性受结构面发育程度、风化特性及岩溶作用控制二、岩体工程地质研究的重点与目的 岩石与岩体的上述特性决定了： 1.岩体的工程地质研究应以较软弱的岩体为主要对象(duxing)，岩体的构造破坏、软弱夹层及风化程度等应是研究的重点；6共七十一页 2.岩体工程地质研究的主要目的是评价岩体的稳定性。岩体的稳定性主要取决于岩体强度，而不是岩石强度。岩体强度取决于构造强度，构造强度则主要受岩体中的

3、结构面控制。因此(ync)物理力学性质的试验工作应密切结合工程地质实际条件来进行。 7共七十一页第2节 岩石(ynsh)的物理性质 指标 用数值来描述岩石的物理性质，这些数值就是岩石的物理性质指标。 岩石的密度 和重度 1.密度：岩石单位(dnwi)体积（包括岩石成分中的固、液、气三相）的质量，单位为g/cm3或kg/m3。 岩石的密度大小与其成因及生成环境有关。 8共七十一页 2.重度：岩石单位体积（包括岩石成分中的固、液、气三相(sn xin)）的重量。 岩石的重度与岩石的组成矿物及岩石的结构有关。按岩石含水状况不同分为饱和重度、湿重度和干重度。 岩石重度的大小在一定程度上可反映岩石的力学

4、性质。通常重度大的岩石，其强度就高，故由重度指标可间接判断岩石强度特性。9共七十一页 岩石的比重ds 比重：是岩石的固相重量(zhngling)与固相体积之比。岩石的比重取决于其组成矿物的比重。矿物的比重越大，则岩石的比重也越大。 一般岩石的比重介于2.53.3之间。 岩石的孔隙率n、吸水率Wa和饱水率Wsa 10共七十一页 1.孔隙率（n）：为岩石的孔隙(kngx)体积Vv与岩石总体积V之比。用百分数表示为 由于岩石的孔隙主要包括粒间孔隙和微裂隙，所以孔隙率也是判定岩石质量的重要(zhngyo)物理性质指标。11共七十一页 孔隙率越大，孔隙和微裂隙就越多，岩石的力学(l xu)性质就越差。

5、风化程度是影响岩石孔隙率的主要因素。未风化岩的n=0.131.0%；风化严重岩石的n=3040%。12共七十一页 三种孔隙率概念： 总孔隙率n：岩石中全部孔隙体积与岩石体积之比。 开孔孔隙率n1：与大气相通(xingtng)或能被水充满的孔隙体积与岩石体积之比。 闭孔孔隙率n2：不与大气相通的孔隙体积与岩石体积之比。13共七十一页 2.吸水率（Wa）和饱水率（Wsa） 岩石的吸水性是岩石的水理性质，常用吸水率和饱水率两个(lin )指标来表示。 吸水率Wa：指岩石在通常大气压力下吸入水的重量gw1与岩石的干重gd之比 14共七十一页 饱水率Wsa：是岩石在一定的高压条件下（一般为150个大气压

6、）或在真空条件下吸入水的重量(zhngling)gw2与岩石的干重gd之比 在这样的压力条件下，通常认为(rnwi)水能够进入到所有的敞开裂隙和孔隙中去。15共七十一页 一般在试验室条件下，采用高压设备较为(jio wi)复杂，故多用真空抽气法来测定岩石的饱水率。 岩石的吸水性主要与岩石本身的孔隙或裂隙有关。吸水率可以反映出开口较宽孔隙（或裂隙）的体积大小，而饱水率可以反映出全部开口孔隙（或裂隙）的体积大小。16共七十一页 显然，吸水率值小于饱水率值。二者之差可以(ky)反映在常压条件下水并不能渗入的细小孔隙（或裂隙）的体积大小。换句话说，在正常大气压力下，岩石浸水后，水只能浸入到开口的宽孔隙

7、（或裂隙）中，只有在一定的高压条件下，水才能浸入到全部开口的孔隙中。 17共七十一页 饱水系(shux)数Kw：为吸水率Wa与饱水率Wsa的比值。 饱水系数愈大，说明岩石(ynsh)中开口较宽的孔隙（或裂隙）愈多。一般岩石(ynsh)的饱水系数在0.40.8之间。18共七十一页 岩石的饱水系数能间接地说明岩石的抗冻性。当浸入岩石裂隙中的水结冰时，其体积约增加9%，从而对原来含水的孔隙壁产生压力。当饱水系数小于0.91时，即较宽开口(ki ku)孔隙与总开口(ki ku)孔隙体积之比小于0.91，在结冻时由于尚有未被水充填的窄开口(ki ku)孔隙，因而水体有膨胀的余地。19共七十一页 当岩石的

8、饱水系数大于0.91时，就要考虑水结冰时体积膨胀对孔隙壁产生的巨大压力，因为在这种情况(qngkung)下，水结冰时，没有足够多的开口孔隙来容纳由于冻结而膨胀的水体积，而导致岩石破裂。 20共七十一页第3节 岩石(ynsh)和岩体的 力学性质 岩体在外界荷载作用下所表现出的性状(xngzhung)，称为岩体的力学性质。它包括变形和强度两个方面。岩体的力学性质与建筑物的稳定性有着密切的关系。 21共七十一页一、岩体的变形 1.岩体的变形特性 岩体在外力作用下，其内部应力状态发生变化，使各质点改变位置，结果引起(ynq)岩体形状和尽寸的改变，称为变形。岩体在外力作用下首先发生变形，变形超过一定值后

9、岩体发生破坏。 22共七十一页应力(yngl)应变(yngbin)23共七十一页 实际上，岩石并非理想的弹脆性体，它在破坏(phui)前，不仅发生弹性应变，还会发生一定的塑性应变。这时，破坏前的应变由弹性应变和塑性应变两部分组成。弹性应变是可逆的，外力卸除后弹性应变就会恢复。而塑性应变是不可逆的，外力卸除后，塑性应变不能恢复。弹性区和塑性区的应力分界点是弹性极限。 24共七十一页应力(yngl)应变(yngbin)25共七十一页 试验资料表明，单向加压情况下的岩石应力(yngl)应变曲线主要有以下四种型式： 直线型 下凹曲线型 上凹曲线型 S型曲线 26共七十一页 岩石在三向压力作用下的变形性

10、质，应用三轴压缩剪切仪可以得到如下图的变形曲线。纵坐标表示大小主应力之差， 称为应力差或偏应力，横坐标表示轴应变 。从图中可见(kjin)，在单向应力条件下（ ），岩石在变形不大时即发生脆性破坏；随着侧向压力的增加，岩石由脆性转变为塑性的现象是明显的，岩石的峰值强度及破坏前的塑性应变均随之增大。 27共七十一页28共七十一页 2.岩石变形特性指标(zhbio)及其测定 方法 岩石的变形特性常用变形模量和泊松比表示。变形模量和泊松比，除在室内测定外，可在实地现场直接测定，现场测定一般能较好地反映岩体的变形特性。 在室内，大多数是将试件放在压力机中加压，并测量其垂直和横向变形。29共七十一页 在现

11、场测定变形模量有两种方法，即静力法和动力法。 动力法利用震源产生弹性波，测定波在岩体中的传播速度，然后按照弹性理论公式算出变形模量和泊松比。 动力法与静力法相比较，前者简便、效率高，可以在各种露头上进行试验(shyn)，也可在钻孔中进行。大量采用钻孔进行静力法试验(shyn)不太现实。30共七十一页 但动力法所利用的是弹性波，不能完全反映出岩体的细裂隙情况和岩体的非弹性变形情况。因此，动力法和室内静力法一样，所测得的变形模量值比现场(xinchng)静力法所测结果要大。31共七十一页 3.岩体变形影响因素(yn s)的分析 岩体的变形模量及泊松比并非常数：因为岩体是各向异性的；变形特性指标的数

12、值取决于作用在岩体上力的大小及作用时间的长短。 影响岩体变形特性指标的因素包括： 岩体本身的因素 岩体本身的因素，主要为岩体结构、构造的影响，一般是指岩层层理及裂隙等对岩体变形的影响。 32共七十一页 层理的影响主要表现为岩体变形的各向异性。 裂隙(li x)对岩体变形也有很大影响，岩体的变形主要是闭合、张开裂隙(li x)的变形，且与裂隙(li x)的产状、性质及充填物质有关。 试验时岩体状态的因素 岩体状态对变形模量的影响也很大，例如，风化岩石比新鲜岩石变形模量小得多；岩石含水量的增加，会使变形模量减小。33共七十一页 某工程垂直于层理的高压饱水试样与烘干样变形模量之比为0.55；而平行于

13、层理的变形模量，其相应的比值为0.71。 试验条件的因素（如历时长短、应力(yngl)大小及加荷方式等） 试验方法对变形模量的影响，明显地表现在静力法和动力法所得结果的差异上。如前所述，一般动力法所得Ed值比静力法的Es值要大12倍，风化岩体则相差更大。34共七十一页 两个方法的主要差别是：静力法反映的是小范围内的岩体性状，而动力法反映的岩体范围较大，可以包括宽度较大的裂隙；静力法的载荷常达岩体极限强度的25100%，作用的时间长（数分钟内测出），而动力法为冲击力，应力小，作用的时间很短（约0.01秒）。 目前，生产中一般(ybn)以静力法所得E值作为主要设计选值依据，而以动力法结果作为参考。

14、 35共七十一页 此外，加荷速度和试验压力的大小对变形模量也是有影响的，E值随加荷速度的增加而增大；试验压力大时，所得E值要小一些。 二、岩体的强度 岩体抵抗外荷作用的极限能力称为强度。广义强度包括(boku)抗压强度、抗剪强度、抗拉强度等。36共七十一页 岩体通常是一个不连续体，不连续面由宏观的断层、节理、裂隙和微观的晶面、微裂隙组成。小型试件测得的岩体强度，称为岩体的材料强度岩石(ynsh)强度；包括不连续面的试件测得的岩体强度，则称之为岩体强度，可以通过大型的岩体试验测得。显然，岩体的材料强度是岩体可能的最大强度。37共七十一页 1.抗压强度 岩体的抗压强度或单轴抗压强度就是在单向压力作

15、用下使试样破坏的单位面积的极限荷载。 岩体的抗压强度多在室内测定，将一定尺寸的试样放在压力机上，逐渐增加垂直压力，至岩体开始破坏为止(wizh)。 按下式计算岩体的抗压强度R 38共七十一页 测定岩体抗压强度的试样有圆柱体及立方体两种形状。圆柱体即为钻孔岩芯，圆柱体的高和直径应保持(boch)2:1的比例，标准试样的直径为5cm，高度为10cm。立方体的尺寸一般取555（cm3）、777（cm3）或39共七十一页101010（cm3）。岩体的非均匀性愈大，试样也应愈大。 建筑物基础传递给地基的压力，一般都小于2MPa。因此，岩体的抗压强度在绝大多数情况下，是完全可以(ky)满足要求的。由于抗压

16、强度的测定较为方便，并由它引出了不少求其他指标的经验近似公式，所以作为岩体的力学特性指标，抗压强度被广泛采用。 40共七十一页 影响岩体抗压强度的主要因素 : a.岩体的结构、构造 b.裂隙和风化作用 c.试验条件（含水(hn shu)情况、加荷速率、试件尺寸、岩体所处的应力状态） 2.抗剪强度 岩体抵抗剪切破坏的极限能力，称为抗剪强度。岩体的抗剪强度决定着建筑物的抗滑稳定性。由于剪切情况不同，故有3种强度，即抗剪断强度、抗剪强度和抗切强度。 41共七十一页1-抗剪断(jin dun)试验；2-抗切试验；3-抗剪试验 42共七十一页 a.抗剪断强度 岩体的抗剪断强度，是指在一定压力下，岩体被剪

17、断时剪破面上的最大剪应力。它常用(chn yn)来确定混凝土与岩石胶结面或岩石本身所能承受的最大剪应力。 压应力与抗剪断强度的关系式为 43共七十一页 与土体一样，摩擦系数 及粘聚力c是决定岩体抗剪断强度的实质性指标。在计算水工建筑物的抗滑稳定性时，岩体的摩擦系数是一个决定性指标。 岩体的抗剪断试验，还可以在三轴压缩状况下进行。岩体三轴试验的目的在于了解岩体在复杂应力状态下的强度，常采用等围压（即 ）的压缩方式，需要具备(jbi)专门的岩体三轴应力试验机。44共七十一页 对同一组岩体试样的试件，可求得不同侧向压力条件下岩体的极限强度。根据相应的 和 可绘制(huzh)数个莫尔破坏圆，然后作这些

18、圆的包络线，以求得c、 值。 45共七十一页常规三轴压缩试验(shyn)的莫尔应力圆 及莫尔包络线 46共七十一页 b.抗切强度 岩体的抗切强度是指在没有垂直压应力作用下，岩体剪断时破坏面上的最大剪应力。其表示式为 ，即，岩体的抗切强度为岩体的粘聚力。因此，抗切试验求得的c值比抗剪断试验的c值准确(zhnqu)。 c.抗剪强度 抗剪强度是指岩石与岩石间沿某一面的摩擦力。47共七十一页 测定方法是将试样块体放在另一试样块体上，在法向荷载作用下施加剪切力，以测定两块岩石接触面之间的摩擦力。 由于两块岩石是分离的，所以粘聚力为零，摩擦力即为抗剪强度，随着(su zhe)法向应力的增加而增加。48共七

19、十一页 抗剪强度与垂直应力(yngl)的关系49共七十一页 抗剪试验时，以两块岩石的接触面来模拟现场构造面，即最可能引起滑动的裂隙、节理或层面。有时还要对岩块与混凝土块体进行试验，以求其两者之间的摩擦力。抗剪试验提供的抗剪参数f（即 ）常用于分析坝基滑动的可能性。 3.抗拉强度和抗弯曲强度 岩体抵抗单向拉伸破坏的极限(jxin)能力，称为岩体的抗拉强度；岩体抵抗折断的极限能力，为抗弯曲强度。 50共七十一页 由于测定(cdng)抗拉强度与抗弯曲强度的试验方法比较复杂，而广义强度（抗拉、抗弯、抗剪等）均可以表示为抗压强度的函数。根据几种主要岩体抗拉、抗弯曲、抗切强度与抗压强度的近似比例，可以求出

20、抗拉、抗弯曲和抗剪强度。 抗拉强度一般平均为抗压强度的35%，抗弯曲强度为抗压强度的715%。 51共七十一页三、岩体的流变特性 与软土类似，岩体也具有流变特性。流变表示时间因素对变形(bin xng)的影响。在应力不变的情况下，岩体的变形(bin xng)随时间而增长的特性叫流变性。表示这一特性的变形(bin xng)时间曲线就称为流变曲线。 52共七十一页四、岩石的破坏形式和破坏机制(jzh) 岩石的破坏形式一般有以下几种： 1.脆性破坏 岩石在荷载作用下没有明显的变形就突然破坏的现象称为脆性破坏。在大多数情况下，岩石表现为脆性破坏。岩层受压的张裂和X型剪切破裂均属于这种脆性破坏形式。 5

21、3共七十一页 2.塑性破坏 岩石受力后，破坏之前的变形较大，没有明显的屈服点，称为塑性破坏。如坑道软弱岩石造成的底板隆起等。 3.岩体软弱面的剪切破坏 岩体中存在层理、节理、裂隙或断层(duncng)时，在荷载作用下，当这些结构面上的剪应力超过其抗剪强度时，岩体发生软弱面剪切破坏。54共七十一页 岩体破坏的基本机制(jzh)为岩体（结构体）沿着结构面的剪切滑动。所以，对岩体而言，其宏观破坏判据就是库伦方程式 目前主要(zhyo)采用库伦方程和莫尔强度理论来分析和评价岩土体的稳定性问题。 55共七十一页第4节 岩体工程地质研究(ynji) 的基本概念和要点 岩体工程(gngchng)地质研究的目

22、的是评价工程(gngchng)岩体的稳定性。 一、岩体工程地质背景研究 在进行工程岩体稳定性评价时，为了对岩体在本质上有所认识，必须进行岩体（山体）工程地质背景的研究。忽视工程地质背景评价，是许多工程出现重大问题的主要原因。 56共七十一页 工程地质背景是指山体在形成、演化过程中所受的地质力学作用和所处的地质环境。由于岩体经历过岩石生成、构造形变和次生蜕变的漫长地质历史，所以在进行工程地质背景评价中要抓住对岩体构造特征起主导作用的地质过程(guchng)来研究。 57共七十一页 在工程地质背景研究中，关键的是判定不良工程地质条件的地质力学背景。主要是：成岩不良、多软弱夹层的山体；具有不整合面和

23、古风化(fnghu)壳的山体；岩浆岩侵入挤压和蚀变带山体；区域性活动断裂带；深风化(fnghu)、卸荷松动和蠕动山体；强烈岩溶化山体。 58共七十一页二、岩体结构特性和岩体质量的研究 岩体结构的基本模式是结构面和结构体的组合，它决定岩体的特性。岩体结构类型和岩体质量与岩体成因及形成的地质历史有关。在岩体结构研究的基础上，划分岩体结构类型，概括工程类比评价，是岩体稳定性力学分析的基本(jbn)手段。 岩体质量的评价应着重对岩体的完整性、软弱夹层和风化岩进分析。 59共七十一页 1.三大岩类的工程地质分析 岩性是产生各类岩体结构的物质基础，研究(ynji)岩体不能脱离岩体本身的岩性特征。岩石的岩性

24、特征取决于岩石的成因类型。岩石主要分为火成岩、沉积岩和变质岩三大类。 a.火成岩 火成岩深成岩浅成岩喷出岩60共七十一页 对火成岩进行工程地质研究时，在野外，必须(bx)着重观测其产状、裂隙和风化程度；在室内，则必须用显微镜仔细观察其矿物成分、结构、风化物成分，并且与其物理性质、水理性质及力学性质试验的成果结合起来综合加以分析。 2.沉积岩 对沉积岩进行工程地质研究时，除注意岩石的胶结物外，还要注意对其层理性的研究。 61共七十一页 沉积岩之所以成岩，一般是由小的沉积(chnj)旋回形成的（如砂页岩互层，石灰岩中夹有泥灰岩或粘土岩薄层等），层与层之间的连接较弱，因此，层面（特别是软弱夹层面）对

25、岩体稳定影响很大。 3.变质岩 从岩石强度来源的观点来看，不同的变质作用对于岩石有着不同的影响。 62共七十一页 由于原岩性质的不同及变质条件和变质作用的不同，使原岩的强度可能提高或降低。 如火成岩经深变质作用后，产生片理，生成(shn chn)片麻岩类的层状岩，使其力学性质的各向异性显著增强。岩石沿片理面会产生剥离和分裂，力学强度和抗风化性能低于原岩。 沉积岩的变质作用相反，常常使其强度提高，如石英岩、大理岩的力学强度都很高。63共七十一页三、软弱夹层和风化岩的研究 对岩体稳定性的研究，软弱夹层和风化岩占有重要的地位。 1.软弱夹层 软弱夹层是指地基中岩性软弱、结构松散、力学强度低、流变效应明显以及遇水易软化或泥化的岩层，它一般是在原岩一定物质(wzh)成分的基础上经内、外动力地质作用的产物。 64共七十一页 一般可按软弱夹层的成因将其分为(fn wi)原生型、构造型、次生型和综合型四类。 软弱夹层以其抗剪强度低为特征，从而会影响建筑物地基边坡及地下洞室的稳定性。 软弱夹层对工程的影响主要取决于它的性状和分布。一般认为软弱夹层的矿物成分、粗细颗粒含量、含水量、易溶盐和有机质等的含量是决定其性质的主要因素。65共七十一页 对软弱夹层的研究，应着重于：成因类型、存在形态和分布规律；物质成分（矿物成分及化学成分）和物理力学性质；遇水软化及管涌问题。 软弱夹层