工程地质第二章

1、工程地质第二章第1页，共41页，2022年，5月20日，4点1分，星期三 1、 岩石矿物颗粒间连结牢固； 岩石矿物颗粒间具有牢固的连结，这既是岩石的重要结构特征，也是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。 岩石颗粒间连结分结晶连结和胶结连结两种。结晶连结是岩石中矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起的连结，如岩浆岩、大部分变质岩及部分沉积岩均具有这种连结。胶结连结是岩石中颗粒通过胶结物胶结在一起的连结如碎屑沉积岩、粘土岩等具有这种连结。 这两种连结都表现出很强的连结力，所以被称为“硬连结”。而土则缺乏这种连结土的颗粒间或毫无连结、或是连结力很弱的水胶连结和水连结，其连结力是无法与岩石颗粒

2、间的连结相比拟的。因此土表现出松散、软弱的特征连结力也不稳定。 第2页，共41页，2022年，5月20日，4点1分，星期三 2、 岩石强度高、不易变形、整体性和抗水性好 岩石虽然比起土来具有强度高、不易变形以及整体性和抗水性好的优点，但作为建筑物地基或建筑物环境的岩体，也具有缺陷，这就是岩体中存在着断层、节理等结构面(带)，使岩体受到不同程度的切割，完整性遭到破坏，导致岩体物理、力学性质变差和严重不均匀。 当断裂破坏严重时，岩体甚至破碎分散犹如碎屑土。这种被称为构造岩的破碎岩石，有的属于半坚硬岩石，有的已成为松软土。岩体中的这种结构面分割情况，在土中是见不到的，只有在某些裂隙粘土或老黄土中才有

3、微弱的裂隙分布。 因此，岩体的结构比土体复杂。即使是坚硬、完整的岩块，在其内部也存在有微裂隙和缺陷如解理面，微破裂面等，程度不同地削弱了岩块的强度，同时也导致了岩块力学性质的各向异性。 第3页，共41页，2022年，5月20日，4点1分，星期三第二节 岩石的物理性质一、岩石的密度 岩石的密度是指单位体积内岩石的质量，又分为颗粒密度和块体密度。它是选择建筑材料、研究岩石风化、评价工程岩体稳定性及确定围岩压力等必需的计算指标。 岩石的颗粒密度(s)是岩石固体相部分的质量与其体积的比值。它不包括岩石空隙。其大小取决于组成岩石的矿物密度及其相对含量。如基性、超基性岩含密度大的矿物多。其颗粒密度就大，酸

4、性岩石则相反，颗粒密度较小。 岩石的颗粒密度常用比重瓶法测定。常见岩石的颗粒密度值见表51。 第4页，共41页，2022年，5月20日，4点1分，星期三二、岩石的空隙性 岩石的空隙性指岩石孔隙性和裂隙性的统称，用空隙率表示。岩石的空隙率是岩石中空隙体积与岩石总体积之比，以百分率表示。 岩石中的空隙有的与大气相通，称为开空隙；有的与大气不相通，称为闭空隙。开空隙又有大小之分。 因此，可将岩石的空隙率分为总空隙率、总开空隙率、大开空隙率、小开空隙率及闭空隙率5种。设V为岩石体积；Vr为空隙总体积；Vro为总开空隙体积；Vrb为大开空隙体积；Vrl为小开空隙体积；Vrc为闭空隙体积。第5页，共41页

5、，2022年，5月20日，4点1分，星期三总空隙率：nVrV100（1-ds） 100总开空隙率：noVroV100大开空隙率：nbVrbV100小开空隙率：nlVrlV（no-nb）100闭空隙率： nCVrcV（n-nO）100第6页，共41页，2022年，5月20日，4点1分，星期三三、岩石的吸水性 岩石在一定试验条件下吸收水分的性能，称为吸水性。常用吸水率、饱和吸水率及饱水系数等指标表示。 岩石的吸水率(Wa)是指岩石试件在一个大气压和室温条件下自由吸入水的质量(mw1)与试件干质量(mS之比，用百分率表示，即Wamw1mS100 实测时先将岩佯烘干并称干质量，然后浸水饱和。试验是在一

6、个大气压下进行的的，岩石吸水时，水只能进入大开空隙，而不能进入闭空隙和小开空隙算岩石的大开空隙率(nb)，即nbVvbVdWa/w=dWa式中：W为水的密度(取为1gcm3)；其余符号同前。 第7页，共41页，2022年，5月20日，4点1分，星期三 岩石的饱和吸水率(Wp)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，即Wp= mw2/mS100 这种条件下，通常认为水能进入所有开空隙中，因此岩石的总开空隙率为noVvoV=dWp/W=dWp 式中：符号意义同前。 岩石的吸水率与饱和吸水率之比，定义为饱水系数。它是评价岩石抗冻

7、性的指标。一般来说，岩石的饱水系数为0.5一0.8。饱水系数愈大，说明常压下吸水后留余的空间有限，岩石愈容易被冻胀破坏，因而岩石的抗冻性就差。 几种常见岩石的吸水性指标值列于表51、5-2中。 第8页，共41页，2022年，5月20日，4点1分，星期三四、岩石的软化性 岩石浸水后强度降低的性质，称为软化性。岩石的软化性取决于它的矿物组成及空隙性。当岩石中含有较多的亲水性和可溶性矿物以及大开空隙较多时，则其软化性较强。 表征岩石软化性的指标是软化系数()，为岩石饱水抗压强度(CW)与干抗压强度(Cd)之比，即 CW Cd 100 显然，值愈小则岩石的软化性愈强。当岩石的人0.75时，软化性弱；同

8、时也可说明其抗冻性和抗风化能力强。 由表51可知：岩石的软化系数均小于1.0，说明岩石都具有不同程度的软化性。软化系数在水工建筑勘察中应用较广。 第9页，共41页，2022年，5月20日，4点1分，星期三五、岩石的抗冻性 岩石抵抗冻融破坏的性质，称为岩石的抗冻性。岩石浸水后，当水的温度降至0以下时，空隙中的水将冻结体积增大(可达9)，对岩石产生冻胀力，使其结构和连结遭到破坏。反复冻融后，将使岩石的强度降低。岩石的抗冻性常用抗冻系数和质量损失率两个指标表示。 抗冻系数(Rd)是指岩石冻融实验后干抗压强度(cd2)与冻融前干抗压强度(cd1)之比，以百分数表示，即Rd=cd2/cd1100 第10

9、页，共41页，2022年，5月20日，4点1分，星期三 质量损失率(Km)是指冻融前后岩样干质量之差(ms1-ms2)与冻融前干质量(ms1)之比，以百分率表示， 即 Km(ms1一ms2)ms1100 实验时，要求先将试件浸水饱和，然后在-20温度下冷冻，冻后融化，融后再冻如此反复冻融25次或更多。冻融次数可根据工程地区的气候条件决定。 岩石的抗冻性，主要取决于岩石中大开空隙的发育情况、亲水性和可溶性矿物的含量及矿物颗粒间的连结力。第11页，共41页，2022年，5月20日，4点1分，星期三六、岩石的透水性 岩石能被水透过的性质，称为岩石的透水性，用渗透系数表示它的大小取决于空隙的数量、大小

10、、方向及连通情况。 一般认为水在岩石中的流动服从达西定律，因此可用达西渗透仪在室内测定完整岩石试件的渗透系数。某些岩石的渗透系数列于表53中。 第12页，共41页，2022年，5月20日，4点1分，星期三 在诸如深埋隧洞、地热利用，高寒地区工程建设及核废料处理方面，都有很重要的实际意义。在岩石的热学性质中,常用的是比热容、热导率和热扩散率等指标. (一)岩石的比热容 岩石的比热容，是指1克岩石物质的温度升高1所需要的热量用以表示岩石贮存热量的能力。质量为m的岩石温度由1升至2所需的热量Q（J）为 Qcm（1-2）式中：c为比热容JkgK。 岩石的比热容在室内可采用差示扫描量热法（DSC法）测定

11、。各种岩石的比热容列于表54中，由表可知，一般干燥岩石的比热容为7621256.04J(JkgK )七、岩石的热学性第13页，共41页，2022年，5月20日，4点1分，星期三(二)岩石的热导率 根据热力学第二定律，物体内的热通过热传导从高温点向低温点流动，其截面积为F的平面上热流量Q与温度梯度dq/dx (cm)及流动时间成正比，即QkFt（ddx） 式中：k为热导率W(mK)，是一个与岩石介质性质和温度条件有关的物理量。在实际应用时，k可作为与温度无关的量，k的倒数为热阻率。 岩石的热导率可采用非稳定法在室内测定。表54给出了各种岩石的热导率。 (三)岩石的热扩散率 温度变化对岩石的影响程

12、度取决于热扩散率。热扩散率高的岩石，对温度变化的反应快受影响的程度也大。热扩散率(cm2s)可用热导率k、比热容c和密度求得，即k（.c） 各种岩石的热扩散率列于表54中。 第14页，共41页，2022年，5月20日，4点1分，星期三第三节岩石的力学性质 岩石在外力作用下所表现的性质，称为岩石的力学性质。在外力作用下岩石首先产生变形，随着力的不断增加，达到或超过某一极限值时，便产生破坏。岩石遭受破坏时的应力称为强度。研究岩石的力学性质，主要研究岩石的变形，破坏与强度等性质。 一、单向受压条件下的岩石变形 在外力作用下变形。岩石的变形可分为弹性变形和塑性变形两种。按固体力学定义：弹性变形是指物体

13、受力发生相应的全部变形，并在外力解除的同时，变形立即消失，因而是可逆变形。塑性变形是指物体受力变形，在外力解除后。变形也不再恢复，是不可逆变形，又称为永久变形或残余变形。 岩石的变形规律，可通过外力作用下的变形过程及变形参数说明。所以，首先来研究岩石的应力应变关系。 第15页，共41页，2022年，5月20日，4点1分，星期三(一)岩石的应力，应变曲线特征 岩石在连续加载条件下的应变，可分为轴向应变(L)、横向应变(D)和体积应变(V)，前两者可用仪器测量。体积应变则用VL2D计算求得。求得了各级应力下的这三种应变值，就可绘出相应的应力应变曲线(图51)，也有的是由绘图仪直接自动绘出。该曲线是

14、分析研究岩石变形机理的主要依据，其中以压应力轴向应变曲线（L曲线)应用最广。第16页，共41页，2022年，5月20日，4点1分，星期三 据实验研究，在单向压力作用下，典型的应力应变全过程曲线如图52所示。从图52中可将岩石的变形过程划分为6个阶段。 I微裂隙及孔隙闭合阶段(图52A)。加载初期，岩石中的裂隙及孔隙被逐渐压密，形成早期非线性变形。A段：曲线呈上凹型第17页，共41页，2022年，5月20日，4点1分，星期三 .可恢复弹性变形阶段(图5-2B)。随荷载增加，轴向变形成比例增长，并在很大程度上是可恢复的弹性变形。这一阶段的上界应力称为弹性极限。B段：直线型。第18页，共41页，20

15、22年，5月20日，4点1分，星期三部分弹性变形至微裂隙扩展阶段(图52C)。L曲线仍呈近似直线，而V 曲线则明显偏离直线。这一阶段的上界应力称为屈服极限，这时岩石压密至最密实状态。 第19页，共41页，2022年，5月20日，4点1分，星期三非稳定裂隙扩展至岩石结构破坏阶段(图52D)。特点是微裂隙迅速增加和不断扩展，形成局部拉裂或剪裂面体积变形由压缩转为膨胀，最终导致岩石结构完全破坏。本阶段的上界应力称为峰值强度或单轴抗压强度。第20页，共41页，2022年，5月20日，4点1分，星期三微裂隙聚结与扩展阶段(图52E)。岩石通过峰值应力阶段虽然其内部结构完全破坏，但岩石仍呈整体。到本阶段裂

16、隙扩展成分叉状并相互联合形成宏观断裂面。应力随应变增加而降低。第21页，共41页，2022年，5月20日，4点1分，星期三沿破断面滑移阶段(图52F)。本阶段岩石基本上已分离成一系列碎块体，并在外荷作用下滑移，随之变形不断增加。而应力则降到某一稳定值，称为残余强度其大小等于块体间的摩擦阻力。 自然界中的岩石因其矿物组成及结构不同应力应变曲线特征也不尽相同 第22页，共41页，2022年，5月20日，4点1分，星期三 1965年美国学者RP米勒根据对28种岩石的实验研究成果，归纳为6种在单向压力作用下的应力应变曲线类型(图53)。类型I(弹性的)表现为近于直线的特点直到发生突发性破坏。这是玄武岩

17、、石英岩、辉绿岩、白云岩及坚硬石灰岩等的特征变形曲线。类型I(弹性)第23页，共41页，2022年，5月20日，4点1分，星期三类型(弹-塑性的)，开始为直线末端出现非弹性屈服段。较软而少裂隙的岩石，如石灰岩、粉砂岩和凝灰岩等常呈这种变形曲线类型(弹-塑性)第24页，共41页，2022年，5月20日，4点1分，星期三类型 (塑弹性的)，开始为上凹型曲线，然后转为直线坚硬而裂隙较发育的岩石，如砂岩、花岗岩等在垂直微裂隙方向加荷时常具这种变形曲线。类型 (塑弹性)第25页，共41页，2022年，5月20日，4点1分，星期三类型和（塑弹塑性的)为s型曲线。曲线中段的斜率大小与岩性软硬程度有关。岩性较

18、软且含有微裂隙者，如片麻岩、大理岩和片岩等常具这种变形特性。和（塑弹塑性)为s型曲线第26页，共41页，2022年，5月20日，4点1分，星期三类型(弹塑蠕变性的)，开始为直线，很快便变为非线性变形和连续缓慢的蠕变变形，是岩盐和其他蒸发岩的特征变形曲线。类型(弹塑蠕)第27页，共41页，2022年，5月20日，4点1分，星期三 (二)岩石的变形参数 根据弹性理论，岩石的变形特征可用变形模量和泊松比两个基本参数表示。 1变形模量 指岩石在单向受压时，轴向应力()与轴向应变(L)之比。当压力应变为直线关系时，变形模量为常量(图54)，数值上等于直线的斜率。由于其变形为弹性变形，所以该模量又称为弹性

19、模量。第28页，共41页，2022年，5月20日，4点1分，星期三 当应力应变为曲线关系时，变形模量为变量，即不同应力段上的模量不同。常用的有初始模量、切线模量和割线模量3种(图55)。 初始模量()：指曲线原点处的切线斜率，即 切线模量(t)：指曲线中段直线的斜率，即 t（21）（21） 割线模量()：指曲线上某特定点与原点连线的斜率。通常取相当于抗压强度变点与原点连线的斜率: 5050第29页，共41页，2022年，5月20日，4点1分，星期三2泊松比() 指岩石在单向受压时，横向应变(D)与轴向应变(L)之比，即DL 在实际工作中，常采用抗压强度50的应变点的横向应变与轴向应变计算泊松比

20、。常见岩石的变形模量与泊松比列于表55中。 实验研究表明，岩石的变形模量和泊松比往往具有各向异性特征。当平行于微结构面加荷时，变形模量最大；而垂直微结构面的变形模量最小。两者的比值，沉积岩一般为1.08-2.05，变质岩为2.0左右。 第30页，共41页，2022年，5月20日，4点1分，星期三（三）循环荷载条件下的岩石变形特征 岩石在循环荷载作用下的应力应变关系，随加卸荷方法及卸荷应力的不同而异。当在同一荷载条件下对试件加荷、卸荷时，如果卸荷点(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曲线回到原点表现为弹性恢复(图56)。但应当注意，大部分弹性变形在卸荷后能很快恢复，而小

21、部分(约10一20)，须经一段时间后才能恢复，这种现象称为弹性后效。如果卸荷点(P)的应力高于弹性极限(A)，则卸荷曲线从原来的加荷曲线偏离出来(图57)。 第31页，共41页，2022年，5月20日，4点1分，星期三 如果加荷、卸荷反复多次可得到如图58所示的应力应变曲线。每次加荷曲线与卸荷曲线都不重合，围成一环形面积称为回滞环。当每次卸荷后再加荷到原来荷载并继续增加时(图58a)。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。说明反复受荷过程并未改变岩石变形的基本习性。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58b)。 第32页，共41页，2022年，5月20日，

22、4点1分，星期三二、单向受力条件下的岩石强度 岩石在外力作用下，当达到或超过某一极限值时，便发生破坏。可将其分为拉断破坏和剪断破坏两种基本类型。通常把岩石抵抗外力破坏的能力称为强度。按外力的性质不同，又可分为抗压强度、抗拉强度及剪切强度等，分述如下。 (一)岩石的抗压强度 岩石单向受压时能承受的最大压应力，称为单轴抗压强度，简称抗压强度，即 CP/A 式中C为抗压强度(MPa)；P为岩石试件受压破坏时的荷载(N)，A为试件断面积(mm2)。 岩石的抗压强度通常是通过压坏标准试件测定的。常见岩石的抗压强度值列于表56。 第33页，共41页，2022年，5月20日，4点1分，星期三 (二)岩石的抗

23、拉强度 岩石试件单向受拉时，能承受的最大拉应力称为岩石的抗拉强度虽然在工程实践中通常不允许拉应力出现，但拉断破坏仍是工程岩体及自然界岩体主要的破坏方式之一而且岩石抵抗拉应力的能力最低。因此，抗拉强度是一个非常重要的岩石力学指标。 测定岩石抗拉强度的方法有直接拉伸法和间接拉伸法两种。由于直接法的试件制备困难和实验技术的复杂性，目前多采用间接法其中又以劈裂法和点荷载实验最常用。 劈裂法是把圆柱体或立方体试件横置于压力机的承压板上。并在试件与上下承压板间各放一根垫条然后以一定加荷速率加压，直至试件破坏(图59)。按下式计算岩石的抗拉强度，即 t2Pt 式中：t为岩石的抗拉强度(MPa)，Pt为试件破

24、坏荷载(N)；D为试件直径(mm)，l为试件长度(mm)。 第34页，共41页，2022年，5月20日，4点1分，星期三(三)岩石的剪切强度 岩石受剪力作用时抵抗剪切破坏的最大剪应力，称为剪切强度。岩石的剪切强度与土一样，也是由内聚力(C)和内摩擦阻力(tg)两部分组成的，只是它们都比土大些，这与岩石具有牢固的连结有关。按实验方法的不同，所测定的剪切强度的含义也不同，通常分为以下3种剪切强度(图5-10)。 (1)抗剪断强度 指在一定的法向应力作用下，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力(图510a)。它反映了岩石的内聚力和内摩擦阻力。 (2)抗剪(摩擦)强度 指在一定的法向应力作用下。沿已有破裂面

25、再次剪坏时的最大剪应力(图510b)。它反映了岩石中微结构面(裂隙、层理等)或人工破裂面上的摩擦阻力(tg) 。 (3)抗切强度 指法向应力为零时，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力(图5l0c)。它反映了岩石的内聚力(C) 。 第35页，共41页，2022年，5月20日，4点1分，星期三三、三向应力条件下的岩石变形与强度 作为建筑物地基或环境的工程岩体，经常处于三向应力状态中。为此研究岩石在三向应力下的变形与强度是很重要的。岩体中的三向应力状态可用1，2，3三个主应力表示。 为了研究岩石在三向应力下的变形与强度常进行两种应力状态下的三轴实验： 1230，称为不等压三轴或真三轴实验； 1230，称

26、为假三轴或常规三轴实验，以后者使用最普遍，本节重点介绍这种实验方法及其成果。 岩石常规三轴实验，是将包有隔油薄膜的试件置于密闭高压容器内，先施加预定的围压3。然后以一定的速率加轴向应力1，至试件破坏。在加轴压的过程中同时测定试件的应变值。通过对一组试件的实验，可得到(13)曲线及强度包络线，进而求得岩石的强度与变形参数。研究表明：围压对岩石的变形、破坏及强度都有很大的影响，主要表现在如下两方面。 第36页，共41页，2022年，5月20日，4点1分，星期三(一)围压对岩石变形破坏的影响 有围压作用时，岩石的变形特征与单向受压时不尽相同。如图511所示，首先，岩石破坏前的应变随围压增大而增加。另

27、外随围压增大，岩石的塑性也不断增大，即随围压加大，岩石逐渐由脆性转化为延性(即岩石能承受大量永久变形而不致破坏的性质)。如图511中的大理岩，在围压为零或较低时，岩石呈现出脆性状态；当围压增大至50MPa时，显示出由脆性向塑性转化的过渡状态；围压增加到685MPa，呈现出延性流动；围压到165MPa时，则岩石屈服后的应力差值随应变的增加而稳定增长，出现所谓应变硬化现象。第37页，共41页，2022年，5月20日，4点1分，星期三 围压对岩石变形模量的影响常因岩性而异。对坚硬少裂隙的岩石影响较小，而对软弱多隙的岩石影响较大。研究表明，对砂岩来说随围压增加其变形模量在屈服前可提高20而到接近破坏前则下降20一40。但总的说来，随着围压的增加，岩石的变形模量和泊松比都有一定程