工程地质第二章

工程地质第二章第1页，共41页，2023年，2月20日，星期一

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，2023年，2月20日，星期一

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，2023年，2月20日，星期一

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(ρs)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5—1。

第4页，共41页，2023年，2月20日，星期一二、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，2023年，2月20日，星期一总空隙率：n＝Vr／V×100％＝（1-ρd／ρs）×100％总开空隙率：no＝Vro／V×100％大开空隙率：nb＝Vrb／V×100％小开空隙率：nl＝Vrl／V＝（no-nb）×100％闭空隙率：nC＝Vrc／V＝（n-nO）×100％第6页，共41页，2023年，2月20日，星期一三、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Wa＝mw1／mS×100％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nb＝Vvb／V＝ρd×Wa/ρw=ρd×Wa式中：ρW为水的密度(取为1g／cm3)；其余符号同前。

第7页，共41页，2023年，2月20日，星期一岩石的饱和吸水率(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/mS×100％

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no＝Vvo／V=ρd×Wp/ρW=ρd×Wp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5—1、5-2中。

第8页，共41页，2023年，2月20日，星期一四、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(ＫＲ)，为岩石饱水抗压强度(σCW)与干抗压强度(σCd)之比，即ＫＲ＝σCW

／σCd

×100％显然，ＫＲ值愈小则岩石的软化性愈强。当岩石的人ＫＲ>0.75时，软化性弱；同时也可说明其抗冻性和抗风化能力强。由表5—1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，2023年，2月20日，星期一五、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(σcd2)与冻融前干抗压强度(σcd1)之比，以百分数表示，即Rd=σcd2/σcd1×100％

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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)／ms1×100％

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，2023年，2月20日，星期一六、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、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5—3中。

第12页，共41页，2023年，2月20日，星期一在诸如深埋隧洞、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θ1升至θ2所需的热量△Q（J）为△

Q＝c×m（θ1-θ2）式中：c为比热容［J／kg·K］。岩石的比热容在室内可采用差示扫描量热法（DSC法）测定。各种岩石的比热容列于表5—4中，由表可知，一般干燥岩石的比热容为762—1256.04J／(J／kg·K)七、岩石的热学性第13页，共41页，2023年，2月20日，星期一(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Q＝－kFt（dθ／dx）式中：k为热导率［W／(m·K)］，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5—4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λ(cm2／s)可用热导率k、比热容c和密度ρ求得，即λ＝k／（ρ.c）各种岩石的热扩散率列于表5—4中。

第14页，共41页，2023年，2月20日，星期一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，2023年，2月20日，星期一(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(εL)、横向应变(εD)和体积应变(εV)，前两者可用仪器测量。体积应变则用εV＝εL－2εD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5—1)，也有的是由Ｘ—Ｙ绘图仪直接自动绘出。该曲线是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（σ－εL曲线)应用最广。第16页，共41页，2023年，2月20日，星期一

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5—2所示。从图5—2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5—2A)。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，2023年，2月20日，星期一Ⅱ.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，2023年，2月20日，星期一Ⅲ．部分弹性变形至微裂隙扩展阶段(图5—2C)。σ－εL曲线仍呈近似直线，而σ－εV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，2023年，2月20日，星期一Ⅳ．非稳定裂隙扩展至岩石结构破坏阶段(图5—2D)。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，2023年，2月20日，星期一Ⅴ．微裂隙聚结与扩展阶段(图5—2E)。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，2023年，2月20日，星期一Ⅵ．沿破断面滑移阶段(图5—2F)。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，2023年，2月20日，星期一

1965年美国学者R·P·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5—3)。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、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，2023年，2月20日，星期一类型Ⅱ(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Ⅱ(弹-塑性)第24页，共41页，2023年，2月20日，星期一类型Ⅲ(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Ⅲ(塑—弹性)第25页，共41页，2023年，2月20日，星期一类型Ⅳ和Ⅴ（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。Ⅳ和Ⅴ（塑－弹—塑性)为s型曲线第26页，共41页，2023年，2月20日，星期一类型Ⅵ(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Ⅵ(弹—塑—蠕)第27页，共41页，2023年，2月20日，星期一

(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(σ)与轴向应变(εL)之比。当压力－应变为直线关系时，变形模量为常量(图5—4)，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模量。第28页，共41页，2023年，2月20日，星期一

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5—5)。初始模量(ＥＩ)：指曲线原点处的切线斜率，即Ｅｉ＝σｉ／εｉ切线模量(Ｅt)：指曲线中段直线的斜率，即Ｅt＝（σ2－σ1）／（ε2－ε1）割线模量(ＥＳ)：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:ＥＳ＝σ50／ε50第29页，共41页，2023年，2月20日，星期一2．泊松比(μ)

指岩石在单向受压时，横向应变(εD)与轴向应变(εL)之比，即μ＝εD／εL

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。常见岩石的变形模量与泊松比列于表5—5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，2023年，2月20日，星期一（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5—6)。但应当注意，大部分弹性变形在卸荷后能很快恢复，而小部分(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5—7)。第31页，共41页，2023年，2月20日，星期一如果加荷、卸荷反复多次．可得到如图5—8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5—8a)。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5—8b)。第32页，共41页，2023年，2月20日，星期一二、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σC＝P/A

式中σC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5—6。

第33页，共41页，2023年，2月20日，星期一

(二)岩石的抗拉强度

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5—9)。按下式计算岩石的抗拉强度，即σt＝2Pt／πΜｌ式中：σt为岩石的抗拉强度(MPa)，Pt为试件破坏荷载(N)；D为试件直径(mm)，l为试件长度(mm)。

第34页，共41页，2023年，2月20日，星期一(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(σtgφ)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5—10a)。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。沿已有破裂面再次剪坏时的最大剪应力(图5—10b)。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(σtgφ)

。

(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5—l0c)。它反映了岩石的内聚力(C)

。

第35页，共41页，2023年，2月20日，星期一三、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σ1，σ2，σ3三个主应力表示。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：①σ1>σ2>σ3>0，称为不等压三轴或真三轴实验；②σ1>σ2＝σ3>0，称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σ3。然后以一定的速率加轴向应力σ1，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(σ1—σ3)－εＬ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，2023年，2月20日，星期一(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5—11所示，首先，岩石破坏前的应变随围压增大而增加。另外．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5—11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68．5MPa，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，2023年，2月20日，星期一

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度的提高。