第六章岩石工程地质性质

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1、第六章 岩石的工程地质性质朱章雄 6.1 岩石的物理性质岩石的物理性质 一、岩石的密度 二、岩石的空隙性 6.2 岩石的水理性质岩石的水理性质 一、岩石的吸水性 二、岩石的软化性 三、岩石的抗冻性 四、岩石的透水性 6.3 岩石的力学性质岩石的力学性质 6.1 岩石的物理性质l 岩石和土一样，也是由固体、液体和 气体三相组成的。l定义：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。1、岩石的密度 2、岩石的空隙性一、岩石的密度l 1、颗粒密度(s)s=ms/Vs l 2、块体密度()=m/V l 注意：（1）s与的区别 (s)（2）s与的单位（g/cm3 kN/m3）（3）测

2、试方法（s-比重瓶法；-量积法）常见岩石的物理性质指标值二、岩石的空隙性总空隙率(n)总开空隙率(no)大开空隙率(nb)小开空隙率(na)闭空隙率(nc)岩石的空隙(裂隙、孔隙)闭空隙开空隙大开空隙小开空隙隙比岩石空隙率 6.2 岩石的水理性质 n定义：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：n1.吸水性 n2.软化性n3.抗冻性n4.透水性 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。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 2.饱和吸水率岩石的饱和吸水率(Wp)是指

3、岩石试件在高压(一般压力为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3.饱水系数 岩石的吸水率(Wa)与饱和吸水率(Wp)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。几种岩石的吸水性指标值二、岩石的软化性l岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性，l软化系数(KR)为岩石试件的饱和抗压强度(cw)与干抗压强度(c)的比值l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。lKR0.75，岩石的软化性弱，工程地质性质较好 lKR0.75，岩石软化性较强，工程地质性质较差常见岩石的物理性质指标值 岩岩石

4、石的的抗抗冻冻性性是是指指岩岩石石抵抵抗抗冻冻融融破破坏坏的的性性能能，是是评评价岩石抗价岩石抗风风化化稳稳定性的重要指定性的重要指标标。岩岩石石的的抗抗冻冻性性用用抗抗冻冻系系数数C Cf f表表示示，指指岩岩石石试试样样在在25250 0C C的的温温度度期期间间内内，反反复复降降温温、冻冻结结、融融解解、升升温温，然然后后测测量量其其抗抗压压强强度度的的下下降降值值（c c-cfcf）,以以此此强强度度下下降降值值与与融融冻冻试试验验前前的的抗抗压压强强度度c c之之比比的的百百分分比比代表抗代表抗冻冻系数系数C Cf f ，即即可见：可见：抗抗冻冻系数系数C Cf f 越小，岩石抗冻融

5、破坏的能力越强。越小，岩石抗冻融破坏的能力越强。三、岩石的抗冻性三、岩石的抗冻性l抗冻系数(Rd)：岩石试件经反复冻融后的干抗压强度(c2)与冻融前干抗压强度(c1)之比，用百分数表示l质量损失率(Km)：冻融试验前后干质量之差(ms1ms2)与试验前干质量(ms1)之比，以百分数表示lRd75，Km2，抗冻性高 l吸水率Wa5、软化系数KR0.75，饱水系数小于0.8的岩石，抗冻性高。l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。地下水存在于岩石孔隙、裂隙之中，而且大多数岩石的孔隙裂隙是连通的，因而在一定的压力作用下，地下水可以在岩石中渗透。岩石的这种能透水的性能称为岩

6、石的透水性。岩石的透水性大小不仅与岩石的孔隙度大小有关，而且还与孔隙大小及其贯通程度有关。l衡量岩石透水性的指标为渗透系数(K)。一般来说，完整密实的岩石的渗透系数往往很小。岩石的渗透系数一般是在钻孔中进行抽水或压水试验而测定的。l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，即四、岩石的透水性几种岩石的渗透系数值岩石的碎胀性岩石的碎胀性 岩岩石石破破碎碎后后的的体体积积V VP P比比原原体体积积V V增增大大的的性性能能称称为为岩岩石石的的碎碎胀胀性性，用碎，用碎胀胀系数系数来表示。来表示。碎碎胀胀系数不是一个固定系数不是一个固定值值，是随，是随时间时间而

7、而变变化的。化的。永永久久碎碎胀胀系系数数（残残余余碎碎胀胀系系数数）不不能能再再压压密密时时的的碎碎胀胀系数称系数称为为永久碎永久碎胀胀系数系数.6.3 岩石的力学性质岩石的强度：岩石的强度：岩石抵抗外力作用的能岩石抵抗外力作用的能力，岩石破坏时能够承受的最大应力。力，岩石破坏时能够承受的最大应力。a.单向抗压强度b.单向抗拉强度c.剪切强度d.三轴抗压强度岩石的变形：岩石的变形：岩石在外力作用下发生岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变化。形态（形状、体积）变化。a.单向压缩变形b.反复加载变形c.三轴压缩变形d.剪切变形岩石的岩石的变形特性变形特性 弹弹性性：指指物物体体在在外外力力作

8、作用用下下发发生生变变形形，当当外外力力撤撤出出后后变变形形能够恢复的性质能够恢复的性质。塑塑性性：指指物物体体在在外外力力作作用用下下发发生生变变形形，当当外外力力撤撤出出后后变变形形不能恢复的性质。不能恢复的性质。脆性脆性：物体在外力作用下变形很小时就发生破坏的性质。：物体在外力作用下变形很小时就发生破坏的性质。延延性性：物物体体能能够够承承受受较较大大的的塑塑性性变变形形而而不不丧丧失失其其承承载载能能力力的性质。的性质。粘粘性性（流流变变性性）：物物体体受受力力后后变变形形不不能能在在瞬瞬间间完完成成，且且应应变速度（变速度（d/dtd/dt）随应力大小而变化的性质。）随应力大小而变化

9、的性质。弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形线弹性变形线弹性变形非线弹性变形非线弹性变形变形变形n岩石强度与外力有关na.外力性质：动载荷、静载荷nb.外力方式：拉伸、压缩、剪切nC.应力状态：单向、双向、三向n1 岩石单轴抗压强度n1）定义：岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所能承受的最大压应力称为岩石的单轴抗压强度能承受的最大压应力称为岩石的单轴抗压强度(Uniaxial compressive strength)，或称为非限制性抗压强度(unconfined compressive strength)。如图所示。n2）计算公式：n c=P/A3）4种破坏形

10、式：1.X状共轭斜面剪切破坏，是最常见的破坏形式。2.单斜面剪切破坏，这种破坏也是剪切破坏。3.塑性流动变形，线应变10。4.拉伸破坏，在轴向压应力作用下，在横向将产生拉应力。这是泊松效应的结果。这种类型的破坏就是横向拉应力超过岩石抗拉极限所引起的。n4)实验方法na.试件标准试件标准n立方体505050mm或 707070mmn圆柱体，但使用最广泛的是圆柱体。圆柱体直径D一般不小于50mm。L/D=2.53.0（国际岩石力学委员会ISRM建议的 尺寸）n要求：两端不平度0.5mm；尺寸误差0.3mm；两端面垂直于轴线误差0.25度。n加载速率：0.50.8Pa/snb.非标准非标准试件的对试

11、验结果的影响及其修正试件的对试验结果的影响及其修正nc.压缩实验设备示意图压缩实验设备示意图(500t压力机压力机)nd.端部效应及其消除方法端部效应及其消除方法n端部效应端部效应:n消除方法消除方法:n 润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部）加长试件 n5)水对单轴抗压强度的影响软化系数n岩石的软化系数：饱和岩石抗压强度b与干燥岩石抗压强度c之比n=b/c12 岩石单轴抗拉强度n1）定义：）定义：岩石在单轴拉伸荷载作用下达到破岩石在单轴拉伸荷载作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力坏时所能承受的最大拉应力称为岩石的单轴抗拉强度(Tensile strength),。n试件在拉伸荷载作用下的破

12、坏通常是沿其横截面的断裂破坏，岩石的拉伸破坏试验分直接试验和间接试验两类。n2)直接拉伸试验加载和试件示意图直接拉伸试验加载和试件示意图n计算公式：计算公式：破坏时的最大n轴向拉伸荷载(Pt)除以试件n的横截面积(A)。即：n t=Pt/An2)直接拉伸试验加载和试件示意图（续）直接拉伸试验加载和试件示意图（续）n3)间接拉伸试验加载和试件示意图间接拉伸试验加载和试件示意图n巴西试验法（巴西试验法（Brazilian test），俗称劈裂试验法。），俗称劈裂试验法。na.试件试件:为一岩石圆盘，加载方式如图所示。实际上荷载是沿着一条弧线加上去的，但孤高不能超过圆盘直径的1/20。nb.应力分布

13、：应力分布：圆盘在压应力的作用下，沿圆盘直径yy的应力分布和xx方向均为压应力。而离开边缘后，沿yy方向仍为压应力，但应力值比边缘处显著减少。并趋于均匀化；xx方向变成拉应力。并在沿yy的很长一段距离上呈均匀分布状态。nc.破坏原因：破坏原因：从图可以看出，虽然拉应力的值比压应力值低很多，但由于岩石的抗拉强度很低，所以试件还是由于x方向的拉应力而导致试件沿直径的劈裂破坏。破坏是从直径中心开始，然后向两端发展，反映了岩石的抗拉强度比抗压强度要低得多的事实。nd.计算公式：计算公式：n t=x=-2P/dtn y=(1/r1+1/r2-1/d)2P/tn圆盘中心处：n t=x=-2P/dtn y=

14、6P/dt3抗剪切强度抗剪切强度 n1)定义定义：岩石在剪切荷载作用下达到破坏前所能承受的最大剪应力称为岩石的抗剪切强度（Shear strength）。n剪切强度试验分为非限制性剪切强度试验（Unconfined shear strength test）和限制性剪切强度试验（Confined shear strength test）二类。n非限制性剪切试验在剪切面上只有剪应力存在，没有正应力存在；限制性剪切试验在剪切面上除了存在剪应力外，还存在正应力。n2）四种典型的非限制性剪切强度试验：a.单面剪切试验，b.冲击剪切试验,c.双面剪切试验，d.扭转剪切试验，分别见图。n3）非限制性剪切强度

15、记为）非限制性剪切强度记为So计算公式：计算公式：n（a）单面剪切试验 So=Fc/An（b）冲击剪切试验 So=Fc/2ra n（c）双面剪切试验 So=Fc/2An（d）扭转剪切试验 So=16M c/D3 式中：Mc试件被剪断前达到的最大扭矩（Nm）n D试件直径（m）n4）四种典型的限制性剪切强度试验）四种典型的限制性剪切强度试验na.直剪仪（剪切盒）压剪试验（单面剪）nb.立方体试件单面剪试验nc.试件端部受压双面剪试验nd.角模压剪试验（变角剪切试验）n5)Hoek直剪仪试验装置直剪仪试验装置n6）角模压剪试验及受力分析示意图）角模压剪试验及受力分析示意图n在压力P的作用下，剪切面

16、上可分解为沿剪切面的剪力Psin/A和垂直剪切面的正应力Pcos/A，如图所示。n7）限制性剪切强度试验结果及其分析限制性剪切强度试验结果及其分析n试验结果试验结果：剪切面上正应力越大，试件被剪破坏前所能承受的剪应力也越大。n原因：剪切破坏一要克服内聚力，二要克服摩擦力，正应力越大，摩擦力也越大。n将破坏时的剪应力和正应力标注到-应力平面上就是一个点，不同的正、剪应力组合就是不同的点。将所有点连接起来就获得了莫尔强度包络线，如图所示。n残余强度：残余强度：当剪切面上的剪应力超过了峰值剪切强度后，剪切破坏发生，然后在较小的剪切力作用下就可使岩石沿剪切面滑动。能使破坏面保持滑动所需的较小剪应力就是

17、破坏面的残余强度。n正应力越大，残余强度越高，如图所示。所以只要有正应力存在，岩石剪切破坏面仍具有抗剪切的能力。4 三轴抗压强度三轴抗压强度 n1)定义定义：岩石在三向压缩荷载作用下，达到破坏时所能承受的最大压应力称为岩石的三轴抗压强度(Triaxial compressive strength)。n与单轴压缩试验相比，试件除受轴向压力外，还受侧向压力。侧向压力限制试件的横向变形，因而三轴试验是限制性抗压强度(confined compressive strength)试验。n2)实验加载方式实验加载方式：na.真三轴加载真三轴加载:试件为立方体，加载方式如图所示。n应力状态：12 3n这种加

18、载方式试验装置繁杂，且六个面均可受到由加压铁板所引起的摩擦力，对试验结果有很大影响，因而实用意义不大。故极少有人做这样的三轴试验。nb.假三轴试验假三轴试验:，试件为圆柱体，试件直径25150mm，长度与直径之比为2：1或3：1。加载方式如图所示，轴向压力的加载方式与单轴压缩试验时相同。n但由于有了侧向压力，其加载上时的端部效应比单轴加载时要轻微得多。n应力状态：12=3n三轴压缩试验加载示意图三轴压缩试验加载示意图n真三轴n12 3n假三轴n12=3n3)假三轴试验装置图假三轴试验装置图：n由于试件侧表面已被加压油缸的橡皮套包住，液压油不会在试件表面造成摩擦力，因而侧向压力可以均匀施加到试件

19、中。其试验装置示意图如下。n4)第一个经典三轴试验第一个经典三轴试验na.试验者和时间：试验者和时间：意大利人冯卡门(VonKarman)于1911年完成的。nb.试验岩石：试验岩石：白色圆柱体大理石试件，该大理石具有很细的颗粒并且是非常均质的。nc.试验发现：试验发现：n在围压为零或较低时，大理石试件以脆性方式破坏，沿一组倾斜的裂隙破坏。n随着围压的增加，试件的延性变形和强度都不断增加，直至出现完全延性或塑性流动变形，并伴随工作硬化，试件也变成粗腰桶形的。n在试验开始阶段，试件体积减小，当达到抗压强度一半时，出现扩容扩容，泊松比迅速增大。n5)三轴试验与莫尔强度包络线三轴试验与莫尔强度包络线

20、na.三轴压缩试验的最重要的成果：三轴压缩试验的最重要的成果：就是对于同一种岩石的不同试件或不同的试验条件给出几乎恒定的强度指标值。这一强度指标值以莫尔强度包络线（Mohrs strength envelop）的形式给出。nb.莫尔强度包络线的绘制：莫尔强度包络线的绘制：须对该岩石的56个试件做三轴压缩试验，每次试验的围压值不等，由小到大，得出每次试件破坏时的应力莫尔圆，通常也将单轴压缩试验和拉伸试验破坏时的应力莫尔圆，用于绘制应力莫尔强度包络线。如图所示。n曲线形：n直线形：n6)三轴试验岩石强度参数的确定三轴试验岩石强度参数的确定na.直线形：直线形：轴的截距称为岩石的粘结力（或称内聚力）

21、，记为C（MPa），与轴的夹角称为岩石的内摩擦角，记为（度）。nb.曲线形：曲线形：n一种方法是将包络线和轴的截距定为C，将包络线与轴相交点的包络线外切线与轴夹角定为内摩擦角。n另一种方法建议根据实际应力状态在莫尔包络线上找到相应点，在该点作包络线外切线，外切线与轴夹角为内摩擦角，外切线及其延长线与轴相交之截距即为C。n实践中采用第一种方法的人数多。n泊松比()（poissons ratio）是指在单轴压缩条件下，横向应变（）与轴向应变（）之比n在实际工作中，常采用处的与来计算岩块的泊松比。n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。