1、第五章 巖石的工程地質性質中國地質大學（武漢）工程學院工程地質學Engneering Geology工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質2021-12-17中國地質大學工程學院 2第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質第一節 巖石與土工程地質性質的差別第二節 巖石的物理、水理性質第三節 巖石的力學性質工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質2021-12-17中國地質大學工程學院 3第一節第一節 巖石與土工程地質性質的差別巖石與土工程地質性質的差別巖石和土都是礦物的集合體，是自然地質作用的產物，并在

2、地質巖石和土都是礦物的集合體，是自然地質作用的產物，并在地質作用下相互轉化。作用下相互轉化。土在一定溫度和壓力下，經過壓密、脫水、膠結、重結晶等成巖土在一定溫度和壓力下，經過壓密、脫水、膠結、重結晶等成巖作用形成巖石。作用形成巖石。巖石經風化作用，形成土。巖石經風化作用，形成土。堅硬巖石堅硬巖石軟弱巖石軟弱巖石半成巖石半成巖石堅硬土層堅硬土層軟弱土層軟弱土層巖石巖石風化作用風化作用土土 成巖作用成巖作用巖石巖石巖石與土之間，即存在多方面的共性和聯系，又有明顯不同巖石與土之間，即存在多方面的共性和聯系，又有明顯不同:巖石巖石在力學性能、抗水性、完整性等都比土好的多。但也有些巖石與在力學性能、抗水

3、性、完整性等都比土好的多。但也有些巖石與土很難區別，如粘土巖、泥灰巖、凝灰巖等。總的來說，巖石的土很難區別，如粘土巖、泥灰巖、凝灰巖等。總的來說，巖石的建筑條件比土體要優越的多，土體中出現的問題，對巖體就顯得建筑條件比土體要優越的多，土體中出現的問題，對巖體就顯得十分微弱或不存在了。十分微弱或不存在了。工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質2021-12-17中國地質大學工程學院 4巖石與土之間的差別，主要表現在：巖石與土之間的差別，主要表現在：（1）巖石礦物顆粒間具有牢固的連結）巖石礦物顆粒間具有牢固的連結。（巖石區別于土并賦予巖石。（巖石區別于土并

4、賦予巖石以優良工程地質性質的主要原因）以優良工程地質性質的主要原因） 巖石巖石結晶連結、膠結連結結晶連結、膠結連結 土土 水膠連結、水水膠連結、水 連連 結結（2）巖石中存在著結構面（帶）。）巖石中存在著結構面（帶）。如斷層、節理等，使巖體受到不如斷層、節理等，使巖體受到不同程度切割。土體中一般沒有這種結構面切割。同程度切割。土體中一般沒有這種結構面切割。 巖體巖體結構面切割結構面切割巖塊力學性質各向異性巖塊力學性質各向異性 土體土體沒有結構面沒有結構面土體可以看作各向同性土體可以看作各向同性（3）巖體中具有較高的地應力）巖體中具有較高的地應力。（巖體在長期地質歷史過程中，遭。（巖體在長期地質

5、歷史過程中，遭受地質構造作用的結果）受地質構造作用的結果） 巖體巖體自重應力、構造應力自重應力、構造應力物理力學性質復雜物理力學性質復雜 土體土體自重應力自重應力工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質2021-12-17中國地質大學工程學院 5巖石:礦物、巖屑的集合體。結構面:指地質歷史發展過程中，在巖體內形成的具有一定的延伸方向和長度，厚度相對較小的地質界面或帶地質界面或帶。巖塊:指不含顯著結構面的巖石塊體，是構成巖體的最小巖石單元體。巖體:指地質歷史過程中形成的，由巖塊和結構面網絡組成的，具有一定的結構并賦存于一定的天然應力狀態和地下水等地質環境中

6、的地質體地質體。第二節第二節 巖石的物理、水理性質巖石的物理、水理性質工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質2021-12-17中國地質大學工程學院 6工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質2021-12-17中國地質大學工程學院 7巖石和土一樣，也是由固體、液體和氣體巖石和土一樣，也是由固體、液體和氣體三三相組成相組成的。的。物理性質：物理性質是指巖石由于物理性質：物理性質是指巖石由于三相三相組成組成的的相對比例關系不同相對比例關系不同所表現的所表現的物理狀態物理狀態。水理性質：巖石在水理性質：巖石在水溶液水

7、溶液作用下表現出來的作用下表現出來的性質，稱為水理性質性質，稱為水理性質工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質2021-12-17中國地質大學工程學院 8一、巖石的密度是指單位體積內巖石的質量。巖石密度可分為巖石顆粒密度和巖石塊體密度。 1、巖石顆粒密度(s)： 是指巖石固體相部分的質量于體積的比值。 s= ms/Vs它不包括空隙，故其大小僅取決于組成巖石的礦物密度及其含量。2、巖石塊體密度()：指巖塊質量與其體積之比值，即巖塊單位體積的質量。 =m/V 注意： （1）s與的區別 (s) （2）s與的單位 （g/cm3, kN/m3） （3）測試方法（

8、s-比重瓶法；-量積法）工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質二、巖石的空隙性巖石孔隙性和裂隙性的統稱，用空隙率表示。巖石空隙率是巖石中空隙體積與巖石總體積之比，以百分數表示。巖石的空隙有的與大氣相通稱開空隙，有的與大氣 不相通稱閉空隙。開空隙按開啟程度有大、小之分，故把巖石的空隙率分為總空隙率、總開空隙率、大開空隙率、小開空隙率和閉空隙率。其計算公式如下：2021-12-17中國地質大學工程學院 9巖石的空隙(裂隙、孔隙) 閉空隙開空隙大開空隙小開空隙工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質2021-12-17

9、中國地質大學工程學院 10%10000VVnv%100VVnvbbbvaannVVn0%1000%100nnVVnvcc1dssVVVe%100)1 (%100sdvVVn隙比巖石空隙率 總空隙率(n) 總開空隙率(no) 大開空隙率(nb) 小開空隙率(na) 閉空隙率(nc)工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質2021-12-17中國地質大學工程學院 11三、巖石的吸水性定義：巖石在一定的試驗條件下吸收水分的能力，稱為巖石的吸水性。常用吸水率、飽和吸水率和飽水系數等指標表示。1.吸水率(Wa)：巖石試件在大氣壓力和室溫條件下自由吸入水的質量(mw

10、1)與巖樣干質量(ms)之比，用百分數表示 %10021wwammW %100ddawaVbbWWVVn工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質2021-12-17中國地質大學工程學院 122.飽和吸水率巖石的飽和吸水率(Wp)是指巖石試件在高壓(一般壓力為15MPa)或真空條件下吸入水的質量(mw2)與巖樣干質量(ms)之比，用百分數表示:%1002swpmmW %100dd00WpWVVnwpV工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質2021-12-17中國地質大學工程學院 133.飽水系數 巖石的吸水率(Wa

11、)與飽和吸水率(Wp)之比，稱為飽水系數。它反映了巖石中大、小開空隙的相對比例關系。工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質2021-12-17中國地質大學工程學院 14四、巖石的軟化性 巖石浸水飽和后強度降低的性質，稱為軟化性。用軟化系數表示。 軟化系數(KR)為巖石試件的飽和抗壓強度(cw)與干抗壓強度(c)的比值。ccwRK 巖石中含有較多的親水性和可溶性礦物，大開空隙較多，巖石的軟化性較強，軟化系數較小。 KR0.75，巖石的軟化性弱，工程地質性質較好； KR0.75，巖石軟化性較強，工程地質性質較差。工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章

12、巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質2021-12-17中國地質大學工程學院 15五、巖石的抗凍性 巖石抵抗凍融破壞的能力，稱為抗凍性。 抗凍系數(Rd)：巖石試件經反復凍融后的干抗壓強度(c2)與凍融前干抗壓強度(c1)之比，用百分數表示%10012ccdR工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質2021-12-17中國地質大學工程學院 16 質量損失率(Km)：凍融試驗前后干質量之差(ms1ms2)與試驗前干質量(ms1)之比，以百分數表示%100121sssmmmmKRd75，Km2，抗凍性高;吸水率Wa5、軟化系數KR0.75，飽水系數小于0.8

13、的巖石，抗凍性高。工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質2021-12-17中國地質大學工程學院 17六、巖石的透水性 在一定的水力梯度或壓力差作用下，巖石能被水透過的性質，稱為透水性。 一般認為，水在巖石中的流動，如同水在土中流動一樣，也服從于線性滲流規律達西定律，即KJU 工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質第三節第三節 巖石的力學性質巖石的力學性質 巖石的力學性質是巖石在外力作用下所表現出來的性質。 在外力作用下，巖石首先產生變形，隨著力的不斷增加，達到或超過某一極限值時，便產生破壞，巖石遭受破壞時的應

14、力稱為強度。 研究巖石的力學性質，主要是研究巖石的變形、破壞與強度性質。2021-12-17中國地質大學工程學院 賈洪彪18工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質2021-12-17中國地質大學工程學院 19一、一、單軸壓縮條件下的巖石變形單軸壓縮條件下的巖石變形（一）（一） 連續加載連續加載 1 1、變形階段、變形階段空隙壓密階段(OA)：曲線呈上凹型峰值前變形階段峰值后變形階段oABCDE(+) (-) L V d 破壞后階段(DE)全過程曲線前過程曲線非穩定發展階段(CD) D點:峰值強度微裂隙穩定發展階段(BC) C點:屈服強度彈性變形階段(A

15、B) B點:彈性極限工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質2021-12-17中國地質大學工程學院 賈洪彪202、峰值前巖塊的變形特征、峰值前巖塊的變形特征 彈性型彈-塑性型塑-彈性型塑-彈-塑性型1塑-彈-塑性型2彈性-蠕變型工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質2021-12-17中國地質大學工程學院 213、巖石的變形參數、巖石的變形參數1)變形模量（modulus of deformation)是指單軸壓縮條件下，軸向壓應力與軸向應變之比。 當應力-應變為直線關系時，變形模量為常量，數值上等于直線的斜率

16、。該模量又稱為彈性模量)oLiiEii工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質2021-12-17中國地質大學工程學院 22當應力-應變曲線為“S”型 ，常用的有初始模量、切線模量和割線模量。初始模量初始模量(i)指曲線原點處切線斜率：切線模量切線模量(t)指曲線上任一點處切線的斜率，在此特指中部直線段的斜率：割線模量割線模量(s)指曲線上某特定點與原點連線的斜率，通常取c處的點與原點連線的斜率：Lo2501i1502iiiiE1212tE5050iEiiiE1212tE5050iE工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程

17、地質性質2021-12-17中國地質大學工程學院 232)泊松比():是指在單軸壓縮條件下，橫向應變與軸向應變之比，即 在實際工作中，常采用/處的橫向應變與軸向應變來計算巖塊的泊松比。 巖塊的變形模量和泊松比受巖石礦物組成、結構構造、風化程度、空隙性、含水率、微結構面及其與荷載方向的關系等多種因素的影響，變化較大。Ld工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質2021-12-17中國地質大學工程學院 24（二）（二） 循環加載循環加載2. 卸荷點（P）的應力高于巖石的彈性極限(A)，則卸荷曲線從原來的加荷曲線偏離出來。1. . 卸荷點（P）的應力低于巖石的

18、彈性極限(A)，則卸荷曲線將基本上沿加荷回到原點，表現為彈性恢復（圖）。工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質 3.如反復加、卸荷多次，可得到如下圖所示的應力-應變曲線，由圖可見，每次加荷曲線與卸荷曲線都不重合，圍成一環行面積，稱為回滯環。當每次卸荷后再加荷到原來荷載并繼續增加時（圖a），則曲線沿著單調加荷曲線上升，其形狀與連續加荷情況基本一致。當應力在彈性極限以上的某一較高應力下反復加荷卸荷時（圖b），將導致變形進一步增加，直至破壞。破壞時的應力低于峰值強度，通常稱為疲勞強度。 (巖石記憶、回滯環、疲勞破壞）2021-12-17中國地質大學工程學院

19、賈洪彪25工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質2021-12-17中國地質大學工程學院 26工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質2021-12-17中國地質大學工程學院 27二、單軸受力條件下的巖石的強度二、單軸受力條件下的巖石的強度巖石強度：巖石抵抗外力破壞的能力，按外力的性質不同，又可分為抗壓強度、抗拉強度及剪切強度等。巖塊破巖塊破壞方式壞方式 脆性破壞脆性破壞塑性破壞塑性破壞(延性破壞）延性破壞）拉破壞拉破壞剪切破壞剪切破壞工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性

20、質2021-12-17中國地質大學工程學院 281、定義：、定義： 在單向壓縮條件下，巖石能承受的最大壓應力，稱為單軸抗壓強度，簡稱抗壓強度（MPa） 。 2、意義意義 衡量巖塊基本力學性質的重要指標 巖體工程分類、建立巖體破壞判據的重要指標 用來大致估算其他強度參數 3、測定方法測定方法 抗壓強度試驗試樣pApcc一、單軸抗壓強度一、單軸抗壓強度c工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質2021-12-17中國地質大學工程學院 29二、單軸抗拉強度二、單軸抗拉強度t1.定義：定義： 單向拉伸條件下，巖石能承受的最大拉應力，稱為巖石的抗拉強度。2.意義：

21、意義： 衡量巖體力學性質的重要指標 用來建立巖石強度判據，確定強度包絡線 選擇建筑石材不可缺少的參數 3.測定方法：測定方法： 直接拉伸 間接法(劈裂法、點荷載法、三點彎曲法)工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質2021-12-17中國地質大學工程學院 30APtt直接拉伸法是將圓柱狀試件兩端固定在材料試驗機的拉伸夾具內，然后對試件施加軸向拉荷載至破壞。PtPt工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質2021-12-17中國地質大學工程學院 31劈裂試驗是用圓柱體或立方體試件，橫置于壓力機的承壓板上，且在試件上

22、、下承壓面上各放一根墊條。然后以一定的加荷速率加壓，直至試件破壞。工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質2021-12-17中國地質大學工程學院 32在線布荷載(p)作用下，沿試件豎直向直徑平面內產生的近于均布的水平拉應力x=2p/DL在水平向直徑平面內產生的壓應力y= 6p/ DL抗拉強度:DLPtt2（圓形試樣）22aPtt（方形試樣）工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質2021-12-17中國地質大學工程學院 33點荷載試驗是將試件放在點荷載儀中的球面壓頭間，加壓至試件破壞，利用破壞荷載求巖塊的點荷載強

23、度。 工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質2021-12-17中國地質大學工程學院 34 點荷載強度 抗拉強度kIst2DPIst工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質2021-12-17中國地質大學工程學院 351、定義：定義：在剪切荷載作用下，巖（石）塊抵抗剪切破壞的最大剪應力，稱為剪切強度2 2、類型、類型： （1）抗剪斷強度：抗剪斷強度：指試件在一定的法向應力作用下，沿預定預定剪切面剪斷時的最大剪應力。它反映了巖石的內聚力和內摩擦阻力。 （2）抗切強度：抗切強度： 指試件上的法向應力為零時，沿預定剪切

24、面剪斷時的最大剪應力。它反映了巖石的內聚力。 （3）抗剪（摩擦）強度：摩擦）強度： 指試件在一定的法向應力作用下，沿已已有有破裂面（層面、節理等）再次剪切破壞時的最大剪應力。它反映了巖石中微結構面或人工破壞面上的阻力。Ctg Ctg三、剪切強三、剪切強度度工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質2021-12-17中國地質大學工程學院 363 3、意義、意義 反映巖塊的力學性質的重要指標 用來估算巖體力學參數及建立強度判據 4 4、測試方法測試方法 直剪試驗 變角板剪切試驗 三軸試驗 工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質2021-12-17中國地質大學工程學院 37直剪試驗在直剪儀上進行，按庫侖定律求巖塊的剪切強度參數C、值。工程地質學概論工程地質學概論:第五章第五章 巖石的工程地質性質巖石的工程地質性質2