第5次課-巖石工程地質(zhì)性質(zhì)

回顧沉積巖----是在地表或接近地表的條件下，母巖由于海、河、湖等流水以及風(fēng)、冰川等外力地質(zhì)作用剝蝕、搬運、沉積而固結(jié)形成的巖石。沉積巖按其沉積成因分為：碎屑沉積（礫巖、砂巖、粉砂巖）（碎屑結(jié)構(gòu)）；化學(xué)沉積（灰?guī)r、白云巖）（化學(xué)結(jié)構(gòu)）；生物沉積（生物碎屑灰?guī)r）（生物結(jié)構(gòu)）。典型的沉積巖變質(zhì)巖----是變質(zhì)作用形成的巖石，是原來已存在的各種巖石，在特定的地質(zhì)和物理化學(xué)條件下，礦物成分和組構(gòu)發(fā)生變化，轉(zhuǎn)化再造形成的巖石。結(jié)構(gòu)----變晶結(jié)構(gòu)和變余結(jié)構(gòu)。構(gòu)造----板狀構(gòu)造、千枚狀構(gòu)造、片狀構(gòu)造、片麻狀構(gòu)造等。主要表現(xiàn)為礦物顆粒（變質(zhì)溫壓條件）、定向排列。板狀構(gòu)造片麻狀構(gòu)造片狀構(gòu)造千枚狀構(gòu)造典型的變質(zhì)巖構(gòu)造巖石的工程地質(zhì)性質(zhì)第一節(jié)巖石的物理性質(zhì)

一、密度和比重

1、巖石的密度：單位體積內(nèi)巖石的質(zhì)量。巖石顆粒干密度屬實測指標(biāo)，常用比重瓶法進(jìn)行測定。巖石含：固相、液相、氣相。三相比例不同而密度不同。（2）飽和密度：巖石中的孔隙被水充填時的單位體積質(zhì)量（水中浸48小時）

（1）天然密度：自然狀態(tài)下，單位體積質(zhì)量

G——巖石總質(zhì)量；V——總體積。VV——孔隙體積（3）干密度：巖塊中的孔隙水全部蒸發(fā)后的單位體積質(zhì)量（105℃烘24h）

2、巖石的比重：巖石固體質(zhì)量（G1）與同體積水在4℃時的質(zhì)量比VC——固體積；——水的比重G1——巖石固體的質(zhì)量。（KN/m3）

二、巖石的孔隙性：反映裂隙發(fā)育程度的指標(biāo)除了孔隙外，還有各類裂隙存在?？砂褞r石的空隙率分為總空隙率n、總開空隙率no、大開空隙率nb、小開空隙率na和閉空隙率nc幾種。一般提到的巖石空隙率系指總空隙率。一般來說，空隙率愈大，巖塊的強度愈小，塑性變形和滲透性愈大，反之亦反。1.孔隙比VV——孔隙體積（水銀充填法求出）2.孔隙率V=VC+VVe~n關(guān)系天然狀態(tài)下飽和狀態(tài)下三、巖石的水理性質(zhì)1.含水性：巖石在水溶液作用下表現(xiàn)出來的性質(zhì)，稱為水理性質(zhì)。主要有巖石的含水量（率）、吸水率、軟化性、抗凍性及透水性等1）含水率：巖石孔隙中含水量GW與固體質(zhì)量之比的百分?jǐn)?shù)

W=GW/G1（%）2）、吸水率：巖石吸入水的質(zhì)量與固體質(zhì)量之比Wd=

（%）

巖石吸收水分的能力稱為巖石的吸水性。按不同吸水條件，常用吸水率、飽和吸水率和飽水系數(shù)等指標(biāo)表示。（1）巖石吸水率(ω1)：

是指巖石試件在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下吸入水的重量Wω1與巖石干重量Ws之比。

巖石的吸水率的大小，取決于巖石所含孔隙、裂隙的數(shù)量、大小、開閉程度及其分布情況，并且還與試驗條件（整體和碎塊，浸水時間等）有關(guān)。根據(jù)巖石的吸水率可求得巖石的大開空隙率nb：

式中：Ws為干燥巖石的重量；γd,γw分別為干燥巖石和水的重度。（2）巖石的飽水率（ω2）

巖石的飽水率指在高壓（150個大氣壓）或真空條件下，巖石吸入水的重量Wω2與巖石干重量Ws之比，即：

根據(jù)飽水率求得巖石的總開空隙率n0：

式中：Ws為干燥巖石重量；γd,γw干燥巖石和水的重度。（3）巖石的飽水系數(shù)（Ks）

巖石吸水率與飽水率之比稱為巖石的飽水系數(shù)，即

飽水系數(shù)反映了巖石中大開空隙和小開空隙的相對含量。飽水系數(shù)越大，巖石中的大開空隙越多，而小開空隙越少。吸水性較大的巖石吸水后往往會產(chǎn)生膨脹，給井巷支護(hù)造成很大壓力。在公路建筑材料中Ks→1，石料抗凍性能差，Ks

>0.85的石料寒冷地區(qū)不用。2、巖石的透水性透水性：在一定的水壓作用下，水穿透巖石的能力。地下水存在于巖石孔隙、裂隙之中，而且大多數(shù)巖石的孔隙裂隙是連通的，因而在一定的水壓作用下，地下水可以在巖石中滲透。巖石的這種能透水的性能稱為巖石的透水性。巖石的透水性大小不僅與巖石的孔隙度大小有關(guān)，而且還與孔隙大小及其貫通程度有關(guān)。衡量巖石透水性的指標(biāo)為滲透系數(shù)(K)。一般來說，完整密實的巖石的滲透系數(shù)往往很小。巖石的滲透系數(shù)一般是在鉆孔中進(jìn)行抽水或壓水試驗而測定的。四、巖石的抗風(fēng)化指標(biāo)（3類）

1.軟化性：巖石浸水飽和后強度降低的性質(zhì)，用軟化系數(shù)表示。軟化系數(shù)

Rcc——飽和單軸抗壓強度、Rcd——干燥單軸抗壓強度；（）越小，表示巖石受水的影響越大。各類巖石的ηc=0.45～0.9之間。

η>0.75,巖石軟化性弱、抗水、抗風(fēng)化能力強；

η<0.75，巖石的工程地質(zhì)性質(zhì)較差。

在公路建筑材料應(yīng)用中→1，石料耐水性好，石料強度受水影響小，<0.6石料公路工程不用，<0.75不用于重要工程。

巖石的崩解性是指巖石與水相互作用時失去粘結(jié)性并變?yōu)橥耆珕适姸鹊乃缮⑽镔|(zhì)的性質(zhì)。巖石的崩解性一般用耐崩解指數(shù)

Id2

的表示。其指標(biāo)可在實驗室用干濕循環(huán)試驗確定。耐崩解性指數(shù)是通過對巖石試件進(jìn)行烘干，浸水循環(huán)試驗所得的指標(biāo)。試驗時，將烘干的試塊，約500g，分成10份，放入帶有篩孔的圓筒內(nèi)，使圓筒在水槽中以20r／s速度連續(xù)轉(zhuǎn)10分鐘，然后將留在圓筒內(nèi)的石塊取出烘干稱重。如此反復(fù)進(jìn)行兩次，按下式計算耐崩解性指數(shù)：2.巖石耐崩解性指數(shù)

試驗前的試件烘干質(zhì)量；殘留在筒內(nèi)的試件烘干質(zhì)量。

1）自由膨脹率：無約束條件下，浸水后脹變形與原尺寸之比軸向自由膨脹

（%）

H——試件高度徑向自由膨脹

（%）

D——直徑3.巖石的膨脹性評價膨脹性巖體工程的穩(wěn)定。4.巖石的抗凍性

巖石抵抗凍融的能力，稱為抗凍性。常用抗凍系數(shù)和質(zhì)量損失率來表示。抗凍系數(shù)Rd是指巖石試件經(jīng)反復(fù)凍融后的干抗壓強度R2與凍融前干抗壓強度R1之比，用百分?jǐn)?shù)表示，即：Rd=R2/R1X100%

巖石在凍融作用下強度降低和破壞的原因有二：一是巖石中各組成礦物的體膨脹系數(shù)不同，因而產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，以及巖石變冷時不同層中溫度的強烈不均勻性；二是由于巖石空隙中凍結(jié)水的凍脹作用。巖石的抗凍性取決于造巖礦物的物理性質(zhì)、強度、粒間連結(jié)和開空隙的發(fā)育情況，以及含水率等因素。一般認(rèn)為，Rd>75%,Km<2%時，為抗凍的巖石；ωa<5%,KR>0.75和Ks<0.8的巖石，其抗凍性也相當(dāng)高。第二節(jié)巖石的力學(xué)性質(zhì)基本概念巖石力學(xué)性質(zhì)：巖石在外力作用下所表現(xiàn)出來的性質(zhì)。巖石變形：在外力作用下產(chǎn)生變形，這種變形又可分為彈性變形和塑性變形。彈性變形：是物體受力發(fā)生的全部變形，在外力解除的同時立即消失，因而是可逆變形。塑性變形：是物體受力變形后，在外力解除后，變形也不再恢復(fù)，是不可逆變形，又稱為永久變形或殘余變形。巖石強度：指巖石抵抗外力破壞的能力。根據(jù)破壞時的應(yīng)力類型，巖石的破壞可有拉破壞、剪破壞和流動破壞三種基本類型。由于受力狀態(tài)和破壞形式的不同，巖石的強度又可分為單軸抗壓強度、單軸抗拉強度、抗剪強度和三軸壓縮強度等。一、巖石的變形性質(zhì)1.巖石在單軸壓縮應(yīng)力作用下的變形特性1)普通試驗機下應(yīng)力－應(yīng)變曲線形狀與巖性有關(guān)。(1)典型的巖石應(yīng)力、應(yīng)變曲線特征為：Ⅰ.壓密階段Ⅱ.彈性變形至微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段Ⅲ.非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段（或稱累進(jìn)性破裂階段）Ⅳ.破壞后階段分三階段（1）原生微裂隙壓密階段（OA級）特點：①曲線，應(yīng)變率隨應(yīng)力增加而減??；②塑性變形（變形不可恢復(fù)）原因：微裂隙閉合（壓密）（2）彈性變形階段（AB段）特點：①曲線是直線；②彈性模量，E為常數(shù)（變形可恢復(fù)）原因：巖石固體部分變形，B點開始屈服，B點對應(yīng)的應(yīng)力為屈服極限。（3）塑性變形階段（BC）特點：①曲線，軟化現(xiàn)象；②塑性變形，變形不可恢復(fù)；③應(yīng)變速率不斷增大。原因：新裂紋產(chǎn)生，原生裂隙擴展。巖石越硬，BC段越短，脆性性質(zhì)越顯著。脆性：應(yīng)力超出屈服應(yīng)力后，并不表現(xiàn)出明顯的塑性變形的特性，而破壞，即為脆性破壞。（2）巖石變形參數(shù)的確定泊松比μ是指在單軸壓縮條件下，巖石試件的橫向應(yīng)變εd與軸向應(yīng)變εa之比，即

μ＝εd/εa二、巖石的單軸抗壓強度1.定義：指巖石試件在無側(cè)限的條件下，受軸向壓力作用破壞時單位面積上承受的荷載。

式中：P——無側(cè)限的條件下的軸向破壞荷載A——試件界面積2.試件方法：

圓柱形試件：φ4.8－5.2cm，高H=（2－2.5)φ

長方體試件：邊長L=4.8－5.2cm,高H=（2－2.5)L

試件兩端不平度0.5mm；尺寸誤差±0.3mm;

兩端面垂直于軸線±0.25o（1）試件標(biāo)準(zhǔn)：3.影響單軸抗壓強度的主要因素（1）承壓板端部的摩擦力及其剛度（加墊塊的依據(jù)）（2）試件的形狀和尺寸形狀：圓形試件不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，好加工尺寸：大于礦物顆粒的10倍；φ50的依據(jù)高徑比：研究表明；h/d≥(2－3)較合理（3）加載速度加載速度越大，表現(xiàn)強度越高(見圖2－5)

我國規(guī)定加載速度為0.5－1.0MPa/s（4）環(huán)境含水量：含水量越大強度越低；巖石越軟越明顯，對泥巖、粘土等軟弱巖體，干燥強度是飽和強度的2－3倍。

溫度度：180℃以下部明顯：大于180℃，濕度越高強度越小。三、巖石的抗拉強度1.定義：巖石試件在受到軸向拉應(yīng)力后其試件發(fā)生破壞時的單位面積上所受的拉力。2.直接拉伸法抗拉強度關(guān)鍵技術(shù)①試件和夾具之間的連接②加力P與試件同心四、巖石的抗剪強度1.定義指一定的應(yīng)力條件下（主要指壓應(yīng)力），所能抵抗的最大剪應(yīng)力常用表示2.類型：

a.抗剪斷試驗類型b.抗切斷試驗

c.弱面抗剪試驗五、影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素（一）礦物成分對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響1、礦物硬度的影響礦物硬度大，巖石的彈性越明顯，強度越高。如巖漿巖，橄欖石等礦物含量的增多，彈性越明顯，強度越高；沉積巖中，砂巖的彈性及強度隨石英含量的增加而增高；石灰?guī)r的彈性和強度隨硅質(zhì)物含量的增加而增高。變質(zhì)巖中，含硬度低的礦物（如云母、滑石、蒙脫石、伊利石、高嶺石等）越多，強度越低。2、不穩(wěn)定礦物的影響化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定的礦物，如黃鐵礦、霞石以及易溶于水的鹽類，如石膏、滑石、鉀鹽等，具有易變性和溶解性。含有這些礦物的巖石其力學(xué)性質(zhì)隨時間而變化。3、粘土礦物的影響含有粘土礦物（蒙脫石、伊利石、高嶺石等）的巖石，遇水時發(fā)生膨脹和軟化，強度降低很大。

（二）巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響1、巖石結(jié)構(gòu)的影響巖石的結(jié)構(gòu)——指巖石中晶?；驇r石顆粒的大小、形狀以及結(jié)合方式。巖漿巖：粒狀結(jié)構(gòu)、斑狀結(jié)構(gòu)、玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu)；沉積巖：粒狀結(jié)構(gòu)、片架結(jié)構(gòu)、斑基結(jié)構(gòu)；變質(zhì)巖：板理結(jié)構(gòu)、片理結(jié)構(gòu)、片麻理結(jié)構(gòu)。巖石的結(jié)構(gòu)對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的差異上。例如：粒狀結(jié)構(gòu)中，等粒結(jié)構(gòu)比非等粒結(jié)構(gòu)強度高；在等粒結(jié)構(gòu)中，細(xì)粒結(jié)構(gòu)比粗粒結(jié)構(gòu)強度高。

2、巖石構(gòu)造的影響巖石的構(gòu)造——指巖石中不同礦物集合體之間或礦物集合體與其他組成部分之間的排列方式及充填方式。巖漿巖：顆粒排列無一定的方向，形成塊狀構(gòu)造；沉積巖：層理構(gòu)造、頁片狀構(gòu)造；變質(zhì)巖：板狀構(gòu)造、片理構(gòu)造、片麻理構(gòu)造。層理、片理、板理和流面構(gòu)造等統(tǒng)稱為層狀構(gòu)造。宏觀上，塊狀構(gòu)造的巖石多具有各向同性特征，而層狀構(gòu)造巖石具有各向異性特征。（三）水對巖石力學(xué)性能的影響巖石中的水

水對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響與巖石的孔隙性和水理性（吸水性、軟化性、崩解性、膨脹性、抗凍性）有關(guān)。水對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響主要體現(xiàn)在5個方面：連結(jié)作用、潤滑作用、水楔作用、孔隙壓力作用、溶蝕及潛蝕作用。結(jié)合水（連結(jié)、潤滑、水楔作用）重力水（自由水）（孔隙壓力、溶蝕及潛蝕作用）。1、連結(jié)作用：束縛在礦物表面的水分子通過其吸引力將礦物顆粒拉近，起連結(jié)作用。這種作用相對于礦物顆粒間的連結(jié)強度非常微弱，故對巖石力學(xué)性質(zhì)影響很小，但對于被土充填的結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)影響很明顯。2、潤滑作用：由可溶鹽、膠體礦物連結(jié)的巖石，當(dāng)水浸入時，可溶鹽溶解，膠體水解，導(dǎo)致礦物顆粒間的連