工程地質(zhì)第二章

工程地質(zhì)第二章第1頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

1、巖石礦物顆粒間連結(jié)牢固；

巖石礦物顆粒間具有牢固的連結(jié)，這既是巖石的重要結(jié)構(gòu)特征，也是巖石區(qū)別于土并賦予巖石以優(yōu)良工程地質(zhì)性質(zhì)的主要原因。巖石顆粒間連結(jié)分結(jié)晶連結(jié)和膠結(jié)連結(jié)兩種。結(jié)晶連結(jié)是巖石中礦物顆粒通過(guò)結(jié)晶相互嵌合在一起的連結(jié)，如巖漿巖、大部分變質(zhì)巖及部分沉積巖均具有這種連結(jié)。膠結(jié)連結(jié)是巖石中顆粒通過(guò)膠結(jié)物膠結(jié)在一起的連結(jié)．如碎屑沉積巖、粘土巖等具有這種連結(jié)。這兩種連結(jié)都表現(xiàn)出很強(qiáng)的連結(jié)力，所以被稱為“硬連結(jié)”。而土則缺乏這種連結(jié)．土的顆粒間或毫無(wú)連結(jié)、或是連結(jié)力很弱的水膠連結(jié)和水連結(jié)，其連結(jié)力是無(wú)法與巖石顆粒間的連結(jié)相比擬的。因此土表現(xiàn)出松散、軟弱的特征．連結(jié)力也不穩(wěn)定。第2頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

2、巖石強(qiáng)度高、不易變形、整體性和抗水性好

巖石雖然比起土來(lái)具有強(qiáng)度高、不易變形以及整體性和抗水性好的優(yōu)點(diǎn)，但作為建筑物地基或建筑物環(huán)境的巖體，也具有缺陷，這就是巖體中存在著斷層、節(jié)理等結(jié)構(gòu)面(帶)，使巖體受到不同程度的切割，完整性遭到破壞，導(dǎo)致巖體物理、力學(xué)性質(zhì)變差和嚴(yán)重不均勻。當(dāng)斷裂破壞嚴(yán)重時(shí)，巖體甚至破碎分散猶如碎屑土。這種被稱為構(gòu)造巖的破碎巖石，有的屬于半堅(jiān)硬巖石，有的已成為松軟土。巖體中的這種結(jié)構(gòu)面分割情況，在土中是見(jiàn)不到的，只有在某些裂隙粘土或老黃土中才有微弱的裂隙分布。因此，巖體的結(jié)構(gòu)比土體復(fù)雜。即使是堅(jiān)硬、完整的巖塊，在其內(nèi)部也存在有微裂隙和缺陷．如解理面，微破裂面等，程度不同地削弱了巖塊的強(qiáng)度，同時(shí)也導(dǎo)致了巖塊力學(xué)性質(zhì)的各向異性。第3頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

第二節(jié)巖石的物理性質(zhì)一、巖石的密度巖石的密度是指單位體積內(nèi)巖石的質(zhì)量，又分為顆粒密度和塊體密度。它是選擇建筑材料、研究巖石風(fēng)化、評(píng)價(jià)工程巖體穩(wěn)定性及確定圍巖壓力等必需的計(jì)算指標(biāo)。巖石的顆粒密度(ρs)是巖石固體相部分的質(zhì)量與其體積的比值。它不包括巖石空隙。其大小取決于組成巖石的礦物密度及其相對(duì)含量。如基性、超基性巖含密度大的礦物多。其顆粒密度就大，酸性巖石則相反，顆粒密度較小。巖石的顆粒密度常用比重瓶法測(cè)定。常見(jiàn)巖石的顆粒密度值見(jiàn)表5—1。

第4頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、巖石的空隙性

巖石的空隙性指巖石孔隙性和裂隙性的統(tǒng)稱，用空隙率表示。巖石的空隙率是巖石中空隙體積與巖石總體積之比，以百分率表示。巖石中的空隙有的與大氣相通，稱為開(kāi)空隙；有的與大氣不相通，稱為閉空隙。開(kāi)空隙又有大小之分。因此，可將巖石的空隙率分為總空隙率、總開(kāi)空隙率、大開(kāi)空隙率、小開(kāi)空隙率及閉空隙率5種。設(shè)V為巖石體積；Vr為空隙總體積；Vro為總開(kāi)空隙體積；Vrb為大開(kāi)空隙體積；Vrl為小開(kāi)空隙體積；Vrc為閉空隙體積。第5頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一總空隙率：n＝Vr／V×100％＝（1-ρd／ρs）×100％總開(kāi)空隙率：no＝Vro／V×100％大開(kāi)空隙率：nb＝Vrb／V×100％小開(kāi)空隙率：nl＝Vrl／V＝（no-nb）×100％閉空隙率：nC＝Vrc／V＝（n-nO）×100％第6頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、巖石的吸水性巖石在一定試驗(yàn)條件下吸收水分的性能，稱為吸水性。常用吸水率、飽和吸水率及飽水系數(shù)等指標(biāo)表示。巖石的吸水率(Wa)是指巖石試件在一個(gè)大氣壓和室溫條件下自由吸入水的質(zhì)量(mw1)與試件干質(zhì)量(mS之比，用百分率表示，即Wa＝mw1／mS×100％實(shí)測(cè)時(shí)先將巖佯烘干并稱干質(zhì)量，然后浸水飽和。試驗(yàn)是在一個(gè)大氣壓下進(jìn)行的的，巖石吸水時(shí)，水只能進(jìn)入大開(kāi)空隙，而不能進(jìn)入閉空隙和小開(kāi)空隙算巖石的大開(kāi)空隙率(nb)，即nb＝Vvb／V＝ρd×Wa/ρw=ρd×Wa式中：ρW為水的密度(取為1g／cm3)；其余符號(hào)同前。

第7頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一巖石的飽和吸水率(Wp)是指巖石試件在高壓(一般為15MPa)或真空條件下吸入水的質(zhì)量(mw2)與巖樣干質(zhì)量(ms)之比，用百分?jǐn)?shù)表示，即Wp=mw2/mS×100％

這種條件下，通常認(rèn)為水能進(jìn)入所有開(kāi)空隙中，因此．巖石的總開(kāi)空隙率為no＝Vvo／V=ρd×Wp/ρW=ρd×Wp式中：符號(hào)意義同前。巖石的吸水率與飽和吸水率之比，定義為飽水系數(shù)。它是評(píng)價(jià)巖石抗凍性的指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)，巖石的飽水系數(shù)為0.5一0.8。飽水系數(shù)愈大，說(shuō)明常壓下吸水后留余的空間有限，巖石愈容易被凍脹破壞，因而巖石的抗凍性就差。幾種常見(jiàn)巖石的吸水性指標(biāo)值列于表5—1、5-2中。

第8頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一四、巖石的軟化性巖石浸水后強(qiáng)度降低的性質(zhì)，稱為軟化性。巖石的軟化性取決于它的礦物組成及空隙性。當(dāng)巖石中含有較多的親水性和可溶性礦物以及大開(kāi)空隙較多時(shí)，則其軟化性較強(qiáng)。表征巖石軟化性的指標(biāo)是軟化系數(shù)(ＫＲ)，為巖石飽水抗壓強(qiáng)度(σCW)與干抗壓強(qiáng)度(σCd)之比，即ＫＲ＝σCW

／σCd

×100％顯然，ＫＲ值愈小則巖石的軟化性愈強(qiáng)。當(dāng)巖石的人ＫＲ>0.75時(shí)，軟化性弱；同時(shí)也可說(shuō)明其抗凍性和抗風(fēng)化能力強(qiáng)。由表5—1可知：巖石的軟化系數(shù)均小于1.0，說(shuō)明巖石都具有不同程度的軟化性。軟化系數(shù)在水工建筑勘察中應(yīng)用較廣。

第9頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一五、巖石的抗凍性

巖石抵抗凍融破壞的性質(zhì)，稱為巖石的抗凍性。巖石浸水后，當(dāng)水的溫度降至0℃以下時(shí)，空隙中的水將凍結(jié)體積增大(可達(dá)9％)，對(duì)巖石產(chǎn)生凍脹力，使其結(jié)構(gòu)和連結(jié)遭到破壞。反復(fù)凍融后，將使巖石的強(qiáng)度降低。巖石的抗凍性常用抗凍系數(shù)和質(zhì)量損失率兩個(gè)指標(biāo)表示?？箖鱿禂?shù)(Rd)是指巖石凍融實(shí)驗(yàn)后干抗壓強(qiáng)度(σcd2)與凍融前干抗壓強(qiáng)度(σcd1)之比，以百分?jǐn)?shù)表示，即Rd=σcd2/σcd1×100％

第10頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

質(zhì)量損失率(Km)是指凍融前后巖樣干質(zhì)量之差(ms1-ms2)與凍融前干質(zhì)量(ms1)之比，以百分率表示，即Km＝(ms1一ms2)／ms1×100％

實(shí)驗(yàn)時(shí)，要求先將試件浸水飽和，然后在-20℃溫度下冷凍，凍后融化，融后再凍．如此反復(fù)凍融25次或更多。凍融次數(shù)可根據(jù)工程地區(qū)的氣候條件決定。巖石的抗凍性，主要取決于巖石中大開(kāi)空隙的發(fā)育情況、親水性和可溶性礦物的含量及礦物顆粒間的連結(jié)力。第11頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一六、巖石的透水性巖石能被水透過(guò)的性質(zhì)，稱為巖石的透水性，用滲透系數(shù)表示．它的大小取決于空隙的數(shù)量、大小、方向及連通情況。一般認(rèn)為．水在巖石中的流動(dòng)服從達(dá)西定律，因此可用達(dá)西滲透儀在室內(nèi)測(cè)定完整巖石試件的滲透系數(shù)。某些巖石的滲透系數(shù)列于表5—3中。

第12頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一在諸如深埋隧洞、地?zé)崂?，高寒地區(qū)工程建設(shè)及核廢料處理方面，都有很重要的實(shí)際意義。在巖石的熱學(xué)性質(zhì)中,常用的是比熱容、熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率等指標(biāo).

(一)巖石的比熱容巖石的比熱容，是指1克巖石物質(zhì)的溫度升高1℃所需要的熱量．用以表示巖石貯存熱量的能力。質(zhì)量為m的巖石溫度由θ1升至θ2所需的熱量△Q（J）為△

Q＝c×m（θ1-θ2）式中：c為比熱容［J／kg·K］。巖石的比熱容在室內(nèi)可采用差示掃描量熱法（DSC法）測(cè)定。各種巖石的比熱容列于表5—4中，由表可知，一般干燥巖石的比熱容為762—1256.04J／(J／kg·K)七、巖石的熱學(xué)性第13頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(二)巖石的熱導(dǎo)率根據(jù)熱力學(xué)第二定律，物體內(nèi)的熱通過(guò)熱傳導(dǎo)從高溫點(diǎn)向低溫點(diǎn)流動(dòng)，其截面積為F的平面上熱流量Q與溫度梯度dq/dx(℃／cm)及流動(dòng)時(shí)間成正比，即Q＝－kFt（dθ／dx）式中：k為熱導(dǎo)率［W／(m·K)］，是一個(gè)與巖石介質(zhì)性質(zhì)和溫度條件有關(guān)的物理量。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，k可作為與溫度無(wú)關(guān)的量，k的倒數(shù)為熱阻率。巖石的熱導(dǎo)率可采用非穩(wěn)定法在室內(nèi)測(cè)定。表5—4給出了各種巖石的熱導(dǎo)率。

(三)巖石的熱擴(kuò)散率溫度變化對(duì)巖石的影響程度取決于熱擴(kuò)散率。熱擴(kuò)散率高的巖石，對(duì)溫度變化的反應(yīng)快受影響的程度也大。熱擴(kuò)散率λ(cm2／s)可用熱導(dǎo)率k、比熱容c和密度ρ求得，即λ＝k／（ρ.c）各種巖石的熱擴(kuò)散率列于表5—4中。

第14頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)巖石的力學(xué)性質(zhì)

巖石在外力作用下所表現(xiàn)的性質(zhì)，稱為巖石的力學(xué)性質(zhì)。在外力作用下巖石首先產(chǎn)生變形，隨著力的不斷增加，達(dá)到或超過(guò)某一極限值時(shí)，便產(chǎn)生破壞。巖石遭受破壞時(shí)的應(yīng)力稱為強(qiáng)度。研究巖石的力學(xué)性質(zhì)，主要研究巖石的變形，破壞與強(qiáng)度等性質(zhì)。

一、單向受壓條件下的巖石變形

在外力作用下變形。巖石的變形可分為彈性變形和塑性變形兩種。按固體力學(xué)定義：彈性變形是指物體受力發(fā)生相應(yīng)的全部變形，并在外力解除的同時(shí)，變形立即消失，因而是可逆變形。塑性變形是指物體受力變形，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。巖石的變形規(guī)律，可通過(guò)外力作用下的變形過(guò)程及變形參數(shù)說(shuō)明。所以，首先來(lái)研究巖石的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系。第15頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(一)巖石的應(yīng)力，應(yīng)變曲線特征巖石在連續(xù)加載條件下的應(yīng)變，可分為軸向應(yīng)變(εL)、橫向應(yīng)變(εD)和體積應(yīng)變(εV)，前兩者可用儀器測(cè)量。體積應(yīng)變則用εV＝εL－2εD計(jì)算求得。求得了各級(jí)應(yīng)力下的這三種應(yīng)變值，就可繪出相應(yīng)的應(yīng)力—應(yīng)變曲線(圖5—1)，也有的是由Ｘ—Ｙ繪圖儀直接自動(dòng)繪出。該曲線是分析研究巖石變形機(jī)理的主要依據(jù)，其中以壓應(yīng)力—軸向應(yīng)變曲線（σ－εL曲線)應(yīng)用最廣。第16頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

據(jù)實(shí)驗(yàn)研究，在單向壓力作用下，典型的應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線如圖5—2所示。從圖5—2中可將巖石的變形過(guò)程劃分為6個(gè)階段。

I．微裂隙及孔隙閉合階段(圖5—2A)。加載初期，巖石中的裂隙及孔隙被逐漸壓密，形成早期非線性變形。A段：曲線呈上凹型第17頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一Ⅱ.可恢復(fù)彈性變形階段(圖5-2B)。隨荷載增加，軸向變形成比例增長(zhǎng)，并在很大程度上是可恢復(fù)的彈性變形。這一階段的上界應(yīng)力稱為彈性極限。B段：直線型。第18頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一Ⅲ．部分彈性變形至微裂隙擴(kuò)展階段(圖5—2C)。σ－εL曲線仍呈近似直線，而σ－εV曲線則明顯偏離直線。這一階段的上界應(yīng)力稱為屈服極限，這時(shí)巖石壓密至最密實(shí)狀態(tài)。

第19頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一Ⅳ．非穩(wěn)定裂隙擴(kuò)展至巖石結(jié)構(gòu)破壞階段(圖5—2D)。特點(diǎn)是微裂隙迅速增加和不斷擴(kuò)展，形成局部拉裂或剪裂面．體積變形由壓縮轉(zhuǎn)為膨脹，最終導(dǎo)致巖石結(jié)構(gòu)完全破壞。本階段的上界應(yīng)力稱為峰值強(qiáng)度或單軸抗壓強(qiáng)度。第20頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一Ⅴ．微裂隙聚結(jié)與擴(kuò)展階段(圖5—2E)。巖石通過(guò)峰值應(yīng)力階段．雖然其內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全破壞，但巖石仍呈整體。到本階段裂隙擴(kuò)展成分叉狀并相互聯(lián)合形成宏觀斷裂面。應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾佣档?。?1頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一Ⅵ．沿破斷面滑移階段(圖5—2F)。本階段巖石基本上已分離成一系列碎塊體，并在外荷作用下滑移，隨之變形不斷增加。而應(yīng)力則降到某一穩(wěn)定值，稱為殘余強(qiáng)度．其大小等于塊體間的摩擦阻力。自然界中的巖石．因其礦物組成及結(jié)構(gòu)不同．應(yīng)力—應(yīng)變曲線特征也不盡相同．第22頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

1965年美國(guó)學(xué)者R·P·米勒根據(jù)對(duì)28種巖石的實(shí)驗(yàn)研究成果，歸納為6種在單向壓力作用下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線類型(圖5—3)。類型I(彈性的)表現(xiàn)為近于直線的特點(diǎn)．直到發(fā)生突發(fā)性破壞。這是玄武巖、石英巖、輝綠巖、白云巖及堅(jiān)硬石灰?guī)r等的特征變形曲線。類型I(彈性)第23頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一類型Ⅱ(彈-塑性的)，開(kāi)始為直線．末端出現(xiàn)非彈性屈服段。較軟而少裂隙的巖石，如石灰?guī)r、粉砂巖和凝灰?guī)r等常呈這種變形曲線類型Ⅱ(彈-塑性)第24頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一類型Ⅲ(塑—彈性的)，開(kāi)始為上凹型曲線，然后轉(zhuǎn)為直線．堅(jiān)硬而裂隙較發(fā)育的巖石，如砂巖、花崗巖等．在垂直微裂隙方向加荷時(shí)常具這種變形曲線。類型Ⅲ(塑—彈性)第25頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一類型Ⅳ和Ⅴ（塑－彈—塑性的)為s型曲線。曲線中段的斜率大小與巖性軟硬程度有關(guān)。巖性較軟且含有微裂隙者，如片麻巖、大理巖和片巖等常具這種變形特性。Ⅳ和Ⅴ（塑－彈—塑性)為s型曲線第26頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一類型Ⅵ(彈—塑—蠕變性的)，開(kāi)始為直線，很快便變?yōu)榉蔷€性變形和連續(xù)緩慢的蠕變變形，是巖鹽和其他蒸發(fā)巖的特征變形曲線。類型Ⅵ(彈—塑—蠕)第27頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

(二)巖石的變形參數(shù)

根據(jù)彈性理論，巖石的變形特征可用變形模量和泊松比兩個(gè)基本參數(shù)表示。

1．變形模量

指巖石在單向受壓時(shí)，軸向應(yīng)力(σ)與軸向應(yīng)變(εL)之比。當(dāng)壓力－應(yīng)變?yōu)橹本€關(guān)系時(shí)，變形模量為常量(圖5—4)，數(shù)值上等于直線的斜率。由于其變形為彈性變形，所以該模量又稱為彈性模量。第28頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

當(dāng)應(yīng)力—應(yīng)變?yōu)榍€關(guān)系時(shí)，變形模量為變量，即不同應(yīng)力段上的模量不同。常用的有初始模量、切線模量和割線模量3種(圖5—5)。初始模量(ＥＩ)：指曲線原點(diǎn)處的切線斜率，即Ｅｉ＝σｉ／εｉ切線模量(Ｅt)：指曲線中段直線的斜率，即Ｅt＝（σ2－σ1）／（ε2－ε1）割線模量(ＥＳ)：指曲線上某特定點(diǎn)與原點(diǎn)連線的斜率。通常取相當(dāng)于抗壓強(qiáng)度變點(diǎn)與原點(diǎn)連線的斜率:ＥＳ＝σ50／ε50第29頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2．泊松比(μ)

指巖石在單向受壓時(shí)，橫向應(yīng)變(εD)與軸向應(yīng)變(εL)之比，即μ＝εD／εL

在實(shí)際工作中，常采用抗壓強(qiáng)度50％的應(yīng)變點(diǎn)的橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變計(jì)算泊松比。常見(jiàn)巖石的變形模量與泊松比列于表5—5中。實(shí)驗(yàn)研究表明，巖石的變形模量和泊松比往往具有各向異性特征。當(dāng)平行于微結(jié)構(gòu)面加荷時(shí)，變形模量最大；而垂直微結(jié)構(gòu)面的變形模量最小。兩者的比值，沉積巖一般為1.08-2.05，變質(zhì)巖為2.0左右。第30頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（三）循環(huán)荷載條件下的巖石變形特征

巖石在循環(huán)荷載作用下的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，隨加卸荷方法及卸荷應(yīng)力的不同而異。當(dāng)在同一荷載條件下對(duì)試件加荷、卸荷時(shí)，如果卸荷點(diǎn)(P)的應(yīng)力低于巖石的彈性極限(A)，則卸荷曲線將基本上沿加荷曲線回到原點(diǎn)．表現(xiàn)為彈性恢復(fù)(圖5—6)。但應(yīng)當(dāng)注意，大部分彈性變形在卸荷后能很快恢復(fù)，而小部分(約10％一20％)，須經(jīng)一段時(shí)間后才能恢復(fù)，這種現(xiàn)象稱為彈性后效。如果卸荷點(diǎn)(P)的應(yīng)力高于彈性極限(A)，則卸荷曲線從原來(lái)的加荷曲線偏離出來(lái)(圖5—7)。第31頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一如果加荷、卸荷反復(fù)多次．可得到如圖5—8所示的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。每次加荷曲線與卸荷曲線都不重合，圍成一環(huán)形面積．稱為回滯環(huán)。當(dāng)每次卸荷后再加荷到原來(lái)荷載并繼續(xù)增加時(shí)(圖5—8a)。則曲線沿著單調(diào)加荷曲線上升，其形狀與連續(xù)加荷情況基本一致。說(shuō)明反復(fù)受荷過(guò)程并未改變巖石變形的基本習(xí)性。當(dāng)應(yīng)力在彈性極限以上的某一較高應(yīng)力下反復(fù)加荷卸荷時(shí)(圖5—8b)。第32頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、單向受力條件下的巖石強(qiáng)度

巖石在外力作用下，當(dāng)達(dá)到或超過(guò)某一極限值時(shí)，便發(fā)生破壞?？蓪⑵浞譃槔瓟嗥茐暮图魯嗥茐膬煞N基本類型。通常把巖石抵抗外力破壞的能力稱為強(qiáng)度。按外力的性質(zhì)不同，又可分為抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及剪切強(qiáng)度等，分述如下。(一)巖石的抗壓強(qiáng)度

巖石單向受壓時(shí)能承受的最大壓應(yīng)力，稱為單軸抗壓強(qiáng)度，簡(jiǎn)稱抗壓強(qiáng)度，即σC＝P/A

式中σC為抗壓強(qiáng)度(MPa)；P為巖石試件受壓破壞時(shí)的荷載(N)，A為試件斷面積(mm2)。

巖石的抗壓強(qiáng)度通常是通過(guò)壓壞標(biāo)準(zhǔn)試件測(cè)定的。常見(jiàn)巖石的抗壓強(qiáng)度值列于表5—6。

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(二)巖石的抗拉強(qiáng)度

巖石試件單向受拉時(shí)，能承受的最大拉應(yīng)力．稱為巖石的抗拉強(qiáng)度．雖然在工程實(shí)踐中．通常不允許拉應(yīng)力出現(xiàn)，但拉斷破壞仍是工程巖體及自然界巖體主要的破壞方式之一．而且?guī)r石抵抗拉應(yīng)力的能力最低。因此，抗拉強(qiáng)度是一個(gè)非常重要的巖石力學(xué)指標(biāo)。測(cè)定巖石抗拉強(qiáng)度的方法．有直接拉伸法和間接拉伸法兩種。由于直接法的試件制備困難和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的復(fù)雜性，目前多采用間接法．其中又以劈裂法和點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn)最常用。劈裂法是把圓柱體或立方體試件．橫置于壓力機(jī)的承壓板上。并在試件與上下承壓板間各放一根墊條．然后以一定加荷速率加壓，直至試件破壞(圖5—9)。按下式計(jì)算巖石的抗拉強(qiáng)度，即σt＝2Pt／πΜｌ式中：σt為巖石的抗拉強(qiáng)度(MPa)，Pt為試件破壞荷載(N)；D為試件直徑(mm)，l為試件長(zhǎng)度(mm)。

第34頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(三)巖石的剪切強(qiáng)度

巖石受剪力作用時(shí)抵抗剪切破壞的最大剪應(yīng)力，稱為剪切強(qiáng)度。巖石的剪切強(qiáng)度與土一樣，也是由內(nèi)聚力(C)和內(nèi)摩擦阻力(σtgφ)兩部分組成的，只是它們都比土大些，這與巖石具有牢固的連結(jié)有關(guān)。按實(shí)驗(yàn)方法的不同，所測(cè)定的剪切強(qiáng)度的含義也不同，通常分為以下3種剪切強(qiáng)度(圖5-10)。

(1)抗剪斷強(qiáng)度指在一定的法向應(yīng)力作用下，沿預(yù)定剪切面剪斷時(shí)的最大剪應(yīng)力(圖5—10a)。它反映了巖石的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦阻力。

(2)抗剪(摩擦)強(qiáng)度指在一定的法向應(yīng)力作用下。沿已有破裂面再次剪壞時(shí)的最大剪應(yīng)力(圖5—10b)。它反映了巖石中微結(jié)構(gòu)面(裂隙、層理等)或人工破裂面上的摩擦阻力(σtgφ)

。

(3)抗切強(qiáng)度指法向應(yīng)力為零時(shí)，沿預(yù)定剪切面剪斷時(shí)的最大剪應(yīng)力(圖5—l0c)。它反映了巖石的內(nèi)聚力(C)

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第35頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、三向應(yīng)力條件下的巖石變形與強(qiáng)度

作為建筑物地基或環(huán)境的工程巖體，經(jīng)常處于三向應(yīng)力狀態(tài)中。為此研究巖石在三向應(yīng)力下的變形與強(qiáng)度是很重要的。巖體中的三向應(yīng)力狀態(tài)可用σ1，σ2，σ3三個(gè)主應(yīng)力表示。為了研究巖石在三向應(yīng)力下的變形與強(qiáng)度．常進(jìn)行兩種應(yīng)力狀態(tài)下的三軸實(shí)驗(yàn)：①σ1>σ2>σ3>0，稱為不等壓三軸或真三軸實(shí)驗(yàn)；②σ1>σ2＝σ3>0，稱為假三軸或常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)，以后者使用最普遍，本節(jié)重點(diǎn)介紹這種實(shí)驗(yàn)方法及其成果。巖石常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)，是將包有隔油薄膜的試件置于密閉高壓容器內(nèi)，先施加預(yù)定的圍壓σ3。然后以一定的速率加軸向應(yīng)力σ1，至試件破壞。在加軸壓的過(guò)程中同時(shí)測(cè)定試件的應(yīng)變值。通過(guò)對(duì)一組試件的實(shí)驗(yàn)，可得到(σ1—σ3)－εＬ曲線及強(qiáng)度包絡(luò)線，進(jìn)而求得巖石的強(qiáng)度與變形參數(shù)。研究表明：圍壓對(duì)巖石的變形、破壞及強(qiáng)度都有很大的影響，主要表現(xiàn)在如下兩方面。

第36頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(一)圍壓對(duì)巖石變形破壞的影響

有圍壓作用時(shí)，巖石的變形特征與單向受壓時(shí)不盡相同。如圖5—11所示，首先，巖石破壞前的應(yīng)變隨圍壓增大而增加。另外．隨圍壓增大，巖石的塑性也不斷增大，即隨圍壓加大，巖石逐漸由脆性轉(zhuǎn)化為延性(即巖石能承受大量永久變形而不致破壞的性質(zhì))。如圖5—11中的大理巖，在圍壓為零或較低時(shí)，巖石呈現(xiàn)出脆性狀態(tài)；當(dāng)圍壓增大至50MPa時(shí)，顯示出由脆性向塑性轉(zhuǎn)化的過(guò)渡狀態(tài)；圍壓增加到68．5MPa，呈現(xiàn)出延性流動(dòng)；圍壓到165MPa時(shí)，則巖石屈服后的應(yīng)力差值隨應(yīng)變的增加而穩(wěn)定增長(zhǎng)，出現(xiàn)所謂應(yīng)變硬化現(xiàn)象。第37頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

圍壓對(duì)巖石變形模量的影響常因巖性而異。對(duì)堅(jiān)硬少裂隙的巖石影響較小，而對(duì)軟弱多隙的巖石影響較大。研究表明，對(duì)砂巖來(lái)說(shuō)．隨圍壓增加．其變形模量在屈服前可提高20％．而到接近破壞前則下降20％一40％。但總的說(shuō)來(lái)，隨著圍壓的增加，巖石的變形模量和泊松比都有一定程度的提高。