1、12/4/2022中国地质大学工程学院 贾洪彪1工程地质学概论第五章第五章 岩石的工程地质性质岩石的工程地质性质贾贾 洪洪 彪彪中国地质大学（武汉）工程学院中国地质大学（武汉）工程学院12/4/2022中国地质大学工程学院 贾洪彪2第五章第五章 岩石的工程地质性质岩石的工程地质性质第一节 岩石与土工程地质性质的差别第二节 岩石的物理、水理性质第三节 岩石的力学性质12/4/2022中国地质大学工程学院 贾洪彪3第一节第一节 岩石与土工程地质性质的差别岩石与土工程地质性质的差别岩石和土都是矿物的集合体，是自然地质作用的产物，并在地质岩石和土都是矿物的集合体，是自然地质作用的产物，并在地质作用下相
2、互转化。作用下相互转化。土在一定温度和压力下，经过压密、脱水、胶结、重结晶等成岩土在一定温度和压力下，经过压密、脱水、胶结、重结晶等成岩作用形成岩石。作用形成岩石。岩石经风化作用，形成土。岩石经风化作用，形成土。坚硬岩石坚硬岩石软弱岩石软弱岩石半成岩石半成岩石坚硬土层坚硬土层软弱土层软弱土层岩石岩石风化作用风化作用土土 成岩作用成岩作用岩石岩石岩石与土之间，即存在多方面的共性和联系，又有明显不同岩石与土之间，即存在多方面的共性和联系，又有明显不同:岩石岩石在力学性能、抗水性、完整性等都比土好的多。但也有些岩石与在力学性能、抗水性、完整性等都比土好的多。但也有些岩石与土很难区别，如粘土岩、泥灰岩
3、、凝灰岩等。总的来说，岩石的土很难区别，如粘土岩、泥灰岩、凝灰岩等。总的来说，岩石的建筑条件比土体要优越的多，土体中出现的问题，对岩体就显得建筑条件比土体要优越的多，土体中出现的问题，对岩体就显得十分微弱或不存在了。十分微弱或不存在了。12/4/2022中国地质大学工程学院 贾洪彪4岩石与土之间的差别，主要表现在：岩石与土之间的差别，主要表现在：（1）岩石矿物颗粒间具有牢固的连结）岩石矿物颗粒间具有牢固的连结。（岩石区别于土并赋予岩石。（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）以优良工程地质性质的主要原因）岩石岩石结晶连结、胶结连结结晶连结、胶结连结 土土 水胶连结、水水胶连结、水
4、 连连 结结（2）岩石中存在着结构面（带）。）岩石中存在着结构面（带）。如断层、节理等，使岩体受到不如断层、节理等，使岩体受到不同程度切割。土体中一般没有这种结构面切割。同程度切割。土体中一般没有这种结构面切割。岩体岩体结构面切割结构面切割岩块力学性质各向异性岩块力学性质各向异性 土体土体没有结构面没有结构面土体可以看作各向同性土体可以看作各向同性（3）岩体中具有较高的地应力）岩体中具有较高的地应力。（岩体在长期地质历史过程中，遭。（岩体在长期地质历史过程中，遭受地质构造作用的结果）受地质构造作用的结果）岩体岩体自重应力、构造应力自重应力、构造应力物理力学性质复杂物理力学性质复杂 土体土体自重
5、应力自重应力12/4/2022中国地质大学工程学院 贾洪彪5岩石岩石:矿物、岩屑的集合体。矿物、岩屑的集合体。结构面结构面:指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面或带。一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面或带。岩块岩块:指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元体。小岩石单元体。岩体岩体:指地质历史过程中形成的，由岩块和结构面网络指地质历史过程中形成的，由岩块和结构面网络组成的，具有一定的结构并赋存于一定的天然应力状态组成的，具有一定的结构并赋存于一
6、定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。和地下水等地质环境中的地质体。第二节第二节 岩石的物理、水理性质岩石的物理、水理性质12/4/2022中国地质大学工程学院 贾洪彪612/4/2022中国地质大学工程学院 贾洪彪7岩石和土一样，也是由固体、液体和气体岩石和土一样，也是由固体、液体和气体三三相组成相组成的。的。物理性质：物理性质是指岩石由于物理性质：物理性质是指岩石由于三相三相组成组成的的相对比例关系不同相对比例关系不同所表现的所表现的物理状态物理状态。水理性质：岩石在水理性质：岩石在水溶液水溶液作用下表现出来的作用下表现出来的性质，称为水理性质性质，称为水理性质12/4/2022中
7、国地质大学工程学院 贾洪彪8一、岩石的密度 1、颗粒密度(s)s=ms/Vs 2、块体密度()=m/V 注意：（1）s与的区别 (s)（2）s与的单位（g/cm3,kN/m3）（3）测试方法（s-比重瓶法；-量积法）12/4/2022中国地质大学工程学院 贾洪彪9二、岩石的空隙性岩石的空隙(裂隙、孔隙)闭空隙开空隙大开空隙小开空隙12/4/2022中国地质大学工程学院 贾洪彪10%10000VVnv%100VVnvbbbvaannVVn0%1000%100nnVVnvcc1dssVVVe%100)1(%100sdvVVn隙比岩石空隙率 总空隙率(n)总开空隙率(no)大开空隙率(nb)小开空隙
8、率(na)闭空隙率(nc)12/4/2022中国地质大学工程学院 贾洪彪11三、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%10021wwammW%100ddawaVbbWWVVn12/4/2022中国地质大学工程学院 贾洪彪122.饱和吸水率岩石的饱和吸水率(Wp)是指岩石试件在高压(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:%1002swpmmW%100dd00WpWVVnwpV12/4/20
9、22中国地质大学工程学院 贾洪彪133.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。12/4/2022中国地质大学工程学院 贾洪彪14四、岩石的软化性 岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性。岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性。软化系数软化系数(KR)为岩石试件的饱和抗压强度为岩石试件的饱和抗压强度(cw)与干抗与干抗压强度压强度(c)的比值。的比值。ccwRK 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。KR0.75，岩石的软化性弱，工程地质性质较好；KR0.75，岩石软化性较强
10、，工程地质性质较差。12/4/2022中国地质大学工程学院 贾洪彪15五、岩石的抗冻性 岩石抵抗冻融破坏的能力，称为抗冻性。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%10012ccdR12/4/2022中国地质大学工程学院 贾洪彪16 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%100121sssmmmmKRd75，Km2，抗冻性高;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。12/4/2022中国地质大学工程学院 贾洪彪17六、岩石的透水性 在一
11、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。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KJU 12/4/2022中国地质大学工程学院 贾洪彪18一、一、单轴压缩条件下的岩块变形单轴压缩条件下的岩块变形（一）（一）连续加载连续加载 1 1、变形阶段、变形阶段空隙压密阶段(OA)峰值前变形阶段峰值后变形阶段oABCDE(+)(-)L V d 破坏后阶段(DE)全过程曲线前过程曲线非稳定发展阶段(CD)D点:峰值强度微裂隙稳定发展阶段(BC)C点:屈服强度弹性变形阶段(AB)B点:弹性极限第三节第三节 岩石的力学性质岩石的力学性质12/4/2
12、022中国地质大学工程学院 贾洪彪192、峰值前岩块的变形特征、峰值前岩块的变形特征 弹性型弹-塑性型塑-弹性型塑-弹-塑性型1塑-弹-塑性型2弹性-蠕变型12/4/2022中国地质大学工程学院 贾洪彪203、变形参数、变形参数1)变形模量（modulus of deformation)是指单轴压缩条件下，轴向压应力与轴向应变之比。应力-应变曲线为直线型(又称为弹性模量)oLiiEii12/4/2022中国地质大学工程学院 贾洪彪21 应力-应变曲线为“S”型 初始模量(i)指曲线原点处切线斜率 切线模量(t)指曲线上任一点处切线的斜率，在此特指中部直线段的斜率 割线模量(s)指曲线上某特定点
13、与原点连线的斜率，通常取c处的点与原点连线的斜率Lo2501i1502iiiiE1212tE5050iE12/4/2022中国地质大学工程学院 贾洪彪222)泊松比():是指在单轴压缩条件下，横向应变与轴向应变之比.在实际工作中，常采用/处的横向应变与轴向应变来计算岩块的泊松比。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。Ld12/4/2022中国地质大学工程学院 贾洪彪23（二）（二）循环加载循环加载2.卸荷点（P）的应力高于岩石的弹性极限(A)1.卸荷点（P）的应力低于岩石的弹性极限(A)12/4/202
14、2中国地质大学工程学院 贾洪彪243.3.反复加卸荷(岩石记忆、回滞环、疲劳破坏）12/4/2022中国地质大学工程学院 贾洪彪25二、单轴受力条件下的岩石的强度二、单轴受力条件下的岩石的强度岩石强度：岩石抵抗外力破坏的能力。岩块破岩块破坏方式坏方式 脆性破坏脆性破坏塑性破坏塑性破坏(延性破坏）延性破坏）拉破坏拉破坏剪切破坏剪切破坏12/4/2022中国地质大学工程学院 贾洪彪261、定义：、定义：在单向压缩条件下，岩块能承受的最大压应力，简称抗压强度（MPa）。2、意义意义 衡量岩块基本力学性质的重要指标 岩体工程分类、建立岩体破坏判据的重要指标 用来大致估算其他强度参数 3、测定方法测定方
15、法 抗压强度试验试样pApcc一、单轴抗压强度一、单轴抗压强度c12/4/2022中国地质大学工程学院 贾洪彪2712/4/2022中国地质大学工程学院 贾洪彪28二、单轴抗拉强度二、单轴抗拉强度t1.定义：定义：单向拉伸条件下，岩块能承受的最大拉应力，简称抗拉强度。2.意义：意义：衡量岩体力学性质的重要指标 用来建立岩石强度判据，确定强度包络线 选择建筑石材不可缺少的参数 3.测定方法：测定方法：直接拉伸 间接法(劈裂法、点荷载法、三点弯曲法)12/4/2022中国地质大学工程学院 贾洪彪29APtt直接拉伸法是将圆柱状试件两端固定在材料试验机的拉伸夹具内，然后对试件施加轴向拉荷载至破坏。P
16、tPt12/4/2022中国地质大学工程学院 贾洪彪30劈裂试验是用圆柱体或立方体试件，横置于压力机的承压板上，且在试件上、下承压面上各放一根垫条。然后以一定的加荷速率加压，直至试件破坏。12/4/2022中国地质大学工程学院 贾洪彪31在线布荷载(p)作用下，沿试件竖直向直径平面内产生的近于均布的水平拉应力x=2p/DL在水平向直径平面内产生的压应力y=6p/DL抗拉强度:DLPtt2（圆形试样）22aPtt（方形试样）12/4/2022中国地质大学工程学院 贾洪彪32点荷载试验是将试件放在点荷载仪中的球面压头间，加压至试件破坏，利用破坏荷载求岩块的点荷载强度。12/4/2022中国地质大学
17、工程学院 贾洪彪33 点荷载强度 抗拉强度kIst2DPIst12/4/2022中国地质大学工程学院 贾洪彪341、定义：、定义：在剪切荷载作用下，岩块抵抗剪切破坏的最大剪应力，称为剪切强度2 2、类型、类型：（1）抗剪断强度：抗剪断强度：指试件在一定的法向应力作用下，沿预定预定剪切面剪断时的最大剪应力。（2）抗切强度：抗切强度：指试件上的法向应力为零时，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力。（3）摩擦强度：摩擦强度：指试件在一定的法向应力作用下，沿已有已有破裂面（层面、节理等）再次剪切破坏时的 最大剪应力。Ctg CjjCtg三、剪切强三、剪切强度度12/4/2022中国地质大学工程学院 贾洪彪3
18、53 3、意义、意义 反映岩块的力学性质的重要指标 用来估算岩体力学参数及建立强度判据 4 4、测试方法测试方法 直剪试验 变角板剪切试验 三轴试验 12/4/2022中国地质大学工程学院 贾洪彪36直剪试验在直剪仪上进行，按库仑定律求岩块的剪切强度参数C、值。12/4/2022中国地质大学工程学院 贾洪彪37三、三轴压缩条件下岩石的变形与强度三、三轴压缩条件下岩石的变形与强度1、三轴试验 真三轴试验 123 常规三轴试验 12=3 12/4/2022中国地质大学工程学院 贾洪彪38 2、围压对变形破坏的影响、围压对变形破坏的影响1）岩石破坏前应变随3增大而增大2）岩石的峰值强度随3增大而增大
19、3）随3增大岩石变形模量增大，软岩增大明显，致密的硬岩增大不明显12/4/2022中国地质大学工程学院 贾洪彪394）随3增大，岩石的塑性不断增大，随3增大到一定值时，岩石由弹脆性转变为塑性。这时，3的大小称为“转化压力”。5）随3的增大，岩块从脆性劈裂破坏逐渐向塑性剪切及塑性流动破坏方式过渡。12/4/2022中国地质大学工程学院 贾洪彪403、三轴压缩条件下岩石的强度、三轴压缩条件下岩石的强度Apmm11）定义：）定义：试件在三向压应力作用下能抵抗的最大的轴向应力。2 2）测定方法）测定方法:在一定的围压3下，对试件进行三轴试验时，岩块的三轴压缩强度1m(MPa)为12/4/2022中国地质大学工程学院 贾洪彪413 3）利用三轴试验确定抗剪强度）利用三轴试验确定抗剪强度 根据一组试件(4个以上)试验得到的三轴压缩强度1m和相应的3以及单轴抗拉强度t。在-坐标系中可绘制出岩块的强度包络线。除顶点外，包络线上所有点的切线与轴的夹角及其在轴上的截距分别代表相应破坏面的内摩擦角()和内聚力(C)。
