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1、工程地质第二章第1页，共41页，编辑于2022年，星期六 1 1、岩石矿物颗粒间连结牢固；岩石矿物颗粒间连结牢固；岩石矿物颗粒间具有牢固的连结，这既是岩石的重要结构特征，也是岩石区别于土并岩石矿物颗粒间具有牢固的连结，这既是岩石的重要结构特征，也是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。赋予岩石以优良工程地质性质的主要原因。岩石颗粒间连结分结晶连结和胶结连结两种。岩石颗粒间连结分结晶连结和胶结连结两种。结晶连结结晶连结是岩石中矿物颗粒是岩石中矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起的连结，如岩浆岩、大部分变质岩及部分沉积岩均通过结晶相互嵌合在一起的连结，如岩浆岩、大部分变质岩及部分沉积岩均具
2、有这种连结。具有这种连结。胶结连结胶结连结是岩石中颗粒通过胶结物胶结在一起的连结如碎屑沉积岩、是岩石中颗粒通过胶结物胶结在一起的连结如碎屑沉积岩、粘土岩等具有这种连结。粘土岩等具有这种连结。这两种连结都表现出很强的连结力，所以被称为这两种连结都表现出很强的连结力，所以被称为“硬连结硬连结”。而土则缺乏这种。而土则缺乏这种连结土的颗粒间或毫无连结、或是连结力很弱的水胶连结和水连结，其连连结土的颗粒间或毫无连结、或是连结力很弱的水胶连结和水连结，其连结力是无法与岩石颗粒间的连结相比拟的。因此土表现出松散、软弱的特征结力是无法与岩石颗粒间的连结相比拟的。因此土表现出松散、软弱的特征连结力也不稳定。连
3、结力也不稳定。第2页，共41页，编辑于2022年，星期六2 2、岩石强度高、不易变形、整体性和抗水性好岩石强度高、不易变形、整体性和抗水性好 岩石虽然比起土来具有强度高、不易变形以及整体性和抗水性好的优岩石虽然比起土来具有强度高、不易变形以及整体性和抗水性好的优点，但作为建筑物地基或建筑物环境的岩体，也具有缺陷，这就是岩体中点，但作为建筑物地基或建筑物环境的岩体，也具有缺陷，这就是岩体中存在着断层、节理等结构面存在着断层、节理等结构面(带带)，使岩体受到不同程度的切割，完整性遭，使岩体受到不同程度的切割，完整性遭到破坏，导致岩体物理、力学性质变差和严重不均匀。到破坏，导致岩体物理、力学性质变差
4、和严重不均匀。当断裂破坏严重时，岩体甚至破碎分散犹如碎屑土。这种被称为构造岩的破当断裂破坏严重时，岩体甚至破碎分散犹如碎屑土。这种被称为构造岩的破碎岩石，有的属于半坚硬岩石，有的已成为松软土。岩体中的这种结构面分割情碎岩石，有的属于半坚硬岩石，有的已成为松软土。岩体中的这种结构面分割情况，在土中是见不到的，只有在某些裂隙粘土或老黄土中才有微弱的裂隙分布。况，在土中是见不到的，只有在某些裂隙粘土或老黄土中才有微弱的裂隙分布。因此，岩体的结构比土体复杂。即使是坚硬、完整的岩块，在其内部也因此，岩体的结构比土体复杂。即使是坚硬、完整的岩块，在其内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
5、削弱了岩块的强存在有微裂隙和缺陷如解理面，微破裂面等，程度不同地削弱了岩块的强度，同时也导致了岩块力学性质的各向异性。度，同时也导致了岩块力学性质的各向异性。第3页，共41页，编辑于2022年，星期六第二节第二节 岩石的物理性质岩石的物理性质一、岩石的密度一、岩石的密度岩岩石石的的密密度度是是指指单单位位体体积积内内岩岩石石的的质质量量，又又分分为为颗颗粒粒密密度度和和块块体体密密度度。它它是是选选择择建建筑筑材材料料、研研究究岩岩石石风风化化、评评价价工程岩体稳定性及确定围岩压力等必需的计算指标。工程岩体稳定性及确定围岩压力等必需的计算指标。岩岩石石的的颗颗粒粒密密度度(s)是是岩岩石石固固
6、体体相相部部分分的的质质量量与与其其体体积积的的比比值值。它它不不包包括括岩岩石石空空隙隙。其其大大小小取取决决于于组组成成岩岩石石的的矿矿物物密密度度及及其其相相对对含含量量。如如基基性性、超超基基性性岩岩含含密密度度大大的的矿矿物物多多。其其颗颗粒粒密密度度就就大大，酸性岩石则相反，颗粒密度较小。酸性岩石则相反，颗粒密度较小。岩石的颗粒密度常用比重瓶法测定。常见岩石的颗粒密度值岩石的颗粒密度常用比重瓶法测定。常见岩石的颗粒密度值见表见表51。第4页，共41页，编辑于2022年，星期六二、岩石的空隙性二、岩石的空隙性岩岩石石的的空空隙隙性性指指岩岩石石孔孔隙隙性性和和裂裂隙隙性性的的统统称称
7、，用用空空隙隙率率表表示示。岩岩石石的的空空隙隙率率是是岩岩石石中中空空隙隙体体积积与与岩岩石石总总体体积之比，以百分率表示。积之比，以百分率表示。岩岩石石中中的的空空隙隙有有的的与与大大气气相相通通，称称为为开开空空隙隙；有有的的与与大气不相通，称为大气不相通，称为闭空隙闭空隙。开空隙又有大小之分。开空隙又有大小之分。因因此此，可可将将岩岩石石的的空空隙隙率率分分为为总总空空隙隙率率、总总开开空空隙隙率率、大大开开空空隙隙率率、小小开开空空隙隙率率及及闭闭空空隙隙率率5种种。设设V为为岩岩石石体体积积；Vr为为空空隙隙总总体体积积；Vro为为总总开开空空隙隙体体积积；Vrb为为大开空隙体积；
8、大开空隙体积；Vrl为小开空隙体积；为小开空隙体积；Vrc为闭空隙体积。为闭空隙体积。第5页，共41页，编辑于2022年，星期六总空隙率：总空隙率：nVrV100（1-ds）100总开空隙率：总开空隙率：noVroV100大开空隙率：大开空隙率：nbVrbV100小开空隙率：小开空隙率：nlVrlV（no-nb）100闭空隙率：闭空隙率：nCVrcV（n-nO）100第6页，共41页，编辑于2022年，星期六三、岩石的吸水性三、岩石的吸水性岩岩石石在在一一定定试试验验条条件件下下吸吸收收水水分分的的性性能能，称称为为吸吸水水性。常用吸水率、饱和吸水率及饱水系数等指标表示。性。常用吸水率、饱和吸
9、水率及饱水系数等指标表示。岩岩石石的的吸吸水水率率(Wa)是是指指岩岩石石试试件件在在一一个个大大气气压压和和室室温温条条件件下下自自由由吸吸入入水水的的质质量量(mw1)与试件干质量与试件干质量(mS之比，用百分率表示，即之比，用百分率表示，即Wamw1mS100实实测测时时先先将将岩岩佯佯烘烘干干并并称称干干质质量量，然然后后浸浸水水饱饱和和。试试验验是是在在一一个个大大气气压压下下进进行行的的的的，岩岩石石吸吸水水时时，水水只只能能进进入入大大开开空空隙隙，而而不不能能进进入入闭闭空空隙隙和和小小开开空空隙隙算算岩岩石的大开空隙率石的大开空隙率(nb)，即，即nbVvbVdWa/w=dW
10、a式中：式中：W为水的密度为水的密度(取为取为1gcm3)；其余符号同前。；其余符号同前。第7页，共41页，编辑于2022年，星期六岩石的饱和吸水率岩石的饱和吸水率(Wp)是指岩石试件在高压是指岩石试件在高压(一般为一般为15MPa)或真空条件下吸或真空条件下吸入水的质量入水的质量(mw2)与岩样干质量与岩样干质量(ms)之比，用百分数表示，即之比，用百分数表示，即Wp=mw2/mS100这种条件下，通常认为水能进入所有开空隙中，因此岩石的总这种条件下，通常认为水能进入所有开空隙中，因此岩石的总开空隙率为开空隙率为noVvoV=dWp/W=dWp式中：符号意义同前。式中：符号意义同前。岩石的吸
11、水率与饱和吸水率之比，定义为饱水系数。它是评价岩岩石的吸水率与饱和吸水率之比，定义为饱水系数。它是评价岩石抗冻性的指标。一般来说，岩石的饱水系数为石抗冻性的指标。一般来说，岩石的饱水系数为0.5一一0.8。饱水系数愈。饱水系数愈大，说明常压下吸水后留余的空间有限，岩石愈容易被冻胀破坏，因大，说明常压下吸水后留余的空间有限，岩石愈容易被冻胀破坏，因而岩石的抗冻性就差。而岩石的抗冻性就差。几种常见岩石的吸水性指标值列于表几种常见岩石的吸水性指标值列于表51、5-2中。中。第8页，共41页，编辑于2022年，星期六四、岩石的软化性四、岩石的软化性岩岩石石浸浸水水后后强强度度降降低低的的性性质质，称称
12、为为软软化化性性。岩岩石石的的软软化化性性取取决决于于它它的的矿矿物物组组成成及及空空隙隙性性。当当岩岩石石中中含含有有较较多多的的亲亲水水性性和和可溶性矿物以及大开空隙较多时，则其软化性较强。可溶性矿物以及大开空隙较多时，则其软化性较强。表表征征岩岩石石软软化化性性的的指指标标是是软软化化系系数数()，为为岩岩石石饱饱水抗压强度水抗压强度(CW)与干抗压强度与干抗压强度(Cd)之比，即之比，即CWCd100 显然，显然，值愈小则岩石的软化性愈强。当岩石的人值愈小则岩石的软化性愈强。当岩石的人0.75时，软化性弱；同时也可说明其抗冻性和抗风化时，软化性弱；同时也可说明其抗冻性和抗风化能力强。能
13、力强。由表由表51可知：岩石的软化系数均小于可知：岩石的软化系数均小于1.0，说明岩，说明岩石都具有不同程度的软化性。软化系数在水工建筑勘察中应石都具有不同程度的软化性。软化系数在水工建筑勘察中应用较广。用较广。第9页，共41页，编辑于2022年，星期六五、岩石的抗冻性五、岩石的抗冻性岩岩石石抵抵抗抗冻冻融融破破坏坏的的性性质质，称称为为岩岩石石的的抗抗冻冻性性。岩岩石石浸浸水水后后，当当水水的的温温度度降降至至0以以下下时时，空空隙隙中中的的水水将将冻冻结结体体积积增增大大(可可达达9)，对对岩岩石石产产生生冻冻胀胀力力，使使其其结结构构和和连连结结遭遭到到破破坏坏。反反复复冻冻融融后后，将
14、将使使岩岩石石的的强强度度降降低低。岩岩石石的的抗抗冻冻性性常用抗冻系数和质量损失率两个指标表示。常用抗冻系数和质量损失率两个指标表示。抗抗冻冻系系数数(Rd)是是指指岩岩石石冻冻融融实实验验后后干干抗抗压压强强度度(cd2)与与冻融前干抗压强度冻融前干抗压强度(cd1)之比，以百分数表示，即之比，以百分数表示，即Rd=cd2/cd1100第10页，共41页，编辑于2022年，星期六质量损失率质量损失率(Km)是指冻融前后岩样干质量之差是指冻融前后岩样干质量之差(ms1-ms2)与冻融前干质量与冻融前干质量(ms1)之比，以百分率表示，之比，以百分率表示，即即Km(ms1一一ms2)ms110
15、0实验时，要求先将试件浸水饱和，然后在实验时，要求先将试件浸水饱和，然后在-20温度温度下冷冻，冻后融化，融后再冻如此反复冻融下冷冻，冻后融化，融后再冻如此反复冻融25次或更多。次或更多。冻融次数可根据工程地区的气候条件决定。冻融次数可根据工程地区的气候条件决定。岩石的抗冻性，主要取决于岩石中大开空隙的发育情岩石的抗冻性，主要取决于岩石中大开空隙的发育情况、亲水性和可溶性矿物的含量及矿物颗粒间的连结力。况、亲水性和可溶性矿物的含量及矿物颗粒间的连结力。第11页，共41页，编辑于2022年，星期六六、岩石的透水性六、岩石的透水性 岩石能被水透过的性质，称为岩石的透水性，用渗透系数表示它岩石能被水
16、透过的性质，称为岩石的透水性，用渗透系数表示它的大小取决于空隙的数量、大小、方向及连通情况。的大小取决于空隙的数量、大小、方向及连通情况。一般认为水在岩石中的流动服从达西定律，因此可用达西渗一般认为水在岩石中的流动服从达西定律，因此可用达西渗透仪在室内测定完整岩石试件的渗透系数。某些岩石的渗透系数列透仪在室内测定完整岩石试件的渗透系数。某些岩石的渗透系数列于表于表53中。中。第12页，共41页，编辑于2022年，星期六在诸如深埋隧洞、地热利用，高寒地区工程建设及在诸如深埋隧洞、地热利用，高寒地区工程建设及核废料处理方面，都有很重要的实际意义。在岩石的核废料处理方面，都有很重要的实际意义。在岩石
17、的热学性质中热学性质中,常用的是比热容、热导率和热扩散率等指常用的是比热容、热导率和热扩散率等指标标.(一一)岩石的比热容岩石的比热容岩石的比热容，岩石的比热容，是指是指1 1克岩石物质的温度升高克岩石物质的温度升高11所需要所需要的热量的热量用以表示岩石贮存热量的能力。质量为用以表示岩石贮存热量的能力。质量为m的岩石的岩石温度由温度由1升至升至2所需的热量所需的热量Q（J）为）为 Qcm（1-2）式中：式中：c为比热容为比热容JkgK。岩石的比热容在室内可采用差示扫描量热法岩石的比热容在室内可采用差示扫描量热法（DSC法法）测定。各种测定。各种岩石的比热容列于表岩石的比热容列于表54中，由表
18、可知，一般干燥岩石的比热容为中，由表可知，一般干燥岩石的比热容为7621256.04J(JkgK)七、岩石的热学性七、岩石的热学性第13页，共41页，编辑于2022年，星期六(二二)岩石的热导率岩石的热导率根根据据热热力力学学第第二二定定律律，物物体体内内的的热热通通过过热热传传导导从从高高温温点点向向低低温温点点流流动动，其其截截面面积积为为F的的平平面面上上热热流流量量Q与与温温度度梯梯度度dq/dx(cm)及及流流动时间成正比，即动时间成正比，即QkFt（ddx）式式中中：k为为热热导导率率W(mK)，是是一一个个与与岩岩石石介介质质性性质质和和温温度度条条件件有有关关的的物物理理量量。
19、在在实实际际应应用用时时，k可可作作为为与与温温度度无无关关的的量量，k的的倒数为热阻率。倒数为热阻率。岩石的热导率可采用非稳定法在室内测定。表岩石的热导率可采用非稳定法在室内测定。表54给出了各种给出了各种岩石的热导率。岩石的热导率。(三三)岩石的热扩散率岩石的热扩散率温温度度变变化化对对岩岩石石的的影影响响程程度度取取决决于于热热扩扩散散率率。热热扩扩散散率率高高的的岩岩石石，对对温温度度变变化化的的反反应应快快受受影影响响的的程程度度也也大大。热热扩扩散散率率(cm2s)可可用用热热导导率率k、比热容、比热容c和密度和密度求得，即求得，即k（.c）各种岩石的热扩散率列于表各种岩石的热扩散
20、率列于表54中。中。第14页，共41页，编辑于2022年，星期六第三节岩石的力学性质第三节岩石的力学性质岩岩石石在在外外力力作作用用下下所所表表现现的的性性质质，称称为为岩岩石石的的力力学学性性质质。在在外外力力作作用用下下岩岩石石首首先先产产生生变变形形，随随着着力力的的不不断断增增加加，达达到到或或超超过过某某一一极极限限值值时时，便便产产生生破破坏坏。岩岩石石遭遭受受破破坏坏时时的的应应力力称称为为强强度度。研研究究岩岩石石的的力力学学性性质质，主主要要研研究究岩岩石石的的变变形形，破破坏与强度等性质坏与强度等性质。一、单向受压条件下的岩石变形一、单向受压条件下的岩石变形在在外外力力作作
21、用用下下变变形形。岩岩石石的的变变形形可可分分为为弹弹性性变变形形和和塑塑性性变变形形两两种种。按按固固体体力力学学定定义义：弹弹性性变变形形是是指指物物体体受受力力发发生生相相应应的的全全部部变变形形，并并在在外外力力解解除除的的同同时时，变变形形立立即即消消失失，因因而而是是可可逆逆变变形形。塑塑性性变变形形是是指指物物体体受受力力变变形形，在在外外力力解解除除后后。变变形形也也不不再恢复，是不可逆变形，又称为永久变形或残余变形。再恢复，是不可逆变形，又称为永久变形或残余变形。岩岩石石的的变变形形规规律律，可可通通过过外外力力作作用用下下的的变变形形过过程程及及变变形形参参数数说说明明。所
22、以，首先来研究岩石的应力所以，首先来研究岩石的应力应变关系。应变关系。第15页，共41页，编辑于2022年，星期六(一一)岩石的应力，应变曲线特征岩石的应力，应变曲线特征岩石在连续加载条件下的应变，可分为岩石在连续加载条件下的应变，可分为轴向应轴向应变变(L)、横向应变横向应变(D)和和体积应变体积应变(V)，前两者可用仪，前两者可用仪器测量。体积应变则用器测量。体积应变则用VL2D计算求得。求得了各级计算求得。求得了各级应力下的这三种应变值，就可绘出相应的应力应力下的这三种应变值，就可绘出相应的应力应变曲线应变曲线(图图51)，也有的是由，也有的是由绘图仪直接自动绘出。该曲绘图仪直接自动绘出
23、。该曲线是分析研究岩石变形机理的主要依据，其中以压应力线是分析研究岩石变形机理的主要依据，其中以压应力轴向应变曲线（轴向应变曲线（L曲线曲线)应用最广。应用最广。第16页，共41页，编辑于2022年，星期六 据实验研究，在单向压力作用下，典型的应力据实验研究，在单向压力作用下，典型的应力应变全过程曲线如图应变全过程曲线如图5 52 2所示。从图所示。从图5 52 2中可将岩石的变形过程划分为中可将岩石的变形过程划分为6 6个阶段。个阶段。I I微裂隙及孔隙闭合阶段微裂隙及孔隙闭合阶段(图图5 52A)2A)。加载初期，岩石中的裂隙及孔隙被逐渐压密，加载初期，岩石中的裂隙及孔隙被逐渐压密，形成早
24、期非线性变形。形成早期非线性变形。A A段：曲线呈上凹型段：曲线呈上凹型第17页，共41页，编辑于2022年，星期六 .可恢复弹性变形阶段可恢复弹性变形阶段(图图5-2B)5-2B)。随荷载增加，轴向变形成比例增长，并在很大程。随荷载增加，轴向变形成比例增长，并在很大程度上是可恢复的弹性变形。这一阶段的上界应力称为弹性极限。度上是可恢复的弹性变形。这一阶段的上界应力称为弹性极限。B B段：直线型。段：直线型。第18页，共41页，编辑于2022年，星期六部分弹性变形至微裂隙扩展阶段部分弹性变形至微裂隙扩展阶段(图图5 52C)2C)。L L曲线仍呈近似直线，而曲线仍呈近似直线，而V V 曲线则明
25、显偏离直线。这一阶段的上界应力称为屈服极限，这时岩石压密至最密实状态。曲线则明显偏离直线。这一阶段的上界应力称为屈服极限，这时岩石压密至最密实状态。第19页，共41页，编辑于2022年，星期六非稳定裂隙扩展至岩石结构破坏阶段非稳定裂隙扩展至岩石结构破坏阶段(图图5 52D)2D)。特点是微裂隙迅速特点是微裂隙迅速增加和不断扩展，形成局部拉裂或剪裂面体积变形由压缩转为膨胀，最终增加和不断扩展，形成局部拉裂或剪裂面体积变形由压缩转为膨胀，最终导致岩石结构完全破坏。本阶段的上界应力称为峰值强度或单轴抗压强度。导致岩石结构完全破坏。本阶段的上界应力称为峰值强度或单轴抗压强度。第20页，共41页，编辑于
26、2022年，星期六微裂隙聚结与扩展阶段微裂隙聚结与扩展阶段(图图5 52E)2E)。岩石通过峰值应力阶段虽然。岩石通过峰值应力阶段虽然其内部结构完全破坏，但岩石仍呈整体。到本阶段裂隙扩展成分叉状其内部结构完全破坏，但岩石仍呈整体。到本阶段裂隙扩展成分叉状并相互联合形成宏观断裂面。应力随应变增加而降低。并相互联合形成宏观断裂面。应力随应变增加而降低。第21页，共41页，编辑于2022年，星期六沿破断面滑移阶段沿破断面滑移阶段(图图5 52F)2F)。本阶段岩石基本上已分离成一系列碎。本阶段岩石基本上已分离成一系列碎块体，并在外荷作用下滑移，随之变形不断增加。而应力则降到某一块体，并在外荷作用下滑
27、移，随之变形不断增加。而应力则降到某一稳定值，称为残余强度其大小等于块体间的摩擦阻力。稳定值，称为残余强度其大小等于块体间的摩擦阻力。自然界中的岩石因其矿物组成及结构不同应力自然界中的岩石因其矿物组成及结构不同应力应变曲线应变曲线特征也不尽相同特征也不尽相同 第22页，共41页，编辑于2022年，星期六19651965年年美美国国学学者者R RP P米米勒勒根根据据对对2828种种岩岩石石的的实实验验研研究究成成果果，归归纳纳为为6 6种种在在单向压力作用下的应力单向压力作用下的应力应变曲线类型应变曲线类型(图图5 53)3)。类类型型I I(弹弹性性的的)表表现现为为近近于于直直线线的的特特
28、点点直直到到发发生生突突发发性性破破坏坏。这这是是玄玄武武岩岩、石石英英岩、辉绿岩、白云岩及坚硬石灰岩等的特征变形曲线。岩、辉绿岩、白云岩及坚硬石灰岩等的特征变形曲线。类型类型I(弹性弹性)第23页，共41页，编辑于2022年，星期六类型类型(弹弹-塑性的塑性的)，开始为直线末端出现非弹性屈服段。较软而少裂隙的岩，开始为直线末端出现非弹性屈服段。较软而少裂隙的岩石，如石灰岩、粉砂岩和凝灰岩等常呈这种变形曲线石，如石灰岩、粉砂岩和凝灰岩等常呈这种变形曲线类型类型(弹弹-塑性塑性)第24页，共41页，编辑于2022年，星期六类型类型 (塑塑弹性的弹性的)，开始为上凹型曲线，然后转为直线坚硬而裂隙较
29、发育的岩石，如砂，开始为上凹型曲线，然后转为直线坚硬而裂隙较发育的岩石，如砂岩、花岗岩等在垂直微裂隙方向加荷时常具这种变形曲线。岩、花岗岩等在垂直微裂隙方向加荷时常具这种变形曲线。类型类型(塑塑弹性弹性)第25页，共41页，编辑于2022年，星期六类型类型和和（塑弹（塑弹塑性的塑性的)为为s s型曲线。曲线中段的斜率大小与岩性软硬程度有关。岩性型曲线。曲线中段的斜率大小与岩性软硬程度有关。岩性较软且含有微裂隙者，如片麻岩、大理岩和片岩等常具这种变形特性。较软且含有微裂隙者，如片麻岩、大理岩和片岩等常具这种变形特性。和和（塑弹（塑弹塑性塑性)为为s型曲线型曲线第26页，共41页，编辑于2022年
30、，星期六类型类型(弹弹塑塑蠕变性的蠕变性的)，开始为直线，很快便变为非线性变形和连续缓慢的蠕，开始为直线，很快便变为非线性变形和连续缓慢的蠕变变形，是岩盐和其他蒸发岩的特征变形曲线。变变形，是岩盐和其他蒸发岩的特征变形曲线。类型类型(弹弹塑塑蠕蠕)第27页，共41页，编辑于2022年，星期六(二二)岩石的变形参数岩石的变形参数根据弹性理论，岩石的变形特征可用变形模量和泊松比两个基本参数表示。根据弹性理论，岩石的变形特征可用变形模量和泊松比两个基本参数表示。1 1变形模量变形模量指岩石在单向受压时，轴向应力指岩石在单向受压时，轴向应力()与轴向应变与轴向应变(L)之比之比。当压力应变为直线关。当
31、压力应变为直线关系时，变形模量为常量系时，变形模量为常量(图图54)，数值上等于直线的斜率。由于其变形为弹性变形，所以，数值上等于直线的斜率。由于其变形为弹性变形，所以该模量又称为弹性模量。该模量又称为弹性模量。第28页，共41页，编辑于2022年，星期六当应力当应力应变为曲线关系时，变形模量为变量，应变为曲线关系时，变形模量为变量，即不同应力段上的模量不同。常用的有即不同应力段上的模量不同。常用的有初始模量、初始模量、切线模量和割线模量切线模量和割线模量3 3种种(图图5 55 5)。初始模量初始模量()：指曲线原点处的切线斜率，：指曲线原点处的切线斜率，即即 切线模量切线模量(t)：指曲线
32、中段直线：指曲线中段直线的斜率，即的斜率，即t（21）（）（21）割线模量割线模量()：指曲线上某特定点指曲线上某特定点与原点连线的斜率。通常取相当于抗压强度变与原点连线的斜率。通常取相当于抗压强度变点与原点连线的斜率点与原点连线的斜率:5050第29页，共41页，编辑于2022年，星期六2 2泊松比泊松比()()指岩石在单向受压时，横向应变指岩石在单向受压时，横向应变(D D)与轴向应变与轴向应变(L L)之比之比，即即DL在实际工作中，常采用抗压强度在实际工作中，常采用抗压强度5050的应变点的的应变点的横向应变与轴向应变计算泊松比。常见岩石的变形模横向应变与轴向应变计算泊松比。常见岩石的
33、变形模量与泊松比列于表量与泊松比列于表5 55 5中。中。实验研究表明，岩石的变形模量和泊松比往往具有各实验研究表明，岩石的变形模量和泊松比往往具有各向异性特征。当平行于微结构面加荷时，变形模量最大；向异性特征。当平行于微结构面加荷时，变形模量最大；而垂直微结构面的变形模量最小。两者的比值，沉积岩一而垂直微结构面的变形模量最小。两者的比值，沉积岩一般为般为1.08-2.051.08-2.05，变质岩为，变质岩为2.02.0左右。左右。第30页，共41页，编辑于2022年，星期六（三）循环荷载条件下的岩石变形特征（三）循环荷载条件下的岩石变形特征 岩石在循环荷载作用下的应力岩石在循环荷载作用下的
34、应力应变关系，随加卸荷方法及卸荷应力的不同而异。当在应变关系，随加卸荷方法及卸荷应力的不同而异。当在同一荷载条件下对试件加荷、卸荷时，如果卸荷点同一荷载条件下对试件加荷、卸荷时，如果卸荷点(P)(P)的应力低于岩石的弹性极限的应力低于岩石的弹性极限(A)(A)，则卸荷，则卸荷曲线将基本上沿加荷曲线回到原点表现为弹性恢复曲线将基本上沿加荷曲线回到原点表现为弹性恢复(图图5 56)6)。但应当注意，。但应当注意，大部分弹性变形大部分弹性变形在卸荷后能很快恢复，而小部分在卸荷后能很快恢复，而小部分(约约1010一一2020)，须经一段时间后才能恢复，这种现象称为弹，须经一段时间后才能恢复，这种现象称
35、为弹性后效。性后效。如果卸荷点如果卸荷点(P)(P)的应力高于弹性极限的应力高于弹性极限(A)(A)，则卸荷曲线从原来的加荷曲线偏，则卸荷曲线从原来的加荷曲线偏离出来离出来(图图5 57)7)。第31页，共41页，编辑于2022年，星期六 如果加荷、卸荷反复多次可得到如图如果加荷、卸荷反复多次可得到如图5 58 8所示的应力所示的应力应变曲线。每次加荷应变曲线。每次加荷曲线与卸荷曲线都不重合，围成一环形面积称为曲线与卸荷曲线都不重合，围成一环形面积称为回滞环回滞环。当每次卸荷后再加荷到原。当每次卸荷后再加荷到原来荷载并继续增加时来荷载并继续增加时(图图5 58a)8a)。则曲线沿着单调加荷曲线
36、上升，其形状与连续加荷情况。则曲线沿着单调加荷曲线上升，其形状与连续加荷情况基本一致。说明反复受荷过程并未改变岩石变形的基本习性。当应力在基本一致。说明反复受荷过程并未改变岩石变形的基本习性。当应力在弹性极限以上弹性极限以上的某一较高应力下反复加荷卸荷时的某一较高应力下反复加荷卸荷时(图图5 58b)8b)。第32页，共41页，编辑于2022年，星期六二、单向受力条件下的岩石强度二、单向受力条件下的岩石强度岩岩石石在在外外力力作作用用下下，当当达达到到或或超超过过某某一一极极限限值值时时，便便发发生生破破坏坏。可可将将其其分分为为拉拉断断破破坏坏和和剪剪断断破破坏坏两两种种基基本本类类型型。通
37、通常常把把岩岩石石抵抵抗抗外外力力破破坏坏的的能能力力称称为为强强度度。按按外外力力的的性性质质不不同同，又可分为抗压强度、抗拉强度及剪切强度等，分述如下。又可分为抗压强度、抗拉强度及剪切强度等，分述如下。(一一)岩石的抗压强度岩石的抗压强度岩岩石石单单向向受受压压时时能能承承受受的的最最大大压压应应力力，称称为为单单轴轴抗抗压压强强度度，简简称称抗抗压压强强度度，即即CP/A式式中中C为为抗抗压压强强度度(MPa)；P为为岩岩石石试试件件受受压压破破坏坏时时的的荷荷载载(N)，A为为试试件件断断面积面积(mm2)。岩石的抗压强度通常是通过压坏标准试件测定的。常见岩石的抗压强度值岩石的抗压强度
38、通常是通过压坏标准试件测定的。常见岩石的抗压强度值列于表列于表56。第33页，共41页，编辑于2022年，星期六(二二)岩石的抗拉强度岩石的抗拉强度岩岩石石试试件件单单向向受受拉拉时时，能能承承受受的的最最大大拉拉应应力力称称为为岩岩石石的的抗抗拉拉强强度度虽虽然然在在工工程程实实践践中中通通常常不不允允许许拉拉应应力力出出现现，但但拉拉断断破破坏坏仍仍是是工工程程岩岩体体及及自自然然界界岩岩体体主主要要的的破破坏坏方方式式之之一一而而且且岩岩石石抵抵抗抗拉拉应应力力的的能能力力最最低低。因因此此，抗拉强度是一个非常重要的岩石力学指标。抗拉强度是一个非常重要的岩石力学指标。测测定定岩岩石石抗抗
39、拉拉强强度度的的方方法法有有直直接接拉拉伸伸法法和和间间接接拉拉伸伸法法两两种种。由由于于直直接接法法的的试试件件制制备备困困难难和和实实验验技技术术的的复复杂杂性性，目目前前多多采采用用间间接接法法其其中中又又以以劈裂法和点荷载实验最常用。劈裂法和点荷载实验最常用。劈劈裂裂法法是是把把圆圆柱柱体体或或立立方方体体试试件件横横置置于于压压力力机机的的承承压压板板上上。并并在在试试件件与与上上下下承承压压板板间间各各放放一一根根垫垫条条然然后后以以一一定定加加荷荷速速率率加加压压，直直至至试试件件破破坏坏(图图59)。按下式计算岩石的抗拉强度，即。按下式计算岩石的抗拉强度，即t2Pt 式中：式中
40、：t为岩石的抗拉强度为岩石的抗拉强度(MPa)，Pt为试件破坏荷载为试件破坏荷载(N)；D为试件直径为试件直径(mm)，l为试件长度为试件长度(mm)。第34页，共41页，编辑于2022年，星期六(三三)岩石的剪切强度岩石的剪切强度岩岩石石受受剪剪力力作作用用时时抵抵抗抗剪剪切切破破坏坏的的最最大大剪剪应应力力，称称为为剪剪切切强强度度。岩岩石石的的剪剪切切强强度度与与土土一一样样，也也是是由由内内聚聚力力(C)(C)和和内内摩摩擦擦阻阻力力(tg)(tg)两两部部分分组组成成的的，只只是是它它们们都都比比土土大大些些，这这与与岩岩石石具具有有牢牢固固的的连连结结有有关关。按按实实验验方方法法
41、的的不不同同，所所测测定定的的剪剪切切强强度度的的含含义义也也不不同同，通通常分为以下常分为以下3 3种剪切强度种剪切强度(图图5-10)5-10)。(1)(1)抗抗剪剪断断强强度度 指指在在一一定定的的法法向向应应力力作作用用下下，沿沿预预定定剪剪切切面面剪剪断断时时的的最最大大剪应力剪应力(图图5 510a)10a)。它反映了岩石的内聚力和内摩擦阻力。它反映了岩石的内聚力和内摩擦阻力。(2)(2)抗抗剪剪(摩摩擦擦)强强度度 指指在在一一定定的的法法向向应应力力作作用用下下。沿沿已已有有破破裂裂面面再再次次剪剪坏坏时时的的最最大大剪剪应应力力(图图5 510b)10b)。它它反反映映了了岩
42、岩石石中中微微结结构构面面(裂裂隙隙、层层理理等等)或或人人工工破破裂裂面面上上的摩擦阻力的摩擦阻力(tg)。(3)(3)抗切强度抗切强度 指法向应力为零时，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力指法向应力为零时，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力(图图5 5l0c)l0c)。它反映了岩石的内聚力。它反映了岩石的内聚力(C)。第35页，共41页，编辑于2022年，星期六三、三向应力条件下的岩石变形与强度三、三向应力条件下的岩石变形与强度作作为为建建筑筑物物地地基基或或环环境境的的工工程程岩岩体体，经经常常处处于于三三向向应应力力状状态态中中。为为此此研研究究岩岩石石在在三三向向应应力力下下的的变变形形与与
43、强强度度是是很很重重要要的的。岩岩体体中中的的三三向向应应力力状状态态可可用用1，2，3三个主应力表示。三个主应力表示。为为了了研研究究岩岩石石在在三三向向应应力力下下的的变变形形与与强强度度常常进进行行两两种种应应力力状状态态下下的的三三轴实验：轴实验：1230，称为不等压三轴或真三轴实验；，称为不等压三轴或真三轴实验；1230，称称为为假假三三轴轴或或常常规规三三轴轴实实验验，以以后后者者使使用用最最普普遍遍，本本节节重重点点介介绍这种实验方法及其成果。绍这种实验方法及其成果。岩石常规三轴实验，是将包有隔油薄膜的试件置于密闭高压容器内，先施加岩石常规三轴实验，是将包有隔油薄膜的试件置于密闭
44、高压容器内，先施加预定的围压预定的围压3。然后以一定的速率加轴向应力。然后以一定的速率加轴向应力1，至试件破坏。在加轴压的过，至试件破坏。在加轴压的过程中同时测定试件的应变值。通过对一组试件的实验，可得到程中同时测定试件的应变值。通过对一组试件的实验，可得到(13)曲线及强度包络线，进而求得岩石的强度与变形参数。研究表明：围压曲线及强度包络线，进而求得岩石的强度与变形参数。研究表明：围压对岩石的变形、破坏及强度都有很大的影响，主要表现在如下两方面。对岩石的变形、破坏及强度都有很大的影响，主要表现在如下两方面。第36页，共41页，编辑于2022年，星期六(一一)围压对岩石变形破坏的影响围压对岩石
45、变形破坏的影响有有围围压压作作用用时时，岩岩石石的的变变形形特特征征与与单单向向受受压压时时不不尽尽相相同同。如如图图5 51111所所示示，首首先先，岩岩石石破破坏坏前前的的应应变变随随围围压压增增大大而而增增加加。另另外外随随围围压压增增大大，岩岩石石的的塑塑性性也也不不断断增增大大，即即随随围围压压加加大大，岩岩石石逐逐渐渐由由脆脆性性转转化化为为延延性性(即即岩岩石石能能承承受受大大量量永永久久变变形形而而不不致致破破坏坏的的性性质质)。如如图图5 51111中中的的大大理理岩岩，在在围围压压为为零零或或较较低低时时，岩岩石石呈呈现现出出脆脆性性状状态态；当当围围压压增增大大至至50M
46、Pa50MPa时时，显显示示出出由由脆脆性性向向塑塑性性转转化化的的过过渡渡状状态态；围围压压增增加加到到68685MPa5MPa，呈呈现现出出延延性性流流动动；围围压压到到165MPa165MPa时时，则则岩岩石石屈屈服服后后的的应应力力差差值值随随应应变变的的增增加加而而稳稳定增长，出现所谓应变硬化现象。定增长，出现所谓应变硬化现象。第37页，共41页，编辑于2022年，星期六围围压压对对岩岩石石变变形形模模量量的的影影响响常常因因岩岩性性而而异异。对对坚坚硬硬少少裂裂隙隙的的岩岩石石影影响响较较小小，而而对对软软弱弱多多隙隙的的岩岩石石影影响响较较大大。研研究究表表明明，对对砂砂岩岩来来
47、说说随随围围压压增增加加其其变变形形模模量量在在屈屈服服前前可可提提高高2020而而到到接接近近破破坏坏前前则则下下降降2020一一4040。但但总总的的说说来来，随随着着围围压压的的增增加加，岩岩石石的的变变形形模模量量和和泊泊松比都有一定程度的提高。松比都有一定程度的提高。这时的变形模量可用下式确定这时的变形模量可用下式确定E（123）式中：式中：为轴向应变；为轴向应变；3为围压；为围压；1为轴向应力；为轴向应力；为泊松比为泊松比 (二二)围压对岩石强度的影响围压对岩石强度的影响随随着着围围压压增增大大，岩岩石石的的强强度度也也不不断断增增大大。通通常常把把三三向向受受压压时时能能承承受受
48、的的最最大大主主压压应应力力称称为为岩岩石石的的三三轴轴压压缩缩强强度度。研研究究表表明明：在在低低围围压压下下，岩岩石石的的强强度度包包络络线线近近似似为为直直线线，这这时时，三轴压缩强度三轴压缩强度(1m)、围压、围压(3)；剪切强度；剪切强度(C，)及抗压强度及抗压强度(c)间的关系如下：间的关系如下：1m32C或或1m3C第38页，共41页，编辑于2022年，星期六四、岩石的蠕变特性四、岩石的蠕变特性岩岩石石在在大大小小和和方方向向不不变变的的外外力力作作用用下下，变变形形量量随随时时间间延延续续而而不不断断增增长长的的现现象象称之为岩石的蠕变称之为岩石的蠕变。蠕蠕变变现现象象常常可可
49、在在斜斜坡坡和和地地下下洞洞室室围围岩岩中中直直接接观观测测到到。在在工工程程实实践践中中，往往往往并并非非岩岩体体的的强强度度不不够够，而而是是由由于于蠕蠕变变使使岩岩体体产产生生了了过过量量的的变变形形，进进而而使使建建筑筑物物产产生生破破坏坏。因因此此在在某某些些情情况况下下，只只按按岩岩体体的的强强度度来来进进行行设设计计是是不不安安全全的的，应该考虑岩石蠕变特性的影响。应该考虑岩石蠕变特性的影响。岩岩石石的的蠕蠕变变特特性性主主要要取取决决于于岩岩石石本本身身的的性性质质。如如图图512为为花花岗岗岩岩、页页岩岩和和砂砂岩岩3种种岩岩石石在在室室温温和和10MPa压压应应力力条条件件
50、下下的的蠕蠕变变曲曲线线。由由图图512可可知知，像像花花岗岗岩岩一一类类的的坚坚硬硬岩岩石石，其其蠕蠕变变变变形形很很小小，常常可可忽忽略略；而而像像页页岩岩、泥泥岩岩一一类类的的软软弱弱岩岩石石其其蠕蠕变变变变形形往往往往很很大大，并并导导致致蠕蠕变变破破坏坏，必须引起重视，以便更切合实际地评价岩石变形及其稳定性。必须引起重视，以便更切合实际地评价岩石变形及其稳定性。第39页，共41页，编辑于2022年，星期六实实验验研研究究表表明明当当在在岩岩石石试试件件上上施施加加一一恒恒定定的的荷荷载载时时，岩岩石石立立即即产产生生然然后后，便便进进入入蠕蠕变变变变形形一一般般可可将将蠕蠕变变变变形