巖石工程地質(zhì)性質(zhì)第一頁，共五十一頁，2022年，8月28日

§6.1巖石的物理性質(zhì)

一、巖石的密度 二、巖石的空隙性

§6.2巖石的水理性質(zhì) 一、巖石的吸水性 二、巖石的軟化性 三、巖石的抗凍性 四、巖石的透水性§6.3巖石的力學(xué)性質(zhì)第二頁，共五十一頁，2022年，8月28日§6.1巖石的物理性質(zhì)巖石和土一樣，也是由固體、液體和氣體三相組成的。定義：物理性質(zhì)是指巖石由于三相組成的相對比例關(guān)系不同所表現(xiàn)的物理狀態(tài)。1、巖石的密度2、巖石的空隙性第三頁，共五十一頁，2022年，8月28日一、巖石的密度

1、顆粒密度(ρs)

ρs=ms/Vs2、塊體密度(ρ)

ρ=m/V

注意：（1）ρs與ρ的區(qū)別(ρs>ρ)（2）ρs與ρ的單位（g/cm3kN/m3）（3）測試方法（ρs---比重瓶法；ρ--量積法）第四頁，共五十一頁，2022年，8月28日常見巖石的物理性質(zhì)指標(biāo)值第五頁，共五十一頁，2022年，8月28日二、巖石的空隙性總空隙率(n)總開空隙率(no)大開空隙率(nb)小開空隙率(na)閉空隙率(nc)

巖石的空隙(裂隙、孔隙)

閉空隙開空隙大開空隙小開空隙隙比巖石空隙率第六頁，共五十一頁，2022年，8月28日§6.2巖石的水理性質(zhì)定義：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：1.吸水性2.軟化性3.抗凍性4.透水性

第七頁，共五十一頁，2022年，8月28日一、巖石的吸水性定義：巖石在一定的試驗(yàn)條件下吸收水分的能力，稱為巖石的吸水性。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(zhì)量(mw1)與巖樣干質(zhì)量(ms)之比，用百分?jǐn)?shù)表示

第八頁，共五十一頁，2022年，8月28日2.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(zhì)量(mw2)與巖樣干質(zhì)量(ms)之比，用百分?jǐn)?shù)表示，即3.飽水系數(shù)巖石的吸水率(Wa)與飽和吸水率(Wp)之比，稱為飽水系數(shù)。它反映了巖石中大、小開空隙的相對比例關(guān)系。第九頁，共五十一頁，2022年，8月28日幾種巖石的吸水性指標(biāo)值第十頁，共五十一頁，2022年，8月28日二、巖石的軟化性巖石浸水飽和后強(qiáng)度降低的性質(zhì)，稱為軟化性，軟化系數(shù)(KR)為巖石試件的飽和抗壓強(qiáng)度(σcw)與干抗壓強(qiáng)度(σc)的比值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(qiáng)，軟化系數(shù)較小。KR＞0.75，巖石的軟化性弱，工程地質(zhì)性質(zhì)較好KR＜0.75，巖石軟化性較強(qiáng)，工程地質(zhì)性質(zhì)較差第十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日常見巖石的物理性質(zhì)指標(biāo)值第十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日巖石的抗凍性是指巖石抵抗凍融破壞的性能，是評價巖石抗風(fēng)化穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。巖石的抗凍性用抗凍系數(shù)Cf表示，指巖石試樣在±250C的溫度期間內(nèi)，反復(fù)降溫、凍結(jié)、融解、升溫，然后測量其抗壓強(qiáng)度的下降值（σc-σcf）,以此強(qiáng)度下降值與融凍試驗(yàn)前的抗壓強(qiáng)度σc之比的百分比代表抗凍系數(shù)Cf，即可見：抗凍系數(shù)Cf

越小，巖石抗凍融破壞的能力越強(qiáng)。三、巖石的抗凍性第十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日三、巖石的抗凍性抗凍系數(shù)(Rd)：巖石試件經(jīng)反復(fù)凍融后的干抗壓強(qiáng)度(σc2)與凍融前干抗壓強(qiáng)度(σc1)之比，用百分?jǐn)?shù)表示質(zhì)量損失率(Km)：凍融試驗(yàn)前后干質(zhì)量之差(ms1－ms2)與試驗(yàn)前干質(zhì)量(ms1)之比，以百分?jǐn)?shù)表示Rd＞75％，Km＜2％，抗凍性高吸水率Wa＜5％、軟化系數(shù)KR＞0.75，飽水系數(shù)小于0.8的巖石，抗凍性高。第十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日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(zhì)，稱為透水性。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，因而在一定的壓力作用下，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(shí)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(yàn)而測定的。一般認(rèn)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(guī)律——達(dá)西定律，即四、巖石的透水性第十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日幾種巖石的滲透系數(shù)值第十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日巖石的碎脹性巖石破碎后的體積VP比原體積V增大的性能稱為巖石的碎脹性，用碎脹系數(shù)ξ來表示。碎脹系數(shù)不是一個固定值，是隨時間而變化的。

永久碎脹系數(shù)（殘余碎脹系數(shù)）――不能再壓密時的碎脹系數(shù)稱為永久碎脹系數(shù).第十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日§6.3巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石的強(qiáng)度：巖石抵抗外力作用的能力，巖石破壞時能夠承受的最大應(yīng)力。

a.單向抗壓強(qiáng)度

b.單向抗拉強(qiáng)度

c.剪切強(qiáng)度

d.三軸抗壓強(qiáng)度

巖石的變形：巖石在外力作用下發(fā)生形態(tài)（形狀、體積）變化。

a.單向壓縮變形

b.反復(fù)加載變形

c.三軸壓縮變形

d.剪切變形第十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日巖石的變形特性彈性：指物體在外力作用下發(fā)生變形，當(dāng)外力撤出后變形能夠恢復(fù)的性質(zhì)。塑性：指物體在外力作用下發(fā)生變形，當(dāng)外力撤出后變形不能恢復(fù)的性質(zhì)。脆性：物體在外力作用下變形很小時就發(fā)生破壞的性質(zhì)。延性：物體能夠承受較大的塑性變形而不喪失其承載能力的性質(zhì)。粘性（流變性）：物體受力后變形不能在瞬間完成，且應(yīng)變速度（dε/dt）隨應(yīng)力大小而變化的性質(zhì)。第十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日彈性變形塑性變形線彈性變形非線彈性變形變形第二十頁，共五十一頁，2022年，8月28日巖石強(qiáng)度與外力有關(guān)a.外力性質(zhì)：動載荷、靜載荷b.外力方式：拉伸、壓縮、剪切C.應(yīng)力狀態(tài)：單向、雙向、三向第二十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日1巖石單軸抗壓強(qiáng)度1）定義：巖石在單軸壓縮荷載作用下達(dá)到破壞前所能承受的最大壓應(yīng)力稱為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度(Uniaxialcompressivestrength)，或稱為非限制性抗壓強(qiáng)度(unconfinedcompressivestrength)。如圖所示。2）計算公式：

σc=P/A第二十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日3）4種破壞形式：1.X狀共軛斜面剪切破壞，是最常見的破壞形式。2.單斜面剪切破壞，這種破壞也是剪切破壞。3.塑性流動變形，線應(yīng)變≥10％。4.拉伸破壞，在軸向壓應(yīng)力作用下，在橫向?qū)a(chǎn)生拉應(yīng)力。這是泊松效應(yīng)的結(jié)果。這種類型的破壞就是橫向拉應(yīng)力超過巖石抗拉極限所引起的。第二十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日4)實(shí)驗(yàn)方法a.試件標(biāo)準(zhǔn)立方體50×50×50mm或70×70×70mm圓柱體，但使用最廣泛的是圓柱體。圓柱體直徑D一般不小于50mm。L/D=2.5~3.0（國際巖石力學(xué)委員會ISRM建議的尺寸）要求：兩端不平度0.5mm；尺寸誤差±0.3mm；兩端面垂直于軸線誤差±0.25度。加載速率：0.5～0.8Pa/s第二十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日b.非標(biāo)準(zhǔn)試件的對試驗(yàn)結(jié)果的影響及其修正第二十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日c.壓縮實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖(500t壓力機(jī))第二十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日d.端部效應(yīng)及其消除方法端部效應(yīng):消除方法:①潤滑試件端部（如墊云母片；涂黃油在端部）②加長試件

第二十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日5)水對單軸抗壓強(qiáng)度的影響－軟化系數(shù)巖石的軟化系數(shù)：飽和巖石抗壓強(qiáng)度σb與干燥巖石抗壓強(qiáng)度σc之比η=σb/

σc≤1第二十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日2巖石單軸抗拉強(qiáng)度1）定義：巖石在單軸拉伸荷載作用下達(dá)到破壞時所能承受的最大拉應(yīng)力稱為巖石的單軸抗拉強(qiáng)度(Tensilestrength),。試件在拉伸荷載作用下的破壞通常是沿其橫截面的斷裂破壞，巖石的拉伸破壞試驗(yàn)分直接試驗(yàn)和間接試驗(yàn)兩類。第二十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日2)直接拉伸試驗(yàn)加載和試件示意圖第三十頁，共五十一頁，2022年，8月28日計算公式：破壞時的最大軸向拉伸荷載(Pt)除以試件的橫截面積(A)。即：

σt=Pt/A第三十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日2)直接拉伸試驗(yàn)加載和試件示意圖－（續(xù)）第三十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日3)間接拉伸試驗(yàn)加載和試件示意圖巴西試驗(yàn)法（Braziliantest），俗稱劈裂試驗(yàn)法。a.試件:為一巖石圓盤，加載方式如圖所示。實(shí)際上荷載是沿著一條弧線加上去的，但孤高不能超過圓盤直徑的1/20。第三十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日b.應(yīng)力分布：圓盤在壓應(yīng)力的作用下，沿圓盤直徑y(tǒng)—y的應(yīng)力分布和x—x方向均為壓應(yīng)力。而離開邊緣后，沿y—y方向仍為壓應(yīng)力，但應(yīng)力值比邊緣處顯著減少。并趨于均勻化；x—x方向變成拉應(yīng)力。并在沿y—y的很長一段距離上呈均勻分布狀態(tài)。c.破壞原因：從圖可以看出，雖然拉應(yīng)力的值比壓應(yīng)力值低很多，但由于巖石的抗拉強(qiáng)度很低，所以試件還是由于x方向的拉應(yīng)力而導(dǎo)致試件沿直徑的劈裂破壞。破壞是從直徑中心開始，然后向兩端發(fā)展，反映了巖石的抗拉強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度要低得多的事實(shí)。第三十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日d.計算公式：

σt=σx=-2P/πdt

σy=(1/r1+1/r2-1/d)2P/πt圓盤中心處：

σt=σx=-2P/πdt

σy=6P/πdt第三十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日3抗剪切強(qiáng)度

1)定義：巖石在剪切荷載作用下達(dá)到破壞前所能承受的最大剪應(yīng)力稱為巖石的抗剪切強(qiáng)度（Shearstrength）。剪切強(qiáng)度試驗(yàn)分為非限制性剪切強(qiáng)度試驗(yàn)（Unconfinedshearstrengthtest）和限制性剪切強(qiáng)度試驗(yàn)（Confinedshearstrengthtest）二類。非限制性剪切試驗(yàn)在剪切面上只有剪應(yīng)力存在，沒有正應(yīng)力存在；限制性剪切試驗(yàn)在剪切面上除了存在剪應(yīng)力外，還存在正應(yīng)力。第三十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日2）四種典型的非限制性剪切強(qiáng)度試驗(yàn)：a.單面剪切試驗(yàn)，b.沖擊剪切試驗(yàn),c.雙面剪切試驗(yàn)，d.扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)，分別見圖。第三十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日3）非限制性剪切強(qiáng)度記為So計算公式：（a）單面剪切試驗(yàn)So=Fc/A（b）沖擊剪切試驗(yàn)So=Fc/2πra（c）雙面剪切試驗(yàn)So=Fc/2A（d）扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)So=16Mc/πD3式中：Mc—試件被剪斷前達(dá)到的最大扭矩（N?m）

D—試件直徑（m）第三十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日4）四種典型的限制性剪切強(qiáng)度試驗(yàn)a.直剪儀（剪切盒）壓剪試驗(yàn)（單面剪）b.立方體試件單面剪試驗(yàn)c.試件端部受壓雙面剪試驗(yàn)d.角模壓剪試驗(yàn)（變角剪切試驗(yàn)）第三十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日5)Hoek直剪儀試驗(yàn)裝置第四十頁，共五十一頁，2022年，8月28日6）角模壓剪試驗(yàn)及受力分析示意圖在壓力P的作用下，剪切面上可分解為沿剪切面的剪力Psinα/A和垂直剪切面的正應(yīng)力Pcosα/A，如圖所示。第四十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日7）限制性剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及其分析①試驗(yàn)結(jié)果：剪切面上正應(yīng)力越大，試件被剪破壞前所能承受的剪應(yīng)力也越大。原因：剪切破壞一要克服內(nèi)聚力，二要克服摩擦力，正應(yīng)力越大，摩擦力也越大。將破壞時的剪應(yīng)力和正應(yīng)力標(biāo)注到σ-τ應(yīng)力平面上就是一個點(diǎn)，不同的正、剪應(yīng)力組合就是不同的點(diǎn)。將所有點(diǎn)連接起來就獲得了莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線，如圖所示。第四十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日②殘余強(qiáng)度：當(dāng)剪切面上的剪應(yīng)力超過了峰值剪切強(qiáng)度后，剪切破壞發(fā)生，然后在較小的剪切力作用下就可使巖石沿剪切面滑動。能使破壞面保持滑動所需的較小剪應(yīng)力就是破壞面的殘余強(qiáng)度。正應(yīng)力越大，殘余強(qiáng)度越高，如圖所示。所以只要有正應(yīng)力存在，巖石剪切破壞面仍具有抗剪切的能力。第四十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日4三軸抗壓強(qiáng)度

1)定義：巖石在三向壓縮荷載作用下，達(dá)到破壞時所能承受的最大壓應(yīng)力稱為巖石的三軸抗壓強(qiáng)度(Triaxialcompressivestrength)。與單軸壓縮試驗(yàn)相比，試件除受軸向壓力外，還受側(cè)向壓力。側(cè)向壓力限制試件的橫向變形，因而三軸試驗(yàn)是限制性抗壓強(qiáng)度(confinedcompressivestrength)試驗(yàn)。第四十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日2)實(shí)驗(yàn)加載方式：a.真三軸加載:試件為立方體，加載方式如圖所示。應(yīng)力狀態(tài)：σ1>σ2>

σ3這種加載方式試驗(yàn)裝置繁雜，且六個面均可受到由加壓鐵板所引起的摩擦力，對試驗(yàn)結(jié)果有很大影響，因而實(shí)用意義不大。故極少有人做這樣的三軸試驗(yàn)。b.假三軸試驗(yàn):，試件為圓柱體，試件直徑25~150mm，長度與直徑之比為2：1或3：1。加載方式如圖所示，軸向壓力的加載方式與單軸壓縮試驗(yàn)時相同。但由于有了側(cè)向壓力，其加載上時的端部效應(yīng)比單軸加載時要輕微得多。應(yīng)力狀態(tài)：σ1>σ2=σ3第四十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日三軸壓縮試驗(yàn)加載示意圖真三軸σ1>σ2>

σ3假三軸σ1>σ2=σ3第四十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日3)假三軸試驗(yàn)裝置圖：由于試件側(cè)表面已被加壓油缸的橡皮套包住，液壓油不會在試件表面造成摩擦力，因而側(cè)向壓力可以均勻施加到試件中。其試驗(yàn)裝置示意圖如下。第四十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日4)第一個經(jīng)典三軸試驗(yàn)a.試驗(yàn)者和時間：意大利人馮·卡門(Von·Karman)于1911年完成的。b.試驗(yàn)巖石：白色圓柱體大理石試件，該大理石具有很細(xì)的顆粒并且是非常均質(zhì)的。c.試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：①在圍壓為零或較低時，大理石試件以脆性方式破壞，沿一組傾斜的裂隙破壞。②隨著圍壓的增加，試件的延性變形和強(qiáng)度都不斷增加，直至出現(xiàn)完全延性或塑性流動變形，并伴隨工作硬化，試件也變成粗腰桶形的。③在試驗(yàn)開始階段，試件體積減小，當(dāng)達(dá)到抗壓強(qiáng)度一半時，出現(xiàn)擴(kuò)容，泊松比迅速增大。第四十八頁，共五十