岩体的工程地质研究

1第3章岩体的工程地质研究第1节岩石和岩体的基本特性第2节岩石的物理性质指标第3节岩石和岩体的力学性质第4节岩体工程地质研究2第1节岩石和岩体的基本特性※岩石：是指经过地质作用而天然形成的矿物集合体。按其成因可分为三类：火成岩（岩浆岩）、变质岩和沉积岩。※岩体：指由结构面和被结构面所分割的岩石构成的整体。※结构面: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。※结构体:指岩体被结构面切割后形成的岩石块体。3结构体的形状4玄武岩的原生柱状裂隙5一、岩石和岩体的特性与土相比较，岩石和岩体有以下特性：1.力学强度高：抗压强度最高可达100MPa以上。2.抗水性强：一般岩石的抗水性较强（含有大量可溶盐类的岩石除外）。3.不均匀性、各向异性和不连续性：是复杂的“地球介质”。4.强度、压缩性受结构面发育程度、风化特性及岩溶作用控制6二、岩体工程地质研究的重点与目的1.岩体的工程地质研究应以较软弱的岩体为主要对象，岩体的构造破坏、软弱夹层及风化程度等应是研究的重点；2.岩体工程地质研究的主要目的是评价岩体的稳定性。岩体的稳定性主要取决于岩体强度，而不是岩石强度。岩体强度取决于构造强度，构造强度则主要受岩体中的结构面控制。因此物理力学性质的试验工作应密切结合工程地质实际条件来进行。7第2节岩石的物理性质指标用数值来描述岩石的物理性质，这些数值就是岩石的物理性质指标。※岩石的密度和重度1.密度：岩石单位体积（包括岩石成分中的固、液、气三相）的质量，单位为g/cm3或kg/m3。岩石的密度大小与其成因及生成环境有关。82.重度：岩石单位体积（包括岩石成分中的固、液、气三相）的重量。岩石的重度与岩石的组成矿物及岩石的结构有关。按岩石含水状况不同分为饱和重度、湿重度和干重度。岩石重度的大小在一定程度上可反映岩石的力学性质。通常重度大的岩石，其强度就高，故由重度指标可间接判断岩石强度特性。9※岩石的比重ds比重：是岩石的固相重量与固相体积之比，通常以固相质量与同体积的4摄氏度水的质量之比来表示。岩石的比重取决于其组成矿物的比重。矿物的比重越大，则岩石的比重也越大。一般岩石的比重介于2.5~3.3之间。101.孔隙率（n）：为岩石的孔隙体积Vv与岩石总体积V之比。用百分数表示为%100VVnv由于岩石的孔隙主要包括粒间孔隙和微裂隙，所以孔隙率也是判定岩石质量的重要物理性质指标。※岩石的孔隙率n、吸水率Wa和饱水率Wsa风化程度是影响岩石孔隙率的主要因素。未风化岩的n=0.13~1.0%；风化严重岩石的n=30~40%。11三种孔隙率概念：①总孔隙率n：岩石中全部孔隙体积与岩石体积之比。②开孔孔隙率n1：与大气相通或能被水充满的孔隙体积与岩石体积之比。③闭孔孔隙率n2：不与大气相通的孔隙体积与岩石体积之比。122.吸水率（Wa）和饱水率（Wsa）岩石的吸水性是岩石的水理性质，常用吸水率和饱水率两个指标来表示。①吸水率Wa：指岩石在通常大气压力下吸入水的重量gw1与岩石的干重gd之比dwaggW113②饱水率Wsa：是岩石在一定的高压条件下（一般为150个大气压）或在真空条件下吸入水的重量gw2与岩石的干重gd之比dwsaggW2在这样的压力条件下，通常认为水能够进入到所有的敞开裂隙和孔隙中去。14一般在试验室条件下，采用高压设备较为复杂，故多用真空抽气法来测定岩石的饱水率。岩石的吸水性主要与岩石本身的孔隙或裂隙有关。吸水率可以反映出开口较宽孔隙（或裂隙）的体积大小，而饱水率可以反映出全部开口孔隙（或裂隙）的体积大小。15显然，吸水率值小于饱水率值。二者之差可以反映在常压条件下水并不能渗入的细小孔隙（或裂隙）的体积大小。换句话说，在正常大气压力下，岩石浸水后，水只能浸入到开口的宽孔隙（或裂隙）中，只有在一定的高压条件下，水才能浸入到全部开口的孔隙中。dwaggW1dwsaggW2大小关系？16③饱水系数Kw：为吸水率Wa与饱水率Wsa的比值。saa饱水系数愈大，说明岩石中开口较宽的孔隙（或裂隙）愈多。一般岩石的饱水系数在0.4~0.8之间。17岩石的饱水系数能间接地说明岩石的抗冻性。当浸入岩石裂隙中的水结冰时，其体积约增加9%，从而对原来含水的孔隙壁产生压力。当饱水系数小于0.91时，即较宽开口孔隙与总开口孔隙体积之比小于0.91，在结冻时由于尚有未被水充填的窄开口孔隙，因而水体有膨胀的余地。当岩石的饱水系数大于0.91时，就要考虑水结冰时体积膨胀对孔隙壁产生的巨大压力，因为在这种情况下，水结冰时，没有足够多的开口孔隙来容纳由于冻结而膨胀的水体积，而导致岩石破裂。18第3节岩石和岩体的力学性质岩体在外界荷载作用下所表现出的性状，称为岩体的力学性质。它包括变形和强度两个方面。岩体的力学性质与建筑物的稳定性有着密切的关系。19一、岩体的变形1.岩体的变形特性应力应变20实际上，岩石并非理想的弹脆性体，它在破坏前，不仅发生弹性应变，还会发生一定的塑性应变。这时，破坏前的应变由弹性应变和塑性应变两部分组成。弹性应变是可逆的，外力卸除后弹性应变就会恢复。而塑性应变是不可逆的，外力卸除后，塑性应变不能恢复。弹性区和塑性区的应力分界点是弹性极限。应力应变21试验资料表明，单向加压情况下的岩石应力~应变曲线主要有以下四种型式：①直线型②下凹曲线型③上凹曲线型④S型曲线22岩石在三向压力作用下的变形性质。在单向应力条件下，岩石在变形不大时即发生脆性破坏；随着侧向压力的增加，岩石由脆性转变为塑性的现象是明显的，岩石的峰值强度及破坏前的塑性应变均随之增大。31232.岩石变形特性指标及其测定方法岩石的变形特性常用变形模量和泊松比表示。变形模量和泊松比，除在室内测定外，可在实地现场直接测定，现场测定一般能较好地反映岩体的变形特性。在室内，大多数是将试件放在压力机中加压，并测量其垂直和横向变形。24在现场测定变形模量有两种方法，即静力法和动力法。动力法利用震源产生弹性波，测定波在岩体中的传播速度，然后按照弹性理论公式算出变形模量和泊松比。动力法与静力法相比较，前者简便、效率高，可以在各种露头上进行试验，也可在钻孔中进行。大量采用钻孔进行静力法试验不太现实。但动力法所利用的是弹性波，不能完全反映出岩体的细裂隙情况和岩体的非弹性变形情况。因此，动力法和室内静力法一样，所测得的变形模量值比现场静力法所测结果要大。253.岩体变形影响因素的分析岩体的变形模量及泊松比并非常数：①因为岩体是各向异性的；②变形特性指标的数值取决于作用在岩体上力的大小及作用时间的长短。影响岩体变形特性指标的因素包括：①岩体本身的因素岩体本身的因素，主要为岩体结构、构造的影响，一般是指岩层层理及裂隙等对岩体变形的影响。26层理的影响主要表现为岩体变形的各向异性。27裂隙对岩体变形也有很大影响，岩体的变形主要是闭合、张开裂隙的变形，且与裂隙的产状、性质及充填物质有关。28②试验时岩体状态的因素岩体状态对变形模量的影响也很大，例如，风化岩石比新鲜岩石变形模量小得多；岩石含水量的增加，会使变形模量减小。③试验条件的因素（如历时长短、应力大小及加荷方式等）试验方法对变形模量的影响，明显地表现在静力法和动力法所得结果的差异上。如前所述，一般动力法所得Ed值比静力法的Es值要大1~2倍，风化岩体则相差更大。29两个方法的主要差别是：①静力法反映的是小范围内的岩体性状，而动力法反映的岩体范围较大，可以包括宽度较大的裂隙；②静力法的载荷常达岩体极限强度的25~100%，作用的时间长（数分钟内测出），而动力法为冲击力，应力小，作用的时间很短（约0.01秒）。目前，生产中一般以静力法所得E值作为主要设计选值依据，而以动力法结果作为参考。此外，加荷速度和试验压力的大小对变形模量也是有影响的，E值随加荷速度的增加而增大；试验压力大时，所得E值要小一些。30二、岩体的强度岩体抵抗外荷作用的极限能力称为强度。广义强度包括抗压强度、抗剪强度、抗拉强度等。岩体通常是一个不连续体，不连续面由宏观的断层、节理、裂隙和微观的晶面、微裂隙组成。小型试件测得的岩体强度，称为岩体的材料强度——岩石强度；包括不连续面的试件测得的岩体强度，则称之为岩体强度，可以通过大型的岩体试验测得。显然，岩体的材料强度是岩体可能的最大强度。311.抗压强度岩体的抗压强度或单轴抗压强度就是在单向压力作用下使试样破坏的单位面积的极限荷载。岩体的抗压强度多在室内测定，将一定尺寸的试样放在压力机上，逐渐增加垂直压力，至岩体开始破坏为止。测定岩体抗压强度的试样有圆柱体及立方体两种形状。圆柱体即为钻孔岩芯，圆柱体的高和直径应保持2:1的比例，标准试样的直径为5cm，高度为10cm。立方体的尺寸一般取5×5×5cm3、7×7×7cm3或10×10×10cm3。岩体的非均匀性愈大，试样也应愈大。32建筑物基础传递给地基的压力，一般都小于2MPa。因此，岩体的抗压强度在绝大多数情况下，是完全可以满足要求的。由于抗压强度的测定较为方便，并由它引出了不少求其他指标的经验近似公式，所以作为岩体的力学特性指标，抗压强度被广泛采用。※影响岩体抗压强度的主要因素:a.岩体的结构、构造b.裂隙和风化作用c.试验条件（含水情况、加荷速率、试件尺寸、岩体所处的应力状态）332.抗剪强度岩体抵抗剪切破坏的极限能力，称为抗剪强度。岩体的抗剪强度决定着建筑物的抗滑稳定性。由于剪切情况不同，故有3种强度，即抗剪断强度、抗剪强度和抗切强度。34a.抗剪断强度岩体的抗剪断强度，是指在一定压力下，岩体被剪断时剪破面上的最大剪应力。它常用来确定混凝土与岩石胶结面或岩石本身所能承受的最大剪应力。压应力与抗剪断强度的关系式为tgc35与土体一样，摩擦系数及粘聚力c是决定岩体抗剪断强度的实质性指标。岩体的抗剪断试验，还可以在三轴压缩状况下进行。岩体三轴试验的目的在于了解岩体在复杂应力状态下的强度，常采用等围压（）的压缩方式，需要具备专门的岩体三轴应力试验机。tg321对同一组岩体试样的试件，可求得不同侧向压力条件下岩体的极限强度。根据相应的和可绘制数个莫尔破坏圆，然后作这些圆的包络线，以求得c、值。1336b.抗切强度岩体的抗切强度是指在没有垂直压应力作用下，岩体剪断时破坏面上的最大剪应力。其表达式为，即，岩体的抗切强度为岩体的粘聚力。因此，抗切试验求得的c值比抗剪断试验的c值准确。c37测定方法是将试样块体放在另一试样块体上，在法向荷载作用下施加剪切力，以测定两块岩石接触面之间的摩擦力。由于两块岩石是分离的，所以粘聚力为零，摩擦力即为抗剪强度，随着法向应力的增加而增加。c.抗剪强度抗剪强度是指岩石与岩石间沿某一面的摩擦力。38抗剪强度与垂直应力的关系tg39抗剪试验时，以两块岩石的接触面来模拟现场构造面，即最可能引起滑动的裂隙、节理或层面。有时还要对岩块与混凝土块体进行试验，以求其两者之间的摩擦力。抗剪试验提供的抗剪参数f（即）常用于分析坝基滑动的可能性。3.抗拉强度和抗弯曲强度岩体抵抗单向拉伸破坏的极限能力，称为岩体的抗拉强度；岩体抵抗折断的极限能力，为抗弯曲强度。tg40由于测定抗拉强度与抗弯曲强度的试验方法比较复杂，而广义强度（抗拉、抗弯、抗剪等）均可以表示为抗压强度的函数。根据几种主要岩体抗拉、抗弯曲、抗切强度与抗压强度的近似比例，可以求出抗拉、抗弯曲和抗剪强度。抗拉强度一般平均为抗压强度的3~5%，抗弯曲强度为抗压强度的7~15%。41三、岩体的流变特性流变表示时间因素对变形的影响。岩体在外部条件不变的情况下，变形或应力随时间而变化的特性叫流变性。表示这一特性的变形（应力）~时间曲线就称为流变曲线。蠕变（应力不变）松弛（变形不变）42四、岩体的破坏形式和破坏机制岩体的破坏形式一般有以下几种：1.脆性破坏岩体在荷载作用下没有明显的变形就突然破坏的现象称为脆性破坏。在大多数情况下，岩石表现为脆性破坏。岩层受压的张裂和X型剪切破裂均属于这种脆性破坏形式。432.塑性破坏岩体受力后，破坏之前的变