第四章土木工程地质学
岩石及特殊土的工程性质
主要内容
?岩石的物理性质
?岩石的水理性质?岩石的力学性质?岩石、土的工程分类?特殊土的工程性质
4.1 岩石的物理性质
三相符号
VaVv气体水ma?0VVwVsmwmsmv?mwm颗粒4.1 岩石的物理性质
1、岩石的重力性质（1）颗粒密度—真密度
ρs= ms/ Vs
（2）相对密度（比重）
G= ρs/ ρw= ms/ Vs
?大小取决于组成岩石中的矿物的相对密度及其在岩石中的相对含量
4.1 岩石的物理性质
（3）密度—视密度：ρ=m/ V?干密度：ρd= ms/ V
?饱和密度：ρsat= (ms+ρ·VV)/ V?浮密度：ρ' = ρsat-ρw（4）岩石的重度（容重）
γ=G/V=mg/ V
?干重度
γd= ms·g/ V
?饱和重度γsat= (ms+ρ·VV)g/ V?浮重度
γ' = γsat-γw
4.1 岩石的物理性质
?岩石的容重可在一定程度上反映出岩石的力学性质情况。通常，岩石的容重
愈大，则它的性质就愈好，反之愈差。
?随着岩石容重的增加，极限抗压强度也相应地增大。
4.1 岩石的物理性质
2、岩石的孔隙性
?空隙是岩土中各种类型空洞的总称。?岩石的空隙性：
?岩石空隙的大小、多少、形状、连通情况和分布规律。?空隙分类(成因)：
a. 松散沉积物中的孔隙(pore)；b. 坚硬岩石中的裂隙(fissure)；c. 可溶岩石中的溶穴（溶洞）(cavity)
4.1 岩石的物理性质
?工程地质意义
?空隙发育的岩块和岩体易遭受风化，增强地下水的循环和联系，降低其力学强度，增加其透水性；一般来说，空隙率愈大，岩块的强度愈低，塑性变形和渗透性愈大。
?水文地质意义：
?岩石中的空隙是水的储容场所和传输通道;
?空隙特征决定岩石储容、滞留、释出以及传输水的能力，是认识岩石水理性质的基础;
?对岩石空隙性的研究,是分析与地下水有关问题的出发点。
?因此对岩石空隙性的全面研究，也是岩体力学和工程地质学中的基本问题之一。
4.1 岩石的物理性质
（1）孔隙率（孔隙度）
?指岩石孔隙的体积与岩石总体积之比值，常以百分数表示
n =Vv /V×100％
其大小，主要取决于岩石的结构构造，同时也受风化作用、岩浆作用、构造作用及变质作用的影响2）孔隙比
岩石中孔隙的体积与固体颗粒的体积之比，常以小数表示e =Vv/Vs
?（?4.2 岩石的水理性质
设土体内土粒的体积为1，则可知，孔隙的体积Vv为e，土体的体积V为（1＋e），于是有：
n?VveV?1?e或
e?n1?n?孔隙度测量：注水法：n?VnV 孔隙 e 1+e 土粒 1 三相示意图（a）
；压汞试验；电镜扫描
4.1 岩石的物理性质
碳酸盐类岩石的孔隙率与抗压强度的关系孔隙率愈大表示空隙和细微裂隙愈多，岩石的抗
压强度随之降低
4.2 岩石的水理性质
1、岩石的吸水性
?指岩石吸收水分的性能，常以吸水率、饱和吸水率表示（1）吸水率
?指在常压下岩石所吸收水分的重力与干燥岩石重力之比的百分
mw?g?1??100%ms?g式中?1为岩石吸水率，% mw为岩石在常压下所吸收水分的重力，KN ms为干燥岩石的重力，KN数表示
?其值与岩石的孔隙数量、大小、开闭程度和空间分布等因素有关；其值越大，则水对岩石的侵蚀、软化作用就愈强。
4.2 岩石的水理性质
（2）饱和吸水率
?指在高压（15MPa）或真空条件下，使水完全浸入岩石的孔隙中（岩石饱和）时，吸收水分的重力与干燥岩石重力之比的百分数表示
?2???VV?gms?g?100%式中?2为岩石的饱和吸水率，% ms为干燥岩石的重力，KN?饱和系数
岩石的吸水率与饱和吸水率的比值。其大小与岩石的抗冻性有关（小于0.8抗冻）
4.2 岩石的水理性质
?在工程上常用岩石吸水率作为判断岩石的抗冻性及风化程度的指标，并广泛地与其
它物理力学特征值建立关系，例如图即表示纵波速度与吸水率之间的关系。随着岩石吸水率的增加，弹性波在介质中的传播速度cp
相应地降低。
?4.2 岩石的水理性质
?2、岩石的透水性
?指岩石允许水通过的能力。其大小，主要取决于岩石中孔隙、
裂隙的大小和连通情况有关。?用渗透系数K表示
?岩石的渗透系数一般是在钻孔中进行抽水或压水试验而测定。3、岩石的溶解性
?溶解于水的性质。其大小，主要取决于岩石的化学性质、有无
水等有关。
4.2 岩石的水理性质
4、岩石的软化性
?岩石在水的作用下强度和稳定性降低的性质。其大小主要取决于岩石的矿物成分和结构构造特征。
?常以软化因素表示，其值用小数表示。
RcKR?R式中KR为岩石的软化因数 Rc为饱和状态下岩石单轴极限抗压强度 R为干燥状态下岩石单轴极限抗压强度?各类岩石的KR=0.45～0.9之间。
?KR>0.75,岩石软化性弱，抗水、抗风化能力强；?KR<0.75，岩石的工程地质性质较差。
4.2 岩石的水理性质
5、岩石的膨胀性
?指岩石吸水后体积增大，引起岩石结构破坏的性能。
?岩石的膨胀性大小一般用膨胀力和膨胀率指标表示。其测定方法是平衡加压法。
试验中不断加压，并保持体积不变，所测得的最大压力即为岩石的最大膨胀力；然后逐级减压，直至荷载为0，测定其最大膨胀变形量，膨胀变形量与试件原始厚度的比值即为膨胀率。
4.2 岩石的水理性质
6、岩石的崩解性
?岩石被水浸泡后，由于吸水膨胀、胶结物被溶解等原因，造成岩石结构破坏、岩石崩裂、岩石碎块和结合体散落的性能?常用崩解系数表示
VP??V式中?为岩石的崩解系数；VP为岩石破碎后的体积；V为岩石的原体积
4.2 岩石的水理性质
7、岩石的抗冻性
?岩石的孔隙、裂隙中有水存在时，水一结冰，体积膨胀，从而产生很大的膨胀压力，使岩石的构造等遭破坏。岩石抵抗这种冰冻作用的能力。
?岩石的抗冻性用抗冻系数Cf表示，指岩石试样在±250C的温度期间内，反复降温、冻结、融解、升温，然后测量其抗压强度
的下降值（σc-σcf）,以此强度下降值与融冻试验前的抗压强度σc之比的百分比代表抗冻系数Cf
?c??cfCf??100%?c?抗冻系数Cf越小，岩石抗冻融破坏的能力越强。
4.3 岩石的力学性质
?岩石的强度：岩石抵抗外力作用的能力，岩石破坏时能够承受
的最大应力。a.单向抗压强度b.单向抗拉强度c.剪切强度
d.三轴抗压强度
?岩石的变形：岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变化。a.单向压缩变形b.反复加载变形c.三轴压缩变形
d.剪切变形
4.3 岩石的力学性质
岩石的强度指标
?岩石强度与外力有关
?a.外力性质：静载荷、动载荷?b.外力方式：拉伸、压缩、剪切?C.应力状态：单向、双向、三向
4.3 岩石的力学性质
1、岩石的抗压强度?定义：
?岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所能承受的最大压应力称为岩石的单轴抗压强度(UniaxialCompressiveStrength)，或称为非限制性抗压强度(unconfinedcompressivestrength)。?计算公式：σc=P/A
4.3 岩石的力学性质
实验方法?试件标准
?立方体50×50×50mm或70×70×70mm
?圆柱体，但使用最广泛的是圆柱体。圆柱体直径D一般不小于50mm。L/D=2.5~3.0（国际岩石力学委员会ISRM建
议的尺寸）
?要求：两端不平度0.5mm；尺寸误差±0.3mm；两端面垂直于轴线误差±0.25度。?加载速率：0.5～0.8Pa/s
4.3 岩石的力学性质
2、岩石的抗拉强度
?定义：岩石在单轴拉伸荷载作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力称为岩石的单轴抗拉强度(Tensilestrength)?
试件在拉伸荷载作用下的破坏通常是沿其横截面的断裂破坏，岩石的拉伸破坏试验分直接试验和间接试验两类。
4.3 岩石的力学性质
?巴西试验法（Brazilian test），俗称劈裂试验法。?试件:为一岩石圆盘，加载方式如图所示。实际上荷载是沿着一条弧线加上去的，但孤高不能超过圆盘直径的1/20。
4.3 岩石的力学性质
?计算公式：
?σt=σx=-2P/πdt；σy=(1/r1+1/r2-1/d)2P/πt?圆盘中心处：
σt=σx=-2P/πdt；σy=6P/πdt
4.3 岩石的力学性质
3、岩石的抗剪强度
?定义：岩石在剪切荷载作用下达到破坏前所能承受的最大剪应力称为岩石的抗剪切强度（Shearstrength）。
?剪切强度试验分为非限制性剪切强度试验（Unconfinedshearstrengthtest）和限制性剪切强度试验（Confinedshearstrengthtest）二类。
?非限制性剪切试验在剪切面上只有剪应力存在，没有正应力存在；限制性剪切试验在剪切面上除了存在剪应力外，还存在正应力。
?=c+?tan?4.3 岩石的力学性质
Hoek直剪仪试验装置、角模压剪试验
4.3 岩石的力学性质
3、岩石的变形指标
?岩石的变形：岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变化。?岩石在荷载作用下，首先发生的物理力学现象是变形。随着荷载的不断增加，或在恒定载荷作用下，随时间的增长，岩石变形逐渐增大，最终导致岩石破坏。
?岩石变形过程中表现出弹性、塑性、粘性、脆性和延性等性质。
4.3 岩石的力学性质
岩石变形性质的几个基本概念
?1）弹性(elasticity)：物体在受外力作用的瞬间即产生全部变形，而去除外力(卸载)后又能立即恢复其原有形状和尺寸的性质称为弹性。
?弹性体按其应力－应变关系又可分为两种类型：
?线弹性体：应力－应变呈直线关系。
?非线性弹性体：应力—应变呈非直线的关系。
4.3 岩石的力学性质
岩石变形性质的几个基本概念
?2）塑性（plasticity）：物体受力后产生变形，在外力去除（卸载）后变形不能完全恢复的性质，称为塑性。
?不能恢复的那部分变形称为塑性变形，或称永久变形，残余变形。?在外力作用下只发生塑性变形的物体，称为理想塑性体。?理想塑性体，当应力低于屈服极限时，材料没有变形，应力达到
后，变形不断增大而应力不变，应力－应变曲线呈水平直线.
4.3 岩石的力学性质
岩石变形性质的几个基本概念
?3）粘性(viscosity):物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质，称为粘性。?应变速率与时间有关，－>黏性与时间有关
?其应力－应变速率关系为过坐标原点的直线的物质称为理想
粘性体，如牛顿流体。
4.3 岩石的力学性质
岩石变形性质的几个基本概念
?4）脆性(brittle):物体受力后，变形很小时就发生破裂的性质。?工程上一般以5％为标准进行划分，总应变大于5％者为塑性材料，反之为脆性材料。
?赫德(Heard，1963)以3％和5％为界限，将岩石划分三类：总应变小于3％者为脆性岩石；总应变在3％～5％者为半脆性或脆－
塑性岩石；总应变大于5％者为塑性岩石。
?按以上标准，大部分地表岩石在低围压条件下都是脆性或半脆性的。
?当然岩石的塑性与脆性是相对的，在一定的条件下可以相互转化，如在高温高压条件下，脆性岩石可表现很高的塑性。
4.3 岩石的力学性质
?5）延性(ductile):
物体能承受较大塑性变形而不丧失其承
载力的性质，称为延性。
?岩石是矿物的集合体，具有复杂的组成成分和结构，因此其力学属性也是很复杂的。这一面受岩石成分与结构的影响；?另一方面还和它的受力条件，如荷载的大小及其组合情况、加载方式与速率及应力路径等密切相关。
?例如，在常温常压下，岩石既不是理想的弹性材料，也不简单的塑性和粘性材料，而往往表现出弹一塑性、塑一弹性、弹一粘一塑或粘一弹性等性质。
?此外，岩体赋存的环境条件，如温度、地下水与地应力对其性状的影响也很大。
4.3 岩石的力学性质
岩石变形性质指标
?岩石的变形特性通常用变形模量和泊松比等指标表示。?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。
?弹性变形，以εe表示；塑性变形，以εp表示；总变形，以ε表示。?弹性模量E：把卸载曲线的割线的斜率作为弹性模量，即:E =σ/εe
?变形模量Eo：是正应力与总应变(ε)之比，即：Eo =σ/ε=σ/(εe+εp)
4.3 岩石的力学性质
岩石变形性质指标
应力-应变曲线为“S”型?初始模量(Ei)：曲线原点处切
线斜率
?切线模量(Et)：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(Es)：曲线上某特定点与原点连线的斜率，通常取σc／２处的点与原点连线的斜率。
?E??2??1t?2??1?2?50
E?i?50??50E?i?i?1?io
i?1?50?2?i?L4.3 岩石的力学性质
岩石变形性质指标
?泊松比(μ)（poisson`s ratio）是指在单轴压缩条件下，横向
应变（εｄ）与轴向应变（εＬ）之比。
?d???L?在实际工作中，常采用σｃ／２处的εｄ与εＬ来计算岩块的泊?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。
4.4 风化作用
1 、概念
地壳表层的岩石在常温、常压下，由于气温变化、气体、水
容液及生物的共同作用，在原地遭受破坏的过程。2、类型?机械风化作用
?化学风化作用?生物风化作用
?4.4 风化作用
?物理风化作用
?定义：主要由气温、大气、水等引起的矿物、岩石在原地发生机械破碎的过程。特点：岩石破坏，但物质成分不变。
?方式：
?温差作用――尤其是主要分布在副热带高压区的荒漠，气温年、日变化大（日变可达60－70度），典型形式为球形风化。?冰劈作用――水结冰体积增加9.2％、白天水进入裂缝，晚上结冰可对
裂缝壁产生96MPa的压力；常发生在高寒地区，尤其是在0度上下波动地区。
?盐类结晶与潮解（干旱半干旱地区）
?层裂或卸载作用。
?冰劈作用
4.4 风化作用
?化学风化作用
?定义：在大气、水和水溶液作用下岩石发生的化学分解过程。?特点：岩石不仅破坏，而且物质成分发生变化。?方式：
?溶解作用。矿物的溶解度，易溶矿物溶解作用明显。
?氧化作用。氧化带，还原环境的岩矿进入地表氧化环境氧化作用明显。
“铁帽”的形成。
铁帽是指各种金属硫化物矿床经受较为彻底的氧化、风化作用改造后，在地表形成的Fe、Mn氧化物和氢氧化物为主及硅质、粘土质混杂的帽状堆积物。
?水解和碳酸化作用。水离解出的OH-离子与矿物离解出的阳离子结合形成新矿物；CO2溶解水中形成的CO32-和HCO31-离子与矿物中的阳离子结合形成易溶于水的碳酸盐或碳酸氢盐的过程。
方解石（CaCO3）的碳酸化反应：CaCO3+CO2+H2O→Ca(HCO3)2
?重碳酸钙（Ca(HCO3)2）可溶于水中被带走，故石灰岩表面易出现溶沟和石芽。
4.4 风化作用
?生物风化作用
?定义：由生物的生命活动引起岩石的破坏过程。?方式：
?生物物理风化作用——由生物活动导致岩石的机械破碎过程
?典型形式为根劈作用：扎根于岩石裂缝中的松柏等加速岩石破裂与崩落的过程。?生物化学风化作用——由生物活动（新陈代谢过程分泌物质和死亡后
分解物质－有机酸类）引起岩石化学成分变化而使岩石破坏的过程。
4.4 风化作用
?影响风化作用的因素岩石性质
气候条件地形条件
地质构造
????4.4 风化作用
《岩土工程勘察规范》
4.5 岩石、土的分类
目的：评价工程岩体的稳定性
?通过分类，概括地反映各类工程岩体的质量好坏，预测可能出现的岩体力学问题。为工程设计、支护衬砌、建筑物选型和施工方法选择等提供参数和依据。
?为岩石工程建设的勘察、设计、施工和编制定额提供必要的基本依据。
?便于施工方法的总结,交流,推广，为便于行业内技术改革和管理。
4.5 岩石、土的分类
?任何一种岩体分级方法都是为一定的目的服务的，因此它必然存在一定的局限性，而且由于岩体客观存在的复杂性，同样一种
岩体分级方法，在某一场合适用，在另外一个场合又未必适用，因为这些方法都是针对某种类型岩石工程或专门需要而制定的。?例如用于锚杆支护的围岩分级；地铁岩层分级；坝基岩体分级以及工程地质的岩石分级等等。
通用分级
按用途：专用分级
4.5 岩石、土的分类
1 、工程岩体分类的影响因素
（1）岩石的质量
?主要表现在岩石的强度和变形性质方面。（2）岩体的完整性
?岩体完整性取决于不连续面的组数和密度。可用结构面频率(裂隙
度）、间距、岩心采取率、岩石质量指标RQD以及完整性系数作为定量指标进行描述。这些定量指标是表征岩体工程性质的重要参数。
（3）结构面条件
?包括结构面产状、粗糙度和充填情况。岩体的工程性质主要取决于结构面的性质和分布状态以及其间的充填物性质。
工程地质与水文地质-第4章 岩石及特殊土的工程性质 - 图文
