4 岩石的工程性质及工程分类

膨胀土工程地质问题实例

据文献资料介绍，全国铁路每年围整治膨胀土 地区路基病害，花费的投资额均在一亿元以上， 而且各种膨胀土路基的新生病害还在不断发生。 尤其是南方几条铁路干线在施工中即产生浴塌、 滑坡等严重病害，造成施工受R，以至被迫停 工先期抢修病害，再行施工。例如，成员铁路 北段，铁路通过成都膨胀土地段；变渝铁路中 段，铁路通过安康膨胀土地段等，膨胀土灾害 不仅严重影响了施工进度，而且因整治这些铁 路病害，使工程造价成倍增大，造成巨大经济 损。
4）工程地质问题及防治
（1）黄土地基湿陷性 防水 地基处理 （2）黄土陷穴 加强排水 改善地表性质 灌砂回填

6 特殊土的工程性质--膨胀土
定义 1.膨胀土的特征及其分布 特征

（1）颜色多为灰白、棕黄、棕红、褐色等 （2）粒度成分以粘粒为主，含量在35％ ~ 50％以上，其次是 粉粒，砂粒最少； （3）粘粒的粘土矿物以蒙脱石、伊利石为主，高岭石最少； （4）具有强烈的膨胀、收缩特性，吸水时膨胀，产生膨胀 压力，失水收缩时产生收缩裂隙，干燥时强度较高， 多次反复胀缩强度降低。 （5）膨胀土中各种成因的裂隙十分发育。 （6）早期生成的膨胀土具有超固结性。 分布：我国分布很广。主要分布在云贵高原到华北平原之间各 流域形成的平原、盆地、河谷阶地以及山间地块和丘陵等地。
影响岩石风化的因素----成因

(1)岩石风化是在地表及其附近的环境条件下进 行的，从这个角度看，风化作用的实质是由于岩 石生成时的环境条件与目前所处的环境条件的差 异造成的。 (2)岩石生成时的环境条件与今天发生风化作用 的环境条件越接近，抵抗风化能力越强，反之越 弱。 (3)喷出岩浅>成侵入岩>深成侵入岩 (4)沉积岩>岩浆岩变质岩
岩石点载荷仪
光弹性模拟实验
点荷载试验
2 工程性质评述
（1）岩石各项工程性质指标的优劣与岩石的成因、产状、结构、构造、矿物成分、节理 发育程度、风化程度有密切的关系，这七项地质特性就成为评述其工程性质的基础 （2）岩浆岩 侵入岩：缓慢冷凝结晶，矿物结晶良好，颗粒之间连接牢固，多呈块状构造。因此， 孔隙度低，抗水性强，力学强度及弹性模量高，具有较好的工程性质。如花岗岩、闪 长岩、辉长岩等 喷出岩：喷出地表，迅速冷凝，地表条件复杂，使喷出岩具有不同的地质特征。具有 隐晶质结构，致密块状构造的岩石要比具有流纹构造、气孔构造的岩石工程性质好。 （3）沉积岩 碎屑岩：碎屑颗粒被胶结物胶结在一起，它的工程性质取决于胶结物成分、胶结方式。 粘土岩：强度低、抗水性差、亲水性强 化学岩：最常见的如石灰岩、白云岩，一般情况下工程性质良好。石膏岩工程性质差。 生物化学岩：如煤系地层，工程性质较差。 沉积岩的层理构造，使沉积岩普遍具有各向异性特征 （4）变质岩 具有片理构造的变质岩，工程性质具有各向异性 具有块状构造的变质岩，工程性质良好。
6 特殊土的工程性质--黄土
1）黄土的特征 （1）颜色为淡黄、褐色或灰黄色 （2）颗粒以粉土颗粒为主，约占60％~70％ （3）含有多种可溶盐，特别含碳酸盐 （4）结构疏松，孔隙多 （5）质地均一无层理，但有柱状节理和垂 直节理 （6）湿陷性
中国黄土分布
我国黄土主要分布在黄河中游的黄土高原区。其次是西北、华 北和东北的山前坡脚地带、河谷平原和出前广阔平原区。
3.3 岩石风化的工程地质问题






3）风化速度 （1）不同岩石暴露在空气和水中时，发生风化的速度 也不同 （2）坚硬、完整的花岗片麻岩、厚层石灰岩能在空气 中保持数十年稳定，风化轻微 （3）某些砂页岩开挖后一年，风化深度即达1m以上。 （4）据有关资料，石灰岩发育成土壤要经历3000多年 时间 （5）国外观察岩石风化成土1厘米厚，需要327年 （6）紫色泥岩、页岩从岩石暴露地面开始，大约10年 即可风化成土 （7）如果将深挖的岩石半风化体暴露地表，一年以后 即可形成可以耕种的土壤
影响岩石风化的因素----结构构造 （1）从构造看，均匀细粒的岩石较粗粒 岩石抵抗风化能力强 （2）从构造看 致密块状构造岩石抗风化能力最强，具 有各向异性的层理、片理构造的岩石易 于风化 薄层岩石较厚层岩石易于风化 流纹状气孔状岩石抗风化能力很差

3.3 岩石风化的工程地质问题
1）岩石风化程度及其分级 （1）矿物颜色变化 （2）矿物成分变化 （3）岩石破碎程度 （4）岩石强度变化
（5）风化程度分级 未、微、弱、强、全
3.3 岩石风化的工程地质问题
2）风化深度 地表以下风化作用能够影响的深度，也称风化厚 度 风化深度与引起风化的自然因素、岩石抵抗风化 能力、地形地貌等因素有关 准确确定风化深度是困难的 对重要工程，把地表以下直至微风化带在内均划 为风化厚度 对于一般工程，则把地表以下至弱风化带划为风 化层厚度
(1)长江三峡，上起奉节白帝城，下至宜昌南津关，全长192公里， 庙河至莲沱，长31公里，为闪云斜长花岗岩，长江三斗坪坝址 就位于这一江段； (2)上游的白帝城至庙河，长141公里，为变质岩、砂岩、石灰岩； 下游的莲沱至南津关，长20公里，为岩溶发育的石灰岩。 (3)从工程地质角度看，石灰岩坝区地质有严重缺陷，河谷狭窄， 覆盖层较厚，岩层 倾向下游，缓倾角断层发育，且构造岩较弱， 岩溶发育，工程地质、水文地质条件复杂； (4)而花岗岩岩性均一，力学强度高，饱和抗压强度达100Mpa， 透水性弱，单位吸水量一般小于0.01升/分钟米，坝区有两组断 层，规模均不大，倾角多在60度以上，且胶结良好； (5)坝址位于前震旦纪多期岩浆活动形成的结晶基底的黄陵背斜 核部,从区域地质背景和新构造运动特征分析，黄陵结晶基底区 无活动性断裂及孕育中强地震的发震构造，是一个稳定性较高 的刚性地块，地震烈度VI度。以坝址为中心，半径320公里范围 内近2000年历史记载证明，区内地震水平不高，强度小，频度 低，属典型弱震环境。
长江三峡
3 风化作用
基本概念： 地表以下、自然因素、机械破碎、成分 改变、完整性丧失

风化壳
花岗岩的球状风化
花岗岩风蚀
混圆的岩石--风化作用
面目皆非的岩石
岩石的风化与崩解
岩石的球状风化
3.1 风化作用类型
1）物理风化作用

气温变化：热的不良导体，热胀冷缩、内外不均、快慢不同 冰劈作用：水结成冰后体积膨胀，增大压力 盐类结晶作用：温度变化、盐分结晶、对岩石裂隙产生压力 溶解作用：岩石中矿物成分的溶解 水化作用：矿物与水化合形成新矿物，体积膨胀 氧化作用：矿物与氧化合形成新矿物 碳酸化作用：碳酸根离子与矿物中阳离子化合，增加离解能力
第4章 岩石的工程性质及工程分类
1

岩石的工程性质
1.1 物理性质：比重、密度、孔隙度、孔隙比 1.2 水理性质：吸水性、透水性、软化性、抗冻 性、可溶性、膨胀性、崩解性


1.3 力学性质：抗压强度、抗剪强度、抗拉强度、 点荷载强度、回弹强度、变形模量、弹性模量、 泊松比
便携式岩石剪切仪
2.膨胀土的成1）粒度成分以粘粒为主，高达50％以上，粘粒粒径小 于0.005mm，比表面积大，颗粒表面具有表面能， 在水溶液中吸引极性水分子和水中离子，呈现出强 亲水性。 （2）天然状态下，其结构紧密、孔隙比小，膨胀土的天 然含水量与塑限比较接近，土体处于坚硬或硬塑状 态，常被误认为是良好的天然地基。 （3）裂隙十分发育，是区别于其它土的明显标志。 （4）天然状态下，剪切强度、弹性模量较高，但遇水后 强度降低。有的甚至接近饱和淤泥的强度。 （5）膨胀土具有超固结性。一旦开挖，遇水膨胀，强度降 低，造成破坏

2）黄土的成因及形成年代 以风成为主，称为原生黄土；另外也有坡积、 残积、洪积和冲积等多种成因，称为次生黄土。 自200万年以来开始沉积。沉积年代早的，工 程性质好，不具湿陷性。新近沉积的，工程性 质最差。

3）黄土的工程性质
（1）黄土的粒度成分：以粉粒为主，其次是 砂粒和粘粒 （2）黄土的比重和密度：比重一般在2.54 ~ 2.84之间，与其矿物成分及含量有关，由于 其大孔隙，故其密度较低 （3）黄土的含水量：与当地年降雨量及地下 水埋深有关。 （4）黄土的压缩性：中等 （5）黄土的抗剪 强度：中等 （6）黄土的湿陷性和黄土陷穴：
黄土地貌
黄土高原
黄土高原
黄土高原
黄土高原
黄土梁
黄土梁
黄土塬
黄土塬
黄土塬
中国科学院院士、中国科学院地质与地球物理研究所研究 员刘东生荣获2003年度国家最高科学技术奖
从1804年以来，国际上对于黄土的成因存在两种 学说——“风成说”和“水成说”。 从20世纪50年代起，刘东生对黄土高原进行了大 量的野外考察和实验分析，完成了《黄河中游黄 土》、《中国的黄土堆积》等多部专著，提出了 有重要突破的“新风成说”，把风成沉积作用从 黄土高原顶部黄土层拓展到整个黄土序列，并把 过去只强调搬运过程的风成作用扩展到物源-搬 运-沉积-沉积后变化这一完整过程。 平息了“风成”、“水成”之说，为全球变化研 究奠定基础。
2岩石生成时的环境条件与今天发生风化作用的环境条件越接近抵抗风化能力越强反之越4沉积岩岩浆岩变质岩影响岩石风化的因素影响岩石风化的因素矿物成分矿物成分1矿物种类越少抵抗分化能力越强2矿物稳定性与其化学稳定性颜色形状强度等有关系3按化学稳定性顺序排列各种碎屑岩和粘土岩抵抗风化能力主要取决于胶结物影响岩石风化的因素影响岩石风化的因素结构构造结构构造1从构造看均匀细粒的岩石较粗粒岩石抵抗风化能力强致密块状构造岩石抗风化能力最强具有各向异性的层理片理构造的岩石易于风化流纹状气孔状岩石抗风化能力很差33331岩石风化程度及其分级33332风化深度风化深度与引起风化的自然因素岩石抵抗风化能力地形地貌等因素有关对重要工程把地表以下直至微风化带在内均划为风化厚度对于一般工程则把地表以下至弱风化带划为风化层厚度33331不同岩石暴露在空气和水中时发生风化的速度也不同2坚硬完整的花岗片麻岩厚层石灰岩能在空气中保持数十年稳定风化轻微4据有关资料石灰岩发育成土壤要经历3000多年时间6紫色泥岩页岩从岩石暴露地面开始大约10年即可风化成土7如果将深挖的岩石半风化体暴露地表一年以后即可形成可以耕种的土壤34341
3.4 防治风化的措施
1.对于已经风化的岩石 厚度小应予以清楚 厚度大，要采取支护、支挡、衬砌等措施 2.对于新开挖岩石的防治 向岩石孔隙、裂隙灌注各种浆液 在岩石表面喷抹水泥砂浆、沥青或石灰水泥砂浆 封闭岩面 排除地表水、地下水，弱化风化作用 3判断风化程度、确定风化深度、降低风化速度
4 岩石的工程分类
2）化学风化作用

3）生物风化作用 动植物以及微生物参与岩石的分化作用
3.2 影响岩石风化的因素
1）岩石性质 成因：岩石成因反映它生成时的环境和条件。 矿物成分:矿物种类多少、各种矿物的稳定性是 决定岩石抵抗分化能力的重要因素 结构和构造：结构构造不同，抵抗风化能力也不 同 2）地质构造：地质构造对风化作用的影响主要是 由于地壳产生构造变形时生成各种节理裂隙，它 们使岩石破碎并且扩大了岩石与空气和水的接触 面积，促进了风化作用的进行。如褶曲轴部、断 层破碎带等。
膨胀土工程地质问题实例



例如河南境内一条修建在膨胀土地区的公路，全长仅16km，自 土基建成馆筑路面开始，就不断产生泥浆冒泥、油面开型及松散 脱落答病害， 3年中仅保留下2k“左右的完整路氏其余地段路基 全部被病害破坏。 平(顶山)一汝(州)公路通过平顶山到故河谷地典型膨胀土地区， 在施工过程中就不断产生各种膨胀土路基病害，边坡普遍出现冲 蚀剥落与表层溜塌等。严重病害地段，边坡开裂损坏，挡墙与桥 台错位，甚至有的地段膨胀土滑坡将档墙剪断，产生平行外移等， 造成了很大的经济损失。 安徽通过江淮膨胀土地区的一条二级公路，凡是挖深大于2m的 路堑，一般冲蚀、剥落、溜塌、滑坡等各种路基病害部很严重， 其病害地段的累计长度约占该条公路病害总长度的80％一90％， 而且从施工开始病害一直不断，造成了严重的经济损失，时刻危 及行车安全。
4.膨胀土的防治措施


膨胀土地基的防治措施
（一）按坚硬程度:岩石单轴饱和抗压强度 坚硬、较坚硬、较软、软极软 （二）按岩土施工工程分级 松土、普通土、硬土、软石、次坚石、坚石

5 土的分类
（一）土的颗粒分组及按颗粒级配分类 碎石类土、砂类土、粉土、粘性土 （二）土的成因分类 残积、坡积和崩积、洪积、冲积、淤积、风积 (三) 按土中特殊物质含量、结构特征和特殊的 工程性质分类 黄土、膨胀土、软土、冻土、红粘土、盐渍土、 填土等类型
影响岩石风化的因素----矿物成分
（1）矿物种类越少，抵抗分化能力越强 （2）矿物稳定性与其化学稳定性、颜色、形状、 强度等有关系 （3）按化学稳定性顺序排列 石英最稳定 正长石、酸性斜长石、角闪石、辉石较稳定 基性斜长石、黑云母、黄铁矿最不稳定 深色矿物比浅色矿物容易风化 针状、片状矿物比粒状矿物容易风化 各种碎屑岩和粘土岩，抵抗风化能力主要取决于 胶结物