工程地质第3章

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一、岩体的变形 1.岩体的变形特性 岩体在外力作用下，其内部应力状态发 生变化，使各质点改变位置，结果引起岩体 形状和尽寸的改变，称为变形。岩体在外力 作用下首先发生变形，变形超过一定值后岩 体发生破坏。
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应 力
应变
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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。
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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。
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3.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。
东南大学土木工程
工程地质
第三章 主讲教师： 童小东
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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
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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。
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σ1 −σ 3
ε
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2.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。
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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。
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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”。
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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 二、岩体工程地质研究的重点与目的 岩石与岩体的上述特性决定了： 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；
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1.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
Vv n = × 100% V
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。
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孔隙率越大，孔隙和微裂隙就越多，岩 石的力学性质就越差。 风化程度是影响岩石孔隙率的主要因 素。未风化岩的n=0.13~1.00%；风化严重岩 石的n=30~40%。
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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，所以黏聚力为 零，摩擦力即为抗剪强度，随着法向应力的 增加而增加。
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10×10×10（cm3）。岩体的非均匀性愈 大，试样也应愈大。 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。
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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。
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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。
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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。
Wa Kw = Wsa
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。
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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。
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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。 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。
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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。
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※ 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） 2.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。
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应 力
应变
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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
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岩石在三向压力作用下的变形性质，应 用三轴压缩剪切仪可以得到如下图的变形曲 σ 线。纵坐标表示大小主应力之差， 1 − σ 3 称 为应力差或偏应力，横坐标表示轴应变 ε a 。 从图中可见，在单向应力条件下（ σ 3 = 0）， 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。
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1-抗剪断试验；2-抗切试验；3-抗剪试验
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a.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
τ = c + σ tanϕ
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与土体一样，摩擦系数 tanϕ 及黏聚力c 是决定岩体抗剪断强度的实质性指标。在计 算水工建筑物的抗滑稳定性时，岩体的摩擦 系数是一个决定性指标。 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（即 σ 1 > σ 2 = σ 3 ）的压缩方式，需要具备 专门的岩体三轴应力试验机。
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层理的影响主要表现为岩体变形的各向 异性。 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。 ②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。
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某工程垂直于层理的高压饱水试样与烘 干样变形模量之比为0.55；而平行于层理的 变形模量，其相应的比值为0.71。 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。
gw1 Wa = gd
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②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
gw2 Wsa = gd
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。
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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。
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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。
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护壁 桩 体
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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ρ和重度γ 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。
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2.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。
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※ 岩石的比重ds 比重：是岩石的固相重量与固相体积之 比。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。 ※ 岩石的孔隙率n、吸水率Wa和饱水率Wsa
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1.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。 按下式计算岩体的抗压强度R
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P R= F
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5×5×5（cm3）、7×7×7（cm3）或
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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。
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2.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
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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 σ 1 和 σ 3 可绘制数个莫尔破坏圆，然后作
ϕ 这些圆的包络线，以求得c、 值。
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τ
σ
常规三轴压缩试验的莫尔应力圆 及莫尔包络线
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b.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。其表示式为 τ = c ，即，岩体的抗切强度 为岩体的黏聚力。因此，抗切试验求得的c 值比抗剪断试验的c值准确。 c.抗剪强度 抗剪强度是指岩石与岩石间沿某一面的 摩擦力。
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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。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
③饱水系数Kw ：为吸水率Wa 与饱水率 Wsa的比值。