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1、1、 巖石礦物顆粒間連結(jié)牢固； 巖石礦物顆粒間具有牢固的連結(jié)，這既是巖石的重要結(jié)構(gòu)特征，也是巖石區(qū)別于土并賦予巖石以優(yōu)良工程地質(zhì)性質(zhì)的主要原因。 巖石顆粒間連結(jié)分結(jié)晶連結(jié)和膠結(jié)連結(jié)兩種。結(jié)晶連結(jié)是巖石中礦物顆粒通過(guò)結(jié)晶相互嵌合在一起的連結(jié)，如巖漿巖、大部分變質(zhì)巖及部分沉積巖均具有這種連結(jié)。膠結(jié)連結(jié)是巖石中顆粒通過(guò)膠結(jié)物膠結(jié)在一起的連結(jié)如碎屑沉積巖、粘土巖等具有這種連結(jié)。 這兩種連結(jié)都表現(xiàn)出很強(qiáng)的連結(jié)力，所以被稱為“硬連結(jié)”。而土則缺乏這種連結(jié)土的顆粒間或毫無(wú)連結(jié)、或是連結(jié)力很弱的水膠連結(jié)和水連結(jié)，其連結(jié)力是無(wú)法與巖石顆粒間的連結(jié)相比擬的。因此土表現(xiàn)出松散、軟弱的特征連結(jié)力也不穩(wěn)定。,2、 巖石

2、強(qiáng)度高、不易變形、整體性和抗水性好 巖石雖然比起土來(lái)具有強(qiáng)度高、不易變形以及整體性和抗水性好的優(yōu)點(diǎn)，但作為建筑物地基或建筑物環(huán)境的巖體，也具有缺陷，這就是巖體中存在著斷層、節(jié)理等結(jié)構(gòu)面(帶)，使巖體受到不同程度的切割，完整性遭到破壞，導(dǎo)致巖體物理、力學(xué)性質(zhì)變差和嚴(yán)重不均勻。 當(dāng)斷裂破壞嚴(yán)重時(shí)，巖體甚至破碎分散猶如碎屑土。這種被稱為構(gòu)造巖的破碎巖石，有的屬于半堅(jiān)硬巖石，有的已成為松軟土。巖體中的這種結(jié)構(gòu)面分割情況，在土中是見(jiàn)不到的，只有在某些裂隙粘土或老黃土中才有微弱的裂隙分布。 因此，巖體的結(jié)構(gòu)比土體復(fù)雜。即使是堅(jiān)硬、完整的巖塊，在其內(nèi)部也存在有微裂隙和缺陷如解理面，微破裂面等，程度不同地削弱

3、了巖塊的強(qiáng)度，同時(shí)也導(dǎo)致了巖塊力學(xué)性質(zhì)的各向異性。,第二節(jié) 巖石的物理性質(zhì)一、巖石的密度 巖石的密度是指單位體積內(nèi)巖石的質(zhì)量，又分為顆粒密度和塊體密度。它是選擇建筑材料、研究巖石風(fēng)化、評(píng)價(jià)工程巖體穩(wěn)定性及確定圍巖壓力等必需的計(jì)算指標(biāo)。 巖石的顆粒密度(s)是巖石固體相部分的質(zhì)量與其體積的比值。它不包括巖石空隙。其大小取決于組成巖石的礦物密度及其相對(duì)含量。如基性、超基性巖含密度大的礦物多。其顆粒密度就大，酸性巖石則相反，顆粒密度較小。 巖石的顆粒密度常用比重瓶法測(cè)定。常見(jiàn)巖石的顆粒密度值見(jiàn)表51。,二、巖石的空隙性 巖石的空隙性指巖石孔隙性和裂隙性的統(tǒng)稱，用空隙率表示。巖石的空隙率是巖石中空隙體

4、積與巖石總體積之比，以百分率表示。 巖石中的空隙有的與大氣相通，稱為開(kāi)空隙；有的與大氣不相通，稱為閉空隙。開(kāi)空隙又有大小之分。 因此，可將巖石的空隙率分為總空隙率、總開(kāi)空隙率、大開(kāi)空隙率、小開(kāi)空隙率及閉空隙率5種。設(shè)V為巖石體積；Vr為空隙總體積；Vro為總開(kāi)空隙體積；Vrb為大開(kāi)空隙體積；Vrl為小開(kāi)空隙體積；Vrc為閉空隙體積。,總空隙率：nVrV100（1-ds） 100總開(kāi)空隙率：noVroV100大開(kāi)空隙率：nbVrbV100小開(kāi)空隙率：nlVrlV（no-nb）100閉空隙率： nCVrcV（n-nO）100,三、巖石的吸水性 巖石在一定試驗(yàn)條件下吸收水分的性能，稱為吸水性。常用吸

5、水率、飽和吸水率及飽水系數(shù)等指標(biāo)表示。 巖石的吸水率(Wa)是指巖石試件在一個(gè)大氣壓和室溫條件下自由吸入水的質(zhì)量(mw1)與試件干質(zhì)量(mS之比，用百分率表示，即Wamw1mS100 實(shí)測(cè)時(shí)先將巖佯烘干并稱干質(zhì)量，然后浸水飽和。試驗(yàn)是在一個(gè)大氣壓下進(jìn)行的的，巖石吸水時(shí)，水只能進(jìn)入大開(kāi)空隙，而不能進(jìn)入閉空隙和小開(kāi)空隙算巖石的大開(kāi)空隙率(nb)，即nbVvbVdWa/w=dWa式中：W為水的密度(取為1gcm3)；其余符號(hào)同前。,巖石的飽和吸水率(Wp)是指巖石試件在高壓(一般為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Wp= mw2/mS100 這種

6、條件下，通常認(rèn)為水能進(jìn)入所有開(kāi)空隙中，因此巖石的總開(kāi)空隙率為noVvoV=dWp/W=dWp 式中：符號(hào)意義同前。 巖石的吸水率與飽和吸水率之比，定義為飽水系數(shù)。它是評(píng)價(jià)巖石抗凍性的指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)，巖石的飽水系數(shù)為0.5一0.8。飽水系數(shù)愈大，說(shuō)明常壓下吸水后留余的空間有限，巖石愈容易被凍脹破壞，因而巖石的抗凍性就差。 幾種常見(jiàn)巖石的吸水性指標(biāo)值列于表51、5-2中。,四、巖石的軟化性 巖石浸水后強(qiáng)度降低的性質(zhì)，稱為軟化性。巖石的軟化性取決于它的礦物組成及空隙性。當(dāng)巖石中含有較多的親水性和可溶性礦物以及大開(kāi)空隙較多時(shí)，則其軟化性較強(qiáng)。 表征巖石軟化性的指標(biāo)是軟化系數(shù)()，為巖石飽水抗壓強(qiáng)度(C

7、W)與干抗壓強(qiáng)度(Cd)之比，即 CW Cd 100 顯然，值愈小則巖石的軟化性愈強(qiáng)。當(dāng)巖石的人0.75時(shí)，軟化性弱；同時(shí)也可說(shuō)明其抗凍性和抗風(fēng)化能力強(qiáng)。 由表51可知：巖石的軟化系數(shù)均小于1.0，說(shuō)明巖石都具有不同程度的軟化性。軟化系數(shù)在水工建筑勘察中應(yīng)用較廣。,五、巖石的抗凍性 巖石抵抗凍融破壞的性質(zhì)，稱為巖石的抗凍性。巖石浸水后，當(dāng)水的溫度降至0以下時(shí)，空隙中的水將凍結(jié)體積增大(可達(dá)9)，對(duì)巖石產(chǎn)生凍脹力，使其結(jié)構(gòu)和連結(jié)遭到破壞。反復(fù)凍融后，將使巖石的強(qiáng)度降低。巖石的抗凍性常用抗凍系數(shù)和質(zhì)量損失率兩個(gè)指標(biāo)表示。 抗凍系數(shù)(Rd)是指巖石凍融實(shí)驗(yàn)后干抗壓強(qiáng)度(cd2)與凍融前干抗壓強(qiáng)度(c

8、d1)之比，以百分?jǐn)?shù)表示，即Rd=cd2/cd1100,質(zhì)量損失率(Km)是指凍融前后巖樣干質(zhì)量之差(ms1-ms2)與凍融前干質(zhì)量(ms1)之比，以百分率表示， 即 Km(ms1一ms2)ms1100 實(shí)驗(yàn)時(shí)，要求先將試件浸水飽和，然后在-20溫度下冷凍，凍后融化，融后再凍如此反復(fù)凍融25次或更多。凍融次數(shù)可根據(jù)工程地區(qū)的氣候條件決定。 巖石的抗凍性，主要取決于巖石中大開(kāi)空隙的發(fā)育情況、親水性和可溶性礦物的含量及礦物顆粒間的連結(jié)力。,六、巖石的透水性 巖石能被水透過(guò)的性質(zhì)，稱為巖石的透水性，用滲透系數(shù)表示它的大小取決于空隙的數(shù)量、大小、方向及連通情況。 一般認(rèn)為水在巖石中的流動(dòng)服從達(dá)西定律，

9、因此可用達(dá)西滲透儀在室內(nèi)測(cè)定完整巖石試件的滲透系數(shù)。某些巖石的滲透系數(shù)列于表53中。,在諸如深埋隧洞、地?zé)崂茫吆貐^(qū)工程建設(shè)及核廢料處理方面，都有很重要的實(shí)際意義。在巖石的熱學(xué)性質(zhì)中,常用的是比熱容、熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率等指標(biāo). (一)巖石的比熱容 巖石的比熱容，是指1克巖石物質(zhì)的溫度升高1所需要的熱量用以表示巖石貯存熱量的能力。質(zhì)量為m的巖石溫度由1升至2所需的熱量Q（J）為 Qcm（1-2）式中：c為比熱容JkgK。 巖石的比熱容在室內(nèi)可采用差示掃描量熱法（DSC法）測(cè)定。各種巖石的比熱容列于表54中，由表可知，一般干燥巖石的比熱容為7621256.04J(JkgK ),七、巖石的熱學(xué)性,

10、(二)巖石的熱導(dǎo)率 根據(jù)熱力學(xué)第二定律，物體內(nèi)的熱通過(guò)熱傳導(dǎo)從高溫點(diǎn)向低溫點(diǎn)流動(dòng)，其截面積為F的平面上熱流量Q與溫度梯度dq/dx (cm)及流動(dòng)時(shí)間成正比，即QkFt（ddx） 式中：k為熱導(dǎo)率W(mK)，是一個(gè)與巖石介質(zhì)性質(zhì)和溫度條件有關(guān)的物理量。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，k可作為與溫度無(wú)關(guān)的量，k的倒數(shù)為熱阻率。 巖石的熱導(dǎo)率可采用非穩(wěn)定法在室內(nèi)測(cè)定。表54給出了各種巖石的熱導(dǎo)率。 (三)巖石的熱擴(kuò)散率 溫度變化對(duì)巖石的影響程度取決于熱擴(kuò)散率。熱擴(kuò)散率高的巖石，對(duì)溫度變化的反應(yīng)快受影響的程度也大。熱擴(kuò)散率(cm2s)可用熱導(dǎo)率k、比熱容c和密度求得，即k（.c） 各種巖石的熱擴(kuò)散率列于表54中。,第

11、三節(jié)巖石的力學(xué)性質(zhì) 巖石在外力作用下所表現(xiàn)的性質(zhì)，稱為巖石的力學(xué)性質(zhì)。在外力作用下巖石首先產(chǎn)生變形，隨著力的不斷增加，達(dá)到或超過(guò)某一極限值時(shí)，便產(chǎn)生破壞。巖石遭受破壞時(shí)的應(yīng)力稱為強(qiáng)度。研究巖石的力學(xué)性質(zhì)，主要研究巖石的變形，破壞與強(qiáng)度等性質(zhì)。 一、單向受壓條件下的巖石變形 在外力作用下變形。巖石的變形可分為彈性變形和塑性變形兩種。按固體力學(xué)定義：彈性變形是指物體受力發(fā)生相應(yīng)的全部變形，并在外力解除的同時(shí)，變形立即消失，因而是可逆變形。塑性變形是指物體受力變形，在外力解除后。變形也不再恢復(fù)，是不可逆變形，又稱為永久變形或殘余變形。 巖石的變形規(guī)律，可通過(guò)外力作用下的變形過(guò)程及變形參數(shù)說(shuō)明。所以，

12、首先來(lái)研究巖石的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。,(一)巖石的應(yīng)力，應(yīng)變曲線特征 巖石在連續(xù)加載條件下的應(yīng)變，可分為軸向應(yīng)變(L)、橫向應(yīng)變(D)和體積應(yīng)變(V)，前兩者可用儀器測(cè)量。體積應(yīng)變則用VL2D計(jì)算求得。求得了各級(jí)應(yīng)力下的這三種應(yīng)變值，就可繪出相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變曲線(圖51)，也有的是由繪圖儀直接自動(dòng)繪出。該曲線是分析研究巖石變形機(jī)理的主要依據(jù)，其中以壓應(yīng)力軸向應(yīng)變曲線（L曲線)應(yīng)用最廣。,據(jù)實(shí)驗(yàn)研究，在單向壓力作用下，典型的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線如圖52所示。從圖52中可將巖石的變形過(guò)程劃分為6個(gè)階段。 I微裂隙及孔隙閉合階段(圖52A)。加載初期，巖石中的裂隙及孔隙被逐漸壓密，形成早期非線性變形。A段：曲

13、線呈上凹型,.可恢復(fù)彈性變形階段(圖5-2B)。隨荷載增加，軸向變形成比例增長(zhǎng)，并在很大程度上是可恢復(fù)的彈性變形。這一階段的上界應(yīng)力稱為彈性極限。B段：直線型。,部分彈性變形至微裂隙擴(kuò)展階段(圖52C)。L曲線仍呈近似直線，而V 曲線則明顯偏離直線。這一階段的上界應(yīng)力稱為屈服極限，這時(shí)巖石壓密至最密實(shí)狀態(tài)。,非穩(wěn)定裂隙擴(kuò)展至巖石結(jié)構(gòu)破壞階段(圖52D)。特點(diǎn)是微裂隙迅速增加和不斷擴(kuò)展，形成局部拉裂或剪裂面體積變形由壓縮轉(zhuǎn)為膨脹，最終導(dǎo)致巖石結(jié)構(gòu)完全破壞。本階段的上界應(yīng)力稱為峰值強(qiáng)度或單軸抗壓強(qiáng)度。,微裂隙聚結(jié)與擴(kuò)展階段(圖52E)。巖石通過(guò)峰值應(yīng)力階段雖然其內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全破壞，但巖石仍呈整體。到

14、本階段裂隙擴(kuò)展成分叉狀并相互聯(lián)合形成宏觀斷裂面。應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾佣档汀?沿破斷面滑移階段(圖52F)。本階段巖石基本上已分離成一系列碎塊體，并在外荷作用下滑移，隨之變形不斷增加。而應(yīng)力則降到某一穩(wěn)定值，稱為殘余強(qiáng)度其大小等于塊體間的摩擦阻力。,自然界中的巖石因其礦物組成及結(jié)構(gòu)不同應(yīng)力應(yīng)變曲線特征也不盡相同,1965年美國(guó)學(xué)者RP米勒根據(jù)對(duì)28種巖石的實(shí)驗(yàn)研究成果，歸納為6種在單向壓力作用下的應(yīng)力應(yīng)變曲線類(lèi)型(圖53)。類(lèi)型I(彈性的)表現(xiàn)為近于直線的特點(diǎn)直到發(fā)生突發(fā)性破壞。這是玄武巖、石英巖、輝綠巖、白云巖及堅(jiān)硬石灰?guī)r等的特征變形曲線。,類(lèi)型I(彈性),類(lèi)型(彈-塑性的)，開(kāi)始為直線末端出現(xiàn)非

15、彈性屈服段。較軟而少裂隙的巖石，如石灰?guī)r、粉砂巖和凝灰?guī)r等常呈這種變形曲線,類(lèi)型(彈-塑性),類(lèi)型 (塑彈性的)，開(kāi)始為上凹型曲線，然后轉(zhuǎn)為直線堅(jiān)硬而裂隙較發(fā)育的巖石，如砂巖、花崗巖等在垂直微裂隙方向加荷時(shí)常具這種變形曲線。,類(lèi)型 (塑彈性),類(lèi)型和（塑彈塑性的)為s型曲線。曲線中段的斜率大小與巖性軟硬程度有關(guān)。巖性較軟且含有微裂隙者，如片麻巖、大理巖和片巖等常具這種變形特性。,和（塑彈塑性)為s型曲線,類(lèi)型(彈塑蠕變性的)，開(kāi)始為直線，很快便變?yōu)榉蔷€性變形和連續(xù)緩慢的蠕變變形，是巖鹽和其他蒸發(fā)巖的特征變形曲線。,類(lèi)型(彈塑蠕),(二)巖石的變形參數(shù) 根據(jù)彈性理論，巖石的變形特征可用變形模量和

16、泊松比兩個(gè)基本參數(shù)表示。 1變形模量 指巖石在單向受壓時(shí)，軸向應(yīng)力()與軸向應(yīng)變(L)之比。當(dāng)壓力應(yīng)變?yōu)橹本€關(guān)系時(shí)，變形模量為常量(圖54)，數(shù)值上等于直線的斜率。由于其變形為彈性變形，所以該模量又稱為彈性模量。,當(dāng)應(yīng)力應(yīng)變?yōu)榍€關(guān)系時(shí)，變形模量為變量，即不同應(yīng)力段上的模量不同。常用的有初始模量、切線模量和割線模量3種(圖55)。 初始模量()：指曲線原點(diǎn)處的切線斜率，即 切線模量(t)：指曲線中段直線的斜率，即 t（21）（21） 割線模量()：指曲線上某特定點(diǎn)與原點(diǎn)連線的斜率。通常取相當(dāng)于抗壓強(qiáng)度變點(diǎn)與原點(diǎn)連線的斜率: 5050,2泊松比() 指巖石在單向受壓時(shí)，橫向應(yīng)變(D)與軸向應(yīng)變(L)之比，即DL 在實(shí)際工作中，常采用抗壓強(qiáng)度50的應(yīng)變點(diǎn)的橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變計(jì)算泊松比。常見(jiàn)巖石的變形模量與泊松比列于表55中。 實(shí)驗(yàn)研究表明，巖石的變形模量和泊松比往往具有各向異性特征。當(dāng)平行于微結(jié)構(gòu)面加荷時(shí)，變形模量最大；而垂直微結(jié)構(gòu)面的變形模量最小。兩者的比值，沉積巖一般為1.08-2.05，變質(zhì)巖為2.0左右。,（三）循環(huán)荷載條件下的巖石變形特征 巖石在循環(huán)荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，隨加