岩体的工程地质研究03z

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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
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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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。
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tg
抗剪强度与垂直应力的关系
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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 到如下图的变形曲线。纵坐标表示大小主应 力之差， 1 3 称为应力差或偏应力，横坐 标表示轴应变 a 。从图中可见，在单向应力 条件下（ 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。
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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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
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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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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※ 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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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 1 和 3 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。
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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 c ，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。
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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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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
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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。
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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。
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=0.13~1.0% ；风化严重岩石的 n=30~40%。
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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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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。
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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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
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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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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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，使各质点改变位臵，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
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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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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
c tg
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与土体一样，摩擦系数 tg 及粘 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 1 2 3）的压缩方式，需要具备 专门的岩体三轴应力试验机。
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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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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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。