岩石与岩体的工程地质性质
工程地质学-第三章 岩体的工程地质性质与岩体分类-1-结构面特征与结构面类型
1）产状：结构面的产状常用走向、倾向和倾角三要素 表示。 2）连续性：结构面的连续性反映结构面的贯通程度， 常用线连续性系数、迹长和面连续性系数等表示。 3）密度：结构面的密度反映结构面发育的密集程度， 常用线密度、面密度和间距等指标表示Байду номын сангаас 4）张开度与填充胶结特征：结构面的张开度e是结构 面两壁面间的垂直距离（mm） 5）形态：结构面的形态对岩体的力学性质及水力学性 质存在明显的影响。 6）结构面的组合关系：控制着可能滑岩的岩体的几何 边界条件、形态、规模、滑动方向及滑移破坏类型， 它是工程岩体稳定性预测与评价的基础。
1)原生结构面：是岩体在成岩过程中形成的结构面，其特征与 岩体成因密切相关。因此，又可将其分为沉积结构面、岩浆结 构面和变质结构面三类。原生结构面除部分经风化卸荷作用裂 开外，多具有不同程度的连接力和较高的强度。 (1)沉积结构面
沉积岩的层理、层面、沉积间断面及沉积软弱夹层等都属 于沉积结构面。 (2)火成结构面
在岩体的强度性质中，最重要的是抗剪强度。
它是影响工程安全和造价的重要因素，在岩基抗滑稳 定、边坡岩体稳定和地下硐室围岩稳定性分析与近似 中，岩体的抗剪强度参数是必不可少的。
二、岩体的流变特征
蠕变：指在应力一定的条件下,变形随时间的持续而逐 渐增长的现象； 松弛：变形保持一定时，应力随时间的增长而逐渐减 小的现象。 长期强度：出现蠕变破坏的最低应力值
2.结构面的规格和等级 按结构面延伸长度、切割深度、破碎带宽度及其
力学效应，可将结构面划分为如下五级： Ⅰ级：指大断层或区域性断层。 Ⅱ级：指延伸长而宽度不大的区域性地质界面，如较 大的断层、层间错动、不整合面及原生软弱夹层等。 Ⅲ级：指长度为数十米至数百米的断层、区域性节理、 延伸较好的层面及层间错动等。 Ⅳ级：指延伸较差的节理、层面、次生裂隙、小断层 及较发育的片理、剪理面等。其长度一般为数十米至 二三十米，宽度近于零至数厘米不等，是构成岩块的 边界面。 Ⅴ级：又称微结构面，指隐节理、微层面、微裂隙及 不发育的片理、劈理等，其规模小，连续性差，常包 括在岩块内，主要影响沿块的物理力学性质。
岩石的工程地质性质
(2)岩石的抗拉强度——岩石单向受拉时，能承受的最 大拉应力。 用于岩体稳定性评价
①直接拉伸试验
②劈裂法
t
2Pt
d l
③岩点石荷载的试抗验拉强度远低于其抗压强度
1/10
P64表5-6
(3)岩石的剪切强度——岩石受剪力作用时抵抗剪切破坏 的最大剪应力。岩体稳定性计算必需的参数:C和φ
①抗剪断强度
泊松比μ 工程上，常采用应力—应变曲线上抗压强度50%的应变点
的横向应变与轴向应变之比。
二、单向受力条件下的岩石强度
根据外力的性质
岩石的抗压强度 岩石的抗拉强度 岩石 剪断破坏
为什么岩石破坏的类型只有拉断和剪断 两种，而没有“压坏”的说法？
答： 岩石的破坏实质上是由于岩石内部的某个(些)面
．． ．．
非稳定裂隙扩展至岩石结构破坏阶段：
微裂隙迅速增加和不断扩展，形成局部拉裂或剪裂 面。体积变形由压缩变为膨胀，最终导致岩石结构完全 破坏，但仍具有整体性。
．．
上界应力称为峰值强度（单轴抗压强度）
微裂隙聚结与扩展阶段：
裂隙扩展成分叉状，并相互联合形成宏 观断裂面，应力随应变增加而降低。
． ．
弹性极限（比例极限） 屈服极限 峰值强度（单轴抗压强度） 残余强度
微裂隙及孔隙闭合阶段 A
可恢复弹性变形阶段 B
部分弹性变形至微裂隙 扩展阶段 C 非稳定裂隙扩展至岩石结 构破坏阶段 D 微裂隙聚结与扩展阶段 E
沿破断面滑移阶段 F
微裂隙及孔隙闭合阶段： 裂隙及孔隙逐渐被压密。非线性变形，曲线上凹
工程地质知识点
1、名词：工程地质学：是研究与工程建设有关的地质问题的一门学科。
地质环境：为人类生存与活动进程中地壳表层的地形、地貌、岩土、水、地层构造、矿产资源、地壳稳定性等自然因素的总称。
工程地质条件：是与工程建筑有关的地质条件的总称。
工程地质问题：是指工程地质条件不能满足工程建筑上稳定和安全的要求时，工程建筑物与工程地质条件之间所存在的矛盾。
2、工程地质条件的六大要素是：地层岩性、地质结构与构造、水文地质条件、地表地质作用、地形地貌、天然建筑材料。
3、就土木工程而言，主要的工程地质问题包括：地基稳定性问题、斜坡稳定性问题、洞室稳定性问题和区域稳定性问题。
4、工程地质学的主要任务是：（1）评价工程地质条件，阐明地上和地下建筑工程兴建和运行的有利和不利因素，选定建筑场地和适宜的建筑形式，保证规划、设计、施工、使用、维修顺利进行。
（2）从地质条件与工程建筑相互作用的角度出发，论证和预测发生工程地质问题的可能性、发生的规模和发展趋势。
（3）提出及建议改善、防治或利用有关工程地质条件的措施，加固岩土体和防治地下水的方案。
（4）研究岩体、土体分类和分区及区域性特点。
（5）研究人类工程活动与地质环境之间的相互作用与影响。
一、地球概况1、概念：地壳运动：主要是由于地球内力作用所引起的地壳的机械运动。
2、地壳六大板块：亚欧板块、美洲板块、非洲板块、太平洋板块、印度洋板块、南极洲板块。
3、地壳运动的特征：方向性、普遍性和长期性、运动速度不均一性。
二、矿物与岩石1、概念：矿物:是自然界中的化学元素在一定的物理化学条件下生成的天然物质，具有一定的化学成分和物理性质。
造岩矿物: 组成岩石的主要矿物。
矿物硬度:矿物抵抗外力刻划、压入、研磨的能力。
岩石:是天然生成的，具有一定的结构和构造的矿物集合体。
岩浆岩：由岩浆冷凝、固结所成的岩石，又称火成岩。
沉积岩:是在地表和地表下不太深的地方，由松散堆积物在常温常压的条件下，经过压固、脱水和重结晶作用而形成的岩石。
工程地质学第1章 岩石及其工程地质性质PPT
• 岩石空隙中有水存在时，水一结冰，体积 膨胀，就产生巨大的膨胀力，使岩石的构 造和联结受到破坏，假设岩石经反复循环 冻融，那么会导致其强度降低。岩石抵抗 冻融破坏的性能称为岩石的抗冻性。
• 一些常见岩石的物理性质的主要指标，见 表1.3。
• 〔1〕岩石的变形特性
应力-应变曲线
• 1.2 岩石的类型及其特征
• 〔1〕岩浆岩的矿物成分 • 〔2〕岩浆岩的构造与构造 • ①岩浆岩的构造 • 按结晶程度，岩浆岩的构造可分为： • a.全晶质构造〔crystalline〕 • b.非晶质构造〔glassy〕 • c.半晶质构造〔subcrystalline〕
• 按矿物颗粒大小，岩浆岩的构造可分为： • a．等粒构造〔equigranular〕
• 〔1〕变质岩的矿物成分 • 〔2〕变质岩的构造与构造 • ①变质岩的构造 • a.变晶构造〔crystalloblastic〕 • b.变余构造〔palimpsest〕 • ②变质岩的构造 • a.板状构造〔platy〕 • b.千枚状构造〔phyllitic〕 • c.片状构造〔schistose〕 • d.片麻状构造〔gneissic〕
• 可将岩石变形过程划分为4个阶段： • ①微裂隙压密阶段（图中的Oa段）
• ab段〕
• bc段〕
• c点以后〕
• 〔2〕岩石的强度
• 岩石抵抗外力破坏的能力，称为岩石的强 度〔strength〕。岩石的强度单位用Pa表示。 岩石的强度和应变形式有很大关系。岩石 受力作用破坏，有压碎、拉断和剪断等形 式，所以其强度可分为抗压强度、抗拉强 度和抗剪强度等。
• ①珍珠光泽 • ②丝绢光泽
• ③油脂光泽 • ④蜡状光泽 • ⑤土状光泽 • 〔4〕矿物的解理与断口 • 矿物受力后沿一定方向规那么裂开的性质称
1.5岩石的工程地质性质
在风干状态下极限抗压强度的比。用小数表示。其值越小， 表明岩石在水作用下的强度和稳定性越差。
岩石的软化性决定于岩石的矿物成分、结构和构造特征。 岩浆岩和变质岩的软化系数大都接近于1.0；粘土矿物含量 高、孔隙度大、吸水率高的岩石，软化系数越小，如泥灰 岩和页岩。
降低岩石的强度。在工程中应当重视岩石中这些低强度 矿物含量的增长对岩石强度的降低作用。
但也不能简单地认为，含有高强度矿物的岩石，其强度一定就 高。因为岩石受力作用后，内部应力是通过矿物颗粒的直接接 触来传递的，如果强度较高的矿物在岩石中互不接触，则应力 的传递必然会受中间低强度矿物的影响，岩石不一定就能显示 出高的强度。
180~300
岩石名称 辉绿岩
抗压强度 （MPa）
200~350
岩石名称 页岩
抗压强度 （MPa）
10~100
100~250
玄武岩
150~300
砂岩
20~200
180~300
石英岩
150~350
砾岩
10~150
100~250 100~250 80~250
大理岩 片麻岩 灰岩
100~250 50~200 20~200
岩体 = 结构面 + 结构体
岩块的强度高，岩体的强度不一定高。
结构面的发育程度、性质、充填情况以 及连通程度等，对岩体的工程性质有很 大的影响。
29/35
1. 结构面
结构面：存在于岩体中的各种地质界面。
（1）结构面类型： 原生结构面：成岩时形成
沉积结构面：层面、层理、夹层等 火成结构面：原生节理、流纹面、接触面等等 变质结构面：片麻理、片理等等
工程地质-岩石及岩体的工程地质性质幻灯片课件
• 软化性指标是软化系数(softening coefficient)： 在数值上，等于岩石在饱和状态下的极限抗压 强度和在风干状态下的极限抗压强度的比，用 小数表示。其值越小，表示岩石在水作用下的 强度和稳定性越差。软化系数小于0.75的岩石， 认为是软化性强的岩石，工程性质比较差。
• 1）第一变形阶段为图中OA段曲线，属于微裂隙压密阶段， 岩石中微裂隙在压力作用下逐渐被压密，岩石的应力—应 变曲线呈上凹形。
• 2）第二变形阶段为图中AB段曲线，属于弹性变形阶段， 岩石中微裂隙进一步闭合及压密，孔隙被压缩，因而岩石 的应力—应变曲线为曲型的直线形式。曲线上B点所对应
的应力e为弹性极限强度或比例极限。
膨胀试验仪器
岩石的主要物理性质指标
2、岩石的主要力学性质指标
• （1）岩石的变形性质 • 岩石变形有弹性变形、塑性变形和黏性变形三种。 • 1）弹性变形 • 岩石在外力作用下发生变形，当外力撤去后又恢复其原
有的形状及体积的变形称为弹性变形。
• 2）塑性变形 • 岩石在超过其屈服极限外力作用下发生变形，当外力撤
包括孔隙)部分单位体积的重量。在数值上，等于岩石固体颗 粒的重量与同体积的水在4℃时重量的比。其大小，决定于岩
石中矿物的比重及其在岩石中的相对含量。
• （2）重度(容重, unit weight）：指岩石单位体积的重
量，在数值上等于岩石试件的总重量(包括孔隙中的水重)与 其总体积(包括孔隙体积)之比。其大小，决定于岩石中矿物 的比重，岩石的孔隙性及其含水情况。
岩体工程地质性质
散介质的岩体结构，一般是工程清
挖的对象。
三、岩体的工程地质质量分类
作为工程建筑的地基、围岩或是材料的岩体，因为
其岩石质量不同，岩体结构类型不同，岩体结构面类型也
有差异，再加上水的参与，风化作用的影响等等，使岩体
质量的评定因素十分复杂。但为了满足工程建设的实际需
要必须对岩体的工程地质质量进行分类。
1．岩石质量指标（R、Q、D—Rock, quality designation）分类
一、岩体结构面类型
指切割岩石的所有地质界面，如岩层面、断层面、节理面等。 依据结构面成因将其分为三种类型。 1．原生结构面：与岩石同时形成，如层面、片理，收缩裂隙。
2．次生结构面：岩石形成后叠加形成的，节理面，断层面等。
3．软弱结构面：是一类特殊的结构面，特指岩体中具有一定
厚度的结构面。它可以是原生的，也可以是次生的，工程地质 勘察中应予以特别重视。如砂岩中的泥岩夹层，花岗岩中的裂 隙风化带等。
弹塑性变形 --褶皱
弹脆性变形 --断层
（1）微裂隙压密阶段：岩石中微裂隙 在荷重下压密，此阶段δ 变化小而ε 变 化大 （2）弹性变形阶段：裂隙进一步密合， 不产生新裂隙，δ 、ε 近乎同步增加（曲 线外切线近45°），最高点称弹性极限抗
δ
屈服点
ε
压强度，亦称屈服点。
（3）裂隙发展和破坏阶段：新裂隙产生并发展，δ 增加不 多，而ε 快速增加，直至最高点，岩石发生整体破坏，此点的 δ 值称单轴极限抗压强度。 （4）峰值后阶段：岩石大变形，δ 下降至稳定。
（1）整体结构：即完整岩体，强度高、力学性质稳定。 （2）块状结构：整体强度高、
块度均匀，与完整岩体相近。 （3）镶嵌结构：块度具有显著两分性，但整体强度仍较高。
岩石与岩体
首先取决于岩体的结构类型与特征， 其次才是组成岩体的岩石的性质。
其意义在于结构面的特征决定岩体
的性质。
不同结构类型岩体的工程地质性质：
整体块状结构： 强度高 各向同性 抗风化能力强
层状结构岩体： 强度较高 各向异性 层间滑动
碎裂结构岩体： 完整性差 强度低
散体结构岩体：
碎石土类 各向同性 强度最差
岩石的抗压强度最高，抗剪强度
居中，抗拉强度最小。抗剪强度约为
抗压强度的10％～40％；抗拉强度仅 为抗压强度的2％～16％。岩石越坚硬， 其值相差越大。 抗压和抗剪强度是评价岩石（岩
体）稳定性的指标。
（三）影响岩石工程性质的因素 1. 矿物成分: 应注意矿物对岩石强度影响 2. 结构 岩石按结构分类：结晶联结 胶结物联结 强度上的一般规律：
结构体：被结构面切割成的块体。
形状：柱状、块状、板状、楔状、锥状等 等 原因：与岩层的产状有关。 结构体大小可用体积裂隙数Jv来表示，指 岩体单位体积通过的总裂隙数。 Jv =1/S1+1/S2+1/S3+… …+1/Sn=∑1/Si Si ：岩体内第i组结构面的间距 1/Si：该组结构面的裂隙数（裂隙数/m）
4.软化性 岩石吸水后，其强度和稳定性发生变化的性 质。 软化系数kd：等于岩石在饱和状态下的极限 抗压强度与在风干状态下极限抗压强度的比。 用小数表示。 5. 抗冻性 岩石抵抗冻胀压力作用的能力。一般用强度 降低率来表示。
（二）岩石的力学性质
变形特性：弹性模量 泊淞比
弹性模量E：应力和应变之比。 泊淞比：横向应变与纵向应变之比。 强度特性：岩石抵抗外力破坏的能力。 抗压强度Rc：抵抗压碎破坏的能力 抗拉强度Rt ：约为0.02~0.16Rc 抗剪强度[]：约为0.1~0.4 Rc
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工程地质学
昆明理工大学土木工程系
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Photo © 2012 Xu Zemin Photo © 2012 Xu Zemin
膨胀性泥岩
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泥岩崩解Photo © 2000 Xu Zemin
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Photo © 1999 Xu Zemin
圆锥形破坏、柱状劈裂破坏，以后者居多。
R t确定方法：
直接拉伸方法：左图所示。
A、直接拉伸方法：左图所示
试验关键：第一，
，试件和夹具
试验关键：第一
之间必须有足够的摩擦力或粘结力
，拉力方向必须与
以防脱落；第二，
以防脱落；第二。
试件
以防偏心荷载。
试件同轴心
，以防偏心荷载
试件同轴心，
具体尺寸如左图所示。
具体尺寸如左图所示
较少采用。
由于技术复杂，，较少采用
由于技术复杂
2006/4/7
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Photo © Xu Zemin
土层
强风化玄武岩
滑坡侧壁破坏Photo © Xu Zemin
美国MTS 公司生产，并经国内改造的MTS815Teststar 全数字控制电液伺服刚性压力机－常规三轴试验机
真三轴试验机
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常规三轴试验机
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真三轴试验机
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低围压时的拉破坏
中等围压时的剪切破坏
高围压时的塑性破坏
r0r
1
弹性模量=应力/应变h0
h1
横向应变=（r
1-r0）/r0
泊松比=横向应变/纵向应变（3）构造
（4）水
（5）风化
2006/7/31-云南弥度-白垩系泥岩中的剪性结构面
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Photo © Xu Zemin
2005/8/8-贵州安顺-碳酸盐岩中的层理与构造裂隙
Photo © Xu Zemin 原生结构面构造结构面
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次生结构面
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构造结构面
原生结构面
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2006/11/4云南麻栗坡县南温河乡
构造结构面
原生结构面
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构造结构面
原生结构面
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2006/11/4云南麻栗坡县南温河乡构造结构面
原生结构面Photo © Xu Zemin
构造结构面
2006/11/4云南麻栗坡县南温河乡
原生结构面
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原生结构面
2006/11/4云南麻栗坡县南温河乡
构造结构面
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怒江东坡寒武系板岩岩体结构
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怒江东坡寒武系板岩岩体结构
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怒江东坡寒武系板岩岩体结构
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中元古界石灰岩边坡
中的卸荷裂隙-
2007/07/07-易门县
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层理节理节理带
禄丰
昆明
密集的剪节理带楚雄路基边坡砂泥岩中的层理与节理
开度测量-塞尺
重庆三叠系砂岩中的密集结构面
n条/m 米
Photo © Xu Zemin （3）结构体类型
2003年7月13日千将坪滑坡2003年7月13日千将坪滑坡
2003年7月13日千将坪滑坡
（二）洞室围岩稳定性
如果岩体中结构面十分发育，将严重影响各类隧道的
围岩稳定性，比如隧道出、入口及一些水电工程地下厂房
的稳定性。
云南省大风垭口隧道下行线K256+262涌水。