地质学 15 岩石的工程性质及工程分类.ppt

1.5岩石的工程性质及工程分类,一、岩石的工程性质二、风化作用三、岩石的工程分类,,一、岩石的工程性质,物理性质水理性质力学性质,重量性质孔隙性质,吸水性透水性软化性抗冻性,强度性质变形性质,,,,,,,,密度（ρ）和重度（γ）r、rsat、rd（γ、γsat、γd）等颗粒密度（ρs）和比重（ds）dsρs/ρw孔隙比（e）与孔隙度（n）裂隙率（KT）,物理性质,,ρ、ρs↑，n、e↓，岩石的工程性质↑,2.602.90,常见岩石的比重,,2.302.85g/cm3,常见岩石的密度,,孔隙度多用于松散土、石，而裂隙率多用于结晶连接的坚硬岩石。,,水理性质,吸水性岩石在浸水过程中具有的吸水性能透水性岩石容许水透过的能力软化性岩石浸水后强度降低的性能抗冻性岩石抵抗冻融破坏的性能可溶性岩石被水溶解的性能膨胀性岩石吸水后体积增大引起岩石结构破坏的性能崩解性岩石被水浸泡，内部结构遭到完全破坏呈碎块状崩开散落的性能,,,,,,,表示岩石吸水性的指标,吸水率（w1）饱和吸水率（w2）饱和系数（kw）,岩石的吸水性取决于本身所含裂隙、孔隙的数量、大小、开闭程度及分布情况。,,指岩石容许水透过的能力，用渗透系数k来表示。水在孔隙、裂隙中渗透流动，大多服从达西定律,岩石的透水性,透水性,几种岩石的渗透系数,岩石的软化性,软化性用软化系数来表示，它是指岩石饱和状态下与天然风干状态下单轴抗压强度之比，即,软化性取决于岩石中的矿物成分和孔隙性。,,岩石的抗冻性,岩石的抗冻性与岩石的结构有关。,表示岩石抗冻性的指标有,强度损失率重量损失率,,力学性质,,强度性质岩石在外力作用下发生破坏时所能承受的最大应力变形性质,,,强度性质,干燥试样抗压强度饱和试样抗压强度冻融试样抗压强度,tsntgjc,,抗压强度R抗拉强度Rt抗剪强度τ点荷载强度（Is）回弹强度（N）,,变形性质,OA段裂隙压密阶段AB段弹性变形阶段BC段塑性变形、裂隙扩展阶段,变形模量E0s/e弹性模量E50s50/eD泊松比ne横/e纵,岩石变形性质的指标,,常见岩石的变形特性指标,,,（2）岩石的强度特性岩石在达到破坏前所能承受的最大应力称岩石的强度。单轴抗压强度标准岩石试样在单向压缩时能承受的最大压应力。一般指烘干试样、垂直层理受力的抗压强度。抗拉强度岩石在单向拉伸时能承受的最大拉应力。直接拉伸试验比较困难，多采用间接拉伸试验（如劈裂法）。,常见岩石的数值范围,,,,抗剪强度----岩石在一定法向压应力作用下，能够承受的最大剪应力。,,C0,常见岩石的值范围,,点荷载强度,点荷载试验把规则或不规则的岩石试样置于上下两个圆锥形压板之间，通过施加集中荷载使试样破坏。,该试验方法优点小型轻便，易于携带；可在野外进行大量试验，降低试验成本，缩短试验时间；可以使用不规则试样。点荷载强度的用途可作为岩石强度分类的指标；可换算为其它强度参数；可求各种风化岩石的点荷载强度,,回弹强度用回弹仪弹击岩石面获得回弹值，再由回弹值换算成抗压强度。3、岩石破坏形式脆性破坏（没有明显变形突然破坏）塑性破坏（破坏前变形较大）,二、风化作用,地表及地面以下一定深度的岩石，在气温变化、水溶液、气体及生物等各种营力的作用下，逐渐产生裂隙、发生机械破碎和矿物成分的改变，丧失完整性的过程。,,风化作用类型,物理风化岩石在自然因素作用下，发生机械破碎，而无明显的成分改变。化学风化地表岩石受水、氧及二氧化碳的作用而发生化学成分的变化，发生破碎并产生新矿物的作用。生物风化由于生物的活动对岩石与矿物所引起的破坏作用，包括机械破坏与化学破坏。,,,,,,物理风化的影响因素与主要方式,岩石的热胀冷缩冰劈作用盐类结晶的撑裂作用岩石的释荷,,,,,,,岩石的热胀冷缩,物理风化作用,,,冰劈作用,潮解性盐类在夜间潮解在白天盐类结晶，对周围岩石产生压力,盐类结晶的撑裂作用,反复进行，能使岩石撑裂。此作用主要见于气候干旱地区。,,吸收水分,溶解盐类渗入岩石内部,,烈日照晒,,,盐类结晶造成的干裂（科罗拉多，美国）,,岩石从地下深处变到地表条件时由于上覆静压力减小而产生张应力形成一系列与地表平行的宏观和微观的内部破裂面。形成这种裂隙构造的作用称为剥离作用。,岩石的释荷,,在物理风化作用强烈的地区，其结果是在陡坡、山麓和沟谷中产生大量的危石、碎石和岩屑，这是造成崩坍、落石、泥石洪流的基本条件。,物理风化形成的碎石滩（约旦）,,化学风化作用,,溶解作用,水化作用,氧化作用,碳酸化作用,水解作用,地表岩石受水、氧及二氧化碳的作用而发生化学成分的变化，并产生新矿物的作用。,,,,,,,溶解作用,,水化作用,有些矿物能吸收一定量的水参加到矿物晶格中，形成含水分子的矿物，称为水化作用。如CaSO4（硬石膏）2H2O→CaSO42H2O（石膏）,,水解作用,水解作用的实质是水的电离产物H及OH-进入矿物晶格，分别取代阳离子和阴离子，从而使矿物解体形成新的含水矿物的过程。,在高倍的电子显微镜下，可以看到残余的长石被腐蚀并被包裹的样子。,水解作用风化的花岗岩（马达加斯加）,,氧化作用,当岩石和矿物暴露于地表或位于地表层时，与氧充分接触，发生一系列氧化反应。氧化作用尤其对金属矿物和含铁矿物质风化表现强烈。,地表的“铁帽”预示着地下铁矿的存在。,碳酸化作用水中的CO2从矿物中夺取盐基，将破坏原岩中的矿物，生成新的碳酸盐，使原有矿物分解，这种变化称为碳酸化作用。如4K[AlSi3O8]2CO24H2O→Al4[Si4O10]OH88SiO22K2CO3长石高岭石,,生物风化作用,,生物物理风化作用生物化学风化作用,根劈、动物钻洞、挖土、人类活动,吸收矿物中某些元素分泌各种酸类溶解岩石，微生物的分解作用,由于生物的活动对岩石与矿物所引起的破坏作用，为生物风化作用。,,,,生物物理风化作用根劈作用,,生物化学风化作用,→,,各类风化作用的关系,物理风化、化学风化、生物风化相伴而生，相互影响、相互促进,在不同地区，由于自然条件的差异，各类风化作用的主次不同。,西北干旱区以物理风化为主；东南沿海地区以化学风化为主。,突岩（沙特阿拉伯）干旱地区物理化学风化作用共同形成,,影响岩石风化的因素,岩石性质岩石的成因、矿物成分及结构构造不同，抵抗风化的能力也不同地质构造节理、裂隙和破碎带,,,气候、气体、水及生物等,外因各种自然因素内因,,,,,,,,,影响岩石风化的因素气候,干冷地区以物理风化为主，产物以岩石碎屑为主。湿热地区以化学风化为主，生物风化亦强，矿物分解彻底。产物以大量残留粘土为主；,,１.成因岩石的形成环境与目前所处的环境的差异小，则抵抗风化的能力就强，反之则容易风化。,沉积岩（碎屑岩＞化学岩和生物岩）岩浆岩（酸性岩＞基性岩）变质岩（浅变质＞深变质）,沉积岩＞岩浆岩和变质岩,影响岩石风化的因素岩石性质,2．矿物成分岩浆岩抗风化能力的强弱与矿物从岩浆中分异出来的顺序相反。单矿岩的抗风化能力强于复矿岩；浅色矿物（如正长石）抗风化能力强于暗色矿物（如橄榄石等）。同种元素在不同的矿物中抗风化能力不同。如石灰岩中的Ca易风化，而斜长石中的Ca相对难风化。,,３．结构和构造从结构上看，抗风化能力均匀、细粒结构＞粗粒结构；等粒结构＞斑状结构；隐晶质岩石最不易风化；基底式胶结＞孔隙式胶结；Si质胶结＞Ca质胶结＞泥质。从构造上看，抗风化能力致密的块状岩石＞各向异性的层理、片理状岩石；厚层岩石＞薄层状岩石。,,影响岩石风化的因素地质构造,褶曲轴部、断层破碎带及其附近裂隙密集的地方，岩石易风化。,,,岩石类型不同造成岩石风化速度也不同,红色粘土岩,石灰岩,花岗岩,,风化程度分级,根据矿物颜色的变化、矿物成分的改变、岩石破碎程度和岩石强度降低等四方面的变化，岩石的风化程度划分为五级,未风化、微风化弱风化、强风化全风化,注意在垂直剖面上，风化程度相同的带会重复出现或缺失,,影响岩石工程性质的主要因素,1.岩石性质成因、矿物成分、结构、构造2.地质构造；3.风化作用（风化的程度）；4.水的作用。①天然的溶剂；②天然的润滑剂。,,防治风化的措施,1.向岩石孔隙、裂隙中注浆，提高岩石的整体性和强度；2.在岩石表面喷抹水泥砂浆、沥青或用石灰－水泥砂浆封闭岩面；3.清除厚度不大的严重风化层；4.若严重风化层厚度较大不能全部清除时，对于地基工程可采用桩基穿透风化层落在新鲜岩石上；边坡、隧道工程可根据风化层厚度和风化程度采用加强支护、支挡、衬砌等措施。,,三、岩石的工程分类,根据不同的目的、用途，采用不同的指标，可对岩石进行不同的分类。（一）岩石按坚硬程度的划分（二）岩石施工工程分级,,,1、常见岩石的工程性质评述岩石的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、节理发育程度及风化程度有极密切的关系。,,1）岩浆岩侵入岩常见花岗岩、闪长岩、辉长岩工程性质一般较好（晶质结构、块状构造）。不同岩石具体分析，还有差别。喷出岩常见粗面岩、安山岩、玄武岩岩石工程性质要具体分析。如隐晶质结构、致密块状构造的岩石性质良好。而流纹、气孔构造、具原生节理，则性质变差。具体评述岩浆岩工程性质时，还必须充分考虑岩石的节理发育程度及风化程度。,风化花岗闪长岩的工程性质指标,,2）沉积岩碎屑岩碎屑颗粒被胶结物胶结在一起而形成的岩石。分为砾岩、砂岩、粉砂岩从胶结物成分、胶结方式分析其性质。,,胶结物成分对砂岩强度的影响,,黏土岩泥岩、页岩工程性质差。抗水性差，亲水性强。强度低。当岩石有较多节理裂隙，浸水后膨胀、软化、崩解。含蒙脱石、伊利石、高岭石性质比较。如岩石中裂隙少，有时形成很好的隔水层，有利。化学岩与生物化学岩石灰岩、白云岩，一般良好。注意溶蚀现象，不利。石膏岩、煤层工程性质差沉积岩具有层状构造，工程性质表现出各向异性。应注意其产状对建筑物的影响。,,3）变质岩具有片理构造的变质岩片岩、千枚岩、板岩，片理发育，工程性质具各向异性，一般性质较差，与矿物成分有关。片麻岩，片理发育较弱，性质较好，注意受构造运动影响而破碎和风化的程度。具有块状构造的变质岩常见石英岩、大理岩，性质良好。总之，分析岩石的工程性质，从岩石成因、结构、构造、矿物成分，以及岩石中节理发育及风化程度等几个方面进行分析。,,2、岩石的工程分类依据岩石的工程性质，对岩石进行分类。由于目的用途不同，岩石的工程分类方法不同。我国多以岩石抗压强度作为分类指标。,岩石按强度分类,建筑工程部门用岩石强度分类,土、石的施工工程分级,土、石的工程分级,土、石的工程分级,科茨和帕森斯的岩石工程分类,思考题1.风化作用的类型有哪些各自又包括哪些作用作业题1.影响岩石风化作用的因素有哪些2.论述影响岩石工程性质的因素有哪些,,