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15 岩石的工程性质及工程分类

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
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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)ρ、ρd (γ、γd)等颗粒密度(ρs)和比重(ds)s /ρe)与孔隙度(n)裂隙率(理性质+= 11 ;ρ、ρs↑,n、e↓,岩石的工程性质↑(3~0~0~0~0~0~岩石名称比 重岩石名称常见岩石的比重(g/6~0~9~5~7~岩石名称容 重岩石名称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(和吸水率(和系数(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,用渗透系数在孔隙、裂隙中渗透流动,大多服从达西定律:岩石的透水性 试 验室 内 试 验岩石渗透系数K (cm/s)岩石名称117 10~10 −−1210−83 108~103 −− ××139 105~10 −− ×135 10~10 −−135 10~10 −−810−94 10~10 −−72 10~10 −−83 103~101 −− ××118 10~10 −−73 10~10 −−73 10~10 −−7102 −×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。4~1~0~2~4~5~0~0~4~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τ =σn 抗压强度(R)抗拉强度(剪强度(τ)点荷载强度(弹强度(N)变形性质隙压密阶段性变形阶段性变形、裂隙扩展阶段变形模量 ~201~101~82~85~~~~~106~127~155~127~155~105~~~~ ν)10( 4)10( 42)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)。⋅= 数值范围σ 与10~30150~350石英岩20~1510~150砾岩1~1010~100片岩150~35150~350辉绿岩100~25050~20060~20080~25040~2502~155~100(~205~207~2015~257~2~10(0~250150~300160~300140~300120~280160~300100~250(理岩40~25砂岩片麻岩100~30玄武岩板岩120~35辉长岩白云岩100~20安山岩石灰岩120~30闪长岩黏土岩120~30流纹岩页岩70~25花岗岩岩石名称(石名称 cσ 剪强度够承受的最大剪应力。 = φστC=0常见岩石的 值范围φ及04~40砂岩50~6020~60石英岩45~6020~60辉绿岩10~308~402~202~203~402~30C(5~5035~5530~5035~5035~5020~35(度)20~6015~5015~4015~5015~5010~50C (理岩45~55玄武岩片麻岩45~55辉长岩片岩40~50安山岩板岩45~55闪长岩石灰岩45~60流纹岩页岩45~60花岗岩岩石名称(度)岩石名称 φ φ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石的热胀冷缩劈作用类结晶的撑裂作用石的释荷岩石的热胀冷缩岩石的热胀冷缩岩石的热胀冷缩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:石膏)+ 2膏)水解作用水解作用的实质是水的电离产物(H+及入矿物晶格,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[2+8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。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、矿物成分及隙和破碎体、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;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.矿物成分风化能力强于榄石↓辉石↓角闪石↓黑云母云母↓石英基性斜长石↓中性斜长石↓酸性斜长石构和构造从结构上看,抗风化能力:粒结构>粗粒结构;状结构;隙式胶结;构造上看,抗风化能力: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:风化垂直剖面上,风化程度相同的带会重复出现或缺失!因、矿物成分、结构、化的程度);天然的溶剂;② 天然的润滑剂。隙中注浆,提高岩石的整体性和强度;青或用石灰-水泥砂浆封闭岩面;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。~11~0110~00110~ 压强度(重(g/岗闪长岩风化) 沉积岩♦ 碎屑岩:碎屑为Pa)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。注意溶利。石程性质变质岩具有程性质具般性质较差,与质较好,注意有块状构造的变质岩:常见石质良好。析岩石的工程性质,构、构造、、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。岩石灰岩等喷出岩2、泥砾岩、泥质砂岩、泥质页岩、泥灰岩、泥岩、煤等沉积岩3、云母片岩或千枚岩等变质岩5以上~30软质岩软质岩石30以上~60硬质岩1、花岗岩、闪长岩、玄武岩等岩浆岩2、硅质、钙质胶结的砾岩及砂岩、石灰岩、白云岩等沉积岩3、片麻岩、石英岩、大理岩、板岩、片岩等变质岩60以上极硬岩硬质岩石代表性岩石饱和单轴极限抗压强度(石类别新鲜的泥质岩、泥质砂岩、页岩、泥灰岩、绿泥石片岩、千枚岩、部分凝灰岩及煤系地层;弱称类别用锹挖,以脚蹬锹需连蹬数次才能挖动的。机械需部分刨松方能铲挖满载者,或可直接铲挖,但不能满载者半干硬的、硬塑的塑的积砂蹬械能塑的m)的械需干硬的30%0>15质砂岩、英岩、大理岩、硬玄武岩、闪长岩、粒花岗岩坚石6隧道导坑路堑双人打眼(工天)湿式凿岩普通淬火钻头(净钻分钟)湿式凿岩一字合金钻头(净钻分钟)开挖方法爆破1m)钻1米所需时间土石名称土石类别土石等级 述分 类在50% 作用下发生蠕变粘滞性的 作用下不发生蠕变弹性的分 类流动式破坏>=25%塑性的5%脆性的分 类cσ−自又包括哪些作用?作业题:
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