岩石主要的力学特性

(二)岩石主要力学性质  
 ◆了解岩石主要力学性质的基本概念
1．岩石的变形    
 
岩石在弹性变形范围内用弹性模量和泊松比两个指标表示
弹性模量是应力与应变之比。以“帕斯卡”为单位。岩石的弹性模量越大，变形越小。即弹性模量越大，岩石抵抗变形的能力越强。
 
泊松比是横向应变与纵向应变的比。泊松比越大，表示岩石受力作用后的横向变形越大。
 
通常所提供的弹性模量和泊松比，只是在一定条件下的平均值。
 
2．岩石的强度           
(1)抗压强度。
在数值上等于岩石受压达到破坏时的极限应力。岩石的抗压强度相差很大，胶结不良的砾岩和软弱页岩小于20mpa，坚硬岩浆岩的大于250mpa。
(2)抗拉强度。
在数值上等于岩石单向拉伸破坏时的最大张应力。岩石的抗拉强度远小于抗压强度，故当岩层受到挤压形成褶皱时，常在弯曲变形较大的部位受拉破坏，产生张性裂隙。
(3)抗剪强度。
抗剪强度是指岩石抵抗剪切破坏的能力，在数值上等于岩石受剪破坏时的极限剪应力。在一定压应力下岩石剪断时，剪破面上的最大剪应力，称为抗剪断强度，其值一般都比较高。抗剪强度是沿岩石裂隙或软弱面等发生剪切滑动时的指标，其强度远远低于抗剪断强度。
三项强度中，岩石的抗压强度最高，抗剪强度居中，抗拉强度最小。岩石越坚硬，其值相差越大，软弱岩石的差别较小。岩石的抗压强度和抗剪强度，是评价岩石(岩体)稳定性的主要指标，是对岩石(岩体)的稳定性进行定量分析的依据之一。
 
 练习题：
1.关于岩石变形叙述正确的是( )。
a．弹性模量是应变与应力之比      
b．弹性模量大则变形大
c.泊松比愈小，受力后横向变形愈大 
d．泊松比愈小，受力后横向变形愈小
  答案：d
2.（   )是岩石抵抗拉伸破坏的能力，在数值上等于岩石单向拉伸破坏时的最大张应力。
a．抗压强度    
b．抗弯强度
c．抗拉强度    
d．抗剪强度
答案：c
3.三项强度中，( )。
 a．岩石的抗压强度最高，抗剪强度居中，抗拉强度最小
 b．岩石的抗剪强度最高，抗压强度居中，抗拉强度最小
 c．岩石的抗拉强度最高，抗剪强度居中，抗压强度最小
 d．难以确定
答案：a
三、岩石成因类型及其特征
◆了解常用建筑材料属于哪一类岩体。
    地球固体的表层是由岩石组成的硬壳—地壳，组成地壳的岩石按成因可分为岩浆岩(火成岩)、沉积岩(水成岩)和变质岩三大类。
从各类岩石在地壳表面的分布面积看，沉积岩约占陆地面积的75％，变质岩和岩浆岩占25％；按质量百分比计算，沉积岩仅占地壳质量的5％，变质岩占6％，而岩浆岩占89％。
1．岩浆岩
岩浆岩又称火成岩，是岩浆通过地壳运动，沿地壳薄弱地带上升冷却凝结后形成的岩石。
（1）侵入岩
侵入岩是侵入到周围岩层(简称围岩)中形成的岩浆岩。根据形成深度，侵入岩又分为深成岩(形成深度大于5km)和浅成岩(形成深度小于5km)。
①深成岩常形成岩基等大型侵入体，岩性一般较单一，以中、粗粒结构为主，致密坚硬，孔隙率小，透水性弱，抗水性强，故其常被选为理想的建筑基础，如花岗岩、正长岩、闪长岩、辉长岩;
②浅成岩多以岩床、岩墙、岩脉等状态产出，有时相互穿插。颗粒细小，岩石强度高，不易风化，但这些小型侵入体与围岩的接触部位，岩性不均一，节理裂隙发育，岩石破碎，风化蚀变严重，透水性增大，如花岗斑岩、闪长玢岩、辉绿岩、脉岩。
（2）喷出岩
喷出岩是指喷出地表形成的岩浆岩，一般呈原生孔隙和节理发育，产状不规则，厚度变化大，岩性很不均一，比侵入岩强度低，透水性强，抗风能力差，如流纹岩、粗面岩、安山岩、玄武岩、火山碎屑岩。
 
2．沉积岩
沉积岩是在地壳表层常温常压条件下，由．风化产物、有机物质和某些火山作用产生的物质，经风化、搬运、沉积和成岩等一系列地质作用而形成的层状岩石。
    
结构形式
沉积岩主要有碎屑结构(碎屑物质被胶结物粘结起来而形成的结构)、泥质结构(由粒径小于 0．005mm的黏土颗粒组成的结构)、晶粒结构(由岩石颗粒在水溶液中结晶或呈胶体形态凝结沉淀而成的结构)、生物结构(由生物遗体组成的结构)。
沉积岩的构造
常见的构造有层理构造、层面构造、结核(与周围沉积岩不同的、规模不大的团块体)、生物成因构造(如生物礁体、叠层构造、虫迹、虫孔等)。
根据沉积岩的组成成分、结构、构造和形成条件，可分为碎屑岩(如砾岩、砂岩、粉砂岩)、黏土岩(如泥岩、页岩)、化学岩及生物化学岩类(如石灰岩、白云岩、泥灰岩)等。
  
3．变质岩
变质岩是地壳中原有的岩浆岩或沉积岩，由于地壳运动和岩浆活动等造成物理化学环境的改变，使原来岩石的成分、结构和构造发生一系列变化所形成的新的岩石。
变质岩的结构
变质岩的结构主要有：
变余结构(重结晶或变质结晶作用不完全使原岩结构特征保留)、
变晶结构(岩石发生重结晶或变质结晶所形成的结构)、
碎裂结构(岩石受定向压力作用发生破裂，形成碎块甚至粉末状后又被胶结在一起的结构)。
变质岩的构造
变质岩的构造主要有板状构造(平行、较密集而平坦的破裂面分裂岩石成板状体)、千枚状构造(岩石呈薄板状)、片状构造(含大量呈平行定向排列的片状矿物)、片麻状构造(粒状变晶矿物间夹鳞片状、柱状变晶矿物并呈大致平行的断续带状分布)、块状构造(矿物均匀分布、结构均一、无定向排列，如大理岩、石英岩)等。
练习题：
1.花岗岩是( )。
a．岩浆岩   
b．沉积岩
c．水成岩   
d．变质岩
答案：a
2.石灰岩是(    )。
a．岩浆岩    
b．沉积岩
c．火成岩    
d．变质岩
答案：b
3.大理岩是(    )。
a．岩浆岩    
b．沉积岩
c．水成岩    
d．变质岩
答案：d
4.下列属火山喷出岩的是(       )。
a．辉长岩 
b．花岗斑岩
c．玄武岩 
d．脉岩
答案：c
5.下列属于火山深成岩的是(      )。
a．花岗岩   
b．花岗斑岩
c. 流纹岩   
d．安山岩
  答案：a
 

土的工程性质

 四、土的工程性质
◆了解土的孔隙比和含水量的基本概念。
◆了解淤泥质土、填土的工程特性
    土是连续、坚固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒，在原地残留或经过不同的搬运方式，在各种自然环境中形成的堆积物。土是由颗粒(固相)、水溶液(液相)和气(气相)所组成的三相体系。组成土的固体颗粒矿物有原生矿物、不溶于水的矿物、可溶盐类、易分解的矿物以及有机质。     

l.土的孔隙比和含水量
（1）土的孔隙比
土的孔隙比是土中孔隙体积与土粒体积之比，反映天然土层的密实程度，孔隙比小于0．6的是密实的低压缩性土，大于1.0的土是疏松的高压缩性土。
（2）土的含水量
土的饱和度（sr）是土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比。
饱和度sr越大，表明土孔隙中充水愈多。sr<50％是稍湿状态，sr在50％～80％之间是很湿状态，sr>80％是饱水状态。
（3）土的分类
碎石土和砂土为无黏性土，紧密状态是判定其工程性质的重要指标。
颗粒小于粉砂的是黏性土，
黏性土的工程性质受含水量的影响特别大。
当含水量很小时，黏性土比较坚硬，处于固体状态，具有较大的力学强度。随着土中含水量的增大，土逐渐变软，甚至呈现流塑或流动状态。黏性土这种因含水量变化而表现出的各种不同物理状态，称为土的稠度。
黏性土能在一定的含水量范围．内呈现出可塑性，这是黏性土区别于砂土和碎石土的一大特性，据此特点，黏性土也可称为塑性土。
随着含水量的变化，黏性土由一种稠度状态转变为另一种状态，对应于转变点的含水量称为界限含水量，也称为稠度界限，是黏性的重要特性指标，黏性土的界限含水量，有缩限、塑限和液限。
 
缩限：半固态黏性土随水分蒸发体积逐渐缩小，直到体积不再缩小时的界限含水量叫缩限
塑限，体积不再随水分蒸发而缩小的状态为固态。半固态黏性土随含水量增加转到可塑状态的界限含水量叫塑限，也称塑性下限。
液限：由可塑状态转到流塑、流动状态的界限含水量叫液限。
液限和塑限的差值称为塑性指数，它表示黏性土处在可塑状态的含水量变化范围。塑性指数愈大，可塑性就愈强。黏性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比，称为液限指数。液限指数愈大，土质愈软。
             
  
3．特殊土的工程性质
（1）土的分类
根据土中有机质含量 为无机土、有机质土、泥炭质土和泥炭；
根据土的颗粒级配和塑性指数分为碎石土、砂土、粉土和黏性土；
根据土的地质成因分为残积土、坡积土、洪积土、冲积土、湖泊沉积物、海洋沉积物、冰积土和冰水沉积土、风积土。
（2）特殊土的工程性质
(1)淤泥及淤泥质土
具有高含水量、高孔隙性、低渗透性、高压缩性、低抗剪强度、较显著的触变性和蠕变性等特性。
(2)湿陷性黄土。
在天然含水量时一般呈坚硬或硬塑状态，具有较高的强度和低的或中等偏低的压缩性，但遇水浸湿后，强度迅速降低，有的即使在其自重作用下也会发生剧烈而大量的沉陷。
湿陷性黄土受水浸湿后，在其自重压力下发生湿陷 的，称为自重湿陷性黄土。易造成沉陷等问题。
而在其自重压力与附加压力共同作用下才发生湿陷的，称为非自重湿陷性黄土。性质好。
(3)红黏土。
 天然含水量高、密度小、塑性高，通常呈现较高的强度和较低的压缩性，不具有湿陷性。因塑性很高，所以尽管天然含水量高，一般仍处于坚硬或硬可塑状态，甚至饱水的红黏土也是坚硬状态的。
(4)膨胀土。
含有大量的强亲水性黏土矿物成分，具有显著的吸水膨胀 和失水收缩，且胀缩变形往复可逆。在天然条件下一般处于硬塑或坚硬状态，强度较高，压缩性较低，易被误认为是工程性能较好的土，但一旦地表水浸入或地下水位上升使含水量剧烈增大，或土的原状结构被扰动时，土体会骤然强度降低、压缩性增高。
膨胀土多分布于ⅱ级以上的河谷阶地或山前丘陵地区，个别处于i级阶地。
(5)填土。
由于人类活动而堆填的土。一般密实度较差，但若堆积时间较长，由于土的自重压密作用，也能达到 一定密实度。如堆填时间超过10年的黏性土、超过5年的粉土、超过2年的砂土，均具有一定的密实度和强度，可以作为一般建筑物的天然地基。
①素填土
素填土是由碎石、砂土、粉土或黏性土等一种或几种材料组成的填土。素填土地基具有不均匀性，防止建筑物不均匀沉降是填土地基的关键；
②杂填土
杂填土是含有大量杂物的填土。试验证明，以生活垃圾和腐蚀性及易变性工业废料为主要成分的杂填土，一般不宜作为建筑物地基。主要以建筑垃圾或一般工业废料组成的杂填土，采用适当的措施进行处理后可作为一般建筑物地基。在利用杂填土作为地基时，应注意其不均匀性、工程性质随堆填时间而变化、含腐殖质及水化物等问题；
③冲填土
冲填土是由水力冲填泥砂形成的沉积土，如在整理和疏浚江河航道时，送至江河两岸形成的填土。冲填土的含水量大，透水性较弱，排水固结差，一般呈软塑或流塑状态，比同类自然沉积饱和土的强度低、压缩性高。
  练习题：
1.土的孔隙比是土中孔隙体积与土粒体积之比，反映天然土层的密实程度一般孔隙比(    )的是密实的低压缩性土。
a．小于0．6    
b．大于0．6
c．小于0．9    
d．大于0．9
答案：a
2.土的饱和度sr=55％，则其处于(   )状态。
a．饱水 
b．很湿 
c．稍湿 
d．干燥
答案：b
3.碎石土和砂土为无黏性土，(    )是判定其工程性质的重要指标。
a．松散状态    
b．紧密状态
c.含水状态      
d．自然状态
答案：b
4.黏性土随其含水量的不断增大，其物理状态的变化顺序是(     )。
 a．固态一半固态一可塑态一流塑态
 b．固态一半固态一流塑态一可塑态
 c．流塑态一可塑态一半固态一固态
 d．可塑态一流塑态一半固态一固态
  答案：a
5.关于土的塑性指数叙述正确的是(      )。
a.塑性指数是液限和缩限的差值    
b．塑性指数是塑限和缩限的差值
c.塑性指数是液限和塑限的差值    
d．塑性指数是判定砂质土工程性质的重要指标
  答案：c
6.液限指数叙述正确的是(       )。
 a．是黏性土天然含水量与塑限的差值
 b．是黏性土天然含水量与液限的差值
 c．是黏性土天然含水量和塑限的差值与液限之比
 d．是黏性土天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比
答案：d
7.随着含水量的变化，黏性土由一种稠度状态转变为另一种状态，对应于转变点的含水量称为界限含水量，也称为(    )，是黏性土的重要特性指标，对黏性土的工程性质评价及分类等有重要意义。
a．稠度界限       
b．密度界限
c．分层度界限    
d．黏度界限
答案：a
8.土的界限含水量，可分为(      )。
a．固限    
b.缩限    
c．塑限   
d．液限 
e．流动限
答案：bcd
9．下列叙述正确的是(       )。
 a．塑性指数愈大，土的可塑性愈强
 b．塑性指数愈大，土的可塑性愈弱
 c．液限指数愈大，土质愈硬   
 d．液限指数愈大，土质愈软
 e．塑性指数、液限指数是衡量非黏性土的物理指标
   答案：a、d
10.下列选项中，(    )不是淤泥及淤泥质土的特性，
a.高含水量    
b.高渗透性    
c.高压缩性  
d.高孔隙性
    答案：b
11．填土可分为(     )。
a．水填土 
b.素填土
c.杂填土   
d．冲填土
e．泥填土
答案：bcd
12．填土在工程应用上正确的采用条件是(     )。   
   a．回填达2年的粉土可做一般建筑的天然地基
   b．回填达5年的黏土可做一般建筑的天然地基
   c. 生括垃圾和腐蚀性成分的杂填土经处理亦可做建筑物的天然地基
   d．建筑垃圾或一般工业废料组成的杂填土，经处理可做一般建筑物的地基
答案：d