造价工程师2015《工程技术计量（土建）》备考总结（1.2）

　　（二）岩石主要力学性质

　　1、岩石的变形

　　岩石受力作用会产生变形，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，用符号Pa表示。相同受力条件下，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。

　　岩石并不是理想的弹性体，岩石变形特性的物理量也不是一个常数。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

　　岩石的强度是岩石抵抗外力破坏的能力，也以“帕斯卡”为单位，用符号Pa表示。岩石受力作用破坏，表现为压碎、拉断和剪切等，故有抗压强度、抗拉强度和抗剪强度等。

　　（1）抗压强度。抗压强度是岩石在单向压力作用下抵抗压碎破坏的能力，是岩石最基本最常用的力学指标。在数值上等于岩石受压达到破坏时的极限应力。抗压强度主要与岩石的结构、构造、风化程度和含水情况等有关，也受岩石的矿物成分和生成条件的影响。所以，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，坚硬岩浆岩大于250MPa.

　　（2）抗拉强度。抗拉强度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。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。抗剪强度约为抗压强度的10%～40%，抗拉强度仅是抗压强度的2%～16%.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。

　　三、岩石成因类型及其特征

　　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。它们在地壳中的分布并不均匀。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%.不同成因的岩石形成条件、物质成分、结构和构造各不相同，故它们的物理力学性质也不一样，这些都关系到工程建设的规划、设计和施工。

　　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。岩石中矿物的结晶程度、颗粒大小与形状，以及它们的相互组合关系不同，形成岩浆岩的不同结构。岩石中的矿物在空间的排列、配置和充填方式不同，形成岩浆岩的不同构造。结构和构造特征直接影响岩石的强度等工程性质。根据形成条件，岩浆岩分为喷出岩和侵人岩。侵人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）。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：浅成岩多以岩床、岩墙、岩脉等状态产㈩，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。喷㈩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。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，是沉积岩各个组成部分的空间分布和排列方式。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。

　　四、土的工程性质

　　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、不溶于水的次生矿物、可溶盐类、易分解的矿物以及有机质。各种土的颗粒大小和矿物成分差别很大，土的三相间的数量比例也不尽相同，而且土粒与其孔隙水溶液及环境水之间又有复杂的物理化学作用。

　　1、土的孔隙比和含水量

　　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。天然土层的含水量变化范围很大，一般于的粗砂土，其值接近于0，而饱和砂土可达35%；坚硬的黏性土含水量为20%～30%，而饱和状态的软黏性土（如淤泥）可达60%以上。一般而言，土的含水量增大时，其强度就降低。土的饱和度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。Sr80%是饱水状态。

　　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，黏性土的丁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，并在外力作用下可任意改变形状，即土处于可塑状态。若再继续增大土的含水量，土变得愈来愈软弱，甚至不能保持一定的形状，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。土的可塑性是指土在外力作用下可以形成任意形状而不裂缝，且当外力解除后仍可保持既得形状的性能。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。黏性土的界限含水量，有缩限、塑限和液限。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，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。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。

　　2、土的力学性质

　　土的力学性质主要是压缩性和抗剪强度。土的压缩性是土在压力作用下体积缩小的特性。在荷载作用下，透水性大的饱和无黏性土，其压缩过程在短时间内就可以结束。然而，黏性土的透水性低，其压缩稳定所需的时间要比砂土长得多，其固结变形往往需要几年甚至几十年。在土的自重或外荷载作用下，土体中某一个曲面上产生的剪应力值达到了土对剪切破坏的极限抗力时，土体就会沿着该曲面发生相对滑移而失稳。土对剪切破坏的极限杭力称为土的抗剪强度。

　　3、特殊土的工程性质

　　根据土中有机质含量，土可以分为无机土、有机质土、泥炭质上和泥炭；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、坡积上、洪积上、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。这里强调的是要注意一些特殊土的工程性质。

　　（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的沉陷。黄土在我国分布很广，其中湿陷性黄土约占3/4，遍及甘、陕、晋的大部分地区以及豫、宁、冀部分地区。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。而在其闩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。在自重湿陷性黄土地区修筑渠道，初次放水时就可能产生地面下沉，两岸出现与渠道平行的裂缝；管道漏水后由于自重湿陷可能导致管道折断；路基受水后由于自重湿陷而发生局部严重坍塌；地基土的自重湿陷往往使建筑物发牛很大的裂缝或使砖墙倾斜，甚至使一些很轻的建筑物也受到破坏。而在非自重湿陷性黄土地区，这类现象极为少见。所以在这两种不同湿陷性黄土地区所采取的地基设计、地基处理、防护措施及施工要求等方面均应有较大差别。

　　（3）红黏土。天然含水量高（一般为40%～60%，最高达90%）、密度小（天然孔隙比一般为1.4～1.7，最高为2.0）、塑性高（塑限一般为40%～60%，最高达90%，塑性指数一般为20～50），通常呈现较高的强度和较低的压缩性，不具有湿陷性。由于塑性很高，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。广泛分布于我国的云贵高原、四川东部、广西、粤北及鄂西、湘西等地区的低山、斤陵地带顶部和山间盆地、洼地、缓坡及坡脚地段。

　　（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（自由膨胀量一般超过40%，也有超过100%的）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-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。在膨胀土地区进行丁程建筑，如果不采取必要的设计和施工措施，会导致大批建筑物的开裂和损坏，甚至造成坡地建筑场地崩塌、滑坡、地裂。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。是在一定的地质、地貌和社会历史条件下，由于人类活动而堆填的土。填土分为素填土、杂填土、冲填土。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。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。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；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丁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；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。

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