21-3-岩石力学与工程-岩石物理力学性质解析课件.ppt

1、10/23/20221 1.火成岩火成岩 主要由高温熔融的岩浆侵入壳或喷出地表冷凝形主要由高温熔融的岩浆侵入壳或喷出地表冷凝形成的岩石，亦称岩浆岩。成的岩石，亦称岩浆岩。2.沉积岩沉积岩 主要由母岩风化剥蚀的产物、火山碎屑物质、生主要由母岩风化剥蚀的产物、火山碎屑物质、生物遗骸等经过搬运、沉积、固结形成的岩石。物遗骸等经过搬运、沉积、固结形成的岩石。3.变质岩变质岩 先以存在的火成岩、沉积岩或变质岩受物理和化学先以存在的火成岩、沉积岩或变质岩受物理和化学条件变化的影响改变其结构、构造和矿物成分而形条件变化的影响改变其结构、构造和矿物成分而形成的新的岩石。成的新的岩石。10/23/2022210

2、/23/20223（1）岩石的主要矿物质成分）岩石的主要矿物质成分 20物、碳酸盐矿物、硫酸盐矿物以及Fe、Mn、Al的氧化物和氢氧化物。一般沉积岩仅含56种矿物，多数仅含13种。10/23/20224 （2）沉积岩的矿物成分与火成岩的区别）沉积岩的矿物成分与火成岩的区别 2）火成岩中长石多于石英，而沉积岩中石英多于长石，而且长石中是以钾长石为主，酸性斜长石次之，其它种类长石罕见。10/23/202254）易溶和粘土矿物在水的作用下容易被溶蚀，使）易溶和粘土矿物在水的作用下容易被溶蚀，使岩石的孔隙度增大，结构变松，强度降低。岩石的孔隙度增大，结构变松，强度降低。5）一些矿物由于其物态变化，使其

3、体积发生膨胀）一些矿物由于其物态变化，使其体积发生膨胀和软化，使岩石强度降低。和软化，使岩石强度降低。10/23/20226 颗粒的大小、形状、排列结晶连结岩石结构 结构连结胶结连结微小弱面微结构面微小孔隙10/23/20227 岩石的物理性质是指由岩石固有的物质组成和结构特征所决定的比重、容重、孔隙率等基本属性。（1）概念概念 （2）表达式表达式VW（2-1）1.天然容重天然容重 ：2.干容重干容重 ：10/23/20228dwdw1.量积法量积法10/23/20229 hAGd（2-2）10/23/202210/WWW（2-3）sg1g2gdnssdggggg121（2-4）n10/23/

4、202211 容重和岩石密度的关系容重和岩石密度的关系Vm10/23/202212（2-6）gVmgVW（2-7）wsssVWG（2-8）sGsWsVw10/23/20221310/23/202214%100VVnv（2-9）10/23/202215 中所占的百分率，孔隙率愈大，则岩石的孔隙和裂隙愈多，岩石的力学性能则愈差。%100cvVVe（2-10）10/23/202216%100drwmmw（2-12）10/23/202217%1000drdrammmw（2-13）2.下mdr 10/23/202218%100drdrsasammmw（2-14）（3）岩石的透水性）岩石的透水性%100s

5、aawwwk（2-15）10/23/20221910/23/202220 ccwcccwc（2-16）fc%100ccfcfc（2-17）ccf10/23/20222110/23/202222n岩石在反复冻融后其强度降低的主要原因 构成岩石的各种矿物的膨胀系数不同，当温度变化时，由于矿物的胀、缩不均匀而导致岩石结构的破坏；当温度降到0以下时，岩石孔隙中的水将结冰，其体积增大约9%，会产生很大的膨胀压力，使岩石的结构发生改变，直至破坏。10/23/202223 岩石强度：是指岩石在各种载荷作用下达到破坏时所能承受的极限应力，即岩石材料在受外载荷作用时抵抗破坏的能力。岩石的强度主要包括岩石的单轴抗

6、压强度、单轴抗拉强度、抗剪强度、多轴压缩强度等。2.分类分类10/23/202224（2）研究岩石强度的意义1.是岩石分类、分级中的重要数量指标；2.可以判别计算处或测定处的岩土工程是否稳定；3.在简单地下工程条件下，可作为极限平衡条件(塑性条件)，求解弹塑性问题的塑性区范围，以及弹性区和塑性区的应力与位移。10/23/202225拉伸破坏 拉应力脆性破坏破坏形式剪切破坏 剪应力塑性破坏 剪应力从岩石的破坏模式来看，可分为五种破坏形式，如图2-1所示。（a）单轴压缩纵向劈裂破裂（b）剪切破坏（c）多重剪切破坏（d）拉伸破裂（e）由线载荷产生的拉伸破坏10/23/202226（1）定义）定义 c

7、PA（2-18）1）国际岩石力学学会规定）国际岩石力学学会规定 我国的规定我国的规定 10/23/202227 原因：原因：10/23/20222842图2-2 单轴压缩破坏形态 图2-3 压缩圆柱体的应力分布 10/23/202229 当承压板刚度很大时，其接触面的应力分布很不均匀，呈山字型，如下图2-4所示。因此，承压扳(或者垫块)尽可能采用与岩石刚度相接近的材料，避免由于刚度的不同而引起变形不协调造成应力分布不均匀的现象。图2-4 在刚性承压板之间压缩时岩石端面的应力分布 10/23/20223010/23/2022311）试件形状的影响）试件形状的影响 试件尺寸的影响试件尺寸的影响矿物

8、颗粒直径的10倍以上，其强度值相对比较稳定。因此，目前对于一般岩石采取直径为50mm的试件作为其标准尺寸。10/23/202232 0.30.2/dhc图2-5 粗面岩的抗压强度与hd的关系 PAAPRttR10/23/20223310/23/202234PdtPt2ttd,10/23/20223510/23/2022362tsPIkDtPDSI10/23/20223710/23/202238ctanc10/23/20223910/23/202240APmlm32132110/23/20224110/23/20224210/23/202243 前的曲线。2.普通试验机得不到峰值强度后曲线的原因

9、普通试验机得不到峰值强度后曲线的原因主要是普通试验机的刚度不够，使在试验时有很大一部分能量以应变能形式储存在试验机的立柱和其它部件中，当试件的应力达到峰值后，其承载能力下降，此时，试验机中的应变能快速释放所造成的。10/23/2022441）增加试验机上钢构件的截面积和减小其厚度；2）增加液压柱的截面积，且减小其长度；3）增大液压油的体积模量。10/23/202245CDEOAB图2-17 全应力-应变曲线预测岩爆示意图 10/23/2022464.预测循环加载条件下岩石的破坏 根据岩石本身已有的受力水平，循环荷载的大小、周期、可根据全应力-应变曲线来预测循环加载条件下岩石发生破坏的时间。FH

10、IGEDCBAO蠕变终止轨迹线图2-18 全应力-应变曲线预测蠕变破坏示意图10/23/202247 形和非线弹性变形。10/23/202249 ECDBAO图2-20 岩石单轴压缩载荷作用下全应力-应变曲线 10/23/202250 10/23/202251 5.破裂后阶段（破裂后阶段（DE段）段）并且相互交叉联合形成宏观断裂面，试件的承载能力迅速下降，但不会到零，岩石仍具有一定的承载能力。p65.0p65.0p65.0p65.0区段 特征 OA AB BC CD DE EF 斜率 渐增 不变 渐减 速减 变号 变为零 裂隙状况 原 始 裂 隙闭 合，试件 与 压 板间隙调整 微 量 新裂

11、隙 产生 应力达 以上时，新裂 隙 产 生渐 多(峰 值应力)应力达 以 上 时，新裂 隙 急 增 并互相贯穿 贯 穿 裂 隙继续发展 裂 隙 停 止发育 声发射 微量 少量 明显增多 急增 继续变化 停止变化 残余应变 无 无 有 有 有 有 p5.0p65.010/23/20225210/23/202253OOOOO图2-21 峰值前岩石的典型应力-应变曲线 a.弹性岩石 b.弹性-塑性岩石 c.塑-弹性岩石 d.塑-弹-塑性岩石 e.弹-粘性岩石 10/23/202254 10/23/202255 近，岩石愈来愈接近弹性变形，直到没有塑性变形为止，如图2-22所示。10/23/20225

12、6OP1图2-22 等载荷循环加、卸载时的应力-应变曲线 CO图2-23 不断增大载荷循环加、卸载时的应力-应变曲线 10/23/202257 岩石在循环载荷作用下，当循环应力小于某一数值时，循环次数即使很多，也不会导致试件的破坏；而超过这一数值时岩石将在某次循环中发生破坏（疲劳破坏），这一数值称为临界应力。它的大小与岩石种类有关。10/23/202258 图2-24 应力-应变关系2323 32 2232为常数时的影响 10/23/20225910/23/202260233233oddEPddEPE10/23/202261cS21cSddE21cS21cSE2110/23/202262125

13、.010/23/202263eeKKe321VVe32,)1(2EG10/23/202264321VVVVV321,10/23/20226510/23/20226610/23/20226710/23/202268GEGEGExyxyyxzzzxzxxzyyyzyzzyxx),(1),(1),(1E)1(2EG10/23/202269zxyzxyzyxzxyzxyzyx66656463626156555453525146454443424136353433323126252423222116151413121110/23/202270zxyzxyzyxzxyzxyzyx6655443332312

14、3222113121100000000000000000000000010/23/202271zxyzxyzyxzxyzxyzyxGGGEEEEEEEEE22122222221112211110000001000000100000010001000110/23/2022721E2E121G2G10/23/20227310/23/202274 2.自由水自由水它不受矿物表面吸附力的控制，其运动主要受重力作用控制，它对岩石力学性质的影响主要表现为孔隙水压力作用和溶蚀及潜蚀作用。10/23/202275 化，使矿物颗粒间的连接力减弱，摩擦力降低，起到润滑剂的作用。10/23/202276 应力状态，

15、起到破坏岩石连接的作用。5.溶蚀溶蚀-潜蚀作用潜蚀作用通过渗透水在岩体内流动过程，将岩石中的可溶矿物溶解带走，有时将岩石中的小颗粒冲走，从而使岩石强度大为降低，变形增大，前者属于溶蚀作用，后者属于潜蚀作用。10/23/202277升温对岩石的力学性质不会产生显著的影响。10/23/202278按ISRM建议的，在进行单轴抗压强度试验时，其加载速率应控制在0.51MPas之间，一般从实验开始直至试件破坏的时间为5-10min。10/23/202279（2）岩石经风化作用后，由于原生矿物经水解、水化、氧化等化学作用，造成岩石的矿物成分发生变化，使岩体的结构遭到破坏，岩石的抗水性、力学强度降低，孔隙性增加，透水性增强等。