1、2.1 2.1 岩石的地质特征岩石的地质特征2.2 2.2 岩石的基本物理性质岩石的基本物理性质2.3 2.3 岩石的强度特性岩石的强度特性2.4 2.4 岩石的变形特性岩石的变形特性2.52.5 影响岩石物理力学性质的主要因素影响岩石物理力学性质的主要因素本章所说的岩石是指岩石块体，即岩块一、岩石（块）的物质组成一、岩石（块）的物质组成岩岩块的块的力学性质主要取决于组成岩石的矿物成力学性质主要取决于组成岩石的矿物成分及其相对含量分及其相对含量2.1.1 岩石的地质特征岩石的地质特征 物质组成及结构物质组成及结构粘土矿物粘土矿物硅酸盐类矿物硅酸盐类矿物碳酸盐类矿物碳酸盐类矿物氧化物类矿物氧化物
2、类矿物组成岩石组成岩石的矿物的矿物二、岩块的结构特征二、岩块的结构特征岩块的结构岩块的结构：岩石内矿物颗粒的大小、形状、排：岩石内矿物颗粒的大小、形状、排列方式及微结构面发育情况与粒间连结方式等反映列方式及微结构面发育情况与粒间连结方式等反映在岩块构成上的特征。在岩块构成上的特征。结晶连结结晶连结：矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一：矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，它是通过共用原子或离子使不同晶粒紧密起，它是通过共用原子或离子使不同晶粒紧密接触。接触。岩石的粒间连结分结晶连结与胶结连结岩石的粒间连结分结晶连结与胶结连结胶结连结胶结连结：矿物颗粒通过胶结物连结在一起。：矿物颗粒通过胶结物连结在一起。微
3、结构面微结构面削弱岩块的强度，导致各向异性削弱岩块的强度，导致各向异性颗粒大小颗粒大小 强度：粗粒强度：粗粒 片状片状 鳞状鳞状胶结连结的岩块胶结连结的岩块强度：硅质胶结强度：硅质胶结 铁质、铁质、钙质钙质 泥质胶结泥质胶结三、岩块的风化三、岩块的风化岩石经过风化，矿物组成和结构改变，岩块的物岩石经过风化，矿物组成和结构改变，岩块的物理力学性质改变：强度降低、抗变形性能减弱、理力学性质改变：强度降低、抗变形性能减弱、空隙率增大、渗透性加大。空隙率增大、渗透性加大。衡量岩块的风化程度的指标：衡量岩块的风化程度的指标：定性指标主要有：定性指标主要有：颜色、矿物蚀变程度、破碎颜色、矿物蚀变程度、破碎
4、程度及开挖锤击技术特征程度及开挖锤击技术特征等等定量指标主要有定量指标主要有风化空隙率指标、波速指标、风化空隙率指标、波速指标、强度指标强度指标等等岩石风化程度定量评价指标：岩石风化程度定量评价指标：风化空隙率指标（风化空隙率指标（I Iw w）：快速浸水后风：快速浸水后风化岩石吸入水后的质量化岩石吸入水后的质量m mw w与干燥岩石质与干燥岩石质量量m mrdrd之比。之比。rdwwmmI波速指标（波速指标（cpcp）：）：风化岩石弹性波纵风化岩石弹性波纵波波速。波波速。波速比（波速比（K Kv v）：风化岩石弹性波纵波波：风化岩石弹性波纵波波速（速（cpcp）与新鲜岩块弹性波纵波波速）与新
5、鲜岩块弹性波纵波波速（r rp p）之比的平方。）之比的平方。2rpcpvvvK风化系数（风化系数（K Kf f）：）：风化岩石的饱和单轴风化岩石的饱和单轴抗压强度（抗压强度（cwcw）与新鲜岩石饱和单轴）与新鲜岩石饱和单轴抗压强度（抗压强度（cwcw）之比。）之比。cwcwfK硬质岩石风化风化程度分类表硬质岩石风化风化程度分类表风化程度风化程度vcp（m/s）kvkf全风化全风化50010000.20.4-强风化强风化100020000.40.650000.91.00.91.0岩土工程勘察规范（GB50021-2001）硬质岩石风化风化程度野外描述硬质岩石风化风化程度野外描述硬质岩石风化风化
6、程度野外描述硬质岩石风化风化程度野外描述四、岩块的工程分类四、岩块的工程分类 1 1.Deere&Miller Deere&Miller 双指标分类双指标分类分类指标：岩块单轴抗压强度（分类指标：岩块单轴抗压强度（c c）、模量比模量比（E Et t/c c）类别类别岩块分类岩块分类c（MPa）岩石类型举例岩石类型举例A极高强度极高强度200石英岩、辉长岩、石英岩、辉长岩、玄武岩玄武岩B高强度高强度100200大理岩、花岗岩、大理岩、花岗岩、片麻岩片麻岩C中等强度中等强度50100砂岩、板岩砂岩、板岩D低强度低强度2550煤、粉砂岩、片岩煤、粉砂岩、片岩E极低强度极低强度125白垩、盐岩白垩、
7、盐岩类别类别Et/c分分类类Et/cH高模量高模量比比500M中等模中等模量比量比200500L低模量低模量比比2002.2.岩土工程勘察规范岩土工程勘察规范（GB50021-2001）分类分类分类指标分类指标：新鲜岩块的：新鲜岩块的饱和单轴抗压强度（饱和单轴抗压强度（cwcw）类别类别亚类亚类饱和单轴抗压强饱和单轴抗压强度度（MPa）代表性岩石代表性岩石硬质硬质岩石岩石极硬岩石极硬岩石60花岗岩、花岗片麻岩、闪长岩、玄花岗岩、花岗片麻岩、闪长岩、玄武岩、石灰岩、石英砂岩、石英岩、武岩、石灰岩、石英砂岩、石英岩、大理岩、硅质砾岩等大理岩、硅质砾岩等次硬岩石次硬岩石3060软质软质岩石岩石次软岩
8、石次软岩石530粘土岩、页岩、千枚岩、绿泥石片粘土岩、页岩、千枚岩、绿泥石片岩、云母片岩等岩、云母片岩等极软岩石极软岩石52.22.2 岩石的基本物理性质岩石的基本物理性质岩石是由固体、液体和气体三相组成的。岩石的力学性质常与岩石中三相的比例关系及固相与水相互作用有密切的关系。通常将岩石由于三相组成的相对比例关系不同所表现的物理状态以及岩石在与水溶液作用下发生一系列的反应所表现出来的性质统称为岩石的基本物理性质。其中后者又称为岩石的水理性质。一、岩石的质量指标描述岩石质量的参数，用单位体积岩石质量表示（一）岩石的密度1 1、天然密度（、天然密度（）岩石在天然条件下单位体积的质量岩石在天然条件下
9、单位体积的质量，即，即V V岩石试件的总体积；岩石试件的总体积；m m岩石试件的总质量岩石试件的总质量 测定方法有量积法、水中称重法、蜡封法等，试件数量不少于测定方法有量积法、水中称重法、蜡封法等，试件数量不少于5 5个个2 2、饱和密度（、饱和密度（satsat）岩石中空隙全部被水充填时单位体积的质量岩石中空隙全部被水充填时单位体积的质量，即，即m ms s岩石试件中固体的质量；岩石试件中固体的质量；V Vv v岩石试件中空隙的体积；岩石试件中空隙的体积；w w水的密度。水的密度。测定方法有煮沸法、真空法，试件数量不少于测定方法有煮沸法、真空法，试件数量不少于5 5个个岩石天然密度越大，岩石
10、天然密度越大，其工程性质越好。影其工程性质越好。影响因素是矿物成分、响因素是矿物成分、孔隙与微裂隙发育程孔隙与微裂隙发育程度以及含水量。度以及含水量。3cm/gVVmwvssat3cm/gVm3 3、干密度（、干密度（d d）岩石空隙中液体全部蒸发，试件中仅有固体和空气的状态岩石空隙中液体全部蒸发，试件中仅有固体和空气的状态下，单位体积的质量下，单位体积的质量，即，即测定方法主要为烘干法，试件数量不少于测定方法主要为烘干法，试件数量不少于3 3个个天然密度、饱和密度和干密度是不同含水状态的岩石密度，天然密度、饱和密度和干密度是不同含水状态的岩石密度，大小关系：大小关系：d d satsat4
11、4、重力密度（简称重度）（重力密度（简称重度）（）单位体积岩石的重量单位体积岩石的重量，即，即gg重力加速度，工程计算时一般取重力加速度，工程计算时一般取10m/s10m/s2 2。3m/kNgVmg3cm/gVmsd密度和重度在进行密度和重度在进行岩体工程稳定性计岩体工程稳定性计算评价、自重应力算评价、自重应力计算时是常用的参计算时是常用的参数数干密度取决于矿干密度取决于矿物成分及空隙发物成分及空隙发育程度育程度（二）岩石的颗粒密度岩石的颗粒密度（岩石的颗粒密度（s s）是指岩石固体物质的质量与固体）是指岩石固体物质的质量与固体的体积之比的体积之比，即，即VsVs颗粒体积；颗粒体积；msms
12、颗粒质量颗粒质量颗粒密度测定方法一般采用比重瓶法。颗粒密度测定方法一般采用比重瓶法。岩石颗粒密度只岩石颗粒密度只取决于矿物成分。取决于矿物成分。3cm/gVmsss二、岩石的空隙性指标总总空隙率（空隙率（n n）总开总开空隙率（空隙率（n no o）大开大开空隙率（空隙率（n nb b）小开小开空隙率（空隙率（n na a）闭闭空隙率（空隙率（n nc c）%VVnv10000%VVnvbb100bvaann%VVn01000100nn%VVnvcc岩石的空隙（裂隙、孔隙）闭空隙开空隙大开空隙小开空隙%VVnsdv1001100岩石空隙率三、岩石的水理性质（一）岩石的含水性质1、岩石的含水率（
13、水率（）岩石空隙中含水的质量（mw）与固体质量（ms）之比的百分数，即根据试件含水率状态的不同，分为天然含水率和饱和含水率。%mmsw100岩石含水率是反应岩石岩石含水率是反应岩石中水分多少的指标，岩中水分多少的指标，岩石尤其是软岩，含水率石尤其是软岩，含水率高，则强度降低多，变高，则强度降低多，变形性强，影响岩石力学形性强，影响岩石力学性质显著性质显著2 2、岩石的吸水率、岩石的吸水率岩石试件吸入水的质量与固体的质量之比。根岩石试件吸入水的质量与固体的质量之比。根据试验方法分为吸水率和饱和吸水率：据试验方法分为吸水率和饱和吸水率：吸水率（吸水率（a a）是岩石是岩石试件在大气压力和室温条试件
14、在大气压力和室温条件下自由吸入水的件下自由吸入水的质量（质量（m m0 0）与）与岩样干岩样干质量（质量（m ms s）之比，即之比，即反映岩石中大开空隙的发育程度，与大开空反映岩石中大开空隙的发育程度，与大开空隙率的关系：隙率的关系：%mmsa1000 adwadVbb%VVn100 饱和吸水率（sat）是指岩石试件在煮沸、高压（一般压力为15MPa）或真空条件下吸入水的质量（mp）与岩样干质量（ms）之比，即与总开空隙发育程度有关，与总开空隙率的关系：岩石的吸水率与饱和吸水率之比称为饱水系数。反映了岩石中大、小开空隙的相对比例关系。%mmspsat100satdwsatdV%VVn 100
15、00几种岩石的吸水率值2、岩石的渗透性岩石的渗透性是指岩石在一定的水力坡度的作用下，水渗透是指岩石在一定的水力坡度的作用下，水渗透通过岩石的能力。通过岩石的能力。反映岩石中空隙的发育程度及空隙之间相互连反映岩石中空隙的发育程度及空隙之间相互连通程度。通程度。岩石中水流运动多服从达西定律，因此岩石的岩石中水流运动多服从达西定律，因此岩石的渗透性可用达西定律描述：渗透性可用达西定律描述：v渗透流速；渗透流速；J水力坡度；水力坡度；K渗透系数渗透系数KJv（二）岩石的软化性岩石浸水饱和后岩石浸水饱和后强度降低强度降低的性质，称为软化性，的性质，称为软化性，软化系数（软化系数（K KR R）岩石试件的
16、饱和抗压强度（岩石试件的饱和抗压强度（cwcw）与干抗压强度（）与干抗压强度（c c）的比值，即的比值，即ccwRK岩石中含有较多的岩石中含有较多的亲水性亲水性和和可溶性可溶性矿物，大开矿物，大开空空隙隙较多，岩石的软化性较强，软化系数较小。较多，岩石的软化性较强，软化系数较小。K KR R0.750.75，岩石的软化性弱，工程地质性质较好，岩石的软化性弱，工程地质性质较好K KR R0.750.75，岩石软化性较强，工程地质性质较差，岩石软化性较强，工程地质性质较差（三）岩石的抗冻性岩石抵抗岩石抵抗冻融破坏冻融破坏的能力，称为抗冻性。的能力，称为抗冻性。抗冻系数（抗冻系数（R Rd d）岩石
17、试件经反复冻融后的干抗压强度（岩石试件经反复冻融后的干抗压强度（c2c2）与冻融前干）与冻融前干抗压强度（抗压强度（c1c1）之比，用百分数表示）之比，用百分数表示%10012ccdR%100121sssmmmmK质量损失率（质量损失率（K Km m）冻融试验前后干质量之差（冻融试验前后干质量之差（m ms1s1m ms2s2）与试验前干质量）与试验前干质量（m ms1s1）之比，以百分数表示）之比，以百分数表示R Rd d7575，K Km m2 2，抗冻性高抗冻性高吸水率吸水率W Wa a5 5、软化系数、软化系数K KR R0.750.75，饱水系数小于，饱水系数小于0.80.8的岩石，
18、的岩石，抗冻性高。抗冻性高。（四）岩石的透水性在一定的水力梯度或压力差作用下，岩石能在一定的水力梯度或压力差作用下，岩石能被水被水透过透过的性质，称为透水性。的性质，称为透水性。一般认为，水在岩石中的流动，如同水在土中流一般认为，水在岩石中的流动，如同水在土中流动一样，也服从于线性渗流规律动一样，也服从于线性渗流规律达西定律达西定律，即即KJV 几种岩石的渗透系数值加荷方式单轴加荷三轴加荷单轴压缩单轴拉伸连续加荷（a）循环加荷逐级一次循环加荷（b）反复循环加卸荷（c）加剪力岩石受力（实验条件）的几种情况：岩石受力（实验条件）的几种情况：单向受压单向受压单向受拉单向受拉双向受力双向受力压剪压剪t
19、p（a）tp（c）tp（b）2.3 岩石的强度特性l在外载作用下，当岩石在外载作用下，当岩石内部的应力达到或超过内部的应力达到或超过某一极限时，岩石就发某一极限时，岩石就发生破坏生破坏l岩石强度岩石强度：岩石抵抗外：岩石抵抗外力破坏的能力力破坏的能力岩块破岩块破坏方式坏方式 脆性破坏脆性破坏塑性破坏（延性破坏）塑性破坏（延性破坏）拉破坏拉破坏剪切破坏剪切破坏脆性破坏脆性破坏：岩石在荷载作用下没：岩石在荷载作用下没有显著觉察的变形就突然破坏。有显著觉察的变形就突然破坏。*大多数坚硬岩石在一定条件下大多数坚硬岩石在一定条件下都表现出脆性破坏的性质。都表现出脆性破坏的性质。*产生这种破坏的原因可能是
20、岩产生这种破坏的原因可能是岩石中裂隙发生和发展的结果。石中裂隙发生和发展的结果。例如，地下洞室开挖后，由于洞室周围的应力显著增大，洞例如，地下洞室开挖后，由于洞室周围的应力显著增大，洞室岩可能产生许多裂隙，尤其是洞顶的张裂隙，这些都是脆室岩可能产生许多裂隙，尤其是洞顶的张裂隙，这些都是脆性破坏的结果。性破坏的结果。延性破坏延性破坏：岩石在破坏之前变形很：岩石在破坏之前变形很大，且没有明显的破坏荷载，表现大，且没有明显的破坏荷载，表现出显著的塑性变形，流动或挤出，出显著的塑性变形，流动或挤出，这种破坏称为延性或韧性破坏。这种破坏称为延性或韧性破坏。塑塑性变形是岩石内结晶晶格变位的结性变形是岩石内
21、结晶晶格变位的结果。果。在一些软弱岩石中这种破坏较在一些软弱岩石中这种破坏较为明显。为明显。有些洞室的底部岩石隆起，两侧围岩向洞内膨胀都属延性破有些洞室的底部岩石隆起，两侧围岩向洞内膨胀都属延性破坏的例子。坏的例子。坚硬岩石一般属于脆性破坏，但在两向或三向受坚硬岩石一般属于脆性破坏，但在两向或三向受力较大的情况下，或者在高温的影响下，也可能延性破坏。力较大的情况下，或者在高温的影响下，也可能延性破坏。岩体破坏岩体破坏的主要形式是弱面剪切破坏的主要形式是弱面剪切破坏弱面剪切破坏弱面剪切破坏：岩体中存在着许多软：岩体中存在着许多软弱结构面，细微裂隙等弱面，弱结构面，细微裂隙等弱面，在荷载在荷载作用
22、下，弱面上的剪应力一旦超过弱作用下，弱面上的剪应力一旦超过弱面的抗剪强度时，岩体将弱面剪切破面的抗剪强度时，岩体将弱面剪切破坏，致使岩体产生滑移。坏，致使岩体产生滑移。如节理岩体中的地下洞室顶部岩块崩塌，洞侧岩石的滑动，如节理岩体中的地下洞室顶部岩块崩塌，洞侧岩石的滑动，以及岩坡沿软弱面的失稳等，都属于弱面剪切破坏。以及岩坡沿软弱面的失稳等，都属于弱面剪切破坏。岩石在破坏前后的应力岩石在破坏前后的应力-应变关系比金属材料复杂得多应变关系比金属材料复杂得多，岩，岩石究竟属于脆性材料还是属于塑性材料，这石究竟属于脆性材料还是属于塑性材料，这不仅取决于岩石不仅取决于岩石性质性质，且受，且受应力状态、
23、地温、受荷时间应力状态、地温、受荷时间等多种因素的影响。等多种因素的影响。单轴抗压强度单轴抗压强度单轴抗拉强度单轴抗拉强度 剪切强度剪切强度 三轴压缩强度三轴压缩强度受受力力状状态态单向受压单向受压单向受拉单向受拉双（三）向受力双（三）向受力压剪压剪强度指标一、单轴抗压强度c1、定义、定义岩石试件在无侧限条件下，受轴向压缩荷载作岩石试件在无侧限条件下，受轴向压缩荷载作用达到破坏时，单位面积所承受的最大的荷载，即用达到破坏时，单位面积所承受的最大的荷载，即又称无侧限抗压强度，简称抗压强度，单位：又称无侧限抗压强度，简称抗压强度，单位：MN/m2、MPa。2、意义、意义1）衡量岩块基本力学性质的重
24、要指标）衡量岩块基本力学性质的重要指标2）岩体工程分类、建立岩体破坏判据的重要）岩体工程分类、建立岩体破坏判据的重要指标指标3）用来大致估算其他强度参数）用来大致估算其他强度参数 3、测定方法、测定方法抗压强度试验抗压强度试验点荷载试验点荷载试验 试样PAAPc )50(24scI ccAPc 4 4、单向压缩条件下的破坏方式、单向压缩条件下的破坏方式（a a）拉破坏）拉破坏（b b）剪破坏）剪破坏（c c）对顶锥破坏）对顶锥破坏（共轭剪切破坏）（共轭剪切破坏）延性破坏5、影响因素、影响因素1）岩石自身的性质）岩石自身的性质 矿物组成矿物组成、粒间连接、粒间连接、岩性、结构特征岩性、结构特征、
25、颗粒、颗粒大小及形状、风化程度大小及形状、风化程度、微结构面、微结构面岩石名岩石名称称抗压强度抗压强度（MPa）岩石名岩石名称称抗压强度抗压强度（MPa）岩石名岩石名称称抗压强度抗压强度（MPa）辉长岩辉长岩180300辉绿岩辉绿岩200350页岩页岩10100花岗岩花岗岩100250玄武岩玄武岩150300砂岩砂岩20200流纹岩流纹岩180300石英岩石英岩150350砾岩砾岩10150闪长岩闪长岩100250大理岩大理岩100250板岩板岩60200安山岩安山岩100250片麻岩片麻岩50200千枚岩、千枚岩、片岩片岩10100白云岩白云岩80250灰岩灰岩202002）实验条件）实验条
26、件（1）试件形状、尺寸及加工精度）试件形状、尺寸及加工精度 多边形试样易引起应力集中，故易破坏；横截多边形试样易引起应力集中，故易破坏；横截面形状对强度的影响：圆形面形状对强度的影响：圆形 六多边形六多边形 四边形四边形 三三边形试件；边形试件；加工精度影响应力分布形式，如弯矩；加工精度影响应力分布形式，如弯矩；岩石强度尺寸效应：试样尺寸越大，岩石强度岩石强度尺寸效应：试样尺寸越大，岩石强度越低；试件的高径比越低；试件的高径比h/Dh/D增大，岩块强度降低增大，岩块强度降低 圆形试件的优点：不易产生应力集中，好加工圆形试件的优点：不易产生应力集中，好加工（2）加荷速率）加荷速率 加载速度越大，
27、表现强度越高加载速度越大，表现强度越高（3）湿度、温度湿度、温度 含水量越高，强度越低，对泥岩、粘土等软弱岩体，干燥含水量越高，强度越低，对泥岩、粘土等软弱岩体，干燥强度是饱和强度的强度是饱和强度的23倍。倍。180以下不明显：大于以下不明显：大于180，湿度越高强度越小。，湿度越高强度越小。（4）端面条件）端面条件端面效应端面效应（5）层理结构）层理结构强度各向异性强度各向异性主要是端面摩擦力限制主要是端面摩擦力限制试样的横向膨胀试样的横向膨胀,改变端改变端部应力状态部应力状态6 6、单轴抗压强度试验的要求、单轴抗压强度试验的要求 1）ISRM（国际岩石力学学会国际岩石力学学会）的建议值：的
28、建议值：试件试件形状为圆柱体，形状为圆柱体，试件直径试件直径 54mm，径高比，径高比2.53.0 试件直径与最大粒径之比为试件直径与最大粒径之比为10:1 平行作平行作5个以上的试验个以上的试验 保持试件的天然含水量，试件保存不得超过保持试件的天然含水量，试件保存不得超过30d 端面磨平度为端面磨平度为0.02mm，轴线垂直度为，轴线垂直度为0.001弧度或弧度或3.5”或每或每50mm不超过不超过0.005mm，侧面不平度，侧面不平度 0.3mm 试验时加载速率控制在试验时加载速率控制在0.490.98MPa/s，加载时间为，加载时间为510min2 2）工程岩体试验方法标准（）工程岩体试
29、验方法标准（GB/T50266-2013GB/T50266-2013）的规定：）的规定：试件直径或边长试件直径或边长48-50mm48-50mm，高度是直径的，高度是直径的2.0-2.52.0-2.5倍；倍；两端面不平行度不超过两端面不平行度不超过0.05mm0.05mm；沿高度上直径或边长的误差沿高度上直径或边长的误差不不大于大于0.3mm0.3mm；两端面应垂直于试件轴线，偏差不大于两端面应垂直于试件轴线，偏差不大于0.250.25；其余其余规定规定同上同上3 3）我国煤炭、地矿系统的规定：我国煤炭、地矿系统的规定：l 试件可采用直径试件可采用直径50mm、高径比、高径比12.5的圆柱体或
30、的圆柱体或5 5 5cm3的立方体的立方体l 端面磨平度不大于端面磨平度不大于0.1mml 其余规定其余规定同上同上4 4）试验机：试验机：l 最好采用刚性试验机或伺服试验机最好采用刚性试验机或伺服试验机l 试件上下加垫层，垫层直径等于试件的直径或比直试件上下加垫层，垫层直径等于试件的直径或比直径大径大2mm，垫块厚度不得小于试件直径的，垫块厚度不得小于试件直径的1/3l 也可以在加压铁板与试件接触面上加润滑剂也可以在加压铁板与试件接触面上加润滑剂7、单轴抗压强度试验资料整理、单轴抗压强度试验资料整理 设设n个试件抗压强度试验数据分别为个试件抗压强度试验数据分别为 ci（i=1,2,n），），
31、计算下列数据：计算下列数据：1）平均值平均值：2）偏差偏差：3）标准差标准差：4）离散系数（偏差系数、变异系数）离散系数（偏差系数、变异系数）：离散系数离散系数cv是衡量试验数据优劣的标准。一般要求是衡量试验数据优劣的标准。一般要求cv55mmD55mm时时由于离散性大，因此由于离散性大，因此试验时每组试验时每组1515个，取均值个，取均值五、剪切强度 f1 1、定义、定义在剪切荷载作用下，岩块抵抗剪切破坏的最大剪应力在剪切荷载作用下，岩块抵抗剪切破坏的最大剪应力2 2、类型、类型1 1）抗剪断强度：抗剪断强度：指试件在一定的指试件在一定的法向应力法向应力作用下，沿作用下，沿预定预定剪切面剪断
32、时的最大剪应力剪切面剪断时的最大剪应力2 2）抗切强度：抗切强度：指试件上的指试件上的法向应力为零法向应力为零时，沿预定剪切面时，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力剪断时的最大剪应力3 3）摩擦强度：摩擦强度：指试件在一定的法向应力作用下，沿指试件在一定的法向应力作用下，沿已有已有破破裂面（层面、节理等）再次剪切破坏时的最大剪应力。裂面（层面、节理等）再次剪切破坏时的最大剪应力。ctgfcftgf抗剪试验又称摩擦试验抗剪试验又称摩擦试验已有破裂面3 3、意义：、意义：反映岩块的力学性质的重要指标反映岩块的力学性质的重要指标 用来估算岩体力学参数及建立强度判据用来估算岩体力学参数及建立强度判据 4
33、4、抗剪断强度的抗剪断强度的测试方法（测试方法（限制性剪切试验或压剪试验限制性剪切试验或压剪试验）（直剪试验、变角板剪切试验直剪试验、变角板剪切试验 、三轴剪切试验等）、三轴剪切试验等）压剪压剪试验表明，剪切面上所受的正应力越大，试件剪断时试验表明，剪切面上所受的正应力越大，试件剪断时剪切面所承受的剪应力也越大。这是因为，剪切破坏时一要剪切面所承受的剪应力也越大。这是因为，剪切破坏时一要克服岩石的粘结力（内聚力），二是克服剪切面上的摩擦力，克服岩石的粘结力（内聚力），二是克服剪切面上的摩擦力，正应力越大，摩擦力越大。正应力越大，摩擦力越大。1）直剪试验）直剪试验在直剪仪上进行，按库仑定律求岩块
34、在直剪仪上进行，按库仑定律求岩块的剪切强度参数的剪切强度参数C、值。值。2）变角板剪切试验）变角板剪切试验是将立方体试件，置于变角板是将立方体试件，置于变角板剪切夹具中加压直至试件沿预定的剪切面破坏。剪切夹具中加压直至试件沿预定的剪切面破坏。)cos(sin)sin(cosiiiiiifAPfAP设定破坏面上的正应力和剪应力：同一试样制备至少同一试样制备至少5 5个个试件，进行不同放置角试件，进行不同放置角度度 的试验。的试验。试件放置角度一般取试件放置角度一般取4545、5050、5555、6060、6565、70 70 。f滚轴摩擦系数同一岩石制备多个试件作同一岩石制备多个试件作不同正应力
35、下的剪切试验不同正应力下的剪切试验，获得不获得不同的试件剪断时的剪应力同的试件剪断时的剪应力 和正应力和正应力 数据对数据对。将这些数据投。将这些数据投到以剪应力到以剪应力 为纵坐标、正应力为纵坐标、正应力 为横坐标的直角坐标系中为横坐标的直角坐标系中（对于三轴试验则是在该坐标系中作试件破坏时的莫尔应力（对于三轴试验则是在该坐标系中作试件破坏时的莫尔应力圆）。将各数据点连成一曲线（三轴试验是作各莫尔圆的公圆）。将各数据点连成一曲线（三轴试验是作各莫尔圆的公切线），即得到抗剪强度曲线（莫尔强度包络线）。若是直切线），即得到抗剪强度曲线（莫尔强度包络线）。若是直线，其方程即为线，其方程即为库仑定律
36、库仑定律，其方程为：，其方程为：f=tan+c直线在纵轴上的截距称为岩石的粘结力（内聚力）c（MPa）；与横轴间的夹角称为岩石的内摩擦角（）。直线型反映抗剪强度f与剪切面的正应力成正比关系，c和是常数。所以岩石的抗剪强度一般用c和来表示，称为抗剪强度指标。3）三轴剪切试验）三轴剪切试验根据一组试件（根据一组试件（4个以上）试验得到的三轴压缩强个以上）试验得到的三轴压缩强度度1m和相应的和相应的3以及单轴抗拉强度以及单轴抗拉强度t，在，在-坐标坐标系中可绘制出岩块的强度包络线。系中可绘制出岩块的强度包络线。除顶点外，包络线上所有点的切线与除顶点外，包络线上所有点的切线与轴的夹角及轴的夹角及其在其
37、在轴上的截距分别代表相应破坏面的内摩擦角轴上的截距分别代表相应破坏面的内摩擦角（）和内聚力（）和内聚力（C）。）。)245tan(2)245(tansin1sin12sin1sin1tan2/)(2/)(sin231313131 oommmmCCcC tctctcoctocCCC 2arctan2)2/45(tan)2/45tan(2sin1sin122抗剪强度指标与抗压抗剪强度指标与抗压强度、抗拉强度、三强度、抗拉强度、三轴抗压强度的关系：轴抗压强度的关系：)245(tansin1sin122sin2 ccttctctctc)2arctan(2tantctctctc 2sin1sin12 s
38、intcctctcCC 5 5、抗切强度抗切强度S0的的测试方法（测试方法（非限制性剪切试验或剪非限制性剪切试验或剪断试验断试验）单面剪切、双面剪切、冲击剪切和扭转剪切试验等单面剪切、双面剪切、冲击剪切和扭转剪切试验等AFSc 0AFSc20 rtFSc 20 3016DMSc 变形变形的定义：的定义：材料在荷载作用下发生形状和尺寸的改变材料在荷载作用下发生形状和尺寸的改变。随着荷载的不断增加，或在恒定荷载作用下随着时间的增长，材料的变形逐渐增加，最终材料发生破坏。按应力应变时间的关系，可将材料的变形划分为弹性、塑性和粘性等三种变形：一、材料的变形性质弹性弹性塑性塑性粘性粘性岩石受力变形情况往
39、往是上述性质的复合。2.4 岩石的变形特性 二、单轴压缩条件下的岩块变形（一）连续加载1、变形阶段划分（5个阶段）空隙压密阶段（OA）峰值峰值前变前变形阶形阶段段峰值峰值后变后变形阶形阶段段oABCDE（+）（-）L V d 破坏后阶段（DE）全过程曲线前过程曲线非稳定发展阶段（CD）D点的应力峰值强度c微裂隙稳定发展阶段（BC）C点的应力屈服强度弹性变形阶段（AB）B点的应力弹性极限对一定形状的岩石试件，用材料试验机按一定的时间间隔施加单向压力，对一定形状的岩石试件，用材料试验机按一定的时间间隔施加单向压力，测量加压过程中各级应力及相应的轴向和横向应变值，并计算出体积应测量加压过程中各级应力
40、及相应的轴向和横向应变值，并计算出体积应变值。以应力为纵坐标，以各种应变为横坐标，绘制出各种变值。以应力为纵坐标，以各种应变为横坐标，绘制出各种应力应力应变应变曲线曲线（下图下图）。该曲线反映了岩石的单向压缩条件下的变形特性。该曲线反映了岩石的单向压缩条件下的变形特性。c峰值强度，又称为单轴抗压强度。破坏后的岩石也有强破坏后的岩石也有强度度残余强度，相当于残余强度，相当于岩体强度岩体强度一些岩石试样单轴压缩试验曲线一些岩石试样单轴压缩试验曲线轴向应变横向应变体积应变轴向应变横向应变体积应变试件1试件22、峰值前岩石的变形特征1）前过程曲线类型及特征弹性型弹-塑性型塑-弹性型塑-弹-塑性型1塑-
41、弹-塑性型2弹性-蠕变型2）变形参数（1 1）变形模量）变形模量是是指单轴压缩条件下，指单轴压缩条件下，轴向轴向应力应力与轴向应变与轴向应变之比。之比。应力应力-应变曲线为应变曲线为直线直线型型时：时：变形模量（变形模量（E E）就就是直线的斜率，又是直线的斜率，又称称为为弹性模量弹性模量应力应力-应变曲线为应变曲线为“S”S”型型 时：时：初始模量（初始模量（E Ei i）指曲线原点处切线斜指曲线原点处切线斜率率切线模量（切线模量（E Et t）指曲线上任一点处切指曲线上任一点处切线的斜率，在此特指中部直线段的斜率线的斜率，在此特指中部直线段的斜率割线模量（割线模量（E Es s）指曲线上某
42、特定点与指曲线上某特定点与原点连线的斜率，通常取原点连线的斜率，通常取c c/2/2处的点与原处的点与原点连线的斜率点连线的斜率Lo2501i1502ioLiiEiiiiiE1212tE5050sE（2 2）泊松比（）泊松比（）是指在单轴压缩条件下，横向是指在单轴压缩条件下，横向应变（应变（d d）与轴向应变（）与轴向应变（L L）之比）之比在实际工作中，常采用在实际工作中，常采用c c/2/2 处的处的 d d与与 L L来计算岩块来计算岩块的泊松比。的泊松比。岩块的变形模量和泊松比受岩块的变形模量和泊松比受岩石矿物组成、结构岩石矿物组成、结构构造、风化程度、空隙性、含水率、微结构面构造、风
43、化程度、空隙性、含水率、微结构面及及其与其与荷载方向荷载方向的关系等多种因素的影响，变化较的关系等多种因素的影响，变化较大。大。Ld常见岩石的变形模量和泊松比常见岩石的变形模量和泊松比岩石名岩石名称称变形模量变形模量（104MPa）泊松比泊松比岩石名称岩石名称变形模量变形模量（104MPa）泊松比泊松比初始初始弹性弹性初始初始弹性弹性花岗岩花岗岩265100.20.3片麻岩片麻岩181100.220.35流纹岩流纹岩285100.10.25千枚岩、千枚岩、片岩片岩0.25180.20.4闪长岩闪长岩7107150.10.3板岩板岩25280.20.3安山岩安山岩5105120.20.3页岩页岩
44、13.5280.20.4辉长岩辉长岩7117150.120.2砂岩砂岩0.581100.20.3辉绿岩辉绿岩8118150.10.3砾岩砾岩0.58280.20.3玄武岩玄武岩6106120.10.35灰岩灰岩185100.20.35石英岩石英岩6206200.10.25白云岩白云岩48480.20.35大理岩大理岩19190.20.35（3）其他变形参数）其他变形参数剪切模量（剪切模量（）拉梅常数（拉梅常数（）体积模量（体积模量（V V）)21(3)21)(1()1(2EKEEGV伺服机试验结果伺服机试验结果3、峰值后岩块的变形特征、峰值后岩块的变形特征脆性大的岩石塑性大的岩石（二）循环加载
45、2、卸荷点（P）的应力高于岩石的弹性极限（A）1、卸荷点（P）的应力低于岩石的弹性极限（A）3 3、反复加卸荷（岩石记忆、回滞环、疲劳破坏）反复加卸荷（岩石记忆、回滞环、疲劳破坏）非弹性岩石，当卸载点超过屈服应力（屈服极限）时，加载与卸载曲线不重合，两着之间形成一个环路，一般称为塑性滞回环（下左图）。如果反复加载卸载的应力峰值不超过某一数值时，随着循环次数的增加，滞回环越来越狭窄，说明岩石越来越弹性，一直到某次循环没有塑性为止，试件一般不会出现破坏（下右图C）。如果应力峰值超过该数值时，岩石将在某次循环中破坏（下右图B），这种破坏称为疲劳破坏。如果多次反复加载卸载循环，每次加载的最大荷载比前一
46、次循环的最大荷载要大，则应力应变曲线上存在滞回环（下左图），随着循环次数的增加，滞回环越来越大，卸载曲线的斜率逐次增加，表明卸载下的岩石弹性有所增强。此外，每次卸载后再加载，在荷载超过上次循环的最大荷载后，变形曲线仍沿着单调加载曲线上升（下左图），这种现象称为变形记忆。滞回环滞回环OPHIC为单调加载曲线三、三轴压缩条件下的岩块变形1、三轴试验 真三轴试验 123 常规三轴试验 12=3 2、围压对变形破坏的影响1 1）岩石破坏前应变随）岩石破坏前应变随 3 3增大而增大增大而增大2 2）岩石的峰值强度随）岩石的峰值强度随 3 3增大而增大增大而增大3 3）随）随 3 3增大岩石变形模量增大，
47、软岩增大明显，增大岩石变形模量增大，软岩增大明显，致密的硬岩增大不明显致密的硬岩增大不明显4 4）随随 3 3增大，岩石的塑性不断增大，随增大，岩石的塑性不断增大，随 3 3增大到一定增大到一定值时，岩石由弹脆性转变为塑性。这时，值时，岩石由弹脆性转变为塑性。这时，3 3的大小称的大小称为为“转化压力转化压力”。5 5）随）随 3 3的增大，岩块从脆性劈裂破坏逐渐向塑性剪切的增大，岩块从脆性劈裂破坏逐渐向塑性剪切及塑性流动破坏方式过渡。及塑性流动破坏方式过渡。四、岩石的流变特性上述岩石变形特性是瞬时加载后的变形特性，这些上述岩石变形特性是瞬时加载后的变形特性，这些变形与时间无关。变形与时间无关
48、。当外部条件不变时（如持续加载），岩石的变形或当外部条件不变时（如持续加载），岩石的变形或应力会随时间而变化，这种现象叫应力会随时间而变化，这种现象叫流变性流变性。流变性主要包括蠕变、应力松弛和长期强度。流变性主要包括蠕变、应力松弛和长期强度。蠕变蠕变是指岩石在恒定的荷载作用下，变形随时间逐是指岩石在恒定的荷载作用下，变形随时间逐渐增大的性质。渐增大的性质。应力松弛应力松弛是指岩石应变保持不变的条件下，应力随是指岩石应变保持不变的条件下，应力随时间的增长而减小的特性。时间的增长而减小的特性。长期强度长期强度是指岩石在长期荷载作用的强度。是指岩石在长期荷载作用的强度。1、水连结作用：相邻颗粒通过
49、其表面的公共水化膜连结在一起的作用。主要是土中，岩石中一般没有意义，但在对于被土充填的结构面的力学性质有一定的影响。润滑作用：由可溶盐、胶体矿物胶结的岩石，在有水侵入时，可溶盐溶解以及胶体的水解，使原来的连结变成水胶连结，导致矿物颗粒间连结力减弱，摩擦力减低，水起润滑剂的作用。水楔作用：岩石内部有水时，两个相邻的颗粒之间由于颗粒对水的吸着力的作用使水分子向颗粒之间的缝隙内挤入。其结果是有可能导致颗粒间距加大而使岩石发生膨胀。上述三种作用都与岩石中结合水有关，结合水的多少主要取决于矿物的亲水性。所以黏土矿物含量高时，岩石浸水后强度下降得就多。2.5 影响岩石物理力学性质的主要因素影响岩石物理力学
50、性质的主要因素孔隙水压力作用：岩石孔隙和微裂隙中含重力水时，岩石受外力作用而重力水又不能及时排出时，便会产生孔隙水压力。孔隙水压力可减小颗粒之间的接触压力，从而降低岩石的强度（有效应力原理），甚至使岩石的微裂隙的尖端部位处于受拉状态而破坏岩石的连结。溶蚀与潜蚀作用：岩石中重力在渗透过程中会将可溶物质溶解带走（溶蚀），还会使细小颗粒带走（潜蚀），从而破坏岩石结构连结或变得疏松，强度降低，变形增强。冻融作用：水的冻结、融解时的胀缩性对岩石产生的破坏作用。2.5 影响岩石物理力学性质的主要因素影响岩石物理力学性质的主要因素2、温度温度增高、岩石的延性增强，屈服强度下降，峰值强度也下降、变形加大。3、
