1、12/24/20221第二章 岩石的基本物理力学性质o 本章内容n 岩石的基本物理性质；n 岩石的变形特性；n 岩石的强度特性；n 岩石的强度理论。n 基本要求n 掌握岩石的基本物理性质，理解岩石的变形性质；n 掌握岩石的强度特性；n 掌握莫尔强度理论、库伦莫尔强度理论；n 了解格里菲斯理论。12/24/20222第二章第二章 岩石的基本物理力学性质岩石的基本物理力学性质n第一节 岩石组构及其物理性质n第二节 岩石的变形特性n第三节 岩石的强度特性n第四节 岩石的强度理论n第五节 岩石的流变性质主要内容12/24/20223第一节 岩石组构及其物理性质n岩石的生成及其组构n岩石的基本物理性质n
2、岩石动力学性质12/24/20224第一节 岩石组构及其物理性质一 岩石的生成及其组构 岩石的生成岩石岩石是构成地壳表层岩石圈的是构成地壳表层岩石圈的主体，是经历了漫长地质史的大自主体，是经历了漫长地质史的大自然产物，是天然矿物晶体以及其它然产物，是天然矿物晶体以及其它物质（如有机质等）集合体物质（如有机质等）集合体。岩石按照其成因可分为三类岩石按照其成因可分为三类：岩浆岩、沉积岩、变质岩岩浆岩、沉积岩、变质岩不同成因类型的岩石具有不同成因类型的岩石具有不同不同的物理力学性质。的物理力学性质。12/24/20225岩石的成因种类及特性n岩浆岩岩浆岩：地壳深处的岩浆在地下或喷出地表后结晶、固化而
3、形成的岩石。强度高、均质性好n沉积岩沉积岩：地表物质或者岩石风化或溶解的产物，经过搬运、沉积并在不同固结作用下形成的岩石。强度不稳定，各向异性n变质岩变质岩：原有的岩石受到高温或高压作用，重新结晶或结合形成的新矿物结合体。定向排列，力学性能与变质程度和原岩性质有关12/24/20226岩石循环圈12/24/20227岩块岩块(Rock element材料材料)狭义岩石狭义岩石 自然地质体的小块岩石称为自然地质体的小块岩石称为岩块岩块。我们平时所称的岩石，在一定程度我们平时所称的岩石，在一定程度 上都是指岩块。上都是指岩块。实验室通常用的实验室通常用的岩石试件岩石试件是由钻孔获取岩芯或在工程是由
4、钻孔获取岩芯或在工程范围内用爆破或其他方法获得的岩石碎块加工而成。范围内用爆破或其他方法获得的岩石碎块加工而成。岩石试件通常是不包含有显著弱面的、较均质的岩石岩石试件通常是不包含有显著弱面的、较均质的岩石块体，可看作块体，可看作连续介质及均质体连续介质及均质体。12/24/20228 （工程）岩体（工程）岩体=岩块岩块+结构面结构面 岩岩 体体结构结构面面岩块岩块不连续面包括：节理、裂隙、孔隙、断面、孔洞、层面、溶洞岩块与岩体(地质体)12/24/20229岩体岩体 (Rock Mass)岩体是指在一定地质条件下，含有诸如节理、层理、劈理、裂隙、断层等不连续结构面的复杂地质体。岩块和岩体的重要
5、区别就是岩体包含若干不连续面。由于不连续面的存在，岩体的强度远低于岩块的强度。断层断层（Fault）褶皱褶皱 (Drape)层理层理 (Lamina)12/24/202210岩石的组构：岩石的组构：指其组织与构造。岩石是矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集而成的自然物体。岩石的组构这是影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素这是影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素。构造构造:各种不同结构的矿物集合体的各种分布和 排 排列方式。层理构造，千枚状构造 矿物：矿物：存在地壳中的具有一定化学成分和物理性 质的自然元素和化合物。KAlSi3O8、KAl2Si3AlO10(OH)2 结构结构：矿物颗粒
6、的形状、大小和联结方式所决定 的结构特征。碎屑结构、等粒结构12/24/202211岩石组构的特性n 岩石组构单元充满了各式缺陷；n 节理是岩石组构的一个最独有的特点n 微小的节理裂隙肉眼难辨；n 岩石的空隙是储存水、气体的地方；n 岩石的组构的不同影响程度会使岩性在很大范围内变化。连续介质裂隙介质松散介质12/24/202212岩石组构的特性一、选择题 1、岩石与岩体的关系是（）。（A）岩石就是岩体（B）岩体是由岩石和结构面组成的（C）岩体代表的范围大于岩石（D）岩石是岩体的主要组成部分2、大部分岩体属于（）。（A）均质连续材料 （B）非均质材料 （C）非连续材料 （D）非均质、非连续、各
7、向异性材料12/24/202213二 岩石基本物理性质返回返回空隙有：孔隙、裂隙、溶隙n（一）岩石的质量指标n（二）岩石的空隙性n（三）岩石的水理性n（四）岩石的抗冻性岩石含：固相、液相、气相 三相比例不同，物理性质指标也有所不同。12/24/2022141、岩石的密度：单位体积内岩石的质量。（一）、岩石的质量指标（一）、岩石的质量指标（1 1）天然密度：自然状态下，单位体积质量）天然密度：自然状态下，单位体积质量 VM/MM岩石总质量，岩石总质量，kgkg；V V总体积，总体积，m m3 3。（2 2）干密度：岩块中的孔隙水全部蒸发后的单位体）干密度：岩块中的孔隙水全部蒸发后的单位体积质量（
8、积质量（108108烘烘24h24h）VMsd/MMs s岩石烘干后的质量，岩石烘干后的质量，kgkg。12/24/2022152、岩石的比重：岩石固体烘干重量（、岩石的比重：岩石固体烘干重量（W WS S）与）与44时时同体积纯水的重量比同体积纯水的重量比 Vc岩石实体部分(不包含孔隙）的体积；一个大气压下44时时水的重度sG/()CWSWVW（3 3）饱和密度：岩石中的孔隙被水充填时的单）饱和密度：岩石中的孔隙被水充填时的单 位体积质量（水中浸位体积质量（水中浸4848小时）小时）VVMWVssatVV孔隙体积孔隙体积 W:一个大气压下一个大气压下44时水的密度时水的密度(kg/m(kg/
9、m3 3)测定方法及适用条件：量积法、水中称重法、蜡封法。测定方法及适用条件：量积法、水中称重法、蜡封法。12/24/202216VVnV/（二）、岩石的空隙性（二）、岩石的空隙性：1 空隙比VV孔隙体积孔隙体积(m(m3 3)Vs 岩石固体的体积岩石固体的体积(m(m3 3)2 空隙率V=VV+Vs返回返回sVVVe/反映空隙发育程度的指标V包含孔隙在内的岩石体积包含孔隙在内的岩石体积(m(m3 3)反映岩石致密程度和岩石力学性能的参数。12/24/202217（三）、岩石的水理性质（三）、岩石的水理性质1 1 含水性含水性(1)、含水量：岩石孔隙中含水量(WW)与岩石烘干重量(Ws)比值的
10、百分率w=Ww/Ws100(2)、吸水率：干燥岩石试样在一个大气压和室温条件下吸入水的重量与岩石烘干重量之比吸水率是一个间接反映岩石内孔隙多少的指标WW0 0烘干岩样浸水烘干岩样浸水48h48h后的湿重后的湿重(kN)(kN)含水性 膨胀性 软化性渗透性 耐崩解性%1000SSSWaWWWWWWsWs：在：在105-110105-110C温度下烘干温度下烘干2424小时的重量小时的重量(kN)(kN)12/24/2022182 2 渗透性渗透性渗透性：在一定的水压作用下，岩石的孔隙和裂隙透过 水的能力，可用渗透系数来衡量。渗透系数是介质对某种流体的渗透能力，取决于岩石物理特性和结构特征，如孔隙
11、/裂隙大小，开闭程度以及连通情况等。可用达西（Darcy）定律描述：Adxdhkqxdxdh水头变化率；水头变化率；qx沿沿x x方向水的流量方向水的流量，m3/s；h水头高度，水头高度，m m；A垂直垂直x x方向的截面面积，方向的截面面积，m m2 2；k渗透系数，渗透系数，m/s m/s。但是岩体的渗透特性更重要，如裂隙渗流的立方定律(P11选修)。12/24/2022194 4 软化系数（抗风化特性）软化系数（抗风化特性）Rcw饱和单轴抗压强度；Rc干燥单轴抗压强度；（1）越小，表示岩石受水的影响越大。ccwRR/轴向自由膨胀轴向自由膨胀 （%）HH试件高度试件高度 径向自由膨胀径向自
12、由膨胀 （%）DD直径直径 HHVH/DDVD/3 3 岩石的膨胀性岩石的膨胀性(泥岩等含粘土矿物的岩石泥岩等含粘土矿物的岩石)自由膨胀率自由膨胀率：无约束条件下，浸水后膨胀变形与原尺寸之比12/24/20222012/24/2022215 5 耐崩解性（抗风化特性）耐崩解性（抗风化特性）试验时，将烘干的试块，约500g，分成10份，放入带有筛孔(2mm)的圆筒内，使圆筒在水槽中以20rmin速度连续转10分钟，然后将留在圆筒内的石块取出烘干称重。如此反复进行两次，按下式计算耐崩解性指数：残留在筒内的试件烘干质量残留在筒内的试件烘干质量m mR R试验前的试件烘干质量试验前的试件烘干质量(m
13、mS S)(%)/2SRdmmI耐崩解性指数是通过对岩石试件进行烘干，浸水循环试验所得的指标。返回返回12/24/202222（四）、岩石的抗冻性（四）、岩石的抗冻性抗冻性:岩石抵抗冻（胀）融破坏的性能，通常用抗冻系数表示。返回返回岩石的抗冻系数是指岩样在岩石的抗冻系数是指岩样在2525的温度区间内，反复降温、的温度区间内，反复降温、冻结、升温、融解，其抗压强度有所下降，岩样抗压强度的冻结、升温、融解，其抗压强度有所下降，岩样抗压强度的下降值与冻融前的抗压强度之比：下降值与冻融前的抗压强度之比：%100ccfcfRRRcC Cf f岩石的抗冻系数；岩石的抗冻系数；R Rcf cf岩石冻融后的抗
14、压强度岩石冻融后的抗压强度(kPa)(kPa)12/24/202223三 岩石动力学返回返回n1 岩石动力学的含义岩石动力学的含义:研究岩石在研究岩石在动载荷或周期性变化载荷动载荷或周期性变化载荷作作用下的基本力学性质及其工程效应的学科分支，分为用下的基本力学性质及其工程效应的学科分支，分为波的传播规律波的传播规律和和岩体动力变形和强度性质岩体动力变形和强度性质。n2 动载荷的分类动载荷的分类:地震地震 核武器冲击与爆炸核武器冲击与爆炸 防护工程防护工程 常规武器的冲击与爆炸常规武器的冲击与爆炸 工程爆破工程爆破 引起的地面运动引起的地面运动;边坡边坡;岩基岩基;隧洞的动力稳定隧洞的动力稳定
15、列车行进中的振动列车行进中的振动-铁路隧洞铁路隧洞,地铁地铁 机器基础的振动和冲击机器基础的振动和冲击 水库诱发地震水库诱发地震 潮汐与风浪力潮汐与风浪力-海洋工程海洋工程 岩爆岩爆 (冲击地压冲击地压)12/24/202224返回返回应变率等级1)岩石静/动力学的区分依据是应变率，惯性力不可忽略的状态属于岩石动力学研究范畴。12/24/2022252)应变速率对岩石力学性质的影响应变速率对岩石力学性质的影响a)应变率增加应变率增加,弹性模量增高弹性模量增高,强度增高强度增高b)围压增大围压增大,应变速率的影响下降应变速率的影响下降c)应变率界限应变率界限:10 s,应变率对岩石强度特性影应变
16、率对岩石强度特性影 响更显著响更显著d)孔隙率的影响孔隙率的影响;n 增加增加,应变率的影响增加应变率的影响增加应变率等级3-112/24/202226岩石中应力波类型应力波是应力在固体介质中的传播，固体中的应力波主要有弹性波、粘弹性波、塑性波和冲击波。岩体中主要是弹性波。面波弹性波 体波（平面波）纵波/拉压波/P波横波/剪切波/S波瑞利波/R波勒夫波/L波次声波声波超声波特超声波202*1041*101012/24/202227vp为纵波速度为纵波速度,vs为横波为横波速度，可反求速度，可反求Ed和和d，二者之比大于二者之比大于1.71/2sp2s2p)2-)/(1-2(1/v vG/v2G
17、)/(v岩石应力波传播12/24/202228岩石应力波传播 影响声波传播速度的主要因素是影响声波传播速度的主要因素是矿物成分矿物成分、裂隙或孔隙、裂隙或孔隙、充水程度充水程度及其所处的及其所处的压力、温度条件压力、温度条件。声波在岩石中传播由于能量损耗会发生声波在岩石中传播由于能量损耗会发生衰减衰减；在各种；在各种界面界面上会发生上会发生反射反射和和折射，折射，这是这是无损探测无损探测(TSP)的基础。的基础。12/24/202229影响岩体弹性波速度的因素 a 岩石的密度和完整性程度越高，波速越大；岩石的密度和完整性程度越高，波速越大；b 裂隙充填物为空气，弹性波不能穿过；水的话，裂隙充填物为空气，弹性波不能穿过；水的话，5的能的能量可以穿过；固体物质则可部分或全部穿过；量可以穿过；固体物质则可部分或全部穿过；c裂隙数目越多，孔隙率越大，风化越严重，吸水率越大，裂隙数目越多，孔隙率越大，风化越严重，吸水率越大，vp越小；越小；d平行于层理的平行于层理的vp、Ed总是大于垂直于层理的总是大于垂直于层理的vp、Ed e 压应力增大，压应力增大，vp越大；拉应力增大，越大；拉应力增大，vp越越大大
