1、第二章岩石的物理力学性质 授课内容 1、岩石的结构和构造 2、岩石的基本物理性质 3、岩石的强度 4、岩石的变形 5、岩石的流变 第一节岩石的结构和构造第一节岩石的结构和构造岩石的结构岩石的结构:矿物颗粒的形状、大小和联接矿物颗粒的形状、大小和联接方式所决定的结构特征。方式所决定的结构特征。岩石的构造岩石的构造:指各种不同的矿物集合体的各指各种不同的矿物集合体的各种分布和排列方式。种分布和排列方式。结构是微观粒子而言；构造是较大部分。结构是微观粒子而言；构造是较大部分。岩石矿物颗粒间有牢固的联结是区别与土的主要原因。分为结晶联结和胶结联结两种。结晶联结如：岩浆岩、大部分变质岩和部分沉积岩。通过
2、原子或离子使不同颗粒紧密联结。胶结联结：矿物颗粒通过胶结物联结一起。强度取决于胶结物成分和胶结类型。如：硅质、铁质、钙质、泥质等。第二节第二节 岩石的基本物理性质岩石的基本物理性质 岩石的基本物理力学性质是岩体最基本、最重要的性质之一，也是岩石力学学科中研究最早、最完善的内容之一。一、岩石的质量指标一、岩石的质量指标（一）密度和比重 1、岩石的密度：单位体积内岩石的质量。岩石含：固相、液相、气相。三相比例不同而密度不同。（2 2）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）（1 1）天然密度：自然状态下，单
3、位体积质量）天然密度：自然状态下，单位体积质量 Vm/)/(3mKNVVmWVssatm m岩石总质量；岩石总质量；V V总体积。总体积。V VV V孔隙体积孔隙体积（3 3）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（积质量（108108烘烘24h24h）Vmsd/2、岩石的相对密度：岩石固体重量（、岩石的相对密度：岩石固体重量（ms ）与）与同体积水在同体积水在44时的重量比时的重量比Vs固体积；水的比重)/(WsWSSVGWms岩石固体的质量。（KN/m3）CVVVe/%100VVnVnnVVVVVVVVVVVeVVCVCV1/二、岩石的孔隙
4、性：反映裂隙发育程度的指标（一）孔隙比VV孔隙体积（水银充填法求出）（二）孔隙率V=VC+VVen关系关系%1000SSSWWWWWW天然状态下饱和状态下三、岩石的水理性质三、岩石的水理性质（一）含水性（一）含水性1、含水量：岩石孔隙中含水量GW与固体质量之比的百分数W=WW/WS（%）2、吸水率：岩石一个大气压、室温吸入水的质量与固体质量之比Wd=（%）吸水率是一个间接反映岩石内孔隙多少的指标饱水率：饱和吸水率，岩石在真空、煮沸或高压条件下，岩石最大吸入水的重量与岩石烘干重量的比值的百分率。饱水系数：岩石吸水率与饱水率比值的百分率。%100SSpsaWWW%100SaawkAdxdhkqxd
5、xdh（二）（二）渗透性渗透性 在一定的水压作用下，水穿透岩石的能力。反映了岩石中裂隙向相互连通的程度，大多渗透性可用达西（Darcy）定律描述：m3/s）水头变化率；qx沿x方向水的流量；h水头高度；A垂直x方向的截面面积；k渗透系数。四、岩石的抗风化指标、岩石的抗风化指标（3类）(1)(1)软化性软化性Rc干燥单轴抗压强度、Rcw饱和单轴抗压强度；（）越小，表示岩石受水的影响越大。ccwCRR/1cc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。试验时，将烘干的试块，约500g，分成10份，放入带有筛孔的圆筒内，使圆筒在水槽中以20rs速度连续转10分钟，然后将留在圆筒内的
6、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：(2)(2)岩石耐崩解性指数岩石耐崩解性指数试验前的试件烘干质量试验前的试件烘干质量 ；残留在筒内的试件烘；残留在筒内的试件烘干质量干质量smrm%/2srdmmI五.岩石的抗冻性岩石的抗冻系数是指岩样在正负25度温度区间内,反复降温,冻结,升温,融解,其抗压强度有所下降,岩样抗压强度的下降值与冻融前的抗压强度比值,用百分率表示.%100ccfCfRRRc 1 1、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 之比轴向自由膨胀轴向自由膨胀 （%）H试件高度 径向自由膨胀径向自由膨胀 （%）D直径 HHVH/DDVD/（三
7、）岩石的膨胀性（三）岩石的膨胀性评价膨胀性岩体工程的稳定。2.2.岩石的侧向约束膨胀率（岩石的侧向约束膨胀率（V VHPHP）将具有侧向约束的试件浸入水中，使岩石试件仅将具有侧向约束的试件浸入水中，使岩石试件仅产生轴向膨胀变形求得的膨胀率。产生轴向膨胀变形求得的膨胀率。3.3.膨胀压力膨胀压力岩石试件浸水后，使试件保持原有体积所施加的岩石试件浸水后，使试件保持原有体积所施加的最大压力。最大压力。HHVHP/1第三节岩石的强度性质第三节岩石的强度性质（Strength properties）岩石强度：岩石在载荷作用下变形到一定程度就发生破坏。破坏前岩石所能承受的单位面积上的最大载荷。根据受力条件
8、不同，岩石强度又可分为抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度、抗压强度。有单向应力状态下的强度，多向应力状态下的强度。力学性质力学性质Mechanical properties of rocks 岩石的力学性质是岩石在外力作用下表现出来岩石的力学性质是岩石在外力作用下表现出来的特性。主要有变形特性、强度特性和表面特的特性。主要有变形特性、强度特性和表面特性。性。变形特性：弹性、塑性和脆性变形特性：弹性、塑性和脆性 强度特性：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和强度特性：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度抗弯强度 表面特性：硬度和研磨性表面特性：硬度和研磨性岩石的强度特性岩石的强度特性工程师对材料提出两个问
9、题 1 最大承载力许用应力？2 最大允许变形许用应变？本节讨论 问题强度：材料受力时抵抗破坏的能力。强度单向抗压强度单向抗拉强度剪切强度三轴压缩真三轴假三轴岩石破坏的形式岩石破坏的形式Broken form of rocks脆性破坏脆性破坏塑脆性破坏（弹性变形不明显）塑脆性破坏（弹性变形不明显）塑性破坏塑性破坏(a)(b)(c)一 岩石的单轴抗压强度1.定义定义：指岩石试件在无侧限的条件下，受轴向压力作用破坏时单位面积上承受的荷载。APRc/式中：P无侧限的条件下的轴向破坏荷载 A试件界面积2.2.试件方法：试件方法：圆柱形试件：4.85.2cm，高H=（22.5)长方体试件：边长L=4.85
10、.2cm,高H=（22.5)L 试件两端不平度0.5mm；尺寸误差0.3mm;两端面垂直于轴线0.25o（1）试件标准：压缩情况下常见的破坏形式：1、劈裂 2、单斜面剪切破坏 3、多个共轭面剪切破坏常见的破坏形态圆锥形破坏:原因：压板两端存在摩擦力，箍作用（又称端部效应），在工程中也会出现。脆性柱状劈裂破坏为:张拉破坏（岩石的抗拉强度远小于抗压强度）是岩石单向压缩破坏的真实反映（消除了端部效应）消除试件端部约束的方法 润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部）加长试件 破坏形态是表现破坏机理的重要特征；破坏形态是表现破坏机理的重要特征；其主要影响因素：其主要影响因素：应力状态应力状态 试验条件试
11、验条件三轴抗压强度可分为常规三轴压力试验和真三轴压力试验。三轴压力试验测得的岩石强度随围压的增加而提高。岩石的脆性随围压的增加而具有延性。二二 岩石的抗拉强度岩石的抗拉强度1.1.定义定义：岩石试件在受到轴向拉应力后其试件发生破坏时的单位面积上所受的拉力。由于试件不易加工，除研究直接的拉伸的夹具外，研究了大量的间接试验方法。2.2.直接拉伸法直接拉伸法 抗拉强度APRt/关键技术试件和夹具之间的连接加力P与试件同心 岩石单轴抗压试验岩石单轴抗压试验 1岩样；岩样；2球座；球座；3钢垫板钢垫板 岩石单轴拉伸试验岩石单轴拉伸试验1岩样；岩样；2夹头；图中尺寸单位：夹头；图中尺寸单位：cmiPPaA
12、3.3.间接方法间接方法IMCt/岩石是各向同性的线弹性材料满足平面假设的对称面内弯曲适用条件：（1）抗弯法抗弯法（梁的三点弯曲试验）抗拉强度 三点弯曲梁内的最大拉应力；梁发生破坏时 的 就是tttRM 作用在试件上的最大弯矩C 梁边缘到中性轴的距离I 梁截面绕中性轴的惯性矩 （2 2）劈裂法（巴西法），对称径向压裂法）劈裂法（巴西法），对称径向压裂法 由巴西人由巴西人HondrosHondros提出提出ttR要求荷载沿轴向均匀分布破坏面必须通过试件的直径注：端部效应 并非完全单向应力试件：实心圆柱50mm；25mm试验：径向压缩破坏（张开）计算公式：由弹性力学Boursinesq公式Dlpt
13、/2式中：试验中心的最大拉应力，即p 试验中破坏时的压力D 试件的直径L 试件的厚度（3 3）点荷载试验法）点荷载试验法是上世纪发展起来的一种简便的现场试验方法。试件：试件：任何形状，尺寸大致5cm，不做任何加工。试验：试验：在直接带到现场的点荷载仪上，加载劈裂破坏。2/DPI IRt96.015196.0151iitIR计算：式中：P 试件破坏时的极限 D 加载点试件的厚度统计公式：要求:（由于离散性大），每组15个，取均值，即建议：用5cm的钻孔岩芯为试件。三三 岩石的抗剪强度岩石的抗剪强度1.1.定义定义 指一定的应力条件下（主要指压应力），所能抵抗的最大剪应力常用f 表示 2.2.剪切
14、试验方法剪切试验方法：a.直接剪切试验b.楔形剪切试验c.三轴压缩试验1 直接剪切试验2.2.楔形楔形剪切试验剪切试验 楔形楔形剪切试验介绍：剪切试验介绍：试验试验 楔形剪切仪，加载装置楔形剪切仪，加载装置 计算公式计算公式cossinsincosfPQfPN式中：式中：p压力机的总压力压力机的总压力 试件倾角试件倾角 f 圆柱形滚子与上下压板的摩擦系数圆柱形滚子与上下压板的摩擦系数抗剪断仪抗剪断仪cossinsincosfPQfPNQQNNPfP剪切破坏面上的正应力和剪应力为：cossinsincosfFPFQfFPFN岩石的抗剪断岩石的抗剪断曲线（强度曲线）曲线（强度曲线）改变夹具倾角；在
15、30度到70度之间 做一组（大于5次）不同的试验，记录所得的，值；由该组值作曲线近似直线得方程ctan 式中式中 tantan岩石抗剪切内摩擦系数岩石抗剪切内摩擦系数 c c 岩石的粘结力（内聚力）岩石的粘结力（内聚力）3 3 岩石在三向压缩应力作用下的强度岩石在三向压缩应力作用下的强度1 1.定义 指在不同三向压缩应力作用下岩石抵抗外荷载的最大应力ff321,2.2.三向压缩试验简介三向压缩试验简介 （1 1）真三轴真三轴 见图见图 （2 2）假三轴假三轴 见图见图321321 三轴压缩试验的破坏类型三轴压缩试验的破坏类型岩石三向压缩强度的影响因素岩石三向压缩强度的影响因素（1）侧压力的影响 围压越大，轴向压力越大（2）加载途径对岩石三向压缩强度影响 A、B、C三条虚线是三个不同的加载途径，加载途径对岩石的最终三向压缩强度影响不大。（3）孔隙水压力对岩石三向压缩强度的影响 孔隙水压力使有效应力（围压）减小 强度降低无水有水返回返回
