岩块的物理力学性质.ppt

第二章 岩块的物理力学性质,2.1 概述 2.2 岩石的物理性质 2.3 岩石的水理性质 2.4 岩石的热学性质 2.5 岩石的变形性质（次重点） 2.6 岩块的强度性质（重点） （,2.2 岩石的物理性质,一、岩石的密度 二、岩石的空隙性,岩石由固体、液体和气体三相组成。,岩石三相组成部分的相对比例关系不同所表现的物理状态。,一、岩石的密度（单位体积内的岩石质量）,1、颗粒密度(s)：s= ms/Vs 2、块体密度()：岩块单位体积的质量。 按含水量的多少可分为： 天然密度： = m/V 干密度：d= ms/V 饱和密度:sat= msat/V,二、岩石的空隙性：孔隙+裂隙,总空隙率(n) 总开空隙率(no) 大开空隙率(nb) 小开空隙率(na) 闭空隙率(nc),岩石的空隙 (裂隙、孔隙),闭空隙,开空隙,大开空隙,小开空隙,空隙比,空隙率,颗粒体积,空隙性对岩块及岩体力学性质影响,1、n愈大，岩块的强度愈小、塑性变形和渗透性愈大；,2、空隙易造成岩石风化，工程地质性质恶化；,3、对可溶性岩石，空隙使岩溶发育。,岩石在水溶液作用下表现出来的性质。 1.吸水性 2.软化性 3.抗冻性 4.透水性,2.3 岩石的水理性质,一、岩石的吸水性,岩石在一定试验条件下吸收水分的能力。 1.吸水率(Wa)：岩石试件在大气压力和室温条件下自由吸入水的质量(mw1)与岩样干质量 (ms)之比，用百分数表示,大开空隙率,2.饱和吸水率 Wp：高压(15MPa)或真空条件下吸入水的质量(mw2)与岩样干质量(ms)之比，用百分数表示,总开空隙率,Wa/Wp,3.饱水系数,反映岩石中大、小开空隙的相对比例关系。 饱水系数大,大开空隙越多,岩石愈易被冻坏，抗冻性差,几种岩石的吸水性指标值,二、岩石的软化性,软化系数(KR)：岩石试件的饱和抗压强度(cw)与干抗压强度(c)的比值,岩石浸水饱和后强度降低的性质,岩石中含有较多亲水性和可溶性矿物，含大开空隙较多时，岩石的软化性较强，软化系数较小。（软化性与岩石矿物成分及空隙性有关）,KR0.75，岩石软化性弱，抗冻性和抗风化能力强； KR0.75，岩石软化性较强，工程地质性质较差。,三、岩石的抗冻性,岩石抵抗冻融破坏的能力,抗冻系数(Rd)：岩石试件经反复冻融后的干抗压强度(cd2)与冻融前干抗压强度(cd1)之比，用百分数表示,Rd75，Km2时，抗冻性高； Wa5、KR0.75和Rd0.8时，抗冻性高。,质量损失率(Km)：冻融试验前后干质量之差(ms1-ms2)与试验前干质量(ms1)之比，以百分数表示,四、岩石的透水性,在一定的水力梯度或压力差作用下，岩石能被水透过的性质。 水在岩石中的流动，服从线性渗流规律达西定律，即,K：cm/s m/d,渗透流速,渗透系数,水力梯度,2.4 岩石的热学性质（自学）,复习总结,1、岩石的物理性质 1)岩石的密度 2)岩石的空隙性 2、岩石的水理性质 1).吸水性：吸水率(Wa)、饱和吸水率(Wp)、饱水系数 2).软化性：软化系数(KR) 3).抗冻性：抗冻系数(Rd)、质量损失率(Km) 4). 透水性：渗透系数(K ),颗粒密度(s),块体密度(、 d、 sat),空隙比(e ),空隙率(n n0 na nb nc ),岩块的变形与强度性质,应力、应变 应力状态、摩尔应力圆,几个基本概念,任意状态,主应力状态,强度、刚度 变形弹性变形、塑性变形弹性、塑性 破坏脆性破坏、塑性破坏脆性、塑性 粘性 、延性,岩块的变形与强度性质, 2.5 岩块的变形性质,加荷方式,单轴加荷,三轴加荷,单轴压缩,单轴拉伸,连续加荷,循环加荷,逐级一次循环加荷,反复循环加卸荷,加剪力,t,p,t,p,t,p,岩块的变形与强度性质,一、单轴压缩条件下的岩块变形,（一） 连续加载,1、变形阶段 空隙压密阶段(OA),岩块的变形与强度性质,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:峰值强度,微裂隙稳定发展阶段(BC) C点:屈服强度,弹性变形阶段(AB) B点:弹性极限,岩块的变形与强度性质,2、峰值前岩块的变形特征 （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-弹-塑性型2,弹性-蠕变型,岩块的变形与强度性质,（2）变形参数,1)变形模量（modulus of deformation)是指单轴压缩条件下，轴向压应力与轴向应变之比。 应力-应变曲线为直线型 这时变形模量又称为弹性模量,应力-应变曲线为“S”型 初始模量(Ei)指曲线原点处切线斜率 切线模量(Et)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 割线模量(Es)指曲线上某特定点与原点连线的斜率，通常取c处的点与原点连线的斜率,岩块的变形与强度性质,2)泊松比()（poissons ratio）是指在单轴压缩条件下， 横向应变（）与轴向应变（）之比,在实际工作中，常采用处的与来计算岩块的泊松比。 岩块的变形模量和泊松比受岩石矿物组成、结构构造、风化程度、空隙性、含水率、微结构面及其与荷载方向的关系等多种因素的影响，变化较大。,岩块的变形与强度性质,岩块的变形与强度性质,常见岩石的变形模量和泊松比,3)其他变形参数 剪切模量（） 拉梅常数（） 体积模量（V) 弹性抗力系数（）,岩块的变形与强度性质,伺服机试验结果,3. 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,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),岩块的变形与强度性质,岩块的变形与强度性质,3.反复加卸荷(岩石记忆、回滞环、疲劳破坏）,二、三轴压缩条件下的岩块变形性 （一）三轴试验,真三轴试验 123 常规三轴试验 12=3,岩块的变形与强度性质,（二）围压对变形破坏的影响,1、岩石破坏前应变随3增大而增大 2、岩石的峰值强度随3增大而增大 3、随3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,岩块的变形与强度性质,4、随3增大，岩石的塑性不断增大，随3增大到一定值时，岩石由弹脆性转变为塑性。这时，3的大小称为“转化压力” 。 5、随3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。,岩块的变形与强度性质,三、岩石的蠕变性质 在外部条件不变的情况下，岩石的变形或应力随时间而变化的现象叫流变，主要包括蠕变、松弛。 蠕变(creep)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。 1. 蠕变曲线特征（三个阶段）,AB段-初始蠕变阶段 BC段-等速蠕变阶段 CD段-加速蠕变阶段,岩块的变形与强度性质,2. 影响蠕变的因素 岩性 应力 温度、湿度,岩块的变形与强度性质,3. 蠕变模型及本构方程（自学） （1）理想物体基本模型 弹性元件 粘性元件 塑性元件,岩块的变形与强度性质,（2）组合模型 Maxwall 模型,岩块的变形与强度性质,Kelvin 模型,岩块的变形与强度性质,岩块的变形与强度性质,其他模型, 2.6 岩 块 的 强 度 性 质,岩块强度：岩块抵抗外力破坏的能力。,岩块破坏方式,脆性破坏,塑性破坏(延性破坏）,拉破坏,剪切破坏,一、单轴抗压强度 二、单轴抗拉强度 三、剪切强度 四、三轴压缩强度,受力状态,岩块的变形与强度性质,一、单轴抗压强度c 1、定义：在单向压缩条件下，岩块能承受的最大压应力，简称抗压强度（MPa） 。 2、意义:衡量岩块基本力学性质的重要指标 岩体工程分类、建立岩体破坏判据的重要指标 用来大致估算其他强度参数 3、测定方法：抗压强度试验,点荷载试验,岩块的变形与强度性质,常规压力机,岩块的变形与强度性质,4、破坏方式：拉破坏、剪破坏、对顶锥破坏,岩块的变形与强度性质,常见岩石的抗压强度,岩块的变形与强度性质,5.影响因素 （1）岩石自身的性质（ 矿物组成 、 粒间连接、 岩性、结构特征 、颗粒大小及形状、风化程度 、微结构面） （2）实验条件 试件形状、尺寸及加工精度 断面形状：强度:圆形六多边形四边形三边形试件 尺寸效应：尺寸越大，岩块强度越低。 试件的高径比h/D增大，岩块强度降低。 加工精度： 加荷速率 强度常随加荷速率增大而增高 温度、湿度 含水量越高,强度越低;温度越高，强度越低。,岩块的变形与强度性质,端面条件端面效应,层理结构强度各向异性,岩块的变形与强度性质,二、单轴抗拉强度t 1.定义：单向拉伸条件下，岩块能承受的最大拉应力，简称抗拉强度。 2.意义：衡量岩体力学性质的重要指标 用来建立岩石强度判据，确定强度包络线 选择建筑石材不可缺少的参数 3.测定方法： 直接拉伸 间接法 （劈裂法、点荷载法、三点弯曲法）,岩块的变形与强度性质,直接拉伸法是将圆柱状试件两端固定在材料试验机的拉伸夹具内，然后对试件施加轴向拉荷载至破坏。,劈裂试验是用圆柱体或立方体试件，横置于压力机的承压板上，且在试件上、下承压面上各放一根垫条。然后以一定的加荷速率加压，直至试件破坏。,在线布荷载(p)作用下，沿试件竖直向直径平面内产生的近于均布的水平拉应力x=2p/DL 在水平向直径平面内产生的压应力y= 6p/ DL 抗拉强度t= 2pt /DL （圆形试样） t= 2pt /a2 （方形试样）,岩块的变形与强度性质,点荷载试验是将试件放在点荷载仪中的球面压头间，加压至试件破坏，利用破坏荷载求岩块的点荷载强度。,点荷载强度Is=pt/D2 抗拉强度t= kIs,岩块的变形与强度性质,4.影响因素：结构面的影响（裂隙空隙） 岩石中包含有大量的微裂隙和孔隙，岩块抗拉强度受其影响很大，直接削弱了岩块的抗拉强度。相对而言，空隙对岩块抗压强度的影响就小得多，因此，岩块的抗拉强度一般远小于其抗压强度。 通常把抗压强度与抗拉强度的比值称为脆性度，用以表征岩石的脆性程度。,岩块的变形与强度性质,常见岩石的抗拉强度,岩块的变形与强度性质,三、剪切强度 1、定义：在剪切荷载作用下，岩块抵抗剪切破坏的最大剪应力，称为剪切强度 2、类型： （1）抗剪断强度：指试件在一定的法向应力作用下，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力。 （2）抗切强度： 指试件上的法向应力为零时，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力。 （3）摩擦强度： 指试件在一定的法向应力作用下，沿已有破裂面（层面、节理等）再次剪切破坏时的 最大剪应力。,岩块的变形与强度性质,3、意义： 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 4、抗剪断强度的测试方法： 直剪试验、变角板剪切试验 、三轴试验,岩块的变形与强度性质,直剪试验在直剪仪上进行，按库仑定律求岩块的剪切强度参数C、值。,变角板剪切试验是将立方体试件，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。,岩块的变形与强度性质,四、三轴压缩强度 1.定义：试件在三向压应力作用下能抵抗的最大的轴向应力。