岩石的物理力学性质

1、第二章第二章 第八节岩石的物理力学性质第八节岩石的物理力学性质 岩石的基本物理力学性质是岩体最基本、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。早、最完善的内容之一。一、岩石的物理性质一、岩石的物理性质岩石由固体，水，空气等三相组成。岩石由固体，水，空气等三相组成。 ( (一一) ) 密度（密度（）和重度）和重度()()： 单位体积的岩石的质量称为岩石的密度。单位体积的岩单位体积的岩石的质量称为岩石的密度。单位体积的岩石的重力称为岩石的重度。所谓单位体积就是包括孔隙体积石的重力称为岩石的重度。所谓

2、单位体积就是包括孔隙体积在内的体积。在内的体积。 （g/cmg/cm3 3），），g(kNg(kN /m /m3 3) )岩石的密度可分为天然密度、干密度和饱和密度。岩石的密度可分为天然密度、干密度和饱和密度。相应地，岩石的重度可分为天然重度、干重度和饱和重度相应地，岩石的重度可分为天然重度、干重度和饱和重度。VW 1 1、天然密度（、天然密度（）和天然重度（）和天然重度（） 指指岩石岩石在在天然状态下的密度和重度。天然状态下的密度和重度。 VW （g/cm3）(kN /m3)g 式中：式中：WW天然状态下岩石试件的质量天然状态下岩石试件的质量(g(g；) ) V V岩石试件的体积岩石试件的体

3、积(cm(cm3 3) )； gg重力加速度。重力加速度。 干密度是干密度是指岩石孔隙中的液体全部被蒸发后指岩石孔隙中的液体全部被蒸发后单位体积单位体积岩石的质量岩石的质量，相应的重度即为干重度。，相应的重度即为干重度。 VWsd 2 2、干密度（、干密度（d d）和干重度）和干重度(d d ) )（g/cmg/cm3 3）(kN(kN /m /m3 3) )gdd 式中：式中：W Ws s岩石试件烘干后的质量岩石试件烘干后的质量(g)(g)； VV岩石试件的体积岩石试件的体积(cm(cm3 3) )； gg重力加速度。重力加速度。 3、饱和密度（、饱和密度（ ）和饱和重度）和饱和重度(w)饱

4、和密度就是饱水状态下岩石试件的密度。饱和密度就是饱水状态下岩石试件的密度。VWww 式中：式中：W WW W饱水状态下岩石试件的质量饱水状态下岩石试件的质量 (g)(g)； VV岩石试件的体积岩石试件的体积(cm(cm3 3) )； gg重力加速度。重力加速度。 gww （g/cm3）(kN /m3)（二）岩石的比重（岩石相对密度）（二）岩石的比重（岩石相对密度）岩石的比重就是指岩石固体的质量与同体积水的质岩石的比重就是指岩石固体的质量与同体积水的质量之比值。岩石固体体积，就是指不包括孔隙体积量之比值。岩石固体体积，就是指不包括孔隙体积在内的体积。岩石的比重可在实验室进行测定，其在内的体积。岩

5、石的比重可在实验室进行测定，其计算公式为：计算公式为：岩石的比重；岩石的比重；VC固体体积； 水的比重)/(1WCVGW（三）岩石的空隙性（三）岩石的空隙性 空隙：空隙：岩石中孔隙和裂隙的总称。岩石中孔隙和裂隙的总称。小开型空隙小开型空隙空隙空隙闭型空隙闭型空隙开型空隙开型空隙大开型空隙大开型空隙 闭型空隙：岩石中不与外界相通的空隙。闭型空隙：岩石中不与外界相通的空隙。 开型空隙：岩石中与外界相通的空隙。包括大开型空隙和开型空隙：岩石中与外界相通的空隙。包括大开型空隙和小开型空隙。小开型空隙。 在常温下水能进入大开型空隙，而不能进入小开型空隙。在常温下水能进入大开型空隙，而不能进入小开型空隙。

6、只有在真空中或在只有在真空中或在150150个大气压以上，水才能进入小开型空个大气压以上，水才能进入小开型空隙。隙。空隙空隙度：度：指岩石的裂隙和孔隙发育程度，其衡指岩石的裂隙和孔隙发育程度，其衡量指标为量指标为空隙空隙率率(n)(n)或或空隙空隙比（比（e e）。）。根据岩石空隙类型不同，岩石的空隙率分为根据岩石空隙类型不同，岩石的空隙率分为： (1) (1)总空隙率总空隙率n n (2) (2)大大开空隙率开空隙率n nb b (3) (3)小小开空隙率开空隙率n nl l (4) (4)总总开空隙开空隙率率n n0 0 ( (5)5) 闭空隙率闭空隙率n nc c一般提到岩石的空隙率时系

7、指岩石的总空隙率。一般提到岩石的空隙率时系指岩石的总空隙率。1 1、空隙率、空隙率(1)(1)总总空隙率空隙率n: 即岩石试件内即岩石试件内空隙空隙的体积（的体积（V VV V) )占试件占试件总体积总体积( (V)V)的百分比。的百分比。 (2)(2)大大开空隙率开空隙率n nb b: :即岩石试件内大开型空隙的体积（即岩石试件内大开型空隙的体积（V Vnbnb) )占试件总体积占试件总体积( (V)V)的百分比。的百分比。 %100 VVnV%100 VVnnbb(3(3) )小开空隙率小开空隙率n nl l: :即岩石试件内小开型空隙的体积（即岩石试件内小开型空隙的体积（V Vnlnl)

8、 )占试件总体积占试件总体积( (V)V)的百分比。的百分比。 %100 VVnnll(4)(4)总开空隙率（总开空隙率（孔隙率）孔隙率）n0: 即岩石试件内开型空隙的即岩石试件内开型空隙的总体积（总体积（V Vn0n0) )占试件总体积占试件总体积( (V)V)的百分比。的百分比。 (5(5) )闭闭空隙率空隙率n nc c: : 即岩石试件内即岩石试件内闭闭型空隙的体积（型空隙的体积（V Vncnc) )占占试件总体积试件总体积( (V)V)的百分比。的百分比。 %10000 VVnn%100 VVnncc 所谓所谓空隙空隙比是指岩石试件内比是指岩石试件内空隙空隙的体积的体积（V V V

9、V) )与与岩石试件内固体矿物颗粒的体积岩石试件内固体矿物颗粒的体积（V Vs s) )之比。之比。 2 2 、空隙比、空隙比(e)(e)1VVsVVVneVVVn二、岩石的水理性质二、岩石的水理性质 岩石遇水后会引起某些物理、化学和力学性质岩石遇水后会引起某些物理、化学和力学性质的改变，岩石的这种性质称为岩石的水理性质。的改变，岩石的这种性质称为岩石的水理性质。1 1、岩石的吸水性岩石的吸水性 岩石吸收水分的性能称为岩石的吸水性，其吸岩石吸收水分的性能称为岩石的吸水性，其吸水量的大小取决水量的大小取决于于岩石孔隙体积的大小及其密闭程岩石孔隙体积的大小及其密闭程度。岩石的吸水性指标有度。岩石的

10、吸水性指标有吸水率吸水率、饱水率饱水率和和饱水系饱水系数数。（1）岩石吸水率）岩石吸水率(1)： 是指岩石试件在标准大气压力下吸入水的重量是指岩石试件在标准大气压力下吸入水的重量W W11与岩石干重量与岩石干重量W Ws s之比。之比。 岩石的吸水率的大小，取决于岩石所含孔隙、裂隙岩石的吸水率的大小，取决于岩石所含孔隙、裂隙的数量、大小、开闭程度及其分布情况，并且还与试验的数量、大小、开闭程度及其分布情况，并且还与试验条件条件（整体和碎块，（整体和碎块，浸水时间浸水时间等）等）有关。有关。 根据岩石的吸水率可求得岩石的大开空隙率根据岩石的吸水率可求得岩石的大开空隙率n nb b：%10011

11、sWWsnbsnbbWVVWVVn 式中：式中：W W s s为干燥岩石的重量为干燥岩石的重量；d d,w w分别为干燥岩石和水的重度。分别为干燥岩石和水的重度。wdnbsWVVW 111 （2）岩石的饱水率（）岩石的饱水率（2） 岩石的饱水率指在岩石的饱水率指在高压（高压（150150个大气压）或真空个大气压）或真空条件下，岩石吸入水的重量条件下，岩石吸入水的重量W W22与岩石干重量与岩石干重量W Ws s之比，之比，即：即： %10022 sWW 根据饱水率求得岩石的总开空隙率根据饱水率求得岩石的总开空隙率n n0 0：wdsnsnWVVWVVn 2000 式中：式中：W Ws s为干燥

12、岩石重量；为干燥岩石重量；d d,w w干燥岩石和水的重度。干燥岩石和水的重度。（3）岩石的饱水系数（）岩石的饱水系数（Ks） 岩石吸水率与饱水率之比称为岩石的饱水系数，即岩石吸水率与饱水率之比称为岩石的饱水系数，即 21 sK 饱水系数反映了岩石中大开空隙和小开空隙的相对饱水系数反映了岩石中大开空隙和小开空隙的相对含量。饱水系数越大，岩石中的大开空隙越多，而小开含量。饱水系数越大，岩石中的大开空隙越多，而小开空隙越少。空隙越少。 吸水性较大的岩石吸水后往往会产生膨胀，给井巷吸水性较大的岩石吸水后往往会产生膨胀，给井巷支护造成很大压力。支护造成很大压力。 地下水存在于岩石孔隙、裂隙之中，而且大

13、多数地下水存在于岩石孔隙、裂隙之中，而且大多数岩石的孔隙裂隙是连通的，因而在一定的压力作岩石的孔隙裂隙是连通的，因而在一定的压力作用下，地下水可以在岩石中渗透。岩石的这种能用下，地下水可以在岩石中渗透。岩石的这种能透水的性能称为岩石的透水性。岩石的透水性大透水的性能称为岩石的透水性。岩石的透水性大小不仅与岩石的孔隙度大小有关，而且还与孔隙小不仅与岩石的孔隙度大小有关，而且还与孔隙大小及其贯通程度有关。大小及其贯通程度有关。 衡量岩石透水性的指标为渗透系数衡量岩石透水性的指标为渗透系数(K)。一般来。一般来说，完整密实的岩石的渗透系数往往很小。岩石说，完整密实的岩石的渗透系数往往很小。岩石的渗透

14、系数一般是在钻孔中进行抽水或压水试验的渗透系数一般是在钻孔中进行抽水或压水试验而测定的。而测定的。2 2、岩石透水性、岩石透水性Adxdhkqxdxdh2 2、岩石透水性、岩石透水性 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(水力梯度）；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。 3、岩石的软化性、岩石的软化性 岩石的软化性是指岩石在饱水状态下其强度相对岩石的软化性是指岩石在饱水状态下其强度相对于干燥状态下降低的性能，可用软化系数于干燥状态下降低的性能，可用软化系数表示表

15、示。 软化系数指软化系数指岩石试样在饱水状态下的抗压强度岩石试样在饱水状态下的抗压强度cbcb与在干燥状态下的抗压强度与在干燥状态下的抗压强度c c之比，即之比，即ccbc 各类岩石的各类岩石的c c=0.45=0.450.90.9之间。之间。c c 0.75, 0.75,岩石软化性弱、抗水、抗风化能力强；岩石软化性弱、抗水、抗风化能力强；c c 0.751h/d1的岩块的抗压的岩块的抗压强度：强度：式中：式中：c1c1 h/dh/d=1=1的试件抗压强度；的试件抗压强度； c c h/dh/d11的试件抗压强度。的试件抗压强度。 )(22. 0778. 01hdcc scI24 式中：式中：

16、Is点荷载强度指标，点荷载强度指标，2/ DPIs 对于风化严重，难以对于风化严重，难以加工成试件的岩石，可根加工成试件的岩石，可根据点荷载试验计算岩石的据点荷载试验计算岩石的抗压强度：抗压强度： 影响单轴抗压强度的主要因素影响单轴抗压强度的主要因素（1）承压板端部的摩擦力及其刚度（加垫块的依据）（2）试件的形状和尺寸 形状：圆形试件不易产生应力集中，好加工 尺寸：大于矿物颗粒的10倍； 50的依据 高径比：研究表明；h/d(23)较合理（3）加载速度 加载速度越大，表现强度越高(见图25) 我国规定加载速度为0.5 1.0MPa/s（4）环境 含水量：含水量越大强度越低；岩石越软越明显，对泥

17、岩、粘土等软弱岩体，干燥强度是饱和强度的23倍。 温度度：180以下部明显：大于180，湿度越高强度越小。(5) 岩石的结构构造 a、垂直节理 平行节理 b、非结晶岩石 结晶岩石 c、 细结晶 粗结晶(6) 裂隙和风化作用2)2)、岩石的单轴抗拉强度、岩石的单轴抗拉强度t ta a、直接拉伸试验、直接拉伸试验APt b b、间接拉伸试验、间接拉伸试验圆饼试件：圆饼试件： tdPt 2 (a)劈裂法（巴西试验法）劈裂法（巴西试验法）方形试件方形试件：ahPt 2 式中式中：P P破坏时的荷载，破坏时的荷载，N;N; d d 试件直径；试件直径；cm； t t试件厚度，试件厚度，cm； a a，h

18、 h方形方形试件边长试件边长和厚度和厚度，cm。3/2VPt 不规则试件（加压方向应满足不规则试件（加压方向应满足h/a1.5 ）：）： 式中式中：P P破坏时的荷载，破坏时的荷载，N;N; a a加压方向的尺寸；加压方向的尺寸； h h厚度；厚度； V不规则试件的体积。不规则试件的体积。 由于岩石中的微裂隙，在间接拉伸试验中，外力由于岩石中的微裂隙，在间接拉伸试验中，外力都是压力，必然使部分微裂隙闭合，产生摩擦力，从都是压力，必然使部分微裂隙闭合，产生摩擦力，从而使测得的抗拉强度值比直接拉伸法测得的大。而使测得的抗拉强度值比直接拉伸法测得的大。296.0DPt (b) 点荷载试验法点荷载试验

19、法 经验公式：经验公式：式中式中：P P破坏时的荷载，破坏时的荷载，N N； D D 试件直径；试件直径；cm。 试件直径试件直径1.273.05cm岩石的抗拉强度远远小于其抗压强度，一般情况下，岩石的抗拉强度远远小于其抗压强度，一般情况下，ct )501101( 3)3)、岩石的抗剪切强度、岩石的抗剪切强度f fA A、剪切面上无压应力的剪切试验剪切面上无压应力的剪切试验APAT试件尺寸：直径或边长不小于试件尺寸：直径或边长不小于50mm50mm，高度应等于直径或边长。，高度应等于直径或边长。改变改变P,P,即可测得多组即可测得多组、，作出，作出曲线。曲线。B B、剪切面上有压应力的剪切试验

20、、剪切面上有压应力的剪切试验 不规则齿接触不规则齿接触（1977 N1977 NBartonBarton）经验公式：)lg(tanbnnJCSJRC)lg()tan(nbnJCSarcJRCJRC为节理粗糙系数JCS为节理壁抗压强度库伦（库伦（Coulomb)准则准则 1773 1773年库伦提出了一个重要的准则（年库伦提出了一个重要的准则（“摩擦摩擦”准则）。准则）。库伦认为，材料的破坏主要是剪切破坏，当材料某一斜面库伦认为，材料的破坏主要是剪切破坏，当材料某一斜面上的剪应力达到或超过该破坏面上的粘结力和摩擦阻力之上的剪应力达到或超过该破坏面上的粘结力和摩擦阻力之和，便会造成材料沿该斜面产生

21、剪切滑移破坏。和，便会造成材料沿该斜面产生剪切滑移破坏。 tgcf 式中：式中： f f 材料剪切面上的抗剪强度；材料剪切面上的抗剪强度； c c材料的粘结力；材料的粘结力； 剪切面上的正应力。剪切面上的正应力。 C C、斜剪试验、斜剪试验 忽略端部摩擦力，忽略端部摩擦力，根据力根据力的平衡原理，作用于剪切面上的平衡原理，作用于剪切面上的法向力的法向力N N和切向力和切向力Q Q可按下式可按下式计算：计算：N = PcosN = Pcos Q = PsinQ = Psin剪切面上的法向应力剪切面上的法向应力和剪应和剪应力力为：为： cosAPAN sinAPAQ 6、岩石的物理力学参数及强度相

22、互关系岩石的单轴抗拉强度为为单轴抗压强度的1/381/5岩石的抗剪强度为单轴抗压强度的1/151/2。岩石在荷载长期作用下的抗破坏能力要比短时间的加载下的抗破坏能力小。 对于坚硬岩石，前者是后者的70%80%。 对于软质岩石，前者是后者的40%60%。几种岩石的力学参数见表（教材表3-14） 弹性（可恢复） 与时间无关的变形 塑性（不恢复） 与时间有关的流变 岩石的时间效应蠕变松弛岩石变形7.岩石的流变特性岩石的流变特性岩石的流变特性岩石的流变特性：流变是指物质在外部条件不变的情况下：流变是指物质在外部条件不变的情况下，应力应力或应变随或应变随时间变化而变化的现象。这个问题国际上时间变化而变化的现象。这个问题国际上 1979年国际岩年国际岩石力学学会（瑞士）提出来的。石力学学会（瑞士）提出来的。 表示表示 变形变形时间曲线叫流变曲线时间曲线叫流变曲线主要包括主要包括 蠕变蠕变：岩石在恒定应力作用下：岩石在恒定应力作用下,变形随时间延续而不断增长的现变形