第一章矿山岩石和岩体的基本性质ppt课件

1、第一章第一章 矿山岩石和岩体的基本性质矿山岩石和岩体的基本性质 岩石的物理力学性质是岩体最基本、最重要的性质之一，也是岩石力学中研究最早、最完善的内容之一。本章介绍：岩石的地质构成及分类； 岩石物理、力学性质及测定； 岩石的破坏机理和强度理论； 岩体及其力学特征。 第一节第一节 岩石的基本物理性质岩石的基本物理性质 1. 1.概念概念 岩石：矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集形成的自然物体。岩石：矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集形成的自然物体。 （岩石（岩石 = = 矿物颗粒矿物颗粒 + + 胶结物胶结物 + + 孔隙孔隙 + + 水）水） 矿物：存在地壳中的具有一定化学成分和物理性质的

2、自然元素和化合物。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。 构造：组成岩石的物质成分、颗粒大小和形状以及其相互结合的情况。构造：组成岩石的物质成分、颗粒大小和形状以及其相互结合的情况。 ( (结晶、胶结结晶、胶结) ) 构造构造: : 组成成分的空间分布及其相互间排列关系。组成成分的空间分布及其相互间排列关系。 （节理、裂隙、空隙、边境、缺陷）（节理、裂隙、空隙、边境、缺陷） 矿物、构造、构造矿物、构造、构造 是影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素是影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素 。一、岩石的基本概念一、岩石的基本概念 岩浆岩：强度高、均质性好岩浆岩：强度

3、高、均质性好2.岩石地质分类岩石地质分类 沉积岩：强度不稳定，各向异性沉积岩：强度不稳定，各向异性 变质岩：不稳定，与变质程度和岩性有关变质岩：不稳定，与变质程度和岩性有关3.3.沉积岩石的力学特性：沉积岩石的力学特性：不连续性；（物质不能充满空间，有空隙存在）不连续性；（物质不能充满空间，有空隙存在）各向异性；（任一点的物理、力学性质沿不同方各向异性；（任一点的物理、力学性质沿不同方向均不相同）向均不相同）不均匀性；（由不同物质组成，各点物理力学性不均匀性；（由不同物质组成，各点物理力学性质都不相同）质都不相同）岩块单元的可移动性；岩块单元的可移动性；地质因素影响特性水、气、热、初应力）地质

4、因素影响特性水、气、热、初应力）（上述特性导致岩石力学的研究方法以实验测试为（上述特性导致岩石力学的研究方法以实验测试为主）主） 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。（一密度（一密度和重度和重度( (体积力体积力)： 单位体积的岩石的质量称为岩石的密度。单位体积的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在内的体积。体积在内的体积。 （g/cm3g/cm3），），g(kN /m3)g(kN /m3) 岩石的密度可分为天然密度、干密度和饱和密度。相岩石的密度可分

5、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。应地，岩石的重度可分为天然重度、干重度和饱和重度。VW 二、岩石的基本物理性质二、岩石的基本物理性质 固体水空气1 1、天然密度、天然密度和天然重度和天然重度） 指岩石在天然状态下的密度和重度。指岩石在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积(cm3)(cm3)； g g重力加速度重力加速度N/gN/g）。）。 干密度是指岩石孔隙中的液体全部被蒸发后单位体积干密度是指岩石孔

6、隙中的液体全部被蒸发后单位体积岩石的质量，相应的重度即为干重度。岩石的质量，相应的重度即为干重度。 VWsd 2 2、干密度、干密度dd和干重度和干重度(d )(d )（g/cm3g/cm3）(kN/m3)(kN/m3)gdd 式中：式中：WsWs岩石试件烘干后的质量岩石试件烘干后的质量(g)(g)； V V岩石试件的体积岩石试件的体积(cm3)(cm3)； g g重力加速度。重力加速度。 3 3、饱和密度、饱和密度 ）和饱和重度）和饱和重度(w)(w)饱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：WWWW饱水状态下岩石试件的质量饱水状态下岩

7、石试件的质量 (g) (g)； V V岩石试件的体积岩石试件的体积(cm3)(cm3)； g g重力加速度。重力加速度。 gww （g/cm3）(kN /m3)（二比重相对密度）（二比重相对密度）()() 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在质量之比值。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，其计算公内的体积。岩石的比重可在实验室进行测定，其计算公式为：式为： 式中：式中：岩石的比重；岩石的比重； Ws Ws干燥岩石的质量干燥岩石的质量(g);(g); Vs Vs

8、岩石固体体积岩石固体体积(cm3);(cm3); W 40C W 40C时水的密重。时水的密重。 wssVW （三岩石的空隙性（三岩石的空隙性 空隙：岩石中孔隙和裂隙的总称。空隙：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。只有在真空中或

9、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。空隙度：指岩石的裂隙和孔隙发育程度，其衡量指标空隙度：指岩石的裂隙和孔隙发育程度，其衡量指标为空隙率为空隙率(n)或空隙比或空隙比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)大开空隙率大开空隙率nbnb (3) (3)小开空隙率小开空隙率nlnl (4) (4)总开空隙率总开空隙率n0n0 (5) (5)闭空隙率闭空隙率ncnc一般提到岩石的空隙率时系指岩石的总空隙率。一般提到岩石的空隙率时系指

10、岩石的总空隙率。1 1、空隙率、空隙率(1)(1)总空隙率总空隙率n: n: 即岩石试件内空隙的体积即岩石试件内空隙的体积VV)VV)占试占试件总体积件总体积(V)(V)的百分比。的百分比。 (2)(2)大开空隙率大开空隙率nb:nb: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Vnb)Vnb)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nl:nl: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Vnl)Vnl)占试件总体积占试件总体积(V)(V)的百分比。的百分比。 %100 VVnnl

11、l(4)(4)总开空隙率孔隙率总开空隙率孔隙率n0: n0: 即岩石试件内开型空隙即岩石试件内开型空隙的总体积的总体积Vn0)Vn0)占试件总体积占试件总体积(V)(V)的百分比。的百分比。 (5)(5)闭空隙率闭空隙率nc: nc: 即岩石试件内闭型空隙的体积即岩石试件内闭型空隙的体积Vnc)Vnc)占试件总体积占试件总体积(V)(V)的百分比。的百分比。 %10000 VVnn%100 VVnncc 所谓空隙比是指岩石试件内空隙的体积所谓空隙比是指岩石试件内空隙的体积V V)V V)与岩石试件内固体矿物颗粒的体积与岩石试件内固体矿物颗粒的体积Vs)Vs)之比。之比。 nnVVVVVesss

12、V 12 2 、空隙比、空隙比(e)(e)（四岩石的水理性质（四岩石的水理性质 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。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于岩石孔隙体积的大小及其密吸水量的大小取决于岩石孔隙体积的大小及其密闭程度。岩石的吸水性指标有吸水率、饱水率和闭程度。岩石的吸水性指标有吸水率、饱水率和饱水系数。饱水系数。（1 1岩石吸水率岩石吸水率(1)(1)： 是指岩石试件在标

13、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W1W1与岩石干重量与岩石干重量WsWs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，并且还与试验条件整体和碎块，浸水时间等有关。条件整体和碎块，浸水时间等有关。 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nbnb：%10011 sWWsnbsnbbWVVWVVn 式中：式中：W sW s为干燥岩石的重量；为干燥岩石的重量；d,wd,w分别为干燥岩石和水的重度

14、。分别为干燥岩石和水的重度。wdnbsWVVW 111 （2 2岩石的饱水率岩石的饱水率22） 岩石的饱水率指在高压岩石的饱水率指在高压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W2W2与岩石干重量与岩石干重量WsWs之之比，即：比，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n0n0：wdsnsnWVVWVVn 2000 式中：式中：WsWs为干燥岩石重量；为干燥岩石重量；d,wd,w干燥岩石和水的重度。干燥岩石和水的重度。（3 3岩石的饱水系数岩石的饱水系数KsKs） 岩石吸水率与饱水率之比称为岩石的

15、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。 2 2、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。

16、表示。 软化系数指岩石试样在饱水状态下的抗压强度软化系数指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cc之比，即之比，即ccbc 各类岩石的各类岩石的c=0.45c=0.450.90.9之间。之间。c 0.75,c 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 0.75c 0.75，岩石的工程地质性质较差。，岩石的工程地质性质较差。3 3、岩石的膨胀性、岩石的膨胀性 岩石的膨胀性是指岩石浸水后体积增大的性质。岩石岩石的膨胀性是指岩石浸水后体积增大的性质。岩石的膨胀性大小一般用膨胀力和膨胀率指标表示。其测定方的膨胀性

17、大小一般用膨胀力和膨胀率指标表示。其测定方法是平衡加压法。法是平衡加压法。 试验中不断加压，并保持试验中不断加压，并保持体积不变，所测得的最大压力即体积不变，所测得的最大压力即为岩石的最大膨胀力；然后逐级为岩石的最大膨胀力；然后逐级减压，直至荷载为减压，直至荷载为0 0，测定其最，测定其最大膨胀变形量，膨胀变形量与试大膨胀变形量，膨胀变形量与试件原始厚度的比值即为膨胀率。件原始厚度的比值即为膨胀率。4 4、岩石的崩解性、岩石的崩解性 岩石的崩解性是指岩石与水相互作用时失去粘结性并岩石的崩解性是指岩石与水相互作用时失去粘结性并变为完全丧失强度的松散物质的性质。变为完全丧失强度的松散物质的性质。

18、岩石的崩解性一般用耐崩解指数岩石的崩解性一般用耐崩解指数 Id2 Id2 的表示。其指的表示。其指标可在实验室用干湿循环试验确定。标可在实验室用干湿循环试验确定。 试验过程：将经过烘干的试试验过程：将经过烘干的试块块500g,500g,分成约分成约1010块），放在块），放在带有筛孔的圆筒内，使该圆筒在带有筛孔的圆筒内，使该圆筒在水槽中以水槽中以20r/min,20r/min,连续旋转连续旋转10 10 min,min,然后将留在圆筒内的岩块取然后将留在圆筒内的岩块取出烘干称重，如此反复进行两次，出烘干称重，如此反复进行两次，按下试计算耐崩解指数。按下试计算耐崩解指数。%10001022 WW

19、WWmmIdrd式中：式中：Id2 Id2 两次循环试验求得的耐崩解指数，在两次循环试验求得的耐崩解指数，在0 0100% 100% 之间变化；之间变化；mdmd试验前试块的烘干质量；试验前试块的烘干质量；mrmr残留在圆筒内试块的烘干质量；残留在圆筒内试块的烘干质量；W1 W1 试验前试件和圆筒的烘干重量；试验前试件和圆筒的烘干重量；W2W2第二次循环后试件和圆筒的烘干重量；第二次循环后试件和圆筒的烘干重量；W0W0试验结束冲洗干净后圆筒的烘干重量。试验结束冲洗干净后圆筒的烘干重量。 岩石的崩解性指数反映了岩石在浸水和温度变岩石的崩解性指数反映了岩石在浸水和温度变化的环境下抵抗风化作用的能力

20、。化的环境下抵抗风化作用的能力。5 5、岩石的抗冻性、岩石的抗冻性 岩石的抗冻性是指岩石抵抗冻融破坏的性能，是评价岩石的抗冻性是指岩石抵抗冻融破坏的性能，是评价岩石抗风化稳定性的重要指标。岩石抗风化稳定性的重要指标。 岩石的抗冻性用抗冻系数岩石的抗冻性用抗冻系数CfCf表示，指岩石试样在表示，指岩石试样在250C250C的温度期间内，反复降温、冻结、融解、升温，然的温度期间内，反复降温、冻结、融解、升温，然后测量其抗压强度的下降值后测量其抗压强度的下降值c-cfc-cf）, ,以此强度下降以此强度下降值与融冻试验前的抗压强度值与融冻试验前的抗压强度cc之比的百分比代表抗冻系之比的百分比代表抗冻

21、系数数Cf Cf ，即，即%100 ccfcfC 可见：抗冻系数可见：抗冻系数Cf Cf 越小，岩石抗冻融破坏的能力越强。越小，岩石抗冻融破坏的能力越强。6 6、岩石的透水性、岩石的透水性 地下水存在于岩石孔隙、裂隙之中，而且大多数岩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用下，地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。岩石的这种能透水的性能称为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。岩石的透水性大小不仅与岩石的孔隙度岩石的透水性。岩石的透水性大小不仅与岩石的孔隙度大小有关，而且还与孔隙大小及其贯通

22、程度有关。大小有关，而且还与孔隙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)(K)。一般来说，。一般来说，完整密实的岩石的渗透系数往往很小。岩石的渗透系数完整密实的岩石的渗透系数往往很小。岩石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。一般是在钻孔中进行抽水或压水试验而测定的。（五岩石的碎胀性（五岩石的碎胀性 岩石破碎后的体积岩石破碎后的体积VPVP比原体积比原体积V V增大的性能称为岩石增大的性能称为岩石的碎胀性，用碎胀系数的碎胀性，用碎胀系数来表示。来表示。VVP 碎胀系数不是一个固定值，是随时间而变化的。碎胀系数不是一个固定值，是随时

23、间而变化的。 永久碎胀系数残余碎胀系数）永久碎胀系数残余碎胀系数）不能再压密时不能再压密时的碎胀系数称为永久碎胀系数的碎胀系数称为永久碎胀系数. .弹性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形弹性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形能够恢复的性质。能够恢复的性质。塑性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形塑性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形不能恢复的性质。不能恢复的性质。粘性流变性）：物体受力后变形不能在瞬间完成，且应粘性流变性）：物体受力后变形不能在瞬间完成，且应变速度变速度d/dtd/dt随应力大小而变化的性质。随应力大小而变化的性质。脆性：物体在外力

24、作用下变形很小时就发生破坏的性质。脆性：物体在外力作用下变形很小时就发生破坏的性质。延性：物体能够承受较大的塑性变形而不丧失其承载能力延性：物体能够承受较大的塑性变形而不丧失其承载能力的性质。的性质。第二节第二节 岩石的强度和变形特性岩石的强度和变形特性 岩石的力学性质包括：岩石的力学性质包括： 变形性质：研究岩石在受力情况下的变形规律变形性质：研究岩石在受力情况下的变形规律 强度特性：研究岩石受力破坏的规律强度特性：研究岩石受力破坏的规律一、岩石的弹性和塑性：一、岩石的弹性和塑性： 变形分析的重要性直观、易测、建立模变形分析的重要性直观、易测、建立模型、准绳）型、准绳） 1、 弹性变形：弹性

25、变形：线弹性非线弹性 滞弹性 线弹性直线型；当岩石致密，强度大，压力不高时，为此状态。 非线弹性单向曲线型； 基本没有。 滞弹性双向曲线型，岩石多属滞弹性：滞弹性应力应变不是唯一的对应关系，应变的产生变化较应力 的变化有一段时间的滞后。 缘由：物理学认为，当作用在滞弹性体上的力发生改变时，由于受力体内部物质的粘性或内摩擦的原因，引起变形效应滞后和迟延。 滞弹性体具有两个重要性质： 弹性滞后由于内摩擦原因，岩石随应力变化出现的变形滞后。 弹性后效由于热传导等原因，外力停止变化，而变形仍随时间而缓慢变化。 理想塑性具有应变硬化的塑性2、塑性变形：、塑性变形： 岩石塑性普遍存在；岩石塑性普遍存在； 岩石塑性与岩石的组成、构造、构造及外界环境有关。岩石塑性与岩石的组成、构造、构造及外界环境有关。 （颗粒及胶结物物质成分、排列结合、含水、温度、应力等）（颗粒及胶结物物质成分、排列结合、含水、温度、应力等）