岩石的基本力学性质

1、1第第 二二 章章 岩石的基本物理力学性质岩石的基本物理力学性质2本章内容：本章内容： 2 21 1 岩石的基本物理性质岩石的基本物理性质 2-2 2-2 岩石的变形特性岩石的变形特性 2-3 2-3 岩石的强度特性岩石的强度特性 3 1 1、岩石的基本物理性质；、岩石的基本物理性质； 2 2、岩石的单轴压缩变形特性，应力应变全过程曲、岩石的单轴压缩变形特性，应力应变全过程曲线的工程意义；线的工程意义； 3 3、岩石的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度及其实验、岩石的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度及其实验室测定方法；室测定方法； 4 4、岩石在三轴压缩条件下的力学特性；、岩石在三轴压缩条件下的力学特性

2、； 重点重点:42 21 1 岩石的基本物理性质岩石的基本物理性质 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、密度（一、密度（）和重度）和重度()()： 单位体积的岩石的质量称为岩石的单位体积的岩石的质量称为岩石的密度密度。单位体积的。单位体积的岩石的重力称为岩石的岩石的重力称为岩石的重度重度。所谓单位体积就是包括孔隙。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/cmg/cm3 3），），g(kN /mg(kN /m3 3) )岩石的密度可分为岩石的密度可分为天然密度天然密度、干密度干密度和和饱和密度饱和密度。相应。相应地，岩石的重度可分为天然重

3、度、干重度和饱和重度。地，岩石的重度可分为天然重度、干重度和饱和重度。VW 51 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积(cm(cm3 3) )； gg重力加速度。重力加速度。 6 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

4、2、干密度（、干密度（d d）和干重度）和干重度(d d ) )（g/cmg/cm3 3）(kN /m(kN /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。 73 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：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

5、3) )； gg重力加速度。重力加速度。 gww （g/cm3）(kN /m3)8二、比重二、比重()() 岩石的比重就是指岩石固体的质量与同体积水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，就是指不包括孔隙的质量之比值。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，体积在内的体积。岩石的比重可在实验室进行测定，其计算公式为：其计算公式为： 式中：式中：岩石的比重；岩石的比重； W Ws s干燥岩石的质量干燥岩石的质量(g);(g); V Vs s岩石固体体积岩石固体体积(cm(cm3 3);); W 40C时水的密重。时水的密重。 wss

6、VW 9三、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。空隙度空隙度：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）。）。 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 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。 nnVVVVVesssV 110四、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

7、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吸水量的大小取决于于岩石孔隙体积的大小及其密岩石孔隙体积的大小及其密闭程度。岩石的吸水性指标有闭程度。岩石的吸水性指标有吸水率吸水率、饱水率饱水率和和饱水系数饱水系数。112 2、岩石的软化性、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示。 软化系数软化系数指指岩石试样在

8、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 0.75 0.75，岩石的工程地质性质较差。，岩石的工程地质性质较差。123 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岩石的膨胀性大小一般用膨胀力膨胀力和和膨胀率膨胀率指标表示。指标表示。

9、其测定方法是平衡加压法。其测定方法是平衡加压法。 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。134 4、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，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。是评价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

10、用抗冻系数C Cf f表示，指岩石试样在表示，指岩石试样在25250 0C C的温度期间内，反复降温、冻结、融解、升的温度期间内，反复降温、冻结、融解、升温，然后测量其抗压强度的下降值（温，然后测量其抗压强度的下降值（c c-cfcf）, ,以以此强度下降值与融冻试验前的抗压强度此强度下降值与融冻试验前的抗压强度c c之比的百之比的百分比代表抗冻系数分比代表抗冻系数C Cf f ，即，即%100 ccfcfC 可见：可见：抗冻系数抗冻系数C Cf f 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。14五、岩石的透水性五、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

11、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。岩石的透水性大小不仅与岩石的孔隙度。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衡量岩石透水性的指标为渗透系数渗透系数(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

12、。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。15六、岩石的碎胀性六、岩石的碎胀性 岩石破碎后的体积岩石破碎后的体积V VP P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的碎胀性碎胀性，用碎胀系数，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，是随时间而变化的。 永久碎胀系数永久碎胀系数（残余碎胀系数）（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. .162-2 2-2 岩石的变形特性岩石的变形特性 弹性弹性：指：指物体在

13、外力作用下发生变形，当外力撤出后变形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。塑性塑性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形：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。脆性脆性：物体在外力作用下变形很小时就发生破坏的性质。：物体在外力作用下变形很小时就发生破坏的性质。延性延性：物体能够承受较大的塑性变形而不丧失其承载能力：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。粘性（流变性）粘性（流变性）：物体受力后变形不能在瞬间完成，且应：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

14、而变化的性质。）随应力大小而变化的性质。17一、单轴压缩变形特点一、单轴压缩变形特点1 1、刚性压力机与全应力应变曲线及破坏后的性态、刚性压力机与全应力应变曲线及破坏后的性态 刚度刚度K K：指物体产生单位位移所需的外力。：指物体产生单位位移所需的外力。uPK 式中：式中： K K物体的刚度，物体的刚度，kN/mm;kN/mm; p p外力，外力，N;N; u u在外力作用下的位在外力作用下的位移。移。KPPuW2212 弹性变形能弹性变形能W W： （1 1）0A0A段：微裂隙闭合阶段段：微裂隙闭合阶段, ,微裂隙压密极限微裂隙压密极限A A。 （2）ABAB段：近似直线，弹性阶段，段：近似

15、直线，弹性阶段，B B 为弹性极限。为弹性极限。 （3）BCBC段：屈服阶段，段：屈服阶段，C C为屈服极限。为屈服极限。 （4 4）CDCD段：破坏阶段，段：破坏阶段，D D为强度极限，即单轴抗压强度。为强度极限，即单轴抗压强度。 （5 5）DEDE段：即破坏后阶段段：即破坏后阶段,E E为残余强度。为残余强度。 20 1 1、岩石在常规三轴试验条件下的变形特性、岩石在常规三轴试验条件下的变形特性二、三轴压缩状态下的岩石变形特性二、三轴压缩状态下的岩石变形特性 岩石在常规三岩石在常规三轴试验条件下的变形轴试验条件下的变形特征通常用轴向应变特征通常用轴向应变1 1与主应力差与主应力差(1 1-

16、 -3 3) )的关系曲线表示。的关系曲线表示。21一、岩石的单轴抗压强度一、岩石的单轴抗压强度C C 端部效应端部效应破坏形态破坏形态APc 2-3 2-3 岩石的变形特性岩石的变形特性 二、岩石的单轴抗拉强度二、岩石的单轴抗拉强度t t 1 1、直接拉伸试验、直接拉伸试验APt 2 2、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）三、岩石的剪切强度三、岩石的剪切强度f f 1 1、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。 2 2、剪切面上有压应力的剪切试验、剪切面上有压应力的剪切试验3 3、斜剪试验、斜剪试验 忽略端部摩擦力，根据