岩体力学-第二章 岩块的物理力学性质

1、2.1 岩石的物理、水理性质岩石的物理、水理性质2.2 岩石的热学性质岩石的热学性质2.3 岩块的变形性质岩块的变形性质2.4 岩块的强度性质岩块的强度性质第二章第二章 岩块的物理力学性质岩块的物理力学性质2.1岩石的物理、水理性质岩石的物理、水理性质岩石也是由固体、液体和气体三相组成的。l 定义：物理性质是指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。岩石在水溶液作用下表现出来的性质，称为水理性质。岩石的密度岩石的空隙性 吸水性 软化性 抗冻性 透水性msmwo水气V0VWVSVV固一、岩石的密度一、岩石的密度1、颗粒密度颗粒密度s s（比重（比重G Gs s） s= ms/Vs 岩

2、石的比重(Gs ) 岩石固体部分的重量和4C时与同体积纯水重量的比值。 无量纲 msmwo水气V0VWVSVV固ssswWGV岩石固体部分的体积3m岩石固体部分的重量kN4C时单位体积水的重量3kN ms的单位 （g/cm3 ） s测试方法比重瓶法；2 2、块体密度块体密度( (岩石密度岩石密度) )岩块单位体积内的质量。与矿物组成、岩石的孔隙性及含水状态有关。测试方法：测试方法：量积法（规则试样） 水中法或蜡封法（不规则试样）是工是工程岩体稳程岩体稳定性分析定性分析计算及岩计算及岩体压力计体压力计算的基本算的基本参数参数干密度干密度饱和密度饱和密度天然密度天然密度按试按试件含件含水状水状态分

3、态分sdmVsatsatmVmV3/gcm105110C,烘24h3kN m干容重干容重饱和容重饱和容重天然容重天然容重dsat岩石岩石容重容重g39.80kN m常见岩石的物理性质指标值(部分)颗粒密度与块体密度不颗粒密度与块体密度不一样一样： (s) 颗粒密度颗粒密度不包括孔隙，其大小只与矿物密度及其含量有关。 块体密度块体密度，不仅与矿物组成有关，还与岩石的空隙性及含水状态密切相关。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)%10000VVnv%100VVnvbbbvaannVVn0%1000%100nnVVnvcc1dssVVVe岩石的空隙(裂

4、隙、孔隙) 闭空隙开空隙大开空隙小开空隙%100)1(%100sdvVVn孔隙比岩石空隙率二、岩石的空隙性二、岩石的空隙性工程意义：工程意义：是岩石物理性质的一个重要指标。 对岩块和岩体的水理、热学性质及力学性质影响很大。 空隙率愈大空隙率愈大岩石岩石中的孔隙和裂隙愈多中的孔隙和裂隙愈多岩石的力学性质越岩石的力学性质越差差(岩石的强度愈小、岩石的强度愈小、塑性变形越大），渗塑性变形越大），渗透性愈大，抗风化能透性愈大，抗风化能力愈差等。力愈差等。三、岩石的吸水性三、岩石的吸水性定义：定义：岩石在一定的试验条件下吸收水分的能力 ，称为岩石的吸水性。 1.1.吸水率吸水率( (W Wa a) )

5、是指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，即 %1001swammW %100ddawaVbbWWVVn %100dd00WpWVVnwpV2.2.饱和吸水率饱和吸水率 岩石的饱和吸水率(Wp)是指岩石试件在高压(一般压力为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，即%1002swpmmW3.3.饱水系数饱水系数 岩石的吸水率(Wa)与饱和吸水率(Wp)之比，称为饱水系数。它反映了岩石中大、小开空隙的相对比例关系。四、岩石的软化性四、岩石的软化性 软化系数(KR)为岩石试件的饱和抗压强度(c

6、w)与干抗压强度(c)的比值，即ccwRKv岩石中含有较多的亲水性和可溶性矿物，且含大开空岩石中含有较多的亲水性和可溶性矿物，且含大开空隙较多时，岩石的软化性较强，软化系数较小。隙较多时，岩石的软化性较强，软化系数较小。v软化系数软化系数K KR R0.750.75时，岩石的软化性弱，同时也说明时，岩石的软化性弱，同时也说明岩石的抗冻性和抗风化能力强。而岩石的抗冻性和抗风化能力强。而K KR R0.750.75的岩石则的岩石则是软化性较强和工程地质性质较差的岩石是软化性较强和工程地质性质较差的岩石岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性。v工程意义：工程意义：岩石的软化系数愈小，说明岩石吸水饱

7、和后其抗压强度降低的越多,岩石软化性愈强。如粘土岩和泥质胶结的岩石，其KR一般为0.40.6。对水下建筑影响大。 另外，软化系数是评价岩石力学性质的一个重要物理性质指标。五、岩石的抗冻性五、岩石的抗冻性 岩石抵抗冻融破坏的能力，称为抗冻性。 抗冻系数(Rd)是指岩石试件经反复冻融后的干抗压强度(c2)与冻融前干抗压强度(c1)之比，用百分数表示，即%10012ccdR%100121sssmmmmKv质量损失率质量损失率( (Km)Km)是指冻融试验前后干质量之差是指冻融试验前后干质量之差( (m ms1s1m ms2s2) )与试验前干质量与试验前干质量( (m ms1s1) )之比，以百分数

8、表示，即之比，以百分数表示，即vR Rd d7575，KmKm2 2时，为抗冻性高的岩石；时，为抗冻性高的岩石；六、岩石的透水性六、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，称为透水性。常用来表征。 一般认为，水在岩石中的流动，如同水在土中流动一样，也服从于线性渗流规律达西定律，即：UKJ渗透系数渗透系数数值上等于水力梯度为1时的渗透流速，cm/s或m/d水力梯度渗透流速大小主要取决于岩石空隙的数量、大小、方向大小主要取决于岩石空隙的数量、大小、方向及其连通性等，水只能通过连同的空隙渗透。因此，及其连通性等，水只能通过连同的空隙渗透。因此，裂隙岩体的渗透系数（透水性）

9、远大于岩块的渗透系数。一、热容性一、热容性二、导热性二、导热性三、热膨胀性三、热膨胀性四、温度对岩石性质的影响四、温度对岩石性质的影响2.2 岩石的热学性质岩石的热学性质一、热容性一、热容性 在岩石内部及其外部进行热交换时，岩石吸收热能的能力，称为岩石的热容性热容性。)(12TTCmQ式中：C为岩石的比热（比热（J/(kg.K)）)(/12TTmQC二、导热性二、导热性 岩石传导热的能力，称为岩石的热传导性。用导热系数导热系数表示。表示。dtdxdTkAQ式中：k为导热系数（导热系数（w/(m.K）Ck式中：为岩石的热扩散率（热扩散率（cm2/s）三、热膨胀性三、热膨胀性 岩石在温度升高时体积

10、膨胀，温度降低时体积收缩的性质，称为热膨胀性。用线膨胀（收缩）系数系数表示。表示。)(12TTall式中： 为线膨胀系数（线膨胀系数（1/K）a)(12TTlla四、温度对岩石性质的影响四、温度对岩石性质的影响 在高的温度下，温度改变10C可在岩石内产生0.4-0.5Mpa的热应力变化。2.3 岩块的变形性质岩块的变形性质一、单轴压缩条件下的变形一、单轴压缩条件下的变形二、三轴压缩条件下的变形二、三轴压缩条件下的变形三、岩石的蠕变性质三、岩石的蠕变性质研究岩块研究岩块力学性质力学性质的意义：的意义： 1.1.当岩体性质接近岩块性质时，可以通过研究岩块的性质当岩体性质接近岩块性质时，可以通过研究

11、岩块的性质来外推岩体的性质，解决有关的岩体力学问题；来外推岩体的性质，解决有关的岩体力学问题； 2. 2.岩块是岩体的组成部分，当研究岩体的性质时，不能忽岩块是岩体的组成部分，当研究岩体的性质时，不能忽视岩块的性质；视岩块的性质； 3. 3.评价石材的性能时，必须研究相关岩块的性质；评价石材的性能时，必须研究相关岩块的性质； 4. 4.评价岩石的可钻性和可破碎性时，要研究岩块的性质；评价岩石的可钻性和可破碎性时，要研究岩块的性质； 5. 5.进行工程岩体分类时，岩块强度和变形模量被作为重要进行工程岩体分类时，岩块强度和变形模量被作为重要分类指标，此时也要研究岩块的物理力学性质。分类指标，此时也

12、要研究岩块的物理力学性质。 一、单轴压缩条件下的变形一、单轴压缩条件下的变形 （一）（一） 连续加载连续加载1、变形阶段空隙压密阶段(OA)oABCDE(+) (-) L V d 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:弹性极限前过程曲线高速摄影机下岩石试件的破坏过程oABCDE(+) (-) L V d 峰值前变形阶段峰值后变形阶段 全过程曲线：全过程曲线：反映岩石由变形发展到破坏的全过程是一个渐进性逐步发展的、分阶段的过程弹性型弹性型弹弹-塑性型塑性型塑塑-弹性型弹性型塑塑-弹弹-塑性型

13、塑性型1塑塑-弹弹-塑性型塑性型2弹性弹性-蠕变型蠕变型2 2、峰值前岩块的变形特征、峰值前岩块的变形特征无裂隙的坚硬、无裂隙的坚硬、极坚硬岩极坚硬岩花岗岩、玄武岩、石英岩等裂隙少的较坚裂隙少的较坚硬岩石硬岩石石灰岩、砂砾岩等裂隙较多的裂隙较多的坚硬岩石坚硬岩石花岗岩、砂岩等坚硬的变坚硬的变质岩石质岩石( (微层理、微层理、片理片理) )大理岩、片麻岩压缩性高压缩性高的岩石的岩石( (片理片理) )片岩软弱岩石软弱岩石oooooo 变形参数确定变形参数确定1)1)变形模量变形模量（modulus of deformation)modulus of deformation)是指单是指单轴压缩条件

14、下，轴压缩条件下，轴向压应力与轴向应变轴向压应力与轴向应变之比。之比。v应力应力- -应变曲线为直线型应变曲线为直线型这时变形模量又称为这时变形模量又称为oLiiEii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c2处的点与原点连线的斜率Lo2501i1502i1212tE5050iEiiiE2)2)泊松比泊松比( ()（poissons ratio）是指在单轴压缩是指在单轴压缩条件下，条件下， 横向应变（横向应变（）与轴向应变（）与轴向应变（）之比）之

15、比v在实际工作中，常采用在实际工作中，常采用处的处的与与来计来计算岩块的泊松比。算岩块的泊松比。v岩块的变形模量和泊松比受岩块的变形模量和泊松比受岩石矿物组成、结构岩石矿物组成、结构构造、风化程度、空隙性、含水率、微结构面构造、风化程度、空隙性、含水率、微结构面及及其与其与荷载方向荷载方向的关系等多种因素的影响，变化较的关系等多种因素的影响，变化较大。大。Ld常见岩石的变形模量与泊松比模量与泊松比3)其他变形模量剪切模量（）弹性抗力系数（）拉梅常数（）体积模量（V)oVREKEKEEG)1 ()21 (3)21)(1 ()1 (2 峰后峰后曲线需采用刚性实验机或伺服式刚性实验机系统机器刚度：

16、K = A E / L式中： A为机器立柱的截面积 E为机器立柱的弹性模量 L为机器立柱的长度液压伺服原理： 根据岩石破坏和变形情况控制变形速度，使岩石以恒定速度变形，并自动调整荷载3. 峰值后岩块的变形特征峰值后岩块的变形特征伺服机试验结果（二）（二） 循环加载循环加载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)eeEpeE弹性模量：变形模量：弹性极限弹性极限荷载点荷载点弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形总变形总变形一次加、卸载一次加、卸载 曲线pePoA 卸荷点（P）的应力高于岩石的弹性极限(A)eeEepE3.3.

17、反复加卸荷(岩石记忆、回滞环、疲劳破坏）p二、三轴压缩条件下的变形二、三轴压缩条件下的变形（一）三轴试验（一）三轴试验真三轴试验123 常规三轴试验12=3 1) 不同3下的三轴抗压强度1m2）强度曲线及剪切强度C、值3）应力-应变曲线及变形模量 （二）围压对变形破坏（二）围压对变形破坏 的影响的影响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4 4、随随 3 3增大，增大，岩石的塑性不断增大，随岩石的塑性不断增大，随 3 3增大到一增大到一定值时，岩石由弹脆性转变为塑性。这时，定值时，岩石由弹脆性转变为塑性。

18、这时， 3 3的大小的大小称为称为“转化压力” ” 。 5 5、随随 3 3的增大，的增大，岩块从脆性劈裂破坏逐渐向塑性剪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。切及塑性流动破坏方式过渡。 三、岩石的蠕变性质三、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随时间而变化的现象叫流变流变，主要包括蠕变、松弛。，主要包括蠕变、松弛。蠕变蠕变(creep)是指岩石在恒定的荷载作用下，变形随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。时间逐渐增大的性质。1. 蠕变曲线特征（三个阶段）蠕变曲线特征（三个阶段）A

19、B段-初始蠕变阶段BC段-等速蠕变阶段CD段-加速蠕变阶段弹性后效概念：弹性后效概念：加载或卸载时，弹性应变滞后于应力的现象。应力时间长期强度概念：时间的强度()瞬时强度（c ）/ c ： 一般岩石为 0.4-0.8 中、软岩为 0.4-0.6 硬岩为 0.7-0.83. 蠕变模型及本构方程蠕变模型及本构方程（1）理想物体基本模型）理想物体基本模型弹性元件（弹簧）弹性元件（弹簧） 粘性元件（阻尼器）粘性元件（阻尼器） 塑性元件（摩擦片）塑性元件（摩擦片）Et00s时 ，s 时 ，（2）组合模型组合模型 Maxwall 模型模型EtdtddtddtdEdtddtddtdEdtdEoooo0112

20、112121对于粘性元件对于弹性元件)1 (22112121tEooeEdtdEdtddtdEEKelvin 模型其他模型2.4 岩块的强度性质岩块的强度性质强度：岩块试样抵抗外力破坏的能力强度：岩块试样抵抗外力破坏的能力。破坏方式破坏方式 脆性破坏脆性破坏塑性破坏塑性破坏( (延性破坏）延性破坏）拉破坏拉破坏剪切破坏剪切破坏 一、单轴抗压强度一、单轴抗压强度 二、单轴抗拉强度二、单轴抗拉强度 三、剪切强度三、剪切强度 四、三轴压缩强度四、三轴压缩强度受力状态 一、单轴抗压强度一、单轴抗压强度c c1、定义：、定义：在在单向压缩条件下，岩块能承受单向压缩条件下，岩块能承受的最大压应力，的最大压

21、应力，简称抗压强度简称抗压强度（MPaMPa） 。 2 2、意义：、意义：衡量岩块基本力学性质的重要指衡量岩块基本力学性质的重要指标标 岩体工程分类、建立岩体破坏判据岩体工程分类、建立岩体破坏判据的重要指标的重要指标 用来大致估算其他强度参数用来大致估算其他强度参数 一、单轴抗压强度一、单轴抗压强度c c3 3、测定、测定方法方法： 抗压抗压强度试验强度试验试样pAApcc75. 0)50(82.22scIApcc试样pAApcc点荷点荷载试验载试验 常规压力机4 4、破坏方式破坏方式：拉破坏、剪破坏、对顶锥破坏常见岩石的抗压强度常见岩石的抗压强度 5.影响因素影响因素（1）岩石自身的性质（

22、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。)/(222. 0778. 01Dhcc端面条件端面效应层理结构强度各向异性 二、单轴抗拉强度二、单轴抗拉强度t t1.定义：定义：单向拉伸条件下，岩块能承受的最大拉应力单向拉伸条件下，岩块能承受的最大拉应力，简称抗拉强度。简称抗拉强度。2.意

23、义：意义：衡量衡量岩体力学性质的重要指标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选择建筑石材不可缺少的参数 3.测定方法：测定方法： 直接拉伸直接拉伸 间接法间接法 （劈裂法、点荷载法、三点弯曲（劈裂法、点荷载法、三点弯曲法法直接拉伸法直接拉伸法是将圆柱状试件两端固是将圆柱状试件两端固定在材料试验机的拉伸夹具内，然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。后对试件施加轴向拉荷载至破坏。APttPtPt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

24、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 抗拉强度t= 2pt /DL （圆形试样） t= 2pt /a2 （方形试样） 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 4.影响因素：影响因素：结构面的影响（裂隙空隙） 岩石中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

25、称为脆性度，用以表征岩石的脆性程度。 三、剪切强度三、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，称为剪切强度力，称为剪切强度2、类型： （1 1）抗剪断强度：指试件在一定的法向应力作用下，沿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。剪切面剪断时的最大剪应力。 （2 2）抗切强度： 指试件上的法向应力为零时，沿预定剪切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。面剪断时的最大剪应力。 （3 3）摩擦强度： 指试件在一定的法向应力作用下，沿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）再次剪切破坏时的破裂面（层面、节理等）再次剪切破坏时的 最大剪应力最大剪应力。Ctg CjjCtg3 3、意义：、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 4、抗剪断强度的抗剪断强度的测试方法测试方法： 直剪试验、变角板剪切试验 、三轴试验 直剪试验在直剪仪上进行，按库