岩石的基本物理力学质

1、WUST2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军1岩体力学之岩体力学之 岩石的基本物理力学性质岩石的基本物理力学性质2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军2岩石的物理性质岩石的物理性质1岩石的强度特性岩石的强度特性2岩石的变形特性岩石的变形特性3岩石的强度理论岩石的强度理论42021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军31.1 1.1 岩石的物理性质岩石的物理性质v 岩石和土一样，也是由固体、液体和气体岩石和土一样，也

2、是由固体、液体和气体三相三相组成组成的。的。v定义：物理性质是指岩石由于定义：物理性质是指岩石由于三相三相组成的组成的相对相对比例关系不同比例关系不同所表现的所表现的物理状态物理状态。1 1、岩石的密度、岩石的密度2 2、岩石的空隙性、岩石的空隙性2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军4一、岩石的密度一、岩石的密度v 1 1、颗粒密度颗粒密度(s s) ) s s= m= ms s/V/Vs sv 2 2、块体密度块体密度()() =m/V=m/Vv 注意：注意： （1 1）s s与与的区别的区别 (s s) （2 2）s s与与的

3、单位的单位 （g/cmg/cm3 3 kN/m kN/m3 3） （3 3）测试方法（）测试方法（s s-比重瓶法；比重瓶法；-量积法）量积法）2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军5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

4、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 2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军61 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(cm(cm3 3) )； gg重

5、力加速度。重力加速度。 2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军7 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（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

6、速度。 2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军83 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 3) )； gg重力加速度。重力加速度。 gww （g/cm3）(kN /m3)2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军9二、比重二、比

7、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。 wssVW 2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程

8、力学系蔡路军10三、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 闭型空隙闭型空隙：岩石中不与外界相通的空隙。：岩石中不与外界相通的空隙。 开型空隙开型空隙：岩石中与外界相通的空隙。包括大开型空隙和：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

9、。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，其衡量指标为空隙率量指标为空隙率(n)(n)或空隙比（或空隙比（e e）。）。2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军11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指岩石的

10、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2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军12(1)(1)总空隙率总空隙率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

11、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) )占试件总体积占试件总体积( (V)V)的百分比。的百分比。 %100 VVnnll2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军13(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（

12、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 VVnncc2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军14 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 12 2 、空隙比、空隙比(e)(e)2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军15常见岩石的物理

13、性质指标值常见岩石的物理性质指标值2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军161.2 1.2 岩石的水理性质岩石的水理性质定义：岩石在水溶液作用下表现出来的性质，称为水理性质。主要有： 1.吸水性2.软化性3.抗冻性4.透水性2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军17一、岩石的吸水性一、岩石的吸水性定义：岩石在一定的试验条件下定义：岩石在一定的试验条件下吸收水分的能吸收水分的能力力，称为岩石的吸水性。，称为岩石的吸水性。 1.1.吸水率吸水率(W(Wa a) )：岩石试件在

14、大气压力和室温条岩石试件在大气压力和室温条件下自由吸入水的质量件下自由吸入水的质量(m(mw1w1) )与岩样干质量与岩样干质量(m(ms s) )之比，用百分数表示之比，用百分数表示 %10021wwammW %100ddawaVbbWWVVn2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军182.2.饱和吸水率饱和吸水率岩石的饱和吸水率岩石的饱和吸水率(Wp)(Wp)是指岩石试件在高压是指岩石试件在高压( (一一般压力为般压力为15MPa)15MPa)或真空条件下吸入水的质量或真空条件下吸入水的质量(m(mw2w2) )与岩样干质量与岩样

15、干质量(m(ms s) )之比，用百分数表示，即之比，用百分数表示，即%1002swpmmW3.3.饱水系数饱水系数岩石的吸水率岩石的吸水率(Wa)(Wa)与饱和吸水率与饱和吸水率(Wp)(Wp)之比，称之比，称为饱水系数。它反映了岩石中大、小开空隙的相为饱水系数。它反映了岩石中大、小开空隙的相对比例关系。对比例关系。 %100dd00WpWVVnwpV2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军19几种岩石的吸水性指标值几种岩石的吸水性指标值2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡

16、路军20二、岩石的软化性二、岩石的软化性v岩石浸水饱和后岩石浸水饱和后强度降低强度降低的性质，称为软化性，的性质，称为软化性，v软化系数软化系数(K(KR R) )为岩石试件的饱和抗压强度为岩石试件的饱和抗压强度(cwcw) )与干抗压强度与干抗压强度(c c) )的比值的比值ccwRKv岩石中含有较多的岩石中含有较多的亲水性亲水性和和可溶性可溶性矿物，大开矿物，大开空隙空隙较多，岩石的软化性较强，软化系数较小。较多，岩石的软化性较强，软化系数较小。vK KR R0.750.75，岩石的软化性弱，工程地质性质较好，岩石的软化性弱，工程地质性质较好vK KR R0.750.75，岩石软化性较强，

17、工程地质性质较差，岩石软化性较强，工程地质性质较差2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军21常见岩石的物理性质指标值常见岩石的物理性质指标值2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军22三、岩石的抗冻性三、岩石的抗冻性v岩石抵抗岩石抵抗冻融破坏冻融破坏的能力，称为抗冻性。的能力，称为抗冻性。v抗冻系数抗冻系数(R(Rd d) )：岩石试件经反复冻融后的干抗：岩石试件经反复冻融后的干抗压强度压强度(c2c2) )与冻融前干抗压强度与冻融前干抗压强度(c1c1) )之比，之比，用

18、百分数表示用百分数表示%10012ccdR%100121sssmmmmKv质量损失率质量损失率(K(Km m) )：冻融试验前后干质量之差：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，以百分数表示之比，以百分数表示vR Rd d7575，K Km m2 2，抗冻性高，抗冻性高v吸水率吸水率W Wa a5 5、软化系数、软化系数K KR R0.750.75，饱水系数，饱水系数小于小于0.80.8的岩石，抗冻性高。的岩石，抗冻性高。2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路

19、军23四、岩石的透水性四、岩石的透水性v 地下水存在于岩石孔隙、裂隙之中，而且大多数岩石的孔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，地下水可以隙裂隙是连通的，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在岩石中渗透。岩石的这种能透水的性能称为岩石的透水岩石的透水性性。岩石的透水性大小不仅与岩石的孔隙度大小有关，而。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。且还与孔隙大小及其贯通程度有关。v 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，完整密

20、。一般来说，完整密实的岩石的渗透系数往往很小。岩石的渗透系数一般是在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。钻孔中进行抽水或压水试验而测定的。v 一般认为，水在岩石中的流动，如同水在土中流动一样，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也服从于线性渗流规律达西定律达西定律，即，即KJU 2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军24几种岩石的渗透系数值几种岩石的渗透系数值2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系

21、蔡路军25五、岩石的耐崩解性五、岩石的耐崩解性v岩石的崩解性是指岩石与水相互作用时失去粘结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。性并变为完全丧失强度的松散物质的性质。v 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 I Id2d2 的表示。其的表示。其指标可在实验室用干湿循环试验确定。指标可在实验室用干湿循环试验确定。rmv试验过程：将经过烘干的试块试验过程：将经过烘干的试块（500g,分成约分成约10块），放在带块），放在带有筛孔的圆筒内，使该圆筒在水有筛孔的圆筒内，使该圆筒在水槽中以槽中以20r/min,连续旋转连续旋转10 min,然

22、后将留在圆筒内的岩块取出烘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，按干称重，如此反复进行两次，按下式计算耐崩解指数。下式计算耐崩解指数。2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军26五、岩石的耐崩解性五、岩石的耐崩解性v岩石的崩解性是指岩石与水相互作用时失去粘结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。性并变为完全丧失强度的松散物质的性质。v 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 I Id2d2 的表示。其的表示。其指标可在实验室用干湿循环试验确定。指标可在实验室用

23、干湿循环试验确定。rmv试验过程：将经过烘干的试块试验过程：将经过烘干的试块（500g,分成约分成约10块），放在带块），放在带有筛孔的圆筒内，使该圆筒在水有筛孔的圆筒内，使该圆筒在水槽中以槽中以20r/min,连续旋转连续旋转10 min,然后将留在圆筒内的岩块取出烘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，按干称重，如此反复进行两次，按下式计算耐崩解指数。下式计算耐崩解指数。2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军27%10001022 WWWWmmIdrd式中：式中：I Id2 d2 两次循环试验求得的耐崩解指数，在

24、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；m md d试验前试块的烘干质量；试验前试块的烘干质量；m mr r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；W W1 1 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；W W2 2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；W W0 0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。化的环境下抵抗风化作用的能力。2021/4/29 星期四武汉

25、科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军28六、岩石的膨胀性六、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。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为岩石的最大膨胀力膨胀力；然后逐级；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

26、与试件原始厚度的比值即为件原始厚度的比值即为膨胀率膨胀率。2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军29HHVH/ 1 1、自由膨胀率：无约束条件下，浸水后胀自由膨胀率：无约束条件下，浸水后胀变形与原尺寸之比变形与原尺寸之比轴向自由膨胀轴向自由膨胀 （% %）HH试件高度试件高度 径向自由膨胀径向自由膨胀 （% %）DD直径直径 DDVD/评价膨胀性岩体工程的稳定。评价膨胀性岩体工程的稳定。2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军30七、岩石的碎胀性七、岩石的碎胀性 岩石破碎后

27、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. .2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军312 2 岩石的强度特性岩石的强度特性应力、应变应力、应变应力状态、莫尔应力圆应力状态、莫尔应力圆几个基本概念几个基本

28、概念zyxzzxzyxyxzyzyxxyzzyzxyzyyxxzxyx 任任意意状状态态主主应应力力状状态态321 0 00 00 0 2312231313131)2()2(2sin22cos222021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军322 2 岩石的强度特性岩石的强度特性工程师对材料提出两个问题工程师对材料提出两个问题 1 1 最大承载力最大承载力许用应力许用应力 ？ 2 2 最大允许变形许用应变最大允许变形许用应变 ？本节讨论本节讨论 问题问题强度：材料受力时抵抗破坏的能力。强度：材料受力时抵抗破坏的能力。Strength of

29、 rockStrength of rock岩块破岩块破坏方式坏方式 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2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军332 2 岩石的强度特性岩石的强度特性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tptptp2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军342 2 岩石的强度特性岩石的强度特性强度强度单向抗压强度单向抗压强度单向抗拉强度单向抗拉强度( (非限

30、制性非限制性) )剪切强度剪切强度三轴压缩三轴压缩真三轴真三轴假三轴假三轴受受力力状状态态如如上上2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军352.12.1岩石的单轴抗压强度岩石的单轴抗压强度常见岩石的抗压强度常见岩石的抗压强度 岩石名称抗压强度（MPa）岩石名称抗压强度（MPa）岩石名称抗压强度（MPa）辉长岩180300辉绿岩200350页岩10100花岗岩100250玄武岩150300砂岩20200流纹岩180300石英岩150350砾岩10150闪长岩100250大理岩100250板岩60200安山岩100250片麻岩50200

31、千枚岩、片岩10100白云岩80250灰岩202002021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军362.12.1岩石的单轴抗压强度岩石的单轴抗压强度1 1、定义：、定义：指岩石试件在无侧限的条件下，受轴向压指岩石试件在无侧限的条件下，受轴向压力作用破坏时单位面积上承受的荷载，简称抗压强度力作用破坏时单位面积上承受的荷载，简称抗压强度（MPa）。UCS un-axial compress stress APRc/ 式中：式中：PP无侧限的条件下的轴向破坏荷载无侧限的条件下的轴向破坏荷载 A A试件的截面面积试件的截面面积2、意义、意义: 衡

32、量岩块基本力学性质的重要指标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岩体工程分类、建立岩体破坏判据的重要指标重要指标 用来大致估算其他强度参数用来大致估算其他强度参数 2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军372.12.1岩石的单轴抗压强度岩石的单轴抗压强度Apcc75. 0)50(82.22scI点荷载试验点荷载试验对于风化严重，难以对于风化严重，难以加工成试件的岩石，可根据点荷加工成试件的岩石，可根据点荷载试验计算岩石的抗压强度：载试验计算岩石的抗压强度：3、测定方法：、测定方法：抗压强度试验抗压强度试验

33、试样pA式中：式中：Is点荷载强度指标，点荷载强度指标，2/ DPIs 2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军382.12.1岩石的单轴抗压强度岩石的单轴抗压强度 圆柱形试件：圆柱形试件：D5cm ，高高H=（2.53) 不随不随H/D变化变化 长方体试件：边长长方体试件：边长L= 4.85.2cm , 高高H=（22.5)L 试件两端不平度试件两端不平度0.5mm；尺寸误差尺寸误差0.3mm; 两端面垂直于轴线两端面垂直于轴线0.25o（1）试件标准：）试件标准：（2）测定仪器：常规压力机）测定仪器：常规压力机2021/4/29

34、星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军392.12.1岩石的单轴抗压强度岩石的单轴抗压强度2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军402.12.1岩石的单轴抗压强度岩石的单轴抗压强度4、破坏方式、破坏方式：拉破坏、剪破坏、对顶锥破坏拉破坏、剪破坏、对顶锥破坏2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军41破坏方式或形态分析：破坏方式或形态分析：破坏形态有两类：破坏形态有两类：（1）圆锥形破坏）圆锥形破坏 原因：压板两端存在摩擦力，箍作用（

35、又称端部效应），原因：压板两端存在摩擦力，箍作用（又称端部效应），在工程中也会出现。在工程中也会出现。（2）柱状劈裂破坏）柱状劈裂破坏 张拉破坏（岩石的抗拉强度远小于抗压强度）张拉破坏（岩石的抗拉强度远小于抗压强度） 是岩石单向压缩破坏的真实反映（消除了端部效应）是岩石单向压缩破坏的真实反映（消除了端部效应）消除试件端部约束的方法消除试件端部约束的方法 润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部）润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部） 加长试件加长试件 破坏形态是表现破坏机理的重要特征；其主要影响破坏形态是表现破坏机理的重要特征；其主要影响因素：应力状态因素：应力状态 试验条件试验条件2021/

36、4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军422021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军432021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军445、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）岩石自身的性质岩石自身的性质（ 矿物组成矿物组成 、 粒间连接、粒间连接、 岩性、岩性、结构特征结构特征 、颗粒大小及形状、风化程度、颗粒大小及形状、风化程度 、微结构面）、微结构面）（2）承压板端部承压板端部的摩擦力及其刚度（加垫块

37、的依据）的摩擦力及其刚度（加垫块的依据）（3）试件的形状和尺寸试件的形状和尺寸 形状：圆形试件不易产生应力集中，好加工。强形状：圆形试件不易产生应力集中，好加工。强度度:圆形圆形六多边形六多边形四边形四边形三边形试件三边形试件尺寸：大于矿物颗粒的尺寸：大于矿物颗粒的10倍；倍； 50的依据。高径的依据。高径比：研究表明；比：研究表明；h/d(23)较合理。较合理。尺寸效应：尺寸效应：尺寸尺寸越大，岩块强度越低。试件的高径比越大，岩块强度越低。试件的高径比h/D增大，岩块强增大，岩块强度降低度降低 。加工精度：加工精度：)/(222. 0778. 01Dhcc2021/4/29 星期四武汉科技大

38、学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军45（3）加载速度加载速度 加载速度越大，表现强度越高加载速度越大，表现强度越高(如图如图) 我国规定加载速度为我国规定加载速度为0.51.0MPa/s（4）环境环境 含水量：含水量越大强度越低；岩石越软越明显，含水量：含水量越大强度越低；岩石越软越明显，对泥岩、粘土等软弱岩体，干燥强度是饱和强度的对泥岩、粘土等软弱岩体，干燥强度是饱和强度的23倍。倍。(如表如表) 温度度：温度度：180以下部明显：大于以下部明显：大于180，湿度越高，湿度越高强度越低。强度越低。2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四

39、武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军462021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军472021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军48（5）层理结构层理结构强度各向异性强度各向异性 2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军492.2 2.2 岩石的抗拉强度岩石的抗拉强度1. 定义：定义：岩石试件在受到轴向拉应力后其试件发生岩石试件在受到轴向拉应力后其试件发生破坏时的单位面积上所受的拉力。简称抗拉强度。破坏时的单位面积上所受的

40、拉力。简称抗拉强度。 2.意义：意义：衡量岩体力学性质的重要指标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：由于试件不易加工，除研究直接的拉伸由于试件不易加工，除研究直接的拉伸的夹具外，研究了大量的间接试验方法。的夹具外，研究了大量的间接试验方法。 直接拉伸直接拉伸 间接法间接法 （劈裂法、点荷载法、三点弯曲法）（劈裂法、点荷载法、三点弯曲法）2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军502.2 2.2

41、 岩石的抗拉强度岩石的抗拉强度（1） 直接拉伸法：直接拉伸法：是将圆柱状试件两端固定在材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。载至破坏。APRt/关键技术关键技术试件和夹具之间的连接试件和夹具之间的连接加力加力P P与试件同心与试件同心PtPt2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军51单轴拉伸试验用的削脚环法单轴拉伸试验用的削脚环法2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军523. 间接方法

42、间接方法IMCt/t（1）抗弯法（梁的三点弯曲试验）抗弯法（梁的三点弯曲试验） 抗拉强度抗拉强度: 三点弯曲梁内的最大拉应力；梁发生破坏时三点弯曲梁内的最大拉应力；梁发生破坏时 的的 就是就是M 作用在试件上的最大弯矩作用在试件上的最大弯矩岩石是各向同性的线弹性材料岩石是各向同性的线弹性材料满足平面假设的对称面内弯曲满足平面假设的对称面内弯曲适用条件：适用条件：C 梁边缘到中性轴的距离梁边缘到中性轴的距离I 梁截面绕中性轴的惯性矩梁截面绕中性轴的惯性矩 tRt2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军53（2）劈裂法（巴西法），对称径向

43、压裂法）劈裂法（巴西法），对称径向压裂法 由巴西人由巴西人Hondros提出提出劈裂试验劈裂试验是用圆柱体或立方体试件，横置于压力机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。条。然后以一定的加荷速率加压，直至试件破坏。在线布荷载在线布荷载(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，在水平向直径平面内产生的压应力。均布的水平拉应力，在水平向直径平面内产生的压应力。2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力

44、学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军542021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军55tR要求要求荷载沿轴向均匀分布荷载沿轴向均匀分布破坏面必须通过试件的直径破坏面必须通过试件的直径注：注： 端部效应端部效应 并非完全单向应力并非完全单向应力试件：实心圆柱试件：实心圆柱50mm； 25mm试验：径向压缩破坏（张开）试验：径向压缩破坏（张开）计算公式：由弹性力学计算公式：由弹性力学Boursinesq公式公式Dtpt/2式中：式中： 试验中心的最大拉应力，即试验中心的最大拉应力，即p 试验中破坏时的压力试验中破坏时的压力D

45、试件的直径试件的直径t 试件的厚度试件的厚度tt= 2p /a2 （方形试样）2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军56方形试件方形试件：ahPt 2 式中：式中：PP破坏时的荷载，破坏时的荷载，N;N; dd 试件直径；试件直径；cm； tt试件厚度，试件厚度，cm； a a，hh方形方形试件边长试件边长和厚度和厚度，cm。2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军573/2VPt 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：PP

46、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； hh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。2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军58（3）点荷载试验法）点荷载试验法是上世纪发展起来的一种简便的现场试验方法。是上世纪发展起来的一种简便

47、的现场试验方法。试件：任何形状，尺寸大致试件：任何形状，尺寸大致5cm，不做任何加工。不做任何加工。试验：在直接带到现场的点荷载仪上，加载劈裂破坏。试验：在直接带到现场的点荷载仪上，加载劈裂破坏。点荷载试验点荷载试验是将试件放在点荷载仪中的球面压头间，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加压至试件破坏，利用破坏荷载求岩块的点荷载强度。 2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军59 2/ DPI IRt96.015196. 0151iitIR计算：计算： 式中：式中：P 试件破坏时的极限试件

48、破坏时的极限 D 加载点试件的厚度加载点试件的厚度试件直径试件直径1.273.05cm统计公式：统计公式：要求要求:（由于离散性大），每组（由于离散性大），每组15个，取均值，即个，取均值，即建议：用建议：用5cm的钻孔岩芯为试件。的钻孔岩芯为试件。2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军60岩石中包含有大量的微裂隙和孔隙，岩块抗拉强度受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，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，岩块的抗空隙对岩块

49、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。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通常把抗压强度与抗拉强度的比值称为脆性度，用以用以表征岩石的脆性程度。表征岩石的脆性程度。 4.影响因素：结构面的影响（裂隙空隙）影响因素：结构面的影响（裂隙空隙）ct )501101( 2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军61常见岩石的抗拉强度常见岩石的抗拉强度 岩石名称抗拉强度（MPa）岩石名称抗拉强度（MPa）岩石名称抗拉强度（MPa）辉长岩1536花岗岩725页岩210辉绿岩1535流纹岩1

50、530砂岩425玄武岩1030闪长岩1025砾岩215石英岩1030安山岩1020灰岩520大理岩720片麻岩520千枚岩、片岩110白云岩1525板岩715对比抗压强度对比抗压强度 2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军622、类型：、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）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。剪切面剪断时的最大剪应力。 （2）抗切强度：）抗切强度： 指试件上的法向应力为零时，沿预定剪切面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。剪断时的

51、最大剪应力。 （3）摩擦强度：）摩擦强度： 指试件在一定的法向应力作用下，沿已有破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 CjjCtg2.32.3岩石的抗剪强度岩石的抗剪强度1、定义：定义：指一定的应力条件下（主要指压应力），所指一定的应力条件下（主要指压应力），所能抵抗的最大剪应力，称为剪切强度。能抵抗的最大剪应力，称为剪切强度。2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军63抗剪断强度抗剪断强度抗切强度抗切强度摩擦强度摩擦强度岩石的

52、三种受剪方式示意图岩石的三种受剪方式示意图3 3、意义：、意义： 反映岩块的力学性质的重要指标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、变角板剪切试验直剪试验、变角板剪切试验 、三轴试验、三轴试验 2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军64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2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军65APAT试件尺寸：直径

53、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。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2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军662021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军67 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

54、 = Pcos N = 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 2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军682021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军69变角板剪切试验变角板剪切试验是将立方体试件，置于变角板剪切是将立方体试件，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。夹具中加压直至试件沿预定的剪切面破坏。 )cos(sin)sin(cosfAPfAPQQNNPfPf f为

55、滚珠排与上下为滚珠排与上下压板的摩擦系数。压板的摩擦系数。 2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军70改变夹具倾角改变夹具倾角；在在3030度到度到7070度之间度之间做一组（大于做一组（大于5 5次）不同次）不同的试验，记录所得的的试验，记录所得的 ，值；由该组值作曲线近似直线得方程值；由该组值作曲线近似直线得方程ctan 式中式中, tan, tan岩石抗剪切岩石抗剪切内摩擦系数内摩擦系数 c c 岩石的粘结力岩石的粘结力（内聚力）（内聚力）岩石的抗剪断岩石的抗剪断曲线（强度曲线）曲线（强度曲线）2021/4/29 星期四武汉科

56、技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军712021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军722.42.4岩石在三向压缩应力作用下的强度岩石在三向压缩应力作用下的强度1、定义：、定义： 指在不同三向压缩应力作用下岩石抵抗外指在不同三向压缩应力作用下岩石抵抗外荷载的最大应力荷载的最大应力ff321, 2、三向压缩试验简介、三向压缩试验简介 （1） 真三轴真三轴 见图见图 （2） 假三轴假三轴 见图见图3213212021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军73

57、2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军742021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军752021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军763、三轴压缩试验的破坏类型、三轴压缩试验的破坏类型2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军774、岩石三向压缩强度的影响因素、岩石三向压缩强度的影响因素（1）侧压力的影响：围压越大，轴向压力越大）侧压力的影响：围压越大，轴向压力

58、越大2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军78（2）加载途径对岩石三向压缩强度影响）加载途径对岩石三向压缩强度影响 A、B、C三条虚线是三个不同的加载途径，加载途径对三条虚线是三个不同的加载途径，加载途径对岩的最终三向压缩强度影响不大。岩的最终三向压缩强度影响不大。2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军79（3）孔隙水压力对岩石三向压缩强度的影响）孔隙水压力对岩石三向压缩强度的影响 孔隙水压力使有效应力（围压孔隙水压力使有效应力（围压）减小，强度降低减小，强度降低无水有

59、水2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军80（4）试件尺寸与加载速率的影响）试件尺寸与加载速率的影响中低围压下，与岩石单轴抗压强度试验基本一致。中低围压下，与岩石单轴抗压强度试验基本一致。高围压时，受径向限制，使得试件中微裂缝的影响逐渐减弱，高围压时，受径向限制，使得试件中微裂缝的影响逐渐减弱，尺寸影响不大。尺寸影响不大。加载速率的影响与岩石单轴抗压强度试验基本一致。加载速率的影响与岩石单轴抗压强度试验基本一致。随着加载速率的增加强度有所提高。随着加载速率的增加强度有所提高。2021/4/29 星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路

60、军星期四武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军813 3岩块的变形特征岩块的变形特征1 1、变形阶段、变形阶段空隙压密阶段空隙压密阶段( (OA)OA)峰值峰值前变前变形阶形阶段段峰峰值值后后变变形形阶阶段段oABCDE(+) (-) L V d 破坏后阶段破坏后阶段( (DE)DE)全过程曲线全过程曲线前过程曲线前过程曲线非稳定发展阶段非稳定发展阶段( (CD)CD) D D点点: :峰值强度峰值强度微裂隙稳定发展阶段微裂隙稳定发展阶段( (BC)BC) C C点点: :屈服强度屈服强度弹性变形阶段弹性变形阶段( (AB)AB) B B点点: :弹性极限弹性极限3.13.1单轴压缩条件下的岩块变