岩石力学与工程岩石物理力学性质课件

2022/11/712岩石物理力学性质2.1岩石的基本构成和地质分类

（1）岩石的地质分类1.火成岩主要由高温熔融的岩浆侵入壳或喷出地表冷凝形成的岩石，亦称岩浆岩。2.沉积岩主要由母岩风化剥蚀的产物、火山碎屑物质、生物遗骸等经过搬运、沉积、固结形成的岩石。1可编辑ppt2022/11/212岩石物理力学性质2.1岩石的基本构成3.变质岩先以存在的火成岩、沉积岩或变质岩受物理和化学条件变化的影响改变其结构、构造和矿物成分而形成的新的岩石。（2）基本构成

岩石的基本构成是由组成岩石的矿物质成分和结构两大方面来决定的。2022/11/722可编辑ppt3.变质岩2022/11/222可编辑ppt2022/11/73（1）岩石的主要矿物质成分1）火成岩的矿物成分

组成火成岩常见的矿物有：长石、石英、云母、角闪石、辉石、橄榄石、霞石、白榴石、磁铁矿、磷灰石等十余种，这些矿物约占火成岩总质量的99%，是火成岩的造矿物（其中：长石占60%以上，其次是石英）。2）沉积岩的矿物成分

沉积岩中已发现的矿物有160余种，主要矿物约20种，如石英类、长石类、云母类、粘土矿物、碳酸盐矿物、硫酸盐矿物以及Fe、Mn、Al的氧化物和氢氧化物。一般沉积岩仅含5～6种矿物，多数仅含1～3种。3可编辑ppt2022/11/23（1）岩石的主要矿物质成分3可编辑pp2022/11/743）变质岩的矿物成分

变质岩的矿物成分一方面对原岩有较大的继承性，另一方面受到变质作用类型和强度的影响，一些矿物是经变质作用后新生成的矿物。如：蛇纹石、滑石、软玉、硬玉等。

（2）沉积岩的矿物成分与火成岩的区别

1）在沉积岩中几乎看不到火成岩中大量出现的橄榄石、辉石、角闪石等铁镁矿物和基性斜长石，而粘土矿物、氧化物矿物、氢氧化物矿物和碳酸盐矿物大量出现；2）火成岩中长石多于石英，而沉积岩中石英多于长石，而且长石中是以钾长石为主，酸性斜长石次之，其它种类长石罕见。

4可编辑ppt2022/11/243）变质岩的矿物成分4可编辑ppt2022/11/75（3）矿物组成对岩石的物理力学性质影响

1）在许多岩浆岩中，其强度随暗色矿物的增加而增加；

2）在沉积岩中，砂岩的强度常随石英相对含量的增加而增大，石灰岩的强度常随其硅质混合物含量的增加而增大，随粘土质矿物含量的增加而降低；

3）在变质岩中，任何片状的硅酸盐类矿物、盐岩矿物将使岩石强度降低；

4）易溶和粘土矿物在水的作用下容易被溶蚀，使岩石的孔隙度增大，结构变松，强度降低。

5）一些矿物由于其物态变化，使其体积发生膨胀和软化，使岩石强度降低。5可编辑ppt2022/11/25（3）矿物组成对岩石的物理力学性质影响52022/11/76（4）岩石结构类型

岩石的结构是指岩石中矿物（及岩屑）颗粒相互之间的关系，包括颗粒的大小、形状、排列、结构连结特点及岩石中微结构面（即内部缺陷）。其中，以结构连结和岩石中的微结构面对岩石工程性质影响最大。6可编辑ppt2022/11/26（4）岩石结构类型6可编辑ppt2022/11/772.2岩石的物理性质

岩石的物理性质是指由岩石固有的物质组成和结构特征所决定的比重、容重、孔隙率等基本属性。2.2.1岩石的容重

（1）概念

岩石的容重：也叫岩石的重力密度，即岩石单位体积（包括岩石内部孔隙体积）的重量。

（2）表达式（2-1）

式中γ—岩石容重（kN/m3）；W­—被测岩样的重量（kN）；V—被测岩样的体积（m3）。

7可编辑ppt2022/11/272.2岩石的物理性质（2-1）式（3）容重的分类

根据岩石的含水状态，将容重又可分为：天然容重、干容重和饱和容重。

1.天然容重：是指岩石在自然条件下，单位体积的重量。

2.干容重：是指试件在105℃～110℃温度下烘干24小时的试验条件下，岩石孔隙中的液体全部被蒸发，试件中仅有固体和气体时,单位体积的重量。

3.饱和容重：是指试件在浸水48h或抽真空法，使岩石中的孔隙都被水充填时，单位体积的重量。（4）测定的试验方法

测定岩石的容重可根据岩石的性质和岩样形态采用：量积法、水中称量法或蜡封法等。2022/11/788可编辑ppt（3）容重的分类2022/11/288可编辑ppt1.量积法适用条件：凡能制备成规则试样的岩石均宜采用量积法测定其容重。试验方法：首先测定规则试样的平均断面积A，平均高度h以及试样的重量G，代入2-2式即得其容重。若试样重量是自然状态的重量时，即为岩石的天然容重；若试样重量是在105℃～110℃温度下烘干24小时后的重量时，则为该岩石的干容重；若是采用48h浸水法或抽真空法使岩石试件饱和的重量时，则为该岩石的饱和容重。2022/11/79（2-2）

9可编辑ppt1.量积法2022/11/29（2-2）9可编辑ppt2.水中称量法适用条件：对于规则或不规则形状的岩样进行测量时都可采用此方法，但对于孔隙率非常发育、遇水崩解、溶解及干缩湿脹的岩石或岩石干容重时不能采用此方法。试验方法：首先称量规则或不规则的岩样在浸入纯水前的重量W，然后再测出岩样在纯水中的重量,根据阿基米德原理可得出岩样的体积（V），就可根据（2-3）式得出该试样的天然容重（γ）或饱和容重。2022/11/710（2-3）

10可编辑ppt2.水中称量法2022/11/210（2-3）10可编辑p3.蜡封法适用条件：本方法适用于不能用量积法或水中称量法测定其容重的岩石，它既可测出该岩石的干容重也可测出其天然容重。试验方法：首先选取有代表性岩样在105℃～110℃温度下烘干24小时，取出，系上细线，称岩样重量，持细线将岩样缓慢浸入刚过熔点的蜡溶液中，浸后立即取出，检查试样周围的蜡膜，若有气泡应用针刺破，再用蜡液补平，待试件冷却后称取其重量，然后将蜡封岩样浸没于纯水中称其重量，则岩石的干容重为：（2-4）

式中，——为蜡的容重（kN/m3）。2022/11/71111可编辑ppt3.蜡封法（2-4）式中，——为蜡的容重（kN/m32.2.2岩石的密度（1）概念岩石的密度：即单位体积内岩石的质量。（2）计算关系式

式中ρ——岩石密度（kg/m3）；W­——被测岩样的质量（kg）；V——被测岩样的体积（m3）。（3）容重和岩石密度的关系2022/11/712（2-6）

（2-7）

12可编辑ppt2.2.2岩石的密度2022/11/212（2-6）（22.2.3岩石的比重

岩石的比重是岩石固体部分的重量和4℃时同体积纯水重量的比值，即：式中，为岩石的比重；为体积为V的岩石固体部分的重量（kN）；为岩石固体部分（不包括孔隙）的体积（m3）；为4℃时单位体积纯水的重量（kN/m3）。

（2-8）2022/11/71313可编辑ppt2.2.3岩石的比重（2-8）2022/11/21312022/11/7142.2.4岩石的孔隙性

天然岩石中包含着数量不等，成因各异的孔隙和裂隙，是岩石的重要结构特征之一。它们对岩石力学性质的影响基本一致，在工程实践中很难将二者分开，因此将它们统称为岩石的孔隙性。岩石的孔隙性通常用孔隙率n表示。

（1）岩石的孔隙率是指岩石孔隙的体积（Vv）与岩石总体积（V）的比值，以百分数表示。其公式为：

（2-9）

14可编辑ppt2022/11/2142.2.4岩石的孔隙性（2-9）12022/11/715（2）岩石的空隙比岩石孔隙的体积（Vv）与岩石固体体积（Vc）的比值，以百分数表示。其公式为：

岩石的孔隙参数可通过压汞试验测得。

孔隙率是衡量岩石工程质量的重要物理性质指标之一，反映了孔隙和裂隙在该岩石中所占的百分率，孔隙率愈大，则岩石的孔隙和裂隙愈多，岩石的力学性能则愈差。

（2-10）

15可编辑ppt2022/11/215（2）岩石的空隙比（2-10）15可2022/11/7162.2.5岩石的水理性

岩石的水理性：岩石与水相互作用时所表现的性质。它包括岩石的吸水性、透水性、软化性和抗冻性等。（1）岩石的天然含水率

岩石的天然含水率w：天然状态下岩石中水的质量mw与岩石的干质量mdr的比值，以百分数表示，即：（2-12）

16可编辑ppt2022/11/2162.2.5岩石的水理性（2-12）

（2）岩石的吸水性

岩石的吸水性：即岩石在一定条件下吸收水分的性能，它取决于岩石孔隙的数量、大小、开闭程度和分布情况。表征岩石吸水性的指标有：吸水率、饱和吸水率与饱水系数。1.岩石的吸水率岩石吸水率

：是指岩石在常温常压下吸入水的质量与其烘干质量mdr的比值，以百分数表示，即：式中，m0为烘干岩样浸水48小时后的总质量。2022/11/717（2-13）

17可编辑ppt（2）岩石的吸水性2022/11/217（2-13）172.岩石的饱和吸水率（或饱水率）饱和吸水率（或饱水率）：是指岩石在强制状态（高压或真空、煮沸）下，岩石吸入水的质量与岩样在105℃～110℃温度下烘干24h后质量mdr的比值，以百分数表示，即：

式中，wsa为岩石的饱和吸水率；msa为真空饱和或煮沸后试件的质量（kg）。

强制状态：在高压条件下，通常认为水能进入岩石中所有张开的孔隙和裂隙中，国外采用高压设备测定岩石的饱和吸水率；国内常用真空抽气法或煮沸法测定饱和吸水率。2022/11/718（2-14）

18可编辑ppt2.岩石的饱和吸水率（或饱水率）2022/11/218（2-3.岩石饱水系数岩石饱水系数kw：是指岩石吸水率与饱水率的比值，以百分数表示，即：（3）岩石的透水性

岩石的透水性是指岩石能被水透过的性能。它的大小可用渗透系数来衡量，主要决定于岩石孔隙的大小、方向及其连通情况。（2-15）

2022/11/71919可编辑ppt3.岩石饱水系数（2-15）2022/11/21919可编2022/11/720（4）岩石的软化性

岩石浸水后强度降低的性能称为岩石的软化性，通常用软化系数来衡量。

软化系数：是岩样饱水状态的抗压强度kPa与自然风干状态抗压强度kPa的比值，用小数表示，即（2-16）

20可编辑ppt2022/11/220（4）岩石的软化性（2-16）20（5）岩石的抗冻性

岩石抵抗冻融破坏的性能称为岩石的抗冻性，通常用抗冻系数表示。岩石的抗冻系数：是指岩样在±25℃的温度区间内，反复降温、冻结、升温、融解，其抗压强度有所下降，岩样抗压强度的下降值与冻融前的抗压强度的比值，以百分数表示，即：

式中，为岩样冻融前的抗压强度kPa；为岩样冻融后的抗压强度kPa。

（2-17）

2022/11/72121可编辑ppt（5）岩石的抗冻性（2-17）2022/11/22121可2022/11/722岩石在反复冻融后其强度降低的主要原因①构成岩石的各种矿物的膨胀系数不同，当温度变化时，由于矿物的胀、缩不均匀而导致岩石结构的破坏；②当温度降到0℃以下时，岩石孔隙中的水将结冰，其体积增大约9%，会产生很大的膨胀压力，使岩石的结构发生改变，直至破坏。22可编辑ppt2022/11/222岩石在反复冻融后其强度降低的主要原因22022/11/7232.3岩石的强度特性2.3.1概述（1）岩石强度

在研究岩石材料的力学性质时，主要是研究岩石的强度特性和岩石的变性特性两方面。

1.定义岩石强度：是指岩石在各种载荷作用下达到破坏时所能承受的极限应力，即岩石材料在受外载荷作用时抵抗破坏的能力。2.分类岩石的强度主要包括岩石的单轴抗压强度、单轴抗拉强度、抗剪强度、多轴压缩强度等。23可编辑ppt2022/11/2232.3岩石的强度特性23可编辑ppt2022/11/724（2）研究岩石强度的意义1.是岩石分类、分级中的重要数量指标；2.可以判别计算处或测定处的岩土工程是否稳定；3.在简单地下工程条件下，可作为极限平衡条件(塑性条件)，求解弹塑性问题的塑性区范围，以及弹性区和塑性区的应力与位移。24可编辑ppt2022/11/224（2）研究岩石强度的意义24可编辑pp2022/11/725（3）岩石的破坏模式从岩石的破坏模式来看，可分为五种破坏形式，如图2-1所示。（a）单轴压缩纵向劈裂破裂（b）剪切破坏（c）多重剪切破坏（d）拉伸破裂（e）由线载荷产生的拉伸破坏25可编辑ppt2022/11/225（3）岩石的破坏模式从岩石的破坏模式来2022/11/7262.3.2岩石的单轴抗压强度（1）定义

岩石的单轴抗压强度是指岩石在单轴压缩载荷作用下，达到破坏前所能承受的最大压应力。亦即岩石受轴向力作用破坏时单位面积上所承受的荷载。即：（2-18）26可编辑ppt2022/11/2262.3.2岩石的单轴抗压强度（2-1（2）试验方法

1.实验过程

单轴抗压强度的试验是在带有上、下块承压板的试验机上进行，按一定的加载速度单向加压直至试件破坏。2.试件尺寸要求

1）国际岩石力学学会规定

试件标准尺寸为Φ54mm,高径比为2.5～3.0倍。

2）我国的规定

试件尺寸为Φ50×100mm，高度为直径的2.0—2.5倍、试件两端面的不平整度不得大于0.05mm、在试件的高度上直径或边长的误差不得大于0.3mm、两端面应垂直于试件轴线，最大偏差不得大于0.250。2022/11/72727可编辑ppt（2）试验方法2022/11/22727可编辑ppt（3）岩石单向压缩荷载作用下的破坏形态1.圆锥形破坏

圆锥形破坏即X状共轭斜面剪切破坏，其破坏形态如图2—2(a)所示。破坏面法线与载荷轴线的夹角：

原因：由于试件两端面与试验机承压板之间摩擦力较大，所产生的端部效应造成的。在试验加压的过程中，试件的应力分布如图2—3所示。2022/11/728图2-2单轴压缩破坏形态

图2-3压缩圆柱体的应力分布28可编辑ppt（3）岩石单向压缩荷载作用下的破坏形态2022/11/2282022/11/7292.压剪破坏

单斜面压剪破坏，如图2-1b和图2-2b所示。这种破坏是由于破坏面上的剪应力超过极限引起的，但破坏前破坏面所需承受的最大剪应力也与破坏面上的正应力有关，因而称该类破坏为压剪破坏。

3.纵向劈裂破坏纵向劈裂破坏即拉伸破坏，其破坏形态如图2—2(b)所示。这是因为在轴向压缩载荷作用下，在横向将产生拉伸应力，这也是泊松效应的结果。纵向劈裂破坏是岩石在单轴压缩载荷作用下的主要表现形式。29可编辑ppt2022/11/2292.压剪破坏29可编辑ppt（4）实验条件对单轴抗压强度的影响因素1.承压板给予单轴抗压强度的影响当承压板刚度很大时，其接触面的应力分布很不均匀，呈山字型，如下图2-4所示。因此，承压扳(或者垫块)尽可能采用与岩石刚度相接近的材料，避免由于刚度的不同而引起变形不协调造成应力分布不均匀的现象。图2-4在刚性承压板之间压缩时岩石端面的应力分布2022/11/73030可编辑ppt（4）实验条件对单轴抗压强度的影响因素图2-4在刚性承压2022/11/7312.试件尺寸及形状对单向轴抗压强度的影响1）试件形状的影响

形试件的四个边角会产生很明显的应力集中现象，因此，目前绝大多数的国家都采用圆柱形的岩石试件。

2）试件尺寸的影响试件的强度通常随其尺寸的增大而减小，这就是岩石力学中被称作的“尺寸效应”。据研究发现试件的尺寸对其强度的影响在很大程度上取决于组成岩石的矿物颗粒的大小。研究结果表明，若试件的直径为4-6cm，且满足试件直径大于其最大矿物颗粒直径的10倍以上，其强度值相对比较稳定。因此，目前对于一般岩石采取直径为50mm的试件作为其标准尺寸。31可编辑ppt2022/11/2312.试件尺寸及形状对单向轴抗压强度的影2022/11/7323）岩石试件的高径比的影响

圆柱形试件高度与直径之比对试验结果有很大的影响。由图2—5可见，当时，曲线趋于稳定。

图2-5粗面岩的抗压强度与h／d的关系32可编辑ppt2022/11/2323）岩石试件的高径比的影响图2-5粗2.3.3岩石抗拉强度（1）定义岩石试件在单轴拉伸时能承受的最大拉应力，称为单轴抗拉强度，简称抗拉强度；（2）测定方法

直接拉伸法、劈裂法、点荷载法1.直接拉伸法1）公式

式中：——岩石的抗拉强度，MPa——试件受拉破坏时的极限拉力；

——与所施加拉力相垂直的截面面积；2022/11/73333可编辑ppt2.3.3岩石抗拉强度2022/11/23333可编辑pp2）试件与加载系统的连接拉伸试验加载和试件示意图2022/11/73434可编辑ppt2）试件与加载系统的连接2022/11/23434可编辑pp2.劈裂法（巴西法）由于实验简单，所测得的抗拉强度与直接拉伸很接近，故常用此法。1）公式

式中：——试件中心的最大拉应力，即为抗拉强度，

MPa——试件破坏时的极限拉力；

——承压圆盘的直径和厚度；2022/11/73535可编辑ppt2.劈裂法（巴西法）2022/11/23535可编辑ppt2）试件与加载系统及应力分布图劈裂试验加载和应力分布示意图2022/11/73636可编辑ppt2）试件与加载系统及应力分布图2022/11/23636可编3.点荷载法1）优点：是一种简易、快速、价廉的测定岩石单轴抗拉和抗压强度的试验方法；试件可以用不规则岩块。2）缺点：试件结果的离散性较大。3）公式

式中：——破坏荷载，

——破坏时两加载点间的距离，mm；

——点荷载强度，MPa

；2022/11/73737可编辑ppt3.点荷载法2022/11/23737可编辑ppt点荷载试验对试件形状和尺寸的要求2022/11/73838可编辑ppt2022/11/23838可编辑ppt2.3.4岩石抗剪强度（1）定义

岩石抵抗剪切的最大剪应力，由内聚力和内摩擦阻力两部分组成；（2）测定方法

直剪试验、变角板剪切试验；

直剪试验装置图、的确定示意图2022/11/73939可编辑ppt2.3.4岩石抗剪强度2022/11/23939可编辑pp

变角板剪力仪装置示意图岩块强度包洛线2022/11/74040可编辑ppt2022/11/24040可编辑ppt2.3.5岩石三轴压缩强度（1）定义1.试件在三轴压应力作用下能抵抗的最大轴向压力；2.公式

——试件破坏时的轴向荷载，N；

——试件的初始横断面面积，mm2；（2）影响因素1.侧向压力影响；2.加载途径对岩石三轴压缩强度的影响；3.孔隙水压力对岩石三轴压缩强度的影响（3）试验方法1.真三轴试验；2.假三轴试验（）；2022/11/74141可编辑ppt2.3.5岩石三轴压缩强度2022/11/24141可编辑p三轴试验加载示意图2022/11/74242可编辑ppt2022/11/24242可编辑ppt2022/11/7432.3.6岩石破坏后强度曲线

（1）应力-应变曲线1.普通材料试验机应力应变曲线

岩石单轴抗压强度试验一般是采用普通材料试验机，通过对岩石试件连续施加轴向载荷，直到岩石试件的破坏。因此，在普通的材料试验机条件下，试件达到峰值强度前，试件的变形是逐步和缓慢的，当达到峰值强度后，试件将发生突发性破坏，试件被崩裂，试验突然停止，此时得到的应力-应变曲线也只是峰值前的曲线。2.普通试验机得不到峰值强度后曲线的原因

主要是普通试验机的刚度不够，使在试验时有很大一部分能量以应变能形式储存在试验机的立柱和其它部件中，当试件的应力达到峰值后，其承载能力下降，此时，试验机中的应变能快速释放所造成的。43可编辑ppt2022/11/2432.3.6岩石破坏后强度曲线43可2022/11/744（2）获得全应力-应变曲线的条件1.增加试验机刚度1）增加试验机上钢构件的截面积和减小其厚度；2）增加液压柱的截面积，且减小其长度；3）增大液压油的体积模量。2.采用液压伺服系统

试验机通过上述的改造后，实验中就可以实现岩石的全程压缩试验，获得岩石的全应力-应变曲线。44可编辑ppt2022/11/244（2）获得全应力-应变曲线的条件44可2022/11/745（3）全应力-应变曲线的意义1.全面显示了岩石在受压破坏过程中的应力、变形特征，以及破坏后的强度与力学性质的变化规律；2.预测岩爆的产生εσCDEOAB图2-17全应力-应变曲线预测岩爆示意图45可编辑ppt2022/11/245（3）全应力-应变曲线的意义εσCDE2022/11/7463.预测蠕变破坏4.预测循环加载条件下岩石的破坏

根据岩石本身已有的受力水平，循环荷载的大小、周期、可根据全应力-应变曲线来预测循环加载条件下岩石发生破坏的时间。FHIGEDCBAεOσ蠕变终止轨迹线图2-18全应力-应变曲线预测蠕变破坏示意图46可编辑ppt2022/11/2463.预测蠕变破坏FHIGEDCBAεO2022/11/7472.5岩石的变形特性2.5.1岩石变形的类型岩石的变形可分为弹性变形、塑性变形和粘性变形三种形式。

（1）弹性变形

即物体在受到外力作用的瞬间即产生全部变形，而撤除外力后又能立即恢复其原有形状和尺寸的性质。弹性变形又可分为线弹性变形和非线弹性变形。47可编辑ppt2022/11/2472.5岩石的变形特性47可编辑ppt2.塑性变形

即物体受到外力后产生形变，在外力除去后变形不能完全恢复的性质，不能恢复的那部分变形称为塑性变形。在外力作用下只发生塑性变形的物体称为理想塑性体。当应力低于屈服极限时，材料没有变形，当应力达到一定值后，应变不断增加而应力不变。3.粘性变形

即物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质。其应力-应变速率关系为过原点的直线的物质称为理想粘性体（牛顿流体）。48可编辑ppt2.塑性变形48可编辑ppt2022/11/7492.5.2单轴压缩条件下岩石的变形特性（1）单轴压缩条件下的变形特性

1.应力—应变曲线能反映岩石的变形特性，因此，根据全应力-应变曲线其变形过程可分为四个阶段，如图2-20所示。εσECDBAO图2-20岩石单轴压缩载荷作用下全应力-应变曲线49可编辑ppt2022/11/2492.5.2单轴压缩条件下岩石的变形特2022/11/7502.孔隙裂隙压密阶段（OA段）其特征是应力—应变曲线呈上凹型，在此阶段岩石试件中原有的张开型结构面和微裂隙逐渐闭合，横向膨胀较小，试件体积随载荷的增大而减小。3.弹性变形至微弹性裂隙稳定发展阶段（AC段）

AB阶段为线弹性变形阶段；BC为非线性弹性变形阶段，此阶段中出现了微裂隙的破裂，因此也称为破裂稳定发展阶段。

50可编辑ppt2022/11/2502.孔隙裂隙压密阶段（OA段）50可编2022/11/7514.非稳定破裂发展阶段（CD段）

C点是岩石从弹性变为塑性的转折点，称为屈服点，其相应的应力称为屈服应力，数值约为峰值应力的三分之二左右。进入此阶段后，微破裂不断聚合形成宏观裂隙，直至岩石试件完全破坏。此时，试件体积由压缩变小转为扩容增大，轴向应变和体积应变速率迅速增大。当达到D点时，岩石已经破坏，此时的强度称为峰值强度。5.破裂后阶段（DE段）

当载荷达到D点后，岩石试件内部结构已遭到破坏，但试件基本保持整体形状。进入本阶段后，宏观裂隙快速发展，并且相互交叉联合形成宏观断裂面，试件的承载能力迅速下降，但不会到零，岩石仍具有一定的承载能力。51可编辑ppt2022/11/2514.非稳定破裂发展阶段（CD段）51可（2）全应力应变曲线特征表表2-1岩石全应力应变曲线特征表2022/11/75252可编辑ppt（2）全应力应变曲线特征表2022/11/25252可编辑p2022/11/7532.5.3利用应力—应变曲线形态对岩石进行分类ⅠOσεOσεⅡⅢOσεⅣOσεⅥOσε图2-21峰值前岩石的典型应力-应变曲线a.弹性岩石b.弹性-塑性岩石c.塑-弹性岩石d.塑-弹-塑性岩石e.弹-粘性岩石53可编辑ppt2022/11/2532.5.3利用应力—应变曲线形态对岩石2022/11/7542.5.4循环载荷条件下的岩石变形特征（1）岩石的变形特性

1.岩石在循环载荷作用下，其破坏时的应力往往低于其静力加载强度。

2.对于弹性岩石，在循环载荷作用下，加载路径与卸载路径完全重合，即其应力-应变路径是相同，都是沿同一曲线往返。54可编辑ppt2022/11/2542.5.4循环载荷条件下的岩石变形特征2022/11/755

3.对于非弹性岩石，如果卸载点P超过屈服点，则卸载曲线不与加载曲线重合，形成塑性滞回环。塑性滞环反映了经过加—卸载试验后，消耗于裂隙的扩展和裂隙面之间的摩擦所作的功。且卸载曲线的平均斜率一般与加载曲线直线段的斜率相同，或者和原点切线斜率相同。

4.如果施加的是等大小的循环载荷，则每一次加载-卸载都会形成一个塑性滞回环，这些滞回环随着加-卸载次数的增加而愈来愈窄，并彼此愈来愈近，岩石愈来愈接近弹性变形，直到没有塑性变形为止，如图2-22所示。55可编辑ppt2022/11/2553.对于非弹性岩石，如果卸载点P2022/11/756εOPσ1σ图2-22等载荷循环加、卸载时的应力-应变曲线CεOσ图2-23不断增大载荷循环加、卸载时的应力-应变曲线56可编辑ppt2022/11/256εOPσ1σ图2-22等载荷循环加、2022/11/7575.如果循环载荷的每一次最大值超过前一次，则可得图2-23所示的曲线。随着循环次数的增加，塑性滞回环的面积也有所扩大，卸载曲线的斜率也有所增加，这表明卸载应力下的岩石材料弹性有所增强。此外，每次卸载后再加载，在载荷超过上一次循环的最大载荷以后，变形曲线会沿着原来的单调加载曲线上升（如OC曲线），好像不曾受到反复加载的影响，这种现象称为岩石的变形记忆。（2）临界应力

岩石在循环载荷作用下，当循环应力小于某一数值时，循环次数即使很多，也不会导致试件的破坏；而超过这一数值时岩石将在某次循环中发生破坏（疲劳破坏），这一数值称为临界应力。它的大小与岩石种类有关。57可编辑ppt2022/11/2575.如果循环载荷的每一次最大值超过2022/11/7582.5.5三轴压缩条件下的岩石变形特征（1）当时，岩石的变形特性

图2-24应力-应变关系1.在围压为零或较低的情况下，岩石呈脆性状态破坏；2.随着围压的升高，岩石破坏逐渐从脆性转化到塑性状态，通常把岩石由脆性转化到塑性时的临界围压称为转化压力；3.随着围压的进一步升高，试件的承载能力则随围压增长而增长，出现了应变硬化；4.随着围压的增大，岩石的抗压强度显著增大，其变形也不断增大；

58可编辑ppt2022/11/2582.5.5三轴压缩条件下的岩石变形特

5.随围压的提高，弹性段的斜率变化不大。即E和v与单轴基本相等。说明：可以通过简易的单轴试验，确定复杂应力状态下的弹性常数。（2）当为常数时，岩石的变形特性

1.随着的增大，其屈服应力有所提高；

2.弹性模量基本不变，不受变化的影响；3.当不断增大时，岩石由塑性逐渐向脆性转换。为常数时的影响

2022/11/75959可编辑ppt5.随围压的提高，弹性段的斜率变化不大。即E和v与单轴（3）当为常数时岩石的变形特性1.随的增大，其屈服应力几乎不变；2.随的增大，其弹性模量也基本不变；3.岩石始终保持塑性破坏的特性，只是随着的增大，其塑性变形量也随着增大。2022/11/760为常数时的影响60可编辑ppt（3）当为常数时岩石的变形特性2022/11/260为2.5.6岩石变形指标及其确定（1）弹模的确定1.初始模量：，即过原点的切线斜率；2.切线弹模：，即过任意点P的切线斜率；3.割线弹模：，即任意点P的纵横坐标之比；图2-25弹模几种定义2022/11/76161可编辑ppt2.5.6岩石变形指标及其确定2022/11/26161可（2）ISRM建议的非线性弹性岩石的弹模1.点相应的切线模量，即2.点相应的切线模量，即3.弹性范围内近似于直线段的平均斜率；

岩石的弹模，一般为20~50GPa。2022/11/76262可编辑ppt（2）ISRM建议的非线性弹性岩石的弹模2022/11/26（3）泊松比1.岩石的横向应变与纵向应变之比值；2.公式3.岩石在弹性范围内，一般为常数； 超过弹性范围，将随应力的增大而增大，直到为止；2022/11/76363可编辑ppt2022/11/26363可编辑ppt（4）体积模量平均正应力与单位体积变形之比，即式中，—体积变形模量，Pa；

—单位体积变形，量纲为1；

（横向应变均为负值）（5）剪切模量2022/11/76464可编辑ppt（4）体积模量2022/11/26464可编辑ppt（6）岩石的体积应变特性1.公式式中，

——体积增量；

——试件的原体积；

——最大主应变，中间主应变和最小主应变；2022/11/76565可编辑ppt（6）岩石的体积应变特性2022/11/26565可编辑pp花岗岩的应力—应变曲线2022/11/76666可编辑ppt2022/11/26666可编辑ppt2.基本变化规律：当作用的外荷载较小时，体积应变表现出线性变化，且岩石的体积随荷载的增大而减小。当外荷载达到一定的值之后，体积应变经过了保持不变的阶段，开始发生体积膨胀的现象。3.剪胀或扩容：当岩石受外力作用后，发生非线性的体积膨胀，且这一体积膨胀是不可逆的。4.产生剪胀的原因：裂隙产生、扩展、贯穿、滑移、错动、甚至张开所致。5.剪胀规律在三轴压缩和单向压缩试验中都会出现，由于围压的增大，会出现剪胀随之减弱的现象。2022/11/76767可编辑ppt2.基本变化规律：当作用的外荷载较小时，体积应变表现出线性变2.5.7岩石的本构关系（1）概念1.岩石的本构关系岩石的应力－应变关系；受众多因素影响，因而极其复杂；2.岩石的本构关系模型繁多按均匀性分：各向同性、各向异性；按变形特性分：线性、非线性；岩石的变形还与时间有关；2022/11/76868可编辑ppt2.5.7岩石的本构关系2022/11/26868可编辑pp（2）各向同性岩石的本构关系1.定义：各向同性是指岩石材料各个方向的力学性质相同，且处于线弹性状态。2.本构关系式中，弹性模量；泊松比；2022/11/76969可编辑ppt（2）各向同性岩石的本构关系2022/11/26969可编辑（3）各向异性岩石的本构关系1.极端各向异性1）定义假定岩石是线弹性的，其中任一点沿两个不同方向的弹性性质互不相同，岩体中的6个应力分量中的每个应力分量都是6个应变分量的线性函数，反之亦然。2）本构关系3）弹性矩阵有36个常数，可以证明弹性矩阵是一个对称矩阵，独立的常数只有21个。

2022/11/77070可编辑ppt（3）各向异性岩石的本构关系2022/11/27070可编辑2.正交各向异性1）定义

如果在弹性体中存在三个相互正交的弹性对称面，则把这个弹性体称为正交各向异性。如果在弹性体中存在着一个平面，该平面两边各点的弹性常数关于它对称，或弹性常数相等，那么这个平面称为弹性对称面。

2）本构关系3）弹性矩阵只有9个非零常数，且相互独立。2022/11/77171可编辑ppt2.正交各向异性2022/11/27171可编辑ppt3.横观各向同性体1）定义

如果弹性体有一个弹性对称面和一个旋转轴，则称为横观各向同性体。其特点是，在平行于某一平面的所有各方向（即横向），都具有相同的弹性。2）本构关系2022/11/77272可编辑ppt3.横观各向同性体2022/11/27272可编辑ppt式中，

——各向同性面（平面）内所有方向的弹性模量弹性模量；

——垂直于各向同性面（平面）的弹性模量；

——各向同性面内的泊松比；

——垂直于各向同性面的泊松比；

——平行于各向同性面的切变模量；

——垂直于各向同性面的切变模量；2022/11/77373可编辑ppt2022/11/27373可编辑ppt2022/11/7742.6影响岩石力学性质的主要因数2.6.1水对岩石力学性质的影响（1）岩石中水的赋存方式

结合水或称束缚水和重力水或称自由水。

1.结合水

由于矿物对水分子的吸附力超过了重力而被束缚在矿物表面的水，水分子运动主要受矿物表面势能的控制，这种水在矿物表面形成一层水膜。这种水膜对岩石力学性质的影响主要产生连接作用、润滑作用、水楔作用等三种作用。

2.自由水

它不受矿物表面吸附力的控制，其运动主要受重力作用控制，它对岩石力学性质的影响主要表现为孔隙水压力作用和溶蚀及潜蚀作用。74可编辑ppt2022/11/2742.6影响岩石力学性质的主要因数74可2022/11/775（2）水对岩石的作用

1.连接作用主要是将矿物颗粒拉近、接紧，连接到一起的作用。这种作用对一般岩石影响不大，但对于被土充填的结构面的岩石影响较大。

2.润滑作用

主要是对由可溶盐和胶体矿物连接的岩石影响较大，当水侵入时，可溶盐和胶体溶解水化，使矿物颗粒间的连接力减弱，摩擦力降低，起到润滑剂的作用。75可编辑ppt2022/11/275（2）水对岩石的作用75可编辑ppt2022/11/7763.水楔作用由于矿物颗粒利用其表面吸附力将水分子拉到自己的周围，在两颗粒接触处使水分子向两颗粒之间的缝隙内挤入，增大了颗粒间的间距，使岩石体积膨胀，或使产生润滑作用，从而降低岩石的强度。

4.孔隙压力作用

对于岩石孔隙中含有重力水时，当其突然受载而水来不及排出，岩石孔隙中的水产生很高的压力，减小了矿物颗粒之间的压应力，从而降低了岩石的抗剪强度，有时甚至在岩石裂隙端部处于受拉应力状态，起到破坏岩石连接的作用。

5.溶蚀-潜蚀作用通过渗透水在岩体内流动过程，将岩石中的可溶矿物溶解带走，有时将岩石中的小颗粒冲走，从而使岩石强度大为降低，变形增大，前者属于溶蚀作用，后者属于潜蚀作用。76可编辑ppt2022/11/2763.水楔作用76可编辑ppt2022/11/7772.6.2温度对岩石力学性质的影响（1）由于温度的升高使岩石内的化学成分、结晶水等产生变化，进而影响了岩石的强度。（2）由于温度的提高，将使岩石内储存热应力，致使岩石内部产生微观裂隙，弱化了岩石内部结构，从而使岩石的抵抗外荷载的能力降低。从岩石工程角度来看，一般不需要研究温度对岩石力学性质的影响，因为按一般地热增温看，每增加100m深度，岩石的温度升高3℃，这样即使是目前最深的工程活动也只在3000m左右，岩石升温也只有90～100℃。这样的升温对岩石的力学性质不会产生显著的影响。77可编辑ppt2022/11/2772.6.2温度对岩石力学性质的影响72022/11/7782.6.3岩石的加载速率效应（1）加载速率快，弹性模量较大，峰值强度较高，韧性较小。快速加载达到破坏时的应力，称为瞬时强度。（2）加载速率慢，弹性模量较小，峰值强度较小，韧性较小。（3）加载速率极慢，产生流变现象。经过较长时间加载达到破坏时的应力，称为长时强度。在研究岩石准静态载荷作用下的力学性质时，选择适当的加载速率对其试验结果来说是比较重要的。按ISRM建议的，在进行单轴抗压强度试验时，其加载速率应控制在0.5—1MPa／s之间，一般从实验开始直至试件破坏的时间为5-10min。78可编辑ppt2022/11/2782.6.3岩石的加载速率效应78可编辑2022/11/7792.6.4围压对岩石力学性质的影响由三轴试验可知：围压对岩石的变形有很大的影响，岩石的脆性和塑性并非其固有属性，它与岩石的受力状态密切相关，随着受力状态的改变它们是可以相互转化的。因此，随着围压的改变可使岩石的变形、强度和弹性极限都有显著的改变。2.6.5风化对岩石力学性质的影响（1）风化可降低岩体结构面的粗糙程度，并产生大量的新的裂隙，使岩体的完整性遭到严重的破坏，从而降低了岩石的强度。（2）岩石经风化作用后，由于原生矿物经水解、水化、氧化等化学作用，造成岩石的矿物成分发生变化，使岩体的结构遭到破坏，岩石的抗水性、力学强度降低，孔隙性增加，透水性增强等。79可编辑ppt2022/11/2792.6.4围压对岩石力学性质的影响7此课件下载可自行编辑修改，供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！80可编辑ppt此课件下载可自行编辑修改，供参考！80可编辑ppt此课件下载可自行编辑修改，此课件供参考！部分内容来源于网络，如有侵权请与我联系删除！感谢你的观看！此课件下载可自行编辑修改，此课件供参考！2022/11/7822岩石物理力学性质2.1岩石的基本构成和地质分类

（1）岩石的地质分类1.火成岩主要由高温熔融的岩浆侵入壳或喷出地表冷凝形成的岩石，亦称岩浆岩。2.沉积岩主要由母岩风化剥蚀的产物、火山碎屑物质、生物遗骸等经过搬运、沉积、固结形成的岩石。82可编辑ppt2022/11/212岩石物理力学性质2.1岩石的基本构成3.变质岩先以存在的火成岩、沉积岩或变质岩受物理和化学条件变化的影响改变其结构、构造和矿物成分而形成的新的岩石。（2）基本构成

岩石的基本构成是由组成岩石的矿物质成分和结构两大方面来决定的。2022/11/78383可编辑ppt3.变质岩2022/11/222可编辑ppt2022/11/784（1）岩石的主要矿物质成分1）火成岩的矿物成分

组成火成岩常见的矿物有：长石、石英、云母、角闪石、辉石、橄榄石、霞石、白榴石、磁铁矿、磷灰石等十余种，这些矿物约占火成岩总质量的99%，是火成岩的造矿物（其中：长石占60%以上，其次是石英）。2）沉积岩的矿物成分

沉积岩中已发现的矿物有160余种，主要矿物约20种，如石英类、长石类、云母类、粘土矿物、碳酸盐矿物、硫酸盐矿物以及Fe、Mn、Al的氧化物和氢氧化物。一般沉积岩仅含5～6种矿物，多数仅含1～3种。84可编辑ppt2022/11/23（1）岩石的主要矿物质成分3可编辑pp2022/11/7853）变质岩的矿物成分

变质岩的矿物成分一方面对原岩有较大的继承性，另一方面受到变质作用类型和强度的影响，一些矿物是经变质作用后新生成的矿物。如：蛇纹石、滑石、软玉、硬玉等。

（2）沉积岩的矿物成分与火成岩的区别

1）在沉积岩中几乎看不到火成岩中大量出现的橄榄石、辉石、角闪石等铁镁矿物和基性斜长石，而粘土矿物、氧化物矿物、氢氧化物矿物和碳酸盐矿物大量出现；2）火成岩中长石多于石英，而沉积岩中石英多于长石，而且长石中是以钾长石为主，酸性斜长石次之，其它种类长石罕见。

85可编辑ppt2022/11/243）变质岩的矿物成分4可编辑ppt2022/11/786（3）矿物组成对岩石的物理力学性质影响

1）在许多岩浆岩中，其强度随暗色矿物的增加而增加；

2）在沉积岩中，砂岩的强度常随石英相对含量的增加而增大，石灰岩的强度常随其硅质混合物含量的增加而增大，随粘土质矿物含量的增加而降低；

3）在变质岩中，任何片状的硅酸盐类矿物、盐岩矿物将使岩石强度降低；

4）易溶和粘土矿物在水的作用下容易被溶蚀，使岩石的孔隙度增大，结构变松，强度降低。

5）一些矿物由于其物态变化，使其体积发生膨胀和软化，使岩石强度降低。86可编辑ppt2022/11/25（3）矿物组成对岩石的物理力学性质影响52022/11/787（4）岩石结构类型

岩石的结构是指岩石中矿物（及岩屑）颗粒相互之间的关系，包括颗粒的大小、形状、排列、结构连结特点及岩石中微结构面（即内部缺陷）。其中，以结构连结和岩石中的微结构面对岩石工程性质影响最大。87可编辑ppt2022/11/26（4）岩石结构类型6可编辑ppt2022/11/7882.2岩石的物理性质

岩石的物理性质是指由岩石固有的物质组成和结构特征所决定的比重、容重、孔隙率等基本属性。2.2.1岩石的容重

（1）概念

岩石的容重：也叫岩石的重力密度，即岩石单位体积（包括岩石内部孔隙体积）的重量。

（2）表达式（2-1）

式中γ—岩石容重（kN/m3）；W­—被测岩样的重量（kN）；V—被测岩样的体积（m3）。

88可编辑ppt2022/11/272.2岩石的物理性质（2-1）式（3）容重的分类

根据岩石的含水状态，将容重又可分为：天然容重、干容重和饱和容重。

1.天然容重：是指岩石在自然条件下，单位体积的重量。

2.干容重：是指试件在105℃～110℃温度下烘干24小时的试验条件下，岩石孔隙中的液体全部被蒸发，试件中仅有固体和气体时,单位体积的重量。

3.饱和容重：是指试件在浸水48h或抽真空法，使岩石中的孔隙都被水充填时，单位体积的重量。（4）测定的试验方法

测定岩石的容重可根据岩石的性质和岩样形态采用：量积法、水中称量法或蜡封法等。2022/11/78989可编辑ppt（3）容重的分类2022/11/288可编辑ppt1.量积法适用条件：凡能制备成规则试样的岩石均宜采用量积法测定其容重。试验方法：首先测定规则试样的平均断面积A，平均高度h以及试样的重量G，代入2-2式即得其容重。若试样重量是自然状态的重量时，即为岩石的天然容重；若试样重量是在105℃～110℃温度下烘干24小时后的重量时，则为该岩石的干容重；若是采用48h浸水法或抽真空法使岩石试件饱和的重量时，则为该岩石的饱和容重。2022/11/790（2-2）

90可编辑ppt1.量积法2022/11/29（2-2）9可编辑ppt2.水中称量法适用条件：对于规则或不规则形状的岩样进行测量时都可采用此方法，但对于孔隙率非常发育、遇水崩解、溶解及干缩湿脹的岩石或岩石干容重时不能采用此方法。试验方法：首先称量规则或不规则的岩样在浸入纯水前的重量W，然后再测出岩样在纯水中的重量,根据阿基米德原理可得出岩样的体积（V），就可根据（2-3）式得出该试样的天然容重（γ）或饱和容重。2022/11/791（2-3）

91可编辑ppt2.水中称量法2022/11/210（2-3）10可编辑p3.蜡封法适用条件：本方法适用于不能用量积法或水中称量法测定其容重的岩石，它既可测出该岩石的干容重也可测出其天然容重。试验方法：首先选取有代表性岩样在105℃～110℃温度下烘干24小时，取出，系上细线，称岩样重量，持细线将岩样缓慢浸入刚过熔点的蜡溶液中，浸后立即取出，检查试样周围的蜡膜，若有气泡应用针刺破，再用蜡液补平，待试件冷却后称取其重量，然后将蜡封岩样浸没于纯水中称其重量，则岩石的干容重为：（2-4）

式中，——为蜡的容重（kN/m3）。2022/11/79292可编辑ppt3.蜡封法（2-4）式中，——为蜡的容重（kN/m32.2.2岩石的密度（1）概念岩石的密度：即单位体积内岩石的质量。（2）计算关系式

式中ρ——岩石密度（kg/m3）；W­——被测岩样的质量（kg）；V——被测岩样的体积（m3）。（3）容重和岩石密度的关系2022/11/793（2-6）

（2-7）

93可编辑ppt2.2.2岩石的密度2022/11/212（2-6）（22.2.3岩石的比重

岩石的比重是岩石固体部分的重量和4℃时同体积纯水重量的比值，即：式中，为岩石的比重；为体积为V的岩石固体部分的重量（kN）；为岩石固体部分（不包括孔隙）的体积（m3）；为4℃时单位体积纯水的重量（kN/m3）。

（2-8）2022/11/79494可编辑ppt2.2.3岩石的比重（2-8）2022/11/21312022/11/7952.2.4岩石的孔隙性

天然岩石中包含着数量不等，成因各异的孔隙和裂隙，是岩石的重要结构特征之一。它们对岩石力学性质的影响基本一致，在工程实践中很难将二者分开，因此将它们统称为岩石的孔隙性。岩石的孔隙性通常用孔隙率n表示。

（1）岩石的孔隙率是指岩石孔隙的体积（Vv）与岩石总体积（V）的比值，以百分数表示。其公式为：

（2-9）

95可编辑ppt2022/11/2142.2.4岩石的孔隙性（2-9）12022/11/796（2）岩石的空隙比岩石孔隙的体积（Vv）与岩石固体体积（Vc）的比值，以百分数表示。其公式为：

岩石的孔隙参数可通过压汞试验测得。

孔隙率是衡量岩石工程质量的重要物理性质指标之一，反映了孔隙和裂隙在该岩石中所占的百分率，孔隙率愈大，则岩石的孔隙和裂隙愈多，岩石的力学性能则愈差。

（2-10）

96可编辑ppt2022/11/215（2）岩石的空隙比（2-10）15可2022/11/7972.2.5岩石的水理性

岩石的水理性：岩石与水相互作用时所表现的性质。它包括岩石的吸水性、透水性、软化性和抗冻性等。（1）岩石的天然含水率

岩石的天然含水率w：天然状态下岩石中水的质量mw与岩石的干质量mdr的比值，以百分数表示，即：（2-12）

97可编辑ppt2022/11/2162.2.5岩石的水理性（2-12）

（2）岩石的吸水性

岩石的吸水性：即岩石在一定条件下吸收水分的性能，它取决于岩石孔隙的数量、大小、开闭程度和分布情况。表征岩石吸水性的指标有：吸水率、饱和吸水率与饱水系数。1.岩石的吸水率岩石吸水率

：是指岩石在常温常压下吸入水的质量与其烘干质量mdr的比值，以百分数表示，即：式中，m0为烘干岩样浸水48小时后的总质量。2022/11/798（2-13）

98可编辑ppt（2）岩石的吸水性2022/11/217（2-13）172.岩石的饱和吸水率（或饱水率）饱和吸水率（或饱水率）：是指岩石在强制状态（高压或真空、煮沸）下，岩石吸入水的质量与岩样在105℃～110℃温度下烘干24h后质量mdr的比值，以百分数表示，即：

式中，wsa为岩石的饱和吸水率；msa为真空饱和或煮沸后试件的质量（kg）。

强制状态：在高压条件下，通常认为水能进入岩石中所有张开的孔隙和裂隙中，国外采用高压设备测定岩石的饱和吸水率；国内常用真空抽气法或煮沸法测定饱和吸水率。2022/11/799（2-14）

99可编辑ppt2.岩石的饱和吸水率（或饱水率）2022/11/218（2-3.岩石饱水系数岩石饱水系数kw：是指岩石吸水率与饱水率的比值，以百分数表示，即：（3）岩石的透水性

岩石的透水性是指岩石能被水透过的性能。它的大小可用渗透系数来衡量，主要决定于岩石孔隙的大小、方向及其连通情况。（2-15）

2022/11/7100100可编辑ppt3.岩石饱水系数（2-15）2022/11/21919可编2022/11/7101（4）岩石的软化性

岩石浸水后强度降低的性能称为岩石的软化性，通常用软化系数来衡量。

软化系数：是岩样饱水状态的抗压强度kPa与自然风干状态抗压强度kPa的比值，用小数表示，即（2-16）

101可编辑ppt2022/11/220（4）岩石的软化性（2-16）20（5）岩石的抗冻性

岩石抵抗冻融破坏的性能称为岩石的抗冻性，通常用抗冻系数表示。岩石的抗冻系数：是指岩样在±25℃的温度区间内，反复降温、冻结、升温、融解，其抗压强度有所下降，岩样抗压强度的下降值与冻融前的抗压强度的比值，以百分数表示，即：

式中，为岩样冻融前的抗压强度kPa；为岩样冻融后的抗压强度kPa。

（2-17）

2022/11/7102102可编辑ppt（5）岩石的抗冻性（2-17）2022/11/22121可2022/11/7103岩石在反复冻融后其强度降低的主要原因①构成岩石的各种矿物的膨胀系数不同，当温度变化时，由于矿物的胀、缩不均匀而导致岩石结构的破坏；②当温度降到0℃以下时，岩石孔隙中的水将结冰，其体积增大约9%，会产生很大的膨胀压力，使岩石的结构发生改变，直至破坏。103可编辑ppt2022/11/222岩石在反复冻融后其强度降低的主要原因22022/11/71042.3岩石的强度特性2.3.1概述（1）岩石强度

在研究岩石材料的力学性质时，主要是研究岩石的强度特性和岩石的变性特性两方面。

1.定义岩石强度：是指岩石在各种载荷作用下达到破坏时所能承受的极限应力，即岩石材料在受外载荷作用时抵抗破坏的能力。2.分类岩石的强度主要包括岩石的单轴抗压强度、单轴抗拉强度、抗剪强度、多轴压缩强度等。104可编辑ppt2022/11/2232.3岩石的强度特性23可编辑ppt2022/11/7105（2）研究岩石强度的意义1.是岩石分类、分级中的重要数量指标；2.可以判别计算处或测定处的岩土工程是否稳定；3.在简单地下工程条件下，可作为极限平衡条件(塑性条件)，求解弹塑性问题的塑性区范围，以及弹性区和塑性区的应力与位移。105可编辑ppt2022/11/224（2）研究岩石强度的意义24可编辑pp2022/11/7106（3）岩石的破坏模式从岩石的破坏模式来看，可分为五种破坏形式，如图2-1所示。（a）单轴压缩纵向劈裂破裂（b）剪切破坏（c）多重剪切破坏（d）拉伸破裂（e）由线载荷产生的拉伸破坏106可编辑ppt2022/11/225（3）岩石的破坏模式从岩石的破坏模式来2022/11/71072.3.2岩石的单轴抗压强度（1）定义

岩石的单轴抗压强度是指岩石在单轴压缩载荷作用下，达到破坏前所能承受的最大压应力。亦即岩石受轴向力作用破坏时单位面积上所承受的荷载。即：（2-18）107可编辑ppt2022/11/2262.3.2岩石的单轴抗压强度（2-1（2）试验方法

1.实验过程

单轴抗压强度的试验是在带有上、下块承压板的试验机上进行，按一定的加载速度单向加压直至试件破坏。2.试件尺寸要求

1）国际岩石力学学会规定

试件标准尺寸为Φ54mm,高径比为2.5～3.0倍。

2）我国的规定

试件尺寸为Φ50×100mm，高度为直径的2.0—2.5倍、试件两端面的不平整度不得大于0.05mm、在试件的高度上直径或边长的误差不得大于0.3mm、两端面应垂直于试件轴线，最大偏差不得大于0.250。2022/11/7108108可编辑ppt（2）试验方法2022/11/22727可编辑ppt（3）岩石单向压缩荷载作用下的破坏形态1.圆锥形破坏

圆锥形破坏即X状共轭斜面剪切破坏，其破坏形态如图2—2(a)所示。破坏面法线与载荷轴线的夹角：

原因：由于试件两端面与试验机承压板之间摩擦力较大，所产生的端部效应造成的。在试验加压的过程中，试件的应力分布如图2—3所示。2022/11/7109图2-2单轴压缩破坏形态

图2-3压缩圆柱体的应力分布109可编辑ppt（3）岩石单向压缩荷载作用下的破坏形态2022/11/2282022/11/71102.压剪破坏

单斜面压剪破坏，如图2-1b和图2-2b所示。这种破坏是由于破坏面上的剪应力超过极限引起的，但破坏前破坏面所需承受的最大剪应力也与破坏面上的正应力有关，因而称该类破坏为压剪破坏。

3.纵向劈裂破坏纵向劈裂破坏即拉伸破坏，其破坏形态如图2—2(b)所示。这是因为在轴向压缩载荷作用下，在横向将产生拉伸应力，这也是泊松效应的结果。纵向劈裂破坏是岩石在单轴压缩载荷作用下的主要表现形式。110可编辑ppt2022/11/2292.压剪破坏29可编辑ppt（4）实验条件对单轴抗压强度的影响因素1.承压板给予单轴抗压强度的影响当承压板刚度很大时，其接触面的应力分布很不均匀，呈山字型，如下图2-4所示。因此，承压扳(或者垫块)尽可能采用与岩石刚度相接近的材料，避免由于刚度的不同而引起变形不协调造成应力分布不均匀的现象。图2-4在刚性承压板之间压缩时岩石端面的应力分布2022/11/7111111可编辑ppt（4）实验条件对单轴抗压强度的影响因素图2-4在刚性承压2022/11/71122.试件尺寸及形状对单向轴抗压强度的影响1）试件形状的影响

形试件的四个边角会产生很明显的应力集中现象，因此，目前绝大多数的国家都采用圆柱形的岩石试件。

2）试件尺寸的影响试件的强度通常随其尺寸的增大而减小，这就是岩石力学中被称作的“尺寸效应”。据研究发现试件的尺寸对其强度的影响在很大程度上取决于组成岩石的矿物颗粒的大小。研究结果表明，若试件的直径为4-6cm，且满足试件直径大于其最大矿物颗粒直径的10倍以上，其强度值相对比较稳定。因此，目前对于一般岩石采取直径为50mm的试件作为其标准尺寸。112可编辑ppt2022/11/2312.试件尺寸及形状对单向轴抗压强度的影2022/11/71133）岩石试件的高径比的影响

圆柱形试件高度与直径之比对试验结果有很大的影响。由图2—5可见，当时，曲线趋于稳定。

图2-5粗面岩的抗压强度与h／d的关系113可编辑ppt2022/11/2323）岩石试件的高径比的影响图2-5粗2.3.3岩石抗拉强度（1）定义岩石试件在单轴拉伸时能承受的最大拉应力，称为单轴抗拉强度，简称抗拉强度；（2）测定方法

直接拉伸法、劈裂法、点荷载法1.直接拉伸法1）公式

式中：——岩石的抗拉强度，MPa——试件受拉破坏时的极限拉力；

——与所施加拉力相垂直的截面面积；2022/11/7114114可编辑ppt2.3.3岩石抗拉强度2022/11/23333可编辑pp2）试件与加载系统的连接拉伸试验加载和试件示意图2022/11/7115115可编辑ppt2）试件与加载系统的连接2022/11/23434可编辑pp2.劈裂法（巴西法）由于实验简单，所测得的抗拉强度与直接拉伸很接近，故常用此法。1）公式

式中：——试件中心的最大拉应力，即为抗拉强度，

MPa——试件破坏时的极限拉力；

——承压圆盘的直径和厚度；2022/11/7116116可编辑ppt2.劈裂法（巴西法）2022/11/23535可编辑ppt2）试件与加载系统及应力分布图劈裂试验加载和应力分布示意图2022/11/7117117可编辑ppt2）试件与加载系统及应力分布图2022/11/23636可编3.点荷载法1）优点：是一种简易、快速、价廉的测定岩石单轴抗拉和抗压强度的试验方法；试件可以用不规则岩块。2）缺点：试件结果的离散性较大。3）公式

式中：——破坏荷载，

——破坏时两加载点间的距离，mm；

——点荷载强度，MPa

；2022/11/7118118可编辑ppt3.点荷载法2022/11/23737可编辑ppt点荷载试验对试件形状和尺寸的要求2022/11/7119119可编辑ppt2022/11/23838可编辑ppt2.3.4岩石抗剪强度（1）定义

岩石抵抗剪切的最大剪应力，由内聚力和内摩擦阻力两部分组成；（2）测定方法

直剪试验、变角板剪切试验；

直剪试验装置图、的确定示意图2022/11/7120120可编辑ppt2