工程地质学-第二章-岩石的工程地质性质-2-岩石的力学性质课件

第二节岩石的力学性质基本概念岩石力学性质：岩石在外力作用下所表现出来的性质。岩石变形：在外力作用下产生变形，这种变形又可分为弹性变形和塑性变形。弹性变形：是物体受力发生的全部变形，在外力解除的同时立即消失，因而是可逆变形。塑性变形：是物体受力变形后，在外力解除后，变形也不再恢复，是不可逆变形，又称为永久变形或残余变形。岩石强度：指岩石抵抗外力破坏的能力。根据破坏时的应力类型，岩石的破坏可有拉破坏、剪破坏和流动破坏三种基本类型。由于受力状态和破坏形式的不同，岩石的强度又可分为单轴抗压强度、单轴抗拉强度、抗剪强度和三轴压缩强度等。第二节岩石的力学性质基本概念一、岩石的变形性质1.岩石在单轴压缩应力作用下的变形特性1)普通试验机下应力－应变曲线形状与岩性有关。(1)典型的岩石应力、应变曲线特征为：Ⅰ.压密阶段Ⅱ.弹性变形至微破裂稳定发展阶段Ⅲ.非稳定破裂发展阶段（或称累进性破裂阶段）Ⅳ.破坏后阶段一、岩石的变形性质1.岩石在单轴压缩应力作用下的变形特性分三阶段（1）原生微裂隙压密阶段（OA级）特点：①曲线，应变率随应力增加而减小；②塑性变形（变形不可恢复）原因：微裂隙闭合（压密）（2）弹性变形阶段（AB段）特点：①曲线是直线；②弹性模量，E为常数（变形可恢复）原因：岩石固体部分变形，B点开始屈服，B点对应的应力为屈服极限。分三阶段（3）塑性变形阶段（BC）特点：①曲线，软化现象；②塑性变形，变形不可恢复；③应变速率不断增大。原因：新裂纹产生，原生裂隙扩展。岩石越硬，BC段越短，脆性性质越显著。脆性：应力超出屈服应力后，并不表现出明显的塑性变形的特性，而破坏，即为脆性破坏。（3）塑性变形阶段（BC）（2）岩石变形参数的确定泊松比μ是指在单轴压缩条件下，岩石试件的横向应变εd与轴向应变εa之比，即

μ＝εd/εa（2）岩石变形参数的确定二、岩石的单轴抗压强度1.定义：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。

式中：P——无侧限的条件下的轴向破坏荷载A——试件界面积2.试件方法：

圆柱形试件：φ4.8－5.2cm，高H=（2－2.5)φ

长方体试件：边长L=4.8－5.2cm,高H=（2－2.5)L

试件两端不平度0.5mm；尺寸误差±0.3mm;

两端面垂直于轴线±0.25o（1）试件标准：二、岩石的单轴抗压强度1.定义：指岩石试件在无侧限的条件下3.影响单轴抗压强度的主要因素（1）承压板端部的摩擦力及其刚度（加垫块的依据）（2）试件的形状和尺寸形状：圆形试件不易产生应力集中，好加工尺寸：大于矿物颗粒的10倍；φ50的依据高径比：研究表明；h/d≥(2－3)较合理（3）加载速度加载速度越大，表现强度越高(见图2－5)

我国规定加载速度为0.5－1.0MPa/s（4）环境含水量：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2－3倍。

温度度：180℃以下部明显：大于180℃，湿度越高强度越小。3.影响单轴抗压强度的主要因素（1）承压板端部的摩擦力及其刚三、岩石的抗拉强度1.定义：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。2.直接拉伸法抗拉强度关键技术①试件和夹具之间的连接②加力P与试件同心四、岩石的抗剪强度1.定义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常用表示2.类型：

a.抗剪断试验类型b.抗切断试验

c.弱面抗剪试验三、岩石的抗拉强度1.定义：岩石试件在受到轴向拉应力后其试五、影响岩石力学性质的因素（一）矿物成分对岩石力学性质的影响1、矿物硬度的影响矿物硬度大，岩石的弹性越明显，强度越高。如岩浆岩，橄榄石等矿物含量的增多，弹性越明显，强度越高；沉积岩中，砂岩的弹性及强度随石英含量的增加而增高；石灰岩的弹性和强度随硅质物含量的增加而增高。变质岩中，含硬度低的矿物（如云母、滑石、蒙脱石、伊利石、高岭石等）越多，强度越低。五、影响岩石力学性质的因素（一）矿物成分对岩石力学性质的2、不稳定矿物的影响化学性质不稳定的矿物，如黄铁矿、霞石以及易溶于水的盐类，如石膏、滑石、钾盐等，具有易变性和溶解性。含有这些矿物的岩石其力学性质随时间而变化。3、粘土矿物的影响含有粘土矿物（蒙脱石、伊利石、高岭石等）的岩石，遇水时发生膨胀和软化，强度降低很大。2、不稳定矿物的影响

（二）岩石的结构构造对岩石力学性质的影响1、岩石结构的影响岩石的结构——指岩石中晶粒或岩石颗粒的大小、形状以及结合方式。岩浆岩：粒状结构、斑状结构、玻璃质结构；沉积岩：粒状结构、片架结构、斑基结构；变质岩：板理结构、片理结构、片麻理结构。岩石的结构对岩石力学性质的影响主要表现在结构的差异上。例如：粒状结构中，等粒结构比非等粒结构强度高；在等粒结构中，细粒结构比粗粒结构强度高。（二）岩石的结构构造对岩石力学性质的影响1、岩石结构

2、岩石构造的影响岩石的构造——指岩石中不同矿物集合体之间或矿物集合体与其他组成部分之间的排列方式及充填方式。岩浆岩：颗粒排列无一定的方向，形成块状构造；沉积岩：层理构造、页片状构造；变质岩：板状构造、片理构造、片麻理构造。层理、片理、板理和流面构造等统称为层状构造。宏观上，块状构造的岩石多具有各向同性特征，而层状构造岩石具有各向异性特征。2、岩石构造的影响（三）水对岩石力学性能的影响岩石中的水

水对岩石力学性质的影响与岩石的孔隙性和水理性（吸水性、软化性、崩解性、膨胀性、抗冻性）有关。水对岩石力学性质的影响主要体现在5个方面：连结作用、润滑作用、水楔作用、孔隙压力作用、溶蚀及潜蚀作用。结合水（连结、润滑、水楔作用）重力水（自由水）（孔隙压力、溶蚀及潜蚀作用）。（三）水对岩石力学性能的影响岩石中的水水对岩石力学性质的影1、连结作用：束缚在矿物表面的水分子通过其吸引力将矿物颗粒拉近，起连结作用。这种作用相对于矿物颗粒间的连结强度非常微弱，故对岩石力学性质影响很小，但对于被土充填的结构面的力学性质影响很明显。2、润滑作用：由可溶盐、胶体矿物连结的岩石，当水浸入时，可溶盐溶解，胶体水解，导致矿物颗粒间的连结力减弱，摩擦力降低，水起到润滑作用。1、连结作用：束缚在矿物表面的水分子通过其吸引力将矿物颗粒拉3、水楔作用：当两个矿物颗粒靠得很近，有水分子补充到矿物表面时，矿物颗粒利用其表面吸引力将水分子拉到自己周围，在颗粒接触处由于吸引力作用使水分子向两个矿物颗粒之间的缝隙内挤入，这种现象称为水楔作用。

水楔作用的两种结果：一是岩石体积膨胀，产生膨胀压力；二是水胶连结代替胶体及可溶盐连结，产生润滑作用，岩石强度降低。3、水楔作用：当两个矿物颗粒靠得很近，有水分子补充到矿物表面4、孔隙水压力作用：对于孔隙或裂隙中含有自由水的岩石，当其突然受荷载作用水来不及排出时，会产生很高的孔隙水压力，减小了颗粒之间的压应力，从而降低了岩石的抗剪强度。5、溶蚀－潜蚀作用：水在岩石中渗透的过程中，可将可溶物质溶解带走（溶蚀），有时将岩石中的小颗粒冲走（潜蚀），从而使岩石强度大为降低，变形增大。

水对岩石强度的影响通常用软化系数表示。4、孔隙水压力作用：对于孔隙或裂隙中含有自由水的岩石，当其突（四）风化对岩石力学性能的影响

风化程度不同，对岩石力学性质的影响程度也不同：1、降低岩体结构面的粗糙程度并产生新的裂隙，使岩体分裂成更小的碎块，进一步破坏岩体的完整性。2、岩石在化学风化过程中，矿物成分发生变化，原生矿物受水解、水化、氧化等作用，逐渐为次生矿物所代替，特别是产生粘土矿物，并随着风化程度的加深，这类矿物逐渐增多。（四）风化对岩石力学性能的影响风化程度不同，对岩石力3、由于岩石和岩体的成分结构和构造的变化，岩体的物理力学性质也随之变化。一般：抗水性降低，亲水性增高（如膨胀性、崩解性、软化性增强），强度降低，压缩性加大，孔隙性增加，透水性增强（但当风化剧烈，粘土矿物较多时，透水性又趋于降）。

总之，岩体在风化营力作用下，岩体的力学性质大大恶化。3、由于岩石和岩体的成分结构和构造的变化，岩体的物理力学第二节岩石的力学性质基本概念岩石力学性质：岩石在外力作用下所表现出来的性质。岩石变形：在外力作用下产生变形，这种变形又可分为弹性变形和塑性变形。弹性变形：是物体受力发生的全部变形，在外力解除的同时立即消失，因而是可逆变形。塑性变形：是物体受力变形后，在外力解除后，变形也不再恢复，是不可逆变形，又称为永久变形或残余变形。岩石强度：指岩石抵抗外力破坏的能力。根据破坏时的应力类型，岩石的破坏可有拉破坏、剪破坏和流动破坏三种基本类型。由于受力状态和破坏形式的不同，岩石的强度又可分为单轴抗压强度、单轴抗拉强度、抗剪强度和三轴压缩强度等。第二节岩石的力学性质基本概念一、岩石的变形性质1.岩石在单轴压缩应力作用下的变形特性1)普通试验机下应力－应变曲线形状与岩性有关。(1)典型的岩石应力、应变曲线特征为：Ⅰ.压密阶段Ⅱ.弹性变形至微破裂稳定发展阶段Ⅲ.非稳定破裂发展阶段（或称累进性破裂阶段）Ⅳ.破坏后阶段一、岩石的变形性质1.岩石在单轴压缩应力作用下的变形特性分三阶段（1）原生微裂隙压密阶段（OA级）特点：①曲线，应变率随应力增加而减小；②塑性变形（变形不可恢复）原因：微裂隙闭合（压密）（2）弹性变形阶段（AB段）特点：①曲线是直线；②弹性模量，E为常数（变形可恢复）原因：岩石固体部分变形，B点开始屈服，B点对应的应力为屈服极限。分三阶段（3）塑性变形阶段（BC）特点：①曲线，软化现象；②塑性变形，变形不可恢复；③应变速率不断增大。原因：新裂纹产生，原生裂隙扩展。岩石越硬，BC段越短，脆性性质越显著。脆性：应力超出屈服应力后，并不表现出明显的塑性变形的特性，而破坏，即为脆性破坏。（3）塑性变形阶段（BC）（2）岩石变形参数的确定泊松比μ是指在单轴压缩条件下，岩石试件的横向应变εd与轴向应变εa之比，即

μ＝εd/εa（2）岩石变形参数的确定二、岩石的单轴抗压强度1.定义：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。

式中：P——无侧限的条件下的轴向破坏荷载A——试件界面积2.试件方法：

圆柱形试件：φ4.8－5.2cm，高H=（2－2.5)φ

长方体试件：边长L=4.8－5.2cm,高H=（2－2.5)L

试件两端不平度0.5mm；尺寸误差±0.3mm;

两端面垂直于轴线±0.25o（1）试件标准：二、岩石的单轴抗压强度1.定义：指岩石试件在无侧限的条件下3.影响单轴抗压强度的主要因素（1）承压板端部的摩擦力及其刚度（加垫块的依据）（2）试件的形状和尺寸形状：圆形试件不易产生应力集中，好加工尺寸：大于矿物颗粒的10倍；φ50的依据高径比：研究表明；h/d≥(2－3)较合理（3）加载速度加载速度越大，表现强度越高(见图2－5)

我国规定加载速度为0.5－1.0MPa/s（4）环境含水量：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2－3倍。

温度度：180℃以下部明显：大于180℃，湿度越高强度越小。3.影响单轴抗压强度的主要因素（1）承压板端部的摩擦力及其刚三、岩石的抗拉强度1.定义：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。2.直接拉伸法抗拉强度关键技术①试件和夹具之间的连接②加力P与试件同心四、岩石的抗剪强度1.定义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常用表示2.类型：

a.抗剪断试验类型b.抗切断试验

c.弱面抗剪试验三、岩石的抗拉强度1.定义：岩石试件在受到轴向拉应力后其试五、影响岩石力学性质的因素（一）矿物成分对岩石力学性质的影响1、矿物硬度的影响矿物硬度大，岩石的弹性越明显，强度越高。如岩浆岩，橄榄石等矿物含量的增多，弹性越明显，强度越高；沉积岩中，砂岩的弹性及强度随石英含量的增加而增高；石灰岩的弹性和强度随硅质物含量的增加而增高。变质岩中，含硬度低的矿物（如云母、滑石、蒙脱石、伊利石、高岭石等）越多，强度越低。五、影响岩石力学性质的因素（一）矿物成分对岩石力学性质的2、不稳定矿物的影响化学性质不稳定的矿物，如黄铁矿、霞石以及易溶于水的盐类，如石膏、滑石、钾盐等，具有易变性和溶解性。含有这些矿物的岩石其力学性质随时间而变化。3、粘土矿物的影响含有粘土矿物（蒙脱石、伊利石、高岭石等）的岩石，遇水时发生膨胀和软化，强度降低很大。2、不稳定矿物的影响

（二）岩石的结构构造对岩石力学性质的影响1、岩石结构的影响岩石的结构——指岩石中晶粒或岩石颗粒的大小、形状以及结合方式。岩浆岩：粒状结构、斑状结构、玻璃质结构；沉积岩：粒状结构、片架结构、斑基结构；变质岩：板理结构、片理结构、片麻理结构。岩石的结构对岩石力学性质的影响主要表现在结构的差异上。例如：粒状结构中，等粒结构比非等粒结构强度高；在等粒结构中，细粒结构比粗粒结构强度高。（二）岩石的结构构造对岩石力学性质的影响1、岩石结构

2、岩石构造的影响岩石的构造——指岩石中不同矿物集合体之间或矿物集合体与其他组成部分之间的排列方式及充填方式。岩浆岩：颗粒排列无一定的方向，形成块状构造；沉积岩：层理构造、页片状构造；变质岩：板状构造、片理构造、片麻理构造。层理、片理、板理和流面构造等统称为层状构造。宏观上，块状构造的岩石多具有各向同性特征，而层状构造岩石具有各向异性特征。2、岩石构造的影响（三）水对岩石力学性能的影响岩石中的水

水对岩石力学性质的影响与岩石的孔隙性和水理性（吸水性、软化性、崩解性、膨胀性、抗冻性）有关。水对岩石力学性质的影响主要体现在5个方面：连结作用、润滑作用、水楔作用、孔隙压力作用、溶蚀及潜蚀作用。结合水（连结、润滑、水楔作用）重力水（自由水）（孔隙压力、溶蚀及潜蚀作用）。（三）水对岩石力学性能的影响岩石中的水水对岩石力学性质的影1、连结作用：束缚在矿物表面的水分子通过其吸引力将矿物颗粒拉近，起连结作用。这种作用相对于矿物颗粒间的连结强度非常微弱，故对岩石力学性质影响很小，但对于被土充填的结构面的力学性质影响很明显。2、润滑作用：由可溶盐、胶体矿物连结的岩石，当水浸入时，可溶盐溶解，胶体水解，导致矿物颗粒间的连结力减弱，摩擦力降低，水起到润滑作用。1、连结作用：束缚在矿物表面的水分子通过其吸引力将矿物颗粒