第-2-章-岩石基本特性与实验

第2章岩石的基本物理力学特性及其实验2.1岩石的基本物理性质及实验方法2.2单向应力下岩石的变形特性2.3岩石三维应力特性及其实验2.4岩石的破坏机制2.5岩石的强度理论第2章岩石的基本物理力学特性及其实验(1)岩石的比重与容重定义:岩石的比重就是岩石试件内固体部分实体积(不包括孔隙体积)的重量与同体积水重量的比重。

=Gd/(vcw)-------岩石的比重；Gd-------绝对干燥时，岩石固体实体积的重量；vc-------固体部分实体积；w------水的容重2.1岩石的基本物理性质及实验方法第2章岩石的基本物理力学特性及其实验(1)岩石的比重与容重定义:岩石的容重是指单位体积（包括孔隙体积)岩石的重量。

d=Gd/vsat=Gsat/v=G/vd、

sat、-------岩石的干、饱和、天然容重；Gd、Gsat、G-------干、水饱和、天然含水状态下，岩石的重量；v-------岩石的体积；2.1岩石的基本物理性质及实验方法第2章岩石的基本物理力学特性及其实验(2)岩石孔隙性定义：孔隙性指岩石中孔隙与裂隙发育程度，常用空隙度表示。空隙度：指岩石中各种孔隙、裂隙体积的总和与岩石总体积之比。n=(1-d/)*100%n---空隙度；------比重d----岩石的干容重2.1岩石的基本物理性质及实验方法第2章岩石的基本物理力学特性及其实验(2)岩石孔隙性空隙比：指岩石中各种孔隙、裂隙体积的总和与岩石内固体部分实体积之比。e=v0/vce---空隙比；v0------岩石中各种孔隙、裂隙体积的总和；vc------岩石内固体部分实体积；空隙比与空隙度的关系：e=n/（1-n）2.1岩石的基本物理性质及实验方法第2章岩石的基本物理力学特性及其实验(2)岩石孔隙性空隙度对岩石性质的影响：*空隙度增大，岩石的容重与强度降低；*塑性与渗透性增加。几种常见岩石的空隙度与空隙比岩石空隙度n/%空隙比e石灰岩5-200.053--0.01砂岩3-300.031--0.429页岩10--350.111--0.5382.1岩石的基本物理性质及实验方法第2章岩石的基本物理力学特性及其实验(3)吸水性与透水性岩石的吸水性是指遇水不崩解的岩石,在一定的实验条件下,(规定的试样尺寸和试验压力)吸入水分的能力.自然吸水率:试件在大气压力作用下,吸入水分的重量与试件的烘干重量之比;=Gw/Gd*100%强制吸水率:试件在真空或加压(150个大气压)条件下吸入水分的重量与试件烘干重量之比.=Gwsat/Gd*100%影响因素分析:取决于岩石所含孔隙、裂隙数量、大小及其张开度，吸水率试验方法和时间因素。2.1岩石的基本物理性质及实验方法第2章岩石的基本物理力学特性及其实验(3)吸水性与透水性几种岩石的吸水率花岗岩0.1-0.92%砂岩0.2--12.19%页岩1.8-3.0%石灰岩0.1-4.45%岩石的透水性:指岩石被水穿过的性能;影响因素:地下水水头、应力状态、裂隙度、孔隙大小及其连通程度。渗透系数:衡量岩石透水性的指标.量纲为cm/s,m/h2.1岩石的基本物理性质及实验方法第2章岩石的基本物理力学特性及其实验Darcy定律：单位时间内的渗水量与渗透系数k、渗透面积A和水力梯度成正比，而与长度成反比。q=kjQ=kAh/L2.1岩石的基本物理性质及实验方法第2章岩石的基本物理力学特性及其实验(3)吸水性与透水性几种岩石的渗透系数岩石渗透系数cm/sec致密的石灰岩<10-10粉砂岩10-8---10-9细砂岩210-7

坚硬砂岩4.4

10-5---3.910-4

泥岩10-4砂岩及多裂隙页岩>10-3有裂隙的石灰岩2-42.1岩石的基本物理性质及实验方法第2章岩石的基本物理力学特性及其实验(4)水对岩石的作用力学作用:静水压作用,改变了岩体的受力状况,使岩体有效应力减小,降低了抗剪强度

=(-u)tg+C动水压作用表现在冲刷与管涌.物理化学作用:软化、泥化、膨胀、溶蚀作用。软化系数：=Raw/Rc2.1岩石的基本物理性质及实验方法第2章岩石的基本物理力学特性及其实验(1)岩石的全程应力应变曲线刚性试验机发展历史：1960’s

Cook发现并研制了世界上第一台热膨胀式的刚性试验机，并获得了第一条大理岩完整的全程应力应变曲线。以后，其他研究者又研制了刚性组件的刚性试验机和伺服控制的刚性试验机，例如：MTS，INSTRON我国于1970’s末期，阜新矿业学院（热压头、刚性组件）、武汉岩土所（复式加载）研制了简易刚性试验机2.2岩石的单向应力变形特性第2章岩石的基本物理力学特性及其实验基本原理：在进行岩石特性试验时，由于作用与反作用的原理，试验机和岩石试件同时发生变形。它们被看作一个整体系统。试验机的刚度：km=p/m弹性变形能：

Sm=p2/2km

岩石试件的刚度：kr=p/r弹性变形能：Sr=p2/2kr

取kr=30000MPa.cm;km=7000MPa.cm试验机储存的能量相当于试样的4倍.当试件破坏时,试验机能量释放影响试件变形.2.2岩石的单向应力变形特性第2章岩石的基本物理力学特性及其实验当试验机刚度大于试件刚度时,称为刚性试验机。目前试验机刚度远大于试件刚度。类型：刚性组件式；2.2岩石的单向应力变形特性第2章岩石的基本物理力学特性及其实验类型：伺服控制式2.2岩石的单向应力变形特性第2章岩石的基本物理力学特性及其实验(1)岩石的全程应力应变曲线全程应力应变曲线特性分析2.2岩石的单向应力变形特性第2章岩石的基本物理力学特性及其实验(1)岩石的全程应力应变曲线全程应力应变曲线特性分析2.2岩石的单向应力变形特性第2章岩石的基本物理力学特性及其实验全程应力应变曲线特性分析划分为四个变形阶段:第

I阶段:压密阶段,原生孔隙裂隙闭合，变形曲线斜率逐渐增加，声发射事件偶然发生。体积减小。强化占支配地位。（OA段）第

II阶段:线弹性变形阶段，变形曲线斜率不变，声发射事件微弱，体积减小，强化与弱化均衡。（AB段）第

III阶段:非线性变形（弹塑性变形）阶段，变形曲线斜率减小至零，声发射事件的频度与强度增强，体积膨胀，弱化占支配地位。裂隙密集、搭接，形成宏观裂缝。BC段2.2岩石的单向应力变形特性第2章岩石的基本物理力学特性及其实验(1)岩石的全程应力应变曲线全程应力应变曲线特性分析2.2岩石的单向应力变形特性第2章岩石的基本物理力学特性及其实验(1)岩石的全程应力应变曲线全程应力应变曲线特性分析2.2岩石的单向应力变形特性第2章岩石的基本物理力学特性及其实验第

IV阶段:软化阶段,CD阶段，变形曲线斜率变负，声发射频度与强度很高。体积继续增大，弱化占支配地位，变形至残余强度阶段。体积膨胀：压应力作用下，体积增加的现象，本质是剪胀。岩石是一种条件物理不稳定性材料，这是与金属材料本质的区别，它决定了岩体失稳破坏形式，岩爆，突出，地震等2.2岩石的单向应力变形特性第2章岩石的基本物理力学特性及其实验ISRM关于测定岩石材料单轴抗压强度与变形性质的方法弹性模量：切线弹性模量平均弹性模量；割线弹性模量：波松比：=轴向变形斜率/径向变形斜率2.2岩石的单向应力变形特性第2章岩石的基本物理力学特性及其实验(2)岩石的抗拉强度及实验直接拉伸方法:需特制一金属帽套,将试件粘接在帽套上,在万能试验机上进行拉伸实验.实验难做,少用.计算公式St=Pa/A间接拉伸(劈裂法,Brazil法)方法:沿圆饼状试件(高径比0.5)径向加载,使之劈裂,以求得抗拉强度,广泛采用.2.2岩石的单向应力变形特性第2章岩石的基本物理力学特性及其实验(2)岩石的抗拉强度及实验2.2岩石的单向应力变形特性第2章岩石的基本物理力学特性及其实验(2)岩石的抗拉强度及实验点载荷试验法2.2岩石的单向应力变形特性第2章岩石的基本物理力学特性及其实验(3)岩石的抗剪强度及实验直接剪切(单面和双面)2.2岩石的单向应力变形特性第2章岩石的基本物理力学特性及其实验(3)岩石的抗剪强度及实验变角剪切2.2岩石的单向应力变形特性第2章岩石的基本物理力学特性及其实验(3)岩石的抗剪强度及实验三轴压缩试验2.2岩石的单向应力变形特性第2章岩石的基本物理力学特性及其实验2.1岩石的基本物理性质及实验方法2.2单向应力下岩石的变形特性2.3岩石三维应力特性及其实验2.4岩石的破坏机制2.5岩石的强度理论第2章岩石的基本物理力学特性及其实验(1)岩石三维试验的动态

意义：任何岩体工程，例如地下洞库，坝基，岩质边坡，铁路，公路隧道，地下井巷等，都处于双向或三向受力状态。三轴应力试验技术还为研究变形特性和破坏机制，验证强度假说，等方面的研究，提供了有力的手段。2.3岩石三维应力特性及实验第2章岩石的基本物理力学特性及其实验(1)岩石三维试验的动态试验机的发展推动岩石力学的发展1911年Th.V.Karman研制了第一台三轴试验机,围压2500atm,圆柱试件产生1>2=3>0的三向应力状态.1965年,W.Buchheim研制了真三轴仪,使立方体试件产生1≠2≠

3>0三向压应力状态.1970‘s日本,法国,意大利,德国,英国,美国也研制了三轴仪,例如:日本的MOGI,美国的MTS,英国的INSTRON等1979年,日本MIS-235-5-1型大型真三轴刚性试验机试件108*108*108mm,压力200t,100t,100t2.3岩石三维应力特性及实验第2章岩石的基本物理力学特性及其实验(1)岩石三维试验的动态中国1958年,陈宗基主持研制,长春材料试验机厂生产,1965年生产出长江-500型三轴试验机,500t,侧压1500Atm.试件17*14cm1977年,张金铸主持研制成330型真三轴试验机,轴压200t,水平压力55t,试件10*10*23cm。1988年，章梦涛主持研制大型真三轴试验机，轴压500t，侧压300t，试件50*50*50cm2000年，赵阳升主持研制大型多功能真三轴试验机轴压1000t，侧压900t，试件最大尺寸100*100*100cm。2.3岩石三维应力特性及实验第2章岩石的基本物理力学特性及其实验(1)岩石三维试验的动态1987年，陈宗基主持研制800t高温高压伺服三轴流变仪，三轴室工作压力800MPa，温度400℃，试样38*82mm1981-1987年，国家地震局地质研究所高温高压岩石三轴蠕变仪（固体传压介质）温度800℃，围压750MPa发展趋向：高温高压，试件大型化，测试技术，高精度的伺服控制2.3岩石三维应力特性及实验第2章岩石的基本物理力学特性及其实验(1)岩石三维试验的动态2.3岩石三维应力特性及实验大型真三轴多功能

试验台

（太原理工大学一九九九年七月)国家地震局地质研究所固体传压介质高温高压三轴仪第2章岩石的基本物理力学特性及其实验(1)岩石三维试验的动态2.3岩石三维应力特性及实验第2章岩石的基本物理力学特性及其实验(2)岩石三维变形特性岩石应力应变曲线全过程分析I)全曲线的性态与单轴基本相同,同样有4个变形阶段.II)弹性模量变化不大;围压增加,塑性增加,屈服段变得平缓III)意义:多轴应力下,全曲线的认识,是岩石力学逐步走向独立学科的标志,它对支护与围岩相互作用有重要意义.2.3岩石三维应力特性及实验第2章岩石的基本物理力学特性及其实验(2)岩石三维变形特性岩石强度与围压的关系2.3岩石三维应力特性及实验第2章岩石的基本物理力学特性及其实验(2)岩石三维变形特性I)随着围压增加,强度极限提高,关系式为:

c/0=1+a/0II)屈服限建议采用双线性式2.3岩石三维应力特性及实验第

2章岩石的基本物理力学特性及其实验(2)岩石三维变形特性岩石各向异性实验采用大理岩圆柱试件进行三向静水压力压缩实验,发现各向异性明显.说明在静水压力下,岩石仍可能破坏.2.3岩石三维应力特性及实验第2章岩石的基本物理力学特性及其实验(2)岩石三维变形特性2.3岩石三维应力特性及实验第2章岩石的基本物理力学特性及其实验(2)岩石三维变形特性IV)中间主应力的影响2的变化,改变了岩石的受力状态和破坏机制。随2增加，岩石强度先增加，后减小。随2增加，c，和杨氏模量E也同样呈现抛物线型变化。2.3岩石三维应力特性及实验第2章岩石的基本物理力学特性及其实验破坏类型脆性破坏或拉断破坏：岩石在载荷作用下，没有发生显著的变形而突然发生的破坏。塑性破坏或剪切破坏：岩石在载荷作用下，发生了较显著的变形（或出现永久变形）后发生的破坏。影响因素分析应力状态：温度：温度升高，岩石向塑性转化，强度降低。围压：围压增高，岩石从脆性转化为延性，孔隙压：作用与围压相反应变率：应变率增加，脆性增加，抵抗力增强。2.4岩石破坏机制第2章岩石的基本物理力学特性及其实验（1）拉断破坏原因：直接由拉应力造成；由复杂应力衍生的拉应力造成；本质上是岩石应力超过它的抗拉强度所致。特征：沿破坏面出现张开破坏，即发生了相对的法向位移。直接拉断：特点：断裂面与受力方向垂直；间接拉断：断裂面与受力方向平行；2.4岩石破坏机制第2章岩石的基本物理力学特性及其实验（2）剪切破坏：原因：直接剪；复杂应力衍生的剪应力；特点：破裂面之间发生了相对错动；直接剪切，破坏面与外力方向一致；间接剪切：由压缩或其它受力方式引起，与力的方向成一定角度，剪切破坏的特征：I）X型剪切裂缝，剪应力具有对称性。II）剪切破坏网格，破坏带互相切割。III）剪切实际上是一种塑性破坏。2.4岩石破坏机制第2章岩石的基本物理力学特性及其实验（2）剪切破坏2.4岩石破坏机制第2章岩石的基本物理力学特性及其实验（3）岩石物态转化物态转化：在不同条件下，岩石性质发生变化，称为物态转化，分为可逆与不可逆。不同应力（大小、维数）作用时，其性态不同，表现为线弹性、脆性、塑性、弹模改变等等。2的改变，引起岩石应力状态的改变，采用纳达依Nadai参数讨论。=（22-1-3）/（1-3）=-1时，2=3常规三轴压应力类型=0时，2=0.5(1+3)剪应力状态类型=+1时，1=2拉伸应力状态类型随着2增加,岩石由压缩转化为纯剪,继而转化为拉伸2.4岩石破坏机制第2章岩石的基本物理力学特性及其实验（3）岩石物态转化2.4岩石破坏机制第2章岩石的基本物理力学特性及其实验（3）岩石物态转化2.4岩石破坏机制第2章岩石的基本物理力学特性及其实验（3）岩石物态转化2.4岩石破坏机制第2章岩石的基本物理力学特性及其实验强度理论:研究岩石在复杂应力状态下的破坏原因规律及强度条件的理论,称为岩石强度理论.强度条件或准则分为应力强度准则和应变强度准则应力强度准则:1=f(2,3,岩石强度参数)或F(1,2,3,岩石强度参数)=0应变强度准则:1=f(2,3,岩石强度参数)或F(1,2,3,岩石强度参数)=02.5岩石强度理论第2章岩石的基本物理力学特性及其实验(1)库仑--莫尔强度准则(Coulomb--Mohrs)基本假设:岩石的剪切破裂发生是某一平面剪应力超过了岩石的内聚力和法向应力引起的摩擦力之抵抗.库仑准则:=C+ntg莫尔准则:=f()2.5岩石强度理论=C+ntg=f()第2章岩石的基本物理力学特性及其实验(1)库仑--莫尔强度准则(Coulomb,1773--Mohrs,1900)基本假设的讨论:破坏形式是剪切破坏;与中间主应力无关;沿一平面剪坏,该平面通过中间主应力方向.以主应力形式表达的库仑--莫尔强度准则2.5岩石强度理论第2章岩石的基本物理力学特性及其实验库仑--莫尔强度理论的应用I)判断岩石是否发生破坏,屈服函数F=F(……)<0不破坏=0临界破坏,>0破坏II)预测破坏面的方向剪切破坏面与最大主应力平面夹角为=45-/2,与最小主应力平面成=45-/2剪切破裂面是对称共轭的一对.即X型节理.III)确定岩石单轴抗压强度,抗拉强度,抗剪强度及其相互关系2.5岩石强度理论第2章岩石的基本物理力学特性及其实验2.5岩石强度理论第2章岩石的基本物理力学特性及其实验2.5岩石强度理论第2章岩石的基本物理力学