岩块的物理力学性质

关于岩块的物理力学性质第1页，共57页，2023年，2月20日，星期三§2.2岩石的物理性质一、岩石的密度二、岩石的空隙性

岩石由固体、液体和气体三相组成。msmwo水气V0VWVSVV固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。第2页，共57页，2023年，2月20日，星期三一、岩石的密度（单位体积内的岩石质量）1、颗粒密度(ρs)：ρs=ms/Vs2、块体密度(ρ)：岩块单位体积的质量。按含水量的多少可分为：天然密度：ρ=m/V

干密度：ρd=ms/V

饱和密度:ρsat=msat/Vmsmwo水气V0VWVSVV固第3页，共57页，2023年，2月20日，星期三二、岩石的空隙性：孔隙+裂隙总空隙率(n)总开空隙率(no)大开空隙率(nb)小开空隙率(na)闭空隙率(nc)岩石的空隙(裂隙、孔隙)

闭空隙开空隙大开空隙小开空隙空隙比空隙率颗粒体积第4页，共57页，2023年，2月20日，星期三空隙性对岩块及岩体力学性质影响1、n愈大，岩块的强度愈小、塑性变形和渗透性愈大；2、空隙易造成岩石风化，工程地质性质恶化；3、对可溶性岩石，空隙使岩溶发育。第5页，共57页，2023年，2月20日，星期三岩石在水溶液作用下表现出来的性质。

1.吸水性2.软化性3.抗冻性4.透水性§2.3

岩石的水理性质第6页，共57页，2023年，2月20日，星期三一、岩石的吸水性

岩石在一定试验条件下吸收水分的能力。

1.吸水率(Wa)：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，用百分数表示大开空隙率第7页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.饱和吸水率Wp：高压(15MPa)或真空条件下吸入水的质量(mw2)与岩样干质量(ms)之比，用百分数表示总开空隙率第8页，共57页，2023年，2月20日，星期三Wa/Wp3.饱水系数反映岩石中大、小开空隙的相对比例关系。饱水系数大,大开空隙越多,岩石愈易被冻坏，抗冻性差第9页，共57页，2023年，2月20日，星期三

几种岩石的吸水性指标值第10页，共57页，2023年，2月20日，星期三二、岩石的软化性软化系数(KR)：岩石试件的饱和抗压强度(σcw)与干抗压强度(σc)的比值岩石浸水饱和后强度降低的性质第11页，共57页，2023年，2月20日，星期三岩石中含有较多亲水性和可溶性矿物，含大开空隙较多时，岩石的软化性较强，软化系数较小。（软化性与岩石矿物成分及空隙性有关）KR＞0.75，岩石软化性弱，抗冻性和抗风化能力强；KR＜0.75，岩石软化性较强，工程地质性质较差。第12页，共57页，2023年，2月20日，星期三三、岩石的抗冻性岩石抵抗冻融破坏的能力抗冻系数(Rd)：岩石试件经反复冻融后的干抗压强度(σcd2)与冻融前干抗压强度(σcd1)之比，用百分数表示第13页，共57页，2023年，2月20日，星期三Rd＞75％，Km＜2％时，抗冻性高；Wa＜5％、KR＞0.75和Rd＜0.8时，抗冻性高。质量损失率(Km)：冻融试验前后干质量之差(ms1-ms2)与试验前干质量(ms1)之比，以百分数表示第14页，共57页，2023年，2月20日，星期三四、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。水在岩石中的流动，服从线性渗流规律——达西定律，即K：cm/sm/d渗透流速渗透系数水力梯度第15页，共57页，2023年，2月20日，星期三§2.4岩石的热学性质（自学）第16页，共57页，2023年，2月20日，星期三复习总结1、岩石的物理性质

1)岩石的密度

2)岩石的空隙性2、岩石的水理性质1).吸水性：吸水率(Wa)、饱和吸水率(Wp)、饱水系数

2).软化性：软化系数(KR)3).抗冻性：抗冻系数(Rd)、质量损失率(Km)4).透水性：渗透系数(K)颗粒密度(ρs)块体密度(ρ、ρd、ρsat)空隙比(e)空隙率(nn0nanbnc)第17页，共57页，2023年，2月20日，星期三岩块的变形与强度性质应力、应变应力状态、摩尔应力圆几个基本概念zyxzzxzyxyxzyzyxxy任意状态主应力状态第18页，共57页，2023年，2月20日，星期三强度、刚度变形弹性变形、塑性变形弹性、塑性破坏脆性破坏、塑性破坏脆性、塑性粘性、延性岩块的变形与强度性质第19页，共57页，2023年，2月20日，星期三§2.5岩块的变形性质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tptptp岩块的变形与强度性质第20页，共57页，2023年，2月20日，星期三一、单轴压缩条件下的岩块变形（一）连续加载

1、变形阶段空隙压密阶段(OA)峰值前变形阶段峰值后变形阶段oABCDE(+)(-)L

V

d

岩块的变形与强度性质破坏后阶段(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:弹性极限第21页，共57页，2023年，2月20日，星期三岩块的变形与强度性质第22页，共57页，2023年，2月20日，星期三2、峰值前岩块的变形特征

（1）前过程曲线类型及特征

弹性型弹-塑性型塑-弹性型塑-弹-塑性型1塑-弹-塑性型2弹性-蠕变型岩块的变形与强度性质第23页，共57页，2023年，2月20日，星期三（2）变形参数1)变形模量（modulusofdeformation)是指单轴压缩条件下，轴向压应力与轴向应变之比。应力-应变曲线为直线型这时变形模量又称为弹性模量Lo2501i1502ioLii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σc／２处的点与原点连线的斜率岩块的变形与强度性质第24页，共57页，2023年，2月20日，星期三2)泊松比(μ)（poisson`sratio）是指在单轴压缩条件下，

横向应变（εｄ）与轴向应变（εＬ）之比在实际工作中，常采用σｃ／２处的εｄ与εＬ来计算岩块的泊松比。岩块的变形模量和泊松比受岩石矿物组成、结构构造、风化程度、空隙性、含水率、微结构面及其与荷载方向的关系等多种因素的影响，变化较大。岩块的变形与强度性质第25页，共57页，2023年，2月20日，星期三

岩块的变形与强度性质常见岩石的变形模量和泊松比岩石名称变形模量（×104MPa）泊松比岩石名称变形模量（×104MPa）泊松比初始弹性初始弹性花岗岩2~65~100.2~0.3片麻岩1~81~100.22~0.35流纹岩2~85~100.1~0.25千枚岩、片岩0.2~51~80.2~0.4闪长岩7~107~150.1~0.3板岩2~52~80.2~0.3安山岩5~105~120.2~0.3页岩1~3.52~80.2~0.4辉长岩7~117~150.12~0.2砂岩0.5~81~100.2~0.3辉绿岩8~118~150.1~0.3砾岩0.5~82~80.2~0.3玄武岩6~106~120.1~0.35灰岩1~85~100.2~0.35石英岩6~206~200.1~0.25白云岩4~84~80.2~0.35大理岩1~91~90.2~0.35第26页，共57页，2023年，2月20日，星期三3)其他变形参数剪切模量（Ｇ）拉梅常数（λ）体积模量（ＫV)弹性抗力系数（Ｋ）岩块的变形与强度性质第27页，共57页，2023年，2月20日，星期三伺服机试验结果3.峰值后岩块的变形特征脆性大的岩石塑性大的岩石第28页，共57页，2023年，2月20日，星期三（二）

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)岩块的变形与强度性质第29页，共57页，2023年，2月20日，星期三岩块的变形与强度性质3.反复加卸荷(岩石记忆、回滞环、疲劳破坏）第30页，共57页，2023年，2月20日，星期三二、三轴压缩条件下的岩块变形性（一）三轴试验真三轴试验1>2>3

常规三轴试验1>2=3

岩块的变形与强度性质第31页，共57页，2023年，2月20日，星期三

（二）围压对变形破坏的影响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岩块的变形与强度性质第32页，共57页，2023年，2月20日，星期三4、随3增大，岩石的塑性不断增大，随3增大到一定值时，岩石由弹脆性转变为塑性。这时，3的大小称为“转化压力”。

5、随3的增大，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。岩块的变形与强度性质第33页，共57页，2023年，2月20日，星期三三、岩石的蠕变性质在外部条件不变的情况下，岩石的变形或应力随时间而变化的现象叫流变，主要包括蠕变、松弛。蠕变(creep)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。

1.

蠕变曲线特征（三个阶段）AB段-初始蠕变阶段BC段-等速蠕变阶段CD段-加速蠕变阶段岩块的变形与强度性质第34页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.

影响蠕变的因素岩性应力温度、湿度岩块的变形与强度性质第35页，共57页，2023年，2月20日，星期三3.蠕变模型及本构方程（自学）（1）理想物体基本模型弹性元件

粘性元件

塑性元件岩块的变形与强度性质第36页，共57页，2023年，2月20日，星期三（2）组合模型

Maxwall

模型岩块的变形与强度性质第37页，共57页，2023年，2月20日，星期三Kelvin模型岩块的变形与强度性质第38页，共57页，2023年，2月20日，星期三岩块的变形与强度性质其他模型第39页，共57页，2023年，2月20日，星期三§2.6岩块的强度性质岩块强度：岩块抵抗外力破坏的能力。岩块破坏方式脆性破坏塑性破坏(延性破坏）拉破坏剪切破坏一、单轴抗压强度二、单轴抗拉强度三、剪切强度四、三轴压缩强度受力状态岩块的变形与强度性质第40页，共57页，2023年，2月20日，星期三

一、单轴抗压强度σc1、定义：在单向压缩条件下，岩块能承受的最大压应力，简称抗压强度（MPa）。

2、意义: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重要指标

用来大致估算其他强度参数

3、测定方法：抗压强度试验试样pA点荷载试验

岩块的变形与强度性质第41页，共57页，2023年，2月20日，星期三常规压力机岩块的变形与强度性质第42页，共57页，2023年，2月20日，星期三4、破坏方式：拉破坏、剪破坏、对顶锥破坏岩块的变形与强度性质第43页，共57页，2023年，2月20日，星期三常见岩石的抗压强度

岩块的变形与强度性质岩石名称抗压强度（MPa）岩石名称抗压强度（MPa）岩石名称抗压强度（MPa）辉长岩180~300辉绿岩200~350页岩10~100花岗岩100~250玄武岩150~300砂岩20~200流纹岩180~300石英岩150~350砾岩10~150闪长岩100~250大理岩100~250板岩60~200安山岩100~250片麻岩50~200千枚岩、片岩10~100白云岩80~250灰岩20~200第44页，共57页，2023年，2月20日，星期三5.影响因素

（1）岩石自身的性质（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。岩块的变形与强度性质第45页，共57页，2023年，2月20日，星期三端面条件端面效应层理结构强度各向异性岩块的变形与强度性质第46页，共57页，2023年，2月20日，星期三

二、单轴抗拉强度σt1.定义：单向拉伸条件下，岩块能承受的最大拉应力，简称抗拉强度。2.意义：衡量岩体力学性质的重要指标用来建立岩石强度判据，确定强度包络线选择建筑石材不可缺少的参数

3.测定方法：

直接拉伸间接法（劈裂法、点荷载法、三点弯曲法）岩块的变形与强度性质直接拉伸法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载至破坏。PtPt第47页，共57页，2023年，2月20日，星期三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σx=2p/πDL在水平向直径平面内产生的压应力σy=6p/DL抗拉强度σt=2pt

/πDL

（圆形试样）

σt=2pt

/πa2

（方形试样）岩块的变形与强度性质第48页，共57页，2023年，2月20日，星期三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σt=kIs岩块的变形与强度性质第49页，共57页，2023年，2月20日，星期三4.影响因素：结构面的影响（裂隙空隙）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，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称为脆性度，用以表征岩石的脆性程度。

岩块的变形与强度性质第50页，共57页，2023年，2月20日，星期三

常见岩石的抗拉强度岩块的变形与强度性质岩石名称抗拉强度（MPa）岩石名称抗拉强度（MPa）岩石名称抗拉强度（MPa）辉长岩15~36花岗岩7~25页岩2~10辉绿岩15~35流纹岩15~30砂岩4~25玄武岩10~30闪长岩10~25砾岩2~15石英岩10~30安山岩10~20灰岩5~20大理岩7~20片麻岩5~20