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1、10/17/2019,1,第二章 岩石物理力学性质,2.1 岩石的地质特征 2.2 岩石的物理性质 2.3 岩石的强度特性 2.4 岩石的变形特性 2.5 影响岩石物理力学性质的主要因素 2.6 岩石的强度理论,本章所说的岩石是指岩石块体，即岩块,一、岩石（块）的物质组成 岩块的力学性质主要取决于组成岩石的矿物成分及其相对含量,2.1 岩石的地质特征 物质组成及结构,粘土矿物,硅酸盐类矿物,碳酸盐类矿物,氧化物类矿物,组成岩石的矿物,二、岩块的结构特征,岩块的结构：岩石内矿物颗粒的大小、形状、排列方式及微结构面发育情况与粒间连结方式等反映在岩块构成上的特征。,结晶连结：矿物颗粒通过结晶相互嵌合
2、在一起，它是通过共用原子或离子使不同晶粒紧密接触。,岩石的粒间连结分结晶连结与胶结连结,胶结连结：矿物颗粒通过胶结物连结在一起。,微结构面削弱岩块的强度，导致各向异性,颗粒大小 强度：粗粒细粒,颗粒形状强度：粒状、柱状片状鳞状,胶结连结的岩块强度：硅质胶结铁质、钙质泥质胶结,三、岩块的风化 岩石经过风化，矿物组成和结构改变，岩块的物理力学性质改变：强度降低、抗变形性能减弱、空隙率增大、渗透性加大。 衡量岩块的风化程度的指标： 定性指标主要有：颜色、矿物蚀变程度、破碎程度及开挖锤击技术特征等 定量指标主要有风化空隙率指标、波速指标、强度指标等,岩石风化程度定量评价指标：,风化空隙率指标（Iw）：
3、快速浸水后风化岩石吸入水后的质量mw与干燥岩石质量mrd之比。,波速指标（cp）：风化岩石弹性波纵波波速。 波速比（Kv）：风化岩石弹性波纵波波速（cp）与新鲜岩块弹性波纵波波速（rp）之比的平方。,风化系数（Kf）：风化岩石的饱和单轴抗压强度（cw）与新鲜岩石饱和单轴抗压强度（cw）之比。,硬质岩石风化风化程度分类表,岩土工程勘察规范（GB50021-2001）,硬质岩石风化风化程度野外描述,硬质岩石风化风化程度野外描述,四、岩块的工程分类 1、Deere &Miller 双指标分类 分类指标：岩块抗压强度（c）、模量比（Et/c）,10/17/2019,9,2 国标岩土工程勘察规范 （GB
4、50021-2002）分类 分类指标：新鲜岩块的饱和单轴抗压强度（cw）,10/17/2019,10,2.2 岩石的物理性质,岩石和土一样，也是由固体、液体和气体三相组成的。岩石的力学性质常与岩石中三相的比例关系及固相与水相互作用有密切的关系。 通常将岩石由于三相组成的相对比例关系不同所表现的物理状态，以及岩石在与水溶液作用下所表现出来的性质统称为岩石的物理性质。前者一般称为岩石的基本物理性质，主要包括质量与重量性质、空隙性等；后者称为岩石的水理性质，主要有吸水性、软化性、抗冻性、透水性等。 研究意义： 影响岩石的力学性质； 判断岩石所处状态及评价岩石工程稳定性的参数。,一、岩石的基本物理性质
5、 （一）岩石的质量与重量指标密度与重度,1、天然密度（） 岩石在天然条件下单位体积的质量，即 V岩石试件的总体积； m岩石试件的总质量 测定方法有量积法、水中称重法、蜡封法等，试件数量不少于5个 2、饱和密度（ sat） 岩石中空隙全部被水充填时单位体积的质量，即 ms岩石试件中固体的质量； Vv岩石试件中空隙的体积； w水的密度。 测定方法有煮沸法、真空法，试件数量不少于5个,岩石天然密度越大，其工程性质越好。影响因素是矿物成分、孔隙与微裂隙发育程度以及含水量。,3、干密度（ d） 岩石空隙中液体全部蒸发，试件中仅有固体和空气的状态下，单位体积的质量，即 测定方法主要为烘干法，试件数量不少于
6、3个 天然密度、饱和密度和干密度是不同含水状态的岩石密度，大小关系：d sat 4、重力密度（简称重度）（） 单位体积岩石的重量，即 g重力加速度，工程计算时一般取10m/s2。,密度和重度在进行岩体工程稳定性计算评价、自重应力计算时是常用的参数,干密度取决于矿物成分及空隙发育程度,3、岩石的颗粒密度 岩石的颗粒密度（ s）是指岩石固体物质的质量与固体的体积之比，即 Vs颗粒体积； ms颗粒质量 颗粒密度测定方法一般采用比重瓶法。,岩石颗粒密度只取决于矿物成分。,（二）岩石的空隙性,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、
7、孔隙）,闭空隙,开空隙,大开空隙,小开空隙,岩石空隙率,二、岩石的水理性质 （一）岩石的含水性质,1、岩石的含水率（） 岩石空隙中含水的质量（mw）与固体质量（ms）之比的百分数，即 根据试件含水率状态的不同，分为天然含水率和饱和含水率。,岩石含水率是反应岩石中水分多少的指标，岩石尤其是软岩，含水率高，则强度降低多，变形性强，影响岩石力学性质显著,（二）岩石的吸水性,岩石在一定的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，即,大开空隙率与吸水率的关系,2、饱和吸水率(Wsat) 岩石试件在煮沸、高压(一般压力
8、为15MPa)或真空条件下吸入水的质量(mw2)与岩样干质量(ms)之比，即,3、饱水系数 岩石的吸水率与饱和吸水率之比。反映了岩石中大、小开空隙的相对比例关系,总开空隙率与饱和吸水率的关系,几种岩石的吸水性指标值,（三）岩石的软化性,岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性。 软化系数(KR) 岩石试件的饱和抗压强度(cw)与干抗压强度(c)的比值，即,岩石中含有较多的亲水性和可溶性矿物，大开空隙较多，岩石的软化性较强，软化系数较小。 KR0.75，岩石的软化性弱，工程地质性质较好 KR0.75，岩石软化性较强，工程地质性质较差,常见岩石的物理性质指标值,（四）岩石的抗冻性,岩石抵抗冻融破坏
9、的能力，称为抗冻性。 抗冻系数(Rd) 岩石试件经反复冻融后的饱水抗压强度(c2)与冻融前饱水抗压强度(c1)之比，用百分数表示,质量损失率(Km) 冻融试验前后干质量之差(ms1ms2)与试验前干质量(ms1)之比，以百分数表示,Rd75，Km2，抗冻性高 吸水率Wa5、软化系数KR0.75，饱水系数小于0.8的岩石，抗冻性高。,（五）岩石的透水性,是指岩石在一定的水力坡度的作用下，水渗透通过岩石的能力。 反映岩石中空隙的发育程度及空隙之间相互连通程度。 岩石中水流运动多服从达西定律，因此岩石的渗透性可用达西定律描述： v渗透流速； J水力坡度； K渗透系数,几种岩石的渗透系数值,加荷方式,
10、单轴加荷,三轴加荷,单轴压缩,单轴拉伸,连续加荷(a),循环加荷,逐级一次循环加荷(b),反复循环加卸荷(c),加剪力,岩石受力（实验条件）的几种情况：,单向受压,单向受拉,双向受力,压剪,2.3 岩石的强度特性,在外载作用下，当岩石内部的应力达到或超过某一极限时，岩石就发生破坏 岩石强度：岩石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,脆性破坏：岩石在荷载作用下没有显著觉察的变形就突然破坏。 * 大多数坚硬岩石在一定条件下都表现出脆性破坏的性质。 * 产生这种破坏的原因可能是岩石中裂隙发生和发展的结果。,例如，地下洞室开挖后，由于洞室周围的应力显著增大
11、，洞室岩可能产生许多裂隙，尤其是洞顶的张裂隙，这些都是脆性破坏的结果。,延性破坏：岩石在破坏之前变形很大，且没有明显的破坏荷载，表现出显著的塑性变形，流动或挤出，这种破坏称为延性或韧性破坏。塑性变形是岩石内结晶晶格结位的结果。在一些软弱岩石中这种破坏较为明显。,有些洞室的底部岩石隆起，两侧围岩向洞内膨胀都属延性破坏的例子。坚硬岩石一般属于脆性破坏，但在两向或三向受力较大的情况下，或者在高温的影响下，也可能延性破坏。,岩体破坏的主要形式是弱面剪切破坏 弱面剪切破坏：岩体中存在着许多软弱结构面，细微裂隙等弱面，在荷载作用下，弱面上的剪应力一旦超过弱面的抗剪强度时，岩体将弱面剪切破坏，致使岩体产生滑
12、移。,如节理岩体中的地下洞室顶部岩块崩塌，洞侧岩石的滑动，以及岩坡沿软弱面的失稳等，都属于弱面剪切破坏。,岩石在破坏前后的应力-应变关系比金属材料复杂得多，岩石究竟属于脆性材料还是属于塑性材料，这不仅取决于岩石性质，且受应力状态，地温，受荷时间等多种因素的影响。,单轴抗压强度 单轴抗拉强度 剪切强度 三轴压缩强度,受力状态,单向受压,单向受拉,双（三）向受力,压剪,一、单轴抗压强度c 1、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 1）衡量岩块基本力学性质的重要指标 2）岩体工程分类、建立岩体破坏判据的重要指标 3）用来大致估算其他强度参数 3、测定方
13、法 抗压强度试验 点荷载试验,c,c,4、单向压缩条件下的破坏方式,(a)拉破坏,(b)剪破坏,(c)对顶锥破坏 （共轭剪切破坏）,延性破坏,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 (1)试件形状、尺寸及加工精度 多边形试样易引起应力集中，故易破坏；横截面形状对强度的影响：圆形六多边形四边形三边形试件； 加工精度影响应力分布形式，如弯矩； 岩石强度尺寸效应：试样尺寸越大，岩石强度越低；试件的高径比h/D增大，岩块强度降低 圆形试件的优点：不易产生应力集中，好加工,(2)加荷速率 加载速度越大，表现强度越高
14、,(3) 湿度、温度 含水量越高，强度越低，对泥岩、粘土等软弱岩体，干燥强度是饱和强度的23倍。 180以下不明显：大于180，湿度越高强度越小。,(4)端面条件端面效应,(5)层理结构强度各向异性,主要是端面摩擦力限制试样的横向膨胀,改变端部应力状态,6、单轴抗压强度试验的要求 1）ISRM(国际岩石力学学会)的建议值： 试件形状为圆柱体，试件直径54mm，径高比2.53.0 试件直径与最大粒径之比为10:1 平行作5个以上的试验 保持试件的天然含水量，试件保存不得超过30d 端面磨平度为0.02mm，轴线垂直度为0.001弧度或3.5”或每50mm不超过0.005mm，侧面不平度0.3mm
15、 试验时加载速率控制在0.490.98MPa/s，加载时间为510min,2）工程岩体试验方法标准（GB/T50266-2013）规定： 圆柱体试件，直径4854mm、高径比2.02.5 试件直径与最大粒径之比为10：1 试件两端面不平行度误差不得大于0.05mm 沿试件高度，直径误差不得大于0.3mm 端面应垂直于试件轴线，偏差不得大于0.25 加荷速率0.51.0MPa/s 试件数量3个 3）试验机： 最好采用刚性试验机或伺服试验机 试件上下加垫层，垫层直径等于试件的直径或比直径大2mm，垫块厚度不得小于试件直径的1/3 也可以在加压铁板与试件接触面上加润滑剂,7、单轴抗压强度试验资料整理
16、 设n个试件抗压强度试验数据分别为ci（i=1,2,n），计算下列数据： 1）平均值： 2）偏差： 3）标准差： 4）离散系数（偏差系数、变异系数）： 离散系数cv是衡量试验数据优劣的标准。一般要求cv15%20%。,二、单轴抗拉强度t 1、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： 1）直接拉伸法 2）间接法 ：点荷载荷载法、劈裂法、三点弯曲法(抗弯法)等 点荷载试验，点荷载强度为Is，则抗拉强度t= kIs,直接拉伸法： 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。,劈裂试验（对称径向压裂法、巴西法） 由巴
