岩体力学第2章.

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1、第2章 岩石的基本物理力学性质 岩石的基本物理力学性质是岩体最基本、 最重要的性质之一，也是岩石力学学科中研究最 早、最完善的内容之一。 第一节 基本物理性质 一、岩石的质量指标 （一）重度和比重 1、岩石的重度：单位体积内岩石的重量。 岩石含：固相、液相、气相。 三相比例不同而重度不同。 （2）饱和重度：岩石中的孔隙被水充填时的单 位体积质量（水中浸48小时） （1）天然重度：自然状态下，单位体积质量 G岩石总质量；V总体积。 VV孔隙体积 （3）干重度：岩块中的孔隙水全部蒸发后的单位体 积质量（108烘24h） （4）、岩石的颗粒密度与比重：岩石固体质量与同 体积水在4时的质量比 Gs岩石

2、固体的质量。 （KN/m3） 二、岩石的孔隙性：反映裂隙发育程度的指标 （一）孔隙比 VV孔隙体积（水银充填法求出） （二）孔隙率V=VS+VV en关系: 天然状态下 饱和状态下 三、岩石的水理性质 （一）含水性 1、含水量：岩石孔隙中含水量GW与固体质量之 比的百分数 2、吸水率：岩石吸入水的质量与固体质量之比 吸水率是一个间接反映岩石内孔隙多少的指标 （二）渗透性 在一定的水压作用下，水穿透岩石的能力。反映 了岩石中裂隙向相互连通的程度，大多渗透性可用达 西（Darcy）定律描述： （m3/s） 水头变化率； qx沿x方向水的流量；h水头高度； A垂直x方向的截面面积；k渗透系数。 达西

3、实验 四、岩石的抗风化指标（3类） (1)软化系数（表示抗风化能力的指标） Rcd干燥单轴抗压强度、 Rcc饱和单轴抗压强度； （ ）越小，表示 岩石受水的影响越大。 通过对岩石试件进行烘干，浸水循环试验所得指标。 将烘干的试块约500g，分成10份，放入带有筛孔的圆筒内 ，使圆筒在水槽中以20rs速度连续转10分钟，将留在圆 筒内的石块取出烘干称重。如此进行两次，按下式： (2)岩石耐崩解性指数 试验前的试件烘干质量 ；残留在筒内的试件烘 干质量 、自由膨胀率：无约束条件下，浸水后胀 变形与原尺寸 之比 轴向自由膨胀 （%） H试件高度 径向自由膨胀 （%） D直径 （3）岩石的膨胀性 评价

4、膨胀性岩体工程的稳定。 、侧向约束膨胀率：在侧向约束条件下， 浸水后胀变形与原尺寸之比。 （3）岩石的膨胀性 、膨胀压力：岩石试件浸水后，使试件保 持原有体积所施加的最大压力。 实验方法：预先施加0.01MPa，变形浸水 膨胀0.001mm时，恢复原有体积需要的压力。 岩石的抗冻性：岩石在多次冻融条件下力学 特性。 五、岩石的其它特性 实验在25摄氏度的温度区间内，反复冻融试 件多次后，测量其单轴抗压强度剩余值。 原因分析：各种矿物膨胀系数的差异；孔隙 水结冰体积增大对岩石结构的破坏。 第二节 岩石的强度特性 工程师对材料提出两个问题 1 最大承载力容许应力 ？ 2 最大允许变形容许应变 ？

5、本节讨论 问题 强度：材料受力时抵抗破坏的能力。 强度 单向抗压强度 单向抗拉强度 剪切强度 三轴压缩 真三轴 假三轴 一 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试件截面积 2.试件标准： 圆柱形试件：4.85.4cm ，高H=（22.5) 长方体试件：边长 L= 4.85.4cm , 高H=（22.5)L 试件两端不平度小于0.05mm；尺寸误差0.3mm;两端面 垂直于轴线0.25o 3.单向压缩试件的破坏形态 破坏形态有两类： （1）圆锥形破坏 原因：压板两端存在摩擦力，箍作用（又称

6、端部效应） ，在工程中也会出现。 （2）柱状劈裂破坏 张拉破坏（岩石的抗拉强度远小于抗压强度） 是岩石单向压缩破坏的真实反映（消除了端部效应） 消除试件端部约束的方法 润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部） 加长试件 破坏形态是表现破坏机理的重要特征； 其主要影响因素：应力状态 试验条件 4.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； 高径比：研究表明；h/d(23)较合理 （3）加载速度 加载速度越大，表现强度越高(见图25) 我国规定加载速度为0.5 1.0M

7、Pa/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23倍 。见表22 温度：180以下不明显：大于180，温度越高强度 越小。 二 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。 由于试件不易加工，除研究直接的拉伸的夹具外，研究 了大量的间接试验方法。 2. 直接拉伸法 抗拉强度 关键技术 试件和夹具之间的连接 加力P与试件同心 直接拉伸法 3. 间接方法 岩石是各向同性的线弹性材料 满足平面假设的对称面内弯曲 适用条件： （1）抗弯法（梁的三点弯曲试验） 抗拉强度 三点弯曲梁内的最

8、大拉应力；梁发生破坏时 的 就是 M 作用在试件上的最大弯矩 C 梁边缘到中性轴的距离 I 梁截面绕中性轴的惯性矩 （2）劈裂法（巴西法），对称径向压裂法 由巴西人Hondros提出 要求 荷载沿轴向均匀分布 破坏面必须通过试件的直径 注： 端部效应 并非完全单向应力 试件：实心圆柱50mm； 25mm 试验：径向压缩破坏（张开） 计算公式：由弹性力学Boursinesq公式 式中： 试验中心的最大拉应力，即 p 试验中破坏时的压力 D 试件的直径 t 试件的厚度 （3）点荷载试验法 是上世纪发展起来的一种简便的现场试验方法。 试件：任何形状，尺寸大致5cm，不做任何加工。 试验：在直接带到现

9、场的点荷载仪上，加载劈裂 破坏。 计算： 式中：P 试件破坏时的极限 D 加载点试件的厚度 统计公式： 要求:（由于离散性大），每组15个，取均值，即 建议：用5cm的钻孔岩芯为试件。 三 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 b.抗切断试验 c.弱面抗剪试验 3. 室内试验（抗剪断试验） 试验 楔形剪切仪，加载装置 计算公式： 式中： p压力机的总压力 试件倾角 f 圆柱形滚子与上下压板的摩擦系数 抗剪断仪 Q Q N N P fP 剪切破坏面上的正应力和剪应力为： 岩石的抗剪断曲线（强度曲线） 改变夹

10、具倾角；在30度到70度之间 做一组（大于5次）不同的试验，记录所得 的 ，值；由该组值作曲线近似直线得方 程 式中 tan岩石抗剪切内摩擦系数 c 岩石的粘结力（内聚力） 四 岩石在三向压缩应力作用下的强度 1. 定义 指在不同三向压缩应力作用下岩石抵抗外荷载 的最大应力 2. 三向压缩试验简介 （1） 真三轴 （2） 假三轴 3.三轴压缩试验的破坏类型 4.岩石三向压缩强度的影响因素 （1）侧压力的影响 围压越大，轴向压力越大 （2）加载途径对岩石三向压缩强度影响 A、B、C三条虚线是三个不同的加载途径，加载途径 对岩的最终三向压缩强度影响不大。 （3）孔隙水压力对岩石三向压缩强度的影响

11、孔隙水压力使有效应力（围压）减小 强度降低 返回 第三节 岩石的变形特性 说明变形分析的重要性（直观、易测、建立模型、准则） 一、岩石在单轴压缩应力作用下的变形特性 （一）普通试验机下 的变形特性应力、应变 曲线形状与岩性有关 1、典型的岩石 应力、应变曲线 a.分三全阶段 （1）原生微裂隙压密阶段（OA级） 特点： 曲线 ，应变率随应力增加而减小 ； 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： 曲线是直线；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 。 （3）塑性变形阶段（BC） 特点：

12、曲线 ，软化现象；塑 性变形，变形不可恢复；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。 b.弹性常数与强度的确定 弹性模量:国际岩石力学学会（ISRH）建议三种方法 初始模量 割线模量 切线模量 极限强度 2、反复循环加载曲线 特点： 卸载应力越大，塑 性回滞环越大（原因 ：由裂隙的扩大，能 量的消耗）； 卸载线，相互平行 ； 反复加、卸载、曲 线、总趋势保持不变 （有“记忆功 能”）。 3、岩石应力-应变曲线形态的类型 （1）直线型：弹性、脆性 石英英、玄

13、武岩、坚硬砂岩。 （2）下凹型：弹塑性 石灰岩、粉砂岩；软化效应。 （3）上凹型：塑弹性 硬化效应，原生裂隙压密，实体部分坚硬的岩石。 例如：片麻岩。 （4）S型：塑弹塑型 多孔隙，实体部分较软的岩石：沉积岩（页岩） （二）刚性试验机下的单向压缩的变形特性 普通试验机得到峰值应力前的变形特性，多数岩石在 峰值后工作。 注：C点不是破坏的 开始（开始点B）， 也不是破坏的终。 说明：崩溃原因， Salamon1970年提 出了刚性试验机下 的曲线。 刚 性 机 （1）刚性试验机工作简介 压力机加压（贮存弹性应能） 岩石试件达峰点强度（释放 应变能）导致试件崩溃。 AAO2O1面积峰点后， 岩块产

14、生微小位移所需的能。 ACO2O1面积峰点后， 刚体机释放的能（贮存的能） 。 ABO2O1峰点后， 普通机释放的能（贮存的能） 。 （2）应力、应变全过程曲线形态 在刚性机下，峰值前后的全部应力、应变曲线 分四个阶段：1-3阶段同普通试验机。 4阶段应变软化阶段 特点： 岩石的原生和新生裂隙贯穿，到达D点，靠碎块间的摩擦 力承载，故 称为残余应力。 承载力随着应变增加而减少，有明显的软化现象。 （3）全应力应变曲线的补充性质 近似对称性 B点后卸载有残余应变，重复加载沿另一曲线上 升形成滞环(hysteresis) ，加载曲线不过原卸载 点，但邻近和原曲线光滑衔接。 C点后有残余应变，重复加

15、载滞环变大，反复加 卸载随着变形的增加，塑性滞环的斜率降低，总 的趋势不变。 C点后，可能会出现压应力下的体积增大现象， 称此为扩容(dilatancy)现象。一般岩的 =0.15-0.35， 当 0.5时，就是扩容. 体积应变 : (3)克服岩石试件单向压缩时生产爆裂的途径 提高试验机的刚度 改变峰值后的加载方式 伺服控制试件的位移 普通试验机附加刚性组件的试 验装置（提高试验的刚度） 1岩石试件；2、6电阻应变片； 3金属圆筒；4位移计；5钢垫块 伺服试验机原理示意图 1.岩石试件；2.垫块；3.上压板；4.下压板 ； 5.位移传感器。 （一） 时变形规律见图 越大， c， B ， E越大 二、岩石在三向压应力下的变形特性 （二）当 为常数时，岩石的变形特性 （1） ；（2）E基本不受 变化影 响 （3） 脆性增强。 （三） 为常数时，岩石的变形特性 （1） 不变；（2） E不变； （3）永保塑性变形的特性， 塑性变形增 大