4岩石物理力学性质10

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1、4 岩石的物理力学性质,4.1 岩石的物理性质4.2 岩石的强度4.3 岩石的破坏准则及测试方法4.4 岩石的变形,4 岩石的物理力学性质4.0 概述, 岩石与土： 岩石和土都是组成地壳的基本物质。 岩石是由各种造岩矿物或岩屑在地质作用下按一定规律通过结晶联结或借助于胶结物粘结组合而成物质。岩石矿物颗粒之间存在较强的粘结性。 土是岩石风化解体后形成的岩石矿物颗粒散体集合物。土体矿物颗粒之间没有粘结或只有很弱的粘结性。,4 岩石的物理力学性质4.0 概述, 结构面与结构体： 在岩体中存在着各种不同的地质界面，这种地质界面称为结构面，如层理面、节理面、裂隙和断层等。由这些结构面所切割或包围的岩体称

2、为结构体。 岩块：岩块是指从地壳岩层中取出来的，无显著软弱面的岩石块体。如钻孔岩芯。 岩体：岩体是指天然埋藏条件下大范围分布的、由结构面和结构体组成的地质体。 广义岩石是岩块和岩体的泛称，狭义岩石专指岩块。,4 岩石的物理力学性质4.0 概述, 岩石的结构： 是指决定岩石组织的各种特征的总合，通常是指岩石中矿物颗粒的结晶程度，矿物或岩石碎屑颗粒的形状和大小，颗粒之间相互连结状况，以及胶结物的胶结类型等特征。 组成岩石的物质大小差异程度，决定着岩石的非均质性。颗粒越均匀，岩石力学性质越均匀。组成岩石的物质颗粒越小，一般岩石的强度越大。,4 岩石的物理力学性质4.0 概述, 煤矿常见岩石结构种类：

3、 （1）砾状结构粒径大于2mm的碎屑胶结物，如砾岩。 （2）砂质结构粒径变化在20.05mm之间的碎屑结构类型，如砂岩。 （3）粉砂质结构粒径变化在0.050.005mm之间的碎屑结构类型，如粉砂岩、页岩。 （4）泥质结构粒径小于0.005mm的碎屑结构类型，如泥岩、粘土岩。,4 岩石的物理力学性质4.0 概述, 岩石的构造： 是指岩石中矿物颗粒集合体之间，以及它与其它组成部分之间的排列方式和充填方式。 从矿山岩石力学观点来看，最重要的是以下几种构造： （1）整体构造岩石的颗粒互相严密地紧贴在一起，没有固定的排列方向。 （2）多孔状构造岩石颗粒彼此相接并不严密，颗粒之间有许多小空隙（微孔）。

4、（3）层状构造岩石颗粒互相交替，表现出层次叠置现象（层理）。,4 岩石的物理力学性质4.1 岩石的物理性质, 岩石的密度 是指单位体积的岩石（不包括空隙）的质量。也叫真密度。密度与岩石的空隙及吸水多少无关。 密度单位：kg/m3。 岩石的密度一般在2700 kg/m3左右。,4 岩石的物理力学性质4.1 岩石的物理性质, 岩石的视密度 是指单位体积的岩石（包括空隙）的质量。 视密度与岩石的空隙和吸水多少有关。 天然视密度、干视密度、饱和视密度。 一般岩石的视密度=2500kg/m3。,4 岩石的物理力学性质4.1 岩石的物理性质, 岩石的孔隙性、孔隙度（孔隙率）、孔隙比 岩石的孔隙性是指岩石中

5、孔洞和裂隙的发育程度。 孔隙度是岩石中各种孔洞、裂隙体积的总和与岩石总体积之比，常用百分数表示，故也称为孔隙率。,4 岩石的物理力学性质4.1 岩石的物理性质, 岩石的孔隙性、孔隙度（孔隙率）、孔隙比 孔隙比是指岩石中各种孔洞和裂隙体积的总和与岩石内固体部分实体积之比。,4 岩石的物理力学性质4.1 岩石的物理性质, 岩石的碎胀性和压实性 岩石的碎胀性：岩石破碎以后的体积将比整体状态下增大，这种性质称为岩石的碎胀性。 岩石的碎胀性可用岩石破碎后处于松散状态下的体积与岩石破碎前处于整体状态下的体积之比来表示，该值称为碎胀系数，即：,4 岩石的物理力学性质4.1 岩石的物理性质, 岩石的碎胀性和压

6、实性 岩石破碎后，在其自重和外加载荷的作用下会逐渐压实，体积随之减少，碎胀系数比初始破碎时相应地变小。 岩石的残余碎胀性：岩石破碎体压实后的体积与破碎前原始体积之比，称为残余碎胀系数。 残余碎胀系数常用 表示。,4 岩石的物理力学性质4.1 岩石的物理性质, 岩石的碎胀性和压实性,矸石压实度与压应力关系曲线（张吉雄，2008）,（a）洗选矸石,（b）掘进矸石,4 岩石的物理力学性质4.1 岩石的物理性质, 岩石的吸水性 岩石的吸水性是指遇水不崩解的岩石在一定的试验条件下（规定的试样尺寸和试验压力）吸入水分的能力。 自然吸水性是指试件在大气压力作用下吸入水分的质量与试件的干质量之比。，单位：%。

7、 强制吸水性是指试件在真空或加压（一般为15MPa）条件下吸入水分的质量与试件的干质量之比，它也称饱和吸水率。 sat，单位：%。,4 岩石的物理力学性质4.1 岩石的物理性质, 岩石的透水性 岩石的透水性是岩石能被水透过的性能。 岩石的透水性通常用渗透系数K表示。 达西定律：Q=KAI，即单位时间内的渗水量Q与渗透面积A和水力梯度I有正比关系，其中的比例系数K就称为渗透系数，数值上等于水力梯度为1时的渗流速度，单位：cm/s或m/d。 渗透系数一般是通过在钻孔中进行抽水试验或压水试验来测定。,4 岩石的物理力学性质4.1 岩石的物理性质, 岩石的透水性,4 岩石的物理力学性质4.1 岩石的物

8、理性质, 岩石的软化性 岩石的软化性是岩石浸水后其强度明显降低的现象。 岩石的软化系数是指水饱和岩石试件的单向抗压强度与干燥岩石试件单向抗压强度之比。,4 岩石的物理力学性质4.1 岩石的物理性质, 岩石的膨胀性和崩解性 岩石的膨胀性是岩石遇水后产生体积增大的现象。 岩石的膨胀性可以用膨胀力和膨胀率表示。 岩石与水进行物理化学反应后，随时间变化会产生体积增大现象，这时使试件体积保持不变所需要的压力称为岩石的膨胀应力，而增大后的体积与原体积的比率称为岩石的膨胀率。膨胀性软岩膨胀率甚至大于35 %.,4 岩石的物理力学性质4.1 岩石的物理性质, 侧限膨胀仪,4 岩石的物理力学性质4.1 岩石的物

9、理性质, 岩石的膨胀性和崩解性 岩石的崩解性指岩石与水相互作用时失去粘结性并变成完全丧失强度而成为松散物质的性能。 岩石的崩解现象是由于水化过程中削弱了岩石内部的结构联络引起的。常见于由可溶盐和粘土质胶结的沉积岩地层中。 岩石的耐崩解性指数指岩样在承受干燥和湿润两个标准循环之后，岩样对软化和崩解作用所表现出的抵抗能力。,4 岩石的物理力学性质4.1 岩石的物理性质,选10块岩石试样，每块质量40 60g，磨去棱角使其近于球粒状。将试样放进带筛的圆筒内(筛眼直径为2mm)，在105下烘至恒重后称重，然后将圆筒支承在水槽上，并向槽中注蒸馏水，使水面到低于圆筒轴20mm的位置，20 r/min匀速转

10、动圆筒，10min后取下圆筒作第二次烘干称重，这样就完成了一次于湿循环试验；重复上述试验步骤就可以完成多次干湿循环试验。规范以第二次干湿循环的数据作为计算耐崩解性指数的根据。, 干湿循环测定仪, 岩石与土 结构面与结构体 岩块与岩体 岩石的结构与构造 岩石的(真)密度与视密度 （天然、干燥、饱和视密度） 岩石的空隙性、孔隙度（孔隙率） n 、孔隙比e 岩石的碎胀性和压实性、碎胀系数KP 、残余碎胀系数KP 岩石的吸水性、自然吸水率 、强制吸水率sat 岩石的透水性、渗透系数K 岩石的软化性、软化系数c 岩石的膨胀性与崩解、膨胀应力与膨胀率、崩解性指数,4 岩石的物理力学性质4.0 概述/4.1

11、 岩石的物理性,4 岩石的物理力学性质,4.1 岩石的物理性质4.2 岩石的强度4.3 岩石的破坏准则及测试方法4.4 岩石的变形,4 岩石的物理力学性质4.2 岩石的强度,1 岩石的强度与极限强度 岩石抵抗外力破坏的能力/承受外力作用的能力，即岩石强度。 岩石发生破坏时所能承受的最大载荷叫做极限载荷，用单位面积表示则称为（极限）强度。 单位：MPa（即MN/m2）。 岩石的极限强度与应力条件紧密相关。应力环境（状态）不同，或外力作用时间不同，或外力作用速度不同，岩石的极限强度不同。 派生出：单轴抗压/抗拉/抗剪强度、三轴抗压/抗拉/抗剪强度、瞬时强度、长时强度等。,4 岩石的物理力学性质4.

12、2 岩石的强度,2 岩石强度与岩体强度,岩石强度与结构面强度组合关系！木桶理论!,4 岩石的物理力学性质4.2 岩石的强度,3 岩石的破坏形式,（1）脆性破坏 特点：破坏前没有显著变形（突然性）。 原因：可能是岩石中裂隙的发生和发展的结果。 规律性：坚硬岩石在一定的条件下都表现出脆性破坏的性质。,4 岩石的物理力学性质4.2 岩石的强度,3 岩石的破坏形式,（2）延性（塑性）破坏 特点：破坏前有显著变形。 原因：岩石内结晶晶格错位的结果。 规律性：软弱岩石常表现出延性破坏的性质。,4 岩石的物理力学性质4.2 岩石的强度,3 岩石的破坏形式,（3）弱面剪切破坏 特点：沿结构面滑动。 原因：弱面

13、剪切破坏。 规律性：显存在弱面的岩体经常表现为弱面剪切破坏的性质。,4 岩石的物理力学性质4.1 岩石的强度,3 岩石的破坏形式,岩石的破坏形式取决于： （1）岩石的性质与结构面性质； （2）岩石受力状态有关； （3）岩石环境条件。,岩石试件在单轴压力下(无围压，只轴向加压力)抵抗破坏的极限能力，或极限强度，它在数值上等于破坏时的最大压应力。Rc （应用最广）,4 岩石的物理力学性质4.1 岩石的强度,4 岩石的单向抗压强度, 标准岩石单向抗压强度实验： （1）试件：圆柱体，=5cm，H=10cm，不少于3块 （2）加载速率： 0.51.0 MPa/s。 （3）抗压强度计算：,4 岩石的物理力

14、学性质4.1 岩石的物理性质,4 岩石的单向抗压强度,32, 点载荷强度测定法：,4 岩石的物理力学性质4.2 岩石的强度,4 岩石的单向抗压强度,通常岩石的点载荷指数要比常规单轴抗压强度小得多。 岩石的点载荷指数可以作为独立的岩石强度特性指标应用，可以通过某种公式换算为常规单轴抗压强度。, 岩石抗压强度的主要影响因素：（1）矿物成分（2）结晶程度与颗粒大小（3）胶结情况（4）生成条件（5）风化作用（6）密度（7）水的作用（8）试件的形状和尺寸（9）加载速率（见书表4-8）,4 岩石的物理力学性质4.2 岩石的强度,4 岩石的单向抗压强度,岩石试件在单轴拉力作用下抵抗破坏的极限能力或极限强度，

15、它在数值上等于破坏时的最大拉应力。Rt 岩石的抗拉强度远小于抗压强度。岩石直接进行抗拉强度的试验比较困难，目前大多进行各种各样的间接试验，再用理论公式算出抗拉强度。,4 岩石的物理力学性质4.2 岩石的强度,5 岩石的单向抗拉强度,直接抗拉试验法,4 岩石的物理力学性质4.2 岩石的强度,5 岩石的单向抗拉强度,劈裂法试验法（加载速率 0.5 MP/s）,劈裂法可行性？优点/缺点？, 岩石抗剪强度 岩石抵抗剪切破坏(滑动)的能力。岩石试件受到剪断时，剪切面上的切向应力值，即试件剪断时的极限强度，称为岩石的抗剪强度。 岩石抗剪强度是岩石力学中需要研究的最重要特性之一，往往比抗压和抗拉强度更有意义。,4 岩石的物理力学性质4.2 岩石的强度,6 岩石的单向抗剪强度,