岩石的物理力学性质(上)_岩石力学课件

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1、1,2.1 岩石的结构和构造,构造：各种不同结构的矿物集合体的各种分布和排列方式。,结构：矿物颗粒的形状、大小和联结方式所决定的结构特征。,粒间联结,结晶联结：矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起， 它是通过共用原子或离子使不同晶粒紧密接触。,胶结联结：矿物颗粒通过胶结物联结在一起。,硅质胶结铁质、钙质泥质胶结,第2章 岩石的物理力学性质,Mar , 2007,2,第2章 岩石的物理力学性质,2.2 岩石的基本物理性质,Mar , 2007,3,第2章 岩石的物理力学性质,2.2 岩石的基本物理性质,岩石单位体积(包括岩石中孔隙体积)的重量称为容重（重度，unit weight ）。岩石容重的表达式

2、为： （2-1） 式中， 岩石容重（kN/m3）； 岩样的重量（kN）； 岩样的体积（m3）。,质量指标,2.2.1 容重和密度,Mar , 2007,4,第2章 岩石的物理力学性质,根据岩石的含水状况，将容重分为天然容重 、干容重 和饱和容重 。,岩石容重取决于组成岩石的矿物成分、孔隙发育程度及其含水量。岩石容重的大小，在一定程度上反映出岩石力学性质的优劣。,测定岩石的容重可采用量积法（直接法）、水中法或蜡封法。具体采取何种方法，应根据岩石的性质和岩样形态来确定。,Mar , 2007,5,Faculty of Civil Engineering, Chongqing University,

3、第2章 岩石的物理力学性质,Mar , 2007,6,Faculty of Civil Engineering, Chongqing University,第2章 岩石的物理力学性质,Mar , 2007,7,第2章 岩石的物理力学性质,岩石的密度定义为岩石单位体积(包括岩石中孔隙体积)的质量，用 表示，单位一般为kg/m3。它与岩石容重之间存在如下关系： （2-2） 式中， 重力加速度，m/s2。,Mar , 2007,8,第2章 岩石的物理力学性质,岩石的比重，在数值上等于其密度，它取决于组成岩石的矿物比重及其在岩石中的相对含量。 岩石的比重，可采用比重瓶法进行测定，试验时先将岩石研磨成粉

4、末，烘干后用比重瓶法测定。岩石的比重一般为2.52.8。,specific gravity,2.2.2 比重,Mar , 2007,9,第2章 岩石的物理力学性质,孔隙性,porosity,2.2.3 孔隙率和孔隙比,Mar , 2007,10,第2章 岩石的物理力学性质,质量,体积,三相草图,Mar , 2007,11,第2章 岩石的物理力学性质,三相草图,已知关系五个:,共有九个参数: V Vv Vs Va V / ms m ma m,剩下三个独立变量,三相草图法,物性指标是比例关系: 可假设任一参数为1,实验室测定,其它指标,是一种简单而实用的方法,Mar , 2007,12,第2章 岩

5、石的物理力学性质,水理性质,2.2.4 含水率、吸水率和饱水率,Mar , 2007,13,第2章 岩石的物理力学性质,Mar , 2007,14,第2章 岩石的物理力学性质,岩石的渗透性是指在水压力作用下，岩石的孔隙和裂隙透过水的能力。岩石的渗透性可用渗透系数来衡量。渗透系数的物理意义是介质对某种特定流体的渗透能力。因此，对于水在岩石中渗流来说，渗透系数的大小取决于岩石的物理特性和结构特征，例如岩石中孔隙和裂隙的大小、开闭程度以及连通情况等。 根据达西（Darcy）定律，渗流速度与水力坡度成正比,坚硬的花岗岩、致密的石灰岩的渗透系数低于10-10厘米/秒 砂岩、多裂隙的页岩的渗透系数大于10

6、-3厘米/秒,permeability,2.2.5 岩石的渗透性,Mar , 2007,15,第2章 岩石的物理力学性质,岩石的膨胀性是指岩石浸水后体积增大的性质。某些含粘土矿物(如蒙脱石、水云母及高岭石)成分的软质岩石，经水化作用后在粘土矿物的晶格内部或细分散颗粒的周围生成结合水溶剂腔(水化膜)，并且在相邻近的颗粒间产生楔劈效应，当楔劈作用力大于结构联结力，岩石显示膨胀性。 岩石膨胀性大小一般用膨胀力和膨胀率两项指标表示，目前国内大多采用土的固结仪和膨胀仪测定岩石的膨胀性，测定岩石膨胀力和膨胀率的试验方法常用的有平衡加压法、压力恢复法和加压膨胀法。,膨胀压力曲线,自由膨胀率：无约束条件下，浸

7、水后膨胀变形与原尺寸之比 轴向自由膨胀 径向自由膨胀,抗风化指标,2.2.6 岩石的膨胀性,Mar , 2007,16,第2章 岩石的物理力学性质,岩石的崩解性是指岩石与水相互作用时失去粘结性并变成完全丧失强度的松散物质的性能。这种现象是由于水化过程中削弱了岩石内部的结构联结引起的，常见于由可溶盐和粘土质胶结的沉积岩地层中。岩石崩解性一般用岩石的耐崩解性指数表示，这个指标可以在实验室内做干湿循环试验确定。 试验时，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，然后将留在圆筒内的石块取出烘干称重。如此反复进行两次，按试验前的试件烘干质量和

8、残留在筒内的试件烘干质量计算耐崩解性指数。,干湿循环测定仪 1 圆筒；2 轴；3 水槽,disintegration,2.2.7 岩石的崩解性,Mar , 2007,17,第2章 岩石的物理力学性质,softening coefficient,2.2.8 岩石的软化性,Mar , 2007,18,第2章 岩石的物理力学性质,frost resistance,2.2.9 岩石的抗冻性,Mar , 2007,19,Faculty of Civil Engineering, Chongqing University,第2章 岩石的物理力学性质,常见岩石的物理性质指标值,Mar , 2007,20,F

9、aculty of Civil Engineering, Chongqing University,第2章 岩石的物理力学性质,岩石在荷载作用下破坏时所承受的最大荷载应力称为岩石的强度。岩石的强度取决定于很多因素，岩石结构、风化程度、水、温度、围压大小、各向异性等都影响岩石的强度。,2.3 岩石的强度,岩石的力学性质是 物理性质的延伸,万能材料试验机,Mar , 2007,21,第2章 岩石的物理力学性质,1. 单轴抗压强度,岩石单轴抗压强度就是岩石试件在单轴压力作用下(无围压，只在轴向加压力)所能承受的最大压应力。单轴抗压强度等于达到破坏时最大轴向压力除以试件的横截面积，即,圆柱形试件：4.

10、85.2cm ，高H=（22.5) 长方体试件：边长L= 4.85.2cm , 高H=（22.5)L 试件两端不平度0.5 mm；尺寸误差0.3mm ； 两端面垂直于轴线0.25o,试件标准：,compressive strength,2.3.1 岩石抗压强度,Mar , 2007,22,第2章 岩石的物理力学性质,岩石的抗压强度试验,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； 50的依据 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

11、越高 我国规定加载速度为0.5 1.0 MPa/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。 温度：温度增加，岩石强度降低。,Mar , 2007,23,第2章 岩石的物理力学性质,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,单轴压力作用下试件的劈裂； 单斜面剪切破坏； 多个共轭斜面剪切破坏,岩石单轴压缩时的常见破坏形式,Mar , 2007,24,第2章 岩石的物理力学性质,典型试件,Mar , 2007,25,第2章 岩石的物理力学性质,常见岩石的抗压强度,Mar , 2007,26,常规三轴压

12、力试验是使圆柱体试件周边受到均匀压力（ ），而轴向则用压力机加载（ ）。三轴压力试验测得的岩石强度和围压关系很大，岩石抗压强度随围压的增加而提高。通常岩石类脆性材料随围压的增加而具有延性。,第2章 岩石的物理力学性质,100T大型动静三轴试验机,2. 三轴抗压强度,Mar , 2007,27,第2章 岩石的物理力学性质,（a) 拉断破坏；(b)剪断破坏； (c) 塑性破坏,Mar , 2007,28,第2章 岩石的物理力学性质,真三轴压力试验加载是使试件成为 的应力状态。真三轴压力试验可得到许多不同应力路径下的力学结果，可为岩石力学理论研究提供较多的资料。但是真三轴试验装置复杂，试件六面均可受

13、到加压引起的摩擦力，影响试验结果，故较少进行该类试验。,Mar , 2007,29,岩石的抗剪强度是岩石抵抗剪切破坏的极限能力，它是岩石力学中重要指标之一，常以内聚力 和内摩擦角 这两个抗剪参数表示。,直接剪切试验,第2章 岩石的物理力学性质,岩石剪力仪,shear strength,2.3.2 岩石抗剪强度,Mar , 2007,30,第2章 岩石的物理力学性质,图2-5 抗剪强度 与正应力 的关系,Mar , 2007,31,第2章 岩石的物理力学性质,2. 楔形剪切试验,Mar , 2007,32,第2章 岩石的物理力学性质,楔形剪切试验结果,Mar , 2007,33,第2章 岩石的物

14、理力学性质,3. 三轴压缩试验,Mar , 2007,34,常 见 岩 石 的 剪 切 强 度,第2章 岩石的物理力学性质,Mar , 2007,35,岩石的抗拉强度就是岩石试件在单轴拉力作用下抵抗破坏的极限能力，它在数值上等于破坏时的最大拉应力值。,第2章 岩石的物理力学性质,直接拉伸法,关键技术,试件和夹具之间的连接 加力P与试件同心,tensile strength,2.3.3 岩石抗拉强度,Mar , 2007,36,第2章 岩石的物理力学性质,间接方法,（巴西法）,劈裂法,Mar , 2007,37,第2章 岩石的物理力学性质,（梁的三点弯曲试验） 抗拉强度,岩石是各向同性的线弹性材

15、料 满足平面假设的对称面内弯曲,适用条件：,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,抗弯法,Mar , 2007,38,第2章 岩石的物理力学性质,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 试件破坏时的极限荷载 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。,点荷载试验法,Mar , 2007,39,第2章 岩石的物理力学性质,常见岩石的抗拉强度,Mar , 2007,40,岩 块 的 几 种 强 度 与 抗 压

16、 强 度 比 值,第2章 岩石的物理力学性质,Mar , 2007,41,岩石破坏有两种基本类型： 脆性破坏(格里菲斯强度理论)，它的特点是岩石达到破坏时不产生明显的变形，岩石的脆性破坏是由于应力条件下岩石中裂隙的产生和发展的结果； 塑性破坏(莫尔库仑强度理论)，破坏时会产生明显的塑性变形而不呈现明显的破坏面。塑性破坏通常是在塑性流动状态下发生的，这是由于组成物质颗粒间相互滑移所致。,第2章 岩石的物理力学性质,2.3.4 岩石强度准则,Mar , 2007,42,第2章 岩石的物理力学性质,最大正应力理论,最大正应变理论,最大剪应力理论,八面体剪应力理论,Mar , 2007,43,强度理论的研究历史,Coulomb (1773) 把土及岩石看成摩擦材料。 Tresca (1864) 作了一系列的挤压实验，发现金属材料在屈服时，可以看到有很细的痕纹；而这些痕纹的方向接近于最大剪应力方向。,第2章 岩石的物理力学性质,Mar , 2007,