岩石的力学性质

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1、第一章第一章 岩石的力学性质岩石的力学性质岩石和岩体的力学性质，是矿山岩体力学的基本问题。岩石的力学性质主要指：在各 种载荷作用下，它们的变形特征，出现塑性流动和发生破坏的条件。表征岩石力学性质的 参数如下： 变形参数：岩石的变形摸量，弹性摸量，切变摸量，泊松比和流变性等。 强度特性参数：岩石抗拉，抗弯，抗煎，抗压等各种强度极限。第一节、岩石的成分及结构与其力学性质的关系第一节、岩石的成分及结构与其力学性质的关系岩石是多种矿物颗粒的集合体。岩石一般有下列十余中主要矿物组成，即长石(正长石、 斜长石)、石英、云母(黑云母、白云母)、角闪石、辉石、橄榄石、方解石、白云石、高岭 土、赤铁矿等。它们在

2、矿石中的含量按岩石成因而异。 岩层按成因分类为： 岩浆岩 系由岩浆在地壳内不同深度冷凝而成； 沉积岩 是由已有岩体经风化、崩溃、搬迁、再胶结或化学作用而形成； 变质岩 则由已有岩石在高温高压条件下经过改变而形成的。 基本概念 (1)、岩石的结构：岩石的矿物颗粒的大小、形状、表面特征、颗粒相互关系、胶结类 型等特征。 (2)、岩石的构造：岩石的组成部分在定向的排列情况。如层面、断层（几何特征） 。 晶体结构是岩浆岩和变质岩的最大特征，也是很多沉积岩的特征。晶体结构是岩浆岩和变质岩的最大特征，也是很多沉积岩的特征。 (3)、矿物的晶体：构成矿物的各种化学元素的原子（离子）在空间一定规律排列，使 其

3、具有规则的几何形状的固体称为晶体。 (4)、矿物的晶体的结构类型：等粒结构，不等粒结构，斑状结构。 图 1-1 是典型晶体结构类型岩浆岩和变质岩的晶体结构与岩石力学性质的关系：晶粒细小，等粒状，岩石强度大。 颗粒大的斑状结构晶体内部或晶粒间含有缺陷，岩石强度低。 沉积岩的结构与力学性质的关系 沉积岩中的岩石碎屑之间由胶结物将连结在一起。其力学性质取决于胶结物和胶结类 型。基质胶结：岩石碎屑被胶结物包围，强度取决于胶结物。 接触胶结：仅颗粒接触处有胶结物，胶结不牢，强度低，透水性强。 孔隙胶结：胶结物完全成部分地充填与颗粒孔隙之间。胶结牢固，所以岩石强度和透 水性主要由胶结物性质及充填程度确定。

4、 胶层物分类：硅质和铁质强度高，钙质次之，泥质最低。 沉积强度主要取决于胶结物性质及充填程度。沉积强度主要取决于胶结物性质及充填程度。 除构成岩石的矿物颗粒大小，结合方式对其力学性质有影响外，矿物的排列方式（构 造）及沉积顺序亦表现出影响。如云母片岩、片麻岩、页岩等，则表现出力学性质的各向 异性。第二节第二节 影响岩石力学性质的物理特性影响岩石力学性质的物理特性一、容重和比重一、容重和比重 1、容重W V式中容重；W岩石试件重量；V岩石试件体积 岩石容重与岩性和成因有关岩石容重与岩性和成因有关。从岩石力学的角度，岩石的容重和比重影响到岩石的自 重应力场和惯性质量 岩石容重的测试方法。 2、比重

5、 岩石比重是扣除孔隙的岩石干重和其实体积之比，再与 4水的容重之比。dwWRV图 1-2式中岩石比重；Wd岩石试件在烘箱中烘至 105保持恒温、恒重时，岩石固体重量；RV扣除孔隙的岩石试件固体部分的体积；4时水的容重。w二、岩石的孔隙度二、岩石的孔隙度 岩石的孔隙度是岩石试件中孔隙体积与包括孔隙的岩石体积之比，直接测量孔隙体积 是困难的，一般通过测量岩石重量，再通过一些换算公式测量岩石的孔隙100%sdLWWnV式中 Ws为水饱和的岩石试件重量(如某种岩石与水有化学反应时，应改用与岩石无化学反应的液体)；Wd干燥岩石试件的重量；V岩石试件体积；液体的密度。L几种岩石的容重、比重、孔隙度见下表三

6、、岩石的水理性质三、岩石的水理性质实践表明，水能瞬时地或逐渐地改变岩石的力学性质和性态。 岩石在水溶液作用下所表现出的力学的、物理的、化学的性质称为岩石的水理性质岩石在水溶液作用下所表现出的力学的、物理的、化学的性质称为岩石的水理性质。 (1)、岩石的渗透性 水通过岩石流动的难易程度，在一维条件下，有dpvKdx 式中 v 渗流速度，也称比流量；p 孔隙水压力；K 渗透系数。 岩石的渗透性通常用渗透系数 K 衡量，K 越大，渗透性越好。 (2)、软化性 岩石被水湿润后，强度降低，柔度增加(弹性模量降低)的特性。 (3)、溶蚀性 由于水的化学作用，岩石中的某些成分被水流带走的现象。溶蚀造成岩石致

7、密程度降 低，孔隙度增大，渗透性改善，强度降低。 (4)、膨胀性岩石受水浸湿后，体积膨胀的现象。岩石膨胀造成强度降低、柔度增加并导致应力的 不均匀。第三节第三节 岩石的变形特征岩石的变形特征岩石在载荷作用下首先发生的现象是变形。岩石的变形性对采矿工程和岩石工程有重 要影响。岩石的单向、二向、三向变形特征不同，但研究最充分的是岩石的单向变形，岩 石的变形(用应变表示)与载荷(用应力表示)有关，但有时还与时间有关。当岩石的变形不仅取决于应力还取决于时间时，需要考虑岩石的流变特性。脆性、塑性、坚硬等说法是通常 用来描述岩石变形性能(有时也包括强度)的直观说法，形象但不十分严格。 脆性材料 破坏具有突

8、变性的材料。 延性材料 破坏比较平缓的材料。 脆性 破坏前永久变形的大小，可用脆性度度量（库克） 。 延性 塑性，永久变形。一、岩石在单向受压状态下的变形一、岩石在单向受压状态下的变形 下面图是单向受压情况下岩石的应力应变应变的全过程曲线。图 1-3 是全图，图 1-4 是 屈服以前的局部放大图。图 1-3图 1-4从图中可以看出在单向受载下岩石的变形可划分为四个阶段： 1、微裂隙压密段（OA 段） ，岩石内部原有裂隙的闭合超过新产生的裂隙，曲线上凹；2、弹性变形阶段（AB 段） ，岩石内部原有裂隙的压密与新产生的裂隙大致相等，岩 石被继续压缩，应力应变曲线的斜率不变，应力应变关系呈现为线性；

9、 3、岩石总体上进入裂隙发展和扩展的阶段（BC）段，在该阶段岩石中新产生的裂隙 超过了被压密的裂纹，曲线向下凹，开始进入塑性阶段，并发生体积膨胀。同时有声发射 加剧的现象； 4、裂隙加速产生并不稳定扩展，直至岩石试件完全丧失承载能力（CD）段。破坏 过 程。在这个阶段随着应变的增加，岩石强度减小，岩石的这种特性称为岩石的应变弱化， 应变弱化岩石区别于金属的显著的力学性质之一应变弱化岩石区别于金属的显著的力学性质之一 对于均匀各向同性介质，按线弹塑性理论，在弹性阶段的体积变形为 2vzx按照这个关系可以描述岩石单向压应力与体积变形的关系。一般认为，当体积变形偏 离弹性压缩并增大，就认为产生了压应

10、力作用下的体积膨胀，压应力下的体积膨胀是岩石压应力下的体积膨胀是岩石 区别于金属的另一显著的力学性质区别于金属的另一显著的力学性质。 压应力作用岩石的应力应变全过程曲线反映了岩石在压应力作用下其内部裂隙的发展压应力作用岩石的应力应变全过程曲线反映了岩石在压应力作用下其内部裂隙的发展 过程、渐近破坏，应变弱化的是岩石区别于金属的最主要的力学特性过程、渐近破坏，应变弱化的是岩石区别于金属的最主要的力学特性。二、试验机特性与岩石的应力应变全过程曲线二、试验机特性与岩石的应力应变全过程曲线 首先介绍刚度的定义。设物体所受的载荷为 Q，在 Q 的作用下，总的变形为 U，如果 物体是弹性的，则 Q 与 U

11、 之间的关系为 Q=KU (1-1) 式中 K 就是该物体的刚度。从上式可以看出，刚度 K 是物体产生单位位移(总体变形)所需 要的力(载荷)。这里弹性表现为 K 是与 U 无关的是一个常数。对于弹性介质，应力应变的 线性关系等价于载荷 Q 和位移(总体变形)的线性关系。这是因为，如果 A 是弹性试件的面 积，L 是试件的长度，Q 是试件所受的载荷，是试件在载荷 Q 的作用下的总变形，则L是试件应力，是试件应变，弹性变形要求Q AL L(1-2)QLEEAL从上式可得出(1-3)EAQLQK LL EAKL由于 E 是常数，因此 K 也是常数，因此线弹性的应力应变关系导致线性的载荷位移关 系，

12、但必须指出的是，刚度包含了几何因素，因此不是材料内秉的力学性质，而是一种结 构特性。 岩石试验机在其工作范围内总体的力学特性是弹性的，否则试验机不能正常工作。这 样试验机和岩石组成的力学系统可以简化成下图的力学模型，若 P 是试验机所受力，Q 是 岩石试样所受的力，由于试验机与试样组成了串联系统，因此在平衡状态下 P=R (1-4) 由于试验机在弹性范围内工作，因此(1-5)constMMMPKUK式中 Um试验机的变形，Km试验机的刚度。UR岩石的变形，Km试验机的刚度 从图 13 可以看到，岩样的应力应变关系是非线性的，岩石的刚度 KR是变形 UR的函 数，因此(1-6)()RRRQKUU

13、g式中 UR岩石的变形。若系统的总位移是 U。在岩样破坏前的加载过程中，外部对系 统的功为(1-7)1 2WPU储存在试验机中的弹性变形能为(1-8)2 2111 222MMMM MPWPUK UK储存在岩样中的变形能和由于岩样内裂隙生成、扩展所消耗的功之和为(1-9) 00()RRUURRRRRRRWU dUKUU dU上式可以写为(1-10)2 2011 22RRURRRRR RQWKU dUK UK式中是岩样从变形为零到变形为 UR过程中的平均刚度。上式的正确性可由定积分的第RK一中值定理得到(见有关数学分析的教程)。 由于 P=R，如果试验机的刚度 KM小于岩样的平均刚度，即 KM W

14、R。此时，岩样 一旦发生破坏，则储存在试验机中的弹性能突然释放，对岩样产生冲击作用，破坏以突变 的形式发生，试验终止，无法得到岩样的全程曲线。 当岩样进入过过峰值强度后的变形区，使岩样继续压缩所需要的载荷减小，系统受力P=Q 减小，如果此时 KM QRP。 在这种情况下，一旦岩样的变形进入了过峰值强度后的 URP时，储存在试验机中弹性 变形能突然释放，对岩样产生冲击作用，导致岩石的突然破坏。无法得到岩样的应力应变 全过程曲线。反之，如果试验机的刚度 KM更大，当岩样进入过峰值强度后的变形区，岩样继续变形， 的过程中，试验机释放的弹性能小于岩样继续压缩的变形能。试验机的载荷RRPRCUUUPCP

15、也小于岩样的载荷 QCP，因此，必须外界继续对试验系统作功，岩样才能继续压缩(见 图 1-8)。KM 很大的试验机叫刚性试验机。MPUkPQRURCUCPPCPQ0 1RUMU2RU 1MU 2MURPUCQPQ QMCU图 16 试验机与岩样的相互作用图 18 刚性试验机与岩样的相互作用PRMK RKRu1Ru01Mu RuMuMu图 16 普通柔性试验机上岩样的突然破坏OQRU最早的岩石应力应变全过程曲线是在刚性试验机上得到的，现在有了更先进的伺服试 验机能使试验机施于岩石的载荷与岩样强度的衰减同步降低。三、岩石应力应变曲线的类型三、岩石应力应变曲线的类型 类型：线性应力应变关系。坚硬岩石

16、，细粒岩浆岩、细粒变质岩、玄武岩、石英 岩、辉绿岩、白云岩和坚硬石灰岩，脆性破坏。 类型：弹塑性。开始弹性，以后塑性。代表性岩为石灰岩、粉砂岩、凝灰岩。 类型：塑弹性开始上凹，后转为直线。破坏以前没有明显屈服。具有这类塑弹性变 形特征的是岩石中有孔隙和细裂隙的坚硬岩石，如砂岩、花岗岩、某些辉绿岩等。 类型：塑性弹性(细 S 型)。线性段斜率较大。这类变形的岩石有坚硬致密的变质岩， 如大理岩、片麻岩。 类型：亦为细 S 型，但线性段斜率较小。如在垂直片理方向受压的片岩，有很高的 压缩性和很大的塑性变形。 类型：岩盐及其他蒸发岩的变形特征曲线。开始是很短的直线，随后出现不断增大 的非弹性变形和连续蠕变。三轴试验下的应力