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1、2018/9/2 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 1,岩体力学之 岩石的基本物理力学性质,2018/9/2 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 2,基本内容,2018/9/2 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 3,1.1 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。 定义：物理性质是指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。 1、岩石的密度 2、岩石的空隙性,2018/9/2 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 4,一、岩石的密度,1、颗粒密度(s)s= ms/Vs2、块体密度()=m/V注意：（1）s与的区别 (s)（2）s与的单位 （g/cm3
2、 kN/m3） （3）测试方法（s-比重瓶法；-量积法）,2018/9/2 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 5,密度（）和重度()：单位体积的岩石的质量称为岩石的密度。单位体积的岩石的重力称为岩石的重度。所谓单位体积就是包括孔隙体积在内的体积。（g/cm3），g(kN /m3)岩石的密度可分为天然密度、干密度和饱和密度。相应地，岩石的重度可分为天然重度、干重度和饱和重度。,2018/9/2 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 6,1、天然密度（）和天然重度（）指岩石在天然状态下的密度和重度。,（g/cm3）,(kN /m3),式中：W天然状态下岩石试件的质量(g；)V岩石试件的体积(c
3、m3)；g重力加速度。,2018/9/2 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 7,干密度是指岩石孔隙中的液体全部被蒸发后单位体积岩石的质量，相应的重度即为干重度。,2、干密度（d）和干重度(d ),（g/cm3）,(kN /m3),式中：Ws岩石试件烘干后的质量(g)；V岩石试件的体积(cm3)；g重力加速度。,2018/9/2 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 8,3、饱和密度（ ）和饱和重度(w),饱和密度就是饱水状态下岩石试件的密度。,式中：WW饱水状态下岩石试件的质量 (g)；V岩石试件的体积(cm3)；g重力加速度。,（g/cm3）,(kN /m3),2018/9/2 武汉科技
4、大学理学院工程力学系 蔡路军 9,二、比重(),岩石的比重就是指岩石固体的质量与同体积水的质量之比值。岩石固体体积，就是指不包括孔隙体积在内的体积。岩石的比重可在实验室进行测定，其计算公式为：,式中：岩石的比重；Ws干燥岩石的质量(g);Vs岩石固体体积(cm3);W 40C时水的密重。,2018/9/2 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 10,三、岩石的空隙性,空隙：岩石中孔隙和裂隙的总称。,闭型空隙：岩石中不与外界相通的空隙。开型空隙：岩石中与外界相通的空隙。包括大开型空隙和小开型空隙。在常温下水能进入大开型空隙，而不能进入小开型空隙。只有在真空中或在150个大气压以上，水才能进入小开
5、型空隙。,空隙度：指岩石的裂隙和孔隙发育程度，其衡量指标为空隙率(n)或空隙比（e）。,2018/9/2 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 11,根据岩石空隙类型不同，岩石的空隙率分为：(1)总空隙率n(2)大开空隙率nb(3)小开空隙率nl(4)总开空隙率n0(5) 闭空隙率nc 一般提到岩石的空隙率时系指岩石的总空隙率。,1、空隙率,2018/9/2 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 12,(1)总空隙率n: 即岩石试件内空隙的体积（VV)占试件总体积(V)的百分比。,(2)大开空隙率nb:即岩石试件内大开型空隙的体积（Vnb)占试件总体积(V)的百分比。,(3)小开空隙率nl:即
6、岩石试件内小开型空隙的体积（Vnl)占试件总体积(V)的百分比。,2018/9/2 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 13,(4)总开空隙率（孔隙率）n0: 即岩石试件内开型空隙的总体积（Vn0)占试件总体积(V)的百分比。,(5)闭空隙率nc: 即岩石试件内闭型空隙的体积（Vnc)占试件总体积(V)的百分比。,2018/9/2 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 14,所谓空隙比是指岩石试件内空隙的体积（V V)与岩石试件内固体矿物颗粒的体积（Vs)之比。,2 、空隙比(e),2018/9/2 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 15,常见岩石的物理性质指标值,第三章 岩石的物理、水
7、理性质,2018/9/2 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 16,1.2 岩石的水理性质,定义：岩石在水溶液作用下表现出来的性质，称为水理性质。主要有：1.吸水性 2.软化性 3.抗冻性 4.透水性,2018/9/2 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 17,一、岩石的吸水性,定义：岩石在一定的试验条件下吸收水分的能力，称为岩石的吸水性。 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，用百分数表示,2018/9/2 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 18,2.饱和吸水率 岩石的饱和吸水率(Wp)是指岩石试件在高压(一般压力为15
8、MPa)或真空条件下吸入水的质量(mw2)与岩样干质量(ms)之比，用百分数表示，即,3.饱水系数 岩石的吸水率(Wa)与饱和吸水率(Wp)之比，称为饱水系数。它反映了岩石中大、小开空隙的相对比例关系。,2018/9/2 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 19,几种岩石的吸水性指标值,2018/9/2 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 20,二、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)为岩石试件的饱和抗压强度(cw)与干抗压强度(c)的比值,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
9、，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,2018/9/2 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 21,常见岩石的物理性质指标值,2018/9/2 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 22,三、岩石的抗冻性,岩石抵抗冻融破坏的能力，称为抗冻性。 抗冻系数(Rd)：岩石试件经反复冻融后的干抗压强度(c2)与冻融前干抗压强度(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。,2018/9/2
10、武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 23,四、岩石的透水性,地下水存在于岩石孔隙、裂隙之中，而且大多数岩石的孔隙裂隙是连通的，因而在一定的压力作用下，地下水可以在岩石中渗透。岩石的这种能透水的性能称为岩石的透水性。岩石的透水性大小不仅与岩石的孔隙度大小有关，而且还与孔隙大小及其贯通程度有关。 衡量岩石透水性的指标为渗透系数(K)。一般来说，完整密实的岩石的渗透系数往往很小。岩石的渗透系数一般是在钻孔中进行抽水或压水试验而测定的。 一般认为，水在岩石中的流动，如同水在土中流动一样，也服从于线性渗流规律达西定律，即,2018/9/2 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 24,几种岩石的渗透系数
11、值,2018/9/2 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 25,五、岩石的耐崩解性,岩石的崩解性是指岩石与水相互作用时失去粘结性并变为完全丧失强度的松散物质的性质。岩石的崩解性一般用耐崩解指数 Id2 的表示。其指标可在实验室用干湿循环试验确定。,试验过程：将经过烘干的试块（500g,分成约10块），放在带有筛孔的圆筒内，使该圆筒在水槽中以20r/min,连续旋转10 min,然后将留在圆筒内的岩块取出烘干称重，如此反复进行两次，按下式计算耐崩解指数。,2018/9/2 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 26,五、岩石的耐崩解性,岩石的崩解性是指岩石与水相互作用时失去粘结性并变为完全丧失
12、强度的松散物质的性质。岩石的崩解性一般用耐崩解指数 Id2 的表示。其指标可在实验室用干湿循环试验确定。,试验过程：将经过烘干的试块（500g,分成约10块），放在带有筛孔的圆筒内，使该圆筒在水槽中以20r/min,连续旋转10 min,然后将留在圆筒内的岩块取出烘干称重，如此反复进行两次，按下式计算耐崩解指数。,2018/9/2 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 27,式中： Id2 两次循环试验求得的耐崩解指数，在0100%之间变化； md试验前试块的烘干质量； mr残留在圆筒内试块的烘干质量； W1 试验前试件和圆筒的烘干重量； W2第二次循环后试件和圆筒的烘干重量； W0试验结束冲
13、洗干净后圆筒的烘干重量。岩石的崩解性指数反映了岩石在浸水和温度变化的环境下抵抗风化作用的能力。,2018/9/2 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 28,六、岩石的膨胀性,岩石的膨胀性是指岩石浸水后体积增大的性质。岩石的膨胀性大小一般用膨胀力和膨胀率指标表示。其测定方法是平衡加压法。,试验中不断加压，并保持体积不变，所测得的最大压力即为岩石的最大膨胀力；然后逐级减压，直至荷载为0，测定其最大膨胀变形量，膨胀变形量与试件原始厚度的比值即为膨胀率。,2018/9/2 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 29,1、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
14、度 径向自由膨胀 （%）D直径,评价膨胀性岩体工程的稳定。,2018/9/2 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 30,七、岩石的碎胀性,岩石破碎后的体积VP比原体积V增大的性能称为岩石的碎胀性，用碎胀系数来表示。,碎胀系数不是一个固定值，是随时间而变化的。永久碎胀系数（残余碎胀系数）不能再压密时的碎胀系数称为永久碎胀系数.,2018/9/2 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 31,2 岩石的强度特性,应力、应变 应力状态、莫尔应力圆,几个基本概念,任意状态,主应力状态,2018/9/2 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 32,2 岩石的强度特性,工程师对材料提出两个问题1 最大承载
15、力许用应力 ？2 最大允许变形许用应变 ？ 本节讨论 问题 强度：材料受力时抵抗破坏的能力。Strength of rock,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,2018/9/2 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 33,2 岩石的强度特性,加荷方式,单轴加荷,三轴加荷,单轴压缩,单轴拉伸,连续加荷,循环加荷,逐级一次循环加荷,反复循环加卸荷,加剪力,t,p,t,p,t,p,2018/9/2 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 34,2 岩石的强度特性,强度,单向抗压强度 单向抗拉强度(非限制性) 剪切强度 三轴压缩,真三轴 假三轴,受力状态如上,2018/9/2 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 35,2.1 岩石的单轴抗压强度,常见岩石的抗压强度,2018/9/2 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 36,2.1 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，简称抗压强度（MPa）。UCS un-axial compress stress,
