岩岩 石石 力力 学学岩岩 石石 力力 学学 辽宁科技大学辽宁科技大学Rock MechanicsRock Mechanics1 1第一章岩石物理力学性质2 21.1 岩石的基本构成和地质分类3 3岩石力学岩石力学一、岩石的主要矿物成份一、岩石的主要矿物成份 岩石中主要的造岩矿物有: 岩石中主要的造岩矿物有:正长石、斜长石、正长石、斜长石、石英、黑云母、白云母、角闪石、辉石、橄榄石英、黑云母、白云母、角闪石、辉石、橄榄石、方解石、白云石、高岭石、赤铁矿石、方解石、白云石、高岭石、赤铁矿等等岩石力学岩石力学一、岩石的主要矿物成份一、岩石的主要矿物成份 岩石中的矿物成分会影响岩石的抗岩石中的矿物成分会影响岩石的抗风化能力、物理性质和强度特性风化能力、物理性质和强度特性 岩石中 岩石中矿物成分的相对稳定性矿物成分的相对稳定性对岩对岩石抗风化能力有显著的影响,而石抗风化能力有显著的影响,而矿物矿物的相对稳定性的相对稳定性主要与其化学成分、结主要与其化学成分、结晶特征及形成条件有关晶特征及形成条件有关岩石力学岩石力学二、岩石的常见结构类型二、岩石的常见结构类型 岩石的结构是指岩石中矿物和岩屑颗粒相互岩石的结构是指岩石中矿物和岩屑颗粒相互之间的关系,包括颗粒的大小、形状、排列、之间的关系,包括颗粒的大小、形状、排列、结构连结特点及岩石中的微结构面。
结构连结特点及岩石中的微结构面 岩石结构连结类型:岩石结构连结类型:结晶连结和胶结连结结晶连结和胶结连结岩石力学岩石力学二、岩石的常见结构类型二、岩石的常见结构类型 岩石中矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起,如岩石中矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起,如岩浆岩、大部分变质岩及部分沉积岩的结构连结岩浆岩、大部分变质岩及部分沉积岩的结构连结晶体颗粒之间紧密接触,岩石强度一般较大,但晶体颗粒之间紧密接触,岩石强度一般较大,但随结构的不同而有一定的差异随结构的不同而有一定的差异 等粒结晶等粒结晶结构一般比结构一般比非等粒结晶非等粒结晶结构的强度大,结构的强度大,细粒结晶细粒结晶结构比结构比粗粒粗粒的强度高,的强度高,细粒基质细粒基质比比玻璃玻璃基质基质的强度高的强度高 粗粒斑晶的酸性深成岩强度较低,细粒微晶而粗粒斑晶的酸性深成岩强度较低,细粒微晶而无玻璃质的基性喷出岩强度最高,如粗粒花岗岩无玻璃质的基性喷出岩强度最高,如粗粒花岗岩抗压强度一般只有抗压强度一般只有120 MPa,而同一成分的细粒,而同一成分的细粒花岗岩则可达花岗岩则可达260 Mpa结结晶晶连连结结岩石力学岩石力学二、岩石的常见结构类型二、岩石的常见结构类型 颗粒与颗粒间通过胶结物连在一起的连接。
颗粒与颗粒间通过胶结物连在一起的连接如沉积碎屑岩,部分粘土岩的结构连结如沉积碎屑岩,部分粘土岩的结构连结 胶结连结岩石强度取决于胶结物和胶结类型 胶结连结岩石强度取决于胶结物和胶结类型 胶结物: 胶结物:硅质、铁质胶结强度>钙质>泥质硅质、铁质胶结强度>钙质>泥质 胶结类型: 胶结类型: 1、基质胶结类型、基质胶结类型:岩石碎屑被胶岩石碎屑被胶结物包围,强度取决于胶结物结物包围,强度取决于胶结物 ;; 2、接触胶结、接触胶结类型类型:仅颗粒接触处有胶结物,胶结不牢,强仅颗粒接触处有胶结物,胶结不牢,强度低,透水性强度低,透水性强 ;;3、孔隙胶结类型、孔隙胶结类型:胶结物完胶结物完全或部分地充填与颗粒孔隙之间,胶结牢固,全或部分地充填与颗粒孔隙之间,胶结牢固,岩石强度和透水性主要由胶结物性质及充填程岩石强度和透水性主要由胶结物性质及充填程度确定度确定 胶胶结结连连结结岩石力学岩石力学二、岩石的常见结构类型二、岩石的常见结构类型微微结结构构面面 岩石中的微结构面,是指存在于矿物颗粒内岩石中的微结构面,是指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒及矿物集合体之间微小的弱面及部或矿物颗粒及矿物集合体之间微小的弱面及空隙。
包括矿物的解理、晶格缺陷、晶粒边界、空隙包括矿物的解理、晶格缺陷、晶粒边界、粒间空隙、微裂隙等粒间空隙、微裂隙等 岩石中的微结构面一般是很小的,通常需在 岩石中的微结构面一般是很小的,通常需在显微镜下观察才能见到,但它们对岩石工程性显微镜下观察才能见到,但它们对岩石工程性质的影响却是相当大的质的影响却是相当大的 有些专家认为缺陷是影响岩石力学性质的决有些专家认为缺陷是影响岩石力学性质的决定性因素定性因素 岩石力学岩石力学三、岩石的地质成因分类三、岩石的地质成因分类岩岩 浆浆 岩岩岩浆岩岩浆岩:主要由地壳深处或上地幔中形成的高:主要由地壳深处或上地幔中形成的高温熔融的岩浆,上升到地下浅处或喷出地表冷温熔融的岩浆,上升到地下浅处或喷出地表冷凝而成的岩石叫岩浆岩凝而成的岩石叫岩浆岩根据根据冷凝成岩浆岩地冷凝成岩浆岩地质环境质环境,岩浆岩分为三大类:,岩浆岩分为三大类:深成者、浅成岩深成者、浅成岩和喷出岩和喷出岩(火山岩火山岩) 岩石力学岩石力学三、岩石的地质成因分类三、岩石的地质成因分类橄榄岩橄榄岩(超基性侵入岩超基性侵入岩)岩石力学岩石力学三、岩石的地质成因分类三、岩石的地质成因分类岩岩 浆浆 岩岩 1、深成岩、深成岩 深成岩颗粒均匀,多为粗 深成岩颗粒均匀,多为粗—中粒状结构,中粒状结构,致密坚硬,孔隙很少,致密坚硬,孔隙很少,力学强度高力学强度高,透水性,透水性较弱,抗水性较强,所以深成岩体的工程地较弱,抗水性较强,所以深成岩体的工程地质性质一般比较好。
花岗岩、闪长岩、花岗质性质一般比较好花岗岩、闪长岩、花岗闪长岩、石英闪长岩等均属常见的深成岩体,闪长岩、石英闪长岩等均属常见的深成岩体,常被选作大型建筑场地如举世瞩目的常被选作大型建筑场地如举世瞩目的长江长江三峡大坝的坝基三峡大坝的坝基就是坐落在花岗闪长岩体之就是坐落在花岗闪长岩体之上岩石力学岩石力学三、岩石的地质成因分类三、岩石的地质成因分类岩岩 浆浆 岩岩2、浅成岩、浅成岩 成分一般与相应的深成岩相似,但其产状和成分一般与相应的深成岩相似,但其产状和结构都不相同,多为岩床、岩墙、岩脉等小侵结构都不相同,多为岩床、岩墙、岩脉等小侵入体,岩体均一性差,岩体结构常呈镶嵌式结入体,岩体均一性差,岩体结构常呈镶嵌式结构,而岩石多呈斑状结构和均粒构,而岩石多呈斑状结构和均粒—中细粒结构,中细粒结构,细粒岩石强度比深成岩高,抗风化能力强,斑细粒岩石强度比深成岩高,抗风化能力强,斑状结构岩石则差一些状结构岩石则差一些岩石力学岩石力学三、岩石的地质成因分类三、岩石的地质成因分类岩岩 浆浆 岩岩3、喷出岩、喷出岩 喷出岩是岩浆喷出后才凝固,岩石中含有较 喷出岩是岩浆喷出后才凝固,岩石中含有较多的多的玻璃及气孔构造、杏仁构造玻璃及气孔构造、杏仁构造,岩石颗粒很,岩石颗粒很细,多呈致密结构。
细,多呈致密结构 喷出岩是在急骤冷却条件下凝固形成的,喷出岩是在急骤冷却条件下凝固形成的,原原生节理生节理比较发育,例如,玄武岩的比较发育,例如,玄武岩的柱状节理柱状节理、、流纹岩的流纹岩的板状节理板状节理等 喷出岩的结构比较复杂, 喷出岩的结构比较复杂,岩性不均一,各向岩性不均一,各向异性显著,岩体连续件较差,透水性较强,软异性显著,岩体连续件较差,透水性较强,软弱夹层和弱结构面比较发育弱夹层和弱结构面比较发育,成为控制岩体稳,成为控制岩体稳定性的主要因素定性的主要因素岩石力学岩石力学三、岩石的地质成因分类三、岩石的地质成因分类沉沉 积积 岩岩 沉积岩是由风化剥蚀作用或火山作用形成的物 沉积岩是由风化剥蚀作用或火山作用形成的物质,在原地或被外力搬运,在适当条件下沉积下质,在原地或被外力搬运,在适当条件下沉积下来,经胶结和成岩作用而形成的,其矿物成分主来,经胶结和成岩作用而形成的,其矿物成分主要是粘土矿物、碳酸盐和残余的石英长石等要是粘土矿物、碳酸盐和残余的石英长石等岩石力学岩石力学三、岩石的地质成因分类三、岩石的地质成因分类岩石力学岩石力学三、岩石的地质成因分类三、岩石的地质成因分类沉沉 积积 岩岩 沉积岩具有 沉积岩具有层理构造层理构造,岩性,岩性一般具有明显的各向异性。
一般具有明显的各向异性按形成条件及结构特点,沉按形成条件及结构特点,沉积岩可分为:积岩可分为:火山碎屑岩、火山碎屑岩、胶结碎屑岩、粘土岩,化学胶结碎屑岩、粘土岩,化学岩和生物化学岩岩和生物化学岩等岩石力学岩石力学三、岩石的地质成因分类三、岩石的地质成因分类沉沉 积积 岩岩1、火山碎屑岩、火山碎屑岩 具有岩浆岩及普通沉积岩的双重特性和过渡具有岩浆岩及普通沉积岩的双重特性和过渡关系,包括火山集块岩、火山角砾岩、凝灰岩关系,包括火山集块岩、火山角砾岩、凝灰岩等,各类火山碎屑岩的性质差别很大,与火山等,各类火山碎屑岩的性质差别很大,与火山碎屑物、沉积物及熔岩的相对含量、层理和胶碎屑物、沉积物及熔岩的相对含量、层理和胶结压实程度相关结压实程度相关 大多数凝灰岩和凝灰质岩石结构疏松,极易大多数凝灰岩和凝灰质岩石结构疏松,极易风化,强度很低,往往具有遇水膨胀的特性,风化,强度很低,往往具有遇水膨胀的特性,必须加以特殊注意必须加以特殊注意岩石力学岩石力学三、岩石的地质成因分类三、岩石的地质成因分类沉沉 积积 岩岩 2、胶结碎屑岩、胶结碎屑岩 沉积物经胶结、成岩固结硬化而形成的岩石, 沉积物经胶结、成岩固结硬化而形成的岩石,包括各种砾岩、砂岩、粉砂岩。
胶结碎屑岩的性包括各种砾岩、砂岩、粉砂岩胶结碎屑岩的性质主要取决于胶结物的成分、胶结形式、碎屑物质主要取决于胶结物的成分、胶结形式、碎屑物成分和特点成分和特点 硅质胶结碎屑岩硅质胶结碎屑岩强度最高,抗水性强;强度最高,抗水性强;钙质、钙质、石膏质和泥质胶结石膏质和泥质胶结的岩石强度较低,抗水性弱,的岩石强度较低,抗水性弱,在水作用下可被溶解或软化在水作用下可被溶解或软化 基质胶结基质胶结岩石较坚硬,透水性较弱;岩石较坚硬,透水性较弱;接触胶结接触胶结岩岩石强度较低,透水性较强石强度较低,透水性较强岩石力学岩石力学三、岩石的地质成因分类三、岩石的地质成因分类沉沉 积积 岩岩3、粘土岩、粘土岩 包括两种类型:页岩和泥岩包括两种类型:页岩和泥岩 总的来说粘土岩的性质是较差的,总的来说粘土岩的性质是较差的,特别是红色岩层中的泥岩,厚度薄,特别是红色岩层中的泥岩,厚度薄,抗水性差,强度低,易软化和泥化抗水性差,强度低,易软化和泥化岩石力学岩石力学三、岩石的地质成因分类三、岩石的地质成因分类沉沉 积积 岩岩 4、化学岩和生物岩、化学岩和生物岩 最常见的是碳酸盐类岩石,以石灰最常见的是碳酸盐类岩石,以石灰岩分布最广,石灰岩和白云岩结构致岩分布最广,石灰岩和白云岩结构致密、坚硬、强度较高。
密、坚硬、强度较高 在地下水的作用下能被溶蚀,形成在地下水的作用下能被溶蚀,形成溶蚀裂隙、溶洞、暗河等,成为渗漏溶蚀裂隙、溶洞、暗河等,成为渗漏或涌水的通道,给工程带来极大的危或涌水的通道,给工程带来极大的危害岩石力学岩石力学三、岩石的地质成因分类三、岩石的地质成因分类变变 质质 岩岩 变质岩是由原岩石(岩浆岩、沉积岩或变质岩)变质岩是由原岩石(岩浆岩、沉积岩或变质岩)在地壳中受到高温、高压或化学成分的渗入,在在地壳中受到高温、高压或化学成分的渗入,在基本保持固态的情况下使岩石的结构、构造或矿基本保持固态的情况下使岩石的结构、构造或矿物成分发生变物成分发生变化,形成新的岩石化,形成新的岩石 简单地说变质岩就简单地说变质岩就是由变质作用形成的是由变质作用形成的岩石 岩石力学岩石力学三、岩石的地质成因分类三、岩石的地质成因分类变变 质质 岩岩1、接触变质岩、接触变质岩 接触变质岩体出现在侵入体的周围,接触变质岩体出现在侵入体的周围,其范围和性质取决于侵入体大小、类型其范围和性质取决于侵入体大小、类型和原岩质和原岩质 岩石受重结晶作用,岩石受重结晶作用,强度一般比原来强度一般比原来的岩石高的岩石高,但由于侵入体的挤压,接触,但由于侵入体的挤压,接触带附近易发生断裂,使岩体透水性增加,带附近易发生断裂,使岩体透水性增加,抗风化能力降低。
抗风化能力降低岩石力学岩石力学三、岩石的地质成因分类三、岩石的地质成因分类变变 质质 岩岩 2、动力变质岩、动力变质岩 动力变质岩是构造作用形成的断裂带及其附动力变质岩是构造作用形成的断裂带及其附近受影响的岩石,岩石包括近受影响的岩石,岩石包括压碎岩、角砾岩、压碎岩、角砾岩、糜棱者、断层泥糜棱者、断层泥等 动力变质岩的性质取决于破碎物质成分、大动力变质岩的性质取决于破碎物质成分、大小和压密胶结程度通常这类岩石胶结不好,小和压密胶结程度通常这类岩石胶结不好,裂隙、孔隙发育,强度低,透水性强,在岩体裂隙、孔隙发育,强度低,透水性强,在岩体中常形成软弱结构面或软弱岩体中常形成软弱结构面或软弱岩体岩石力学岩石力学三、岩石的地质成因分类三、岩石的地质成因分类变变 质质 岩岩3、区域变质岩、区域变质岩 这类变质岩分布范围较广,岩石厚度较大,这类变质岩分布范围较广,岩石厚度较大,变质程度较为均一,最常见的有变质程度较为均一,最常见的有片麻岩、片岩、片麻岩、片岩、千枚岩、板岩、石英岩和大理岩千枚岩、板岩、石英岩和大理岩,,混合岩混合岩是介是介于片麻岩与岩浆岩之间的一种岩石。
于片麻岩与岩浆岩之间的一种岩石 岩石力学岩石力学1.2 岩石物理性质与试验2727 岩石的基本物理力学性质是岩体最基本、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,也是岩体力学中研究最重要的性质之一,也是岩体力学中研究最早、最完善的部分最早、最完善的部分 参照标准:参照标准:《《工程岩体试验方法标准工程岩体试验方法标准》》((GB/T 50266-99)2828VsVvmsmwmasswatergas岩石含:固相、液相、气相岩石含:固相、液相、气相 三相比例不同而密度不同 三相比例不同而密度不同Vw一、岩石的质量指标29291.1.比重比重 岩石的比重是岩石固体部分的质量和岩石的比重是岩石固体部分的质量和4℃℃时同时同体积纯水质量的比值体积纯水质量的比值((颗粒密度:岩石固相的质量与颗粒密度:岩石固相的质量与固相体积之比固相体积之比它不包括孔隙在内,因此其大小仅取决它不包括孔隙在内,因此其大小仅取决于组成岩石的矿物密度及其含量)于组成岩石的矿物密度及其含量):岩石固相的质量:固相的体积:4℃水的密度一、岩石的质量指标3030试验方法试验方法: 比重瓶法比重瓶法步骤步骤:粉碎粉碎过筛过筛烘干烘干称重称重放入比重瓶放入比重瓶 排气排气 读数读数(计算计算)0.25mm105-110 ℃50g一、岩石的质量指标3131一、岩石的质量指标比重瓶比重瓶3232 m1—瓶和装满的试液质量瓶和装满的试液质量 ms—岩粉质量岩粉质量 m2—瓶、试液、岩粉质量瓶、试液、岩粉质量 γ0—试验温度下试液的密度试验温度下试液的密度一、岩石的质量指标33332.2.岩石的密度岩石的密度岩石试件的质量与体积之比,即单位岩石试件的质量与体积之比,即单位体积的岩石质量体积的岩石质量( (T/m3 、、 g/cm3 )。
岩石的重度 岩石的重度 岩石试件的重力与体积之比,即单位 岩石试件的重力与体积之比,即单位体积岩石产生的重力体积岩石产生的重力(KN/m3 )一、岩石的质量指标3434(1)、、天然密度天然密度岩石在天然条件下,单位体积的质量岩石在天然条件下,单位体积的质量W:W:岩石试件总质量岩石试件总质量V:V:试件总体积试件总体积一、岩石的质量指标3535(2)、、饱和密度饱和密度岩石中的孔隙都被水填充时单位体积岩石中的孔隙都被水填充时单位体积的质量的质量: :孔隙体积孔隙体积一、岩石的质量指标3636(3)、、干密度干密度岩石孔隙中的液体全部被蒸发,试件岩石孔隙中的液体全部被蒸发,试件中仅有固相和气相的状态下,单位体积的中仅有固相和气相的状态下,单位体积的质量质量密度测定法:量积法;水中称重法;蜡封法密度测定法:量积法;水中称重法;蜡封法一、岩石的质量指标3737岩石密度测定方法一:量积法岩石密度测定方法一:量积法凡能制备成规则试样的岩石均宜采用量积法测定其密度凡能制备成规则试样的岩石均宜采用量积法测定其密度量积法测定岩石密度时,需测定规则试样的平均断面积量积法测定岩石密度时,需测定规则试样的平均断面积A A,平,平均高度均高度h h以及试样的质量以及试样的质量W W,可得岩石的密度。
可得岩石的密度当试样在当试样在105105℃℃一一110110℃℃温度下烘干温度下烘干2424小时称重,可测定岩石小时称重,可测定岩石的干密度(的干密度(γγd d):): 式中,式中,γγd d为岩石的干密度(为岩石的干密度(g g//c cm m3 3););g gs s为被测岩样在为被测岩样在105105℃℃一一110110℃℃的温度下烘干的温度下烘干24 24 小时的质量(小时的质量(g g););A A为被测岩为被测岩样的平均断面积(样的平均断面积(cmcm2 2););h h为被测岩样平均高度(为被测岩样平均高度(c cm m)一、岩石的质量指标3838岩石密度测定方法二:水中称重法岩石密度测定方法二:水中称重法 首先称量不规则岩样的质量(首先称量不规则岩样的质量(gs),再浸入水),再浸入水中称其质量中称其质量((gw)) ,根据阿基米德原理计算出,根据阿基米德原理计算出不规则岩样的体积(不规则岩样的体积(V),即可计算出岩样密),即可计算出岩样密度(度(γ)遇水崩解、溶解和干缩湿胀的岩石不能用此遇水崩解、溶解和干缩湿胀的岩石不能用此法测其密度。
法测其密度一、岩石的质量指标3939岩石密度测定方法三:蜡封法岩石密度测定方法三:蜡封法蜡封法适于不能用量积法或水中称重法测定密度的岩石蜡封法适于不能用量积法或水中称重法测定密度的岩石首先选取有代表性岩样在首先选取有代表性岩样在105—110℃105—110℃温度下烘干温度下烘干2424小时取出,系上细线,称岩样质量(出,系上细线,称岩样质量(g gs s),持线将岩样缓缓浸入刚过),持线将岩样缓缓浸入刚过熔点的蜡液中,浸后立即提出,检查试样周围的蜡膜,若有气熔点的蜡液中,浸后立即提出,检查试样周围的蜡膜,若有气泡应用针刺破,再用蜡液补平,冷却后称蜡封岩样的质量(泡应用针刺破,再用蜡液补平,冷却后称蜡封岩样的质量(g g1 1),然后将蜡封岩样浸没于纯水中称其质量(),然后将蜡封岩样浸没于纯水中称其质量(g g2 2),则岩石的),则岩石的干密度(干密度(γγd d)为)为 ::式中,式中,γγn n为蜡的密度为蜡的密度 一、岩石的质量指标4040 天然岩石中包含着数量不等、成因各异的孔隙和天然岩石中包含着数量不等、成因各异的孔隙和裂隙,是岩石的重要结构待征之一,通称为岩石的裂隙,是岩石的重要结构待征之一,通称为岩石的孔隙性。
孔隙性1.1.孔隙率孔隙率 n::孔隙的体积与总体积的比值孔隙的体积与总体积的比值2.2.孔隙比孔隙比 e::孔隙的体积与固体的体积之比孔隙的体积与固体的体积之比二、岩石的孔隙性41413. 孔隙比和孔隙率的关系孔隙比和孔隙率的关系 孔隙率是衡量岩石工程质量的重要物理性质指标孔隙率是衡量岩石工程质量的重要物理性质指标之一,岩石的孔隙率反映了孔隙和裂隙在岩石中之一,岩石的孔隙率反映了孔隙和裂隙在岩石中所占的百分率,孔隙率愈大,岩石中的孔隙和裂所占的百分率,孔隙率愈大,岩石中的孔隙和裂隙就愈多,岩石的力学性能则愈差.隙就愈多,岩石的力学性能则愈差.二、岩石的孔隙性42421.1.含水量含水量W W岩石孔隙中含水的质量与岩石总质岩石孔隙中含水的质量与岩石总质量之比的百分数量之比的百分数: :孔隙中含水的质量孔隙中含水的质量 岩石与水相互作用时所表现的性质称为岩石的 岩石与水相互作用时所表现的性质称为岩石的水理性包括岩石的吸水性、透水性、软化性和水理性包括岩石的吸水性、透水性、软化性和抗冻性三 、岩石的水理性质4343 含水率 含水率岩石孔隙中含水的质量与固相质量岩石孔隙中含水的质量与固相质量之比的百分数之比的百分数: :孔隙中含水的质量孔隙中含水的质量含水量较为常用,有天然含水量、饱和含水量等。
含水量较为常用,有天然含水量、饱和含水量等三 、岩石的水理性质44442. 2. 吸水率吸水率(自然吸水率)(自然吸水率)烘干岩石烘干岩石自由浸水自由浸水4848小时小时后吸入水的质量后吸入水的质量与固相质量之比的百分数与固相质量之比的百分数 m0—烘干岩石浸水烘干岩石浸水48小时后的质量小时后的质量岩石吸水率的大小取决于岩石中孔隙的多少及其连岩石吸水率的大小取决于岩石中孔隙的多少及其连通情况,岩石的吸水率愈大,表明岩石中的孔隙大,通情况,岩石的吸水率愈大,表明岩石中的孔隙大,数量多,并且连通性好,岩石的力学性质差数量多,并且连通性好,岩石的力学性质差三 、岩石的水理性质45453.3.饱水率(饱和或强制吸水率)饱水率(饱和或强制吸水率)烘干岩石经烘干岩石经高压、煮沸或真空抽气饱和高压、煮沸或真空抽气饱和后吸后吸入水的质量与试件固体的质量之比的百分数入水的质量与试件固体的质量之比的百分数三 、岩石的水理性质46463.3.饱水系数饱水系数kW岩石饱水系数是指岩石吸水率与饱水率岩石饱水系数是指岩石吸水率与饱水率的比值,以百分率表示的比值,以百分率表示。
在高压条件下,通常认为水能进入岩石中所有 在高压条件下,通常认为水能进入岩石中所有张开的孔隙和裂隙中,国外采用高压设备,测定张开的孔隙和裂隙中,国外采用高压设备,测定岩石的饱和吸水率;国内常用真空抽气法或沸煮岩石的饱和吸水率;国内常用真空抽气法或沸煮法测定饱和吸水率法测定饱和吸水率饱水率饱水率反映岩石中总的反映岩石中总的张开张开型孔隙和裂隙型孔隙和裂隙的发育程度,对岩石的抗冻性和抗的发育程度,对岩石的抗冻性和抗风化能力具有较大影响.风化能力具有较大影响.三 、岩石的水理性质47474.4.岩石的渗透性岩石的渗透性岩石在一定的水压力作用下,水穿透岩石的能力岩石在一定的水压力作用下,水穿透岩石的能力水只能沿连通孔隙渗透,岩石透水的大小可用渗透水只能沿连通孔隙渗透,岩石透水的大小可用渗透系数衡量,它主要决定于岩石孔隙的大小、方向及系数衡量,它主要决定于岩石孔隙的大小、方向及其相互连通情况其相互连通情况 :沿x方向水的流量h :水头的高度A :垂直x方向的截面面积K :岩石的渗透系数(cm/s)三 、岩石的水理性质4848三 、岩石的水理性质4949岩石力学岩石力学1.3 岩石的强度特性与试验5151岩石力学岩石力学一、岩石强度试验的基本要求一、岩石强度试验的基本要求工程师对材料提出两个问题工程师对材料提出两个问题 1 1 最大承载力最大承载力————许用应力许用应力[ σ ] [ σ ] ?? 2 2 最大允许变形最大允许变形————许用应变许用应变[ ε ][ ε ]??强度:强度:岩石在各种荷载作用岩石在各种荷载作用下达到破坏时所能承受的最大应力下达到破坏时所能承受的最大应力。
强度强度单轴抗压强度单轴抗压强度单轴抗拉强度单轴抗拉强度抗剪强度抗剪强度三轴强度三轴强度真三轴真三轴假三轴假三轴岩石力学岩石力学一、岩石强度试验的基本要求一、岩石强度试验的基本要求 岩石的固有性质岩石的固有性质 凡是不受试件的形状、尺寸、采集地、采 凡是不受试件的形状、尺寸、采集地、采集人等影响而保持不变的特征如岩石的颜集人等影响而保持不变的特征如岩石的颜色,密度等都是岩石的固有性质色,密度等都是岩石的固有性质 各种强度都不是岩石的固有性质,而是一 各种强度都不是岩石的固有性质,而是一种指标值,通过试验所确定的各种岩石强度种指标值,通过试验所确定的各种岩石强度指标值都要受一些因素的影响指标值都要受一些因素的影响岩石力学岩石力学一、岩石强度试验的基本要求一、岩石强度试验的基本要求岩石强度试验的影响因素:岩石强度试验的影响因素: 1.试件尺寸:.试件尺寸:随试件尺寸的缩小抗压强随试件尺寸的缩小抗压强度提高,相反,随度提高,相反,随试件尺寸加大强度试件尺寸加大强度值降低长沙矿冶值降低长沙矿冶研究院测定结果可研究院测定结果可看出,试件断面边看出,试件断面边长长≥20厘米时,测厘米时,测定结果基本稳定。
定结果基本稳定岩石力学岩石力学一、岩石强度试验的基本要求一、岩石强度试验的基本要求岩石强度试验的影响因素:岩石强度试验的影响因素: 2.试件形状:.试件形状: 正方体、长方正方体、长方体、圆柱体试件体、圆柱体试件进行试验所获得进行试验所获得的强度指标值是的强度指标值是不相同的不相同的岩石力学岩石力学 岩石强度试验的影响因素:岩石强度试验的影响因素: 3.三维尺寸:.三维尺寸:高径比高径比(L//D) (试件高度与(试件高度与直径之比)对试验结果有很大影响直径之比)对试验结果有很大影响 L//D ≥2.5~~3时,试验结果趋于稳定时,试验结果趋于稳定一、岩石强度试验的基本要求一、岩石强度试验的基本要求岩石力学岩石力学一、岩石强度试验的基本要求一、岩石强度试验的基本要求 4.加载速率:.加载速率:岩石的单轴抗压强度与加岩石的单轴抗压强度与加载速率成正比,即加载速率越大,所测得载速率成正比,即加载速率越大,所测得的强度指标值越高.的强度指标值越高. 加载速率对岩石强度的影响表加载速率对岩石强度的影响表 岩石名称岩石名称加加载载到破坏到破坏 30秒秒 ((MPa))加加载载到破坏到破坏 0.03秒秒 ((MPa))强强度增加度增加 ((%))砂砂 岩岩辉长辉长岩岩 53.92205.88 81.37274.815030岩石力学岩石力学一、岩石强度试验的基本要求一、岩石强度试验的基本要求 试验标准及规范试验标准及规范 为了保证不同的岩石强度试验所获得的岩 为了保证不同的岩石强度试验所获得的岩石强度指标具有石强度指标具有可比性可比性,国际岩石力学学会,国际岩石力学学会(ISRM)对岩石强度试验所使用的试件的形状对岩石强度试验所使用的试件的形状、尺寸、加载速率和湿度等先后制定了标准、尺寸、加载速率和湿度等先后制定了标准,对不符合标准试件和标准试验条件所获得,对不符合标准试件和标准试验条件所获得的强度指标值,必须根据实际标准作相应的的强度指标值,必须根据实际标准作相应的修正。
修正岩石力学岩石力学二、单轴抗压强度二、单轴抗压强度 (一)定义(一)定义:岩石在单轴压缩荷载作用下达:岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所能承受的最大压应力称为岩石的单到破坏前所能承受的最大压应力称为岩石的单轴抗压强度轴抗压强度 国际上通常把单轴抗压强度表示为 国际上通常把单轴抗压强度表示为UCS,我,我国习惯于将单轴抗压强度表示为国习惯于将单轴抗压强度表示为σC,其值等于,其值等于达到破坏时的最大轴向压力达到破坏时的最大轴向压力P除以试件的横截除以试件的横截面积面积A岩石力学岩石力学二、单轴抗压强度二、单轴抗压强度岩石力学岩石力学二、单轴抗压强度二、单轴抗压强度 (二二) 实验方法实验方法 1. 标准试件标准试件(1)通常为圆柱体(或立方体)通常为圆柱体(或立方体)(2)试件直径必须大于矿物颗粒最大直径试件直径必须大于矿物颗粒最大直径10倍,一般试件直径或边长倍,一般试件直径或边长为为50mm岩石力学岩石力学二、单轴抗压强度二、单轴抗压强度2. 试件加工精度试件加工精度 (1)试件直径或边长试件直径或边长4.8~5.4 cm,高度,高度为直径的为直径的2.0~2.5倍倍 (2)试件两端面的不平整度试件两端面的不平整度<0.05mm,,在试件高度上直径或边长的误差在试件高度上直径或边长的误差<0.3mm (3)两端面应垂直于试件轴线,最大偏两端面应垂直于试件轴线,最大偏差差<0.25°岩石力学岩石力学二、单轴抗压强度二、单轴抗压强度岩石力学岩石力学二、单轴抗压强度二、单轴抗压强度 3. 加载速率要求加载速率要求0.5~1.0 MPa/s;;5~10分钟发生破坏。
分钟发生破坏岩石力学岩石力学二、单轴抗压强度二、单轴抗压强度( (三三) ) 试件破坏形态试件破坏形态 1、劈裂破坏;、劈裂破坏; 2、单斜面剪切破坏;、单斜面剪切破坏; 3、、X状共轭斜面剪切破状共轭斜面剪切破坏岩石力学岩石力学三、抗拉强度三、抗拉强度(一)、定义(一)、定义 岩石在单轴拉伸荷载作用下达到破坏时所 岩石在单轴拉伸荷载作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力称为岩石的单轴抗拉强能承受的最大拉应力称为岩石的单轴抗拉强度,或简称为抗拉强度度,或简称为抗拉强度 通常以通常以T或或σt表示抗拉强度,表示抗拉强度,其值等于达到破坏时的最大轴其值等于达到破坏时的最大轴向拉伸荷载向拉伸荷载Pt除以试件的横截除以试件的横截面积面积A岩石力学岩石力学三、抗拉强度三、抗拉强度(二)、试验分类(二)、试验分类 试件在拉伸荷载作用下的破坏通常是沿其 试件在拉伸荷载作用下的破坏通常是沿其横截面的断裂破坏,岩石的拉伸破坏试验分横截面的断裂破坏,岩石的拉伸破坏试验分直接试验和间接试验直接试验和间接试验两类岩石力学岩石力学三、抗拉强度三、抗拉强度(三)、直接拉伸试验(三)、直接拉伸试验 直接进行拉伸试验是很 直接进行拉伸试验是很困难困难的,因为不可能像压缩试验那的,因为不可能像压缩试验那样将拉伸荷载直接施加到试件样将拉伸荷载直接施加到试件的两个端面上,而只能将两端的两个端面上,而只能将两端固定在材料机的拉伸夹具内。
固定在材料机的拉伸夹具内 图示夹具内所产生的应力过 图示夹具内所产生的应力过于集中,往往引起试件两端破于集中,往往引起试件两端破裂若夹具施加夹持力不够大,裂若夹具施加夹持力不够大,试件就会从夹具中拉出试件就会从夹具中拉出岩石力学岩石力学三、抗拉强度三、抗拉强度 使用 使用“狗骨头狗骨头”形状的岩石试件进行直接拉形状的岩石试件进行直接拉伸试验,在液压伸试验,在液压P的作用,由于试件两端和中的作用,由于试件两端和中间部位截面积的差距,在试件中引起拉伸应力间部位截面积的差距,在试件中引起拉伸应力σ3岩石力学岩石力学三、抗拉强度三、抗拉强度(三)、间接拉伸试验(三)、间接拉伸试验 由于进行直接拉伸试验在准备试件方面要 由于进行直接拉伸试验在准备试件方面要花费大量的人力、物力和时间,因此取而代花费大量的人力、物力和时间,因此取而代之的一些间接拉伸试验方法涌现出来,在间之的一些间接拉伸试验方法涌现出来,在间接试验方法中,最著名的是巴西试验法,俗接试验方法中,最著名的是巴西试验法,俗称劈裂试验法,另外还有三点加载弯曲试验称劈裂试验法,另外还有三点加载弯曲试验等岩石力学岩石力学三、抗拉强度三、抗拉强度tPD1、巴西劈裂试验法:、巴西劈裂试验法: 试件为一岩石圆盘,施加荷载 试件为一岩石圆盘,施加荷载P劈裂试件。
劈裂试件岩石力学岩石力学三、抗拉强度三、抗拉强度压力压力P P作用下,圆盘边缘作用下,圆盘边缘沿沿y y方向方向σσy y和和σσx x均为压应均为压应力,而离开边缘后力,而离开边缘后σσy y仍仍为压应力,但应力值比边为压应力,但应力值比边缘处显著减小并趋于均匀缘处显著减小并趋于均匀化;化;σσx x变成拉应力并在变成拉应力并在沿沿y y很长一段距离上均匀很长一段距离上均匀分布分布,虽然拉应力值比压,虽然拉应力值比压应力低很多,但因岩石的应力低很多,但因岩石的抗拉强度很低,所以试件抗拉强度很低,所以试件还是由于拉应力而导致试还是由于拉应力而导致试件沿直径的劈裂破坏件沿直径的劈裂破坏岩石力学岩石力学三、抗拉强度三、抗拉强度2、三点加载弯曲试验、三点加载弯曲试验试件可以是园柱梁,也试件可以是园柱梁,也可以是长方形截面棱柱可以是长方形截面棱柱梁园柱梁园柱梁棱柱梁棱柱梁R0为岩石的弯曲强度,一般为直接拉伸试验为岩石的弯曲强度,一般为直接拉伸试验抗拉强度的抗拉强度的2~~3倍岩石力学岩石力学四、点荷载试验四、点荷载试验 点荷载强度指标试验点荷载强度指标试验是布鲁克和弗兰克林是布鲁克和弗兰克林19721972年发明的,是一种最简单的岩石强度试验。
年发明的,是一种最简单的岩石强度试验其试验所获得的强度指标值可用做岩石分级的其试验所获得的强度指标值可用做岩石分级的一个指标,有时可代替单轴抗压强度一个指标,有时可代替单轴抗压强度 点荷载强度试验的设 点荷载强度试验的设备比较简单,小型点荷备比较简单,小型点荷载试验装置由一个手动载试验装置由一个手动液压泵、一个液压干斤液压泵、一个液压干斤顶和一对顶和一对圆锥形加压头圆锥形加压头组成岩石力学岩石力学四、点荷载试验四、点荷载试验岩石力学岩石力学四、点荷载试验四、点荷载试验 小型点荷载试验装置是 小型点荷载试验装置是便携式便携式的,可带到的,可带到现场试验现场试验,这是点荷载试验能够广泛采用的,这是点荷载试验能够广泛采用的重要原因大型点荷载试验装置的原理和小重要原因大型点荷载试验装置的原理和小型点荷载试验装置的原理是相同的,只是能型点荷载试验装置的原理是相同的,只是能提供更大的压力,适合于大尺寸的试件提供更大的压力,适合于大尺寸的试件 点荷载试验的另一个重要优点是 点荷载试验的另一个重要优点是对试件的对试件的要求不严格要求不严格,不需要像做抗压强度试验那样,不需要像做抗压强度试验那样精心准备试件,最好的试件就是直径为精心准备试件,最好的试件就是直径为25—100 mm的岩芯,没有岩芯时,的岩芯,没有岩芯时,不规则岩块不规则岩块也也可以。
可以岩石力学岩石力学四、点荷载试验四、点荷载试验 点荷载强度指标: 点荷载强度指标: ISRM将直径为将直径为50 mm的圆柱体试件径向加的圆柱体试件径向加裁点荷载试验的强度指标值裁点荷载试验的强度指标值I IS(50)确定为标准确定为标准试验值,其他尺寸试件的试验结果需据进行试验值,其他尺寸试件的试验结果需据进行修正岩石力学岩石力学四、点荷载试验四、点荷载试验 点荷载强度标准值 点荷载强度标准值I Is(50)可用于岩可用于岩体质量分级、岩体强度空间变异性研体质量分级、岩体强度空间变异性研究等 I Is(50)可由下式转换为单轴抗压强可由下式转换为单轴抗压强度和抗拉强度:度和抗拉强度:岩石力学岩石力学五、抗剪切强度五、抗剪切强度 (一)、定义(一)、定义 岩石在剪切荷载作用下达到破坏前所能承 岩石在剪切荷载作用下达到破坏前所能承受的最大剪应力称为岩石的抗剪切强度受的最大剪应力称为岩石的抗剪切强度 剪切强度试验可分为二类: 剪切强度试验可分为二类:1、剪切试验、剪切试验在剪切面上只有剪应力存在,没有正应力存在剪切面上只有剪应力存在,没有正应力存在(抗切试验);在(抗切试验);2、剪切试验在剪切面上、剪切试验在剪切面上除了存在剪应力外,还存在正应力除了存在剪应力外,还存在正应力 。
岩石力学岩石力学五、抗剪切强度五、抗剪切强度(二)、四种典型的抗切强度试验(剪切(二)、四种典型的抗切强度试验(剪切强度记为强度记为S0)1、单面剪切试验、单面剪切试验岩石力学岩石力学五、抗剪切强度五、抗剪切强度2、双面剪切试验、双面剪切试验岩石力学岩石力学五、抗剪切强度五、抗剪切强度3、冲力剪切试验、冲力剪切试验岩石力学岩石力学五、抗剪切强度五、抗剪切强度4、扭转剪切试验、扭转剪切试验岩石力学岩石力学五、抗剪切强度五、抗剪切强度(三)、典型剪切强度试验(三)、典型剪切强度试验1、立方体试件单面剪试验、立方体试件单面剪试验岩石力学岩石力学五、抗剪切强度五、抗剪切强度2、双面剪试验、双面剪试验岩石力学岩石力学五、抗剪切强度五、抗剪切强度3、变角剪试验(角模压剪)、变角剪试验(角模压剪)变角剪是利用压力机施加垂变角剪是利用压力机施加垂直荷载,通过一套直荷载,通过一套特制的夹特制的夹具具使试件沿某一剪切面产生使试件沿某一剪切面产生剪切破坏,然后通过静力平剪切破坏,然后通过静力平衡条件解析剪切面上的法向衡条件解析剪切面上的法向压应力和剪应力,从而绘制压应力和剪应力,从而绘制法向压应力(法向压应力(σ)与剪应力)与剪应力((τ)之关系曲线,求得岩石)之关系曲线,求得岩石的内聚力的内聚力c和内摩擦角和内摩擦角φ。
岩石力学岩石力学五、抗剪切强度五、抗剪切强度(1)、、试验试验所需所需仪仪器器设备设备序号序号名称名称规规格格型号型号单单 位位数数 量量1制制样设备样设备套套12倾倾斜斜压压模剪切装模剪切装置置套套13压压力力试验试验机机YE—1000台台14游游标标卡尺卡尺0~15cm把把15活活动动扳手扳手把把16放大放大镜镜个个1岩石力学岩石力学五、抗剪切强度五、抗剪切强度 (2)、试件制备试件制备 试件为直径 试件为直径50mm、高、、高、50mm的圆柱体试的圆柱体试件或件或50 ×50×50mm立方体,每组加工立方体,每组加工6-9块 试件加工精度要求:相邻面间应互相垂直, 试件加工精度要求:相邻面间应互相垂直,偏差不超过偏差不超过0.25°;相对两面须互相平行,不平;相对两面须互相平行,不平行度不得大于行度不得大于0.005cm 卡尺:精度为 卡尺:精度为0.002cm 岩石力学岩石力学五、抗剪切强度五、抗剪切强度 (3)、试件描述试件描述 试件描述内容为:岩石名称、颜色、矿物成 试件描述内容为:岩石名称、颜色、矿物成分、结构、风化程度、胶结物性质等;分、结构、风化程度、胶结物性质等; 加荷方加荷方向与岩石试件内层理、节理、裂隙的关系及试向与岩石试件内层理、节理、裂隙的关系及试件加工中出现的问题。
件加工中出现的问题岩石力学岩石力学五、抗剪切强度五、抗剪切强度(4)、安装试件、安装试件 将变角板剪切夹具将变角板剪切夹具用绳子栓在压力机承压用绳子栓在压力机承压板间,应注意使夹具的板间,应注意使夹具的中心与压力机的中心线中心与压力机的中心线相重合,然后调整夹具相重合,然后调整夹具上的夹板螺丝,使刻度上的夹板螺丝,使刻度达到所要求的角度,将达到所要求的角度,将试件安装于变角板内试件安装于变角板内 岩石力学岩石力学五、抗剪切强度五、抗剪切强度 (5)、施加载荷、施加载荷 开动压力机,同时降下压力机横梁,使剪 开动压力机,同时降下压力机横梁,使剪切夹具与压力机承压板接触上,然后调整压力切夹具与压力机承压板接触上,然后调整压力表指针到零点,以每秒表指针到零点,以每秒0.5-0.8MPa的加荷速度的加荷速度加荷,直至试件破坏,记录破坏荷载(加荷,直至试件破坏,记录破坏荷载(P) (6)、破坏试件描述、破坏试件描述 升起压力机横梁,取出被剪破的试件进行 升起压力机横梁,取出被剪破的试件进行描述,内容包括破坏面的形态及破坏情况等描述,内容包括破坏面的形态及破坏情况等 岩石力学岩石力学五、抗剪切强度五、抗剪切强度 (7)、重复试验、重复试验 变换变角板夹具的角度 变换变角板夹具的角度α,一般在,一般在45°~ 70°内选择,取得不同角度下的破坏荷载。
内选择,取得不同角度下的破坏荷载岩石力学岩石力学五、抗剪切强度五、抗剪切强度 (8)、成果整理、成果整理 计算作用在剪切面上的剪应力和正应力: 计算作用在剪切面上的剪应力和正应力: 根据不同倾角根据不同倾角α下得到下得到τi和和σi值在σ—τ坐标系内绘制岩石强度曲线坐标系内绘制岩石强度曲线岩石力学岩石力学五、抗剪切强度五、抗剪切强度 岩石的内聚力岩石的内聚力C和内摩擦角和内摩擦角φ确定:确定: 1、绘制岩石强度曲线近似得到;、绘制岩石强度曲线近似得到; 2、线性回归分析线性回归分析 回归系数按下式计算回归系数按下式计算内聚力内聚力C=a内摩擦角内摩擦角φ=arctgbτ==C++σtgφ岩石力学岩石力学五、抗剪切强度五、抗剪切强度4、直剪仪压剪试验、直剪仪压剪试验 (1)(1)、小型剪切试验:剪切面、小型剪切试验:剪切面1010××10 10 ~~ 1515××15(cm)15(cm),试件,试件用砂浆整形,轻便剪切仪现场进行用砂浆整形,轻便剪切仪现场进行 (2)(2)、中型剪切试验:剪切面、中型剪切试验:剪切面2020××2020~~5050××35(cm)35(cm),在试验,在试验室剪切盒内进行。
室剪切盒内进行 (3)(3)、大型剪切试验:剪切面、大型剪切试验:剪切面 5050××5050~~100100××100cm100cm,一般,一般 采用砂浆整形,在现场原位 采用砂浆整形,在现场原位 制备试件进行试验 制备试件进行试验岩石力学岩石力学五、抗剪切强度五、抗剪切强度岩石力学岩石力学五、抗剪切强度五、抗剪切强度做一组(大于做一组(大于3次)不同次)不同σ的试验岩石力学岩石力学五、抗剪切强度五、抗剪切强度岩石的抗剪断曲线岩石的抗剪断曲线记录对应于各个记录对应于各个σ下的峰值强度下的峰值强度τ值,由该组值,由该组值作曲线近似直线得方程(摩尔-库仑准则)值作曲线近似直线得方程(摩尔-库仑准则)岩石力学岩石力学六、三轴抗压强度六、三轴抗压强度 岩石在三向压缩荷载作用下,达到破坏时所岩石在三向压缩荷载作用下,达到破坏时所能承受的最大压应力称为岩石的三轴抗压强度能承受的最大压应力称为岩石的三轴抗压强度。
与单轴压缩试验相比,试件除受轴向压力外,与单轴压缩试验相比,试件除受轴向压力外,还受侧向压力,侧向压力限制试件的横向变形,还受侧向压力,侧向压力限制试件的横向变形,因而三轴试验是限制性抗压强度试验因而三轴试验是限制性抗压强度试验岩石力学岩石力学六、三轴抗压强度六、三轴抗压强度真三轴真三轴σσ1 1>>σσ2 2>>σσ3 3 假三轴假三轴σσ1 1>>σσ2 2==σσ3 3岩石力学岩石力学六、三轴抗压强度六、三轴抗压强度 三轴试验试件为圆柱体,直径三轴试验试件为圆柱体,直径25~~150mm,高径比为,高径比为2::1或或3::1,轴向压力的加载方式与单轴,轴向压力的加载方式与单轴压缩试验时相同,但由于有了侧压缩试验时相同,但由于有了侧向压力,侧向压力(向压力,侧向压力(σ2==σ3)由圆由圆柱形液压油缸施加,由于试件侧柱形液压油缸施加,由于试件侧表面己被加压油缸的橡皮套包住,表面己被加压油缸的橡皮套包住,液压油不会在试件表面造成摩擦液压油不会在试件表面造成摩擦力,因而侧向压力可以均匀施加力,因而侧向压力可以均匀施加到试件,三轴抗压强度为试件达到试件,三轴抗压强度为试件达到破坏时所能承受的最大到破坏时所能承受的最大σ1值。
值岩石力学岩石力学六、三轴抗压强度六、三轴抗压强度试验发现:围压较低时大试验发现:围压较低时大理石试件脆性破坏,沿一理石试件脆性破坏,沿一组倾斜的裂隙破坏随围组倾斜的裂隙破坏随围压增加,试件延性变形和压增加,试件延性变形和强度都不断增加,直至出强度都不断增加,直至出现完全延性或塑性流动变现完全延性或塑性流动变形,并伴随有工作硬化,形,并伴随有工作硬化,试件也变成粗腰桶形试试件也变成粗腰桶形试验开始时试件体积减小、验开始时试件体积减小、当当σ1达抗压强度一半时,达抗压强度一半时,出现扩容出现扩容岩石力学岩石力学六、三轴抗压强度六、三轴抗压强度 三轴压缩试验的最 三轴压缩试验的最重要的成果就是对于重要的成果就是对于同一种岩石的不同试同一种岩石的不同试件或不同的试验条件件或不同的试验条件给出强度指标值,通给出强度指标值,通常以常以莫尔强度包络线莫尔强度包络线的形式给出的形式给出岩石力学岩石力学六、三轴抗压强度六、三轴抗压强度 相关系数:相关系数:内摩擦角内摩擦角φ和内聚力和内聚力C分分别别按下式按下式计计算:算: 岩石力学岩石力学1.4 岩石的变形性质106106岩石力学岩石力学一、岩石变形的基本构成一、岩石变形的基本构成 岩石的变形:岩石的变形:岩石在外力作用下发生岩石在外力作用下发生形态(形状、体积)变化。
形态(形状、体积)变化 岩石在荷载作用下,岩石在荷载作用下,首先发生的物理现首先发生的物理现象是变形象是变形,随着荷载的不断增加,随时间,随着荷载的不断增加,随时间的增长,岩石变形逐渐增大,最终导致岩的增长,岩石变形逐渐增大,最终导致岩石破坏 岩石变形有 岩石变形有弹性、塑件和粘性变形弹性、塑件和粘性变形三种岩石力学岩石力学一、岩石变形的基本构成一、岩石变形的基本构成 1 1、弹性、弹性:物体在受外力作用的:物体在受外力作用的瞬间即产生瞬间即产生全部变形全部变形,而去除外力,而去除外力( (卸载卸载) )后又能后又能立即恢立即恢复复其原有形状和尺寸的性质称为弹性产生其原有形状和尺寸的性质称为弹性产生的变形称为弹性变形的变形称为弹性变形 具有弹性性质的物体称为 具有弹性性质的物体称为弹性体弹性体按其应力弹性体弹性体按其应力——应变关系又可分为两种类型:应变关系又可分为两种类型:线弹性体线弹性体( (或称理想弹性体或称理想弹性体) ),,呈直线关系;呈直线关系;非线性弹性体非线性弹性体,,呈非直线的关系呈非直线的关系岩石力学岩石力学 2 2、塑性、塑性:物体受力后产生变形,外力去除:物体受力后产生变形,外力去除( (卸载卸载) )后变形后变形不能完全恢复不能完全恢复的性质,称为塑性。
不能恢复的的性质,称为塑性不能恢复的那部分变形称为塑性变形那部分变形称为塑性变形( (或称永久变形、残余变形或称永久变形、残余变形) ) 在外力作用下只发生塑性 在外力作用下只发生塑性变形的物体,称为变形的物体,称为理想塑性理想塑性体体理想塑性体的应力理想塑性体的应力——应应变关系为:当应力低于屈服变关系为:当应力低于屈服极限极限σσ0 0时,材料没有变形,时,材料没有变形,应力达到应力达到σσ0 0后.变形不断增后.变形不断增大而应力不变,应力大而应力不变,应力——应变应变曲线呈水平直线曲线呈水平直线一、岩石变形的基本构成一、岩石变形的基本构成岩石力学岩石力学一、岩石变形的基本构成一、岩石变形的基本构成 3 3、粘性、粘性:物体受力后:物体受力后变形变形不能在瞬时完成不能在瞬时完成,,且应变速率随应力增加且应变速率随应力增加而增加的性质,称为粘而增加的性质,称为粘性其应力性其应力——应变速率应变速率关系为过坐标原点的直关系为过坐标原点的直线的物质称为线的物质称为理想粘性理想粘性体体( (牛顿流体牛顿流体) )岩石力学岩石力学一、岩石变形的基本构成一、岩石变形的基本构成 岩石是矿物的集合体,具有 岩石是矿物的集合体,具有复杂复杂的组的组成成分和结构,因此其力学属性也是很成成分和结构,因此其力学属性也是很复杂的。
复杂的 在常温常压下,岩石既不是理想的弹 在常温常压下,岩石既不是理想的弹性体,也不是简单的塑性体和粘性体,性体,也不是简单的塑性体和粘性体,而往往表现出而往往表现出弹弹——塑性,塑塑性,塑——弹性,弹弹性,弹——粘粘——塑或粘塑或粘——弹性弹性等复合性质等复合性质岩石力学岩石力学二、岩石变形指标及测定二、岩石变形指标及测定 岩石的变形特性通常用岩石的变形特性通常用弹性模量和泊松比弹性模量和泊松比指标表示(或用剪切模量、体积模量等)指标表示(或用剪切模量、体积模量等) (一).(一).弹性模量的定义弹性模量的定义 对于直线型应力 对于直线型应力——应变应变曲线,直线的斜率,即应曲线,直线的斜率,即应力力(σ)(σ)与应变与应变(ε)(ε)的比率的比率被称为岩石的弹性模量被称为岩石的弹性模量E E岩石力学岩石力学二、岩石变形指标及测定二、岩石变形指标及测定切线模量:切线模量:割线模量:割线模量:初始模量:初始模量:对于非直线型本构模型对于非直线型本构模型岩石力学岩石力学二、岩石变形指标及测定二、岩石变形指标及测定 (二)、泊松比(二)、泊松比μμ的定义:的定义: 岩石的横向应变 岩石的横向应变εεx x与纵向应变与纵向应变εεy y的比值。
的比值 在岩石的弹性工作范围内,泊松比 在岩石的弹性工作范围内,泊松比一般为常一般为常数数,但超越弹性范围以后,泊松比将随应力的,但超越弹性范围以后,泊松比将随应力的增大而增大,直到增大而增大,直到μμ==0.50.5为止 岩石的岩石的E E、、μμ受岩石矿物组成、结构构造、受岩石矿物组成、结构构造、风化程度、空隙性、含水率、微结构面及与荷风化程度、空隙性、含水率、微结构面及与荷载方向的关系等多种因素的影响,变化较大载方向的关系等多种因素的影响,变化较大岩石力学岩石力学二、岩石变形指标及测定二、岩石变形指标及测定(三)、完全弹性材料:(三)、完全弹性材料:岩石的应力岩石的应力——应变关系应变关系是曲线,但应力与应变是曲线,但应力与应变之间有着唯一对应的关之间有着唯一对应的关系 完全弹性材料的完全弹性材料的应力应力——应变曲线上,没有应变曲线上,没有唯一的模量,对于曲线上任一点唯一的模量,对于曲线上任一点P P都有一个切都有一个切线模量和割线模量(线模量和割线模量(PQPQ和和OPOP斜率)岩石力学岩石力学二、岩石变形指标及测定二、岩石变形指标及测定 (四)、加卸载形成(四)、加卸载形成滞回环的滞回环的弹性材料弹性材料:卸:卸载曲线与加载曲线并不载曲线与加载曲线并不重合,但回到原点,产重合,但回到原点,产生滞回效应。
生滞回效应 卸载曲线 卸载曲线P P点的卸载切点的卸载切线模量与加载切线模量线模量与加载切线模量不同,加卸载的割线模不同,加卸载的割线模量相同岩石力学岩石力学二、岩石变形指标及测定二、岩石变形指标及测定 (五)、(五)、弹塑性材料:弹塑性材料:卸载曲线不走加载曲线路卸载曲线不走加载曲线路线,且应变也不恢复到零线,且应变也不恢复到零 能够恢复的变形叫 能够恢复的变形叫弹性弹性变形变形,以,以εεe e表示;表示; 不可恢复的变形称为 不可恢复的变形称为塑塑性变形性变形( (或残余变形、永或残余变形、永久变形),以久变形),以εεp p表示;表示; 加载曲线与卸载曲线组 加载曲线与卸载曲线组成的环,叫成的环,叫塑性滞回环塑性滞回环岩石力学岩石力学二、岩石变形指标及测定二、岩石变形指标及测定 弹性模量 弹性模量E E是是加载曲加载曲线直线段的斜率线直线段的斜率,加,加载曲线直线段大致与载曲线直线段大致与卸载曲线的割线相平卸载曲线的割线相平行,一般可将行,一般可将卸载曲卸载曲线的割线的斜率作为线的割线的斜率作为弹性模量弹性模量岩石力学岩石力学二、岩石变形指标及测定二、岩石变形指标及测定岩石名称岩石名称弹弹性模量性模量 /GPa泊松比泊松比岩石名称岩石名称弹弹性模量性模量 /GPa泊松比泊松比花花岗岗岩岩50~1000.20~0.30片麻岩片麻岩10~1000.22~0.35流流纹纹岩岩50~1000.10~0.25千枚岩千枚岩10~800.20~0.40闪长闪长岩岩70~1500.10~0.30板岩板岩20~800.20~0.30安山岩安山岩50~1200.20~0.30页页岩岩20~800.20~0.40辉长辉长岩岩70~1500.12~0.20砂岩砂岩10~1000.20~0.30辉绿辉绿岩岩80~1500.10~0.30砾砾岩岩20~800.20~0.35玄武岩玄武岩60~1200.10~0.35石灰岩石灰岩50~1900.20~0.35大理岩大理岩10~900.20~0.35白云岩白云岩40~800.20~0.35石英岩石英岩50~2000.10~0.25岩石力学岩石力学二、岩石变形指标及测定二、岩石变形指标及测定(六)(六). .弹性常数的测定弹性常数的测定 国际岩石力学学会( 国际岩石力学学会(ISRMISRM)建议三种方法)建议三种方法 初始模量初始模量 割线模量割线模量 切线模量 切线模量 岩石力学岩石力学二、岩石变形指标及测定二、岩石变形指标及测定((1 1)、实验所用设备和备品)、实验所用设备和备品 序号序号名称名称规规格格单单位位数量数量1制制样设备样设备套套12压压力力试验试验机机YE—1000台台13静静态电态电阻阻应变仪应变仪YJ—31台台14万用表万用表台台15应变应变片片片片86501胶胶KH—501瓶瓶17卡尺砂卡尺砂纸电线纸电线等等岩石力学岩石力学二、岩石变形指标及测定二、岩石变形指标及测定 ((2 2)、试件制备及尺寸测量)、试件制备及尺寸测量 ①①、采用圆柱体试件,试件直径、采用圆柱体试件,试件直径50mm50mm,高,高100mm100mm。
②②、沿试件高度,直径误差不超过、沿试件高度,直径误差不超过0.3mm0.3mm,试件两,试件两端面不平行度误差最大不超过端面不平行度误差最大不超过0.05mm0.05mm;; ③③、端面应垂直于轴线,最大偏差不超过、端面应垂直于轴线,最大偏差不超过0.250.25°°;; ④④、直径测量应分别量测两端面和中点三个断面的、直径测量应分别量测两端面和中点三个断面的直径,取其平均值作试件直径;高度应在两端等距取直径,取其平均值作试件直径;高度应在两端等距取三点量测试件的高,取其平均值,作为试件的高,同三点量测试件的高,取其平均值,作为试件的高,同时检验两端面的不平整度尺寸测量、均应精确到时检验两端面的不平整度尺寸测量、均应精确到0.1mm0.1mm岩石力学岩石力学二、岩石变形指标及测定二、岩石变形指标及测定 ((3 3)、试件描述)、试件描述 ①①、岩石名称、颜色、矿物成分、结、岩石名称、颜色、矿物成分、结构、风化程度、胶结物性质等;构、风化程度、胶结物性质等; ②②、加荷方向与岩石试件内层理、节、加荷方向与岩石试件内层理、节理、裂隙的关系及试件加工中出现的问题。
理、裂隙的关系及试件加工中出现的问题岩石力学岩石力学二、岩石变形指标及测定二、岩石变形指标及测定 ((4 4)、电阻应变片粘贴)、电阻应变片粘贴 ①①、选择合适的应变片、选择合适的应变片, ,用细沙布打磨试件用细沙布打磨试件需贴片表面,用棉需贴片表面,用棉球蘸少量丙酮擦洗球蘸少量丙酮擦洗贴片位置,用铅笔贴片位置,用铅笔画出贴片位置的方画出贴片位置的方位线,然后再用棉位线,然后再用棉球擦一次球擦一次岩石力学岩石力学二、岩石变形指标及测定二、岩石变形指标及测定电阻应变片粘贴电阻应变片粘贴 ③③、在应变片上涂一薄层、在应变片上涂一薄层501501粘结剂,粘结剂,迅速将应变片平放于粘贴位置,稍稍移动应迅速将应变片平放于粘贴位置,稍稍移动应变片,让粘结剂均匀分布在整个粘贴面上,变片,让粘结剂均匀分布在整个粘贴面上,并使应变片的轴线对准试件的定位线,将一并使应变片的轴线对准试件的定位线,将一小片塑料布盖在应变片上,用大母指挤压应小片塑料布盖在应变片上,用大母指挤压应变片一分钟,压时不能使应变片错动变片一分钟,压时不能使应变片错动 ④④、用万用表检查应变片的电阻值,焊、用万用表检查应变片的电阻值,焊接引线,并进行防潮处理。
接引线,并进行防潮处理岩石力学岩石力学二、岩石变形指标及测定二、岩石变形指标及测定((5 5)、)、YJYJ——3131型静态电阻应变仪的工作原理型静态电阻应变仪的工作原理 应变仪是将非电量的变化转换成电量变化的 应变仪是将非电量的变化转换成电量变化的测量仪器,当被测试件受到外力作用长度发生测量仪器,当被测试件受到外力作用长度发生变化时,粘贴在试件上的应变片的电阻值也随变化时,粘贴在试件上的应变片的电阻值也随着发生了变化,这样就把机械量着发生了变化,这样就把机械量——变形转换成变形转换成电量这个变化量通过一定的组桥方式经放大电量这个变化量通过一定的组桥方式经放大器放大,通过器放大,通过A/DA/D转换后,就可以直接读出应变转换后,就可以直接读出应变值,完成了非电量的电测值,完成了非电量的电测 岩石力学岩石力学二、岩石变形指标及测定二、岩石变形指标及测定 YJ―31YJ―31静态电阻应变仪静态电阻应变仪1010组半桥组半桥( (全桥全桥) )接线柱接线柱各各点点调调零零电电位位器器各点调零电位器各点调零电位器多点测量切换开关多点测量切换开关切换切换灵灵敏敏系系数数调调整整电电位位器器基零基零标定标定本机本机切换切换切换开关切换开关调零调零本本机机调调零零电电位位器器衰减衰减测量测量功能按钮功能按钮灵敏度灵敏度标准电阻接线柱标准电阻接线柱应应变变显显示示窗窗口口D D2 2全桥全桥( (半桥半桥) )转换接线柱转换接线柱D D1 1D D 岩石力学岩石力学二、岩石变形指标及测定二、岩石变形指标及测定补补偿偿片片测测量量片片半桥测量接线半桥测量接线ABC全桥测量接线全桥测量接线ABCD((6 6)、组桥方式)、组桥方式岩石力学岩石力学二、岩石变形指标及测定二、岩石变形指标及测定((7 7)、施加荷载)、施加荷载 ①①、开动试验机,使承压板与试件接触。
开动试验机,使承压板与试件接触 ②②、以、以0.50.5~0.8MPa/s0.8MPa/s的速度施加荷载,直的速度施加荷载,直至试件破坏或至少超过抗压强度之至试件破坏或至少超过抗压强度之50%50%,在加压,在加压过程中,测记各级压力下岩石试件的纵向和横过程中,测记各级压力下岩石试件的纵向和横向应变值向应变值 ③③、纵向、横向应变值的测读,各读数即、纵向、横向应变值的测读,各读数即为微应变值,正值代表压缩,负值代表拉伸,为微应变值,正值代表压缩,负值代表拉伸,为求得完整的应力为求得完整的应力――应变曲线,所测应变值不应变曲线,所测应变值不应小于应小于1010个岩石力学岩石力学二、岩石变形指标及测定二、岩石变形指标及测定l 假如岩石服从虎克定律假如岩石服从虎克定律(线性弹性材料线性弹性材料),,则压缩时的割线弹性模量则压缩时的割线弹性模量E由下式给出:由下式给出:l泊松比为:泊松比为:((8 8)、计算)、计算岩石力学岩石力学二、岩石变形指标及测定二、岩石变形指标及测定(七)、其它弹性参数:(七)、其它弹性参数: 弹性模量和泊松比是两个最基本的参数 弹性模量和泊松比是两个最基本的参数。
剪切模量剪切模量G G、、体积模量体积模量K K、拉梅常数、拉梅常数λλ,从,从不同角度反映岩石变形的性质不同角度反映岩石变形的性质岩石力学岩石力学三、单轴压缩条件下岩石变形特性三、单轴压缩条件下岩石变形特性 1 1、典型全应力、典型全应力——应变曲线的特征:应变曲线的特征: 岩石试件在单轴压缩荷载作用下产生变形的 岩石试件在单轴压缩荷载作用下产生变形的全过程可由全应力全过程可由全应力——应变曲线表示,由全应力应变曲线表示,由全应力——应变曲线可将岩石的变形分为四个阶段:应变曲线可将岩石的变形分为四个阶段: (1)(1)孔隙裂隙压密阶段;孔隙裂隙压密阶段; (2)(2)弹性变形至微弹性裂弹性变形至微弹性裂隙稳定发展阶段;隙稳定发展阶段; (3)(3)非稳定破裂发展阶段;非稳定破裂发展阶段; (4)(4)破裂后阶段破裂后阶段岩石力学岩石力学三、单轴压缩条件下岩石变形特性三、单轴压缩条件下岩石变形特性(1)(1)、孔隙裂隙压密阶段、孔隙裂隙压密阶段(OA(OA段段) ):: 试件中原有张开性结构面或微 试件中原有张开性结构面或微裂隙逐渐闭合,岩石被压密,形裂隙逐渐闭合,岩石被压密,形成早期的非线性变形,成早期的非线性变形,σσ--εε曲曲线呈上凹型。
在此阶段试件横向线呈上凹型在此阶段试件横向膨胀较小,试件体积随荷载增大膨胀较小,试件体积随荷载增大而减小,本阶段变形对裂隙化岩而减小,本阶段变形对裂隙化岩石来说较明显,而对坚硬少裂隙石来说较明显,而对坚硬少裂隙的岩石则不明显,甚至不显现的岩石则不明显,甚至不显现岩石力学岩石力学三、单轴压缩条件下岩石变形特性三、单轴压缩条件下岩石变形特性 (2)(2)、弹性变形、弹性变形至微弹性裂隙稳定至微弹性裂隙稳定发展阶段发展阶段(AC(AC段段) )::该阶段的应力该阶段的应力——应应变曲线成近似直线变曲线成近似直线型,其中,型,其中,ABAB段为段为弹性变形阶段,弹性变形阶段,BCBC段为微破裂稳定发段为微破裂稳定发展阶段岩石力学岩石力学三、单轴压缩条件下岩石变形特性三、单轴压缩条件下岩石变形特性 (3)(3)、非稳定破裂发展阶段、非稳定破裂发展阶段(CD(CD段段) )::C C点是屈服点本段点是屈服点本段中微破裂的发展出现了质的变中微破裂的发展出现了质的变化,破裂不断发展,直至完全化,破裂不断发展,直至完全破坏 试件由体积压缩转为扩容, 试件由体积压缩转为扩容,轴向应变和体积应变速率迅速轴向应变和体积应变速率迅速增大,本阶段的上界应力称为增大,本阶段的上界应力称为峰值强度。
峰值强度岩石力学岩石力学三、单轴压缩条件下岩石变形特性三、单轴压缩条件下岩石变形特性(4)(4)、破裂后阶段、破裂后阶段(D(D点以后段点以后段) ):岩块承载力达:岩块承载力达到峰值强度时,内部结构遭到破坏,但试件基到峰值强度时,内部结构遭到破坏,但试件基本保持整体状,本段中裂隙快速发展,交叉联本保持整体状,本段中裂隙快速发展,交叉联合形成宏观断裂面此后岩块变形表现为沿宏合形成宏观断裂面此后岩块变形表现为沿宏观断裂面的块体滑观断裂面的块体滑移,试件承载力随移,试件承载力随变形增大迅速下降,变形增大迅速下降,但并不降到零,破但并不降到零,破裂的岩石仍有一定裂的岩石仍有一定的承载力的承载力岩石力学岩石力学三、单轴压缩条件下岩石变形特性三、单轴压缩条件下岩石变形特性2 2、岩石的应力、岩石的应力——应变曲线的类型:应变曲线的类型: 岩石的应力 岩石的应力——应变曲线随着岩石性质不应变曲线随着岩石性质不同有各种不同的类型,米勒采用同有各种不同的类型,米勒采用2828种岩石种岩石进行大量的单轴试验后,根据峰值前的应进行大量的单轴试验后,根据峰值前的应力力——应变曲线将岩石分成六种类型应变曲线将岩石分成六种类型。
岩石力学岩石力学三、单轴压缩条件下岩石变形特性三、单轴压缩条件下岩石变形特性类型类型I I((弹性)弹性) 应力与应变关系是一直线或者近似直线,应力与应变关系是一直线或者近似直线,直到试件发生突然破坏为止直到试件发生突然破坏为止 这种变形性质的岩石有 这种变形性质的岩石有玄武岩、石英岩、白云岩玄武岩、石英岩、白云岩以及极坚固的石灰岩,由以及极坚固的石灰岩,由于塑性阶段不明显,这些于塑性阶段不明显,这些材料被称为材料被称为弹性体弹性体岩石力学岩石力学三、单轴压缩条件下岩石变形特性三、单轴压缩条件下岩石变形特性类型类型ⅡⅡ((弹弹——塑性塑性)) 应力较低时,应力 应力较低时,应力——应变曲线近似于直线,应变曲线近似于直线,当应力增加到一定数值后,应力当应力增加到一定数值后,应力——应变曲线向应变曲线向下弯曲,随着应力逐渐增加而曲线斜率也就越下弯曲,随着应力逐渐增加而曲线斜率也就越变越小,直至破坏变越小,直至破坏 具有这种变形性质的岩 具有这种变形性质的岩石有较弱的石灰岩、泥岩石有较弱的石灰岩、泥岩以及凝灰岩等这些材料以及凝灰岩等这些材料被称为被称为弹弹——塑性体塑性体岩石力学岩石力学三、单轴压缩条件下岩石变形特性三、单轴压缩条件下岩石变形特性类型类型ⅢⅢ((塑塑——弹性弹性)) 应力较低时、应力 应力较低时、应力——应变曲线略向上弯曲,应变曲线略向上弯曲,当应力增加到一定数值后,应力当应力增加到一定数值后,应力——应变曲线逐应变曲线逐渐变为直线,直至发生破坏。
渐变为直线,直至发生破坏具有这种变形性质的代表岩具有这种变形性质的代表岩石有砂岩、花岗岩、片理平石有砂岩、花岗岩、片理平行于压力方向的片岩以及某行于压力方向的片岩以及某些辉绿岩等,这些材料被称些辉绿岩等,这些材料被称为为塑塑——弹性体弹性体岩石力学岩石力学三、单轴压缩条件下岩石变形特性三、单轴压缩条件下岩石变形特性类型类型ⅣⅣ((塑塑——弹弹——塑性)塑性) 应力较低时.应力应力较低时.应力——应变曲线向上弯曲,当应变曲线向上弯曲,当压力增加到一定值后,变形曲线成为直线,最压力增加到一定值后,变形曲线成为直线,最后,曲线向下弯曲,曲线似后,曲线向下弯曲,曲线似S S型 具有这种变形特性 具有这种变形特性的岩石大多数为变质的岩石大多数为变质岩,如大理岩、片麻岩,如大理岩、片麻岩等,这些材料被称岩等,这些材料被称为为塑塑——弹弹——塑性体塑性体..岩石力学岩石力学三、单轴压缩条件下岩石变形特性三、单轴压缩条件下岩石变形特性类型类型V V((塑塑- -弹弹- -塑性)塑性) 基本与类型基本与类型ⅣⅣ相同,相同,也呈也呈S S型,不过曲线斜型,不过曲线斜率较平缓一般发生在压率较平缓一般发生在压缩性较高的岩石中,应缩性较高的岩石中,应力垂直于片理的片岩具力垂直于片理的片岩具有这种性质。
有这种性质岩石力学岩石力学三、单轴压缩条件下岩石变形特性三、单轴压缩条件下岩石变形特性 类型类型ⅥⅥ((弹弹——粘性粘性)) 应力 应力——应变曲线开始先应变曲线开始先有很小一段直线部分,然有很小一段直线部分,然后有非弹性的曲线部分,后有非弹性的曲线部分,并继续不断地蠕变这是并继续不断地蠕变这是岩盐的应力岩盐的应力——应变特征曲应变特征曲线,某些软弱岩石也具有线,某些软弱岩石也具有类似特性这类材料被称类似特性这类材料被称为为弹弹——粘性体粘性体岩石力学岩石力学三、单轴压缩条件下岩石变形特性三、单轴压缩条件下岩石变形特性3 3、全应力应变曲线与刚性压力机、全应力应变曲线与刚性压力机 普通压力机:半程压缩曲线 普通压力机:半程压缩曲线 刚性压力机刚性压力机:全程压缩曲线:全程压缩曲线岩石力学岩石力学三、单轴压缩条件下岩石变形特性三、单轴压缩条件下岩石变形特性 在传统的压缩试验中,岩石达到其峰值强度 在传统的压缩试验中,岩石达到其峰值强度后发生突发性破坏后发生突发性破坏 根本原因: 根本原因:试验机的刚度不够大试验机的刚度不够大,试验过程,试验过程中试件受压,试验机框架受拉,试验机受拉产中试件受压,试验机框架受拉,试验机受拉产生的弹性变形以应变能的形式存在机器中,当生的弹性变形以应变能的形式存在机器中,当施加的压缩应力超过岩石抗压强度后,试件破施加的压缩应力超过岩石抗压强度后,试件破坏,此时,试验机架迅速回弹,以便返回其原坏,此时,试验机架迅速回弹,以便返回其原始位置,并将其内部贮存的应变能释放到岩石始位置,并将其内部贮存的应变能释放到岩石试件上,从而引起岩石试件的急剧破裂,产生试件上,从而引起岩石试件的急剧破裂,产生突发性破坏。
突发性破坏岩石力学岩石力学三、单轴压缩条件下岩石变形特性三、单轴压缩条件下岩石变形特性刚性试验机刚性试验机 为了减少在试验过程中试 为了减少在试验过程中试验机的弹性变形及贮存在其验机的弹性变形及贮存在其中的变形能,就必须增加试中的变形能,就必须增加试验机的刚度,为此出现了刚验机的刚度,为此出现了刚性试验机使用刚性试验机,性试验机使用刚性试验机,就能获得岩石在受压过程中就能获得岩石在受压过程中的全应力的全应力——应变曲线,获得应变曲线,获得岩石在超过峰值强度破坏后岩石在超过峰值强度破坏后的变形和强度特征的变形和强度特征岩石力学岩石力学三、单轴压缩条件下岩石变形特性三、单轴压缩条件下岩石变形特性增加试验机刚度的措施:增加试验机刚度的措施: 1 1、增加液压柱的截面积,减小其长度;、增加液压柱的截面积,减小其长度; 2 2、增大液压油的体积模量,少数刚性试、增大液压油的体积模量,少数刚性试验机的液压系统中用水银代替普通液压油验机的液压系统中用水银代替普通液压油 3 3、试验机和岩石试件组成一个系统,试、试验机和岩石试件组成一个系统,试验机刚度是相对于岩石试件刚度而言的,也验机刚度是相对于岩石试件刚度而言的,也可考虑减少岩石试件的刚度,减小试件截面可考虑减少岩石试件的刚度,减小试件截面积,增加其长度。
积,增加其长度 4 4、采用液压伺服系统采用液压伺服系统岩石力学岩石力学三、单轴压缩条件下岩石变形特性三、单轴压缩条件下岩石变形特性全应力全应力——应变曲线用途:应变曲线用途: ( (1 1)能全面显示岩石在受压破坏过程)能全面显示岩石在受压破坏过程中的应力、变形特征,特别是破坏后的强中的应力、变形特征,特别是破坏后的强度与力学性质变化规律;度与力学性质变化规律; ((2 2)预测岩爆;)预测岩爆; ( (3 3)预测蠕变破坏;)预测蠕变破坏; ( (4 4)预测循环加载条件下岩石的破坏预测循环加载条件下岩石的破坏岩石力学岩石力学四、循环荷载条件下岩石变形特征四、循环荷载条件下岩石变形特征 对于 对于线弹性岩石线弹性岩石,加,加载路径与卸载路径完全载路径与卸载路径完全重合,多次反复加载、重合,多次反复加载、卸载时,其应力卸载时,其应力——应变应变路径是相同的、都沿同路径是相同的、都沿同一直线往返 一直线往返 岩石力学岩石力学四、循环荷载条件下岩石变形特征四、循环荷载条件下岩石变形特征对于对于完全弹性岩石完全弹性岩石,其,其加载、卸载路径也完全加载、卸载路径也完全重合,但应力重合,但应力——应变关应变关系是曲线,不是直线,系是曲线,不是直线,反复多次加载与卸载,反复多次加载与卸载,其应力其应力——应变路径仍服应变路径仍服从此曲线关系。
从此曲线关系岩石力学岩石力学四、循环荷载条件下岩石变形特征四、循环荷载条件下岩石变形特征对于对于加载、卸载形成加载、卸载形成滞回圈的弹性岩石滞回圈的弹性岩石,,虽然加载曲线与卸载虽然加载曲线与卸载曲线不重合,但是反曲线不重合,但是反复加载与卸载时,应复加载与卸载时,应力应变关系曲线总是力应变关系曲线总是服从此环路的规律服从此环路的规律岩石力学岩石力学四、循环荷载条件下岩石变形特征四、循环荷载条件下岩石变形特征对于对于非弹性岩石非弹性岩石,例如,例如弹塑性弹塑性岩石,如果卸载点岩石,如果卸载点P P超过屈服点,则卸载曲线不与加载曲线重合,形成超过屈服点,则卸载曲线不与加载曲线重合,形成塑性滞回环塑性滞回环根据经验,卸载曲线的平均斜率一般根据经验,卸载曲线的平均斜率一般与加载曲线直线段的斜率与加载曲线直线段的斜率相同,或者和原点切线斜相同,或者和原点切线斜率相同如果多次反复加率相同如果多次反复加载卸载,且每次施加的最载卸载,且每次施加的最大荷载与第一次施加的最大荷载与第一次施加的最大荷载一样,则每次加、大荷载一样,则每次加、卸载曲线都形成一个塑性卸载曲线都形成一个塑性滞回环岩石力学岩石力学四、循环荷载条件下岩石变形特征四、循环荷载条件下岩石变形特征 塑性滞回环随着加、卸载的次数增加而愈 塑性滞回环随着加、卸载的次数增加而愈来愈狭窄,并且彼此愈来接近,岩石愈来愈来愈狭窄,并且彼此愈来接近,岩石愈来愈接近弹性变形,一直到某次循环没有塑性变接近弹性变形,一直到某次循环没有塑性变形为止。
形为止 循环应力峰值小于某 循环应力峰值小于某一数值时,循环次数即一数值时,循环次数即使很多,也不会导致试使很多,也不会导致试件破坏 疲劳破坏;临界应力;疲劳破坏;临界应力;疲劳强度疲劳强度岩石力学岩石力学四、循环荷载条件下岩石变形特征四、循环荷载条件下岩石变形特征如果多次反复加载、卸载循如果多次反复加载、卸载循环,每次施加的最大荷载比环,每次施加的最大荷载比前一次循环的最大荷载为大,前一次循环的最大荷载为大,随着循环次数的增加,随着循环次数的增加,塑性塑性滞回环的面积也有所扩大,滞回环的面积也有所扩大,卸载曲线的斜率卸载曲线的斜率( (代表着岩代表着岩石的弹性模量石的弹性模量) )也逐次略有也逐次略有增加增加,表明卸载应力下的岩,表明卸载应力下的岩石材料弹性有所增强石材料弹性有所增强岩石力学岩石力学四、循环荷载条件下岩石变形特征四、循环荷载条件下岩石变形特征每次卸裁后再加载,在每次卸裁后再加载,在荷载超过上一次循环的荷载超过上一次循环的最大荷载以后,变形曲最大荷载以后,变形曲线仍沿着原来的单调加线仍沿着原来的单调加载曲线上升,好像不曾载曲线上升,好像不曾受到反复加载的影响似受到反复加载的影响似的,这种现象称为岩石的,这种现象称为岩石的的变形记忆现象变形记忆现象。
岩石力学岩石力学五、三轴压缩条件下岩石变形特征五、三轴压缩条件下岩石变形特征大理岩试验结果:大理岩试验结果: 1 1、低围压,、低围压,脆性状态脆性状态;;2 2、围压增至、围压增至50MPa50MPa,脆性,脆性到塑性转化的过渡状态;到塑性转化的过渡状态;3 3、、围压增至围压增至68.5MPa68.5MPa时,时,塑性塑性流动流动状态;状态;4 4、围压增至、围压增至165MPa165MPa时,试件承载力时,试件承载力(σ(σ1 1--σσ3 3) )则随围压稳定增则随围压稳定增长,出现长,出现应变硬化应变硬化现象岩石力学岩石力学 岩石由脆性转化为塑性的临界围压称 岩石由脆性转化为塑性的临界围压称为为转化压力转化压力 岩石越坚硬,转化压力越大 岩石越坚硬,转化压力越大五、三轴压缩条件下岩石变形特征五、三轴压缩条件下岩石变形特征岩石岩石类类型型转转化化压压力(力(MPa))岩石岩石类类型型转转化化压压力力((MPa))盐盐岩岩0石英岩石英岩20~~100白垩白垩<<10砂岩砂岩>>100密密实页实页岩岩0~~20花花岗岗岩岩≥100几种岩石的转化压力几种岩石的转化压力岩石力学岩石力学 三轴压缩条件下,随着围压( 三轴压缩条件下,随着围压(σσ2 2==σσ3 3) )的的增大,岩石的变形特征为:增大,岩石的变形特征为: ①①、抗压强度显著增加;、抗压强度显著增加; ②②、变形显著增大;、变形显著增大; ③③、弹性极限显著增大;、弹性极限显著增大; ④④、应力、应力——应变曲线形应变曲线形态发生明显改变,岩石的态发生明显改变,岩石的性质发生了变化:由性质发生了变化:由弹脆弹脆性 弹塑性 应变硬性 弹塑性 应变硬化化。
五、三轴压缩条件下岩石变形特征五、三轴压缩条件下岩石变形特征花岗岩花岗岩应力-应变曲线应力-应变曲线岩石力学岩石力学六、岩石的扩容六、岩石的扩容 岩石的扩容现象是岩石具有的一种普遍岩石的扩容现象是岩石具有的一种普遍性质,是岩石在荷载作用下,在其破坏之性质,是岩石在荷载作用下,在其破坏之前产生的一种明显的非弹性体积变形前产生的一种明显的非弹性体积变形 研究岩石的扩容不仅可以深入地了解岩 研究岩石的扩容不仅可以深入地了解岩石的性质,同时还可以预测岩石的破坏石的性质,同时还可以预测岩石的破坏岩石力学岩石力学六、岩石的扩容六、岩石的扩容1 1、岩石体积应变、岩石体积应变εεV V:: 取一微小的立方体岩石试件,设各边长 取一微小的立方体岩石试件,设各边长dxdx、、dydy、、dzdz,,其体积为其体积为dvdv= =dxdydzdxdydz, ,受载后各边的长受载后各边的长度为度为: :变形后的体积为变形后的体积为: :岩石力学岩石力学六、岩石的扩容六、岩石的扩容变形后的体积增量为变形后的体积增量为: :岩石试件的体积应变为岩石试件的体积应变为: :展开,略去高阶微量,可得展开,略去高阶微量,可得: :岩石力学岩石力学六、岩石的扩容六、岩石的扩容2 2、弹性范围体变与应力关系:、弹性范围体变与应力关系: 弹性本构关系 弹性本构关系: :岩石力学岩石力学六、岩石的扩容六、岩石的扩容岩石力学岩石力学六、岩石的扩容六、岩石的扩容3 3、体变曲线的特点:、体变曲线的特点:(1)(1)体积变形阶段:体积变形阶段:体积应变在弹性阶段内随体积应变在弹性阶段内随应力增加而呈线性变化应力增加而呈线性变化( (体积减小体积减小) ),此阶段,此阶段内 。
内 此段后期,岩石体积此段后期,岩石体积变形曲线向左转弯,变形曲线向左转弯,开始偏离直线段出现开始偏离直线段出现扩容,开始出现扩容扩容,开始出现扩容时的应力约为(时的应力约为(1/31/3~~1/21/2))σσC C左右岩石力学岩石力学六、岩石的扩容六、岩石的扩容(2)(2)体积不变阶段:体积不变阶段:在这一阶段内,随着在这一阶段内,随着应力的增加,岩石体应力的增加,岩石体积虽有变形,但体积积虽有变形,但体积应变增量近于零、即应变增量近于零、即岩石体积大小儿乎没岩石体积大小儿乎没有变化在此阶段内有变化在此阶段内可认为 因可认为 因此称为体积不变阶段此称为体积不变阶段岩石力学岩石力学六、岩石的扩容六、岩石的扩容(3)(3)扩容阶段扩容阶段:: 外力继续增加, 外力继续增加,岩石试件的体积大岩石试件的体积大幅度增加,且增长幅度增加,且增长速率越来越大,最速率越来越大,最终将导致岩石试件终将导致岩石试件的破坏,这种体积的破坏,这种体积明显扩大的现象称明显扩大的现象称为扩容岩石力学岩石力学七、岩石的各向异性七、岩石的各向异性 岩石具有 岩石具有不连续性、不均质性和各向异性不连续性、不均质性和各向异性的特点。
的特点 岩石的全部或部分物理、力学性质随 岩石的全部或部分物理、力学性质随方向方向不同而表现出差异的现象称为岩石的各向异不同而表现出差异的现象称为岩石的各向异性 由于岩石的各向异性、如在 由于岩石的各向异性、如在不同方向不同方向加载加载时,岩石可表现出不同的变形特性、不同的时,岩石可表现出不同的变形特性、不同的弹性模量和泊松比、不同的强度特性等弹性模量和泊松比、不同的强度特性等岩石力学岩石力学七、岩石的各向异性七、岩石的各向异性 1 1、极端各向异性体、极端各向异性体 在物体内的任一点沿任何两个不同方向在物体内的任一点沿任何两个不同方向的弹性性质都互不相同,这样的物体称为的弹性性质都互不相同,这样的物体称为极端各向异性体极端各向异性体3636个弹性常数)个弹性常数) 极端各向异性体的特点是:任何一个应极端各向异性体的特点是:任何一个应力分量都会引起六个应变分量,也就是说力分量都会引起六个应变分量,也就是说正应力不仅能引起线应变,也能引起剪应正应力不仅能引起线应变,也能引起剪应变;剪应力不仅能引起剪应变,也能引起变;剪应力不仅能引起剪应变,也能引起线应变岩石力学岩石力学七、岩石的各向异性七、岩石的各向异性极端各向异性体本构关系极端各向异性体本构关系3636个弹性常数,个弹性常数,2121个独立弹性参数个独立弹性参数岩石力学岩石力学七、岩石的各向异性七、岩石的各向异性2 2、正交各向异性体、正交各向异性体 如果在弹性体中 如果在弹性体中存在着三个互相正存在着三个互相正交的弹性对称面,交的弹性对称面,在各个面两边的对在各个面两边的对称方向上弹性相同,称方向上弹性相同,但在这个弹性主向但在这个弹性主向上弹性并不相同,上弹性并不相同,这种物体称为正交这种物体称为正交各向异性体。
各向异性体岩石力学岩石力学七、岩石的各向异性七、岩石的各向异性正交各向异性体本构关系正交各向异性体本构关系1212个弹性常数,个弹性常数,9 9个独立弹性参数个独立弹性参数岩石力学岩石力学七、岩石的各向异性七、岩石的各向异性3 3、横观各向同性体、横观各向同性体 横观各向同性体是各向横观各向同性体是各向异性体的特殊情况,在岩异性体的特殊情况,在岩石某一平面内的各方向弹石某一平面内的各方向弹性性质相同,这个面称为性性质相同,这个面称为各向同性面,而垂直此面各向同性面,而垂直此面方向的力学性质不同,具方向的力学性质不同,具有这种性质的物体称为横有这种性质的物体称为横观各向同性体观各向同性体成层的岩成层的岩石就属于这一类石就属于这一类只有(只有5 5个独立的常数)个独立的常数)岩石力学岩石力学七、岩石的各向异性七、岩石的各向异性横观各向同性体本构关系横观各向同性体本构关系6 6个独立弹性参数个独立弹性参数岩石力学岩石力学七、岩石的各向异性七、岩石的各向异性4 4、各向同性体、各向同性体 若物体内的任一点沿任何方向的弹若物体内的任一点沿任何方向的弹性都相同,则这样的物体称为各向同性都相同,则这样的物体称为各向同性体。
如钢材,水泥等,各向同性体性体如钢材,水泥等,各向同性体的弹性参数中只有二个是独立的,即的弹性参数中只有二个是独立的,即弹性模量弹性模量E E和泊松比和泊松比μμ岩石力学岩石力学七、岩石的各向异性七、岩石的各向异性岩石力学岩石力学1.5 岩石波动特性及测试177177岩石力学岩石力学1.1.定义:波就是某种扰动、或某种运动参数、或定义:波就是某种扰动、或某种运动参数、或状态参数的变化在介质中的传播状态参数的变化在介质中的传播 (例如应(例如应力、变形、震动、温度、电磁场强度等)力、变形、震动、温度、电磁场强度等) 应力波就是应力在固体介质中的传播应力波就是应力在固体介质中的传播2.2.分类:分类:(4(4类)类)•弹性波弹性波: : 在应力应变关系服从虎克定律的介质在应力应变关系服从虎克定律的介质中传播的波中传播的波一、岩石的波动特性一、岩石的波动特性(一)、固体中应力波的种类(一)、固体中应力波的种类•粘弹性波:在非线性弹性体中传播的波,粘弹性波:在非线性弹性体中传播的波,这种波,除弹性变形产生的弹性应力外,这种波,除弹性变形产生的弹性应力外,还又产生摩擦应力或粘滞应力。
还又产生摩擦应力或粘滞应力•塑性波:应力超过弹性极限的波塑性波:应力超过弹性极限的波•冲击波:如果固体介质的变形性质能使冲击波:如果固体介质的变形性质能使大扰动的传播速度远比小扰动的传播速大扰动的传播速度远比小扰动的传播速度大,在介质中就会形成波头陡峭的、度大,在介质中就会形成波头陡峭的、以超声波传播的冲击波以超声波传播的冲击波 岩石在受到扰动时在岩体中主要传播的是弹性岩石在受到扰动时在岩体中主要传播的是弹性波,塑性波和冲击波只有在振源才可波,塑性波和冲击波只有在振源才可以看到一、岩石的波动特性一、岩石的波动特性1791793.3.在固体中可传播的弹性波可分为两类在固体中可传播的弹性波可分为两类((1 1)体波:由岩体内部传播的波)体波:由岩体内部传播的波(2(2类)类) ( (a a))纵波(又称:初至波、纵波(又称:初至波、P P波)波) 质点振动的方向和传播方向一致的波, 质点振动的方向和传播方向一致的波,它产生压缩或拉伸变形它产生压缩或拉伸变形 ((b b))横波(又称次到波、横波(又称次到波、S S波波) ) 质点振动方向和传播方向垂直的波,产 质点振动方向和传播方向垂直的波,产生剪切变形。
生剪切变形2 2)面波:仅在岩石表面传播质点运动的)面波:仅在岩石表面传播质点运动的轨迹为一椭圆,其长轴垂直于表面,这样轨迹为一椭圆,其长轴垂直于表面,这样的面波又称为瑞利波的面波又称为瑞利波 面波速度小于体波,但传播距离大面波速度小于体波,但传播距离大一、岩石的波动特性一、岩石的波动特性180180波动方程(不计体力的拉梅运动方程):波动方程(不计体力的拉梅运动方程):二、弹性波在固体中的传播二、弹性波在固体中的传播181181由上方程导出纵波在各向同性岩体中的传播速度由上方程导出纵波在各向同性岩体中的传播速度:: 横波在各向同性岩体中的传播速度:横波在各向同性岩体中的传播速度: 将将 , , 代入代入上两式,得:上两式,得:二、弹性波在固体中的传播二、弹性波在固体中的传播182182 若已知若已知ρρ,,V Vp p,,V Vs s,则可根据上两式推出求,则可根据上两式推出求动弹性模量和动泊松比动弹性模量和动泊松比E Ed d,,μμd d ,即:,即:二、弹性波在固体中的传播二、弹性波在固体中的传播183183注注::若若 V Vs s分辨不清,则可用分辨不清,则可用ρρ,,VpVp,,μμ(一般可(一般可 用静泊松比代替)求 用静泊松比代替)求 Ed ,则,则 若 若 μμ==0.250.25时,时,VpVp/Vs/Vs==1.731.73•经过各方面试验验证,经过各方面试验验证,VpVp/Vs, /Vs, 一般在一般在1.6~~1.7 之间。
之间二、弹性波在固体中的传播二、弹性波在固体中的传播184184(一)岩块声波传播速度室内测定(一)岩块声波传播速度室内测定 测定时,把声源和接收器放在岩块试件得两端,通常测定时,把声源和接收器放在岩块试件得两端,通常用超声波,其频率为用超声波,其频率为1kHz1kHz--2MHz2MHz声波仪声波仪岩岩石石试试件件发射传感器发射传感器耦合剂耦合剂接收传感器接收传感器测出测出三、岩体弹性波速的测定三、岩体弹性波速的测定185185三、岩体弹性波速的测定三、岩体弹性波速的测定186186三、岩体弹性波速的测定三、岩体弹性波速的测定187187(二)岩体声波传播速度的现场测定(二)岩体声波传播速度的现场测定 岩体声波的传播速度可以在巷道周边表岩体声波的传播速度可以在巷道周边表面或平坦的岩面上测定现场量测弹性波面或平坦的岩面上测定现场量测弹性波速度的方法主要有单孔法和跨孔法速度的方法主要有单孔法和跨孔法 测点:可选择平洞、钻孔或地表露头 测点:可选择平洞、钻孔或地表露头 声波激发方式:换能器、锤击、电火花 声波激发方式:换能器、锤击、电火花三、岩体弹性波速的测定三、岩体弹性波速的测定188188三、岩体弹性波速的测定三、岩体弹性波速的测定189189步骤:步骤:1、、测测量出声源与接收器之间的距离中的量出声源与接收器之间的距离中的D D1 1或或D D2 2 2 2、测出、测出P P波和波和S S波传播的时间波传播的时间tptp,,tsts 3 3、计算弹性波速度、计算弹性波速度VpVp和和VsVs三、岩体弹性波速的测定三、岩体弹性波速的测定190190((三)岩体弹性波测定结果三)岩体弹性波测定结果三、岩体弹性波速的测定三、岩体弹性波速的测定191191一般规律:一般规律:1 1、岩体纵波波速变化范围较大,影响因、岩体纵波波速变化范围较大,影响因素较多。
素较多2 2、岩块波速要大于岩体波速;、岩块波速要大于岩体波速;3 3、新鲜完整的岩体波速大;、新鲜完整的岩体波速大;4 4、裂隙发育和风化破碎岩体的波速小裂隙发育和风化破碎岩体的波速小三、岩体弹性波速的测定三、岩体弹性波速的测定192192三、岩体弹性波速的测定三、岩体弹性波速的测定193193 动弹性模量与静弹性模量的比值动弹性模量与静弹性模量的比值•一般来说,岩体越坚硬越完整,则差一般来说,岩体越坚硬越完整,则差值越小,否则,差值就越大值越小,否则,差值就越大•根据对比资料的统计,动弹性模量比根据对比资料的统计,动弹性模量比静弹性模量高百分之几至几十倍静弹性模量高百分之几至几十倍 从从动弹性模量的数字来看,多集中在动弹性模量的数字来看,多集中在1515~~50GPa50GPa之间三、岩体弹性波速的测定三、岩体弹性波速的测定194194(一)岩体弹性波速与岩体种类、岩石密度和(一)岩体弹性波速与岩体种类、岩石密度和生成年代有关生成年代有关1 1、岩石的密度和完整性越高,波速越大岩石的密度和完整性越高,波速越大2 2、岩石密度越大,弹性波速度也相应增加岩石密度越大,弹性波速度也相应增加。
3 3、从实例统计的角度,各类岩石的弹性波速、从实例统计的角度,各类岩石的弹性波速及密度之间的关系为:及密度之间的关系为:四、影响岩体波速的因素四、影响岩体波速的因素195195(二)岩体波速与岩体中裂隙或夹层的关系(二)岩体波速与岩体中裂隙或夹层的关系 弹性波在岩体中传播时,若遇到裂弹性波在岩体中传播时,若遇到裂隙中充填物为空气,则弹性波不能通隙中充填物为空气,则弹性波不能通过,而是绕过裂隙断点传播在裂隙过,而是绕过裂隙断点传播在裂隙充水的情况下,有充水的情况下,有5 5%可以通过,若%可以通过,若充填物为其他液体或固体物质,则弹充填物为其他液体或固体物质,则弹性波可部分或完全通过弹性波跨越性波可部分或完全通过弹性波跨越裂隙宽度的能力与弹性波的频率和振裂隙宽度的能力与弹性波的频率和振幅有关幅有关 四、影响岩体波速的因素四、影响岩体波速的因素196196岩石力学岩石力学1.6 影响岩石力学性质的主要因素198198岩石力学岩石力学一、水对岩石力学性质的影响一、水对岩石力学性质的影响 岩石中的水通常以两种方式赋存,一种称之为结合水或束岩石中的水通常以两种方式赋存,一种称之为结合水或束缚水,一种为重力水或称为自由水,它们对岩石力学性质的缚水,一种为重力水或称为自由水,它们对岩石力学性质的影响,主要体现在以下影响,主要体现在以下5个方面,即个方面,即 连结作用连结作用 润滑作用润滑作用 结合水结合水 水楔作用水楔作用 孔隙压力作用孔隙压力作用 重力水重力水 溶蚀及浅蚀作用溶蚀及浅蚀作用岩石力学岩石力学一、水对岩石力学性质的影响一、水对岩石力学性质的影响 1 1、连结作用:、连结作用:束缚在矿物表面的水分子通束缚在矿物表面的水分子通过其吸引力作用将矿物颗粒拉近、接紧,起过其吸引力作用将矿物颗粒拉近、接紧,起连结作用,这种作用在松散土中是明显的,连结作用,这种作用在松散土中是明显的,但对于岩石,由于矿物颗粒间的连结强度远但对于岩石,由于矿物颗粒间的连结强度远远高于这种连结作用,因此,他们对岩石力远高于这种连结作用,因此,他们对岩石力学性质的影响是微弱的,但对于被土充填的学性质的影响是微弱的,但对于被土充填的结构面的力学性质的影响则很明显。
结构面的力学性质的影响则很明显岩石力学岩石力学一、水对岩石力学性质的影响一、水对岩石力学性质的影响 2 2、润滑作用:、润滑作用:由可溶盐、胶体矿由可溶盐、胶体矿物连结的岩石,当有水浸入时,可溶物连结的岩石,当有水浸入时,可溶盐溶解,胶体水解,使原有的连结变盐溶解,胶体水解,使原有的连结变成水胶连结,导致矿物颗粒间连结力成水胶连结,导致矿物颗粒间连结力减弱,摩擦力减低,水起到润滑剂的减弱,摩擦力减低,水起到润滑剂的作用岩石力学岩石力学一、水对岩石力学性质的影响一、水对岩石力学性质的影响 3 3、水楔作用:、水楔作用:当两个矿物颗粒靠得很近、当两个矿物颗粒靠得很近、有水分子补充到矿物表面时,矿物颗粒利用其有水分子补充到矿物表面时,矿物颗粒利用其表面吸着力将水分子拉到自己周围,在两个颗表面吸着力将水分子拉到自己周围,在两个颗粒接触处因吸着力作用使水分子向两个矿物颗粒接触处因吸着力作用使水分子向两个矿物颗粒之间的缝隙内挤入,这种现象称水楔作用粒之间的缝隙内挤入,这种现象称水楔作用岩石力学岩石力学一、水对岩石力学性质的影响一、水对岩石力学性质的影响 4 4、孔隙水压力作用、孔隙水压力作用:对于孔隙和微裂隙中:对于孔隙和微裂隙中含有重力水的岩石,当其突然受载而水来不含有重力水的岩石,当其突然受载而水来不及排出时,岩石孔隙或裂隙中将产生很高的及排出时,岩石孔隙或裂隙中将产生很高的孔隙压力,这种孔隙压力,减小了颗粒之间孔隙压力,这种孔隙压力,减小了颗粒之间的压应力,从而降低了岩石的抗剪强度,甚的压应力,从而降低了岩石的抗剪强度,甚至使岩石的微裂隙端部处于受拉状态从而破至使岩石的微裂隙端部处于受拉状态从而破坏岩石的连结。
坏岩石的连结 自由水:不受矿物表面吸着力控制,其运 自由水:不受矿物表面吸着力控制,其运动主要受重力作用控制动主要受重力作用控制岩石力学岩石力学一、水对岩石力学性质的影响一、水对岩石力学性质的影响 5 5、溶蚀、溶蚀——潜蚀作用潜蚀作用:岩石中渗透水在其流:岩石中渗透水在其流动过程中可将岩石中可溶物质溶解带走,有动过程中可将岩石中可溶物质溶解带走,有时将岩石中小颗粒冲走,从而使岩石强度大时将岩石中小颗粒冲走,从而使岩石强度大为降低,变形加大,前者称为溶蚀作用,后为降低,变形加大,前者称为溶蚀作用,后者称为潜蚀作用在岩体中有酸性或碱性水者称为潜蚀作用在岩体中有酸性或碱性水流时,极易出现溶蚀作用当水力梯度很大流时,极易出现溶蚀作用当水力梯度很大时,对于孔隙度大、连结差的岩石易产生潜时,对于孔隙度大、连结差的岩石易产生潜蚀作用岩石力学岩石力学一、水对岩石力学性质的影响一、水对岩石力学性质的影响岩岩浆浆岩岩沉沉积积岩岩变质变质岩岩岩石名称岩石名称软软化系数化系数岩石名称岩石名称软软化系数化系数岩石名称岩石名称软软化系数化系数花花岗岗岩岩0.720.72--0.970.97火山集火山集块块岩岩0.60.6--0.80.8片麻岩片麻岩0.750.75--0.970.97闪长闪长岩岩0.600.60--0.800.80火山角火山角砾砾岩岩0.570.57--0.950.95石英片麻岩石英片麻岩0.440.44--0.840.84闪长闪长玢岩玢岩0.780.78--0.810.81安山凝灰集安山凝灰集块块岩岩0.610.61--0.740.74角角闪闪片岩片岩0.440.44--0.840.84辉绿辉绿岩岩0.330.33--0.900.90凝灰岩凝灰岩0.520.52--0.860.86云母片岩云母片岩0.530.53--0.690.69流流纹纹岩岩0.750.75--0.950.95砾砾岩岩0.500.50--0.960.96绿绿泥石片岩泥石片岩0.530.53--0.690.69安山岩安山岩0.810.81--0.910.91石英砂岩石英砂岩0.650.65--0.970.97千枚岩千枚岩0.670.67--0.960.96玄武岩玄武岩0.300.30--0.950.95泥泥质质砂岩砂岩0.210.21--0.750.75硅硅质质板岩板岩0.750.75--0.790.79泥岩泥岩0.400.40--0.600.60泥泥质质板岩板岩0.390.39--0.520.52页页岩岩0.240.24--0.740.74石英岩石英岩0.940.94--0.960.96石灰岩石灰岩0.700.70--0.940.94泥灰岩泥灰岩0.440.44--0.540.54岩石力学岩石力学二、温度对岩石力学性质的影响二、温度对岩石力学性质的影响从工程建筑角度来看,除了一些特殊项从工程建筑角度来看,除了一些特殊项目,一般不需要研究温度对岩石力学性目,一般不需要研究温度对岩石力学性质的影响。
因为按一般地热增温看,质的影响因为按一般地热增温看,每每增加增加100m100m深度,温度升高深度,温度升高3℃3℃,,这样在目这样在目前的工程活动的最大深度前的工程活动的最大深度3000m3000m内,岩石内,岩石的温度约为的温度约为90℃90℃,这一温度不可能对岩,这一温度不可能对岩石的力学性质产生显著影响石的力学性质产生显著影响岩石力学岩石力学二、温度对岩石力学性质的影响二、温度对岩石力学性质的影响一般来说,随着温度的增高,岩石的延(塑)一般来说,随着温度的增高,岩石的延(塑)性加大,屈服点降低,强度也降低性加大,屈服点降低,强度也降低 玄武岩玄武岩 花岗岩花岗岩 白云岩白云岩 岩石力学岩石力学三、加载速度对岩石力学性质的影响三、加载速度对岩石力学性质的影响 单轴压缩试验时施加荷载的速度对岩石的 单轴压缩试验时施加荷载的速度对岩石的变形性质和强度指标有明显影响,变形性质和强度指标有明显影响,加载速率加载速率愈快,测得的弹性模量越大,获得的强度指愈快,测得的弹性模量越大,获得的强度指标值越高标值越高。
ISRM(ISRM(国际岩石力学学会国际岩石力学学会) )建议的加载速率建议的加载速率为为0.50.5——1MPa1MPa//s s,一般从开始试验直至试件,一般从开始试验直至试件破坏的时间为破坏的时间为5 5——1010分钟分钟岩石力学岩石力学四、围压对岩石力学性质的影响四、围压对岩石力学性质的影响 三轴压缩试验可知:岩石的脆性和塑性并 三轴压缩试验可知:岩石的脆性和塑性并非岩石固有的性质,它与其受力状态有关,非岩石固有的性质,它与其受力状态有关,随着受力状态的改变,其随着受力状态的改变,其脆性和塑性是可以脆性和塑性是可以相互转化相互转化的例如欧洲阿尔卑斯山的山岭隧的例如欧洲阿尔卑斯山的山岭隧道穿过很坚硬的花岗岩,由于山势陡峭,花道穿过很坚硬的花岗岩,由于山势陡峭,花岗岩处于很高的三维地应力状态下,表现出岗岩处于很高的三维地应力状态下,表现出明显的塑性变形明显的塑性变形 在三轴压缩条件下,岩石的变形、强度和在三轴压缩条件下,岩石的变形、强度和弹性极限都有显著增大弹性极限都有显著增大岩石力学岩石力学五、风化对岩石力学性质的影响五、风化对岩石力学性质的影响 风化作用风化作用是一种表生的自然营力和人类作是一种表生的自然营力和人类作用的共同产物,是一种很复杂的地质作用,用的共同产物,是一种很复杂的地质作用,将涉及到气温、大气、水分、生物、原岩的将涉及到气温、大气、水分、生物、原岩的成因、原岩的矿物成分、原岩的结构和构造成因、原岩的矿物成分、原岩的结构和构造等因素的综合作用。
等因素的综合作用 风化程度风化程度是指岩体的风化现状风化程度是指岩体的风化现状风化程度的不同对岩石强度的影响程度是不同的的不同对岩石强度的影响程度是不同的1 . 1 . 风化作用:风化作用:风化作用:风化作用:在常温常压下,由于温度、水、氧、碳酸气和生物等因素的影响,使组成地壳表层的岩石发生崩裂、分解或化合等变化的作用,叫风化作用按引起风化作用的因素不同可分为:物理物理风化、风化、 化学风化、生物风化化学风化、生物风化三种 化学风化化学风化 生物风化生物风化 物理风化物理风化2112111 1 1 1)物理风化作用:)物理风化作用:)物理风化作用:)物理风化作用: 岩石在风化过程中,只发生岩石在风化过程中,只发生机械破碎,而化学成分不变机械破碎,而化学成分不变 特点:物质成分没有发生变化,特点:物质成分没有发生变化,只是发生机械的破碎和松动只是发生机械的破碎和松动温差效应:温差效应:冰劈作用冰劈作用:其它(含盐溶液等结晶其它(含盐溶液等结晶))球形风化球形风化五、风化对岩石力学性质的影响五、风化对岩石力学性质的影响2122122 2))化学风化作用:化学风化作用:化学风化作用:化学风化作用:岩石在水、氧、岩石在水、氧、CO2以及各种酸类的化学以及各种酸类的化学反应影响下引起岩石和矿物的化学成分发生变化。
反应影响下引起岩石和矿物的化学成分发生变化特点:化学成分可能发生变化,或矿物发生溶解特点:化学成分可能发生变化,或矿物发生溶解 氧化:氧化:4FeS2+15O2+H2O——2Fe2O3.nH2O+8H2SO4 碳酸化:碳酸化:CaCO3+H2O+CO2——Ca(HCO3)2 水化:硬石膏(水化:硬石膏(CaSO4)——石膏石膏(CaSO4.2H2O) 水解:盐溶化水解:盐溶化五、风化对岩石力学性质的影响五、风化对岩石力学性质的影响2132133 3 3 3)生物风化作用:)生物风化作用:)生物风化作用:)生物风化作用:是指岩石在动植物活动的影响下所引起的破坏作用既有物理的也有化学的 根劈作用:物理方式根劈作用:物理方式 生物分解物与矿物的反应:生物分解物与矿物的反应: 化学方式化学方式 (有机酸、亚硝酸、氢氧化铵与硅酸盐反应)五、风化对岩石力学性质的影响五、风化对岩石力学性质的影响214214岩石力学岩石力学五、风化对岩石力学性质的影响五、风化对岩石力学性质的影响岩石风化降低力学性质的原因:岩石风化降低力学性质的原因: (1)(1)、降低岩体结构面的粗糙程度并产生新、降低岩体结构面的粗糙程度并产生新的裂隙,使岩体被再次分裂成更小的碎块,的裂隙,使岩体被再次分裂成更小的碎块,进一步破坏了岩体的完整性,随着岩石原有进一步破坏了岩体的完整性,随着岩石原有结构连结被削弱以至丧失,坚硬岩石可转变结构连结被削弱以至丧失,坚硬岩石可转变为半坚硬岩石,甚至成为疏松土。
为半坚硬岩石,甚至成为疏松土岩石力学岩石力学五、风化对岩石力学性质的影响五、风化对岩石力学性质的影响 ( (2)2)、岩石在化学风化过程中,矿物成分、岩石在化学风化过程中,矿物成分发生变化,原生矿物经受水解、水化、氧化发生变化,原生矿物经受水解、水化、氧化等作用后,逐渐为次生矿物所代替,特别是等作用后,逐渐为次生矿物所代替,特别是产生产生粘土矿物粘土矿物( (如蒙脱石、高岭石等如蒙脱石、高岭石等) ),,并随并随着风化程度的加深,这类矿物逐渐增加着风化程度的加深,这类矿物逐渐增加岩石力学岩石力学五、风化对岩石力学性质的影响五、风化对岩石力学性质的影响 (3)(3)、由于岩石、岩体的成分、结构和构造的、由于岩石、岩体的成分、结构和构造的变化,岩体的物理力学性质也随之改变变化,岩体的物理力学性质也随之改变 抗水性降低、亲水性增高抗水性降低、亲水性增高----膨胀性、崩解性、膨胀性、崩解性、软化性增强;软化性增强; 力学强度降低,压缩性加大力学强度降低,压缩性加大;; 孔隙性增加,透水性增强孔隙性增加,透水性增强 岩体在风化营力的作用下,优良的性质削弱,岩体在风化营力的作用下,优良的性质削弱,不良性质加剧,岩石的力学性质恶化。
不良性质加剧,岩石的力学性质恶化岩石力学岩石力学五、风化对岩石力学性质的影响五、风化对岩石力学性质的影响 岩石的风化程度可以通过室内岩石物理力学 岩石的风化程度可以通过室内岩石物理力学性质指标评定的方法,也可以用声波及超声波性质指标评定的方法,也可以用声波及超声波的方法 岩石风化程度系数(水电部成都勘察设计研 岩石风化程度系数(水电部成都勘察设计研究院,究院,19641964年):年): 式中; 式中;K Kn n-孔隙率系数;-孔隙率系数;K KR R-强度系数;-强度系数;K KW W-吸水率系数-吸水率系数岩石力学岩石力学五、风化对岩石力学性质的影响五、风化对岩石力学性质的影响 岩石风化程度分级岩石风化程度分级 KyKy ≤0.1 ≤0.1 剧风化剧风化 KyKy ==0.10.1~~0.35 0.35 强风化 强风化 KyKy ==0.350.35~~0.65 0.65 弱风化弱风化 KyKy ==0.650.65~~0.90 0.90 微风化微风化 KyKy ==0.900.90~~1.00 1.00 新鲜岩石新鲜岩石 KyKy仅是表示岩石风化程度深浅的一个相对仅是表示岩石风化程度深浅的一个相对指标指标, ,而不是绝对值而不是绝对值. .岩石力学岩石力学。