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1、第二章第二章 岩石的基本物理力学性质岩石的基本物理力学性质 第一节第一节 概述概述 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，也是岩石力学学科中研究最早、最完善的内容之一。 第一节第一节 基本物理性质基本物理性质 液相液相 气相相 固相固相 VaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积一、岩石的质量指标一、岩石的质量指标（一）密度和比重 1、岩石的密度：单位体积内岩石的质量。岩石含：固相、液相、气相。三相比例不同而密度不同。（1 1）天然密度：自然状态下，单位体积质量）天然密度：自然状态下，单位体积质量 mm岩石总质量；岩石总质量；VV总体积。总体积。（2 2）饱和密度：岩石中的孔
2、隙被水充填时的）饱和密度：岩石中的孔隙被水充填时的单位体积质量（水中浸单位体积质量（水中浸4848小时）小时） V VV V孔隙体积孔隙体积（3 3）干密度：岩块中的孔隙水全部蒸发后的）干密度：岩块中的孔隙水全部蒸发后的 单位体积质量（单位体积质量（108108烘烘2424h h） （3 3）重力密度）重力密度 单位体积中岩石的重量，通常称为重度。单位体积中岩石的重量，通常称为重度。这个指标由密度乘上重力加速度而得。其采用这个指标由密度乘上重力加速度而得。其采用的单位为的单位为kN/mkN/m3 3. . 密度指标是工程中应用最广泛的参数之密度指标是工程中应用最广泛的参数之一，它不仅反映岩石的
3、致密程度，还用于计算一，它不仅反映岩石的致密程度，还用于计算岩体的自重应力。岩体的自重应力。 （4 4）岩石的颗粒密度）岩石的颗粒密度 岩石的颗粒密度是指岩石固体物质的质岩石的颗粒密度是指岩石固体物质的质量与固体体积之比值。量与固体体积之比值。 岩石的颗粒密度采用比重瓶法测定二、岩石的孔隙性二、岩石的孔隙性 反映裂隙发育程度的指标反映裂隙发育程度的指标（一）孔隙比e 孔隙的体积与固体体积之比VV孔隙体积（水银充填法求出）（二）孔隙率n 孔隙的体积与试件总体积之比值(%)en关系关系天然状态下饱和状态下三、岩石的水理性质三、岩石的水理性质 （一）含水性（一）含水性1、含水率：岩石孔隙中含水量mW
4、与固体质量之比的百分数2、吸水率：岩石吸入水的质量与固体质量之比wa为自由吸水率，wsa为饱和吸水率 岩石自由吸水牢的试验方法采用浸水岩石自由吸水牢的试验方法采用浸水法，而饱和吸水率采用抽真空法或者煮沸法，而饱和吸水率采用抽真空法或者煮沸法试验来求得岩石的吸水率。法试验来求得岩石的吸水率。 吸水率是一个间接反映岩石内孔隙多吸水率是一个间接反映岩石内孔隙多少的指标，与岩石的含水率一样，对于软少的指标，与岩石的含水率一样，对于软岩它是一个比较重要的参数岩它是一个比较重要的参数。 （二）（二）渗透性渗透性 在一定的水压作用下，水穿透岩石的能力。反映了岩石中裂隙向相互连通的程度，大多渗透性可用达西（D
5、arcy）定律描述：（m3/s）水头变化率；qx沿x方向水的流量；h水头高度； A垂直x方向的截面面积；k渗透系数。 水在岩体中的渗流是由水头差或水力梯度引起的。水头的定义为： 式中：h为总水头，v为流速，u水压(kPa),z为基准面高程 水在岩体中渗流时，速度很慢，由速度引起的水头项可以忽略。ABLh1h2zAzBh h00基准面基准面水力坡降线水力坡降线总水头总水头单位重量水体所具有的能量单位重量水体所具有的能量z：位置水头：位置水头u/u/w w：压力水头：压力水头V2/(2g)：流速水头流速水头0 0A点总水头：点总水头：B点总水头：点总水头：总水头：总水头：水力坡降：水力坡降：水头差
6、：水头差：测管水头测管水头试验前提试验前提：层流层流 h, Q A, Q L, Q断面平均流速断面平均流速 水力坡降水力坡降 试验结果试验结果试验装置：试验装置：如图如图 试验条件试验条件: : h1，A，L=const 量测变量量测变量: : h2，V，T h=h1-h2Q=V/T达西定律达西定律 渗透定律 在层流状态的渗流中，渗透在层流状态的渗流中，渗透速度速度v与水力坡降与水力坡降i的一次方成的一次方成正比，并与土的性质有关。正比，并与土的性质有关。 k: : 反映土的透水性能的比例系反映土的透水性能的比例系 数，称为渗透系数数，称为渗透系数 物理意义：物理意义： 水力坡降水力坡降i1
7、1时的渗流速度时的渗流速度 单位：单位：mm/s, cm/s, m/s, m/day 就一般工程而言，所关心的是渗透系数K的大小。渗透系数K是利用径向渗透试验而得到。所谓径向渗透试验，是采用钻有一同心轴内孔的岩芯，使这空心圆柱体试样在水力梯度的作用下，液体能够产生径向流动，并测得液体沿着岩石内的裂隙网流动时的各参数，进而求得岩石的渗透系数。 岩石的渗透性对于解决一些实际问题具有直接的意义，例如：在地下洞室中贮存液体；评价水库的渗水性；排除深埋洞室的渗水等。但是，就渗透性而言，岩体的渗透特性远比岩石的渗透性来得重要，原因是岩体中存在不连续面，使其渗透系数要比岩石的大得多。目前，国外已有人正在进行
8、现场岩体的渗透性试验研究，这是研究岩石渗透性方向。四、岩石的抗风化指标（四、岩石的抗风化指标（3 3类）类）(1)(1)软化系数软化系数（表示抗风化能力的指标）Rcc饱和单轴抗压强度、 Rcd干燥单轴抗压强度； （）越小，表示岩石受水的影响越大。 软化系数是指岩石饱和单轴抗压强度与干燥状态下的单轴抗压强度的比值。它是岩石抗风化能力的一个指标，反映了岩石遇水强度降低的一个参数。耐崩解性指数是通过对岩石试件进行烘干，浸水循环试验所得的指标。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20rmin 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
9、复进行两次，按下式计算耐崩解性指数：(2)(2)岩石耐崩解性指数岩石耐崩解性指数 试验前的试件烘干质量试验前的试件烘干质量 ；残留在筒内的试件；残留在筒内的试件烘干质量烘干质量 1 1、自由膨胀率、自由膨胀率：无约束条件下，浸水后胀变形与原尺寸 之比轴向自由膨胀轴向自由膨胀 （%）径向自由膨胀径向自由膨胀 （%）D直径 H试件高度 （3）岩石的膨胀性）岩石的膨胀性 含有粘土矿物的岩石，遇水后台发生膨胀现象评价膨胀性岩体工程的稳定。2 2、侧向约束膨胀率、侧向约束膨胀率 有侧向约束条件下，浸水后岩石仅发生轴向膨胀变形而求得的膨胀率。钢模具钢模具有机玻璃板有机玻璃板试样试样(3) 膨胀压力膨胀压力 膨胀压力是指岩石试件浸水后，使试件保持原膨胀压力是指岩石试件浸水后，使试件保持原有体积所施加的最大压力。其试验方法为先加预乐，有体积所施加的最大压力。其试验方法为先加预乐，岩石试件的变形稳定后，将试件浸入水中，当岩石岩石试件的变形稳定后，将试件浸入水中，当岩石遇水膨胀的变形量大于时，施遇水膨胀的变形量大于时，施加一定的压力，使试件保持原加一定的压力，使试件保持原有的体积，经过一段时间的实有的体积，经过一段时间的实验测量试件保持不再变化验测量试件保持不再变化(变变形趋于稳定形趋于稳定)时的最大压力。时的最大压力。荷载荷载P荷载荷载P钢模具钢模具注水孔注水孔
