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第一章第一章 矿山岩石和岩体的基本性质矿山岩石和岩体的基本性质 岩石的物理力学性质是岩体最基本、最重要的性质之一，也是岩石力学中研究最早、最完善的内容之一。本章介绍：本章介绍：岩石的地质构成及分类；岩石物理、力学性质及测定；岩石的破坏机理和强度理论；岩体及其力学特征。第一节第一节 岩石的基本物理性质岩石的基本物理性质 1.概念 岩石：岩石：矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集形成的自然物体。（岩石（岩石=矿物颗粒矿物颗粒+胶结物胶结物+孔隙孔隙+水）水）矿物：矿物：存在地壳中的具有一定化学成分和物理性质的自然元素和化合物。结构：结构：组成岩石的物质成分、颗粒大小和形状以及其相互结合的情况。(结晶、胶结)构造构造:组成成分的空间分布及其相互间排列关系。（节理、裂隙、孔隙、边界、缺陷）矿物、结构、构造矿物、结构、构造 是影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素是影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素。一、岩石的基本概念一、岩石的基本概念 岩浆岩：岩浆岩：强度高、均质性好2.2.岩石地质分类岩石地质分类 沉积岩：沉积岩：强度不稳定，各向异性 变质岩：变质岩：不稳定，与变质程度和岩性有关3.3.沉积岩石的力学特性：沉积岩石的力学特性：不连续性；（物质不能充满空间，有孔隙存在）各向异性；（任一点的物理、力学性质沿不同方向均不相同）不均匀性；（由不同物质组成，各点物理力学性质都不相同）岩块单元的可移动性；地质因素影响特性（水、气、热、初应力）（上述特性导致岩石力学的研究方法以实验测试为主）岩石由固体，水，空气等三相组成。岩石由固体，水，空气等三相组成。（一）密度（一）密度（）和重度）和重度(体积力体积力)：单单位位体体积积的的岩岩石石的的质质量量称称为为岩岩石石的的密密度度。单单位位体体积积的的岩岩石石的的重重力力称称为为岩岩石石的的重重度度。所所谓谓单单位位体体积积就就是是包包括括孔孔隙隙体体积在内的体积。积在内的体积。（g/cmg/cm3 3），），g(kN/mg(kN/m3 3)岩岩石石的的密密度度可可分分为为天天然然密密度度、干干密密度度和和饱饱和和密密度度。相相应应地，岩石的重度可分为天然重度、干重度和饱和重度。地，岩石的重度可分为天然重度、干重度和饱和重度。二、岩石的基本物理性质二、岩石的基本物理性质 固体水空气1 1、天然密度（、天然密度（）和天然重度（）和天然重度（）指指岩石岩石在在天然状天然状态态下的密度和重度。下的密度和重度。（g/cm3）(kN/m3)式中：式中：WW天然状态下岩石试件的质量天然状态下岩石试件的质量(g(g；)V V岩石试件的体积岩石试件的体积(cm(cm3 3)；gg重力加速度（重力加速度（N/gN/g）。）。干干密密度度是是指指岩岩石石孔孔隙隙中中的的液液体体全全部部被被蒸蒸发发后后单单位位体体积积岩岩石的石的质质量量，相应的重度即为干重度。，相应的重度即为干重度。2 2、干密度（、干密度（d d）和干重度）和干重度(d d)（g/cmg/cm3 3）(kN/m(kN/m3 3)式中：式中：W Ws s岩石试件烘干后的质量岩石试件烘干后的质量(g)(g)；VV岩石试件的体积岩石试件的体积(cm(cm3 3)；gg重力加速度。重力加速度。3 3、饱和密度（、饱和密度（）和饱和重度）和饱和重度(w w)饱饱和密度就是和密度就是饱饱水状水状态态下岩石下岩石试试件的密度。件的密度。式中：式中：W WW W饱水状态下岩石试件的质量饱水状态下岩石试件的质量 (g)(g)；VV岩石试件的体积岩石试件的体积(cm(cm3 3)；gg重力加速度。重力加速度。（g/cm3）(kN/m3)（二）比重（相对密度）（二）比重（相对密度）()()岩岩石石的的比比重重就就是是指指岩岩石石固固体体的的质质量量与与同同体体积积水水的的质质量量之之比比值值。岩岩石石固固体体体体积积，就就是是指指不不包包括括孔孔隙隙体体积积在在内内的的体体积积。岩岩石石的的比比重重可可在在实实验验室室进进行行测测定定，其其计计算算公公式式为为：式中：式中：岩石的比重；岩石的比重；W Ws s干燥岩石的质量干燥岩石的质量(g)(g);V Vs s岩石固体体积岩石固体体积(cm(cm3 3););W 40C时水的密重。时水的密重。（三）岩石的孔隙性（三）岩石的孔隙性 孔隙：孔隙：岩石中孔隙和裂隙的总称。岩石中孔隙和裂隙的总称。小开型孔隙小开型孔隙孔隙孔隙闭型孔隙闭型孔隙开型孔隙开型孔隙大开型孔隙大开型孔隙 闭型孔隙：闭型孔隙：岩石中不与外界相通的孔隙。岩石中不与外界相通的孔隙。开型孔隙：开型孔隙：岩石中与外界相通的孔隙。包括大开型孔隙和岩石中与外界相通的孔隙。包括大开型孔隙和小开型孔隙。小开型孔隙。在常温下水能进入大开型孔隙，而不能进入小开型孔隙。在常温下水能进入大开型孔隙，而不能进入小开型孔隙。只有在真空中或在只有在真空中或在150150个大气压以上，水才能进入小开型孔个大气压以上，水才能进入小开型孔隙。隙。孔孔隙隙度度：指指岩岩石石的的裂裂隙隙和和孔孔隙隙发发育育程程度度，其其衡衡量量指指标标为为孔隙孔隙率率(n)(n)或或孔隙孔隙比（比（e e）。）。根据岩石孔隙类型不同，岩石的孔隙率分为根据岩石孔隙类型不同，岩石的孔隙率分为：(1)1)总孔隙率总孔隙率n n (2)(2)大大开孔隙率开孔隙率n nb b (3)(3)小小开孔隙率开孔隙率n nl l (4)(4)总总开孔隙开孔隙率率n n0 0 (5)5)闭孔隙率闭孔隙率n nc c一般提到岩石的孔隙率时系指岩石的总孔隙率。一般提到岩石的孔隙率时系指岩石的总孔隙率。1 1、孔隙率、孔隙率(1)(1)总总孔孔隙隙率率n:即即岩岩石石试试件件内内孔孔隙隙的的体体积积（V VV V)占占试试件件总体积总体积(V)V)的百分比。的百分比。(2)(2)大大开开孔孔隙隙率率n nb b:即即岩岩石石试试件件内内大大开开型型孔孔隙隙的的体体积积（V Vnbnb)占试件总体积占试件总体积(V)V)的百分比。的百分比。(3 3)小开孔隙率小开孔隙率n nl l:即岩石试件内小开型孔隙的体积（即岩石试件内小开型孔隙的体积（V Vnlnl)占试件总体积占试件总体积(V)V)的百分比。的百分比。(4)(4)总总开开孔孔隙隙率率（孔孔隙隙率率）n0:即即岩岩石石试试件件内内开开型型孔孔隙隙的的总体积（总体积（V Vn0n0)占试件总体积占试件总体积(V)V)的百分比。的百分比。(5 5)闭闭孔孔隙隙率率n nc c:即即岩岩石石试试件件内内闭闭型型孔孔隙隙的的体体积积（V Vncnc)占占试件总体积试件总体积(V)V)的百分比。的百分比。所所谓谓孔孔隙隙比比是是指指岩岩石石试试件件内内孔孔隙隙的的体体积积（V V V V)与与岩石岩石试试件内固体件内固体矿矿物物颗颗粒的体粒的体积积（V Vs s)之比。之比。2 2、孔隙比、孔隙比(e)(e)（四）岩石的水理性质（四）岩石的水理性质 岩岩石石遇遇水水后后会会引引起起某某些些物物理理、化化学学和和力力学学性性质质的改的改变变，岩石的，岩石的这这种性种性质质称称为为岩石的水理性岩石的水理性。1 1、岩石的吸水性岩石的吸水性 岩岩石石吸吸收收水水分分的的性性能能称称为为岩岩石石的的吸吸水水性性，其其吸吸水水量量的的大大小小取取决决于于岩岩石石孔孔隙隙体体积积的的大大小小及及其其密密闭闭程程度度。岩岩石石的的吸吸水水性性指指标标有有吸吸水水率率、饱饱水水率率和和饱饱水系数水系数。（1 1）岩石吸水率）岩石吸水率(1 1)：是是指指岩岩石石试试件件在在标标准准大大气气压压力力下下吸吸入入水水的的重重量量W W1 1与岩石干重量与岩石干重量W Ws s之比。之比。岩岩石石的的吸吸水水率率的的大大小小，取取决决于于岩岩石石所所含含孔孔隙隙、裂裂隙隙的的数数量量、大大小小、开开闭闭程程度度及及其其分分布布情情况况，并并且且还还与与试试验验条件条件（整体和碎块，（整体和碎块，浸水浸水时间时间等）等）有关。有关。根据岩石的吸水率可求得岩石的大开孔隙率根据岩石的吸水率可求得岩石的大开孔隙率n nb b：式中：式中：W W s s为干燥岩石的重量为干燥岩石的重量；d d,w w分别为干燥岩石和水的重度。分别为干燥岩石和水的重度。（2 2）岩石的饱水率（）岩石的饱水率（2 2）岩岩石石的的饱饱水水率率指指在在高高压压（150150个个大大气气压压）或或真真空空条条件件下下，岩岩石石吸吸入入水水的的重重量量W W2 2与与岩岩石石干干重重量量W Ws s之之比比，即：即：根据饱水率求得岩石的总开孔隙率根据饱水率求得岩石的总开孔隙率n n0 0：式中：式中：W Ws s为干燥岩石重量；为干燥岩石重量；d d,w w干燥岩石和水的重度。干燥岩石和水的重度。（3 3）岩石的饱水系数（）岩石的饱水系数（K Ks s）岩石吸水率与饱水率之比称为岩石的饱水系数，即岩石吸水率与饱水率之比称为岩石的饱水系数，即 饱水系数反映了岩石中大开孔隙和小开孔隙的相对饱水系数反映了岩石中大开孔隙和小开孔隙的相对含量。饱水系数越大，岩石中的大开孔隙越多，而小开含量。饱水系数越大，岩石中的大开孔隙越多，而小开孔隙越少。孔隙越少。吸水性较大的岩石吸水后往往会产生膨胀，给井巷吸水性较大的岩石吸水后往往会产生膨胀，给井巷支护造成很大压力。支护造成很大压力。2 2、岩石的软化性、岩石的软化性 岩岩石石的的软软化化性性是是指指岩岩石石在在饱饱水水状状态态下下其其强强度度相相对对于干燥状态下降低的性能，可用软化系数于干燥状态下降低的性能，可用软化系数表示表示。软软化化系系数数指指岩岩石石试试样样在在饱饱水水状状态态下下的的抗抗压压强强度度cbcb与在干燥状与在干燥状态态下的抗下的抗压压强强度度c c之比，即之比，即各各类类岩石的岩石的c c=0.45=0.450.90.9之之间间。c c 0.75,0.75,岩石软化性弱、抗水、抗风化能力强；岩石软化性弱、抗水、抗风化能力强；c c 0.75 0.75，岩石的工程地质性质较差。，岩石的工程地质性质较差。3 3、岩石的膨胀性、岩石的膨胀性 岩岩石石的的膨膨胀胀性性是是指指岩岩石石浸浸水水后后体体积积增增大大的的性性质质。岩岩石石的的膨膨胀胀性性大大小小一一般般用用膨膨胀胀力力和和膨膨胀胀率率指指标标表表示示。其其测测定定方方法是平衡加压法。法是平衡加压法。试试验验中中不不断断加加压压，并并保保持持体体积积不不变变，所所测测得得的的最最大大压压力力即即为为岩岩石石的的最最大大膨膨胀胀力力；然然后后逐逐级级减减压压，直直至至荷荷载载为为0 0，测测定定其其最最大大膨膨胀胀变变形形量量，膨膨胀胀变变形形量量与与试试件件原始厚度的比值即为原始厚度的比值即为膨胀率膨胀率。4 4、岩石的崩解性、岩石的崩解性 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。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岩石的崩解性一般用耐崩解指数 I Id2d2 的表示。其指标的表示。其指标可在实验室用可在实验室用干湿循环试验干湿循环试验确定。确定。试试验验过过程程：将将经经过过烘烘干干的的试试块块（500500g,g,分分成成约约1010块块），放放在在带带有有筛筛孔孔的的圆圆筒筒内内，使使该该圆圆筒筒在在水水槽槽中中以以2020r/min,r/min,连连续续旋旋转转10 10 min,min,然然后后将将留留在在圆圆筒筒内内的的岩岩块块取取出出烘烘干干称称重重，如如此此反反复复进进行行两两次次，按下试计算耐崩解指数。按下试计算耐崩解指数。式中：式中：I Id2 d2 两两次次循循环环试试验验求求得得的的耐耐崩崩解解指指数数，在在0 0100%100%之间变化；之间变化；m md d试验前试块的烘干质量；试验前试块的烘干质量；m mr r残留在圆筒内试块的烘干质量；残留在圆筒内试块的烘干质量；W W1 1 试验前试件和圆筒的烘干重量；试验前试件和圆筒的烘干重量；W W2 2第二次循环后试件和圆筒的烘干重量；第二次循环后试件和圆筒的烘干重量；W W0 0试验结束冲洗干净后圆筒的烘干重量。试验结束冲洗干净后圆筒的烘干重量。岩岩石石的的崩崩解解性性指指数数反反映映了了岩岩石石在在浸浸水水和和温温度度变变化的环境下抵抗风化作用的能力。化的环境下抵抗风化作用的能力。5 5、岩石的抗冻性、岩石的抗冻性 岩岩石石的的抗抗冻冻性性是是指指岩岩石石抵抵抗抗冻冻融融破破坏坏的的性性能能，是是评评价价岩石抗岩石抗风风化化稳稳定性的重要指定性的重要指标标。岩岩石石的的抗抗冻冻性性用用抗抗冻冻系系数数C Cf f表表示示，指指岩岩石石试试样样在在25250 0C C的的温温度度期期间间内内，反反复复降降温温、冻冻结结、融融解解、升升温温，然然后后测测量量其其抗抗压压强强度度的的下下降降值值（c c-cfcf）,以以此此强强度度下下降降值值与与融融冻冻试试验验前前的的抗抗压压强强度度c c之之比比的的百百分分比比代代表表抗抗冻冻系系数数C Cf f ，即，即可见：可见：抗抗冻冻系数系数C Cf f 越小，岩石抗冻融破坏的能力越强。越小，岩石抗冻融破坏的能力越强。6 6、岩石的透水性、岩石的透水性 地地下下水水存存在在于于岩岩石石孔孔隙隙、裂裂隙隙之之中中，而而且且大大多多数数岩岩石石的的孔孔隙隙裂裂隙隙是是连连通通的的，因因而而在在一一定定的的压压力力作作用用下下，地地下下水水可可以以在在岩岩石石中中渗渗透透。岩岩石石的的这这种种能能透透水水的的性性能能称称为为岩岩石石的的透透水水性性。岩岩石石的的透透水水性性大大小小不不仅仅与与岩岩石石的的孔孔隙隙度度大小有关，而且大小有关，而且还还与孔隙大小及其与孔隙大小及其贯贯通程度有关。通程度有关。衡衡量量岩岩石石透透水水性性的的指指标标为为渗渗透透系系数数(K)(K)。一一般般来来说说，完完整整密密实实的的岩岩石石的的渗渗透透系系数数往往往往很很小小。岩岩石石的的渗渗透透系系数数一般是在一般是在钻钻孔中孔中进进行抽水或行抽水或压压水水试验试验而而测测定的。定的。（五）岩石的碎胀性（五）岩石的碎胀性 岩岩石石破破碎碎后后的的体体积积V VP P比比原原体体积积V V增增大大的的性性能能称称为为岩岩石石的碎的碎胀胀性性，用碎，用碎胀胀系数系数来表示。来表示。碎碎胀胀系数不是一个固定系数不是一个固定值值，是随，是随时间时间而而变变化的。化的。永永久久碎碎胀胀系系数数（残残余余碎碎胀胀系系数数）不不能能再再压压密密时时的的碎碎胀胀系数称系数称为为永久碎永久碎胀胀系数系数.弹弹性性：指指物物体体在在外外力力作作用用下下发发生生变变形形，当当外外力力撤撤出出后后变变形形能够恢复的性质能够恢复的性质。塑塑性性：指指物物体体在在外外力力作作用用下下发发生生变变形形，当当外外力力撤撤出出后后变变形形不能恢复的性质。不能恢复的性质。粘粘性性（流流变变性性）：物物体体受受力力后后变变形形不不能能在在瞬瞬间间完完成成，且且应应变速度（变速度（d/dtd/dt）随应力大小而变化的性质。）随应力大小而变化的性质。脆性脆性：物体在外力作用下变形很小时就发生破坏的性质。：物体在外力作用下变形很小时就发生破坏的性质。延延性性：物物体体能能够够承承受受较较大大的的塑塑性性变变形形而而不不丧丧失失其其承承载载能能力力的性质。的性质。第二节第二节 岩石的强度和岩石的强度和变形特性变形特性 岩石的力学性质包括：岩石的力学性质包括：变形性质：研究岩石在受力情况下的变形规律 强度特性：研究岩石受力破坏的规律一、岩石的弹性和塑性：一、岩石的弹性和塑性：变形分析的重要性（直观、易测、建立模型、准则）1、弹性变形：弹性变形：线弹性非线弹性 滞弹性 线弹性直线型；当岩石致密，强度大，压力不高时，为此状态。非线弹性单向曲线型；基本没有。滞弹性双向曲线型，岩石多属滞弹性：滞弹性滞弹性应力应变不是唯一的对应关系，应变的产生（变化）较应力 的变化有一段时间的滞后。原因：物理学认为，当作用在滞弹性体上的力发生改变时，由于受力体内部物质的粘性或内摩擦的原因，引起变形效应滞后和迟延。滞弹性体具有两个重要性质：弹性滞后弹性滞后由于内摩擦原因，岩石随应力变化出现的变形滞后。弹弹性性后后效效由于热传导等原因，外力停止变化，而变形仍随时间而缓慢变化。理想塑性具有应变硬化的塑性2、塑性变形：、塑性变形：岩石塑性普遍存在；岩石塑性与岩石的组成、结构、构造及外界环境有关。（颗粒及胶结物物质成分、排列结合、含水、温度、应力等）理想塑性理想塑性超过弹性极限，进入完全塑性状态（极少）；应变硬化应变硬化超过弹性极限，承载能力随应变增加而增加。3、一般岩石的变形：、一般岩石的变形：瞬时弹性变形 后效弹性变形 塑性变形 岩石与其它金属及晶体矿物不同，因其有节理、裂隙存在，在应力不高阶段，内部结构即有破坏，在产生弹性变形的同时，产生塑性变形。岩石不是理想的弹性体、塑性体、粘性体，是混合体。岩石不是理想的弹性体、塑性体、粘性体，是混合体。有弹塑；塑弹；弹粘塑；粘弹等多种变形特性。（粘性粘性变形不能在瞬间完成，变形速率随应力变化。）典型变形性质：典型变形性质：直线型直线型弹脆弹塑下凹型下凹型塑弹上凹型上凹型弹粘平缓平缓 型型塑弹塑S 型型二、岩石单向压缩变形性质：二、岩石单向压缩变形性质：1、轴向变形：、轴向变形：2、横向变形：、横向变形：普通试验机下岩石应力、应变曲线普通试验机下岩石应力、应变曲线刚性试验机下岩石应力、应变曲线刚性试验机下岩石应力、应变曲线刚性试验机刚性试验机 （1 1）0A0A段：微裂隙闭合阶段段：微裂隙闭合阶段,微裂隙压密极限微裂隙压密极限A A。（2）ABAB段：近似直线，弹性阶段，段：近似直线，弹性阶段，B B 为弹性极限。为弹性极限。（3）BCBC段：屈服阶段，段：屈服阶段，C C为屈服极限。为屈服极限。（4 4）CDCD段：破坏阶段，段：破坏阶段，D D为强度极限，即单轴抗压强度。为强度极限，即单轴抗压强度。（5 5）DEDE段：即破坏后阶段段：即破坏后阶段,E E为残余强度。为残余强度。3、全应力应变曲线：、全应力应变曲线：xiexie!xiexie!谢谢！谢谢！
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