岩石的基本物理力学性质

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第 二 章 岩石的根本物理力学性质,本章内容：,21 岩石的根本物理性质,2-2 岩石的变形特性,2-3 岩石的强度特性,1、岩石的根本物理性质；,2、岩石的单轴压缩变形特性，应力应变全过程曲线的工程意义；,3、岩石的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度及其实验室测定方法；,4、岩石在三轴压缩条件下的力学特性；,重点:,21 岩石的根本物理性质,岩石由固体，水，空气等三相组成。,一、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。,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/m,3,),式中：W天然状态下岩石试件的质量(g；),V岩石试件的体积(cm,3,)；,g重力加速度。,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/m,3,),式中：W,s,岩石试件烘干后的质量(g)；,V岩石试件的体积(cm,3,)；,g重力加速度。,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：W,W,饱水状态下岩石试件的质量(g)；,V岩石试件的体积(cm,3,)；,g重力加速度。,g/cm3,(kN/m,3,),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枯燥岩石的质量(g);,Vs岩石固体体积(cm3);,W 40C时水的密重。,三、岩石的空隙性,空隙,：,岩石中孔隙和裂隙的总称。,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。,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。,四、岩石的水理性质,岩石遇水后会引起某些物理、化学和力学性质的改变，岩石的这种性质称为岩石的水理性。,1,、,岩石的吸水性,岩石吸收水分的性能称为岩石的吸水性，其吸水量的大小取决,于,岩石孔隙体积的大小及其密闭程度。岩石的吸水性指标有,吸水率,、,饱水率,和,饱水系数,。,1岩石吸水率(1)：,是指岩石试件在标准大气压力下吸入水的重量W,1,与岩石干重量W,s,之比。,岩石的吸水率的大小，取决于岩石所含孔隙、裂隙的数量、大小、开闭程度及其分布情况，并且还与试验条件整体和碎块，浸水时间等有关。,根据岩石的吸水率可求得岩石的大开空隙率nb：,式中：W s为枯燥岩石的重量；d,w分别为枯燥岩石和水的重度。,2岩石的饱水率2,岩石的饱水率指在高压150个大气压或真空条件下，岩石吸入水的重量W2与岩石干重量Ws之比，即：,根据饱水率求得岩石的总开空隙率,n,0,：,式中：Ws为枯燥岩石重量；d,w枯燥岩石和水的重度。,3岩石的饱水系数Ks,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空隙和小开空隙的相对含量。饱水系数越大，岩石中的大开空隙越多，而小开空隙越少。,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。,2、岩石的软化性,岩石的软化性是指岩石在饱水状态下其强度相对于枯燥状态下降低的性能，可用软化系数表示。,软化系数指岩石试样在饱水状态下的抗压强度cb与在枯燥状态下的抗压强度c之比，即,各类岩石的,c,=0.450.9之间。,c,0.75,岩石软化性弱、抗水、抗风化能力强；,c,0.75,，岩石的工程地质性质较差。,3、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。,4、岩石的抗冻性,岩石的抗冻性是指岩石抵抗冻融破坏的性能，是评价岩石抗风化稳定性的重要指标。,岩石的抗冻性用抗冻系数Cf表示，指岩石试样在250C的温度期间内，反复降温、冻结、融解、升温，然后测量其抗压强度的下降值c-cf,以此强度下降值与融冻试验前的抗压强度c之比的百分比代表抗冻系数Cf，即,可见：,抗冻系数C,f,越小，岩石抗冻融破坏的能力越强。,五、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穿程度有关。,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。,六、岩石的碎胀性,岩石破碎后的体积V,P,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。,永久碎胀系数剩余碎胀系数不能再压密时的碎胀系数称为永久碎胀系数.,2-2 岩石的,变形特性,弹性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形能够恢复的性质。,塑性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形不能恢复的性质。,脆性：物体在外力作用下变形很小时就发生破坏的性质。,延性：物体能够承受较大的塑性变形而不丧失其承载能力的性质。,粘性流变性：物体受力后变形不能在瞬间完成，且应变速度d/dt随应力大小而变化的性质。,一、单轴压缩变形特点,1、刚性压力机与全应力应变曲线及破坏后的性态,刚度K：指物体产生单位位移所需的外力。,式中：,K物体的刚度，kN/mm;,p,外力，,N;,u,在外力作用下的位移。,弹性变形能,W：,10A段：微裂隙闭合阶段,微裂隙压密极限A。,2AB段：近似直线，弹性阶段，B 为弹性极限。,3BC段：屈服阶段，C为屈服极限。,4CD段：破坏阶段，D为强度极限，即单轴抗压强度。,5DE段：即破坏后阶段,E为剩余强度。,1、岩石在常规三轴试验条件下的变形特性,二、三轴压缩状态下的岩石变形特性,岩石在常规三轴试验条件下的变形特征通常用轴向应变,1,与主应力差,(,1,-,3,),的关系曲线表示。,一、岩石的单轴抗压强度,C,端部效应,破坏形态,2-3 岩石的,变形特性,二、岩石的单轴抗拉强度,t,1、直接拉伸试验,2、间接拉伸试验,圆饼试件：,A 劈裂法巴西试验法,方形试件,：,式中：P破坏时的荷载，N;,d,试件直径；,cm；,t,试件厚度，,cm；,a，h,方形,试件边长,和厚度，,cm。,不规那么试件加压方向应满足h/a1.5：,式中：P破坏时的荷载，N;,a加压方向的尺寸；,h厚度；,V不规那么试件的体积。,由于岩石中的微裂隙，在间接拉伸试验中，外力都是压力，必然使局部微裂隙闭合，产生摩擦力，从而使测得的抗拉强度值比直接拉伸法测得的大。,B 点荷载试验法,经验公式：,式中：P破坏时的荷载，N；,D,试件直径；,cm。,试件直径1.273.05,cm,岩石的抗拉强度远远小于其抗压强度，一般情况下，,三、岩石的剪切强度,f,1、,剪切面上无压应力的剪切试验,试件尺寸：直径或边长不小于50mm，高度应等于直径或边长。,改变P,即可测得多组、，作出曲线。,2、剪切面上有压应力的剪切试验,3、斜剪试验,忽略端部摩擦力，根据力的平衡原理，作用于剪切面上的法向力N和切向力Q可按下式计算：,N=Pcos,Q=Psin,剪切面上的法向应力和剪应力为：,四、岩石的三向抗压强度,1c,岩石在三轴压缩下的极限应力,1c,为三轴抗压强度，它随围压增大而升高。,按照莫尔强度理论,可按下式计算三向抗压强度:,式中:,1c,岩石的三向抗压强度；,c,岩石的单向抗压强度；,岩石的内摩擦角。,五、岩石的破坏形式,就其破坏本质而言，岩石破坏有以下三种类型：,1、拉破坏,2、剪切破坏,3、塑性流动破坏,