21-3岩石力学与工程岩石物理力学性质.ppt

9/2/202412 岩石物理力学性质2.1岩石的基本构成和地质分类岩石的基本构成和地质分类 （（（（1 1）岩石的地质分类）岩石的地质分类）岩石的地质分类）岩石的地质分类1.火成岩火成岩 主要由高温熔融的岩浆侵入壳或喷出地表冷凝形成的主要由高温熔融的岩浆侵入壳或喷出地表冷凝形成的岩石，亦称岩浆岩岩石，亦称岩浆岩2.沉积岩沉积岩 主要由母岩风化剥蚀的产物、火山碎屑物质、生物遗主要由母岩风化剥蚀的产物、火山碎屑物质、生物遗骸等经过搬运、沉积、固结形成的岩石骸等经过搬运、沉积、固结形成的岩石3.变质岩变质岩 先以存在的火成岩、沉积岩或变质岩受物理和化学先以存在的火成岩、沉积岩或变质岩受物理和化学条件变化的影响改变其结构、构造和矿物成分而形条件变化的影响改变其结构、构造和矿物成分而形成的新的岩石成的新的岩石2 2）基本构成）基本构成）基本构成）基本构成 岩石的基本构成是由组成岩石的岩石的基本构成是由组成岩石的岩石的基本构成是由组成岩石的岩石的基本构成是由组成岩石的矿物质成分矿物质成分矿物质成分矿物质成分和和和和结构结构结构结构两大方面来决定的两大方面来决定的两大方面来决定的。

两大方面来决定的9/2/202429/2/20243（（1）岩石的主要矿物质成分）岩石的主要矿物质成分 1 1）火成岩的矿物成分）火成岩的矿物成分）火成岩的矿物成分）火成岩的矿物成分 组成火成岩常见的矿物有：长石、石英、云母、角组成火成岩常见的矿物有：长石、石英、云母、角闪石、辉石、橄榄石、霞石、白榴石、磁铁矿、磷闪石、辉石、橄榄石、霞石、白榴石、磁铁矿、磷灰石等十余种，这些矿物约占火成岩总质量的灰石等十余种，这些矿物约占火成岩总质量的99%99%，是火成岩的造矿物（其中：长石占，是火成岩的造矿物（其中：长石占60%60%以上，其以上，其次是石英）次是石英）2 2）沉积岩的矿物成分）沉积岩的矿物成分）沉积岩的矿物成分）沉积岩的矿物成分 沉积岩中已发现的矿物有沉积岩中已发现的矿物有160160余种，主要矿物约余种，主要矿物约2020种，如石英类、长石类、云母类、粘土矿物、碳酸种，如石英类、长石类、云母类、粘土矿物、碳酸盐矿物、硫酸盐矿物以及盐矿物、硫酸盐矿物以及FeFe、、MnMn、、AlAl的氧化物和氢的氧化物和氢氧化物一般沉积岩仅含氧化物一般沉积岩仅含5 5～～6 6种矿物，多数仅含种矿物，多数仅含1 1～～3 3种。

种9/2/202443 3）变质岩的矿物成分）变质岩的矿物成分）变质岩的矿物成分）变质岩的矿物成分 变质岩的矿物成分一方面对原岩有较大的继承性，另变质岩的矿物成分一方面对原岩有较大的继承性，另一方面受到变质作用类型和强度的影响，一些矿物一方面受到变质作用类型和强度的影响，一些矿物是经变质作用后新生成的矿物是经变质作用后新生成的矿物 如：蛇纹石、滑石如：蛇纹石、滑石 、软玉、硬玉、软玉、硬玉 等 （（2）沉积岩的矿物成分与火成岩的区别）沉积岩的矿物成分与火成岩的区别 1 1）在沉积岩中几乎看不到火成岩中大量出现的橄榄石、）在沉积岩中几乎看不到火成岩中大量出现的橄榄石、辉石、角闪石等铁镁矿物和基性斜长石，而粘土矿辉石、角闪石等铁镁矿物和基性斜长石，而粘土矿物、氧化物矿物、氢氧化物矿物和碳酸盐矿物大量物、氧化物矿物、氢氧化物矿物和碳酸盐矿物大量出现；出现；2 2）火成岩中长石多于石英，而沉积岩中石英多于长石，）火成岩中长石多于石英，而沉积岩中石英多于长石，而且长石中是以钾长石为主，酸性斜长石次之，其而且长石中是以钾长石为主，酸性斜长石次之，其它种类长石罕见它种类长石罕见 9/2/20245（（（（3 3）矿物组成对岩石的物理力学性质影响）矿物组成对岩石的物理力学性质影响）矿物组成对岩石的物理力学性质影响）矿物组成对岩石的物理力学性质影响 1 1）在许多岩浆岩中，其强度随暗色矿物的增加而增加；）在许多岩浆岩中，其强度随暗色矿物的增加而增加；）在许多岩浆岩中，其强度随暗色矿物的增加而增加；）在许多岩浆岩中，其强度随暗色矿物的增加而增加； 2 2）在沉积岩中，砂岩的强度常随石英相对含量的增加而）在沉积岩中，砂岩的强度常随石英相对含量的增加而）在沉积岩中，砂岩的强度常随石英相对含量的增加而）在沉积岩中，砂岩的强度常随石英相对含量的增加而增大，石灰岩的强度常随其硅质混合物含量的增加而增增大，石灰岩的强度常随其硅质混合物含量的增加而增增大，石灰岩的强度常随其硅质混合物含量的增加而增增大，石灰岩的强度常随其硅质混合物含量的增加而增大，随粘土质矿物含量的增加而降低；大，随粘土质矿物含量的增加而降低；大，随粘土质矿物含量的增加而降低；大，随粘土质矿物含量的增加而降低； 3 3）在变质岩中，任何片状的硅酸盐类矿物、盐岩矿物将）在变质岩中，任何片状的硅酸盐类矿物、盐岩矿物将）在变质岩中，任何片状的硅酸盐类矿物、盐岩矿物将）在变质岩中，任何片状的硅酸盐类矿物、盐岩矿物将使岩石强度降低；使岩石强度降低；使岩石强度降低；使岩石强度降低； 4 4）易溶和粘土矿物在水的作用下容易被溶蚀，使岩石的）易溶和粘土矿物在水的作用下容易被溶蚀，使岩石的）易溶和粘土矿物在水的作用下容易被溶蚀，使岩石的）易溶和粘土矿物在水的作用下容易被溶蚀，使岩石的孔隙度增大，结构变松，强度降低。

孔隙度增大，结构变松，强度降低孔隙度增大，结构变松，强度降低孔隙度增大，结构变松，强度降低 5 5）一些矿物由于其物态变化，使其体积发生膨胀和软化，）一些矿物由于其物态变化，使其体积发生膨胀和软化，）一些矿物由于其物态变化，使其体积发生膨胀和软化，）一些矿物由于其物态变化，使其体积发生膨胀和软化，使岩石强度降低使岩石强度降低使岩石强度降低使岩石强度降低 9/2/20246（（（（4 4）岩石结构类型）岩石结构类型）岩石结构类型）岩石结构类型 岩石的结构是指岩石中矿物（及岩屑）颗粒相互之间的岩石的结构是指岩石中矿物（及岩屑）颗粒相互之间的岩石的结构是指岩石中矿物（及岩屑）颗粒相互之间的岩石的结构是指岩石中矿物（及岩屑）颗粒相互之间的关系，包括颗粒的大小、形状、排列、结构连结特点及关系，包括颗粒的大小、形状、排列、结构连结特点及关系，包括颗粒的大小、形状、排列、结构连结特点及关系，包括颗粒的大小、形状、排列、结构连结特点及岩石中微结构面（即内部缺陷）其中，以结构连结和岩石中微结构面（即内部缺陷）其中，以结构连结和岩石中微结构面（即内部缺陷）其中，以结构连结和岩石中微结构面（即内部缺陷）。

其中，以结构连结和岩石中的微结构面对岩石工程性质影响最大岩石中的微结构面对岩石工程性质影响最大岩石中的微结构面对岩石工程性质影响最大岩石中的微结构面对岩石工程性质影响最大9/2/202472.2 岩石的物理性质岩石的物理性质 岩石的物理性质是指由岩石固有的物质组成和结构特征所决定的比重、容重、孔隙率等基本属性2.2.1 2.2.1 岩石的容重岩石的容重岩石的容重岩石的容重 （（1）概念）概念 岩石的容重：也叫岩石的重力密度，即岩石单位体岩石的容重：也叫岩石的重力密度，即岩石单位体积（包括岩石内部孔隙体积）的重量积（包括岩石内部孔隙体积）的重量 （（（（2 2）表达式）表达式）表达式）表达式（2­1） 式中式中γ—γ—岩石容重（岩石容重（kN/mkN/m3 3）；）；W­—W­—被测岩样的重量被测岩样的重量（（kNkN）；）；V—V—被测岩样的体积（被测岩样的体积（mm3 3） （（（（3 3））））容重的分类容重的分类容重的分类容重的分类 根据岩石的含水状态，将容重又可分为：天然容重根据岩石的含水状态，将容重又可分为：天然容重 、干容重、干容重 和饱和容重和饱和容重 。

1.天然容重天然容重 ：：是指岩石在自然条件下，单位体积的是指岩石在自然条件下，单位体积的重量 2.干容重干容重 ：：是指试件在是指试件在105105℃℃～～110110℃℃温度下烘干温度下烘干2424小时的试验条件下，岩石孔隙中的液体全部被蒸小时的试验条件下，岩石孔隙中的液体全部被蒸发，试件中仅有固体和气体时发，试件中仅有固体和气体时, ,单位体积的重量单位体积的重量 3. 3.饱和容重饱和容重饱和容重饱和容重 ：：：：是指试件在浸水是指试件在浸水48h48h或抽真空法，使或抽真空法，使岩石中的孔隙都被水充填时，单位体积的重量岩石中的孔隙都被水充填时，单位体积的重量4 4））））测定的试验方法测定的试验方法测定的试验方法测定的试验方法 测定岩石的容重可根据岩石的性质和岩样形态采用：测定岩石的容重可根据岩石的性质和岩样形态采用：量积法量积法、、水中称量法水中称量法或或蜡封法蜡封法等9/2/202481.量积法量积法• •适用条件：适用条件：凡能制备成规则试样的岩石均宜采用量凡能制备成规则试样的岩石均宜采用量积法测定其容重积法测定其容重• •试验方法：试验方法：首先测定规则试样的平均断面积首先测定规则试样的平均断面积A A，平，平均高度均高度h h以及试样的重量以及试样的重量GG，代入，代入2­22­2式即得其容重。

式即得其容重若试样重量是自然状态的重量时，即为岩石的天然若试样重量是自然状态的重量时，即为岩石的天然容重；若试样重量是在容重；若试样重量是在105105℃℃～～110110℃℃温度下烘干温度下烘干2424小时后的重量时，则为该岩石的干容重；若是采用小时后的重量时，则为该岩石的干容重；若是采用48h48h浸水法或抽真空法使岩石试件饱和的重量时，浸水法或抽真空法使岩石试件饱和的重量时，则为该岩石的饱和容重则为该岩石的饱和容重 9/2/20249（2­2） 2.2.水中称量法水中称量法水中称量法水中称量法• •适用条件：适用条件：对于规则或不规则形状的岩样进行测量对于规则或不规则形状的岩样进行测量时都可采用此方法，但对于孔隙率非常发育、遇水时都可采用此方法，但对于孔隙率非常发育、遇水崩解、溶解及干缩湿脹的岩石或岩石干容重时不能崩解、溶解及干缩湿脹的岩石或岩石干容重时不能采用此方法采用此方法• •试验方法：试验方法：首先称量规则或不规则的岩样在浸入纯首先称量规则或不规则的岩样在浸入纯水前的重量水前的重量WW，然后再测出岩样在纯水中的重量，然后再测出岩样在纯水中的重量 , ,根据阿基米德原理可得出岩样的体积（根据阿基米德原理可得出岩样的体积（V V），就可根），就可根据（据（2­32­3）式得出该试样的天然容重（）式得出该试样的天然容重（γ γ）或饱和容）或饱和容重。

重9/2/202410（（2-3）） 3.3.蜡封法蜡封法蜡封法蜡封法• •适用条件：适用条件：本方法适用于不能用量积法或水中称量法本方法适用于不能用量积法或水中称量法测定其容重的岩石，它既可测出该岩石的干容重也可测定其容重的岩石，它既可测出该岩石的干容重也可测出其天然容重测出其天然容重• •试验方法：试验方法：首先选取有代表性岩样在首先选取有代表性岩样在105105℃℃～～110110℃℃温度下烘干温度下烘干2424小时，取出，系上细线，称岩样重量小时，取出，系上细线，称岩样重量 ，持细线将岩样缓慢浸入刚过熔点的蜡溶液中，浸后，持细线将岩样缓慢浸入刚过熔点的蜡溶液中，浸后立即取出，检查试样周围的蜡膜，若有气泡应用针刺立即取出，检查试样周围的蜡膜，若有气泡应用针刺破，再用蜡液补平，待试件冷却后称取其重量破，再用蜡液补平，待试件冷却后称取其重量 ，，然后将蜡封岩样浸没于纯水中称其重量然后将蜡封岩样浸没于纯水中称其重量 ，则岩石的，则岩石的干容重干容重 为：为：（2­4） 式中，式中， —— ——为蜡的容重（为蜡的容重（kN/mkN/m3 3）。

9/2/2024112.2.2 2.2.2 岩石的密度岩石的密度岩石的密度岩石的密度（（（（1 1）概念）概念）概念）概念岩石的密度：即单位体积内岩石的质量岩石的密度：即单位体积内岩石的质量2 2）计算关系式）计算关系式）计算关系式）计算关系式 式中式中ρ——ρ——岩石密度（岩石密度（kg/mkg/m3 3）；）；W­——W­——被测岩样被测岩样的质量（的质量（kgkg）；）；V——V——被测岩样的体积（被测岩样的体积（mm3 3））3 3））））容重和岩石密度的关系容重和岩石密度的关系9/2/202412（2­6） （2­7） 2.2.3 2.2.3 岩石的比重岩石的比重岩石的比重岩石的比重 岩石的比重是岩石固体部分的重量和岩石的比重是岩石固体部分的重量和4 4℃℃时时同体积纯水重量的比值，即：同体积纯水重量的比值，即： 式中，式中， 为岩石的比重；为岩石的比重； 为体积为为体积为V V的岩的岩石固体部分的重量（石固体部分的重量（kNkN）；）； 为岩石固体为岩石固体部分（不包括孔隙）的体积（部分（不包括孔隙）的体积（mm3 3）；）； 为为4 4℃℃时单位体积纯水的重量（时单位体积纯水的重量（kN/mkN/m3 3）。

（2­8） 9/2/2024139/2/2024142.2.42.2.4岩石的孔隙性岩石的孔隙性岩石的孔隙性岩石的孔隙性 天然岩石中包含着数量不等，成因各异的孔隙和裂隙，是天然岩石中包含着数量不等，成因各异的孔隙和裂隙，是岩石的重要结构特征之一它们对岩石力学性质的影响基本岩石的重要结构特征之一它们对岩石力学性质的影响基本一致，在工程实践中很难将二者分开，因此将它们统称为岩一致，在工程实践中很难将二者分开，因此将它们统称为岩石的孔隙性岩石的孔隙性通常用孔隙率石的孔隙性岩石的孔隙性通常用孔隙率n n表示 （（1 1）岩石的孔隙率）岩石的孔隙率 是指岩石孔隙的体积（是指岩石孔隙的体积（V Vv v）与岩石总体积（）与岩石总体积（V V）的比值，以）的比值，以百分数表示其公式为：百分数表示其公式为： （2­9） 9/2/202415（（2 2）岩石的空隙比）岩石的空隙比 岩石孔隙的体积（岩石孔隙的体积（V Vv v）与岩石固体体积（）与岩石固体体积（V Vc c）的比值，以百分数表示其公式为：）的比值，以百分数表示其公式为： 岩石的孔隙参数可通过压汞试验测得。

岩石的孔隙参数可通过压汞试验测得 孔隙率是衡量岩石工程质量的重要物理性质孔隙率是衡量岩石工程质量的重要物理性质指标之一，反映了孔隙和裂隙在该岩石中所指标之一，反映了孔隙和裂隙在该岩石中所占的百分率，孔隙率愈大，则岩石的孔隙和占的百分率，孔隙率愈大，则岩石的孔隙和裂隙愈多，岩石的力学性能则愈差裂隙愈多，岩石的力学性能则愈差 （2­10） 9/2/2024162.2.5 岩石的水理性岩石的水理性 岩石的水理性：岩石的水理性：岩石的水理性：岩石的水理性：岩石与水相互作用时所表现的性质它包岩石与水相互作用时所表现的性质它包括岩石的吸水性、透水性、软化性和抗冻性等括岩石的吸水性、透水性、软化性和抗冻性等1 1）岩石的天然含水率）岩石的天然含水率）岩石的天然含水率）岩石的天然含水率 岩石的天然含水率岩石的天然含水率w w：天然状态下岩石中水的质量：天然状态下岩石中水的质量mmw w与岩与岩石的干质量石的干质量mmdrdr的比值，以百分数表示，即：的比值，以百分数表示，即：（2­12）  （（（（2 2）岩石的吸水性）岩石的吸水性）岩石的吸水性）岩石的吸水性 岩石的吸水性：岩石的吸水性：即岩石在一定条件下吸收水分的即岩石在一定条件下吸收水分的性能，它取决于岩石孔隙的数量、大小、开闭程度性能，它取决于岩石孔隙的数量、大小、开闭程度和分布情况。

表征岩石吸水性的指标有：和分布情况表征岩石吸水性的指标有：吸水率吸水率、、饱和吸水率饱和吸水率与与饱水系数饱水系数1.1.岩石的吸水率岩石的吸水率岩石的吸水率岩石的吸水率 岩石吸水率岩石吸水率 ：：是指岩石在常温常压下吸入水的质是指岩石在常温常压下吸入水的质量与其烘干质量量与其烘干质量mmdrdr的比值，以百分数表示，即：的比值，以百分数表示，即： 式中，式中，mm0 0为烘干岩样浸水为烘干岩样浸水4848小时后的总质量小时后的总质量9/2/202417（（2-13）） 2.岩石的饱和吸水率（或饱水率）岩石的饱和吸水率（或饱水率）岩石的饱和吸水率（或饱水率）岩石的饱和吸水率（或饱水率） 饱和吸水率饱和吸水率（或饱水率）：（或饱水率）：是指岩石在强制状态是指岩石在强制状态（高压或真空、煮沸）下，岩石吸入水的质量与岩（高压或真空、煮沸）下，岩石吸入水的质量与岩样在样在105105℃℃～～110110℃℃温度温度下烘干烘干24h24h后质量后质量mdr的比值，的比值，以百分数表示，即：以百分数表示，即： 式中，式中，w wsasa为岩石的饱和吸水率；为岩石的饱和吸水率；mmsasa为真空饱和或为真空饱和或煮沸后试件的质量（煮沸后试件的质量（kgkg）。

强制状态：强制状态：强制状态：强制状态：在高压条件下，通常认为水能进入岩石在高压条件下，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中所有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煮沸定岩石的饱和吸水率；国内常用真空抽气法或煮沸法测定饱和吸水率法测定饱和吸水率9/2/202418（（2-14）） 3.3.岩石饱水系数岩石饱水系数岩石饱水系数岩石饱水系数 岩石饱水系数岩石饱水系数k kw w：是指岩石吸水率与饱水率的比值，：是指岩石吸水率与饱水率的比值，以百分数表示，即：以百分数表示，即：（（3）岩石的透水性）岩石的透水性 岩石的透水性是指岩石能被水透过的性能它的大岩石的透水性是指岩石能被水透过的性能它的大小可用渗透系数来衡量，主要决定于岩石孔隙的大小可用渗透系数来衡量，主要决定于岩石孔隙的大小、方向及其连通情况小、方向及其连通情况 （2­15） 9/2/2024199/2/202420（（（（4 4）岩石的软化性）岩石的软化性）岩石的软化性）岩石的软化性 岩石浸水后强度降低的性能称为岩石的软化性，通岩石浸水后强度降低的性能称为岩石的软化性，通常用软化系数来衡量。

常用软化系数来衡量 软化系数软化系数 ：是岩样饱水状态的抗压强度：是岩样饱水状态的抗压强度 kP kPa a与与自然风干状态抗压强度自然风干状态抗压强度 kPa kPa的比值，用小数表示，的比值，用小数表示，即即（（2-16）） （（（（5 5）岩石的抗冻性）岩石的抗冻性）岩石的抗冻性）岩石的抗冻性 岩石抵抗冻融破坏的性能称为岩石的抗冻性，通常岩石抵抗冻融破坏的性能称为岩石的抗冻性，通常用抗冻系数表示用抗冻系数表示 岩石的抗冻系数岩石的抗冻系数 ：是指岩样在：是指岩样在±25±25℃℃的温度区间的温度区间内，反复降温、冻结、升温、融解，其抗压强度有内，反复降温、冻结、升温、融解，其抗压强度有所下降，岩样抗压强度的下降值与冻融前的抗压强所下降，岩样抗压强度的下降值与冻融前的抗压强度的比值，以百分数表示，即：度的比值，以百分数表示，即： 式中，式中， 为岩样冻融前的抗压强度为岩样冻融前的抗压强度kPakPa；； 为岩样冻为岩样冻融后的抗压强度融后的抗压强度kPakPa （（2-17）） 9/2/2024219/2/202422n岩石在反复冻融后其强度降低的主要原因 ①构成岩石的各种矿物的膨胀系数不同，当温度变化时，由于矿物的胀、缩不均匀而导致岩石结构的破坏； ②当温度降到0℃以下时，岩石孔隙中的水将结冰，其体积增大约9%，会产生很大的膨胀压力，使岩石的结构发生改变，直至破坏。

9/2/2024232.3岩石的强度特性岩石的强度特性2.3.12.3.1概述概述概述概述（（（（1 1）岩石强度）岩石强度）岩石强度）岩石强度 在研究岩石材料的力学性质时，主要是研究在研究岩石材料的力学性质时，主要是研究岩石的岩石的强度特性强度特性和和岩石的变性特性岩石的变性特性两方面 1.1.定义定义定义定义 岩石强度：是指岩石在各种载荷作用下达到破坏时所能承受的极限应力，即岩石材料在受外载荷作用时抵抗破坏的能力2.2.分类分类分类分类 岩石的强度主要包括岩石的单轴抗压强度、单轴抗拉强度、抗剪强度、多轴压缩强度等 9/2/202424（2）研究岩石强度的意义1.是岩石分类、分级中的重要数量指标；2.可以判别计算处或测定处的岩土工程是否稳定；3.在简单地下工程条件下，可作为极限平衡条件(塑性条件)，求解弹塑性问题的塑性区范围，以及弹性区和塑性区的应力与位移 9/2/202425（（（（3 3）岩石的破坏模式）岩石的破坏模式）岩石的破坏模式）岩石的破坏模式从岩石的破坏模式来看，可分为五种破坏形式，如图2­1所示a）单轴压缩纵向劈裂破裂（b）剪切破坏（c）多重剪切破坏（d）拉伸破裂（e）由线载荷产生的拉伸破坏9/2/2024262.3.2 岩石的单轴抗压强度岩石的单轴抗压强度（（1）定义）定义 岩石的单轴抗压强度是指岩石在单轴压缩载荷岩石的单轴抗压强度是指岩石在单轴压缩载荷作用下，达到破坏前所能承受的最大压应力。

作用下，达到破坏前所能承受的最大压应力亦即岩石受轴向力作用破坏时单位面积上所承亦即岩石受轴向力作用破坏时单位面积上所承受的荷载即：受的荷载即： （2­18） （（（（2 2）试验方法）试验方法）试验方法）试验方法 1.1.实验过程实验过程实验过程实验过程 单轴抗压强度的试验是在带有上、下块承压板的试验机单轴抗压强度的试验是在带有上、下块承压板的试验机上进行，按一定的加载速度单向加压直至试件破坏上进行，按一定的加载速度单向加压直至试件破坏2.2.试件尺寸要求试件尺寸要求试件尺寸要求试件尺寸要求 1）国际岩石力学学会规定）国际岩石力学学会规定 试件标准尺寸为试件标准尺寸为Φ54mm,Φ54mm,高径比为高径比为2.52.5～～3.03.0倍 2 2））））我国的规定我国的规定 试件尺寸为试件尺寸为Φ50×100mmΦ50×100mm，高度为直径的，高度为直径的2.0—2.52.0—2.5倍、倍、试件两端面的不平整度不得大于试件两端面的不平整度不得大于0.05mm0.05mm、在试件的高、在试件的高度上直径或边长的误差不得大于度上直径或边长的误差不得大于0.3mm0.3mm、两端面应垂直、两端面应垂直于试件轴线，最大偏差不得大于于试件轴线，最大偏差不得大于0.250.250 0。

9/2/202427（（（（3 3）岩石单向压缩荷载作用下的破坏形态）岩石单向压缩荷载作用下的破坏形态）岩石单向压缩荷载作用下的破坏形态）岩石单向压缩荷载作用下的破坏形态1.1.圆锥形破坏圆锥形破坏圆锥形破坏圆锥形破坏 圆锥形破坏即圆锥形破坏即X X状共轭斜面剪切破坏，其破坏形态如图状共轭斜面剪切破坏，其破坏形态如图2—2(a)2—2(a)所示破坏面法线与载荷轴线的夹角：所示破坏面法线与载荷轴线的夹角： 原因：原因：由于试件两端面与试验机承压板之间摩擦力较大，由于试件两端面与试验机承压板之间摩擦力较大，所产生的端部效应造成的在试验加压的过程中，试所产生的端部效应造成的在试验加压的过程中，试件的应力分布如图件的应力分布如图2—32—3所示9/2/202428图2­2 单轴压缩破坏形态 图2­3 压缩圆柱体的应力分布 9/2/2024292.2.压剪破坏压剪破坏压剪破坏压剪破坏 单斜面压剪破坏，如图单斜面压剪破坏，如图2­1b2­1b和图和图2­2b2­2b所示这种破坏是所示这种破坏是由于破坏面上的剪应力超过极限引起的，但破坏前破坏面由于破坏面上的剪应力超过极限引起的，但破坏前破坏面所需承受的最大剪应力也与破坏面上的正应力有关，因而所需承受的最大剪应力也与破坏面上的正应力有关，因而称该类破坏为压剪破坏。

称该类破坏为压剪破坏 3.3.纵向劈裂破坏纵向劈裂破坏纵向劈裂破坏纵向劈裂破坏 纵向劈裂破坏即拉伸破坏，其破坏形态如图纵向劈裂破坏即拉伸破坏，其破坏形态如图2—2(b)2—2(b)所示这是因为在轴向压缩载荷作用下，在横向将产生拉伸应力，这是因为在轴向压缩载荷作用下，在横向将产生拉伸应力，这也是泊松效应的结果纵向劈裂破坏是岩石在单轴压缩这也是泊松效应的结果纵向劈裂破坏是岩石在单轴压缩载荷作用下的主要表现形式载荷作用下的主要表现形式 （（（（4 4）实验条件对单轴抗压强度的影响因素）实验条件对单轴抗压强度的影响因素）实验条件对单轴抗压强度的影响因素）实验条件对单轴抗压强度的影响因素1.1.承压板给予单轴抗压强度的影响承压板给予单轴抗压强度的影响承压板给予单轴抗压强度的影响承压板给予单轴抗压强度的影响 当承压板刚度很大时，其接触面的应力分布很不均匀，呈山字型，如下图2­4所示因此，承压扳(或者垫块)尽可能采用与岩石刚度相接近的材料，避免由于刚度的不同而引起变形不协调造成应力分布不均匀的现象 图2­4 在刚性承压板之间压缩时岩石端面的应力分布 9/2/2024309/2/2024312.2.试件尺寸及形状对单向轴抗压强度的影响试件尺寸及形状对单向轴抗压强度的影响试件尺寸及形状对单向轴抗压强度的影响试件尺寸及形状对单向轴抗压强度的影响1）试件形状的影响）试件形状的影响 形试件的四个边角会产生很明显的应力集中现象，形试件的四个边角会产生很明显的应力集中现象，因此，目前绝大多数的国家都采用圆柱形的岩石试因此，目前绝大多数的国家都采用圆柱形的岩石试件。

件 2 2））试件尺寸的影响试件尺寸的影响 试件的强度通常随其尺寸的增大而减小，这就是岩试件的强度通常随其尺寸的增大而减小，这就是岩石力学中被称作的石力学中被称作的“ “尺寸效应尺寸效应” ” 据研究发现试件据研究发现试件的尺寸对其强度的影响在很大程度上取决于组成岩的尺寸对其强度的影响在很大程度上取决于组成岩石的矿物颗粒的大小研究结果表明，若试件的直石的矿物颗粒的大小研究结果表明，若试件的直径为径为4­6cm4­6cm，且满足试件直径大于其最大矿物颗粒，且满足试件直径大于其最大矿物颗粒直径的直径的1010倍以上，其强度值相对比较稳定因此，倍以上，其强度值相对比较稳定因此，目前对于一般岩石采取直径为目前对于一般岩石采取直径为50mm50mm的试件作为其的试件作为其标准尺寸标准尺寸9/2/2024323 3）岩石试件的高径比的影响）岩石试件的高径比的影响）岩石试件的高径比的影响）岩石试件的高径比的影响 圆柱形试件高度与直径之比对试验结果有很大的影圆柱形试件高度与直径之比对试验结果有很大的影响由图2—52—5可见，当时，可见，当时， 曲线趋于稳定曲线趋于稳定 图2­5 粗面岩的抗压强度与h／d的关系 2.3.3 2.3.3 岩石抗拉强度岩石抗拉强度岩石抗拉强度岩石抗拉强度（（（（1 1）定义）定义）定义）定义 岩石试件在单轴拉伸时能承受的最大拉应力，称为岩石试件在单轴拉伸时能承受的最大拉应力，称为单轴抗拉强度，简称抗拉强度；单轴抗拉强度，简称抗拉强度；（（（（2 2）测定方法）测定方法）测定方法）测定方法 直接拉伸法、劈裂法、点荷载法直接拉伸法、劈裂法、点荷载法1.1.直接拉伸法直接拉伸法1 1）公式）公式式中：式中： —— ——岩石的抗拉强度，岩石的抗拉强度，MPaMPa —— ——试件受拉破坏时的极限拉力；试件受拉破坏时的极限拉力； —— ——与所施加拉力相垂直的截面面积；与所施加拉力相垂直的截面面积；9/2/2024332 2）试件与加载系统的连接）试件与加载系统的连接拉伸试验加载和试件示意图拉伸试验加载和试件示意图9/2/2024342. 2. 劈裂法（巴西法）劈裂法（巴西法） 由于实验简单，所测得的抗拉强度与直接拉伸很接由于实验简单，所测得的抗拉强度与直接拉伸很接近，故常用此法近，故常用此法。

1 1）公式）公式式中：式中：————试件中心的最大拉应力，即为抗拉强度，试件中心的最大拉应力，即为抗拉强度， MPaMPa —— ——试件破坏时的极限拉力；试件破坏时的极限拉力； —— ——承压圆盘的直径和厚度；承压圆盘的直径和厚度；9/2/2024352 2）试件与加载系统及应力分布图）试件与加载系统及应力分布图劈裂试验加载和应力分布示意图劈裂试验加载和应力分布示意图9/2/2024363. 3. 点荷载法点荷载法1 1）优点）优点：是一种简易、快速、价廉的测定岩石单轴：是一种简易、快速、价廉的测定岩石单轴抗拉和抗压强度的试验方法；试件可以用不规则岩抗拉和抗压强度的试验方法；试件可以用不规则岩块2 2）缺点）缺点：试件结果的离散性较大试件结果的离散性较大 3 3）公式）公式式中：式中：————破坏荷载，破坏荷载，————破坏时两加载点间的距离，破坏时两加载点间的距离，mmmm；； —— ——点荷载强度，点荷载强度，MPaMPa ；；9/2/202437点荷载试验对试件形状和尺寸的要求点荷载试验对试件形状和尺寸的要求9/2/2024382.3.4 岩石抗剪强度岩石抗剪强度（（（（1 1）定义）定义）定义）定义 岩石抵抗剪切的最大剪应力，由内聚力岩石抵抗剪切的最大剪应力，由内聚力 和内摩擦和内摩擦阻力阻力 两部分组成；两部分组成；（（（（2 2）测定方法）测定方法）测定方法）测定方法 直剪试验、变角板剪切试验；直剪试验、变角板剪切试验； 直剪试验装置图直剪试验装置图 、、 的确定示意图的确定示意图 9/2/202439 变角板剪力仪装置示意图变角板剪力仪装置示意图 岩块强度包洛线岩块强度包洛线9/2/2024402.3.5岩石三轴压缩强度岩石三轴压缩强度（（（（1 1）定义）定义）定义）定义1.1.试件在三轴压应力作用下能抵抗的最大轴向压力；试件在三轴压应力作用下能抵抗的最大轴向压力；2.2.公式公式 —— ——试件破坏时的轴向荷载，试件破坏时的轴向荷载，N N；； —— ——试件的初始横断面面积，试件的初始横断面面积，mmmm2 2；；（（（（2 2）影响因素）影响因素）影响因素）影响因素1.1.侧向压力影响；侧向压力影响；2.2.加载途径对岩石三轴压缩强度的影响；加载途径对岩石三轴压缩强度的影响；3.3.孔隙水压力对岩石三轴压缩强度的影响孔隙水压力对岩石三轴压缩强度的影响（（（（3 3）试验方法）试验方法）试验方法）试验方法1.1.真三轴试验；真三轴试验；2.2.假三轴试验（假三轴试验（ ）；）；9/2/202441三轴试验加载示意图三轴试验加载示意图9/2/2024429/2/2024432.3.6 岩石破坏后强度曲线岩石破坏后强度曲线 （（（（1 1）应力）应力）应力）应力- -应变曲线应变曲线应变曲线应变曲线1.1.普通材料试验机应力应变曲线普通材料试验机应力应变曲线普通材料试验机应力应变曲线普通材料试验机应力应变曲线 岩石单轴抗压强度试验一般是采用普通材料试验机，通岩石单轴抗压强度试验一般是采用普通材料试验机，通过对岩石试件连续施加轴向载荷，直到岩石试件的破坏。

过对岩石试件连续施加轴向载荷，直到岩石试件的破坏因此，在普通的材料试验机条件下，试件达到峰值强度因此，在普通的材料试验机条件下，试件达到峰值强度前，试件的变形是逐步和缓慢的，当达到峰值强度后，前，试件的变形是逐步和缓慢的，当达到峰值强度后，试件将发生突发性破坏，试件被崩裂，试验突然停止，试件将发生突发性破坏，试件被崩裂，试验突然停止，此时得到的应力此时得到的应力­ ­应变曲线也只是峰值前的曲线应变曲线也只是峰值前的曲线2.2.普通试验机得不到峰值强度后曲线的原因普通试验机得不到峰值强度后曲线的原因普通试验机得不到峰值强度后曲线的原因普通试验机得不到峰值强度后曲线的原因 主要是普通试验机的刚度不够，使在试验时有很大一部主要是普通试验机的刚度不够，使在试验时有很大一部分能量以应变能形式储存在试验机的立柱和其它部件中，分能量以应变能形式储存在试验机的立柱和其它部件中，当试件的应力达到峰值后，其承载能力下降，此时，试当试件的应力达到峰值后，其承载能力下降，此时，试验机中的应变能快速释放所造成的验机中的应变能快速释放所造成的9/2/202444（（（（2 2）获得全应力）获得全应力）获得全应力）获得全应力- -应变曲线的条件应变曲线的条件应变曲线的条件应变曲线的条件1.1.增加试验机刚度增加试验机刚度1）增加试验机上钢构件的截面积和减小其厚度；2）增加液压柱的截面积，且减小其长度；3）增大液压油的体积模量。

2.2.采用液压伺服系统采用液压伺服系统 试验机通过上述的改造后，实验中就可以实现岩石试验机通过上述的改造后，实验中就可以实现岩石的全程压缩试验，获得岩石的全应力的全程压缩试验，获得岩石的全应力­ ­应变曲线应变曲线9/2/202445（（（（3 3）全应力）全应力）全应力）全应力- -应变曲线的意义应变曲线的意义应变曲线的意义应变曲线的意义1.1.全面显示了岩石在受压破坏过程中的应力、变形特全面显示了岩石在受压破坏过程中的应力、变形特征，以及破坏后的强度与力学性质的变化规律；征，以及破坏后的强度与力学性质的变化规律；2.2.预测岩爆的产生预测岩爆的产生εσCDEOAB图2­17 全应力­应变曲线预测岩爆示意图 9/2/2024463.3.预测蠕变破坏预测蠕变破坏4.预测循环加载条件下岩石的破坏 根据岩石本身已有的受力水平，循环荷载的大小、根据岩石本身已有的受力水平，循环荷载的大小、周期、可根据全应力周期、可根据全应力­ ­应变曲线来预测循环加载条件应变曲线来预测循环加载条件下岩石发生破坏的时间下岩石发生破坏的时间FHIGEDCBAεOσ蠕变终止轨迹线图2­18 全应力­应变曲线预测蠕变破坏示意图9/2/2024472.5 岩石的变形特性岩石的变形特性2.5.1岩石变形的类型岩石变形的类型 岩石的变形可分为弹性变形、塑性变形和粘性岩石的变形可分为弹性变形、塑性变形和粘性变形三种形式。

变形三种形式 （（（（1 1）弹性变形）弹性变形）弹性变形）弹性变形 即物体在受到外力作用的瞬间即产生全部变形，即物体在受到外力作用的瞬间即产生全部变形，而撤除外力后又能立即恢复其原有形状和尺寸而撤除外力后又能立即恢复其原有形状和尺寸的性质弹性变形又可分为线弹性变形和非线的性质弹性变形又可分为线弹性变形和非线弹性变形弹性变形2.2.塑性变形塑性变形塑性变形塑性变形 即物体受到外力后产生形变，在外力除去后变形不能即物体受到外力后产生形变，在外力除去后变形不能完全恢复的性质，不能恢复的那部分变形称为塑性变完全恢复的性质，不能恢复的那部分变形称为塑性变形在外力作用下只发生塑性变形的物体称为理想塑形在外力作用下只发生塑性变形的物体称为理想塑性体当应力低于屈服极限时，材料没有变形，当应性体当应力低于屈服极限时，材料没有变形，当应力达到一定值后，应变不断增加而应力不变力达到一定值后，应变不断增加而应力不变3.3.粘性变形粘性变形粘性变形粘性变形 即物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应即物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质其应力力增加而增加的性质其应力­ ­应变速率关系为过原应变速率关系为过原点的直线的物质称为理想粘性体（牛顿流体）。

点的直线的物质称为理想粘性体（牛顿流体）9/2/2024492.5.2 单轴压缩条件下岩石的变形特性单轴压缩条件下岩石的变形特性（（（（1 1）单轴压缩条件下的变形特性）单轴压缩条件下的变形特性）单轴压缩条件下的变形特性）单轴压缩条件下的变形特性 1.1.应力应力——应变曲线能反映岩石的变形特性，因此，根应变曲线能反映岩石的变形特性，因此，根据全应力据全应力­ ­应变曲线其变形过程可分为四个阶段，如图应变曲线其变形过程可分为四个阶段，如图2­202­20所示 εσECDBAO图2­20 岩石单轴压缩载荷作用下全应力­应变曲线 9/2/2024502.2.孔隙裂隙压密阶段（孔隙裂隙压密阶段（孔隙裂隙压密阶段（孔隙裂隙压密阶段（OAOA段）段）段）段） 其特征是应力其特征是应力——应变曲线呈上凹型，在此阶段岩石试件中原应变曲线呈上凹型，在此阶段岩石试件中原有的张开型结构面和微裂隙逐渐闭合，横向膨胀较小，试件有的张开型结构面和微裂隙逐渐闭合，横向膨胀较小，试件体积随载荷的增大而减小体积随载荷的增大而减小3.3.弹性变形至微弹性裂隙稳定发展阶段（弹性变形至微弹性裂隙稳定发展阶段（弹性变形至微弹性裂隙稳定发展阶段（弹性变形至微弹性裂隙稳定发展阶段（ACAC段）段）段）段） AB AB阶段为线弹性变形阶段；阶段为线弹性变形阶段；BCBC为非线性弹性变形阶段，此为非线性弹性变形阶段，此阶段中出现了微裂隙的破裂，因此也称为破裂稳定发展阶段。

阶段中出现了微裂隙的破裂，因此也称为破裂稳定发展阶段 9/2/2024514.4.非稳定破裂发展阶段（非稳定破裂发展阶段（非稳定破裂发展阶段（非稳定破裂发展阶段（CDCD段）段）段）段） C C点是岩石从弹性变为塑性的转折点，称为屈服点，其相应点是岩石从弹性变为塑性的转折点，称为屈服点，其相应的应力称为屈服应力，数值约为峰值应力的三分之二左右的应力称为屈服应力，数值约为峰值应力的三分之二左右进入此阶段后，微破裂不断聚合形成宏观裂隙，直至岩石试进入此阶段后，微破裂不断聚合形成宏观裂隙，直至岩石试件完全破坏此时，试件体积由压缩变小转为扩容增大，轴件完全破坏此时，试件体积由压缩变小转为扩容增大，轴向应变和体积应变速率迅速增大当达到向应变和体积应变速率迅速增大当达到D D点时，岩石已经点时，岩石已经破坏，此时的强度称为峰值强度破坏，此时的强度称为峰值强度5.破裂后阶段（破裂后阶段（DE段）段） 当载荷达到当载荷达到D D点后，岩石试件内部结构已遭到破坏，但试件点后，岩石试件内部结构已遭到破坏，但试件基本保持整体形状进入本阶段后，宏观裂隙快速发展，并基本保持整体形状进入本阶段后，宏观裂隙快速发展，并且相互交叉联合形成宏观断裂面，试件的承载能力迅速下降，且相互交叉联合形成宏观断裂面，试件的承载能力迅速下降，但不会到零，岩石仍具有一定的承载能力。

但不会到零，岩石仍具有一定的承载能力（（（（2 2）全应力应变曲线特征表）全应力应变曲线特征表）全应力应变曲线特征表）全应力应变曲线特征表表表2­1 2­1 岩石全应力应变曲线特征表岩石全应力应变曲线特征表9/2/2024529/2/2024532.5.32.5.3利用应力利用应力利用应力利用应力——应变曲线形态对岩石进行分类应变曲线形态对岩石进行分类应变曲线形态对岩石进行分类应变曲线形态对岩石进行分类ⅠOσεOσεⅡⅢOσεⅣOσεⅥOσε图2­21 峰值前岩石的典型应力­应变曲线 a.弹性岩石 b.弹性­塑性岩石 c.塑­弹性岩石 d.塑­弹­塑性岩石 e.弹­粘性岩石 9/2/2024542.5.4循环载荷条件下的岩石变形特征循环载荷条件下的岩石变形特征（（（（1 1）岩石的变形特性）岩石的变形特性）岩石的变形特性）岩石的变形特性 1.1.岩石在循环载荷作用下，其破坏时的应力往往低于其静岩石在循环载荷作用下，其破坏时的应力往往低于其静力加载强度力加载强度 2. 2.对于弹性岩石，在循环载荷作用下，加载路径与卸载路对于弹性岩石，在循环载荷作用下，加载路径与卸载路径完全重合，即其应力径完全重合，即其应力­ ­应变路径是相同，都是沿同一曲线往应变路径是相同，都是沿同一曲线往返。

返9/2/202455 3.3.对于非弹性岩石，如果卸载点对于非弹性岩石，如果卸载点P P超过屈服点，则卸超过屈服点，则卸载曲线不与加载曲线重合，形成塑性滞回环塑性载曲线不与加载曲线重合，形成塑性滞回环塑性滞环反映了经过加滞环反映了经过加——卸载试验后，消耗于裂隙的扩卸载试验后，消耗于裂隙的扩展和裂隙面之间的摩擦所作的功且卸载曲线的平展和裂隙面之间的摩擦所作的功且卸载曲线的平均斜率一般与加载曲线直线段的斜率相同，或者和均斜率一般与加载曲线直线段的斜率相同，或者和原点切线斜率相同原点切线斜率相同 4. 4.如果施加的是等大小的循环载荷，则每一次加载如果施加的是等大小的循环载荷，则每一次加载­ ­卸载都会形成一个塑性滞回环，这些滞回环随着加卸载都会形成一个塑性滞回环，这些滞回环随着加­ ­卸载次数的增加而愈来愈窄，并彼此愈来愈近，岩卸载次数的增加而愈来愈窄，并彼此愈来愈近，岩石愈来愈接近弹性变形，直到没有塑性变形为止，石愈来愈接近弹性变形，直到没有塑性变形为止，如图如图2­222­22所示9/2/202456εOPσ1σ图2­22 等载荷循环加、卸载时的应力­应变曲线 CεOσ图2­23 不断增大载荷循环加、卸载时的应力­应变曲线 9/2/202457 5. 5.如果循环载荷的每一次最大值超过前一次，则可得如果循环载荷的每一次最大值超过前一次，则可得图图2­232­23所示的曲线。

随着循环次数的增加，塑性滞所示的曲线随着循环次数的增加，塑性滞回环的面积也有所扩大，卸载曲线的斜率也有所增回环的面积也有所扩大，卸载曲线的斜率也有所增加，这表明卸载应力下的岩石材料弹性有所增强加，这表明卸载应力下的岩石材料弹性有所增强此外，每次卸载后再加载，在载荷超过上一次循环此外，每次卸载后再加载，在载荷超过上一次循环的最大载荷以后，变形曲线会沿着原来的单调加载的最大载荷以后，变形曲线会沿着原来的单调加载曲线上升（如曲线上升（如OCOC曲线），好像不曾受到反复加载的曲线），好像不曾受到反复加载的影响，这种现象称为岩石的变形记忆影响，这种现象称为岩石的变形记忆2 2）临界应力）临界应力）临界应力）临界应力 岩石在循环载荷作用下，当循环应力小于某一数值岩石在循环载荷作用下，当循环应力小于某一数值时，循环次数即使很多，也不会导致试件的破坏；时，循环次数即使很多，也不会导致试件的破坏；而超过这一数值时岩石将在某次循环中发生破坏而超过这一数值时岩石将在某次循环中发生破坏（疲劳破坏），这一数值称为临界应力它的大小（疲劳破坏），这一数值称为临界应力它的大小与岩石种类有关与岩石种类有关9/2/2024582.5.5 2.5.5 三轴压缩条件下的岩石变形特征三轴压缩条件下的岩石变形特征三轴压缩条件下的岩石变形特征三轴压缩条件下的岩石变形特征（（（（1 1）当）当）当）当 时，岩石的变形特性时，岩石的变形特性时，岩石的变形特性时，岩石的变形特性 图2­24 应力­应变关系1.1.在围压为零或较低的情况下，在围压为零或较低的情况下，岩石呈脆性状态破坏；岩石呈脆性状态破坏； 2.2.随着围压的升高，岩石破坏逐随着围压的升高，岩石破坏逐渐从脆性转化到塑性状态，通常渐从脆性转化到塑性状态，通常把岩石由脆性转化到塑性时的临把岩石由脆性转化到塑性时的临界围压称为转化压力；界围压称为转化压力； 3.3.随着围压的进一步升高，试件的随着围压的进一步升高，试件的承载能力则随围压增长而增长，出承载能力则随围压增长而增长，出现了应变硬化；现了应变硬化； 4.4.随着围压的增大，岩石的抗压强度随着围压的增大，岩石的抗压强度显著增大，其变形也不断增大；显著增大，其变形也不断增大；  5.5.随围压的提高，弹性段的斜率变化不大。

即随围压的提高，弹性段的斜率变化不大即E E和和v v与单轴基本相等说明：可以通过简易的单轴试验，与单轴基本相等说明：可以通过简易的单轴试验，确定复杂应力状态下的弹性常数确定复杂应力状态下的弹性常数2 2）当）当 为常数时，岩石的变形特性为常数时，岩石的变形特性 1.1.随着随着的增大，其屈服的增大，其屈服应应力有所提高；力有所提高； 2.2.弹弹性模量基本不性模量基本不变变，不受，不受变变化的影响；化的影响； 3.3.当当不断增大不断增大时时，岩石由塑性逐，岩石由塑性逐渐渐向脆性向脆性转换转换 为常数时的影响 9/2/202459（（3 3）当）当 为常数时岩石的变形特性为常数时岩石的变形特性1.1.随随 的增大，其屈服应力几乎不变；的增大，其屈服应力几乎不变；2.2.随随 的增大，其弹性模量也基本不变的增大，其弹性模量也基本不变 ；；3.3.岩石始终保持塑性破坏的特性，只是随着岩石始终保持塑性破坏的特性，只是随着 的增大，的增大，其塑性变形量也随着增大其塑性变形量也随着增大 9/2/202460为为常数常数时时的影响的影响 2.5.6 岩石变形指标及其确定岩石变形指标及其确定（（（（1 1）弹模的确定）弹模的确定）弹模的确定）弹模的确定1.1.初始模量：初始模量： ，，即过原点的切线斜率；即过原点的切线斜率；2.2.切线弹模：切线弹模： ，，即过任意点即过任意点P P的切线斜率；的切线斜率；3.3.割线弹模：割线弹模： ，，即任意点即任意点P P的纵横坐标之比；的纵横坐标之比； 图图2­25 2­25 弹模几种定弹模几种定义义9/2/202461（（（（2 2））））ISRMISRM建议的非线性弹性岩石的弹模建议的非线性弹性岩石的弹模建议的非线性弹性岩石的弹模建议的非线性弹性岩石的弹模1. 1. 点相应的切线模量，即点相应的切线模量，即2. 2. 点相应的切线模量，即点相应的切线模量，即3.3.弹性范围内近似于直线段的平均斜率；弹性范围内近似于直线段的平均斜率； 岩石的弹模，一般为岩石的弹模，一般为20~50GPa20~50GPa。

9/2/202462（（（（3 3）泊松比）泊松比）泊松比）泊松比1.1.岩石的横向应变与纵向应变之比值；岩石的横向应变与纵向应变之比值；2.2.公式公式3.3.岩石在弹性范围内，岩石在弹性范围内， 一般为常数；一般为常数；超过弹性范围，将随应力的增大而增大，直到超过弹性范围，将随应力的增大而增大，直到 为止；为止；9/2/202463（（（（4 4）体积模量）体积模量）体积模量）体积模量 平均正应力平均正应力 与单位体积变形与单位体积变形 之比，即之比，即式中，式中， — —体积变形模量，体积变形模量，PaPa；； — —单位体积变形，量纲为单位体积变形，量纲为1 1；； （横向应变（横向应变 均为均为负值）负值）（（（（5 5）剪切模量）剪切模量）剪切模量）剪切模量9/2/202464（（（（6 6）岩石的体积应变特性）岩石的体积应变特性）岩石的体积应变特性）岩石的体积应变特性1.1.公式公式 式中，式中， —— ——体积增量；体积增量； —— ——试件的原体积；试件的原体积； —— ——最大主应变，中间主应变和最小主应变；最大主应变，中间主应变和最小主应变； 9/2/202465花岗岩的应力花岗岩的应力——应变曲线应变曲线9/2/2024662.2.基本变化规律：当作用的外荷载较小时，体积应变基本变化规律：当作用的外荷载较小时，体积应变表现出线性变化，且岩石的体积随荷载的增大而减表现出线性变化，且岩石的体积随荷载的增大而减小。

当外荷载达到一定的值之后，体积应变经过了小当外荷载达到一定的值之后，体积应变经过了保持不变的阶段，开始发生体积膨胀的现象保持不变的阶段，开始发生体积膨胀的现象3.3.剪胀或扩容剪胀或扩容：当岩石受外力作用后，发生非线性的：当岩石受外力作用后，发生非线性的体积膨胀，且这一体积膨胀是不可逆的体积膨胀，且这一体积膨胀是不可逆的 4.4.产生剪胀的原因产生剪胀的原因：裂隙产生、扩展、贯穿、滑移、：裂隙产生、扩展、贯穿、滑移、错动、甚至张开所致错动、甚至张开所致 5.5.剪胀规律在三轴压缩和单向压缩试验中都会出现，剪胀规律在三轴压缩和单向压缩试验中都会出现，由于围压的增大，会出现剪胀随之减弱的现象由于围压的增大，会出现剪胀随之减弱的现象 9/2/2024672.5.72.5.7岩石的本构关系岩石的本构关系岩石的本构关系岩石的本构关系（（（（1 1）概念）概念）概念）概念1.1.岩石的本构关系岩石的本构关系ØØ岩石的应力－应变关系；岩石的应力－应变关系；ØØ受众多因素影响，因而极其复杂；受众多因素影响，因而极其复杂；2.2.岩石的本构关系模型繁多岩石的本构关系模型繁多ØØ按均匀性分：各向同性、各向异性；按均匀性分：各向同性、各向异性；ØØ按变形特性分：线性、非线性；按变形特性分：线性、非线性；ØØ岩石的变形还与时间有关岩石的变形还与时间有关 ；；9/2/202468（（（（2 2））））各向同性岩石的本构关系各向同性岩石的本构关系各向同性岩石的本构关系各向同性岩石的本构关系1.1.定义：各向同性定义：各向同性是指岩石材料各个方向的力学性质是指岩石材料各个方向的力学性质相同，且处于线弹性状态。

相同，且处于线弹性状态2.2.本构关系本构关系式中，式中， 弹性模量；弹性模量； 泊松比；泊松比； 9/2/202469（（（（3 3））））各向异性岩石的本构关系各向异性岩石的本构关系各向异性岩石的本构关系各向异性岩石的本构关系1.1.极端各向异性极端各向异性1 1））定义定义 假定岩石是线假定岩石是线弹性的，其中任一点沿两个不同弹性的，其中任一点沿两个不同方向的弹性性质互不相同，岩体中的方向的弹性性质互不相同，岩体中的6 6个应力分个应力分量中的每个应力分量都是量中的每个应力分量都是6 6个应变分量的线性函个应变分量的线性函数，反之亦然数，反之亦然 2 2））本构关系本构关系3 3）弹性矩阵有）弹性矩阵有3636个常数，可以证明弹性矩阵是一个常数，可以证明弹性矩阵是一个对称矩阵，独立的常数只有个对称矩阵，独立的常数只有2121个 9/2/2024702.2.正交各向异性正交各向异性1 1））定义定义 如果在弹性体中存在三个相互正交的弹性对称面，如果在弹性体中存在三个相互正交的弹性对称面，则把这个弹性体称为正交各向异性如果在弹性则把这个弹性体称为正交各向异性。

如果在弹性体中存在着一个平面，该平面两边各点的弹性常体中存在着一个平面，该平面两边各点的弹性常数关于它对称，或弹性常数相等，那么这个平面数关于它对称，或弹性常数相等，那么这个平面称为弹性对称面称为弹性对称面 2 2））））本构关系本构关系本构关系本构关系3 3）弹性矩阵只有）弹性矩阵只有9 9个非零常数，且相互独立个非零常数，且相互独立9/2/2024713.3.横观各向同性体横观各向同性体1 1））定义定义 如果如果弹性体有一个弹性对称面和一个旋转轴，则弹性体有一个弹性对称面和一个旋转轴，则称为称为横观各向同性体其特点是，在平行于某一横观各向同性体其特点是，在平行于某一平面的所有各方向（即横向），都具有相同的弹平面的所有各方向（即横向），都具有相同的弹性 2 2）本构关系）本构关系9/2/202472式中，式中， ————各向同性面（平面）内所有方向的弹各向同性面（平面）内所有方向的弹性模量弹性模量；性模量弹性模量； ————垂直于各向同性面（平面）的弹性模垂直于各向同性面（平面）的弹性模量；量； ————各向同性面内的泊松比；各向同性面内的泊松比； ————垂直于各向同性面的泊松比；垂直于各向同性面的泊松比； ————平行于各向同性面的切变模量平行于各向同性面的切变模量；； ————垂直于各向同性面的切变模量；垂直于各向同性面的切变模量；9/2/2024739/2/2024742.6影响岩石力学性质的主要因数影响岩石力学性质的主要因数2.6.12.6.1水对岩石力学性质的影响水对岩石力学性质的影响水对岩石力学性质的影响水对岩石力学性质的影响（（（（1 1）岩石中水的赋存方式）岩石中水的赋存方式）岩石中水的赋存方式）岩石中水的赋存方式 结合水或称束缚水和重力水或称自由水。

结合水或称束缚水和重力水或称自由水 1.1.结合水结合水结合水结合水 由于矿物对水分子的吸附力超过了重力而被束缚在由于矿物对水分子的吸附力超过了重力而被束缚在矿物表面的水，水分子运动主要受矿物表面势能的控制，矿物表面的水，水分子运动主要受矿物表面势能的控制，这种水在矿物表面形成一层水膜这种水膜对岩石力学这种水在矿物表面形成一层水膜这种水膜对岩石力学性质的影响主要产生连接作用、润滑作用、水楔作用等性质的影响主要产生连接作用、润滑作用、水楔作用等三种作用三种作用 2.2.自由水自由水自由水自由水 它不受矿物表面吸附力的控制，其运动主要受重力它不受矿物表面吸附力的控制，其运动主要受重力作用控制，它对岩石力学性质的影响主要表现为孔隙水作用控制，它对岩石力学性质的影响主要表现为孔隙水压力作用和溶蚀及潜蚀作用压力作用和溶蚀及潜蚀作用 9/2/202475（（2）水对岩石的作用）水对岩石的作用 1. 1.连接作用连接作用 主要是将矿物颗粒拉近、接紧，连接到一起的主要是将矿物颗粒拉近、接紧，连接到一起的作用这种作用对一般岩石影响不大，但对于作用。

这种作用对一般岩石影响不大，但对于被土充填的结构面的岩石影响较大被土充填的结构面的岩石影响较大 2.2.润滑作用润滑作用 主要是对由可溶盐和胶体矿物连接的岩石影响主要是对由可溶盐和胶体矿物连接的岩石影响较大，当水侵入时，可溶盐和胶体溶解水化，较大，当水侵入时，可溶盐和胶体溶解水化，使矿物颗粒间的连接力减弱，摩擦力降低，起使矿物颗粒间的连接力减弱，摩擦力降低，起到润滑剂的作用到润滑剂的作用9/2/2024763.3.水楔作用水楔作用水楔作用水楔作用 由于矿物颗粒利用其表面吸附力将水分子拉到自己由于矿物颗粒利用其表面吸附力将水分子拉到自己的周围，在两颗粒接触处使水分子向两颗粒之间的的周围，在两颗粒接触处使水分子向两颗粒之间的缝隙内挤入，增大了颗粒间的间距，使岩石体积膨缝隙内挤入，增大了颗粒间的间距，使岩石体积膨胀，或使产生润滑作用，从而降低岩石的强度胀，或使产生润滑作用，从而降低岩石的强度 4.4.孔隙压力作用孔隙压力作用孔隙压力作用孔隙压力作用 对于岩石孔隙中含有重力水时，当其突然受载而水对于岩石孔隙中含有重力水时，当其突然受载而水来不及排出，岩石孔隙中的水产生很高的压力，减来不及排出，岩石孔隙中的水产生很高的压力，减小了矿物颗粒之间的压应力，从而降低了岩石的抗小了矿物颗粒之间的压应力，从而降低了岩石的抗剪强度，有时甚至在岩石裂隙端部处于受拉应力状剪强度，有时甚至在岩石裂隙端部处于受拉应力状态，起到破坏岩石连接的作用。

态，起到破坏岩石连接的作用 5.5.溶蚀溶蚀溶蚀溶蚀- -潜蚀作用潜蚀作用潜蚀作用潜蚀作用 通过渗透水在岩体内流动过程，将岩石中的可溶矿通过渗透水在岩体内流动过程，将岩石中的可溶矿物溶解带走，有时将岩石中的小颗粒冲走，从而使物溶解带走，有时将岩石中的小颗粒冲走，从而使岩石强度大为降低，变形增大，前者属于溶蚀作用，岩石强度大为降低，变形增大，前者属于溶蚀作用，后者属于潜蚀作用后者属于潜蚀作用9/2/2024772.6.2 温度对岩石力学性质的影响温度对岩石力学性质的影响（（1 1）由于温度的升高使岩石内的化学成分、结晶水等产生变）由于温度的升高使岩石内的化学成分、结晶水等产生变化，进而影响了岩石的强度化，进而影响了岩石的强度2 2）由于温度的提高，将使岩石内储存热应力，致使岩石内）由于温度的提高，将使岩石内储存热应力，致使岩石内部产生微观裂隙，弱化了岩石内部结构，从而使岩石的抵抗部产生微观裂隙，弱化了岩石内部结构，从而使岩石的抵抗外荷载的能力降低外荷载的能力降低 从岩石工程角度来看，一般不需要研究温度对岩石力从岩石工程角度来看，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，每增加学性质的影响，因为按一般地热增温看，每增加100m100m深度，深度，岩石的温度升高岩石的温度升高3 3℃℃，这样即使是目前最深的工程活动也只在，这样即使是目前最深的工程活动也只在3000m3000m左右，岩石升温也只有左右，岩石升温也只有9090～～100100℃℃。

这样的升温对岩这样的升温对岩石的力学性质不会产生显著的影响石的力学性质不会产生显著的影响9/2/2024782.6.3岩石的加载速率效应岩石的加载速率效应（（1 1）加载速率快，弹性模量较大，峰值强度较高，韧性）加载速率快，弹性模量较大，峰值强度较高，韧性较小快速加载达到破坏时的应力，称为瞬时强度快速加载达到破坏时的应力，称为瞬时强度2 2）加载速率慢，弹性模量较小，峰值强度较小，韧性）加载速率慢，弹性模量较小，峰值强度较小，韧性较小3 3）加载速率极慢，产生流变现象经过较长时间加载）加载速率极慢，产生流变现象经过较长时间加载达到破坏时的应力，称为长时强度达到破坏时的应力，称为长时强度 在研究岩石准静态载荷作用下的力学性质时，选择在研究岩石准静态载荷作用下的力学性质时，选择适当的加载速率对其试验结果来说是比较重要的按适当的加载速率对其试验结果来说是比较重要的按ISRMISRM建议的，在进行单轴抗压强度试验时，其加载速建议的，在进行单轴抗压强度试验时，其加载速率应控制在率应控制在0.5—1MPa0.5—1MPa／／s s之间，一般从实验开始直至之间，一般从实验开始直至试件破坏的时间为试件破坏的时间为5­10min5­10min。

9/2/2024792.6.4 2.6.4 围压对岩石力学性质的影响围压对岩石力学性质的影响围压对岩石力学性质的影响围压对岩石力学性质的影响 由三轴试验可知：围压对岩石的变形有很大的影响，岩由三轴试验可知：围压对岩石的变形有很大的影响，岩石的脆性和塑性并非其固有属性，它与岩石的受力状态石的脆性和塑性并非其固有属性，它与岩石的受力状态密切相关，随着受力状态的改变它们是可以相互转化的密切相关，随着受力状态的改变它们是可以相互转化的因此，随着围压的改变可使岩石的变形、强度和弹性极因此，随着围压的改变可使岩石的变形、强度和弹性极限都有显著的改变限都有显著的改变2.6.5 2.6.5 风化对岩石力学性质的影响风化对岩石力学性质的影响风化对岩石力学性质的影响风化对岩石力学性质的影响（（1 1）风化可降低岩体结构面的粗糙程度，并产生大量的）风化可降低岩体结构面的粗糙程度，并产生大量的新的裂隙，使岩体的完整性遭到严重的破坏，从而降低新的裂隙，使岩体的完整性遭到严重的破坏，从而降低了岩石的强度了岩石的强度2 2）岩石经风化作用后，由于原生矿物经水解、水化、）岩石经风化作用后，由于原生矿物经水解、水化、氧化等化学作用，造成岩石的矿物成分发生变化，使岩氧化等化学作用，造成岩石的矿物成分发生变化，使岩体的结构遭到破坏，岩石的抗水性、力学强度降低，孔体的结构遭到破坏，岩石的抗水性、力学强度降低，孔隙性增加，透水性增强等。

隙性增加，透水性增强等。