岩石力学(第2章).ppt

第二章 授课要求 1.掌握岩石物理指标的意义和换算关系； 2.掌握岩石的强度特性； 3.掌握岩石的全应力-应变曲线及测试手段； 4.掌握岩石的流变性质； 5.掌握岩石的强度理论2.1概述,物理力学性质的参数,,物理性质参数,力学性质的参数,,,质量指标,水理性质,抗风化,孔隙性,其他指标,,强度特性,变形特性,强度理论,密度、比重、含水率,单轴抗压强度、抗拉强度、剪切强度、三向压缩强度,应力-应变曲线,经典强度理论、莫尔强度理论、格里菲斯强度理论和 E. T. Brown 强度理论,加载的速率、试验机的刚度、岩石试件的形状和尺寸,2.2岩石的基本物理性质,2.2.1岩石的密度（重度）指标 单位岩石的质量（重量）称为岩石的密度（重度） 根据含水量不同可分为：天然密度、饱和密度、干密度； 天然重度、饱和重度、干重度重度的大小取决于矿物成分、空隙大小以及含水量，其他条件相同时，岩石重度大小与其埋深有关重度大小在一定程度上反映了岩石力学性质的好坏密度试验通常用称重法先测量标准试件的尺寸，然后放在感量精度为0.01g的天平上称重，计算密度参数 天然密度：首先应该保持被测岩石的含水量，如岩石含有遇水溶解、遇水膨胀的矿物成分，应采用水下称重的方法进行试验，即先将试件的外表涂上一层厚度均匀的石蜡，然后放在水中称物体的重量，计算天然密度； 饱和密度：采用48h浸水法、抽真空法或者煮沸法使岩石试件饱和，然后再称重； 干密度：把试件放入105-110℃烘箱中，将岩石烘至恒重(一般约为24h左右) ，再进行称重试验。

岩石的颗粒密度 岩石的颗粒密度：岩石固体物质的质量与固体的体积之比,岩石的颗粒密度可采用比重瓶法求得 首先，将岩石粉碎，并使岩粉通过直径为0.25mm的筛网筛选，然后，将其烘干至恒重，称出一定量的岩粉，将岩粉倒入已注入一定量煤油(或纯水)的比重瓶内，摇晃比重瓶将岩粉中的空气排出，静置4h 后，由于加入岩粉使液面升高，读出其刻度，即加入岩粉后体积的增量;最后，必须测量液体的温度，修正由于液体温度的不同而造成的误差，并按要求计算出岩石的颗粒密度岩石的颗粒密度 岩石的颗粒密度：岩石固体物质的质量与固体的体积之比,花岗石:2.63~3.3，正长岩：2.5～3.3，闪长岩：2.5～3.3， 斑岩：2.8，安山岩：2.5～3.3，辉绿岩：2.7、2.9， 流纹岩：2.5～3.3，花岗片麻岩：2.7～2.9，片麻岩：2.5～2.8， 石英岩：2.61、2.8～3.0，大理岩：2.5～3.3，千枚岩（板岩）：2.5～3.3， 凝灰岩：2.5～3.3，火山角砾岩（火山集块岩）：2.5～3.3， 砾岩：2.2～3.3，石英砂岩：2.6～2.71，砂岩：1.2～3.0,相对密度（比重Specific density）,岩石干重量与岩石实体积之比，所得量与一个大气压下4℃纯水的重度之比，表达式如下： （2-3） 可采用比重瓶法测定，其大小取决于组成岩石的矿物比重及其在岩石中的相对含量，大部分岩石相对密度介于2.50-2.80之间。

2.2.2岩石的孔隙性 岩石的孔隙性是反映了岩石中裂隙的发育程度 孔隙比：孔隙的体积与固体体积之比 孔隙率：孔隙的体积与总体积之比,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2.2.3岩石的水理性质,岩石的含水性质：含水率（天然状态） 吸水率（天然状态、饱和状态）,岩石的渗透性：渗透系数,天然状态下岩石中水的重量与岩石烘干重量之比为岩石天然含水率：,岩石的含水率对于软岩来说是一个比较重要的参数 组成软岩的矿物成分中往往含有较多的粘土矿物，则这将粘土矿物具在遇水软化的特性因此，当这部分岩石含有较大的含水率时，在某种程度上降低了该岩石的强度，并产生很大的变形，影确了岩石的力学特性岩石的吸水率（天然吸水率、自由吸水率）：干燥岩石试样在一个大气压下和室温条件下吸入水的重量与岩石干重量之比：,岩石在一定条件下吸收水分的性能称为岩石的吸水性，它取决于岩石孔隙的数量、大小、开闭程度和分布情况对于软岩它是一个比较重要的参数；对岩石的抗冻性和抗风化能力具有较大影响岩石的饱和吸水率亦称饱水率：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样烘干质量的比值：,,岩石的饱水系数：,它反映了岩石中大、小开空隙的相对比例关系。

一般来说，饱水系数愈大，岩石中的大开空隙相对愈多，而小开空隙相对愈少另外，饱水系数大，说明常压下吸水后余留的空隙就愈少，岩石愈易被冻胀破坏，因而其抗冻性差一般岩石的饱水系数在0.5-0.8之间，试验表明：饱水系数小于91%的岩石可以免遭冻胀破坏岩石的渗透性 岩石的渗透性是指在水压作用下，岩石的孔隙和裂隙透水的能力它间接地反映了岩石中裂隙间相互连通的程度 当水流在岩石的空隙中流动时，大多数表现为层流状态，可通过Darcy定律中的渗透系数来表达渗透系数可利用径向渗透试验获得 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渗透系数的大小取决于岩石的物理特性和结构特征，例如岩石中孔隙和裂隙的大小、开闭程度以及连通情况等 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:将水、油或者气体泵人多孔隙的岩体中；为了能量转换而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等 岩体的渗透特性远远比岩石的渗透性来得重要，其原因是岩体中存在着的不连续面，使其渗透系数要比岩石的大得多进行现场岩体的渗透性试验研究研究岩石渗透性的方向。

2.2.4岩石的抗风化指标,（1）岩石软化性（softening of rock）是指岩石与水相互作用时强度降低的特性，岩石软化的机理也是由于水分子进入颗粒间的间隙而削弱了颗粒间的联结造成的岩石开挖后，由于片状剥落、水化、崩解、溶解、氯化、磨蚀和其他过程对岩石性质的影响，通常用以下三个指标来表征岩石的抗风化特性软化系数是一个小于或等于1 的系数该值越小，则表示岩石受水的影响越大岩石的软化系数大小差别很大，主要取决于岩石的矿物成分和风化程度软化岩石,（2）岩石耐崩解性反映了岩石在浸水和温度变化的环境下抵抗风化作用的能力 耐崩解性指数的试验是将经过烘干的试块（质量约500g ，且分成10块左右），放入一个带有筛孔的圆筒内，使该圆筒在水槽中以20r/min 的速度，连续旋转10min ，然后将留在圆筒内的岩块取出再次烘干称重如此反复进行两次后，按下式求得耐崩解性指数:,（3）岩石的膨胀性 当岩石中含有某些黏土矿物（如蒙脱石、伊利石及高岭石）水化后在其晶格内部或细分散颗粒周围生成结合水溶剂腔，并在相邻的颗粒间产生楔劈效应当楔劈作用力大于结构联结力，岩石将显示膨胀 因此，对于含有粘土矿物的岩石，掌握经开挖后遇水膨胀的特性是十分必要的。

岩石的膨胀特性通常以岩石的自由膨胀率、岩石的侧向约束膨胀率、膨胀压力等来表述 膨胀率是指岩石试件在一定条件下浸水后所产生膨胀变形与试件原尺寸的比值 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压0.01MPa ，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0.001mm时，施加一定的压力，使试件保持原有的体积，经过一段时间的实验，测量试件保持不再变化(变形趋于稳定)时的最大压力2.2.5岩石的抗冻性,岩石抗冻融破坏的性能称为抗冻性，通常用抗冻系数表示指岩石在±25℃区间内反复冻融，得到抗压强度与冻融前的比值：,其强度降低的原因是：构成岩石的各种矿物膨胀系数不同；温度降低至0 ℃后孔隙中水结冰，体积膨胀，裂隙产生所导致的讨论：随着能源建设不断的发展，利用深部岩体建立能源储存库已开始研究，其中必须要了解岩石在冻融条件下的力学特性2.3岩石的强度特征,岩石承受最大荷载的能力称其为强度 材料在荷载作用下，所能承受的最大的单位面积上的力 抗压强度、抗拉强度、抗剪强度 单轴抗压强度(无侧限压缩强度)、三轴压缩强度 岩石的强度取决定于很多因素：岩石结构、风化程度、水、温度、围压大小、各向异性、试验加载条件等 研究的意义 （1）工程意义：工程材料在各种应力作用下承受的最大荷载或者允许的最大应力值 （2）理论意义：建立物理物理方程（本构方程、本构关系）、破裂机理,,,2.3.1岩石的单轴抗压强度,岩石试件在无侧限条件下，受轴向力作用破坏时单位面积上所承受的荷载 （1）试验方法 试验设备： 试验机带有上、下块承压板； 按0.5-1.0MPa/s 的速度加压。

试件标准： 圆柱形试件：直径φ=4.8-5.2cm ，高=（2-2.5）φ 长方体试件：边长L= 4.8-5.2cm , 高H=（2-2.5)L 试件两端不平度0.05 mm 尺寸误差±0.3mm 两端面垂直于轴线±0.25°,,（2）破坏形态 在荷载作用下，岩石试件的破坏形态是表现岩石破坏机理的重要特征它不仅表现了岩石受力过程中的应力分布状态，同时，还反映了不同试验条件对强度的影响3）破坏形态 ①承压板刚度的影响（加垫块的依据） 刚度很大，接触面应力呈山字型分布 刚度较小，接触面应力呈抛物线形分布 因此，试验机的承压板(或者垫块)刚度应与岩石刚度相接近 ②试件的形状和尺寸 形状：圆形试件不易产生应力集中，好加工 尺寸：大于矿物颗粒的10倍 高径比：h/d≥(2-3)较合理 ③加载速度 加载速度越大，表现强度越高 我国规定加载速度为0.5-1.0MPa/s ④环境 含水量：含水量越大强度越低 温度：温度增加，岩石强度降低,,2.3.2岩石的抗拉强度,岩石的抗拉强度就是岩石试件在单轴拉力作用下抵抗破坏的极限能力，它在数值上等于破坏时的最大拉应力值。

1）直接法,直接法存在的几个缺点： ①岩样与夹具间要有足够的粘结力； ②施加的轴力必须与岩石试件同轴； ③试样制备困难； ④试件固定附近常出现应力集中2）劈裂法（巴西法）,劈裂法由南美巴西人杭德罗斯提出，该法运用弹性力学经典解析方法进行计算：,我国试验标准规定：试件的直径d为5cm，厚度t为0.5-1.0倍直径，并应大于岩石中最大颗粒直径的10倍2）劈裂法（巴西法）,在圆心处产生的竖向应力为： 而水平方向的拉应力均值为： 岩石的抗压强度为其抗拉强度的10倍，因此岩石试样为受拉破坏 岩石的抗拉强度为：,（3）抗弯法 四个基本假设：梁的截面严格保持为平面，材料是均质、符合胡克定律，弯曲发生在梁的对称平面内，④拉伸和压缩的应力-应变特性相同4）点荷载试验法 点荷载试验法是在20世纪70 年代发展起来的一种简便的现场试验方法该试验方法最大的特点是可利用现场取得的任何形状的岩块，可以是5cm的钻孔岩芯，也可以是开挖后掉落下的不规则岩块，不作任何岩样加工直接进行试验 加载原理类似于劈裂法，不同的是劈裂法所施加的是线荷载，而点荷载法所施加的是点荷载 点荷载强度指数:,,2.3.3岩石的抗剪强度,岩石的抗拉强度岩石的抗剪强度是指岩石在一定的应力条件下（主要指压应力）所能抵抗的最大剪应力，通常用τ表示。

该强度是在复杂应力作用下的强度，与岩石的抗压、抗拉强度不同，需要用一组岩石的试验结果来描述岩石的抗剪强度因此，岩石的抗剪强度通常用以下的函数式表示1）直接剪切试验,（2）抗剪断试验,抗剪断的试验方法存在着一定的弊端岩石试件的破坏被强制规定在某个面上；剪切作用时的破坏面上的应力状态极为复杂 抗剪强度试验，目前最常用是通过三向压缩应力试验而求得3）三轴试验,,2.3.4岩石在三向压缩应力作用下的强度,地层中的岩石绝大多数都处在三向压缩应力的作用下，因此，从实际的受力状况来说，在三向压缩应力作用。