工程地质学-第二章-岩石的工程地质性质-2-岩石的力学性质课件.ppt

第二节第二节 岩石的力学性质岩石的力学性质基本概念基本概念岩石力学性质：岩石力学性质：岩石在外力作用下所表现出来的性质。岩石变形：岩石变形：在外力作用下产生变形，这种变形又可分为弹性变形和塑性变形。弹性变形：弹性变形：是物体受力发生的全部变形，在外力解除的同时立即消失，因而是可逆变形。塑性变形：塑性变形：是物体受力变形后，在外力解除后，变形也不再恢复，是不可逆变形，又称为永久变形或残余变形。岩石强度：岩石强度：指岩石抵抗外力破坏的能力。根据破坏时的应力类型，岩石的破坏可有拉破坏拉破坏、剪剪破坏破坏和流动破坏流动破坏三种基本类型。由于受力状态和破坏形式的不同，岩石的强度又可分为单轴抗压强度单轴抗压强度、单轴抗拉强单轴抗拉强度、抗剪强度度、抗剪强度和三轴压缩强度三轴压缩强度等。一、岩石的变形性质一、岩石的变形性质1.1.岩石在单轴压缩应力作用下的变形特性岩石在单轴压缩应力作用下的变形特性1)1)普通试验机下普通试验机下应力应变曲线形状与岩性有关。(1)典型的岩石应力、应变曲线特征为：.压密阶段.弹性变形至微破裂稳定发展阶段.非稳定破裂发展阶段（或称累进性破裂阶段）.破坏后阶段分三阶段（1）原生微裂隙压密阶段（OA级）特点：曲线，应变率随应力增加而减小；塑性变形（变形不可恢复）原因：微裂隙闭合（压密）（2）弹性变形阶段（AB段）特点：曲线是直线；弹性模量，E为常数（变形可恢复）原因：岩石固体部分变形，B点开始屈服，B点对应的应力为屈服极限。（3 3）塑性变形阶段（）塑性变形阶段（BCBC）特点：特点：曲线 ，软化现象；塑性变形，变形不可恢复；应变速率不断增大。原因：新裂纹产生，原生裂隙扩展。岩石越硬，BC段越短，脆性性质越显著。脆性脆性：应力超出屈服应力后，并不表现出明显的塑性变形的特性，而破坏，即为脆性破坏。（2）岩石变形参数的确定 泊松比是指在单轴压缩条件下，岩石试件的横向应变d与轴向应变a之比，即 d/a二、二、岩石的单轴抗压强度岩石的单轴抗压强度1 1.定义定义：指岩石试件在无侧限的条件下，受轴向压力作用破坏时单位面积上承受的荷载。式中：P无侧限的条件下的轴向破坏荷载 A试件界面积2.2.试件方法：试件方法：圆柱形试件：4.85.2cm，高H=（22.5)长方体试件：边长L=4.85.2cm,高H=（22.5)L 试件两端不平度0.5mm；尺寸误差0.3mm;两端面垂直于轴线0.25o（1 1）试件标准：）试件标准：3.3.影响单轴抗压强度的主要因素影响单轴抗压强度的主要因素（1）承压板端部的摩擦力及其刚度（加垫块的依据）（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；50的依据 高径比：研究表明；h/d(23)较合理（3）加载速度 加载速度越大，表现强度越高(见图25)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；岩石越软越明显，对泥岩、粘土等软弱岩体，干燥强度是饱和强度的23倍。温度度：180以下部明显：大于180，湿度越高强度越小。三、岩石的抗拉强度三、岩石的抗拉强度1.1.定义定义：岩石试件在受到轴向拉应力后其试件发生破坏时 的单位面积上所受的拉力。2.2.直接拉伸法直接拉伸法 抗拉强度抗拉强度关键技术试件和夹具之间的连接加力P与试件同心四、岩石的抗剪强度四、岩石的抗剪强度1.1.定义定义 指一定的应力条件下（主要指压应力），所能抵抗 的最大剪应力常用 表示 2.2.类型：类型：a.抗剪断试验 类型 b.抗切断试验 c.弱面抗剪试验五、五、影响岩石力学性质的因素影响岩石力学性质的因素（一）矿物成分对岩石力学性质的影响（一）矿物成分对岩石力学性质的影响1 1、矿物硬度的影响、矿物硬度的影响 矿物硬度大，岩石的弹性越明显，强度越高。矿物硬度大，岩石的弹性越明显，强度越高。如如岩岩浆浆岩岩，橄橄榄榄石石等等矿矿物物含含量量的的增增多多，弹弹性性越越明明显显，强度越高；强度越高；沉沉积积岩岩中中，砂砂岩岩的的弹弹性性及及强强度度随随石石英英含含量量的的增增加加而而增增高；石灰岩的弹性和强度随硅质物含量的增加而增高。高；石灰岩的弹性和强度随硅质物含量的增加而增高。变变质质岩岩中中，含含硬硬度度低低的的矿矿物物（如如云云母母、滑滑石石、蒙蒙脱脱石石、伊利石、高岭石等）越多，强度越低。伊利石、高岭石等）越多，强度越低。2 2、不稳定矿物的影响、不稳定矿物的影响 化化学学性性质质不不稳稳定定的的矿矿物物，如如黄黄铁铁矿矿、霞霞石石以以及及易易溶溶于于水水的的盐盐类类，如如石石膏膏、滑滑石石、钾钾盐盐等等，具具有有易易变变性性和和溶溶解解性性。含含有有这这些些矿矿物物的的岩岩石石其其力力学学性质随时间而变化。性质随时间而变化。3 3、粘土矿物的影响、粘土矿物的影响 含含有有粘粘土土矿矿物物（蒙蒙脱脱石石、伊伊利利石石、高高岭岭石石等等）的岩石，遇水时发生膨胀和软化，强度降低很大。的岩石，遇水时发生膨胀和软化，强度降低很大。（二）岩石的结构构造对岩石力学性质的影响（二）岩石的结构构造对岩石力学性质的影响1 1、岩石结构的影响、岩石结构的影响 岩岩石石的的结结构构指指岩岩石石中中晶晶粒粒或或岩岩石石颗颗粒粒的的大大小小、形形状以及结合方式。状以及结合方式。岩浆岩：粒状结构、斑状结构、玻璃质结构；岩浆岩：粒状结构、斑状结构、玻璃质结构；沉积岩：粒状结构、片架结构、斑基结构；沉积岩：粒状结构、片架结构、斑基结构；变质岩：板理结构、片理结构、片麻理结构。变质岩：板理结构、片理结构、片麻理结构。岩岩石石的的结结构构对对岩岩石石力力学学性性质质的的影影响响主主要要表表现现在在结结构构的的差差异异上上。例例如如：粒粒状状结结构构中中，等等粒粒结结构构比比非非等等粒粒结结构构强强度度高；在等粒结构中，细粒结构比粗粒结构强度高。高；在等粒结构中，细粒结构比粗粒结构强度高。2 2、岩石构造的影响、岩石构造的影响 岩岩石石的的构构造造指指岩岩石石中中不不同同矿矿物物集集合合体体之之间间或或矿矿物物集合体与其他组成部分之间的排列方式及充填方式。集合体与其他组成部分之间的排列方式及充填方式。岩浆岩：颗粒排列无一定的方向，形成块状构造；岩浆岩：颗粒排列无一定的方向，形成块状构造；沉积岩：层理构造、页片状构造；沉积岩：层理构造、页片状构造；变质岩：板状构造、片理构造、片麻理构造。变质岩：板状构造、片理构造、片麻理构造。层理、片理、板理和流面构造等统称为层状构造。层理、片理、板理和流面构造等统称为层状构造。宏宏观观上上，块块状状构构造造的的岩岩石石多多具具有有各各向向同同性性特特征征，而而层层状构造岩石具有各向异性特征。状构造岩石具有各向异性特征。（三）水对岩石力学性能的影响（三）水对岩石力学性能的影响（三）水对岩石力学性能的影响（三）水对岩石力学性能的影响岩石中的水岩石中的水 水水对对岩岩石石力力学学性性质质的的影影响响与与岩岩石石的的孔孔隙隙性性和和水水理理性性（吸水性、软化性、崩解性、膨胀性、抗冻性吸水性、软化性、崩解性、膨胀性、抗冻性）有关。）有关。水对岩石力学性质的影响主要体现在水对岩石力学性质的影响主要体现在5 5个方面：个方面：连连结结作作用用、润润滑滑作作用用、水水楔楔作作用用、孔孔隙隙压压力力作作用用、溶溶蚀及潜蚀作用。蚀及潜蚀作用。结合水（连结、润滑、水楔作用）结合水（连结、润滑、水楔作用）重重力力水水（自自由由水水）（孔孔隙隙压压力力、溶溶 蚀及潜蚀作用）。蚀及潜蚀作用）。1 1、连连结结作作用用：束束缚缚在在矿矿物物表表面面的的水水分分子子通通过过其其吸吸引引力力将将矿矿物物颗颗粒粒拉拉近近，起起连连结结作作用用。这这种种作作用用相相对对于于矿矿物物颗颗粒粒间间的的连连结结强强度度非非常常微微弱弱，故故对对岩岩石石力力学学性性质质影影响响很很小小，但对于被土充填的结构面的力学性质影响很明显。但对于被土充填的结构面的力学性质影响很明显。2 2、润润滑滑作作用用：由由可可溶溶盐盐、胶胶体体矿矿物物连连结结的的岩岩石石，当当水水浸浸入入时时，可可溶溶盐盐溶溶解解，胶胶体体水水解解，导导致致矿矿物物颗颗粒粒间间的的连连结力减弱，摩擦力降低，水起到润滑作用。结力减弱，摩擦力降低，水起到润滑作用。3 3、水水楔楔作作用用：当当两两个个矿矿物物颗颗粒粒靠靠得得很很近近，有有水水分分子子补补充充到到矿矿物物表表面面时时，矿矿物物颗颗粒粒利利用用其其表表面面吸吸引引力力将将水水分分子子拉拉到到自自己己周周围围，在在颗颗粒粒接接触触处处由由于于吸吸引引力力作作用用使使水水分分子子向向两两个个矿矿物物颗颗粒粒之之间间的的缝缝隙隙内内挤挤入入，这这种种现现象象称称为为水水楔楔作用。作用。水水楔楔作作用用的的两两种种结结果果：一一是是岩岩石石体体积积膨膨胀胀，产产生生膨膨胀胀压压力力；二二是是水水胶胶连连结结代代替替胶胶体体及及可可溶溶盐盐连连结结，产产生生润润滑滑作用，岩石强度降低。作用，岩石强度降低。4 4、孔孔隙隙水水压压力力作作用用：对对于于孔孔隙隙或或裂裂隙隙中中含含有有自自由由水水的的岩岩石石，当当其其突突然然受受荷荷载载作作用用水水来来不不及及排排出出时时，会会产产生生很很高高的的孔孔隙隙水水压压力力，减减小小了了颗颗粒粒之之间间的的压压应应力力，从从而而降降低低了岩石的抗剪强度。了岩石的抗剪强度。5 5、溶溶蚀蚀潜潜蚀蚀作作用用：水水在在岩岩石石中中渗渗透透的的过过程程中中，可可将将可可溶溶物物质质溶溶解解带带走走（溶溶蚀蚀），有有时时将将岩岩石石中中的的小小颗颗粒粒冲冲走（潜蚀），从而使岩石强度大为降低，变形增大。走（潜蚀），从而使岩石强度大为降低，变形增大。水对岩石强度的影响通常用软化系数表示。水对岩石强度的影响通常用软化系数表示。（四）（四）风化对岩石力学性能的影响风化对岩石力学性能的影响 风风化化程程度度不不同同，对对岩岩石石力力学学性性质质的的影影响响程程度度也也不同：不同：1 1、降降低低岩岩体体结结构构面面的的粗粗糙糙程程度度并并产产生生新新的的裂裂隙隙，使使岩岩体体分分裂裂成成更更小小的的碎碎块块，进进一一步步破破坏坏岩岩体体的的完完整性。整性。2 2、岩岩石石在在化化学学风风化化过过程程中中，矿矿物物成成分分发发生生变变化化，原原生生矿矿物物受受水水解解、水水化化、氧氧化化等等作作用用，逐逐渐渐为为次次生生矿矿物物所所代代替替，特特别别是是产产生生粘粘土土矿矿物物，并并随随着着风风化程度的加深，这类矿物逐渐增多。化程度的加深，这类矿物逐渐增多。3 3、由由于于岩岩石石和和岩岩体体的的成成分分结结构构和和构构造造的的变变化化，岩岩体体的的物物理理力力学学性性质质也也随随之之变变化化。一一般般：抗抗水水性性降降低低，亲亲水水性性增增高高（如如膨膨胀胀性性、崩崩解解性性、软软化化性性增增强强），强强度度降降低低，压压缩缩性性加加大大，孔孔隙隙性性增增加加，透透水水性性增增强强（但但当当风风化化剧剧烈烈，粘粘土土矿矿物物较较多多时时，透透水水性性又又趋趋于降）。于降）。总总之之，岩岩体体在在风风化化营营力力作作用用下下，岩岩体体的的力力学学性性质大大恶化。质大大恶化。