岩石的物理力学性质精选PPT.ppt

关于岩石的物理力学性质第1页，讲稿共73张，创作于星期日一、岩石的物理性质一、岩石的物理性质岩石由固体，水，空气等三相组成。岩石由固体，水，空气等三相组成。(一一)密度（密度（）和重度）和重度()()：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。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/cmg/cm3 3），），g(kN/mg(kN/m3 3)岩石的密度可分为天然密度、干密度和饱和密度。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。相应地，岩石的重度可分为天然重度、干重度和饱和重度。第2页，讲稿共73张，创作于星期日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。第3页，讲稿共73张，创作于星期日 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石的的质质量量，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。第4页，讲稿共73张，创作于星期日3、饱和密度（、饱和密度（）和饱和重度）和饱和重度(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)第5页，讲稿共73张，创作于星期日（二）岩石的比重（岩石相对密度）（二）岩石的比重（岩石相对密度）岩石的比重就是指岩石固体的质量与同体积水的质量之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：积。岩石的比重可在实验室进行测定，其计算公式为：岩石的比重；岩石的比重；VC固体体积；水的比重第6页，讲稿共73张，创作于星期日（三）岩石的空隙性（三）岩石的空隙性 空隙：空隙：岩石中孔隙和裂隙的总称。岩石中孔隙和裂隙的总称。小开型空隙小开型空隙空隙空隙闭型空隙闭型空隙开型空隙开型空隙大开型空隙大开型空隙 闭型空隙：岩石中不与外界相通的空隙。闭型空隙：岩石中不与外界相通的空隙。开型空隙：岩石中与外界相通的空隙。包括大开型空隙和小开型空开型空隙：岩石中与外界相通的空隙。包括大开型空隙和小开型空隙。隙。在常温下水能进入大开型空隙，而不能进入小开型空隙。只有在常温下水能进入大开型空隙，而不能进入小开型空隙。只有在真空中或在在真空中或在150150个大气压以上，水才能进入小开型空隙。个大气压以上，水才能进入小开型空隙。空空隙隙度度：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空隙空隙率率(n)(n)或或空隙空隙比（比（e e）。）。第7页，讲稿共73张，创作于星期日根据岩石空隙类型不同，岩石的空隙率分为根据岩石空隙类型不同，岩石的空隙率分为：(1)1)总空隙率总空隙率n n (2)(2)大大开空隙率开空隙率n nb b (3)(3)小小开空隙率开空隙率n nl l (4)(4)总总开空隙开空隙率率n n0 0 (5)5)闭空隙率闭空隙率n nc c一般提到岩石的空隙率时系指岩石的总空隙率。一般提到岩石的空隙率时系指岩石的总空隙率。1 1、空隙率、空隙率第8页，讲稿共73张，创作于星期日(1)(1)总总空空隙隙率率n:即即岩岩石石试试件件内内空空隙隙的的体体积积（V VV V)占占试试件件总总体体积积(V)V)的百分比。的百分比。(2)(2)大大开开空空隙隙率率n nb b:即即岩岩石石试试件件内内大大开开型型空空隙隙的的体体积积（V Vnbnb)占占试试件件总体积总体积(V)V)的百分比。的百分比。(3)3)小开空隙率小开空隙率n nl l:即岩石试件内小开型空隙的体积（即岩石试件内小开型空隙的体积（V Vnlnl)占试占试件总体积件总体积(V)V)的百分比。的百分比。第9页，讲稿共73张，创作于星期日(4)(4)总总开开空空隙隙率率（孔孔隙隙率率）n0:即即岩岩石石试试件件内内开开型型空空隙隙的的总总体体积（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)闭闭空空隙隙率率n nc c:即即岩岩石石试试件件内内闭闭型型空空隙隙的的体体积积（V Vncnc)占占试试件件总总体积体积(V)V)的百分比。的百分比。第10页，讲稿共73张，创作于星期日 所所谓谓空空隙隙比比是是指指岩岩石石试试件件内内空空隙隙的的体体积积（V V V V)与与岩岩石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、空隙比、空隙比(e)(e)第11页，讲稿共73张，创作于星期日二、岩石的水理性质二、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的改改变变，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质质。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指性指标标有有吸水率吸水率、饱饱水率水率和和饱饱水系数水系数。第12页，讲稿共73张，创作于星期日（1）岩石吸水率）岩石吸水率(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与与岩石干重量岩石干重量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条件件（整整体体和和碎碎块块，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空隙率根据岩石的吸水率可求得岩石的大开空隙率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。第13页，讲稿共73张，创作于星期日（2）岩石的饱水率（）岩石的饱水率（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，岩石吸入水的重量岩石吸入水的重量W W2 2与岩石干重量与岩石干重量W Ws s之比，即：之比，即：根据饱水率求得岩石的总开空隙率根据饱水率求得岩石的总开空隙率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。第14页，讲稿共73张，创作于星期日（3）岩石的饱水系数（）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。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。大压力。第15页，讲稿共73张，创作于星期日地下水存在于岩石孔隙、裂隙之中，而且大多数岩石的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通程度有关。有关，而且还与孔隙大小及其贯通程度有关。衡量岩石透水性的指标为渗透系数衡量岩石透水性的指标为渗透系数(K)。一般来说，。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。般是在钻孔中进行抽水或压水试验而测定的。2 2、岩石透水性、岩石透水性第16页，讲稿共73张，创作于星期日 2 2、岩石透水性、岩石透水性 在一定的水压作用下，水穿透岩石的能力。反映了岩石中裂隙向相互连通的程度，大多渗透性可用达西（Darcy）定律描述：（m3/s）水头变化率(水力梯度）；qx沿x方向水的流量；h水头高度；A垂直x方向的截面面积；k渗透系数。第17页，讲稿共73张，创作于星期日3、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于干干燥燥状状态下降低的性能，可用软化系数态下降低的性能，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与与在在干干燥状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 1h/d1的岩块的抗压强度：的岩块的抗压强度：式中：式中：c1c1 h/d=1 h/d=1的试件抗压强度；的试件抗压强度；c c h/d1 h/d1的试件抗压强度。的试件抗压强度。第44页，讲稿共73张，创作于星期日式中：式中：Is点荷载强度指标，点荷载强度指标，对对于于风风化化严严重重，难难以以加加工工成成试试件件的的岩岩石石，可可根根据据点点荷荷载载试验计算岩石的抗压强度：试验计算岩石的抗压强度：第45页，讲稿共73张，创作于星期日 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。(5)岩石的结构构造 a、垂直节理 平行节理 b、非结晶岩石 结晶岩石 c、细结晶 粗结晶(6)裂隙和风化作用第46页，讲稿共73张，创作于星期日第47页，讲稿共73张，创作于星期日第48页，讲稿共73张，创作于星期日2)2)、岩石的单轴抗拉强度、岩石的单轴抗拉强度t ta a、直接拉伸试验、直接拉伸试验第49页，讲稿共73张，创作于星期日第50页，讲稿共73张，创作于星期日 b b、间接拉伸试验、间接拉伸试验圆饼试件：圆饼试件：(a)劈裂法（巴西试验法）劈裂法（巴西试验法）第51页，讲稿共73张，创作于星期日方形试件方形试件：式中：式中：PP破坏时的荷载，破坏时的荷载，N;N;dd 试件直径；试件直径；cm；tt试件厚度，试件厚度，cm；a a，hh方形方形试件边长试件边长和厚度，和厚度，cm。第52页，讲稿共73张，创作于星期日不规则试件（加压方向应满足不规则试件（加压方向应满足h/a1.5）：）：式中：式中：PP破坏时的荷载，破坏时的荷载，N;N;a a加压方向的尺寸；加压方向的尺寸；hh厚度；厚度；V不规则试件的体积。不规则试件的体积。由由于于岩岩石石中中的的微微裂裂隙隙，在在间间接接拉拉伸伸试试验验中中，外外力力都都是是压压力力，必必然然使使部部分分微微裂裂隙隙闭闭合合，产产生生摩摩擦擦力力，从从而而使使测得的抗拉强度值比直接拉伸法测得的大。测得的抗拉强度值比直接拉伸法测得的大。第53页，讲稿共73张，创作于星期日(b)点荷载试验法点荷载试验法 经验公式：经验公式：式中：式中：PP破坏时的荷载，破坏时的荷载，N N；DD 试件直径；试件直径；cm。试件直径试件直径1.273.05cm岩石的抗拉强度远远小于其抗压强度，一般情况下，岩石的抗拉强度远远小于其抗压强度，一般情况下，第54页，讲稿共73张，创作于星期日3)3)、岩石的抗剪切强度、岩石的抗剪切强度f fA A、剪切面上无压应力的剪切试验剪切面上无压应力的剪切试验第55页，讲稿共73张，创作于星期日试件尺寸：直径或边长不小于试件尺寸：直径或边长不小于50mm50mm，高度应等于直径或边长。，高度应等于直径或边长。改变改变P,P,即可测得多组即可测得多组、，作出，作出曲线。曲线。B B、剪切面上有压应力的剪切试验、剪切面上有压应力的剪切试验第56页，讲稿共73张，创作于星期日第57页，讲稿共73张，创作于星期日第58页，讲稿共73张，创作于星期日 不规则齿接触不规则齿接触（1977 NBarton1977 NBarton）经验公式：JRC为节理粗糙系数JCS为节理壁抗压强度第59页，讲稿共73张，创作于星期日第60页，讲稿共73张，创作于星期日第61页，讲稿共73张，创作于星期日库伦（库伦（Coulomb)准则准则 1773 1773年库伦提出了一个重要的准则（年库伦提出了一个重要的准则（“摩擦摩擦”准则）。库伦认为，准则）。库伦认为，材料的破坏主要是剪切破坏，当材料某一斜面上的剪应力达到或超过材料的破坏主要是剪切破坏，当材料某一斜面上的剪应力达到或超过该破坏面上的粘结力和摩擦阻力之和，便会造成材料沿该斜面产生剪该破坏面上的粘结力和摩擦阻力之和，便会造成材料沿该斜面产生剪切滑移破坏。切滑移破坏。式中：式中：f f 材料剪切面上的抗剪强度；材料剪切面上的抗剪强度；cc材料的粘结力；材料的粘结力；剪切面上的正应力。剪切面上的正应力。第62页，讲稿共73张，创作于星期日C C、斜剪试验、斜剪试验 忽忽略略端端部部摩摩擦擦力力，根根据据力力的的平平衡衡原原理理，作作用用于于剪剪切切面面上上的的法法向向力力N N和和切切向力向力Q Q可按下式计算：可按下式计算：N=Pcos N=Pcos Q=PsinQ=Psin剪剪切切面面上上的的法法向向应应力力和和剪剪应应力力为：为：第63页，讲稿共73张，创作于星期日第64页，讲稿共73张，创作于星期日6、岩石的物理力学参数及强度相互关系岩石的单轴抗拉强度为为单轴抗压强度的1/381/5岩石的抗剪强度为单轴抗压强度的1/151/2。岩石在荷载长期作用下的抗破坏能力要比短时间的加载下的抗破坏能力小。对于坚硬岩石，前者是后者的70%80%。对于软质岩石，前者是后者的40%60%。几种岩石的力学参数见表（教材表3-14）第65页，讲稿共73张，创作于星期日弹性（可恢复）与时间无关的变形 塑性（不恢复）与时间有关的流变岩石的时间效应蠕变松弛岩石变形7.岩石的流变特性岩石的流变特性第66页，讲稿共73张，创作于星期日岩石的流变特性岩石的流变特性：流变是指物质在外部条件不变的情况下，应力或：流变是指物质在外部条件不变的情况下，应力或应变随时间变化而变化的现象。这个问题国际上应变随时间变化而变化的现象。这个问题国际上1979年国际岩石力年国际岩石力学学会（瑞士）提出来的。学学会（瑞士）提出来的。表示表示变形变形时间曲线叫流变曲线时间曲线叫流变曲线主要包括主要包括蠕变蠕变：岩石在恒定应力作用下：岩石在恒定应力作用下,变形随时间延续而不断增长的现象变形随时间延续而不断增长的现象称岩称岩石蠕变。石蠕变。长期强度长期强度：当应力超过一定值时，岩石的总变形就达到一定程：当应力超过一定值时，岩石的总变形就达到一定程度，曲线折向上方，导致破坏临界应力值就为长期度，曲线折向上方，导致破坏临界应力值就为长期强度。强度。松弛（松弛（relaxtion）:变形保持不变而岩石内部的应力随时间而逐变形保持不变而岩石内部的应力随时间而逐渐衰减的现象。渐衰减的现象。流动特征流动特征：岩石强塑形特点。：岩石强塑形特点。第67页，讲稿共73张，创作于星期日蠕变过程曲线 第68页，讲稿共73张，创作于星期日（1）瞬时变形阶段，加载荷马上变形（2）初始蠕变阶段阻尼蠕变应变最初随时间增长而较快，但增长随时间逐渐降，曲线呈下凹型。（3）等速蠕变阶段，应变随时间近于等速增长，曲线呈直线型（4）加速蠕变阶段，应变速率迅速增长，直至岩石破坏。曲线呈上凹型第69页，讲稿共73张，创作于星期日岩石蠕变的阶段曲线-长期强度的确定两种类型：a、趋于稳定的蠕变，恒定小的载荷下，变形随时间增长，但变形速率随时间递减，趋于稳定。b、非趋于稳定的蠕变、恒定载荷超过某一限度时变形随时间的增长而不断增加，最终导致破坏。a、b之间极限应力也称临界应力值就是长期强度。第70页，讲稿共73张，创作于星期日长期强度的的确方法长期强度的的确方法由蠕变试验曲线确定岩石的长期强度由蠕变试验曲线确定岩石的长期强度第71页，讲稿共73张，创作于星期日第二章第九节岩石的工程性状一、影响岩石工程地质性质的因素1，矿物成分2，结构3，构造4，风化作用第72页，讲稿共73张，创作于星期日感谢大家观看第73页，讲稿共73张，创作于星期日