矿山压力及岩层控制第一章.ppt

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1、第一章第一章矿山岩石和岩体的基本性质矿山岩石和岩体的基本性质岩石的物理力学性质是岩体最基本、最重要的性质之一，也是岩石力学中研究最早、最完善的内容之一。本章介绍：本章介绍：岩石的地质构成及分类；岩石物理、力学性质及测定；岩石的破坏机理和强度理论；岩体及其力学特征。第一节第一节 岩石的基本物理性质岩石的基本物理性质 1.概念 岩石：岩石：矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集形成的自然物体。（岩石（岩石=矿物颗粒矿物颗粒+胶结物胶结物+孔隙孔隙+水）水）矿物：矿物：存在地壳中的具有一定化学成分和物理性质的自然元素和化合物。结构：结构：组成岩石的物质成分、颗粒大小和形状以及其相互结合的情况。(结晶、

2、胶结)构造构造:组成成分的空间分布及其相互间排列关系。（节理、裂隙、空隙、边界、缺陷）矿物、结构、构造矿物、结构、构造 是影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素是影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素。一、岩石的基本概念一、岩石的基本概念岩浆岩：岩浆岩：强度高、均质性好2.2.岩石地质分类岩石地质分类 沉积岩：沉积岩：强度不稳定，各向异性 变质岩：变质岩：不稳定，与变质程度和岩性有关3.3.沉积岩石的力学特性：沉积岩石的力学特性：不连续性；（物质不能充满空间，有空隙存在）各向异性；（任一点的物理、力学性质沿不同方向均不相同）不均匀性；（由不同物质组成，各点物理力学性质都不相同）岩块单元的可

3、移动性；地质因素影响特性（水、气、热、初应力）（上述特性导致岩石力学的研究方法以实验测试为主）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）密度（一）密度（）和重度和重度(体积力体积力)：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力称称为为岩岩石石的的重重度度。所所谓谓单单位位体体积积就就是是包包括括孔孔隙隙体体积在内的体积。积在内的体积。（g/cmg/cm3 3），），g(kNg(kN/m/m3 3)岩岩石石的的密密度度可可分分为为天天然然密密度度、干干密密度度和和饱饱和和密密度度。相相应应地，岩石的重

4、度可分为天然重度、干重度和饱和重度。地，岩石的重度可分为天然重度、干重度和饱和重度。二、岩石的基本物理性质二、岩石的基本物理性质固体水空气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)；g g重力加速度（重力加速度（N/gN/g）。）。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的石的质质量量，相应的重度即为干

5、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)；V V岩石试件的体积岩石试件的体积(cm(cm3 3)；g g重力加速度。重力加速度。3 3、饱和密度（、饱和密度（）和饱和重度和饱和重度(w 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)；V V岩石试件的体积岩石试件的体积(cm(cm3 3)；g g重

6、力加速度。重力加速度。（g/cm3）(kN/m3)（二）比重（相对密度）（二）比重（相对密度）()()岩岩石石的的比比重重就就是是指指岩岩石石固固体体的的质质量量与与同同体体积积水水的的质质量量之之比比值值。岩岩石石固固体体体体积积，就就是是指指不不包包括括孔孔隙隙体体积积在在内内的的体体积积。岩岩石石的的比比重重可可在在实实验验室室进进行行测测定定，其其计计算算公公式式为为：式中：式中：岩石的比重；岩石的比重；W Ws s干燥岩石的质量干燥岩石的质量(g)(g);V Vs s岩石固体体积岩石固体体积(cm(cm3 3););W 40C时水的密重。时水的密重。（三）岩石的空隙性（三）岩石的空隙

7、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：闭型空隙：岩石中不与外界相通的空隙。岩石中不与外界相通的空隙。开型空隙：开型空隙：岩石中与外界相通的空隙。包括大开型空隙和岩石中与外界相通的空隙。包括大开型空隙和小开型空隙。小开型空隙。在常温下水能进入大开型空隙，而不能进入小开型空隙。在常温下水能进入大开型空隙，而不能进入小开型空隙。只有在真空中或在只有在真空中或在150150个大气压以上，水才能进入小开型空个大气压以上，水才能进入小开型空隙。隙。空空隙隙度度：指指岩岩石石的的裂裂隙隙和和

8、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）。）。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(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

9、试件件总体积总体积(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)占试件总体积占试件总体积(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)占试件总体积占试件总体积(V)V)的百分比。的百分比。(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体积（总体积（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

10、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)占占试件总体积试件总体积(V)V)的百分比。的百分比。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)与与岩石岩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)（四）岩石的水理性质（四）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改的改变变，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。1 1、岩石的吸水性岩石的吸水性 岩岩石石吸吸收收水

11、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性指指标标有有吸吸水水率率、饱饱水水率率和和饱饱水系数水系数。（1 1）岩石吸水率岩石吸水率(1 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与岩石干重量与岩石干重量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件条

12、件（整体和碎块，（整体和碎块，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。（2 2）岩石的饱水率（）岩石的饱水率（2 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，岩岩石石吸吸入入水水的的重重量量W W2 2与与岩岩石石干干重重量量W Ws s之之比比，即：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：

13、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。（3 3）岩石的饱水系数（）岩石的饱水系数（K Ks s）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。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。支护造成很大压力。2 2、岩石的

14、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干燥状态下降低的性能，可用软化系数于干燥状态下降低的性能，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与在干燥状与在干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 0.750.75，岩石的工程地质性质较差。，岩石的工程地质性质较差。3 3、岩石的

15、膨胀性、岩石的膨胀性 岩岩石石的的膨膨胀胀性性是是指指岩岩石石浸浸水水后后体体积积增增大大的的性性质质。岩岩石石的的膨膨胀胀性性大大小小一一般般用用膨膨胀胀力力和和膨膨胀胀率率指指标标表表示示。其其测测定定方方法是平衡加压法。法是平衡加压法。试试验验中中不不断断加加压压，并并保保持持体体积积不不变变，所所测测得得的的最最大大压压力力即即为为岩岩石石的的最最大大膨膨胀胀力力；然然后后逐逐级级减减压压，直直至至荷荷载载为为0 0，测测定定其其最最大大膨膨胀胀变变形形量量，膨膨胀胀变变形形量量与与试试件件原始厚度的比值即为原始厚度的比值即为膨胀率膨胀率。4 4、岩石的崩解性、岩石的崩解性 岩石的崩解

16、性是指岩石与水相互作用时失去粘结性并岩石的崩解性是指岩石与水相互作用时失去粘结性并变为完全丧失强度的松散物质的性质。变为完全丧失强度的松散物质的性质。岩石的崩解性一般用耐崩解指数岩石的崩解性一般用耐崩解指数 I Id2d2 的表示。其指标的表示。其指标可在实验室用可在实验室用干湿循环试验干湿循环试验确定。确定。试试验验过过程程：将将经经过过烘烘干干的的试试块块（500500g,g,分分成成约约1010块块），放放在在带带有有筛筛孔孔的的圆圆筒筒内内，使使该该圆圆筒筒在在水水槽槽中中以以2020r/min,r/min,连连续续旋旋转转10 10 min,min,然然后后将将留留在在圆圆筒筒内内的

17、的岩岩块块取取出出烘烘干干称称重重，如如此此反反复复进进行行两两次次，按下试计算耐崩解指数。按下试计算耐崩解指数。式中：式中：I Id2 d2 两两次次循循环环试试验验求求得得的的耐耐崩崩解解指指数数，在在0 0100%100%之间变化；之间变化；m md d试验前试块的烘干质量；试验前试块的烘干质量；m mr r残留在圆筒内试块的烘干质量；残留在圆筒内试块的烘干质量；W W1 1 试验前试件和圆筒的烘干重量；试验前试件和圆筒的烘干重量；W W2 2第二次循环后试件和圆筒的烘干重量；第二次循环后试件和圆筒的烘干重量；W W0 0试验结束冲洗干净后圆筒的烘干重量。试验结束冲洗干净后圆筒的烘干重量

18、。岩岩石石的的崩崩解解性性指指数数反反映映了了岩岩石石在在浸浸水水和和温温度度变变化的环境下抵抗风化作用的能力。化的环境下抵抗风化作用的能力。5 5、岩石的抗冻性、岩石的抗冻性 岩岩石石的的抗抗冻冻性性是是指指岩岩石石抵抵抗抗冻冻融融破破坏坏的的性性能能，是是评评价价岩石抗岩石抗风风化化稳稳定性的重要指定性的重要指标标。岩岩石石的的抗抗冻冻性性用用抗抗冻冻系系数数C Cf f表表示示，指指岩岩石石试试样样在在25250 0C C的的温温度度期期间间内内，反反复复降降温温、冻冻结结、融融解解、升升温温，然然后后测测量量其其抗抗压压强强度度的的下下降降值值（c c-cfcf）,以以此此强强度度下下

19、降降值值与与融融冻冻试试验验前前的的抗抗压压强强度度c c之之比比的的百百分分比比代代表表抗抗冻冻系系数数C Cf f ，即即可见：可见：抗抗冻冻系数系数C Cf f 越小，岩石抗冻融破坏的能力越强。越小，岩石抗冻融破坏的能力越强。6 6、岩石的透水性、岩石的透水性 地地下下水水存存在在于于岩岩石石孔孔隙隙、裂裂隙隙之之中中，而而且且大大多多数数岩岩石石的的孔孔隙隙裂裂隙隙是是连连通通的的，因因而而在在一一定定的的压压力力作作用用下下，地地下下水水可可以以在在岩岩石石中中渗渗透透。岩岩石石的的这这种种能能透透水水的的性性能能称称为为岩岩石石的的透透水水性性。岩岩石石的的透透水水性性大大小小不不

20、仅仅与与岩岩石石的的孔孔隙隙度度大小有关，而且大小有关，而且还还与孔隙大小及其与孔隙大小及其贯贯通程度有关。通程度有关。衡衡量量岩岩石石透透水水性性的的指指标标为为渗渗透透系系数数(K)(K)。一一般般来来说说，完完整整密密实实的的岩岩石石的的渗渗透透系系数数往往往往很很小小。岩岩石石的的渗渗透透系系数数一般是在一般是在钻钻孔中孔中进进行抽水或行抽水或压压水水试验试验而而测测定的。定的。（五）岩石的碎胀性（五）岩石的碎胀性 岩岩石石破破碎碎后后的的体体积积V VP P比比原原体体积积V V增增大大的的性性能能称称为为岩岩石石的碎的碎胀胀性性，用碎，用碎胀胀系数系数来表示。来表示。碎碎胀胀系数不

21、是一个固定系数不是一个固定值值，是随，是随时间时间而而变变化的。化的。永永久久碎碎胀胀系系数数（残残余余碎碎胀胀系系数数）不不能能再再压压密密时时的的碎碎胀胀系数称系数称为为永久碎永久碎胀胀系数系数.弹弹性性：指指物物体体在在外外力力作作用用下下发发生生变变形形，当当外外力力撤撤出出后后变变形形能够恢复的性质能够恢复的性质。塑塑性性：指指物物体体在在外外力力作作用用下下发发生生变变形形，当当外外力力撤撤出出后后变变形形不能恢复的性质。不能恢复的性质。粘粘性性（流流变变性性）：物物体体受受力力后后变变形形不不能能在在瞬瞬间间完完成成，且且应应变速度（变速度（d/dtd/dt）随应力大小而变化的性

22、质。）随应力大小而变化的性质。脆性脆性：物体在外力作用下变形很小时就发生破坏的性质。：物体在外力作用下变形很小时就发生破坏的性质。延延性性：物物体体能能够够承承受受较较大大的的塑塑性性变变形形而而不不丧丧失失其其承承载载能能力力的性质。的性质。第二节第二节 岩石的强度和岩石的强度和变形特性变形特性 岩石的力学性质包括：岩石的力学性质包括：变形性质：研究岩石在受力情况下的变形规律强度特性：研究岩石受力破坏的规律一、岩石的弹性和塑性：一、岩石的弹性和塑性：变形分析的重要性（直观、易测、建立模型、准则）1、弹性变形：弹性变形：线弹性非线弹性滞弹性线弹性直线型；当岩石致密，强度大，压力不高时，为此状态

23、。非线弹性单向曲线型；基本没有。滞弹性双向曲线型，岩石多属滞弹性：滞弹性滞弹性应力应变不是唯一的对应关系，应变的产生（变化）较应力的变化有一段时间的滞后。原因：物理学认为，当作用在滞弹性体上的力发生改变时，由于受力体内部物质的粘性或内摩擦的原因，引起变形效应滞后和迟延。滞弹性体具有两个重要性质：弹性滞后弹性滞后由于内摩擦原因，岩石随应力变化出现的变形滞后。弹弹性性后后效效由于热传导等原因，外力停止变化，而变形仍随时间而缓慢变化。理想塑性具有应变硬化的塑性2、塑性变形：、塑性变形：岩石塑性普遍存在；岩石塑性与岩石的组成、结构、构造及外界环境有关。（颗粒及胶结物物质成分、排列结合、含水、温度、应力

24、等）理想塑性理想塑性超过弹性极限，进入完全塑性状态（极少）；应变硬化应变硬化超过弹性极限，承载能力随应变增加而增加。3、一般岩石的变形：、一般岩石的变形：瞬时弹性变形后效弹性变形塑性变形岩石与其它金属及晶体矿物不同，因其有节理、裂隙存在，在应力不高阶段，内部结构即有破坏，在产生弹性变形的同时，产生塑性变形。岩石不是理想的弹性体、塑性体、粘性体，是混合体。岩石不是理想的弹性体、塑性体、粘性体，是混合体。有弹塑；塑弹；弹粘塑；粘弹等多种变形特性。（粘性粘性变形不能在瞬间完成，变形速率随应力变化。）典型变形性质：典型变形性质：直线型直线型弹脆弹塑下凹型下凹型塑弹上凹型上凹型弹粘平缓平缓型型塑弹塑S型

25、型二、岩石单向压缩变形性质：二、岩石单向压缩变形性质：1、轴向变形：、轴向变形：2、横向变形：、横向变形：普通试验机下岩石应力、应变曲线普通试验机下岩石应力、应变曲线刚性试验机下岩石应力、应变曲线刚性试验机下岩石应力、应变曲线刚性试验机刚性试验机 （1 1）0A0A段：微裂隙闭合阶段段：微裂隙闭合阶段,微裂隙压密极限微裂隙压密极限A A。（2）ABAB段：近似直线，弹性阶段，段：近似直线，弹性阶段，B B 为弹性极限。为弹性极限。（3）BCBC段：屈服阶段，段：屈服阶段，C C为屈服极限。为屈服极限。（4 4）CDCD段：破坏阶段，段：破坏阶段，D D为强度极限，即单轴抗压强度。为强度极限，即

26、单轴抗压强度。（5 5）DEDE段：即破坏后阶段段：即破坏后阶段,E E为残余强度。为残余强度。3、全应力应变曲线：、全应力应变曲线：4、岩石的变形指标及其确定：、岩石的变形指标及其确定：弹性摸量弹性摸量E E：（抵抗变形的能力、应力应变比值）线弹性：线弹性：直线斜率 非线弹性：非线弹性：切线斜率 （变形曲线导数）；割线斜率 （割线斜率）；弹塑性：弹塑性：弹性摸量：弹性摸量：E=加载曲线段切线斜率=卸载曲线段割线斜率；变形摸量：变形摸量：曲线呈线性关系（线弹性类岩石），曲线上任一点曲线呈线性关系（线弹性类岩石），曲线上任一点P的的弹性模量弹性模量E E：曲线呈非线性关系曲线呈非线性关系初初始始

27、模模量量:切线模量（直线段）：切线模量（直线段）：割线模量：割线模量：工程上常用工程上常用E50：泊松比泊松比：（变形传递能力）泊松比岩石横向应变与纵向应变的比值。在弹性阶段：其为常数。在塑性阶段：不为常数。（严格讲，仅在弹性范围适用，对塑性部分不适用,由于引入变形摸量，塑性区可用，最大为0.5。)剪切模量剪切模量G G剪切虎克定律比例系数。拉梅常数拉梅常数将应力应变联系起来的弹性常数。体积模量体积模量KvKv体积弹性摸量。5、岩石变形中的扩容现象：、岩石变形中的扩容现象：扩容现象扩容现象岩石破坏前，因微裂隙产生及内部小块体相对滑移，导致体积扩大的现象。体应变体应变变形后的体积增量与变形前体积

28、之比。体应变曲线：体应变曲线：三个阶段：体积减小阶段0F 体积不变阶段F 体积扩大阶段FT纵向横向体积T三、岩石三轴压缩变形性质：三、岩石三轴压缩变形性质：1、三轴实验：、三轴实验：（真三轴、假三轴）2、三轴抗压强度：、三轴抗压强度：3、三轴变形特征：、三轴变形特征：与单轴试验结果基本类似（与单轴试验结果基本类似（E、基本相同）；基本相同）；围压增加围压增加三向抗压强度增加；三向抗压强度增加；峰值变形增加；峰值变形增加；弹性极限增加；弹性极限增加；岩石由弹脆性岩石由弹脆性弹塑性弹塑性应变硬化转变应变硬化转变干干砂岩砂岩湿湿砂岩砂岩四、岩石流变性质：四、岩石流变性质：1、岩石流变性质、岩石流变性

29、质岩石岩石随时间增长而变化的性质。随时间增长而变化的性质。2、流变现象：、流变现象：蠕蠕变变应力不变，应变随时间增加而增长的现象。（当时）松松弛弛应变不变，应力随时间增加而减小的现象。（当时）弹性后效弹性后效停止加、卸载，应变需经一段时间达到应有值的现象。粘性流动粘性流动蠕变后卸载，部分变形不能恢复的现象。3、蠕变曲线：、蠕变曲线：岩石蠕变的类型：岩石蠕变的类型：稳定蠕变（低应力）不稳定蠕变（高应力）典型蠕变曲线典型蠕变曲线：（蠕变三阶段）初始蠕变阶段应变增加，但应变增加速率降低；定常蠕变阶段应变增加速率保持不变；加速蠕变阶段应变增加速率迅速增加，直至破坏。稳定蠕变不稳定蠕变典型蠕变曲线典型蠕

30、变曲线瞬时应变初始应变定常蠕变加速蠕变与岩石类别有关（粘土矿物岩石蠕变显著）岩石蠕变岩石蠕变与应力大小有关（高应力蠕变明显，超过极限应力，蠕变进入不稳定阶段）蠕变试验：蠕变试验：时间长；测量要求精度高（用千分表）；载荷恒定。研究蠕变的意义：研究蠕变的意义：了解岩石的长时强度。了解岩石的长时强度。长时强度长时强度岩石蠕变破坏时的最低应力值。岩石蠕变破坏时的最低应力值。长时强度对岩土工程更为重要。长时强度对岩土工程更为重要。长时强度长时强度强度强度瞬时强度瞬时强度五、五、岩石的强度性质及测定方法岩石的强度性质及测定方法岩石试件抗压、抗拉、抗剪、三向抗压强度及测定岩石的极限强度岩石破坏时所能承受的最

31、大应力。研究岩石强度的意义：作为岩石分类以及巷道、采煤工作面，顶板分类的主要指标；判断工程稳定性的强度准则的基本参数；地下工程变形区域计算的判据。（一）岩石的采样与加工：岩石的采样与加工：实验所测岩石的各种强度均不是岩石的固有性质。强度指标要受试件尺寸大小、三维比例、形状规格、含水、加载速率等因素影响。国际岩石力学学会（ISRM）对标准试件进行了规定，不标准的要予以修正。要确保试验岩样的天然状态。岩样应具有一定的代表性。钻孔采样时应尽量垂直于层面打孔，偏斜角不大于0.5。采取的岩(煤)块规格大体为长宽高=202015cm。上下端面的不平整度不大于0.1mm，上下端面的直径差不大于0.2mm。试

32、件端面垂直于试件轴的偏差不大于0.001rad。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（二）岩石的单向抗压强度：（二）岩石的单向抗压强度：单轴抗压强度单轴抗压强度岩石在单轴压缩下，破坏前所能承受的最大压应力。1、试验测试：、试验测试：试验设备：试验设备：普通压力机（60t、100t、200t）试件：试件：5cm，高径比为2的圆柱体（或5*5*5立方体），每组不少于3块；（国际ISRM规定高径比为2.53，我国为122.5）加载：加载：0.51.0MPa/s；2、试件破坏形式：试件破坏形式：X型共轭斜面剪切破坏软塑性岩石多发生，

33、属压剪破坏；单斜面剪切破坏偶尔发生，属压剪破坏；拉伸（劈裂）破坏脆硬型岩石多发生，为泊松效应引起。单轴压缩试验机单轴压缩岩石试件破坏形态3、数据处理：、数据处理：测岩石强度时，需对同一岩样的多个试块进行测试（数量多少依据精度，经济确定），用统计方法，求得平均抗压强度，作为该种岩石的强度指标。单一试件：平均值：各试件偏差：单一测值与平均值的差值标准方差：反映正负偏差的绝对大小离散系数：反映平均值的可靠程度（单一强度偏离平均强度的程度），要求小于1520%（三）岩石单向抗拉强度：（三）岩石单向抗拉强度：抗拉强度抗拉强度在单轴拉伸载荷作用下，破坏时所能承受的最大拉应力。试验设备：试验设备：直接拉伸万

34、能材料试验机（试件的夹固、轴力共线困难，少用）间接拉伸巴西试验装置（劈裂法）试件破坏形式：试件破坏形式：拉断、劈裂抗拉强度：抗拉强度：（巴西法）式中：试件破坏时最大压力，N分别为试件的直径与厚度，m巴西法巴西法yx岩石的抗拉强度最小，约为抗压强度的岩石的抗拉强度最小，约为抗压强度的330%（四）抗剪切强度：（四）抗剪切强度：抗剪强度岩石在剪切载荷作用下，破坏时所能承受的最大剪应力。1、试验装置：、试验装置：非限制性剪切（单、双面、冲剪、扭剪）（无正应力）限制性剪切（直剪仪、角摸压剪试验仪）2、试件破坏形式：、试件破坏形式：沿剪切面剪断3、抗剪强度：、抗剪强度：纯剪强度纯剪强度（抗切）剪切面上无

35、法向应力时；纯剪强度纯剪强度=内聚力内聚力C压剪强度压剪强度（抗剪）剪切面受法向压应力作用时；抗剪强度抗剪强度=内聚力内聚力+内摩擦力内摩擦力重剪强度重剪强度（摩擦）已有裂面受法向压力，再剪切时；摩擦强度摩擦强度=内摩擦力内摩擦力一般情况下，岩石抵抗剪切的能力由两部分组成：一般情况下，岩石抵抗剪切的能力由两部分组成：抗剪能力抗剪能力=内聚力内聚力+内摩擦力内摩擦力（C、为岩石固有）显然：抗剪强度是一个变化量4、抗剪强度测试：、抗剪强度测试：倾斜压模法倾斜压模法用两个钢制的变角剪切夹具改变剪切面的方向，强制剪断，得到该面上的正应力、剪应力，描点得到抗剪强度曲线。依据强制剪切面上的全应力、及剪切面

36、倾角也可得到抗剪强度曲线。（五）三轴抗压强度：（五）三轴抗压强度：三轴抗压强度三轴抗压强度三向压缩作用下，破坏时所能承受的最大压应力。试验设备试验设备：真三轴试验机：伪三轴试验机：试件破坏形式：试件破坏形式：压剪破坏随侧压力增大，可表现为明显的塑性变形。强度计算：强度计算：MPa强度指标：强度指标：经测试：三向抗压强度随围压的增加而增大，是一个变量。经测试：三向抗压强度随围压的增加而增大，是一个变量。一系列实验可得岩石的三向抗压曲线一系列实验可得岩石的三向抗压曲线常规（伪）三轴实验装置六、影响岩石强度的因素：六、影响岩石强度的因素：1、岩石的性质、岩石的性质组织结构、矿物类别、颗粒大小、分布状

37、态、胶结物；2、岩石的生成条件、岩石的生成条件深部岩石强度大、浅部岩石强度低3、岩石构造特征、岩石构造特征延展规模、裂隙性质、壁面强度、充填物；4、试件尺寸、试件尺寸尺寸增大，强度降低；5、风化、水、温度作用、风化、水、温度作用含水量大，强度低；温度高，强度低6、加载速率及次数、加载速率及次数加载速率增加，强度加大（变形不充分）；7、受受载载状状态态三轴等压抗压三轴不等压抗压双轴抗压单轴抗压抗剪抗弯单轴抗拉1.1.破坏形式破坏形式u脆性破坏围压小、温度较低、岩石坚硬的情况下发生的，特点是破坏前变形小，当继续加载时岩石突然破坏，岩石碎块强烈弹出。通常把在外力作用下破坏总应变小于3的岩石称为脆性岩

38、石。u塑性破坏又称延性破坏、韧性破坏，多发生围压大、温度高、岩石软的情况下发生的，特点是破坏前变形大，表现出明显的塑性变形。通常把在外力作用下破坏总应变大于5的岩石称为塑性岩石。2.2.破坏机理破坏机理只有两种基本类型：拉坏和剪坏第三节第三节 岩石的破坏机理和强度理论岩石的破坏机理和强度理论一、岩石的破坏机理一、岩石的破坏机理（一）一点的应力状态（一）一点的应力状态 1 1、应力符号规定、应力符号规定（1 1）正应力以压应力为正，拉应力为负）正应力以压应力为正，拉应力为负；（2 2）剪应力以使物体产生逆时针转为正，反之为负；）剪应力以使物体产生逆时针转为正，反之为负；（3 3）角角度度以以x

39、x轴轴正正向向沿沿逆逆时时针针方方向向转转动动所所形形成成的的夹夹角角为为正正，反之为负。反之为负。2 2、一点应力状态、一点应力状态6 6个应力分量：个应力分量：x x,y y,z z,xyxy,yzyz,zxzx二、岩石的强度理论二、岩石的强度理论3 3、平面问题的简化、平面问题的简化 在在实实际际工工程程中中，可可根根据据不不同同的的受受力力状状态态，将将三三维维问问题题简简化化为平面问题。为平面问题。（1 1）平面应力问题）平面应力问题；（2 2）平面应变问题。）平面应变问题。4 4、基本应力公式基本应力公式 以平面应力问题为例，如图，任以平面应力问题为例，如图，任意角度意角度截面的应

40、力计算公式如下：截面的应力计算公式如下：最大最小主应力：最大最小主应力：最大主应力与最大主应力与 x x轴的夹轴的夹角角可按下式求得：可按下式求得：任一斜面上的正应力和剪应力用主应力表示为：任一斜面上的正应力和剪应力用主应力表示为：莫尔应力圆的方程：莫尔应力圆的方程：（二）最大拉应变理论（二）最大拉应变理论 该理论认为，无论在什么应力状态下，只要岩石的最该理论认为，无论在什么应力状态下，只要岩石的最大拉伸应变大拉伸应变达到一定的极限应变达到一定的极限应变t t时，岩石就会时，岩石就会发生发生拉伸断裂破坏，其强度条件为：拉伸断裂破坏，其强度条件为：式中：式中：t t 单轴拉伸破坏时的极限应变；单

41、轴拉伸破坏时的极限应变；E E 岩石的弹性模量；岩石的弹性模量；t t单轴抗拉强度单轴抗拉强度。讨论：讨论：1 1、在单轴拉伸条件下：岩石、在单轴拉伸条件下：岩石发生发生拉伸断裂破坏，其强度拉伸断裂破坏，其强度条件为：条件为：2 2、在单轴压缩条件下：岩石、在单轴压缩条件下：岩石发生纵向发生纵向拉伸断裂破坏，其拉伸断裂破坏，其强度条件为：强度条件为：即：即：3 3、在三轴压缩条件下：、在三轴压缩条件下：3 3方向的应变为方向的应变为 如果如果3 3(1m3）岩体岩体=岩块岩块+结构面结构面 结构面（弱面）结构面（弱面）地质界面，如断层、裂隙、层理、节理、片理。（坚硬无充填结构面、软弱有充填结构

42、面、夹层）结构体（岩块）结构体（岩块）被各类结构面切割成的岩石块体。（块状、板状）岩岩体体=岩块岩块+结构面结构面岩体的力学处理：岩体的力学处理：完整性很好连续介质力学方法；非常破碎土力学方法；两者之间裂隙体力学方法。岩体结构基本类型：岩体结构基本类型：（按结构面切割状况及结构体类型分为六种）完整结构完整结构 块状结构块状结构 层状结构层状结构 碎裂结构碎裂结构 断续结构断续结构 松散结构松散结构整体结构整体结构块状结构块状结构层状结构层状结构碎裂结构碎裂结构断续结构断续结构散体结构散体结构岩体的基本特征1非均质性：岩体物理力学性质随空间位置的不同，其性质也不相同的性质；2各向异性：岩体全部或

43、部分物理力学特征随方向而表现不同性质的特征；3非连续性：岩体被结构面所切割而非连续二、岩体的变形特征二、岩体的变形特征岩体力学性质取决于岩石、结构面的力学性质及结构面的空间组合状况。1、岩体实验：、岩体实验：主要测定：主要测定：变形曲线、弹性常数、强度试试件：件：现场切割制作，保护原结构不受破坏。设设备：备：现场安装，主要为剪切实验。2、岩体变形特征：、岩体变形特征：（1）总变形量大）总变形量大（2）在变形的过程中体积明显增大（扩容）在变形的过程中体积明显增大（扩容）（3）破坏后仍能承受一定载荷而继续变形）破坏后仍能承受一定载荷而继续变形（4）层状岩体可呈现比较明显的各向异性层状岩体可呈现比较

44、明显的各向异性压密阶段：裂隙被压闭合，纵向变形明显，侧向变形不明显（1为转化点）；弹性阶段：结构体开始承载变形，应力应变正比，呈弹性（2为屈服点）；塑性阶段：过屈服点，结构体变形，结构面产生滑移变形，扩容、应变强化（3为极限强度）；破坏阶段：强度限后，出现沿结构面滑移和结构体转动，扩容，出现新裂缝。破坏后，由于岩体尺寸大，仍能够靠块体间摩擦承受一定载荷。3、岩体变形曲线：、岩体变形曲线：三、岩体的强度特征三、岩体的强度特征岩体强度岩体强度是岩块、弱面强度的综合反映，介于岩块、弱面强度之间。包括：抗压、抗剪、抗拉包括：抗压、抗剪、抗拉（受结构面影响很大，现场主要测抗压、抗剪强度）1、结构面及其强

45、度：结构面及其强度：1 1）结构面分类：）结构面分类：按成因按成因：原生结构面成岩阶段形成的结构面；构造结构面在构造运动作用下形成的结构面；次生结构面在地表由于外力作用形成的结构面；按工程要求：按工程要求：细小结构面 延长L1m 中等结构面 1m延长L10m 巨大结构面 延长L10m2 2）结构面的接触类型：）结构面的接触类型：3 3）结构面强度特征：）结构面强度特征：不能承受拉应力；不能承受拉应力；可承受垂直面的压应力；可承受垂直面的压应力；可承受沿面剪应力（与其上正应力有关）；可承受沿面剪应力（与其上正应力有关）；以剪切破坏为主。以剪切破坏为主。压缩性质剪切性质2、岩、岩块块的强度：的强度

46、：可承受压、剪或低值拉应力，以剪切破坏为主可承受压、剪或低值拉应力，以剪切破坏为主：3、岩体强度：、岩体强度：介于结构面、岩快之间。满足无拉力准则（受介于结构面、岩快之间。满足无拉力准则（受拉处即破坏）拉处即破坏）岩体结构面4、结构面对岩体强度的影响：、结构面对岩体强度的影响：结构面方位对岩体强度的影响结构面与结构面与主应力方向不主应力方向不同，对岩体强同，对岩体强度影响不同。度影响不同。结构面位结构面位于剪切面位置于剪切面位置时，岩体强度时，岩体强度最小。最小。L1具有两组相互垂直节理时岩体强度的变化曲线L2L2L1多组结构面导致岩体各项同性。最小强度域最小强度域结构面组数越多，岩体强度越接

47、近结构面强度。结构面组数越多，岩体越呈现各向同性。对现场松散破碎岩体，不能使用岩块强度，只能使用弱面强度或弱面摩擦强度研究破坏问题。四、岩体强度的测定：四、岩体强度的测定：试试件件现场切割（保持原有结构）仪器设备仪器设备现场安装1、单向压缩强度测定：、单向压缩强度测定：式中：P试件破坏载荷kN；A试件横截面积m2。2、抗剪强度测定：、抗剪强度测定：对多个试件，通过改变正压力，获得岩体抗剪强度曲线3、三轴压缩强度试验：、三轴压缩强度试验：真三轴：真三轴：伪三轴：伪三轴：试件压力枕球面垫液压枕顶柱垫板顶座垫板除非大型重要工程，一般不进行现场实测。除非大型重要工程，一般不进行现场实测。目前，现场多用

48、间接方法测定准岩体强度。目前，现场多用间接方法测定准岩体强度。准岩体强度：准岩体强度：实质：实质：考虑裂隙发育程度，以经过修正的岩石强度作为岩体强度（准岩体强度）。准岩体抗压强度：准岩体抗拉强度：式中：为岩体完整性系数。岩体、岩块中弹性波纵波传播速度。第七节第七节 岩体质量评价及其分类岩体质量评价及其分类 岩体分类岩体分类是对影响岩体稳定性和影响工程设计、施是对影响岩体稳定性和影响工程设计、施工和维护的各种因素建立一些评价指标，对工程辖区岩工和维护的各种因素建立一些评价指标，对工程辖区岩体进行评价，划分出不同的的级别或类别。体进行评价，划分出不同的的级别或类别。分类的目的分类的目的：为岩体工程

49、建设的勘察、设计、施工为岩体工程建设的勘察、设计、施工和编制定额提供必要的基本依据。和编制定额提供必要的基本依据。按分类目的，可分为按分类目的，可分为综合性和专题性两种综合性和专题性两种；按其所按其所涉及的因素多少，可分为涉及的因素多少，可分为单因素分类法和多因素分类法单因素分类法和多因素分类法两种。两种。一、工程岩体分类的参考影响因素一、工程岩体分类的参考影响因素1 1、岩石的质量。、岩石的质量。主要表现在岩石的强度和变形性质方面。主要表现在岩石的强度和变形性质方面。2 2、岩体的完整性。、岩体的完整性。岩体完整性取决于不连续面的组数和岩体完整性取决于不连续面的组数和密度。可用结构面频率密度

50、。可用结构面频率(裂隙度）、间距、岩心采取率、裂隙度）、间距、岩心采取率、岩石质量指标岩石质量指标RQDRQD以及完整性系数作为定量指标进行描述。以及完整性系数作为定量指标进行描述。这些定量指标是表征岩体工程性质的重要参数。这些定量指标是表征岩体工程性质的重要参数。3 3、结构面条件。、结构面条件。包括结构面产状、粗糙度和充填情况。包括结构面产状、粗糙度和充填情况。岩体的工程性质主要取决于结构面的性质和分布状态以及岩体的工程性质主要取决于结构面的性质和分布状态以及其间的充填物性质。其间的充填物性质。4 4、岩体及结构面的风化程度。、岩体及结构面的风化程度。风化程度越高，岩体越破风化程度越高，岩