巖石的物理力學(xué)性質(zhì)

1、第二章第二章 第八節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)第八節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì) 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)是巖體最基本、巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)是巖體最基本、最重要的性質(zhì)之一，也是巖石力學(xué)學(xué)科中研究最最重要的性質(zhì)之一，也是巖石力學(xué)學(xué)科中研究最早、最完善的內(nèi)容之一。早、最完善的內(nèi)容之一。一、巖石的物理性質(zhì)一、巖石的物理性質(zhì)巖石由固體，水，空氣等三相組成。巖石由固體，水，空氣等三相組成。 ( (一一) ) 密度（密度（）和重度）和重度()()： 單位體積的巖石的質(zhì)量稱為巖石的密度。單位體積的巖單位體積的巖石的質(zhì)量稱為巖石的密度。單位體積的巖石的重力稱為巖石的重度。所謂單位體積就是包括孔隙體積石的重力稱為巖石的重度。所謂

2、單位體積就是包括孔隙體積在內(nèi)的體積。在內(nèi)的體積。 （g/cmg/cm3 3），），g(kN /mg(kN /m3 3) )巖石的密度可分為天然密度、干密度和飽和密度。巖石的密度可分為天然密度、干密度和飽和密度。相應(yīng)地，巖石的重度可分為天然重度、干重度和飽和重度相應(yīng)地，巖石的重度可分為天然重度、干重度和飽和重度。VW 1 1、天然密度（、天然密度（）和天然重度（）和天然重度（） 指指巖石巖石在在天然狀態(tài)下的密度和重度。天然狀態(tài)下的密度和重度。 VW （g/cm3）(kN /m3)g 式中：式中：WW天然狀態(tài)下巖石試件的質(zhì)量天然狀態(tài)下巖石試件的質(zhì)量(g(g；) ) V V巖石試件的體積巖石試件的體

3、積(cm(cm3 3) )； gg重力加速度。重力加速度。 干密度是干密度是指巖石孔隙中的液體全部被蒸發(fā)后指巖石孔隙中的液體全部被蒸發(fā)后單位體積單位體積巖石的質(zhì)量巖石的質(zhì)量，相應(yīng)的重度即為干重度。，相應(yīng)的重度即為干重度。 VWsd 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) )gdd 式中：式中：W Ws s巖石試件烘干后的質(zhì)量巖石試件烘干后的質(zhì)量(g)(g)； VV巖石試件的體積巖石試件的體積(cm(cm3 3) )； gg重力加速度。重力加速度。 3、飽和密度（、飽和密度（ ）和飽和重度）和飽和重度(w)飽

4、和密度就是飽水狀態(tài)下巖石試件的密度。飽和密度就是飽水狀態(tài)下巖石試件的密度。VWww 式中：式中：W WW W飽水狀態(tài)下巖石試件的質(zhì)量飽水狀態(tài)下巖石試件的質(zhì)量 (g)(g)； VV巖石試件的體積巖石試件的體積(cm(cm3 3) )； gg重力加速度。重力加速度。 gww （g/cm3）(kN /m3)（二）巖石的比重（巖石相對密度）（二）巖石的比重（巖石相對密度）巖石的比重就是指巖石固體的質(zhì)量與同體積水的質(zhì)巖石的比重就是指巖石固體的質(zhì)量與同體積水的質(zhì)量之比值。巖石固體體積，就是指不包括孔隙體積量之比值。巖石固體體積，就是指不包括孔隙體積在內(nèi)的體積。巖石的比重可在實驗室進(jìn)行測定，其在內(nèi)的體積。巖

5、石的比重可在實驗室進(jìn)行測定，其計算公式為：計算公式為：巖石的比重；巖石的比重；VC固體體積； 水的比重)/(1WCVGW（三）巖石的空隙性（三）巖石的空隙性 空隙：空隙：巖石中孔隙和裂隙的總稱。巖石中孔隙和裂隙的總稱。小開型空隙小開型空隙空隙空隙閉型空隙閉型空隙開型空隙開型空隙大開型空隙大開型空隙 閉型空隙：巖石中不與外界相通的空隙。閉型空隙：巖石中不與外界相通的空隙。 開型空隙：巖石中與外界相通的空隙。包括大開型空隙和開型空隙：巖石中與外界相通的空隙。包括大開型空隙和小開型空隙。小開型空隙。 在常溫下水能進(jìn)入大開型空隙，而不能進(jìn)入小開型空隙。在常溫下水能進(jìn)入大開型空隙，而不能進(jìn)入小開型空隙。

6、只有在真空中或在只有在真空中或在150150個大氣壓以上，水才能進(jìn)入小開型空個大氣壓以上，水才能進(jìn)入小開型空隙。隙。空隙度：空隙度：指巖石的裂隙和孔隙發(fā)育程度，其衡指巖石的裂隙和孔隙發(fā)育程度，其衡量指標(biāo)為量指標(biāo)為空隙空隙率率(n)(n)或或空隙空隙比（比（e e）。）。根據(jù)巖石空隙類型不同，巖石的空隙率分為根據(jù)巖石空隙類型不同，巖石的空隙率分為： (1) (1)總空隙率總空隙率n n (2) (2)大大開空隙率開空隙率n nb b (3) (3)小小開空隙率開空隙率n nl l (4) (4)總總開空隙開空隙率率n n0 0 ( (5)5) 閉空隙率閉空隙率n nc c一般提到巖石的空隙率時系

7、指巖石的總空隙率。一般提到巖石的空隙率時系指巖石的總空隙率。1 1、空隙率、空隙率(1)(1)總總空隙率空隙率n: 即巖石試件內(nèi)即巖石試件內(nèi)空隙空隙的體積（的體積（V VV V) )占試件占試件總體積總體積( (V)V)的百分比。的百分比。 (2)(2)大大開空隙率開空隙率n nb b: :即巖石試件內(nèi)大開型空隙的體積（即巖石試件內(nèi)大開型空隙的體積（V Vnbnb) )占試件總體積占試件總體積( (V)V)的百分比。的百分比。 %100 VVnV%100 VVnnbb(3)(3)小開空隙率小開空隙率n nl l: :即巖石試件內(nèi)小開型空隙的體積（即巖石試件內(nèi)小開型空隙的體積（V Vnlnl)

8、)占試件總體積占試件總體積( (V)V)的百分比。的百分比。 %100 VVnnll(4)(4)總開空隙率（總開空隙率（孔隙率）孔隙率）n0: 即巖石試件內(nèi)開型空隙的即巖石試件內(nèi)開型空隙的總體積（總體積（V Vn0n0) )占試件總體積占試件總體積( (V)V)的百分比。的百分比。 (5)(5)閉閉空隙率空隙率n nc c: : 即巖石試件內(nèi)閉型空隙的體積（即巖石試件內(nèi)閉型空隙的體積（V Vncnc) )占占試件總體積試件總體積( (V)V)的百分比。的百分比。 %10000 VVnn%100 VVnncc 所謂所謂空隙空隙比是指巖石試件內(nèi)比是指巖石試件內(nèi)空隙空隙的體積的體積（V V V V)

9、 )與與巖石試件內(nèi)固體礦物顆粒的體積巖石試件內(nèi)固體礦物顆粒的體積（V Vs s) )之比。之比。 2 2 、空隙比、空隙比(e)(e)1VVsVVVneVVVn二、巖石的水理性質(zhì)二、巖石的水理性質(zhì) 巖石遇水后會引起某些物理、化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)巖石遇水后會引起某些物理、化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)的改變，巖石的這種性質(zhì)稱為巖石的水理性質(zhì)。的改變，巖石的這種性質(zhì)稱為巖石的水理性質(zhì)。1 1、巖石的吸水性巖石的吸水性 巖石吸收水分的性能稱為巖石的吸水性，其吸巖石吸收水分的性能稱為巖石的吸水性，其吸水量的大小取決水量的大小取決于于巖石孔隙體積的大小及其密閉程巖石孔隙體積的大小及其密閉程度。巖石的吸水性指標(biāo)有度。巖石的吸水

10、性指標(biāo)有吸水率吸水率、飽水率飽水率和和飽水系飽水系數(shù)數(shù)。（1）巖石吸水率）巖石吸水率(1)： 是指巖石試件在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下吸入水的重量是指巖石試件在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下吸入水的重量W W11與巖石干重量與巖石干重量W Ws s之比。之比。 巖石的吸水率的大小，取決于巖石所含孔隙、裂隙巖石的吸水率的大小，取決于巖石所含孔隙、裂隙的數(shù)量、大小、開閉程度及其分布情況，并且還與試驗的數(shù)量、大小、開閉程度及其分布情況，并且還與試驗條件條件（整體和碎塊，（整體和碎塊，浸水時間浸水時間等）等）有關(guān)。有關(guān)。 根據(jù)巖石的吸水率可求得巖石的大開空隙率根據(jù)巖石的吸水率可求得巖石的大開空隙率n nb b：%10011 sW

11、WsnbsnbbWVVWVVn 式中：式中：W W s s為干燥巖石的重量為干燥巖石的重量；d d,w w分別為干燥巖石和水的重度。分別為干燥巖石和水的重度。wdnbsWVVW 111 （2）巖石的飽水率（）巖石的飽水率（2） 巖石的飽水率指在巖石的飽水率指在高壓（高壓（150150個大氣壓）或真空個大氣壓）或真空條件下，巖石吸入水的重量條件下，巖石吸入水的重量W W22與巖石干重量與巖石干重量W Ws s之比，之比，即：即： %10022 sWW 根據(jù)飽水率求得巖石的總開空隙率根據(jù)飽水率求得巖石的總開空隙率n n0 0：wdsnsnWVVWVVn 2000 式中：式中：W Ws s為干燥巖石

12、重量；為干燥巖石重量；d d,w w干燥巖石和水的重度。干燥巖石和水的重度。（3）巖石的飽水系數(shù)（）巖石的飽水系數(shù)（Ks） 巖石吸水率與飽水率之比稱為巖石的飽水系數(shù)，即巖石吸水率與飽水率之比稱為巖石的飽水系數(shù)，即 21 sK 飽水系數(shù)反映了巖石中大開空隙和小開空隙的相對飽水系數(shù)反映了巖石中大開空隙和小開空隙的相對含量。飽水系數(shù)越大，巖石中的大開空隙越多，而小開含量。飽水系數(shù)越大，巖石中的大開空隙越多，而小開空隙越少?？障对缴?。 吸水性較大的巖石吸水后往往會產(chǎn)生膨脹，給井巷吸水性較大的巖石吸水后往往會產(chǎn)生膨脹，給井巷支護(hù)造成很大壓力。支護(hù)造成很大壓力。 地下水存在于巖石孔隙、裂隙之中，而且大多數(shù)

13、地下水存在于巖石孔隙、裂隙之中，而且大多數(shù)巖石的孔隙裂隙是連通的，因而在一定的壓力作巖石的孔隙裂隙是連通的，因而在一定的壓力作用下，地下水可以在巖石中滲透。巖石的這種能用下，地下水可以在巖石中滲透。巖石的這種能透水的性能稱為巖石的透水性。巖石的透水性大透水的性能稱為巖石的透水性。巖石的透水性大小不僅與巖石的孔隙度大小有關(guān)，而且還與孔隙小不僅與巖石的孔隙度大小有關(guān)，而且還與孔隙大小及其貫通程度有關(guān)。大小及其貫通程度有關(guān)。 衡量巖石透水性的指標(biāo)為滲透系數(shù)衡量巖石透水性的指標(biāo)為滲透系數(shù)(K)。一般來。一般來說，完整密實的巖石的滲透系數(shù)往往很小。巖石說，完整密實的巖石的滲透系數(shù)往往很小。巖石的滲透系數(shù)

14、一般是在鉆孔中進(jìn)行抽水或壓水試驗的滲透系數(shù)一般是在鉆孔中進(jìn)行抽水或壓水試驗而測定的。而測定的。2 2、巖石透水性、巖石透水性Adxdhkqxdxdh2 2、巖石透水性、巖石透水性 在一定的水壓作用下，水穿透巖石的能力。反映了巖石中裂隙向相互連通的程度，大多滲透性可用達(dá)西（Darcy）定律描述：m3/s）水頭變化率(水力梯度）；qx沿x方向水的流量；h水頭高度； A垂直x方向的截面面積；k滲透系數(shù)。 3、巖石的軟化性、巖石的軟化性 巖石的軟化性是指巖石在飽水狀態(tài)下其強度相對巖石的軟化性是指巖石在飽水狀態(tài)下其強度相對于干燥狀態(tài)下降低的性能，可用軟化系數(shù)于干燥狀態(tài)下降低的性能，可用軟化系數(shù)表示表示。

15、 軟化系數(shù)指軟化系數(shù)指巖石試樣在飽水狀態(tài)下的抗壓強度巖石試樣在飽水狀態(tài)下的抗壓強度cbcb與在干燥狀態(tài)下的抗壓強度與在干燥狀態(tài)下的抗壓強度c c之比，即之比，即ccbc 各類巖石的各類巖石的c c=0.45=0.450.90.9之間。之間。c c 0.75, 0.75,巖石軟化性弱、抗水、抗風(fēng)化能力強；巖石軟化性弱、抗水、抗風(fēng)化能力強；c c 0.75 1h/d1的巖塊的抗壓的巖塊的抗壓強度：強度：式中：式中：c1c1 h/d=1 h/d=1的試件抗壓強度；的試件抗壓強度； c c h/d1 h/d1的試件抗壓強度。的試件抗壓強度。 )(22. 0778. 01hdcc scI24 式中：式中

16、：Is點荷載強度指標(biāo)，點荷載強度指標(biāo)，2/ DPIs 對于風(fēng)化嚴(yán)重，難以對于風(fēng)化嚴(yán)重，難以加工成試件的巖石，可根加工成試件的巖石，可根據(jù)點荷載試驗計算巖石的據(jù)點荷載試驗計算巖石的抗壓強度：抗壓強度： 影響單軸抗壓強度的主要因素影響單軸抗壓強度的主要因素（1）承壓板端部的摩擦力及其剛度（加墊塊的依據(jù)）（2）試件的形狀和尺寸 形狀：圓形試件不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，好加工 尺寸：大于礦物顆粒的10倍； 50的依據(jù) 高徑比：研究表明；h/d(23)較合理（3）加載速度 加載速度越大，表現(xiàn)強度越高(見圖25) 我國規(guī)定加載速度為0.5 1.0MPa/s（4）環(huán)境 含水量：含水量越大強度越低；巖石越軟越明顯，對

17、泥巖、粘土等軟弱巖體，干燥強度是飽和強度的23倍。 溫度度：180以下部明顯：大于180，濕度越高強度越小。(5) 巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造 a、垂直節(jié)理 平行節(jié)理 b、非結(jié)晶巖石 結(jié)晶巖石 c、 細(xì)結(jié)晶 粗結(jié)晶(6) 裂隙和風(fēng)化作用2)2)、巖石的單軸抗拉強度、巖石的單軸抗拉強度t ta a、直接拉伸試驗、直接拉伸試驗APt b b、間接拉伸試驗、間接拉伸試驗圓餅試件：圓餅試件： tdPt 2 (a)劈裂法（巴西試驗法）劈裂法（巴西試驗法）方形試件方形試件：ahPt 2 式中：式中：PP破壞時的荷載，破壞時的荷載，N;N; d d 試件直徑；試件直徑；cm； tt試件厚度，試件厚度，cm； a a，h

18、h方形方形試件邊長和厚度，試件邊長和厚度，cm。3/2VPt 不規(guī)則試件（加壓方向應(yīng)滿足不規(guī)則試件（加壓方向應(yīng)滿足h/a1.5 ）：）： 式中：式中：PP破壞時的荷載，破壞時的荷載，N;N; a a加壓方向的尺寸；加壓方向的尺寸； hh厚度；厚度； V不規(guī)則試件的體積。不規(guī)則試件的體積。 由于巖石中的微裂隙，在間接拉伸試驗中，外力由于巖石中的微裂隙，在間接拉伸試驗中，外力都是壓力，必然使部分微裂隙閉合，產(chǎn)生摩擦力，從都是壓力，必然使部分微裂隙閉合，產(chǎn)生摩擦力，從而使測得的抗拉強度值比直接拉伸法測得的大。而使測得的抗拉強度值比直接拉伸法測得的大。296.0DPt (b) 點荷載試驗法點荷載試驗法

19、 經(jīng)驗公式：經(jīng)驗公式：式中：式中：PP破壞時的荷載，破壞時的荷載，N N； D D 試件直徑；試件直徑；cm。 試件直徑試件直徑1.273.05cm巖石的抗拉強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其抗壓強度，一般情況下，巖石的抗拉強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其抗壓強度，一般情況下，ct )501101( 3)3)、巖石的抗剪切強度、巖石的抗剪切強度f fA A、剪切面上無壓應(yīng)力的剪切試驗、剪切面上無壓應(yīng)力的剪切試驗APAT試件尺寸：直徑或邊長不小于試件尺寸：直徑或邊長不小于50mm50mm，高度應(yīng)等于直徑或邊長。，高度應(yīng)等于直徑或邊長。改變改變P,P,即可測得多組即可測得多組、，作出，作出曲線。曲線。B B、剪切面上有壓應(yīng)力的剪切試驗

20、、剪切面上有壓應(yīng)力的剪切試驗 不規(guī)則齒接觸不規(guī)則齒接觸（1977 NBarton1977 NBarton）經(jīng)驗公式：)lg(tanbnnJCSJRC)lg()tan(nbnJCSarcJRCJRC為節(jié)理粗糙系數(shù)JCS為節(jié)理壁抗壓強度庫倫（庫倫（Coulomb)準(zhǔn)則準(zhǔn)則 1773 1773年庫倫提出了一個重要的準(zhǔn)則（年庫倫提出了一個重要的準(zhǔn)則（“摩擦摩擦”準(zhǔn)則）。準(zhǔn)則）。庫倫認(rèn)為，材料的破壞主要是剪切破壞，當(dāng)材料某一斜面庫倫認(rèn)為，材料的破壞主要是剪切破壞，當(dāng)材料某一斜面上的剪應(yīng)力達(dá)到或超過該破壞面上的粘結(jié)力和摩擦阻力之上的剪應(yīng)力達(dá)到或超過該破壞面上的粘結(jié)力和摩擦阻力之和，便會造成材料沿該斜面產(chǎn)生

21、剪切滑移破壞。和，便會造成材料沿該斜面產(chǎn)生剪切滑移破壞。 tgcf 式中：式中： f f 材料剪切面上的抗剪強度；材料剪切面上的抗剪強度； c c材料的粘結(jié)力；材料的粘結(jié)力； 剪切面上的正應(yīng)力。剪切面上的正應(yīng)力。 C C、斜剪試驗、斜剪試驗 忽略端部摩擦力，根據(jù)力忽略端部摩擦力，根據(jù)力的平衡原理，作用于剪切面上的平衡原理，作用于剪切面上的法向力的法向力N N和切向力和切向力Q Q可按下式可按下式計算：計算：N = Pcos N = Pcos Q = PsinQ = Psin剪切面上的法向應(yīng)力剪切面上的法向應(yīng)力和剪應(yīng)和剪應(yīng)力力為：為： cosAPAN sinAPAQ 6、巖石的物理力學(xué)參數(shù)及強度

22、相互關(guān)系巖石的單軸抗拉強度為為單軸抗壓強度的1/381/5巖石的抗剪強度為單軸抗壓強度的1/151/2。巖石在荷載長期作用下的抗破壞能力要比短時間的加載下的抗破壞能力小。 對于堅硬巖石，前者是后者的70%80%。 對于軟質(zhì)巖石，前者是后者的40%60%。幾種巖石的力學(xué)參數(shù)見表（教材表3-14） 彈性（可恢復(fù)） 與時間無關(guān)的變形 塑性（不恢復(fù)） 與時間有關(guān)的流變 巖石的時間效應(yīng)蠕變松弛巖石變形7.巖石的流變特性巖石的流變特性巖石的流變特性巖石的流變特性：流變是指物質(zhì)在外部條件不變的情況下，應(yīng)力：流變是指物質(zhì)在外部條件不變的情況下，應(yīng)力或應(yīng)變隨時間變化而變化的現(xiàn)象。這個問題國際上或應(yīng)變隨時間變化而變化的現(xiàn)象。這個問題國際上 1979年國際巖年國際巖石力學(xué)學(xué)會（瑞士）提出來的。石力學(xué)學(xué)會（瑞士）提出來的。 表示表示 變形變形時間曲線叫流變曲線時間曲線叫流變曲線主要包括主要包括 蠕變?nèi)渥儯簬r石在恒定應(yīng)力作用下：巖石在恒定應(yīng)力作用下,變形隨時間延續(xù)而不斷增長的現(xiàn)變形