《地質(zhì)學》課件-巖石的基本物理力學性質(zhì)

2023/6/1211.5 巖石的基本物理力學性質(zhì)巖石組構及其物理性質(zhì)巖石的變形特性巖石的強度特性巖石的強度理論主要內(nèi)容2023/6/122第一節(jié)巖石組構及其物理性質(zhì)

巖石的生成及其組構

巖石的生成巖石是構成地殼表層巖石圈的主體，是經(jīng)歷了漫長地質(zhì)史的大自然產(chǎn)物，是天然礦物晶體以及其它物質(zhì)（如有機質(zhì)等）集合體。巖石按照其成因可分為三類：巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖不同成因類型的巖石具有不同的物理力學性質(zhì)。2023/6/123巖塊

自然地質(zhì)體的小塊巖石稱為巖塊。我們平時所稱的巖石，在一定程度上都是指巖塊。

實驗室通常用的巖石試件是由鉆孔獲取巖芯或在工程范圍內(nèi)用爆破或其他方法獲得的巖石碎塊加工而成。巖石試件通常是不包含有顯著弱面的、較均質(zhì)的巖石塊體，可看作連續(xù)介質(zhì)及均質(zhì)體。2023/6/124巖體

(RockMass)

巖體是指在一定地質(zhì)條件下，含有諸如節(jié)理、層理、劈理、裂隙、斷層等不連續(xù)結構面的復雜地質(zhì)體。巖石和巖體的重要區(qū)別就是巖體包含若干不連續(xù)面。由于不連續(xù)面的存在，巖體的強度遠低于巖石的強度。斷層（Fault）

褶皺

(Drape)

層理

(Lamina)

2023/6/125結構與構造(缺陷)：微觀…宏觀結晶聯(lián)結(晶格缺陷)、膠結聯(lián)結（空隙）、裂隙和孔隙、結構面(層理、節(jié)理，劈理、褶皺、斷層)。

巖石的結構與構造巖石的結構是指礦物顆粒的形狀、大小和聯(lián)結方式所決定的結構特征。巖石的構造是指各種不同結構的礦物集合體的各種分布和排列方式。巖石是巖塊和巖體的泛稱2023/6/126巖石基本物理性質(zhì)一、巖石的孔隙性二、巖石的水理性三、巖石的抗凍性四、巖石的質(zhì)量指標返回巖石含：固相、液相、氣相（孔隙）

三相比例不同，物理性質(zhì)指標也有所不同。聯(lián)系2023/6/127巖石的強度性質(zhì)一、巖石的單軸抗壓強度二、巖石的三軸抗壓強度三、巖石的抗剪強度四、巖石的抗拉強度返回巖石強度:巖石材料受力破壞時所能承受的最大荷載應力本節(jié)討論[σ]問題工程師對材料提出兩個問題1.最大承載力——許用應力[σ]？2.最大允許變形——許用應變[ε]？試驗方法2023/6/128巖石的變形特性一巖塊變形試驗與方法二

巖石在單軸壓縮作用下的變形特性

（1）普通試驗機下的變形特性

（2）剛性試驗機下的單向壓縮的變形特性三巖石在三軸壓應力下的變形特性四巖石的流變特性返回2023/6/129一、巖石的孔隙性：（一）孔隙比VV—孔隙體積(m3)

Vs

—巖石固體的體積(m3)（二）孔隙率V=VV+Vs返回——反映孔隙發(fā)育程度的指標V—包含孔隙在內(nèi)的巖石體積(m3)2023/6/1210二、巖石的水理性質(zhì)（一）含水性1、含水量：巖石孔隙中含水量(WW)與巖石烘干重量(Ws)比值的百分率

w=Ww/Ws×100％2、吸水率：干燥巖石試樣在一個大氣壓和室溫條件下吸入水的重量與巖石烘干重量之比吸水率是一個間接反映巖石內(nèi)孔隙多少的指標W0－烘干巖樣浸水48h后的濕重(kN)含水性膨脹性軟化性滲透性耐崩解性Ws：在105-110°C溫度下烘干24小時的重量(kN)

2023/6/1211（二）滲透性滲透性：在一定的水壓作用下，巖石的孔隙和裂隙透過水的能力，可用滲透系數(shù)來衡量。滲透系數(shù)是介質(zhì)對某種特定流體的滲透能力，取決于巖體物理特性和結構特征，如孔隙和裂隙大小，開閉程度以及連通情況等大多滲透性可用達西（Darcy）定律描述：——水頭變化率；qx——沿x方向水的流量，m3/s

；h——水頭高度，m；A——垂直x方向的截面面積，m2；k——滲透系數(shù)，m/s。2023/6/1212(四)軟化系數(shù)Rcw——飽和單軸抗壓強度；

Rc——干燥單軸抗壓強度；η

（η≤1）越小，表示巖石受水的影響越大(見表2-2）。軸向自由膨脹（%）

H——試件高度

徑向自由膨脹（%）

D——直徑

（三）巖石的膨脹性自由膨脹率：無約束條件下，浸水后膨脹變形與原尺寸之比2023/6/1213142023/6/12(五)耐崩解性試驗時，將烘干的試塊，約500g，分成10份，放入帶有篩孔(2mm)的圓筒內(nèi)，使圓筒在水槽中以20r／min速度連續(xù)轉(zhuǎn)10分鐘，然后將留在圓筒內(nèi)的石塊取出烘干稱重。如此反復進行兩次，按下式計算耐崩解性指數(shù)：殘留在筒內(nèi)的試件烘干質(zhì)量mR試驗前的試件烘干質(zhì)量(mS)耐崩解性指數(shù)是通過對巖石試件進行烘干，浸水循環(huán)試驗所得的指標。返回152023/6/12三、巖石的抗凍性抗凍性:巖石抵抗凍（脹）融破壞的性能，通常用抗凍系數(shù)表示。返回巖石的抗凍系數(shù)是指巖樣在±25℃的溫度區(qū)間內(nèi)，反復降溫、凍結、升溫、融解，其抗壓強度有所下降，巖樣抗壓強度的下降值與凍融前的抗壓強度之比：Cf—巖石的抗凍系數(shù)；Rcf—巖石凍融后的抗壓強度(kPa)2023/6/1216密度比重1、巖石的密度：單位體積內(nèi)巖石的質(zhì)量。四、巖石的質(zhì)量指標（1）天然密度：自然狀態(tài)下，單位體積質(zhì)量

M——巖石總質(zhì)量，kg；V——總體積，m3。（2）干密度：巖塊中的孔隙水全部蒸發(fā)后的單位體積質(zhì)量（108℃烘24h）

Ms——巖石烘干后的質(zhì)量，kg。2023/6/12172、巖石的比重：巖石固體烘干重量（WS）與4℃時同體積純水的重量比

VC——巖石實體部分(不包含孔隙）的體積；——一個大氣壓下4℃時水的重度

返回（3）飽和密度：巖石中的孔隙被水充填時的單位體積質(zhì)量（水中浸48小時）VV——孔隙體積ρW:一個大氣壓下4℃時水的密度(kg/m3)測定方法及適用條件：量積法、水中稱重法、蠟封法。2023/6/1218一巖石的單軸抗壓強度1.定義：指巖石試件在單軸壓力作用下（無圍壓，只受軸向壓力）所能承受的最大壓應力，也即是巖石在達到破壞時承受的最大軸向荷載P除以試件的橫截面積A。2.試驗方法：圓柱形試件：Ф=4.8－5.2cm，高H=（2－2.5)Ф長方體試件：邊長L=4.8－5.2cm,高H=（2－2.5)L兩端面垂直于軸線±0.25o試件兩端不平度0.05mm；試件標準：試驗裝置：2023/6/12192023/6/12203.單向壓縮試件的常見破壞形態(tài)（1）單斜面剪切破壞：最常見的破壞方式（2）圓錐形破壞

原因：壓板兩端存在摩擦力，箍作用（又稱端部效應），在工程中也會出現(xiàn)。（3）柱狀劈裂破壞巖石單向壓縮破壞的真實反映（消除了端部效應）

產(chǎn)生的是張拉破壞（∵巖石的抗拉強度遠小于抗壓強度）

消除端部約束方法：磨平端部、潤滑試件端部（如墊云母片；涂黃油在端部）、加長試件2023/6/12214.單軸抗壓強度的主要影響因素巖石自身的因素：

礦物成分、結晶程度、顆粒大小及膠結情況、風化程度、含水情況和周圍環(huán)境（溫度、濕度）

層理和裂隙的特性和方向等；

含水量：含水量越大強度越低，巖石越軟越明顯；

溫度：180℃以下不明顯；大于180℃，溫度越高強度越小。

（跟巖性有關，深部巖體力學）2023/6/1222（1）試件

形狀：圓形試件不易產(chǎn)生應力集中，好加工尺寸：寬度大于礦物顆粒的10倍（Ф50的依據(jù)），長度

不宜太長或太短，高徑比

h/d≥(2－2.5)較合理(受力均勻）（2）承壓板端部摩擦力試驗機剛度（3）加載速率

加載速率越大，表現(xiàn)強度越高(見圖2－5)(機理研究熱點）

我國規(guī)定加載速度為0.5－1.0MPa/s實驗方法上的因素：2023/6/1223返回2023/6/1224三巖石的抗剪強度1.定義

在剪切荷載作用下達到破壞前所能承受的最大剪應力2.常用試驗方法直接剪切試驗角模壓剪試驗252023/6/12直接剪切試驗A—試樣的剪切面面積。

給定不同的σ(或P）進行多次試驗，求出不同的τ，近似直線得：

tanφ－巖石抗剪切內(nèi)摩擦系數(shù)；（φ－內(nèi)摩擦角）

c－巖石的粘聚力1.2.2023/6/1226角模壓剪試驗fPQNαQNPα其中，P——壓力機的總壓力

α——試件傾角

f——圓柱形滾子與上下壓板的摩擦系數(shù)

①試驗裝置:楔形剪切儀②荷載計算公式③剪切破壞面上的正應力σ和剪應力τ：其中，A剪切面面積2023/6/1227巖石的抗剪斷σ－τ曲線（強度曲線）

tanφ－巖石抗剪切內(nèi)摩擦系數(shù)

c－巖石的粘聚力返回做一組（大于5次）不同α的試驗，記錄所得的σ,τ值；由該組值作曲線,近似直線得方程改變夾具傾角α：30度～70度282023/6/12第三節(jié)巖石的變形特性彈性：物體受外力作用瞬間即產(chǎn)生全部變形，卸載后立即恢復原有形狀和尺寸的性質(zhì)塑性：物體受力后產(chǎn)生變形，在卸載后變形不能完全恢復的性質(zhì)粘性：物體受力后變形不能瞬時完成，且應變速率隨應力增加而增加的性質(zhì)，又稱為流變性（蠕變，松弛，彈性后效）。屈服極限1.基本概念：η：粘性系數(shù)2023/6/12292.

基本力學模型：

1、彈性模型

2、理想塑性

3、粘性模型

η—粘性系數(shù)（poise；poise=0.1N·S/m2）變形與時間無關卸載后是否有殘余變形變形與時間有關無有變形特性(σ0

：屈服應力)2023/6/12303.

基本元件2023/6/12312023/6/1232η牛頓粘性系數(shù)；單位:泊。1posie=0.1N·s/m2返回2023/6/1233一、巖石在單軸壓應力作用下的變形特性1、典型的巖石應力-應變曲線（一）普通試驗機下的變形特性特點：①σ1－ε1曲線，應變率隨應力增加而減??；②塑性變形（變形不可恢復）原因：微裂隙閉合（壓密）a.分三個階段:1）原生微裂隙壓密階段（OA）2）彈性變形階段（AB）注意：半程壓縮曲線2023/6/12341.直線或近似直線（彈性體）2.曲線向下彎曲（彈塑性體）3.初向上彎曲后直線（塑-彈性體）4.曲線似S型（塑-彈-塑性體）5.初小段直線后進入非彈性的曲線部分（彈-粘性體）b.實際應力-應變曲線可分成五類:2023/6/1235切線模量c.彈性常數(shù)的確定

彈性模量國際巖石力學學會（ISRM）建議方法割線模量變形模量彈性模量：近似直線段的平均斜率2023/6/12362、巖石卸載特性2023/6/12373、循環(huán)加卸載曲線特點：①多次反復加、卸載，變形曲線與單調(diào)加載曲線上升總趨勢保持一致（巖石的“變形記憶功能”）。②卸載應力(超過屈服點）越大，塑性滯回環(huán)越大（原因：裂隙的擴大，能量的消耗）；2023/6/1238等荷載循環(huán)加、卸載時的應力-應變曲線特點：①隨著循環(huán)次數(shù)增多，塑性滯回環(huán)愈來愈窄，直到?jīng)]有塑性變形為止。②當循環(huán)應力峰值低于某一臨界應力時，多次循環(huán)不會導致試件破壞；③當超過臨界應力時，會發(fā)生疲勞破壞。—（疲勞強度）返回392023/6/122）應力－應變?nèi)^程曲線形態(tài)

分四個階段：前3階段同普通試驗機，第4階段為應變軟化階段

第4階段特點：①CD段