巖石力學-第一章 巖石的物理力學性質上

第二章巖石的物理力學性質第一節(jié)巖石的根本構成和地質分類一、巖石的主要物質成分主要造巖礦物：正長石、斜長石石英、黑云母白云母、角閃石橄欖石、方解石相對穩(wěn)定性：二、巖石的結構

巖石結構是指巖石中礦物顆粒間的關系，包括顆粒大小、形狀、排列、結構連結特點以及巖石中的微結構面。結構連結結晶連結膠結連結基質膠結接觸膠結孔隙膠結

結晶連結：礦物顆粒通過結晶相互結合。

膠結連結：礦物顆粒通過膠結物相互結合在一起。

微結構面：指存在于礦物顆粒內部或礦物顆粒之間的微小弱面及空隙。膠結連結類型三、巖石的地質成因分類巖漿巖巖漿巖深成巖淺成巖噴出巖巖漿巖分類表三、巖石的地質成因分類沉積巖火山碎屑巖膠結碎屑巖粘土巖化學巖生物巖沉積巖沉積巖分類表三、巖石的地質成因分類變質巖變質巖接觸變質巖動力變質巖區(qū)域變質巖變質巖分類表四、典型巖石花崗巖橄欖巖玄武巖安山巖流紋巖沉積巖變質巖第二節(jié)巖石的物理力學性質一、巖石的容重1、天然容重：天然狀態(tài)下，單位體積的重量2、飽和容重：水飽和狀態(tài)下，單位體積的重量3、干容重：干質量狀態(tài)下，單位體積的重量4、相對密度：干重量除以實體積與40C純水重度的比值?！脖戎亍扯?、巖石的孔隙性1、孔隙率：孔隙體積與總體積〔包含孔隙〕之比2、孔隙比：孔隙體積與實體體積之比三、巖石的吸水性1、含水率：巖石中含水質量與巖石干質量之比2、吸水率：巖石在常溫常壓下吸入水的質量與巖石干質量之比3、飽和吸水率：巖石在高壓〔15MPa〕或真空下吸入水的質量與巖石干質量之比4、飽水系數(shù)：巖石吸水率與飽和吸水率之比四、巖石的抗凍性1、抗凍系數(shù)：巖石反復凍融后干抗壓強度與凍融前干抗壓強度之比2、質量損失率：凍融試驗前后干質量之差與試驗前干質量之比五、巖石的軟化性軟化系數(shù)：巖石浸水后的飽和抗壓強度與巖石干抗壓強度之比耐崩解指數(shù)：崩解后巖石干質量與崩解前巖石干質量之比六、巖石的崩解性七、巖石的膨脹性1、自由膨脹率：無約束條件下浸水后巖石膨脹變形與巖石原尺寸之比2、側向約束膨脹率：在側向約束條件下，巖石僅產(chǎn)生的軸向變形與巖石軸向原尺寸之比八、巖石的透水性滲透系數(shù)碎脹系數(shù)：巖石破碎后體積與破碎前體積之比九、巖石的碎脹性永久碎脹系數(shù)3、膨脹壓力：巖石浸水后，使巖石保持原有體積所施加的最大壓力第三節(jié)巖石的力學性質一、巖石的變形性質1、彈性〔elasticity〕：在一定的應力范圍內，物體受力后產(chǎn)生變形，當卸載后能夠立即恢復原有形狀和尺寸大小的性質。2、塑性〔plasticity〕：物體受力后產(chǎn)生變形，卸載后不能完全恢復原狀的性質?！惨弧?、巖石根本力學屬性4、脆性〔brittle〕：物體受力后產(chǎn)生變形，變形很小就發(fā)生破裂的性質。5、延性〔ductile〕：物體能承受較大塑性變形而不喪失其承載力的性質。3、粘性〔plasticity〕：物體受力后變形不能在瞬時完成，且應變速率隨應力增加而增加的性質?！捕?、單軸壓縮條件下巖石變形性質單軸壓縮條件下巖石的應力——應變曲線類型1、彈性變形應力與應變的關系是一直線或者近似直線，直到試樣發(fā)生突然破壞為止。具有這種變形類型的巖石有：玄武巖、石英巖、白云巖以及極鞏固的石灰?guī)r。

〔二〕、單軸壓縮條件下巖石變形性質單軸壓縮條件下巖石的應力——應變曲線類型2、彈塑性變形

在應力較低時，應力-應變關系近似于直線，當應力增加到一定數(shù)值后，應力-應變曲線向下彎曲變化，且隨著應力逐漸增加，曲線斜率也愈來愈小，直至破壞，具有這種變形類型的巖石有：凝灰?guī)r、軟弱灰?guī)r、泥巖。

〔二〕、單軸壓縮條件下巖石變形性質單軸壓縮條件下巖石的應力——應變曲線類型3、塑彈性變形

在應力較低時，應力-應變曲線略向上彎曲。當應力增加到一定數(shù)值后，應力-應變曲線就逐漸變?yōu)橹本€，直至試樣發(fā)生破壞。具有這種變形性質的代表性巖石有：砂巖、花崗巖、片理平行于壓力方向的片巖以及某些輝綠巖等?！捕?、單軸壓縮條件下巖石變形性質單軸壓縮條件下巖石的應力——應變曲線類型4、塑彈塑變形

壓力較低時，曲線向上彎曲。當壓力增加到一定值后，變形曲線就成為直線。最后，曲線向下彎曲。曲線似S形；具有這種變形類型的巖石有：片麻巖、大理巖。

〔二〕、單軸壓縮條件下巖石變形性質單軸壓縮條件下巖石的應力——應變曲線類型5、塑彈塑變形根本上與第4種類型相同，也似S形，不過曲線的斜率較平緩。一般發(fā)生在壓縮性較高的巖石中。壓力垂直于片理的片巖具有這種性質。

〔二〕、單軸壓縮條件下巖石變形性質單軸壓縮條件下巖石的應力——應變曲線類型6、彈塑蠕變變形應力-應變關系曲線是巖鹽的特征，開始先有很小一段直線局部，然后有非彈性的曲線局部，并繼續(xù)不斷地蠕變。某些軟弱巖石也具有類似特性。〔二〕、單軸壓縮條件下巖石變形性質連續(xù)加載下的變形特征典型的巖石應力-應變曲線那么往往是如下圖的形式。這種曲線一般可以分為四個區(qū)段：①在OA區(qū)段內，該曲線稍微向上彎曲；②在AB區(qū)段內，很接近于直線；③BC區(qū)段內，曲線向下彎曲，直至C點的最大值；④下降段CD?！捕场屋S壓縮條件下巖石變形性質連續(xù)加載下的變形特征

在OA和AB這兩個區(qū)段內，巖石很接近于彈性的，可能稍有一點滯回效應，但是在這兩個區(qū)內加載與卸載對于巖石不發(fā)生不可恢復的變形。第三區(qū)段BC的起點B往往是在C點最大應力值的2/3處，從B點開始，應力-應變曲線的斜率隨著應力的增加而逐漸降低到零。在這一范圍內，巖石將發(fā)生不可恢復的變形，加載與卸載的每次循環(huán)都是不同的曲線?！捕?、單軸壓縮條件下巖石變形性質連續(xù)加載下的變形特征在圖上的卸載曲線PQ在零應力時還有剩余變形。如果巖石上再加載，那么再加載曲線QR總是在曲線OABC以下，但最終與之連接起來。第四區(qū)段CD，其特點是這一區(qū)段上曲線的斜率為負值。在這一區(qū)段內卸載可能產(chǎn)生很大的剩余變形?？梢钥闯觯琓U線在比S點低得多的應力下趨近于CD曲線。這一范圍內的特點是巖石表現(xiàn)出脆性性質。從圖上所示破壞后的荷載循環(huán)STU來看，破壞后的巖石仍具有一定的承載能力。〔二〕、單軸壓縮條件下巖石變形性質典型巖石全應力——應變曲線意義1、破壞后的巖石仍具有一定的剩余強度。2、預測高應力作用下是否發(fā)生巖爆。3、作巖石全應力——應變曲線對于壓力機的要求。4、預測蠕變破壞〔二〕、單軸壓縮條件下巖石變形性質單軸壓縮條件下反復加載與卸載時巖石的變形特征1、彈性巖石線彈性巖石完全彈性巖石滯彈性巖石〔二〕、單軸壓縮條件下巖石變形性質單軸壓縮條件下反復加載與卸載時巖石的變形特征2、彈塑性巖石〔二〕、單軸壓縮條件下巖石變形性質單軸壓縮條件下反復加載與卸載時巖石的變形特征2、循環(huán)加、卸載條件下彈塑性變形特點1、逐級加載條件下，其應力——應變曲線外包絡線與連續(xù)加載條件下曲線根本一致，這種現(xiàn)象也稱為巖石記憶。2、每次加載、卸載曲線不重合，且圍成一環(huán)行面積，稱回滯環(huán)。當卸載應力水平一定時，加、卸載循環(huán)次數(shù)越多，卸載曲線與其后一次再加載曲線之間形成的回滯環(huán)面積越來越小，其彼此逐漸靠近，并趨于平行。3、當卸載應力水平一定時，每次循環(huán)中的塑性應變逐漸減小。4、當卸載應力不超過屈服極限時,即使循環(huán)次數(shù)很多,巖石也不會破壞,當超過屈服極限時,在某次循環(huán)中，巖石可能破壞，破壞點為與全應力——應變曲線后半程相交處，此時對應的強度稱疲勞強度。〔三〕、三軸壓縮條件下巖石變形性質三軸試驗類型1、常規(guī)三軸試驗〔假三軸試驗〕軸對稱三向壓縮軸對稱三向拉伸2、真三軸試驗三軸不等壓三軸等壓〔三〕、三軸壓縮條件下巖石變形性質三軸試驗特點1、彈性段斜率變化不大，與單軸壓縮下根本相同。2、屈服極限、峰值極限應變量、峰值強度、剩余強度都與圍壓成正變關系。3、大局部巖石在一定臨界圍壓下，出現(xiàn)屈服平臺，出現(xiàn)塑性流動現(xiàn)象。4、到達臨界圍壓后繼續(xù)提高圍壓，剩余強度和極限強度相等。應力——應變關系總體表現(xiàn)為單調遞增。5、不同圍壓下，各峰值強度連線為直線，初始彈性段幾乎重合。6、巖石強度也與最大主應力和最小主應力的差值有關系?！菜摹场r石變形特性參數(shù)1、初始彈性模量：過原點的切線斜率。2、切線彈性模量：過任意點的切線斜率。3、割線彈性模量：原點與其他任意點的割線斜率。4、變形模量：正應力與總應變〔彈性應變與塑性應變之和〕的比值。5、體積應變：巖石變形后體積增量與原體積之比。6、泊松比：橫向應變與縱向應變之比，也叫橫向變形系數(shù)。二、巖石的擴容〔一〕、巖石體積的變化體積應變巖石擴容的三個開展階段體積減小階段體積不變階段擴容階段〔二〕、巖石擴容特點分析1、G點以下兩橫向變形曲線重合，說明在G點以下兩個方向變形協(xié)調。過了G點一個橫向變形快，一個橫向變形慢，表現(xiàn)出明顯的各向異性。不同巖石在G點的應力最小為抗壓強度的2.76%,最大為62.2%，應力相差較大。云南錫業(yè)公司松樹腳礦大理巖石試件應力—應變曲線?！捕场r石擴容特點分析2、E點以下為直線，E點之后曲線向左彎曲，E點應力稱初始擴容應力，表示巖石初裂。F點為體積變形曲線突變點，F(xiàn)點應力為臨界應力。超過F點之后，兩橫向變形速率明顯增大，巖石內部裂隙逐步開展成連續(xù)裂隙，出現(xiàn)兩橫向應變之和大于縱向應變，曲線進入負應變〔膨脹〕，預示巖石即將破裂。D點為屈服極限。云南錫業(yè)公司松樹腳礦大理巖石試件應力—應變曲線。三、巖石的各向異性三向應力狀態(tài)下巖石的應力應變關系三向應力狀態(tài)下巖石的應力應變關系〔一〕、極端各向異性體特點：任何一個應力分量的變化都會引起六個應變分量的變化，即正應力既能引起正應變，也能引起剪應變；剪應力不僅能引起剪應變，也能引起正應變。〔二〕、正交各向異性體特點：在三個彈性對稱面的兩邊，彈性相同，但彈性主向上彈性不同。正交各向異性體的應力應變關系〔三〕、橫觀各向同性體特點：在各向同性面上彈性相同，但在垂直此面方向上彈性不同。橫觀各向同性體應力應變關系〔四〕、各向同性體特點：任何一個方向巖石的彈性都相同。三、巖石的強度特征〔一〕、巖石強度類型1、單軸抗壓強度2、單軸抗拉強度3、抗剪強度4、三軸抗壓強度〔二〕、單軸抗壓強度1、單軸抗壓強度表示形式2、影響巖石單軸抗壓強度的因素①巖石內在因素：包括礦物成分、結晶程度、顆粒連結、膠結情況、密度、層理、孔隙特征等。②試驗方法因素：包括加工精度、高徑比、尺寸效應、端面效應、承壓板剛度、加載速率等。③環(huán)境因素：包括水、風化、溫度等?！踩场屋S抗拉強度1、單軸抗拉強度表示形式a—理想受力狀態(tài)b—夾具直接夾緊c—水泥膠結d—環(huán)氧樹脂膠結②抗彎法M——作用在試件上的最大彎矩C——梁邊緣到中性軸的距離I——梁截面繞中性軸的慣性矩

③劈裂法〔巴西法〕④點載荷法點載荷強度指數(shù)巖石抗壓(拉〕強度〔四〕、抗剪強度1、抗剪強度表示形式2、巖石剪切試驗類型①抗剪斷試驗直剪試驗②抗剪試驗〔摩擦試驗〕③抗切試驗直剪試驗缺點：巖石剪切破壞不能人為規(guī)定在某個面上；破壞面應力狀態(tài)復雜。楔形剪切〔變角板剪切〕楔形剪切缺點：傾角不宜過大，否那么試件易于傾倒且產(chǎn)生力偶作用；傾角不宜過小，否那么試