巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)

1、巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì) 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)是巖體最基本、最重要的性質(zhì)之一，也是巖體力學(xué)中研究最早、最完善的力學(xué)性質(zhì)。 巖石密度：天然密度、飽和密度、質(zhì)量指標(biāo) 密度、重力密度 巖石顆粒密度孔隙性 孔隙比、孔隙率 含水率、吸水率水理指標(biāo) 滲透系數(shù)抗風(fēng)化指標(biāo) 軟化系數(shù)、耐崩解性指數(shù)、膨脹率抗凍性 抗凍性系數(shù) 單軸抗壓強(qiáng)度 單軸抗拉強(qiáng)度 抗剪強(qiáng)度 三向壓縮強(qiáng)度 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì) u 巖石的變形特性u(píng) 巖石的強(qiáng)度理論 試驗(yàn)方法參照標(biāo)準(zhǔn)：工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 50266-99）。第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)第一節(jié) 巖石的基本物理性質(zhì)第二節(jié) 巖石的強(qiáng)度特性第三節(jié) 巖石的變形特性第四節(jié)

2、巖石的強(qiáng)度理論回 顧-巖石的基本構(gòu)成 巖石是自然界中各種礦物的集合體，是天然地質(zhì)作用的產(chǎn)物，一般而言，大部分新鮮巖石質(zhì)地均堅(jiān)硬致密，空隙小而少，抗水性強(qiáng)，透水性弱，力學(xué)強(qiáng)度高。 巖石是構(gòu)成巖體的基本組成單元。相對(duì)于巖體而言，巖石可看作是連續(xù)的、均質(zhì)的、各向同性的介質(zhì)。 巖石的基本構(gòu)成：由組成巖石的物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)兩大方 面來(lái)決定的。 回 顧-巖石的基本構(gòu)成一、巖石的物質(zhì)成分l 巖石是自然界中各種礦物的集合體。l 巖石中主要的造巖礦物有：正長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、石英、黑云母、角閃石、輝石、方解石、白云石、高嶺石等。l 巖石中的礦物成分會(huì)影響巖石的抗風(fēng)化能力、物理性質(zhì)和強(qiáng)度特性。l 巖石中礦物成分的相對(duì)穩(wěn)定

3、性對(duì)巖石抗風(fēng)化能力有顯著的影響，各礦物的相對(duì)穩(wěn)定性主要與化學(xué)成分、結(jié)晶特征及形成條件有關(guān)。回 顧-巖石的基本構(gòu)成二、巖石的結(jié)構(gòu) 是指巖石中礦物（及巖屑）顆粒相互之間的關(guān)系，包括顆粒的大小、性狀、排列、結(jié)構(gòu)連結(jié)特點(diǎn)及巖石中的微結(jié)構(gòu)面（即內(nèi)部缺陷）。其中，以結(jié)構(gòu)連結(jié)和巖石中的微結(jié)構(gòu)面對(duì)巖石工程性質(zhì)影響最大?；?顧-巖石的基本構(gòu)成l 巖石結(jié)構(gòu)連結(jié) 結(jié)晶連結(jié)和 膠結(jié)連結(jié)。 結(jié)晶連結(jié)：巖石中礦物顆粒通過(guò)結(jié)晶相互嵌合在一起，如巖漿巖、大部分變質(zhì)巖及部分沉積巖的結(jié)構(gòu)連結(jié)。這種連結(jié)結(jié)晶顆粒之間緊密接觸，故巖石強(qiáng)度一般較大，但隨結(jié)構(gòu)的不同而有一定的差異。 膠結(jié)連結(jié)：指顆粒與顆粒之間通過(guò)膠結(jié)物在一起的連結(jié)。對(duì)于這

4、種連結(jié)的巖石，其強(qiáng)度主要取決于膠結(jié)物及膠結(jié)類(lèi)型。從膠結(jié)物來(lái)看，硅質(zhì)鐵質(zhì)膠結(jié)的巖石強(qiáng)度較高，鈣質(zhì)次之，而泥質(zhì)膠結(jié)強(qiáng)度最低?；?顧-巖石的基本構(gòu)成l 巖石中的微結(jié)構(gòu) 巖石中的微結(jié)構(gòu)面（或稱(chēng)缺陷），是指存在于礦物顆粒內(nèi)部或礦物顆粒及礦物集合體之間微小的弱面及空隙。它包括礦物的解理、晶格缺陷、晶粒邊界、粒間空隙、微裂隙等。 注：不同于巖體結(jié)構(gòu)面。回 顧-巖石的基本構(gòu)成 巖石中的微結(jié)構(gòu)面對(duì)巖石工程性質(zhì)的影響很大，其主要影響為： 首先，微結(jié)構(gòu)面的存在將大大降低巖石（特別是脆性巖石）的強(qiáng)度。 其次，由于微結(jié)構(gòu)面在巖石中常具有方向性，如裂隙等，因此它們的存在常導(dǎo)致巖石的各向異性。 此外，缺陷能增大巖石的變形，

5、在循環(huán)加荷時(shí)引起滯后現(xiàn)象，還能改變巖石的彈性波波速，改變巖石的電阻率和熱傳導(dǎo)率等等。第一節(jié) 巖石的基本物理性質(zhì) 巖石的物理性質(zhì)（physical properties of rock）是指由巖石固有的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征所決定的顆粒密度、密度、重力密度、孔隙率等基本屬性。 第一節(jié) 巖石的基本物理性質(zhì)一 巖石的質(zhì)量指標(biāo)一 巖石的質(zhì)量指標(biāo)1.顆粒密度(比重)巖石固相的質(zhì)量與固相體積之比一 巖石的質(zhì)量指標(biāo)試驗(yàn)方法:比重瓶法步驟: 粉碎過(guò)篩烘干稱(chēng)重放入比重瓶 排氣 讀數(shù)(計(jì)算)一 巖石的質(zhì)量指標(biāo) rs巖石顆粒密度 m1瓶和試液質(zhì)量 ms巖粉質(zhì)量 m2瓶、試液、巖粉質(zhì)量 r0試驗(yàn)溫度下試液的密度2.巖石的

6、密度巖石試件的質(zhì)量與體積之比，即單位體積內(nèi)巖石的質(zhì)量。 巖石的質(zhì)量包括固相（顆粒）、液相（水）、氣相（氣）的質(zhì)量。一 巖石的質(zhì)量指標(biāo)(1)天然密度巖石在自然條件下，單位體積的質(zhì)量 (2)飽和密度巖石中的孔隙都被水填充時(shí)單位體積的質(zhì)量(3)干密度 巖石孔隙中的液體全部被蒸發(fā)，試件中僅有固相和氣相的狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量一 巖石的質(zhì)量指標(biāo)(4)重力密度（） 重力密度指單位體積中巖石重量，簡(jiǎn)稱(chēng)重度，單位kN/m3，可用計(jì)算自重應(yīng)力。 天然重度、干重度、飽和重度。一 巖石的質(zhì)量指標(biāo)(5)測(cè)試方法 飽和密度可采用48h浸水法、抽真空法、煮沸法使巖石飽和，再稱(chēng)重； 干密度是把試件放入105110烘箱中，將

7、雨水烘至恒重（一般24h左右），再稱(chēng)重。 A、量積法測(cè)定巖石的密度 凡能制備成規(guī)則試樣的巖石均宜采用量積法測(cè)定其容量。 用量積法可以測(cè)定巖石的干密度等 。一 巖石的質(zhì)量指標(biāo) B、水中稱(chēng)重法測(cè)定巖石的密度 首先稱(chēng)量出不規(guī)則巖樣的重量，再根據(jù)阿基米德原理測(cè)定出不規(guī)則巖樣的體積。然后計(jì)算出天然密度。 但是當(dāng)遇水崩解、溶解和干縮濕脹的巖石不能用此法測(cè)其密度。 C、蠟封法測(cè)定巖石的容重 蠟封法適用于不能用量積法和水中稱(chēng)重法測(cè)定其容重的巖石。用這種方法是測(cè)定巖石的干容重等。二 巖石的孔隙性 孔隙率是衡量巖石工程質(zhì)量的重要物理性質(zhì)指標(biāo)之一。巖石的孔隙率反映了孔隙和裂隙在巖石中所占的百分率，孔隙愈大巖石中的孔

8、隙和裂隙就愈多，巖石的力學(xué)性能則愈差。二 巖石的孔隙性1.孔隙比 e孔隙的體積與固體的體積之比2.孔隙率 n孔隙的體積與總體積的比值二 巖石的孔隙性 孔隙率是衡量巖石工程質(zhì)量的重要物理性質(zhì)指標(biāo)之一。巖石的孔隙率反映了孔隙和裂隙在巖石中所占的百分率，孔隙愈大巖石中的孔隙和裂隙就愈多，巖石的力學(xué)性能則愈差。二巖石的孔隙性3. 孔隙比和孔隙率的關(guān)系4. 孔隙率的推求三 巖石的水理性質(zhì) 巖石與水相互作用時(shí)所表現(xiàn)的性質(zhì)稱(chēng)為巖石的水理性。 包括巖石的吸水性、透水性、軟化性和抗凍性，一般指前二者。三 巖石的水理性質(zhì)1.含水率巖石孔隙中含水的質(zhì)量與固體質(zhì)量之比的百分?jǐn)?shù) 測(cè)試方法：烘干稱(chēng)重法。三 巖石的水理性質(zhì)

9、2.吸水率 巖石在一定條件下吸收水分的性能稱(chēng)為巖石的吸水性。它取決于巖石的孔隙的數(shù)量、大小、開(kāi)閉程度和分布情況。表征巖石吸水性的指標(biāo)有吸水率、飽和吸水率和飽水系數(shù)。 巖石吸水率的大小取決于巖石中孔隙的多少及其連通情況。巖石的吸水率愈大，表明巖石中的孔隙大，數(shù)量多，并且連通性好，巖石的力學(xué)性質(zhì)差。三 巖石的水理性質(zhì) 吸水率烘干巖石自由浸水48小時(shí)后吸入水的質(zhì)量與固體質(zhì)量之比 m0烘干巖石浸水48小時(shí)后的質(zhì)量 測(cè)試方法：浸水法。三 巖石的水理性質(zhì)3.飽和吸水率烘干巖石經(jīng)煮沸或真空抽氣飽和后吸入水的質(zhì)量與試件固體的質(zhì)量之比式中： 為真空抽氣飽和或煮沸后試件的質(zhì)量（）； 為巖樣在105110 溫度下烘

10、干24小時(shí)的質(zhì)量（）。 在高壓條件下，通常認(rèn)為水能進(jìn)入巖石中所有張開(kāi)的孔隙和裂隙中。三 巖石的水理性質(zhì)4.巖石飽水系數(shù) 是指巖石吸水率與飽水率的比值，以百分率表示，即三 巖石的水理性質(zhì)5.巖石的滲透性巖石在一定的水壓力作用下，水穿透巖石的能力三 巖石的水理性質(zhì) 水只能沿連通孔隙滲透。 滲透系數(shù)反映巖石透水性大小，它主要決定于巖石的孔隙的大小、方向及其相互連通情況。 巖石滲透性解決實(shí)際問(wèn)題的重要意義，如洞室中儲(chǔ)存液體、評(píng)價(jià)水庫(kù)滲透性等。 注意：巖體的滲透性遠(yuǎn)比巖石的滲透性重要，原因在于巖體的結(jié)構(gòu)面，進(jìn)行巖體滲透性是研究巖石滲透性的方向。四 巖石的抗風(fēng)化指標(biāo)1.軟化系數(shù) 四 巖石的抗風(fēng)化指標(biāo) 2.

11、耐崩解性指數(shù) 通過(guò)對(duì)巖石試件進(jìn)行烘干，浸水循環(huán)試驗(yàn)所得的指數(shù)四 巖石的抗風(fēng)化指標(biāo)3.巖石的膨脹性 含有粘土礦物的巖石，遇水后會(huì)發(fā)生膨脹現(xiàn)象。 (1)自由膨脹率巖石試件在無(wú)任何約束的條件下浸水后產(chǎn)生膨脹變形與試件原尺寸的比值。常用的有巖石徑向自由膨脹率VD和軸向自由膨脹率VH四 巖石的抗風(fēng)化指標(biāo)DD、DH浸水后試件徑向、軸向膨 脹變形量D、H試件試驗(yàn)前的直徑和高度四 巖石的抗風(fēng)化指標(biāo)(2)側(cè)向約束膨脹率將具有側(cè)向約束的試件浸入水中，使巖石試件僅產(chǎn)生軸向膨脹變形而求得四 巖石的抗風(fēng)化指標(biāo)(3)膨脹壓力巖石浸水后，使試件保持原有體積所施加的最大壓力四 巖石的抗風(fēng)化指標(biāo)五 巖石的其他特性1.巖石的抗凍

12、性 Kf 巖石凍融后的飽和單軸抗壓強(qiáng)度 和凍融前的飽和單軸抗壓強(qiáng)度 的比值2、巖石硬度3、熱傳導(dǎo)性、熱容量、熱膨脹系數(shù)等第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì) 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)是巖體最基本、最重要的性質(zhì)之一，也是巖體力學(xué)中研究最早、最完善的力學(xué)性質(zhì)。 巖石密度：天然密度、飽和密度、質(zhì)量指標(biāo) 密度、重力密度 巖石顆粒密度孔隙性 孔隙比、孔隙率 含水率、吸水率水理指標(biāo) 滲透系數(shù)抗風(fēng)化指標(biāo) 軟化系數(shù)、耐崩解性指數(shù)、膨脹率抗凍性 抗凍性系數(shù)單軸抗壓強(qiáng)度單軸抗拉強(qiáng)度 抗剪強(qiáng)度三向壓縮強(qiáng)度 第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)u 巖石的變形特性u(píng) 巖石的強(qiáng)度理論 試驗(yàn)方法參照標(biāo)準(zhǔn)：工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T

13、50266-99）。第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)回 顧-巖石的基本構(gòu)成 巖石是自然界中各種礦物的集合體，是天然地質(zhì)作用的產(chǎn)物，一般而言，大部分新鮮巖石質(zhì)地均堅(jiān)硬致密，空隙小而少，抗水性強(qiáng)，透水性弱，力學(xué)強(qiáng)度高。 巖石是構(gòu)成巖體的基本組成單元。相對(duì)于巖體而言，巖石可看作是連續(xù)的、均質(zhì)的、各向同性的介質(zhì)。 巖石的基本構(gòu)成：由組成巖石的物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)兩大方 面來(lái)決定的。 回 顧-巖石的基本構(gòu)成一、巖石的物質(zhì)成分l 巖石是自然界中各種礦物的集合體。l 巖石中主要的造巖礦物有：正長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、石英、黑云母、角閃石、輝石、方解石、白云石、高嶺石等。l 巖石中的礦物成分會(huì)影響巖石的抗風(fēng)化能力、物理性質(zhì)和強(qiáng)

14、度特性。l 巖石中礦物成分的相對(duì)穩(wěn)定性對(duì)巖石抗風(fēng)化能力有顯著的影響，各礦物的相對(duì)穩(wěn)定性主要與化學(xué)成分、結(jié)晶特征及形成條件有關(guān)?；?顧-巖石的基本構(gòu)成二、巖石的結(jié)構(gòu) 是指巖石中礦物（及巖屑）顆粒相互之間的關(guān)系，包括顆粒的大小、性狀、排列、結(jié)構(gòu)連結(jié)特點(diǎn)及巖石中的微結(jié)構(gòu)面（即內(nèi)部缺陷）。其中，以結(jié)構(gòu)連結(jié)和巖石中的微結(jié)構(gòu)面對(duì)巖石工程性質(zhì)影響最大。回 顧-巖石的基本構(gòu)成l 巖石結(jié)構(gòu)連結(jié) 結(jié)晶連結(jié)和 膠結(jié)連結(jié)。 結(jié)晶連結(jié)：巖石中礦物顆粒通過(guò)結(jié)晶相互嵌合在一起，如巖漿巖、大部分變質(zhì)巖及部分沉積巖的結(jié)構(gòu)連結(jié)。這種連結(jié)結(jié)晶顆粒之間緊密接觸，故巖石強(qiáng)度一般較大，但隨結(jié)構(gòu)的不同而有一定的差異。 膠結(jié)連結(jié)：指顆粒與顆

15、粒之間通過(guò)膠結(jié)物在一起的連結(jié)。對(duì)于這種連結(jié)的巖石，其強(qiáng)度主要取決于膠結(jié)物及膠結(jié)類(lèi)型。從膠結(jié)物來(lái)看，硅質(zhì)鐵質(zhì)膠結(jié)的巖石強(qiáng)度較高，鈣質(zhì)次之，而泥質(zhì)膠結(jié)強(qiáng)度最低。回 顧-巖石的基本構(gòu)成l 巖石中的微結(jié)構(gòu) 巖石中的微結(jié)構(gòu)面（或稱(chēng)缺陷），是指存在于礦物顆粒內(nèi)部或礦物顆粒及礦物集合體之間微小的弱面及空隙。它包括礦物的解理、晶格缺陷、晶粒邊界、粒間空隙、微裂隙等。 注：不同于巖體結(jié)構(gòu)面?；?顧-巖石的基本構(gòu)成 巖石中的微結(jié)構(gòu)面對(duì)巖石工程性質(zhì)的影響很大，其主要影響為： 首先，微結(jié)構(gòu)面的存在將大大降低巖石（特別是脆性巖石）的強(qiáng)度。 其次，由于微結(jié)構(gòu)面在巖石中常具有方向性，如裂隙等，因此它們的存在常導(dǎo)致巖石的各向

16、異性。 此外，缺陷能增大巖石的變形，在循環(huán)加荷時(shí)引起滯后現(xiàn)象，還能改變巖石的彈性波波速，改變巖石的電阻率和熱傳導(dǎo)率等等。第一節(jié) 巖石的基本物理性質(zhì) 巖石的物理性質(zhì)（physical properties of rock）是指由巖石固有的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征所決定的顆粒密度、密度、重力密度、孔隙率等基本屬性。 第一節(jié) 巖石的基本物理性質(zhì)一 巖石的質(zhì)量指標(biāo)一 巖石的質(zhì)量指標(biāo)1.顆粒密度(比重)巖石固相的質(zhì)量與固相體積之比一 巖石的質(zhì)量指標(biāo)試驗(yàn)方法:比重瓶法步驟: 粉碎過(guò)篩烘干稱(chēng)重放入比重瓶 排氣 讀數(shù)(計(jì)算)一 巖石的質(zhì)量指標(biāo) rs巖石顆粒密度 m1瓶和試液質(zhì)量 ms巖粉質(zhì)量 m2瓶、試液、巖粉質(zhì)量

17、 r0試驗(yàn)溫度下試液的密度一 巖石的質(zhì)量指標(biāo)2.巖石的密度巖石試件的質(zhì)量與體積之比，即單位體積內(nèi)巖石的質(zhì)量。 巖石的質(zhì)量包括固相（顆粒）、液相（水）、氣相（氣）的質(zhì)量。一 巖石的質(zhì)量指標(biāo)(1)天然密度巖石在自然條件下，單位體積的質(zhì)量一 巖石的質(zhì)量指標(biāo)(2)飽和密度巖石中的孔隙都被水填充時(shí)單位體積的質(zhì)量一 巖石的質(zhì)量指標(biāo)(3)干密度 巖石孔隙中的液體全部被蒸發(fā)，試件中僅有固相和氣相的狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量一 巖石的質(zhì)量指標(biāo)(4)重力密度（） 重力密度指單位體積中巖石重量，簡(jiǎn)稱(chēng)重度，單位kN/m3，可用計(jì)算自重應(yīng)力。 天然重度、干重度、飽和重度。一 巖石的質(zhì)量指標(biāo)(5)測(cè)試方法 飽和密度可采用48

18、h浸水法、抽真空法、煮沸法使巖石飽和，再稱(chēng)重； 干密度是把試件放入105110烘箱中，將雨水烘至恒重（一般24h左右），再稱(chēng)重。 A、量積法測(cè)定巖石的密度 凡能制備成規(guī)則試樣的巖石均宜采用量積法測(cè)定其容量。 用量積法可以測(cè)定巖石的干密度等 。一 巖石的質(zhì)量指標(biāo) B、水中稱(chēng)重法測(cè)定巖石的密度 首先稱(chēng)量出不規(guī)則巖樣的重量，再根據(jù)阿基米德原理測(cè)定出不規(guī)則巖樣的體積。然后計(jì)算出天然密度。 但是當(dāng)遇水崩解、溶解和干縮濕脹的巖石不能用此法測(cè)其密度。 C、蠟封法測(cè)定巖石的容重 蠟封法適用于不能用量積法和水中稱(chēng)重法測(cè)定其容重的巖石。用這種方法是測(cè)定巖石的干容重等。二 巖石的孔隙性 孔隙率是衡量巖石工程質(zhì)量的重

19、要物理性質(zhì)指標(biāo)之一。巖石的孔隙率反映了孔隙和裂隙在巖石中所占的百分率，孔隙愈大巖石中的孔隙和裂隙就愈多，巖石的力學(xué)性能則愈差。二 巖石的孔隙性1.孔隙比 e孔隙的體積與固體的體積之比2.孔隙率 n孔隙的體積與總體積的比值二 巖石的孔隙性 孔隙率是衡量巖石工程質(zhì)量的重要物理性質(zhì)指標(biāo)之一。巖石的孔隙率反映了孔隙和裂隙在巖石中所占的百分率，孔隙愈大巖石中的孔隙和裂隙就愈多，巖石的力學(xué)性能則愈差。二巖石的孔隙性3. 孔隙比和孔隙率的關(guān)系4. 孔隙率的推求三 巖石的水理性質(zhì) 巖石與水相互作用時(shí)所表現(xiàn)的性質(zhì)稱(chēng)為巖石的水理性。 包括巖石的吸水性、透水性、軟化性和抗凍性，一般指前二者。三 巖石的水理性質(zhì)1.含

20、水率巖石孔隙中含水的質(zhì)量與固體質(zhì)量之比的百分?jǐn)?shù)測(cè)試方法：烘干稱(chēng)重法。三 巖石的水理性質(zhì)2.吸水率 巖石在一定條件下吸收水分的性能稱(chēng)為巖石的吸水性。它取決于巖石的孔隙的數(shù)量、大小、開(kāi)閉程度和分布情況。表征巖石吸水性的指標(biāo)有吸水率、飽和吸水率和飽水系數(shù)。 巖石吸水率的大小取決于巖石中孔隙的多少及其連通情況。巖石的吸水率愈大，表明巖石中的孔隙大，數(shù)量多，并且連通性好，巖石的力學(xué)性質(zhì)差。三 巖石的水理性質(zhì) 吸水率烘干巖石自由浸水48小時(shí)后吸入水的質(zhì)量與固體質(zhì)量之比 m0烘干巖石浸水48小時(shí)后的質(zhì)量 測(cè)試方法：浸水法。三 巖石的水理性質(zhì)3.飽和吸水率烘干巖石經(jīng)煮沸或真空抽氣飽和后吸入水的質(zhì)量與試件固體的質(zhì)量之比式中： 為真空抽氣飽和或煮沸后試件的質(zhì)量（）； 為巖樣在105110 溫度下