巖體力學02-巖石的基本物理力學性質(zhì).

1、2.1 2.1 巖石的地質(zhì)特征巖石的地質(zhì)特征2.2 2.2 巖石的基本物理性質(zhì)巖石的基本物理性質(zhì)2.3 2.3 巖石的強度特性巖石的強度特性2.4 2.4 巖石的變形特性巖石的變形特性2.52.5 影響巖石物理力學性質(zhì)的主要因素影響巖石物理力學性質(zhì)的主要因素本章所說的巖石是指巖石塊體，即巖塊一、巖石（塊）的物質(zhì)組成一、巖石（塊）的物質(zhì)組成巖巖塊的塊的力學性質(zhì)主要取決于組成巖石的礦物成力學性質(zhì)主要取決于組成巖石的礦物成分及其相對含量分及其相對含量2.1 .1 巖石的地質(zhì)特征巖石的地質(zhì)特征 物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)粘土礦物粘土礦物硅酸鹽類礦物硅酸鹽類礦物碳酸鹽類礦物碳酸鹽類礦物氧化物類礦物氧化

2、物類礦物組成巖石組成巖石的礦物的礦物二、巖塊的結(jié)構(gòu)特征二、巖塊的結(jié)構(gòu)特征巖塊的結(jié)構(gòu)巖塊的結(jié)構(gòu)：巖石內(nèi)礦物顆粒的大小、形狀、排列：巖石內(nèi)礦物顆粒的大小、形狀、排列方式及微結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況與粒間連結(jié)方式等反映在方式及微結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況與粒間連結(jié)方式等反映在巖塊構(gòu)成上的特征。巖塊構(gòu)成上的特征。結(jié)晶連結(jié)結(jié)晶連結(jié)：礦物顆粒通過結(jié)晶相互嵌合在一：礦物顆粒通過結(jié)晶相互嵌合在一起，它是通過共用原子或離子使不同晶粒緊密起，它是通過共用原子或離子使不同晶粒緊密接觸。接觸。巖石的粒間連結(jié)分結(jié)晶連結(jié)與膠結(jié)連結(jié)巖石的粒間連結(jié)分結(jié)晶連結(jié)與膠結(jié)連結(jié)膠結(jié)連結(jié)膠結(jié)連結(jié)：礦物顆粒通過膠結(jié)物連結(jié)在一起。：礦物顆粒通過膠結(jié)物連結(jié)在一起。

3、微結(jié)構(gòu)面微結(jié)構(gòu)面削弱巖塊的強度，導致各向異性削弱巖塊的強度，導致各向異性顆粒大小顆粒大小 強度：粗粒強度：粗粒 片狀片狀 鱗狀鱗狀膠結(jié)連結(jié)的巖塊膠結(jié)連結(jié)的巖塊強度：硅質(zhì)膠結(jié)強度：硅質(zhì)膠結(jié) 鐵質(zhì)、鐵質(zhì)、鈣質(zhì)鈣質(zhì) 泥質(zhì)膠結(jié)泥質(zhì)膠結(jié)三、巖塊的風化三、巖塊的風化巖石經(jīng)過風化，礦物組成和結(jié)構(gòu)改變，巖塊的物巖石經(jīng)過風化，礦物組成和結(jié)構(gòu)改變，巖塊的物理力學性質(zhì)改變：強度降低、抗變形性能減弱、理力學性質(zhì)改變：強度降低、抗變形性能減弱、空隙率增大、滲透性加大?？障堵试龃?、滲透性加大。衡量巖塊的風化程度的指標：衡量巖塊的風化程度的指標：定性指標主要有：定性指標主要有：顏色、礦物蝕變程度、破碎顏色、礦物蝕變程度、破

4、碎程度及開挖錘擊技術(shù)特征程度及開挖錘擊技術(shù)特征等等定量指標主要有定量指標主要有風化空隙率指標、波速指標、風化空隙率指標、波速指標、強度指標強度指標等等巖石風化程度定量評價指標：巖石風化程度定量評價指標：n風化空隙率指標（風化空隙率指標（I Iw w）：快速浸水后風：快速浸水后風化巖石吸入水后的質(zhì)量化巖石吸入水后的質(zhì)量m mw w與干燥巖石質(zhì)與干燥巖石質(zhì)量量m mrdrd之比。之比。rdwwmmIn波速指標（波速指標（ cpcp）：）：風化巖石彈性波縱波風化巖石彈性波縱波波速。波速。n波速比（波速比（K Kv v）：風化巖石彈性波縱波波：風化巖石彈性波縱波波速（速（ cpcp）與新鮮巖塊彈性波縱

5、波波速）與新鮮巖塊彈性波縱波波速（ r rp p）之比的平方。）之比的平方。2rpcpvvvKn風化系數(shù)（風化系數(shù)（K Kf f）：）：風化巖石的飽和單軸風化巖石的飽和單軸抗壓強度（抗壓強度（ cwcw）與新鮮巖石飽和單軸）與新鮮巖石飽和單軸抗壓強度（抗壓強度（ cwcw）之比。）之比。cwcwfK硬質(zhì)巖石風化風化程度分類表硬質(zhì)巖石風化風化程度分類表風化程度風化程度vcp（m/s）kvkf全風化全風化50010000.20.4-強風化強風化100020000.40.650000.91.00.91.0巖土工程勘察規(guī)范（GB50021-2001） 硬質(zhì)巖石風化風化程度野外描述硬質(zhì)巖石風化風化程度野

6、外描述硬質(zhì)巖石風化風化程度野外描述硬質(zhì)巖石風化風化程度野外描述四、巖塊的工程分類四、巖塊的工程分類 1 1. .Deere &Miller Deere &Miller 雙指標分類雙指標分類分類指標：巖塊單軸抗壓強度（分類指標：巖塊單軸抗壓強度（c c）、模量比模量比（E Et t/ /c c）類別類別巖塊分類巖塊分類c（MPa）巖石類型舉例巖石類型舉例A極高強度極高強度200石英巖、輝長巖、石英巖、輝長巖、玄武巖玄武巖B高強度高強度100200大理巖、花崗巖、大理巖、花崗巖、片麻巖片麻巖C中等強度中等強度50100砂巖、板巖砂巖、板巖D低強度低強度2550煤、粉砂巖、片巖煤、粉

7、砂巖、片巖E極低強度極低強度125白堊、鹽巖白堊、鹽巖類別類別Et/c分分類類Et/cH高模量高模量比比500M中等模中等模量比量比200500L低模量低模量比比2002.2.巖土工程勘察規(guī)范巖土工程勘察規(guī)范（GB50021-2001）分類分類分類指標分類指標：新鮮巖塊的：新鮮巖塊的飽和單軸抗壓強度（飽和單軸抗壓強度（cwcw）類別類別亞類亞類飽和單軸抗壓強飽和單軸抗壓強度（度（MPa）代表性巖石代表性巖石硬質(zhì)硬質(zhì)巖石巖石極硬巖石極硬巖石60花崗巖、花崗片麻巖、閃長巖、玄花崗巖、花崗片麻巖、閃長巖、玄武巖、石灰?guī)r、石英砂巖、石英巖、武巖、石灰?guī)r、石英砂巖、石英巖、大理巖、硅質(zhì)礫巖等大理巖、硅質(zhì)

8、礫巖等次硬巖石次硬巖石3060軟質(zhì)軟質(zhì)巖石巖石次軟巖石次軟巖石530粘土巖、頁巖、千枚巖、綠泥石片粘土巖、頁巖、千枚巖、綠泥石片巖、云母片巖等巖、云母片巖等極軟巖石極軟巖石52.22.2 巖石的基本物理性質(zhì)巖石的基本物理性質(zhì)巖石是由固體、液體和氣體三相組成的。巖石的力學性質(zhì)常與巖石中三相的比例關(guān)系及固相與水相互作用有密切的關(guān)系。通常將巖石由于三相組成的相對比例關(guān)系不同所表現(xiàn)的物理狀態(tài)以及巖石在與水溶液作用下發(fā)生一系列的反應所表現(xiàn)出來的性質(zhì)統(tǒng)稱為巖石的基本物理性質(zhì)。其中后者又稱為巖石的水理性質(zhì)。一、巖石的質(zhì)量指標描述巖石質(zhì)量的參數(shù)，用單位體積巖石質(zhì)量表示（一）巖石的密度1 1、天然密度（、天然密

9、度（ ）巖石在天然條件下單位體積的質(zhì)量巖石在天然條件下單位體積的質(zhì)量，即，即V V巖石試件的總體積；巖石試件的總體積；m m巖石試件的總質(zhì)量巖石試件的總質(zhì)量 l測定方法有量積法、水中稱重法、蠟封法等，試件數(shù)量不少于測定方法有量積法、水中稱重法、蠟封法等，試件數(shù)量不少于5 5個個2 2、飽和密度（、飽和密度（ satsat） 巖石中空隙全部被水充填時單位體積的質(zhì)量巖石中空隙全部被水充填時單位體積的質(zhì)量，即，即m ms s巖石試件中固體的質(zhì)量；巖石試件中固體的質(zhì)量；V Vv v巖石試件中空隙的體積；巖石試件中空隙的體積； w w水的密度。水的密度。測定方法有煮沸法、真空法，試件數(shù)量不少于測定方法有

10、煮沸法、真空法，試件數(shù)量不少于5 5個個巖石天然密度越大，巖石天然密度越大，其工程性質(zhì)越好。影其工程性質(zhì)越好。影響因素是礦物成分、響因素是礦物成分、孔隙與微裂隙發(fā)育程孔隙與微裂隙發(fā)育程度以及含水量。度以及含水量。3cm/gVVmwvssat3cm/gVm3 3、干密度（、干密度（ d d） 巖石空隙中液體全部蒸發(fā)，試件中僅有固體和空氣的狀態(tài)巖石空隙中液體全部蒸發(fā)，試件中僅有固體和空氣的狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量下，單位體積的質(zhì)量，即，即測定方法主要為烘干法，試件數(shù)量不少于測定方法主要為烘干法，試件數(shù)量不少于3 3個個天然密度、飽和密度和干密度是不同含水狀態(tài)的巖石密度，天然密度、飽和密度和干密度是不

11、同含水狀態(tài)的巖石密度，大小關(guān)系：大小關(guān)系： d d satsat4 4、重力密度（簡稱重度）（重力密度（簡稱重度）（ ）單位體積巖石的重量單位體積巖石的重量，即，即gg重力加速度，工程計算時一般取重力加速度，工程計算時一般取10m/s10m/s2 2。3m/kNgVmg3cm/gVmsd密度和重度在進行密度和重度在進行巖體工程穩(wěn)定性計巖體工程穩(wěn)定性計算評價、自重應力算評價、自重應力計算時是常用的參計算時是常用的參數(shù)數(shù)干密度取決于礦干密度取決于礦物成分及空隙發(fā)物成分及空隙發(fā)育程度育程度（二）巖石的顆粒密度巖石的顆粒密度（巖石的顆粒密度（ s s）是指巖石固體物質(zhì)的質(zhì)量與固體）是指巖石固體物質(zhì)的質(zhì)

12、量與固體的體積之比的體積之比，即，即VsVs顆粒體積；顆粒體積；msms顆粒質(zhì)量顆粒質(zhì)量顆粒密度測定方法一般采用比重瓶法。顆粒密度測定方法一般采用比重瓶法。巖石顆粒密度只巖石顆粒密度只取決于礦物成分。取決于礦物成分。3cm/gVmsss二、巖石的空隙性指標總空隙率（總空隙率（n n）總開空隙率（總開空隙率（n no o）大開空隙率（大開空隙率（n nb b）小開空隙率（小開空隙率（n na a）閉空隙率（閉空隙率（n nc c）%VVnv10000%VVnvbb100bvaann%VVn01000100nn%VVnvcc巖石的空隙（裂隙、孔隙）閉空隙開空隙大開空隙小開空隙%VVnsdv1001

13、100巖石空隙率三、巖石的水理性質(zhì)（一）巖石的含水性質(zhì)1、巖石的含水率（水率（ ）巖石空隙中含水的質(zhì)量（mw）與固體質(zhì)量（ms）之比的百分數(shù)，即根據(jù)試件含水率狀態(tài)的不同，分為天然含水率和飽和含水率。%mmsw100巖石含水率是反應巖石巖石含水率是反應巖石中水分多少的指標，巖中水分多少的指標，巖石尤其是軟巖，含水率石尤其是軟巖，含水率高，則強度降低多，變高，則強度降低多，變形性強，影響巖石力學形性強，影響巖石力學性質(zhì)顯著性質(zhì)顯著2 2、巖石的吸水率、巖石的吸水率巖石試件吸入水的質(zhì)量與固體的質(zhì)量之比。根巖石試件吸入水的質(zhì)量與固體的質(zhì)量之比。根據(jù)試驗方法分為吸水率和飽和吸水率：據(jù)試驗方法分為吸水率和

14、飽和吸水率：吸水率（吸水率（ a a）是巖石試件在大氣壓力和室溫條是巖石試件在大氣壓力和室溫條件下自由吸入水的質(zhì)量（件下自由吸入水的質(zhì)量（m m0 0）與巖樣干質(zhì)量（）與巖樣干質(zhì)量（m ms s）之比，即之比，即反映巖石中大開空隙的發(fā)育程度，與大開空反映巖石中大開空隙的發(fā)育程度，與大開空隙率的關(guān)系：隙率的關(guān)系：%mmsa1000 adwadVbb%VVn100飽和吸水率（ sat）是指巖石試件在煮沸、高壓（一般壓力為15MPa）或真空條件下吸入水的質(zhì)量（mp）與巖樣干質(zhì)量（ms）之比，即與總開空隙發(fā)育程度有關(guān)，與總開空隙率的關(guān)系：巖石的吸水率與飽和吸水率之比稱為飽水系數(shù)。反映了巖石中大、小開空

15、隙的相對比例關(guān)系。%mmspsat100satdwsatdV%VVn 10000幾種巖石的吸水率值2、巖石的滲透性巖石的滲透性是指巖石在一定的水力坡度的作用下，水滲透是指巖石在一定的水力坡度的作用下，水滲透通過巖石的能力。通過巖石的能力。反映巖石中空隙的發(fā)育程度及空隙之間相互連反映巖石中空隙的發(fā)育程度及空隙之間相互連通程度。通程度。巖石中水流運動多服從達西定律，因此巖石的巖石中水流運動多服從達西定律，因此巖石的滲透性可用達西定律描述：滲透性可用達西定律描述：v滲透流速；滲透流速；J水力坡度；水力坡度；K滲透系數(shù)滲透系數(shù)KJv （二）巖石的軟化性巖石浸水飽和后巖石浸水飽和后強度降低強度降低的性質(zhì)

16、，稱為軟化性，的性質(zhì)，稱為軟化性，軟化系數(shù)（軟化系數(shù)（K KR R）巖石試件的飽和抗壓強度（巖石試件的飽和抗壓強度（cwcw）與干抗壓強度（）與干抗壓強度（c c）的比值，即的比值，即ccwRKl巖石中含有較多的巖石中含有較多的親水性親水性和和可溶性可溶性礦物，大開礦物，大開空空隙隙較多，巖石的軟化性較強，軟化系數(shù)較小。較多，巖石的軟化性較強，軟化系數(shù)較小。lK KR R0.750.75，巖石的軟化性弱，工程地質(zhì)性質(zhì)較好，巖石的軟化性弱，工程地質(zhì)性質(zhì)較好lK KR R0.750.75，巖石軟化性較強，工程地質(zhì)性質(zhì)較差，巖石軟化性較強，工程地質(zhì)性質(zhì)較差（三）巖石的抗凍性巖石抵抗巖石抵抗凍融破壞凍

17、融破壞的能力，稱為抗凍性。的能力，稱為抗凍性?？箖鱿禂?shù)（抗凍系數(shù)（R Rd d）巖石試件經(jīng)反復凍融后的干抗壓強度（巖石試件經(jīng)反復凍融后的干抗壓強度（c2c2）與凍融前干）與凍融前干抗壓強度（抗壓強度（c1c1）之比，用百分數(shù)表示）之比，用百分數(shù)表示%10012ccdR%100121sssmmmmKl質(zhì)量損失率（質(zhì)量損失率（K Km m）l凍融試驗前后干質(zhì)量之差（凍融試驗前后干質(zhì)量之差（m ms1s1m ms2s2）與試驗前干質(zhì)量）與試驗前干質(zhì)量（m ms1s1）之比，以百分數(shù)表示）之比，以百分數(shù)表示lR Rd d7575，K Km m2 2，抗凍性高抗凍性高l吸水率吸水率W Wa a5 5、軟

18、化系數(shù)、軟化系數(shù)K KR R0.750.75，飽水系數(shù)小于，飽水系數(shù)小于0.80.8的巖石，的巖石，抗凍性高?？箖鲂愿?。（四）巖石的透水性在一定的水力梯度或壓力差作用下，巖石能在一定的水力梯度或壓力差作用下，巖石能被水被水透過透過的性質(zhì)，稱為透水性。的性質(zhì)，稱為透水性。一般認為，水在巖石中的流動，如同水在土中流一般認為，水在巖石中的流動，如同水在土中流動一樣，也服從于線性滲流規(guī)律動一樣，也服從于線性滲流規(guī)律達西定律達西定律，即即KJV 幾種巖石的滲透系數(shù)值加荷方式單軸加荷三軸加荷單軸壓縮單軸拉伸連續(xù)加荷（a）循環(huán)加荷逐級一次循環(huán)加荷（b）反復循環(huán)加卸荷（c）加剪力巖石受力（實驗條件）的幾種情況

19、：巖石受力（實驗條件）的幾種情況：單向受壓單向受壓單向受拉單向受拉雙向受力雙向受力壓剪壓剪tp（a）tp（c）tp（b）2.3 巖石的強度特性l在外載作用下，當巖石在外載作用下，當巖石內(nèi)部的應力達到或超過內(nèi)部的應力達到或超過某一極限時，巖石就發(fā)某一極限時，巖石就發(fā)生破壞生破壞l巖石強度巖石強度：巖石抵抗外：巖石抵抗外力破壞的能力力破壞的能力巖塊破巖塊破壞方式壞方式 脆性破壞脆性破壞塑性破壞（延性破壞）塑性破壞（延性破壞）拉破壞拉破壞剪切破壞剪切破壞脆性破壞脆性破壞：巖石在荷載作用下沒：巖石在荷載作用下沒有顯著覺察的變形就突然破壞。有顯著覺察的變形就突然破壞。* * 大多數(shù)堅硬巖石在一定條件下大

20、多數(shù)堅硬巖石在一定條件下都表現(xiàn)出脆性破壞的性質(zhì)。都表現(xiàn)出脆性破壞的性質(zhì)。* * 產(chǎn)生這種破壞的原因可能是巖產(chǎn)生這種破壞的原因可能是巖石中裂隙發(fā)生和發(fā)展的結(jié)果。石中裂隙發(fā)生和發(fā)展的結(jié)果。例如，地下洞室開挖后，由于洞室周圍的應力顯著增大，洞例如，地下洞室開挖后，由于洞室周圍的應力顯著增大，洞室?guī)r可能產(chǎn)生許多裂隙，尤其是洞頂?shù)膹埩严?，這些都是脆室?guī)r可能產(chǎn)生許多裂隙，尤其是洞頂?shù)膹埩严叮@些都是脆性破壞的結(jié)果。性破壞的結(jié)果。延性破壞延性破壞：巖石在破壞之前變形很：巖石在破壞之前變形很大，且沒有明顯的破壞荷載，表現(xiàn)大，且沒有明顯的破壞荷載，表現(xiàn)出顯著的塑性變形，流動或擠出，出顯著的塑性變形，流動或擠出，

21、這種破壞稱為延性或韌性破壞。這種破壞稱為延性或韌性破壞。塑塑性變形是巖石內(nèi)結(jié)晶晶格變位的結(jié)性變形是巖石內(nèi)結(jié)晶晶格變位的結(jié)果。果。在一些軟弱巖石中這種破壞較在一些軟弱巖石中這種破壞較為明顯。為明顯。有些洞室的底部巖石隆起，兩側(cè)圍巖向洞內(nèi)膨脹都屬延性破有些洞室的底部巖石隆起，兩側(cè)圍巖向洞內(nèi)膨脹都屬延性破壞的例子。壞的例子。堅硬巖石一般屬于脆性破壞，但在兩向或三向受堅硬巖石一般屬于脆性破壞，但在兩向或三向受力較大的情況下，或者在高溫的影響下，也可能延性破壞。力較大的情況下，或者在高溫的影響下，也可能延性破壞。巖體破壞巖體破壞的主要形式是弱面剪切破壞的主要形式是弱面剪切破壞弱面剪切破壞弱面剪切破壞：巖

22、體中存在著許多軟：巖體中存在著許多軟弱結(jié)構(gòu)面，細微裂隙等弱面，弱結(jié)構(gòu)面，細微裂隙等弱面，在荷載在荷載作用下，弱面上的剪應力一旦超過弱作用下，弱面上的剪應力一旦超過弱面的抗剪強度時，巖體將弱面剪切破面的抗剪強度時，巖體將弱面剪切破壞，致使巖體產(chǎn)生滑移。壞，致使巖體產(chǎn)生滑移。如節(jié)理巖體中的地下洞室頂部巖塊崩塌，洞側(cè)巖石的滑動，如節(jié)理巖體中的地下洞室頂部巖塊崩塌，洞側(cè)巖石的滑動，以及巖坡沿軟弱面的失穩(wěn)等，都屬于弱面剪切破壞。以及巖坡沿軟弱面的失穩(wěn)等，都屬于弱面剪切破壞。巖石在破壞前后的應力巖石在破壞前后的應力-應變關(guān)系比金屬材料復雜得多應變關(guān)系比金屬材料復雜得多，巖，巖石究竟屬于脆性材料還是屬于塑性

23、材料，這石究竟屬于脆性材料還是屬于塑性材料，這不僅取決于巖石不僅取決于巖石性質(zhì)性質(zhì)，且受，且受應力狀態(tài)、地溫、受荷時間應力狀態(tài)、地溫、受荷時間等多種因素的影響。等多種因素的影響。單軸抗壓強度單軸抗壓強度單軸抗拉強度單軸抗拉強度 剪切強度剪切強度 三軸壓縮強度三軸壓縮強度受受力力狀狀態(tài)態(tài)單向受壓單向受壓單向受拉單向受拉雙（三）向受力雙（三）向受力壓剪壓剪強度指標一、單軸抗壓強度c1、定義、定義巖石試件在無側(cè)限條件下，受軸向壓縮荷載作用達巖石試件在無側(cè)限條件下，受軸向壓縮荷載作用達到破壞時，單位面積所承受的最大的荷載，即到破壞時，單位面積所承受的最大的荷載，即又稱無側(cè)限抗壓強度，簡稱抗壓強度，單位

24、：又稱無側(cè)限抗壓強度，簡稱抗壓強度，單位：MN/m2、MPa 。 2、意義、意義1）衡量巖塊基本力學性質(zhì)的重要指標）衡量巖塊基本力學性質(zhì)的重要指標2）巖體工程分類、建立巖體破壞判據(jù)的重要指標）巖體工程分類、建立巖體破壞判據(jù)的重要指標3）用來大致估算其他強度參數(shù)）用來大致估算其他強度參數(shù) 3、測定方法、測定方法抗壓強度試驗抗壓強度試驗點荷載試驗點荷載試驗 試樣PAAPc )50(24scI ccAPc 4 4、單向壓縮條件下的破壞方式、單向壓縮條件下的破壞方式（a a）拉破壞）拉破壞 （b b）剪破壞）剪破壞（c c）對頂錐破壞）對頂錐破壞（共軛剪切破壞）（共軛剪切破壞）延性破壞5、影響因素、影

25、響因素1）巖石自身的性質(zhì)）巖石自身的性質(zhì) 礦物組成礦物組成 、 粒間連接、粒間連接、 巖性、結(jié)構(gòu)特征巖性、結(jié)構(gòu)特征 、顆粒、顆粒大小及形狀、風化程度大小及形狀、風化程度 、微結(jié)構(gòu)面、微結(jié)構(gòu)面巖石名巖石名稱稱抗壓強度抗壓強度（MPa）巖石名巖石名稱稱抗壓強度抗壓強度（MPa）巖石名巖石名稱稱抗壓強度抗壓強度（MPa）輝長巖輝長巖180300輝綠巖輝綠巖200350頁巖頁巖10100花崗巖花崗巖100250玄武巖玄武巖150300砂巖砂巖20200流紋巖流紋巖180300石英巖石英巖150350礫巖礫巖10150閃長巖閃長巖100250大理巖大理巖100250板巖板巖60200安山巖安山巖1002

26、50片麻巖片麻巖50200千枚巖、千枚巖、片巖片巖10100白云巖白云巖80250灰?guī)r灰?guī)r202002）實驗條件）實驗條件（1）試件形狀、尺寸及加工精度）試件形狀、尺寸及加工精度 多邊形試樣易引起應力集中，故易破壞；橫截多邊形試樣易引起應力集中，故易破壞；橫截面形狀對強度的影響：圓形面形狀對強度的影響：圓形 六多邊形六多邊形 四邊形四邊形 三三邊形試件；邊形試件； 加工精度影響應力分布形式，如彎矩；加工精度影響應力分布形式，如彎矩； 巖石強度尺寸效應：試樣尺寸越大，巖石強度巖石強度尺寸效應：試樣尺寸越大，巖石強度越低；試件的高徑比越低；試件的高徑比h/Dh/D增大，巖塊強度降低增大，巖塊強度降

27、低 圓形試件的優(yōu)點：不易產(chǎn)生應力集中，好加工圓形試件的優(yōu)點：不易產(chǎn)生應力集中，好加工（2）加荷速率）加荷速率 加載速度越大，表現(xiàn)強度越高加載速度越大，表現(xiàn)強度越高（3） 濕度、溫度濕度、溫度 含水量越高，強度越低，對泥巖、粘土等軟弱巖體，干燥含水量越高，強度越低，對泥巖、粘土等軟弱巖體，干燥強度是飽和強度的強度是飽和強度的23倍。倍。 180以下不明顯：大于以下不明顯：大于180，濕度越高強度越小。，濕度越高強度越小。（4）端面條件）端面條件端面效應端面效應（5）層理結(jié)構(gòu)）層理結(jié)構(gòu)強度各向異性強度各向異性主要是端面摩擦力限制主要是端面摩擦力限制試樣的橫向膨脹試樣的橫向膨脹, ,改變端改變端部應

28、力狀態(tài)部應力狀態(tài)6 6、單軸抗壓強度試驗的要求、單軸抗壓強度試驗的要求 1）ISRM（國際巖石力學學會國際巖石力學學會）的建議值：的建議值：l 試件形狀為圓柱體，試件形狀為圓柱體，試件直徑試件直徑 54mm，徑高比，徑高比2.53.0l 試件直徑與最大粒徑之比為試件直徑與最大粒徑之比為10:1l 平行作平行作5個以上的試驗個以上的試驗l 保持試件的天然含水量，試件保存不得超過保持試件的天然含水量，試件保存不得超過30dl 端面磨平度為端面磨平度為0.02mm，軸線垂直度為，軸線垂直度為0.001弧度或弧度或3.5”或每或每50mm不超過不超過0.005mm，側(cè)面不平度，側(cè)面不平度 0.3mml

29、 試驗時加載速率控制在試驗時加載速率控制在0.490.98MPa/s，加載時間為，加載時間為510min2 2）工程巖體試驗方法標準（）工程巖體試驗方法標準（GB/T50266-2013GB/T50266-2013）的規(guī)定：）的規(guī)定： 試件直徑或邊長試件直徑或邊長48-50mm48-50mm，高度是直徑的，高度是直徑的2.0-2.52.0-2.5倍；倍； 兩端面不平行度不超過兩端面不平行度不超過0.05mm0.05mm； 沿高度上直徑或邊長的誤差沿高度上直徑或邊長的誤差不不大于大于0.3mm0.3mm； 兩端面應垂直于試件軸線，偏差不大于兩端面應垂直于試件軸線，偏差不大于0.250.25 ；

30、其余其余規(guī)定規(guī)定同上同上3 3）我國煤炭、地礦系統(tǒng)的規(guī)定：）我國煤炭、地礦系統(tǒng)的規(guī)定：l 試件可采用直徑試件可采用直徑50mm、高徑比、高徑比12.5的圓柱體或的圓柱體或5 5 5cm3的立方體的立方體l 端面磨平度不大于端面磨平度不大于0.1mml 其余規(guī)定其余規(guī)定同上同上4 4）試驗機：）試驗機：l 最好采用剛性試驗機或伺服試驗機最好采用剛性試驗機或伺服試驗機l 試件上下加墊層，墊層直徑等于試件的直徑或比直試件上下加墊層，墊層直徑等于試件的直徑或比直徑大徑大2mm，墊塊厚度不得小于試件直徑的，墊塊厚度不得小于試件直徑的1/3l 也可以在加壓鐵板與試件接觸面上加潤滑劑也可以在加壓鐵板與試件接

31、觸面上加潤滑劑7、單軸抗壓強度試驗資料整理、單軸抗壓強度試驗資料整理l 設設n個試件抗壓強度試驗數(shù)據(jù)分別為個試件抗壓強度試驗數(shù)據(jù)分別為 ci（i=1,2,n），），計算下列數(shù)據(jù)：計算下列數(shù)據(jù)：l 1）平均值平均值： l 2）偏差偏差：l 3）標準差標準差： l 4）離散系數(shù)（偏差系數(shù)、變異系數(shù)）離散系數(shù)（偏差系數(shù)、變異系數(shù)）： 離散系數(shù)離散系數(shù)cv是衡量試驗數(shù)據(jù)優(yōu)劣的標準。一般要求是衡量試驗數(shù)據(jù)優(yōu)劣的標準。一般要求cv55mmD55mm時時由于離散性大，因此由于離散性大，因此試驗時每組試驗時每組1515個，取均值個，取均值五、剪切強度 f1 1、定義、定義在剪切荷載作用下，巖塊抵抗剪切破壞的最

32、大剪應力在剪切荷載作用下，巖塊抵抗剪切破壞的最大剪應力2 2、類型、類型1 1）抗剪斷強度：抗剪斷強度：指試件在一定的指試件在一定的法向應力法向應力作用下，沿作用下，沿預定預定剪切面剪斷時的最大剪應力剪切面剪斷時的最大剪應力2 2）抗切強度：抗切強度：指試件上的指試件上的法向應力為零法向應力為零時，沿預定剪切面時，沿預定剪切面剪斷時的最大剪應力剪斷時的最大剪應力3 3）摩擦強度：摩擦強度：指試件在一定的法向應力作用下，沿指試件在一定的法向應力作用下，沿已有已有破破裂面（層面、節(jié)理等）再次剪切破壞時的最大剪應力。裂面（層面、節(jié)理等）再次剪切破壞時的最大剪應力。ctgfcftgf抗剪試驗又稱摩擦試

33、驗抗剪試驗又稱摩擦試驗已有破裂面3 3、意義：、意義： 反映巖塊的力學性質(zhì)的重要指標反映巖塊的力學性質(zhì)的重要指標 用來估算巖體力學參數(shù)及建立強度判據(jù)用來估算巖體力學參數(shù)及建立強度判據(jù) 4 4、抗剪斷強度的抗剪斷強度的測試方法（測試方法（限制性剪切試驗或壓剪試驗限制性剪切試驗或壓剪試驗） （直剪試驗、變角板剪切試驗直剪試驗、變角板剪切試驗 、三軸剪切試驗等）、三軸剪切試驗等） 壓剪壓剪試驗表明，剪切面上所受的正應力越大，試件剪斷時試驗表明，剪切面上所受的正應力越大，試件剪斷時剪切面所承受的剪應力也越大。這是因為，剪切破壞時一要剪切面所承受的剪應力也越大。這是因為，剪切破壞時一要克服巖石的粘結(jié)力（

34、內(nèi)聚力），二是克服剪切面上的摩擦力，克服巖石的粘結(jié)力（內(nèi)聚力），二是克服剪切面上的摩擦力，正應力越大，摩擦力越大。正應力越大，摩擦力越大。 1）直剪試驗）直剪試驗在直剪儀上進行，按庫侖定律求巖塊在直剪儀上進行，按庫侖定律求巖塊的剪切強度參數(shù)的剪切強度參數(shù)C、值。值。2）變角板剪切試驗）變角板剪切試驗是將立方體試件，置于變角板是將立方體試件，置于變角板剪切夾具中加壓直至試件沿預定的剪切面破壞。剪切夾具中加壓直至試件沿預定的剪切面破壞。 )cos(sin)sin(cosiiiiiifAPfAP設定破壞面上的正應力和剪應力：同一試樣制備至少同一試樣制備至少5 5個個試件，進行不同放置角試件，進行不同

35、放置角度度 的試驗。的試驗。試件放置角度一般取試件放置角度一般取4545 、5050 、5555 、6060 、6565 、70 70 。 f滾軸摩擦系數(shù)同一巖石制備多個試件作同一巖石制備多個試件作不同正應力下的剪切試驗不同正應力下的剪切試驗，獲得不獲得不同的試件剪斷時的剪應力同的試件剪斷時的剪應力 和正應力和正應力 數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)對。將這些數(shù)據(jù)投。將這些數(shù)據(jù)投到以剪應力到以剪應力 為縱坐標、正應力為縱坐標、正應力 為橫坐標的直角坐標系中為橫坐標的直角坐標系中（對于三軸試驗則是在該坐標系中作試件破壞時的莫爾應力（對于三軸試驗則是在該坐標系中作試件破壞時的莫爾應力圓）。將各數(shù)據(jù)點連成一曲線（三軸試驗

36、是作各莫爾圓的公圓）。將各數(shù)據(jù)點連成一曲線（三軸試驗是作各莫爾圓的公切線），即得到抗剪強度曲線（莫爾強度包絡線）。若是直切線），即得到抗剪強度曲線（莫爾強度包絡線）。若是直線，其方程即為線，其方程即為庫侖定律庫侖定律，其方程為：，其方程為： f=tan+c直線在縱軸上的截距稱為巖石的粘結(jié)力（內(nèi)聚力）c（MPa）；與橫軸間的夾角稱為巖石的內(nèi)摩擦角（）。直線型反映抗剪強度f與剪切面的正應力成正比關(guān)系，c和是常數(shù)。所以巖石的抗剪強度一般用c和來表示，稱為抗剪強度指標。3）三軸剪切試驗）三軸剪切試驗根據(jù)一組試件（根據(jù)一組試件（4個以上）試驗得到的三軸壓縮強個以上）試驗得到的三軸壓縮強度度1m和相應的和

37、相應的3以及單軸抗拉強度以及單軸抗拉強度t，在，在-坐標坐標系中可繪制出巖塊的強度包絡線。系中可繪制出巖塊的強度包絡線。除頂點外，包絡線上所有點的切線與除頂點外，包絡線上所有點的切線與軸的夾角及軸的夾角及其在其在軸上的截距分別代表相應破壞面的內(nèi)摩擦角軸上的截距分別代表相應破壞面的內(nèi)摩擦角（）和內(nèi)聚力（）和內(nèi)聚力（C）。）。 )245tan(2)245(tansin1sin12sin1sin1tan2/ )(2/ )(sin231313131 oommmmCCcC tctctcoctocCCC 2arctan2)2/45(tan)2/45tan(2sin1sin122抗剪強度指標與抗壓抗剪強度指

38、標與抗壓強度、抗拉強度、三強度、抗拉強度、三軸抗壓強度的關(guān)系：軸抗壓強度的關(guān)系：)245(tansin1sin122sin2 ccttctctctc)2arctan(2tantctctctc 2sin1sin12 sintcctctcCC 5 5、抗切強度抗切強度S0的的測試方法（測試方法（非限制性剪切試驗或剪非限制性剪切試驗或剪斷試驗斷試驗）單面剪切、雙面剪切、沖擊剪切和扭轉(zhuǎn)剪切試驗等單面剪切、雙面剪切、沖擊剪切和扭轉(zhuǎn)剪切試驗等AFSc 0AFSc20 rtFSc 20 3016DMSc 變形變形的定義：的定義：材料在荷載作用下發(fā)生形狀和尺寸的改變材料在荷載作用下發(fā)生形狀和尺寸的改變。隨著荷

39、載的不斷增加，或在恒定荷載作用下隨著時間的增長，材料的變形逐漸增加，最終材料發(fā)生破壞。按應力應變時間的關(guān)系，可將材料的變形劃分為彈性、塑性和粘性等三種變形：一、材料的變形性質(zhì)彈性彈性塑性塑性粘性粘性巖石受力變形情況往往是上述性質(zhì)的復合。2.4 巖石的變形特性 二、單軸壓縮條件下的巖塊變形（一）連續(xù)加載1、變形階段劃分（5個階段）空隙壓密階段（OA）峰值峰值前變前變形階形階段段峰值峰值后變后變形階形階段段oABCDE（+） （-） L V d 破壞后階段（DE）全過程曲線前過程曲線非穩(wěn)定發(fā)展階段（CD） D點的應力峰值強度c微裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段（BC） C點的應力屈服強度彈性變形階段（AB） B點

40、的應力彈性極限對一定形狀的巖石試件，用材料試驗機按一定的時間間隔施加單向壓力，對一定形狀的巖石試件，用材料試驗機按一定的時間間隔施加單向壓力，測量加壓過程中各級應力及相應的軸向和橫向應變值，并計算出體積應測量加壓過程中各級應力及相應的軸向和橫向應變值，并計算出體積應變值。以應力為縱坐標，以各種應變?yōu)闄M坐標，繪制出各種變值。以應力為縱坐標，以各種應變?yōu)闄M坐標，繪制出各種應力應力應變應變曲線曲線（下圖下圖）。該曲線反映了巖石的單向壓縮條件下的變形特性。該曲線反映了巖石的單向壓縮條件下的變形特性。 c峰值強度，又稱為單軸抗壓強度。破壞后的巖石也有強破壞后的巖石也有強度度殘余強度，相當于殘余強度，相當

41、于巖體強度巖體強度一些巖石試樣單軸壓縮試驗曲線一些巖石試樣單軸壓縮試驗曲線軸向應變橫向應變體積應變軸向應變橫向應變體積應變試件1試件22、峰值前巖石的變形特征1）前過程曲線類型及特征彈性型彈-塑性型塑-彈性型塑-彈-塑性型1塑-彈-塑性型2彈性-蠕變型2）變形參數(shù)（1 1）變形模量）變形模量是指單軸壓縮條件下，是指單軸壓縮條件下，軸向軸向應力與軸向應變應力與軸向應變之比。之比。應力應力- -應變曲線為應變曲線為直線型直線型時：時：變形模量（變形模量（E E）就就是直線的斜率，又稱為是直線的斜率，又稱為彈彈性模量性模量應力應力- -應變曲線為應變曲線為“S”S”型型 時：時：初始模量（初始模量（

42、E Ei i）指曲線原點處切線斜率指曲線原點處切線斜率切線模量（切線模量（E Et t）指曲線上任一點處切線的斜指曲線上任一點處切線的斜率，在此特指中部直線段的斜率率，在此特指中部直線段的斜率割線模量（割線模量（E Es s）指曲線上某特定點與原點連指曲線上某特定點與原點連線的斜率，通常取線的斜率，通常取c c/2/2處的點與原點連處的點與原點連線的斜率線的斜率Lo2501i1502ioLiiEiiiiiE1212tE5050sE（2 2）泊松比（）泊松比（） 是指在單軸壓縮條件下，橫向是指在單軸壓縮條件下，橫向應變（應變（ d d）與軸向應變（）與軸向應變（ L L）之比）之比在實際工作中，

43、常采用在實際工作中，常采用c c/2 /2 處的處的 d d與與 L L來計算巖塊來計算巖塊的泊松比。的泊松比。巖塊的變形模量和泊松比受巖塊的變形模量和泊松比受巖石礦物組成、結(jié)構(gòu)巖石礦物組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、風化程度、空隙性、含水率、微結(jié)構(gòu)面構(gòu)造、風化程度、空隙性、含水率、微結(jié)構(gòu)面及及其與其與荷載方向荷載方向的關(guān)系等多種因素的影響，變化較的關(guān)系等多種因素的影響，變化較大。大。Ld常見巖石的變形模量和泊松比常見巖石的變形模量和泊松比巖石名巖石名稱稱變形模量變形模量（104MPa）泊松比泊松比巖石名稱巖石名稱變形模量變形模量（104MPa）泊松比泊松比初始初始彈性彈性初始初始彈性彈性花崗巖花崗巖2651

44、00.20.3片麻巖片麻巖181100.220.35流紋巖流紋巖285100.10.25千枚巖、千枚巖、片巖片巖0.25180.20.4閃長巖閃長巖7107150.10.3板巖板巖25280.20.3安山巖安山巖5105120.20.3頁巖頁巖13.5280.20.4輝長巖輝長巖7117150.120.2砂巖砂巖0.581100.20.3輝綠巖輝綠巖8118150.10.3礫巖礫巖0.58280.20.3玄武巖玄武巖6106120.10.35灰?guī)r灰?guī)r185100.20.35石英巖石英巖6206200.10.25白云巖白云巖48480.20.35大理巖大理巖19190.20.35（3）其他變形參

45、數(shù)）其他變形參數(shù)剪切模量（剪切模量（）拉梅常數(shù)（拉梅常數(shù)（）體積模量（體積模量（V V）)21 (3)21)(1 ()1 (2EKEEGV伺服機試驗結(jié)果伺服機試驗結(jié)果3、峰值后巖塊的變形特征、峰值后巖塊的變形特征脆性大的巖石塑性大的巖石（二） 循環(huán)加載2、卸荷點（P）的應力高于巖石的彈性極限（A）1、卸荷點（P）的應力低于巖石的彈性極限（A）3 3、反復加卸荷（巖石記憶、回滯環(huán)、疲勞破壞）反復加卸荷（巖石記憶、回滯環(huán)、疲勞破壞）非彈性巖石，當卸載點超過屈服應力（屈服極限）時，加載與卸載曲線不重合，兩著之間形成一個環(huán)路，一般稱為塑性滯回環(huán)（下左圖）。如果反復加載卸載的應力峰值不超過某一數(shù)值時，隨

46、著循環(huán)次數(shù)的增加，滯回環(huán)越來越狹窄，說明巖石越來越彈性，一直到某次循環(huán)沒有塑性為止，試件一般不會出現(xiàn)破壞（下右圖C）。如果應力峰值超過該數(shù)值時，巖石將在某次循環(huán)中破壞（下右圖B），這種破壞稱為疲勞破壞。如果多次反復加載卸載循環(huán)，每次加載的最大荷載比前一次循環(huán)的最大荷載要大，則應力應變曲線上存在滯回環(huán)（下左圖），隨著循環(huán)次數(shù)的增加，滯回環(huán)越來越大，卸載曲線的斜率逐次增加，表明卸載下的巖石彈性有所增強。此外，每次卸載后再加載，在荷載超過上次循環(huán)的最大荷載后，變形曲線仍沿著單調(diào)加載曲線上升（下左圖），這種現(xiàn)象稱為變形記憶。滯回環(huán)滯回環(huán)OPHIC為單調(diào)加載曲線三、三軸壓縮條件下的巖塊變形1、三軸試驗 真三軸試驗 123 常規(guī)三軸試驗 12=3 2、圍壓對變形破壞的影響1 1）巖石破壞前應變隨）巖石破壞前應變隨 3 3增大而增大增大而增大2 2）巖石的峰值強度隨）巖石的