工程地質(zhì)學(xué)-第二章-巖石的工程地質(zhì)性質(zhì)-2-巖石的力學(xué)性質(zhì)課件

第二節(jié)巖石的力學(xué)性質(zhì)基本概念巖石力學(xué)性質(zhì)：巖石在外力作用下所表現(xiàn)出來(lái)的性質(zhì)。巖石變形：在外力作用下產(chǎn)生變形，這種變形又可分為彈性變形和塑性變形。彈性變形：是物體受力發(fā)生的全部變形，在外力解除的同時(shí)立即消失，因而是可逆變形。塑性變形：是物體受力變形后，在外力解除后，變形也不再恢復(fù)，是不可逆變形，又稱(chēng)為永久變形或殘余變形。巖石強(qiáng)度：指巖石抵抗外力破壞的能力。根據(jù)破壞時(shí)的應(yīng)力類(lèi)型，巖石的破壞可有拉破壞、剪破壞和流動(dòng)破壞三種基本類(lèi)型。由于受力狀態(tài)和破壞形式的不同，巖石的強(qiáng)度又可分為單軸抗壓強(qiáng)度、單軸抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和三軸壓縮強(qiáng)度等。第二節(jié)巖石的力學(xué)性質(zhì)基本概念一、巖石的變形性質(zhì)1.巖石在單軸壓縮應(yīng)力作用下的變形特性1)普通試驗(yàn)機(jī)下應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)形狀與巖性有關(guān)。(1)典型的巖石應(yīng)力、應(yīng)變曲線(xiàn)特征為：Ⅰ.壓密階段Ⅱ.彈性變形至微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段Ⅲ.非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段（或稱(chēng)累進(jìn)性破裂階段）Ⅳ.破壞后階段一、巖石的變形性質(zhì)1.巖石在單軸壓縮應(yīng)力作用下的變形特性分三階段（1）原生微裂隙壓密階段（OA級(jí)）特點(diǎn)：①曲線(xiàn)，應(yīng)變率隨應(yīng)力增加而減小；②塑性變形（變形不可恢復(fù)）原因：微裂隙閉合（壓密）（2）彈性變形階段（AB段）特點(diǎn)：①曲線(xiàn)是直線(xiàn)；②彈性模量，E為常數(shù)（變形可恢復(fù)）原因：巖石固體部分變形，B點(diǎn)開(kāi)始屈服，B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為屈服極限。分三階段（3）塑性變形階段（BC）特點(diǎn)：①曲線(xiàn)，軟化現(xiàn)象；②塑性變形，變形不可恢復(fù)；③應(yīng)變速率不斷增大。原因：新裂紋產(chǎn)生，原生裂隙擴(kuò)展。巖石越硬，BC段越短，脆性性質(zhì)越顯著。脆性：應(yīng)力超出屈服應(yīng)力后，并不表現(xiàn)出明顯的塑性變形的特性，而破壞，即為脆性破壞。（3）塑性變形階段（BC）（2）巖石變形參數(shù)的確定泊松比μ是指在單軸壓縮條件下，巖石試件的橫向應(yīng)變?chǔ)興與軸向應(yīng)變?chǔ)臿之比，即

μ＝εd/εa（2）巖石變形參數(shù)的確定二、巖石的單軸抗壓強(qiáng)度1.定義：指巖石試件在無(wú)側(cè)限的條件下，受軸向壓力作用破壞時(shí)單位面積上承受的荷載。

式中：P——無(wú)側(cè)限的條件下的軸向破壞荷載A——試件界面積2.試件方法：

圓柱形試件：φ4.8－5.2cm，高H=（2－2.5)φ

長(zhǎng)方體試件：邊長(zhǎng)L=4.8－5.2cm,高H=（2－2.5)L

試件兩端不平度0.5mm；尺寸誤差±0.3mm;

兩端面垂直于軸線(xiàn)±0.25o（1）試件標(biāo)準(zhǔn)：二、巖石的單軸抗壓強(qiáng)度1.定義：指巖石試件在無(wú)側(cè)限的條件下3.影響單軸抗壓強(qiáng)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；φ50的依據(jù)高徑比：研究表明；h/d≥(2－3)較合理（3）加載速度加載速度越大，表現(xiàn)強(qiáng)度越高(見(jiàn)圖2－5)

我國(guó)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(qiáng)度越低；巖石越軟越明顯，對(duì)泥巖、粘土等軟弱巖體，干燥強(qiáng)度是飽和強(qiáng)度的2－3倍。

溫度度：180℃以下部明顯：大于180℃，濕度越高強(qiáng)度越小。3.影響單軸抗壓強(qiáng)度的主要因素（1）承壓板端部的摩擦力及其剛?cè)?、巖石的抗拉強(qiáng)度1.定義：巖石試件在受到軸向拉應(yīng)力后其試件發(fā)生破壞時(shí)的單位面積上所受的拉力。2.直接拉伸法抗拉強(qiáng)度關(guān)鍵技術(shù)①試件和夾具之間的連接②加力P與試件同心四、巖石的抗剪強(qiáng)度1.定義指一定的應(yīng)力條件下（主要指壓應(yīng)力），所能抵抗的最大剪應(yīng)力常用表示2.類(lèi)型：

a.抗剪斷試驗(yàn)類(lèi)型b.抗切斷試驗(yàn)

c.弱面抗剪試驗(yàn)三、巖石的抗拉強(qiáng)度1.定義：巖石試件在受到軸向拉應(yīng)力后其試五、影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素（一）礦物成分對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響1、礦物硬度的影響礦物硬度大，巖石的彈性越明顯，強(qiáng)度越高。如巖漿巖，橄欖石等礦物含量的增多，彈性越明顯，強(qiáng)度越高；沉積巖中，砂巖的彈性及強(qiáng)度隨石英含量的增加而增高；石灰?guī)r的彈性和強(qiáng)度隨硅質(zhì)物含量的增加而增高。變質(zhì)巖中，含硬度低的礦物（如云母、滑石、蒙脫石、伊利石、高嶺石等）越多，強(qiáng)度越低。五、影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素（一）礦物成分對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的2、不穩(wěn)定礦物的影響化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定的礦物，如黃鐵礦、霞石以及易溶于水的鹽類(lèi)，如石膏、滑石、鉀鹽等，具有易變性和溶解性。含有這些礦物的巖石其力學(xué)性質(zhì)隨時(shí)間而變化。3、粘土礦物的影響含有粘土礦物（蒙脫石、伊利石、高嶺石等）的巖石，遇水時(shí)發(fā)生膨脹和軟化，強(qiáng)度降低很大。2、不穩(wěn)定礦物的影響

（二）巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響1、巖石結(jié)構(gòu)的影響巖石的結(jié)構(gòu)——指巖石中晶?；驇r石顆粒的大小、形狀以及結(jié)合方式。巖漿巖：粒狀結(jié)構(gòu)、斑狀結(jié)構(gòu)、玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu)；沉積巖：粒狀結(jié)構(gòu)、片架結(jié)構(gòu)、斑基結(jié)構(gòu)；變質(zhì)巖：板理結(jié)構(gòu)、片理結(jié)構(gòu)、片麻理結(jié)構(gòu)。巖石的結(jié)構(gòu)對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的差異上。例如：粒狀結(jié)構(gòu)中，等粒結(jié)構(gòu)比非等粒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高；在等粒結(jié)構(gòu)中，細(xì)粒結(jié)構(gòu)比粗粒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高。（二）巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響1、巖石結(jié)構(gòu)

2、巖石構(gòu)造的影響巖石的構(gòu)造——指巖石中不同礦物集合體之間或礦物集合體與其他組成部分之間的排列方式及充填方式。巖漿巖：顆粒排列無(wú)一定的方向，形成塊狀構(gòu)造；沉積巖：層理構(gòu)造、頁(yè)片狀構(gòu)造；變質(zhì)巖：板狀構(gòu)造、片理構(gòu)造、片麻理構(gòu)造。層理、片理、板理和流面構(gòu)造等統(tǒng)稱(chēng)為層狀構(gòu)造。宏觀(guān)上，塊狀構(gòu)造的巖石多具有各向同性特征，而層狀構(gòu)造巖石具有各向異性特征。2、巖石構(gòu)造的影響（三）水對(duì)巖石力學(xué)性能的影響巖石中的水

水對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響與巖石的孔隙性和水理性（吸水性、軟化性、崩解性、膨脹性、抗凍性）有關(guān)。水對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響主要體現(xiàn)在5個(gè)方面：連結(jié)作用、潤(rùn)滑作用、水楔作用、孔隙壓力作用、溶蝕及潛蝕作用。結(jié)合水（連結(jié)、潤(rùn)滑、水楔作用）重力水（自由水）（孔隙壓力、溶蝕及潛蝕作用）。（三）水對(duì)巖石力學(xué)性能的影響巖石中的水水對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影1、連結(jié)作用：束縛在礦物表面的水分子通過(guò)其吸引力將礦物顆粒拉近，起連結(jié)作用。這種作用相對(duì)于礦物顆粒間的連結(jié)強(qiáng)度非常微弱，故對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)影響很小，但對(duì)于被土充填的結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)影響很明顯。2、潤(rùn)滑作用：由可溶鹽、膠體礦物連結(jié)的巖石，當(dāng)水浸入時(shí)，可溶鹽溶解，膠體水解，導(dǎo)致礦物顆粒間的連結(jié)力減弱，摩擦力降低，水起到潤(rùn)滑作用。1、連結(jié)作用：束縛在礦物表面的水分子通過(guò)其吸引力將礦物顆粒拉3、水楔作用：當(dāng)兩個(gè)礦物顆?？康煤芙兴肿友a(bǔ)充到礦物表面時(shí)，礦物顆粒利用其表面吸引力將水分子拉到自己周?chē)陬w粒接觸處由于吸引力作用使水分子向兩個(gè)礦物顆粒之間的縫隙內(nèi)擠入，這種現(xiàn)象稱(chēng)為水楔作用。

水楔作用的兩種結(jié)果：一是巖石體積膨脹，產(chǎn)生膨脹壓力；二是水膠連結(jié)代替膠體及可溶鹽連結(jié)，產(chǎn)生潤(rùn)滑作用，巖石強(qiáng)度降低。3、水楔作用：當(dāng)兩個(gè)礦物顆粒靠得很近，有水分子補(bǔ)充到礦物表面4、孔隙水壓力作用：對(duì)于孔隙或裂隙中含有自由水的巖石，當(dāng)其突然受荷載作用水來(lái)不及排出時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很高的孔隙水壓力，減小了顆粒之間的壓應(yīng)力，從而降低了巖石的抗剪強(qiáng)度。5、溶蝕－潛蝕作用：水在巖石中滲透的過(guò)程中，可將可溶物質(zhì)溶解帶走（溶蝕），有時(shí)將巖石中的小顆粒沖走（潛蝕），從而使巖石強(qiáng)度大為降低，變形增大。

水對(duì)巖石強(qiáng)度的影響通常用軟化系數(shù)表示。4、孔隙水壓力作用：對(duì)于孔隙或裂隙中含有自由水的巖石，當(dāng)其突（四）風(fēng)化對(duì)巖石力學(xué)性能的影響

風(fēng)化程度不同，對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響程度也不同：1、降低巖體結(jié)構(gòu)面的粗糙程度并產(chǎn)生新的裂隙，使巖體分裂成更小的碎塊，進(jìn)一步破壞巖體的完整性。2、巖石在化學(xué)風(fēng)化過(guò)程中，礦物成分發(fā)生變化，原生礦物受水解、水化、氧化等作用，逐漸為次生礦物所代替，特別是產(chǎn)生粘土礦物，并隨著風(fēng)化程度的加深，這類(lèi)礦物逐漸增多。（四）風(fēng)化對(duì)巖石力學(xué)性能的影響風(fēng)化程度不同，對(duì)巖石力3、由于巖石和巖體的成分結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的變化，巖體的物理力學(xué)性質(zhì)也隨之變化。一般：抗水性降低，親水性增高（如膨脹性、崩解性、軟化性增強(qiáng)），強(qiáng)度降低，壓縮性加大，孔隙性增加，透水性增強(qiáng)（但當(dāng)風(fēng)化劇烈，粘土礦物較多時(shí)，透水性又趨于降）。

總之，巖體在風(fēng)化營(yíng)力作用下，巖體的力學(xué)性質(zhì)大大惡化。3、由于巖石和巖體的成分結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的變化，巖體的物理力學(xué)第二節(jié)巖石的力學(xué)性質(zhì)基本概念巖石力學(xué)性質(zhì)：巖石在外力作用下所表現(xiàn)出來(lái)的性質(zhì)。巖石變形：在外力作用下產(chǎn)生變形，這種變形又可分為彈性變形和塑性變形。彈性變形：是物體受力發(fā)生的全部變形，在外力解除的同時(shí)立即消失，因而是可逆變形。塑性變形：是物體受力變形后，在外力解除后，變形也不再恢復(fù)，是不可逆變形，又稱(chēng)為永久變形或殘余變形。巖石強(qiáng)度：指巖石抵抗外力破壞的能力。根據(jù)破壞時(shí)的應(yīng)力類(lèi)型，巖石的破壞可有拉破壞、剪破壞和流動(dòng)破壞三種基本類(lèi)型。由于受力狀態(tài)和破壞形式的不同，巖石的強(qiáng)度又可分為單軸抗壓強(qiáng)度、單軸抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和三軸壓縮強(qiáng)度等。第二節(jié)巖石的力學(xué)性質(zhì)基本概念一、巖石的變形性質(zhì)1.巖石在單軸壓縮應(yīng)力作用下的變形特性1)普通試驗(yàn)機(jī)下應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)形狀與巖性有關(guān)。(1)典型的巖石應(yīng)力、應(yīng)變曲線(xiàn)特征為：Ⅰ.壓密階段Ⅱ.彈性變形至微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段Ⅲ.非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段（或稱(chēng)累進(jìn)性破裂階段）Ⅳ.破壞后階段一、巖石的變形性質(zhì)1.巖石在單軸壓縮應(yīng)力作用下的變形特性分三階段（1）原生微裂隙壓密階段（OA級(jí)）特點(diǎn)：①曲線(xiàn)，應(yīng)變率隨應(yīng)力增加而減?。虎谒苄宰冃危ㄗ冃尾豢苫謴?fù)）原因：微裂隙閉合（壓密）（2）彈性變形階段（AB段）特點(diǎn)：①曲線(xiàn)是直線(xiàn)；②彈性模量，E為常數(shù)（變形可恢復(fù)）原因：巖石固體部分變形，B點(diǎn)開(kāi)始屈服，B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為屈服極限。分三階段（3）塑性變形階段（BC）特點(diǎn)：①曲線(xiàn)，軟化現(xiàn)象；②塑性變形，變形不可恢復(fù)；③應(yīng)變速率不斷增大。原因：新裂紋產(chǎn)生，原生裂隙擴(kuò)展。巖石越硬，BC段越短，脆性性質(zhì)越顯著。脆性：應(yīng)力超出屈服應(yīng)力后，并不表現(xiàn)出明顯的塑性變形的特性，而破壞，即為脆性破壞。（3）塑性變形階段（BC）（2）巖石變形參數(shù)的確定泊松比μ是指在單軸壓縮條件下，巖石試件的橫向應(yīng)變?chǔ)興與軸向應(yīng)變?chǔ)臿之比，即

μ＝εd/εa（2）巖石變形參數(shù)的確定二、巖石的單軸抗壓強(qiáng)度1.定義：指巖石試件在無(wú)側(cè)限的條件下，受軸向壓力作用破壞時(shí)單位面積上承受的荷載。

式中：P——無(wú)側(cè)限的條件下的軸向破壞荷載A——試件界面積2.試件方法：

圓柱形試件：φ4.8－5.2cm，高H=（2－2.5)φ

長(zhǎng)方體試件：邊長(zhǎng)L=4.8－5.2cm,高H=（2－2.5)L

試件兩端不平度0.5mm；尺寸誤差±0.3mm;

兩端面垂直于軸線(xiàn)±0.25o（1）試件標(biāo)準(zhǔn)：二、巖石的單軸抗壓強(qiáng)度1.定義：指巖石試件在無(wú)側(cè)限的條件下3.影響單軸抗壓強(qiáng)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；φ50的依據(jù)高徑比：研究表明；h/d≥(2－3)較合理（3）加載速度加載速度越大，表現(xiàn)強(qiáng)度越高(見(jiàn)圖2－5)

我國(guó)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(qiáng)度越低；巖石越軟越明顯，對(duì)泥巖、粘土等軟弱巖體，干燥強(qiáng)度是飽和強(qiáng)度的2－3倍。

溫度度：180℃以下部明顯：大于180℃，濕度越高強(qiáng)度越小。3.影響單軸抗壓強(qiáng)度的主要因素（1）承壓板端部的摩擦力及其剛?cè)?、巖石的抗拉強(qiáng)度1.定義：巖石試件在受到軸向拉應(yīng)力后其試件發(fā)生破壞時(shí)的單位面積上所受的拉力。2.直接拉伸法抗拉強(qiáng)度關(guān)鍵技術(shù)①試件和夾具之間的連接②加力P與試件同心四、巖石的抗剪強(qiáng)度1.定義指一定的應(yīng)力條件下（主要指壓應(yīng)力），所能抵抗的最大剪應(yīng)力常用表示2.類(lèi)型：

a.抗剪斷試驗(yàn)類(lèi)型b.抗切斷試驗(yàn)

c.弱面抗剪試驗(yàn)三、巖石的抗拉強(qiáng)度1.定義：巖石試件在受到軸向拉應(yīng)力后其試五、影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素（一）礦物成分對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響1、礦物硬度的影響礦物硬度大，巖石的彈性越明顯，強(qiáng)度越高。如巖漿巖，橄欖石等礦物含量的增多，彈性越明顯，強(qiáng)度越高；沉積巖中，砂巖的彈性及強(qiáng)度隨石英含量的增加而增高；石灰?guī)r的彈性和強(qiáng)度隨硅質(zhì)物含量的增加而增高。變質(zhì)巖中，含硬度低的礦物（如云母、滑石、蒙脫石、伊利石、高嶺石等）越多，強(qiáng)度越低。五、影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素（一）礦物成分對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的2、不穩(wěn)定礦物的影響化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定的礦物，如黃鐵礦、霞石以及易溶于水的鹽類(lèi)，如石膏、滑石、鉀鹽等，具有易變性和溶解性。含有這些礦物的巖石其力學(xué)性質(zhì)隨時(shí)間而變化。3、粘土礦物的影響含有粘土礦物（蒙脫石、伊利石、高嶺石等）的巖石，遇水時(shí)發(fā)生膨脹和軟化，強(qiáng)度降低很大。2、不穩(wěn)定礦物的影響

（二）巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響1、巖石結(jié)構(gòu)的影響巖石的結(jié)構(gòu)——指巖石中晶?；驇r石顆粒的大小、形狀以及結(jié)合方式。巖漿巖：粒狀結(jié)構(gòu)、斑狀結(jié)構(gòu)、玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu)；沉積巖：粒狀結(jié)構(gòu)、片架結(jié)構(gòu)、斑基結(jié)構(gòu)；變質(zhì)巖：板理結(jié)構(gòu)、片理結(jié)構(gòu)、片麻理結(jié)構(gòu)。巖石的結(jié)構(gòu)對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的差異上。例如：粒狀結(jié)構(gòu)中，等粒結(jié)構(gòu)比非等粒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高；在等粒結(jié)構(gòu)中，細(xì)粒結(jié)構(gòu)比粗粒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高。（二）巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響1、巖石結(jié)構(gòu)

2、巖石構(gòu)造的影響巖石的構(gòu)造——指巖石中不同礦物集合體之間或礦物集合體與其他組成部分之間的排列方式及充填方式。巖漿巖：顆粒排列無(wú)一定的方向，形成塊狀構(gòu)造；沉積巖：層理構(gòu)造、頁(yè)片狀構(gòu)造；變質(zhì)巖：板狀構(gòu)造、片理構(gòu)造、片麻理構(gòu)造。層理、片理、板理和流面構(gòu)造等統(tǒng)稱(chēng)為層狀構(gòu)造。宏觀(guān)上，塊狀構(gòu)造的巖石多具有各向同性特征，而層狀構(gòu)造巖石具有各向異性特征。2、巖石構(gòu)造的影響（三）水對(duì)巖石力學(xué)性能的影響巖石中的水

水對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響與巖石的孔隙性和水理性（吸水性、軟化性、崩解性、膨脹性、抗凍性）有關(guān)。水對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響主要體現(xiàn)在5個(gè)方面：連結(jié)作用、潤(rùn)滑作用、水楔作用、孔隙壓力作用、溶蝕及潛蝕作用。結(jié)合水（連結(jié)、潤(rùn)滑、水楔作用）重力水（自由水）（孔隙壓力、溶蝕及潛蝕作用）。（三）水對(duì)巖石力學(xué)性能的影響巖石中的水水對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影1、連結(jié)作用：束縛在礦物表面的水分子通過(guò)其吸引力將礦物顆粒拉近，起連結(jié)作用。這種作用相對(duì)于礦物顆粒間的連結(jié)強(qiáng)度非常微弱，故對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)影響很小，但對(duì)于被土充填的結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)影響很明顯。2、潤(rùn)滑作用：由可溶鹽、膠體礦物連結(jié)的巖石，當(dāng)水浸入時(shí)，可溶鹽溶解，膠體水解，導(dǎo)致礦物顆粒間的連結(jié)力減弱，摩擦力降低，水起到潤(rùn)滑作用。1、連結(jié)作用：束縛在礦物表面的水分子通過(guò)其吸引力將礦物顆粒