巖石的基本性質教學資料

巖石的基本性質第一節(jié)巖石的基本物理性質一、巖石的基本概念巖石是組成地殼的基本物質,由各種造巖礦物或巖屑在地質作用下按一定的規(guī)律組合而成。巖石是指從巖體中取出的，但其尺寸卻不大，有時稱為巖塊。巖石按不同的標準可分為不同類型，常見的分類有：（1）按巖石成因可分為巖漿巖、沉積巖和變質巖三大類。（2）按巖石固體礦物顆粒間的結合特征，可分為固結性、粘結性、散粒狀和流動性巖石四大類。（3）按巖石的構成特征，可以區(qū)分巖石的結構和巖石的構造。巖石的結構是決定巖石組織的各種特征（如礦物顆粒的組成成分、結晶程度、形狀和大小以及它們之間的連接狀況等）的總合；而巖石的構造則指巖石中組成成分的空間分布以及他們相互間的排列關系，如整體構造，多孔狀構造和層狀構造。（4）按巖石的力學強度和堅實性，可分為堅硬巖石和松軟巖石。工程中常把飽水狀態(tài)下單壓強度大于10MPa的巖石稱為堅硬巖石；而把低于該值的巖石稱為松軟巖石。二、巖石的質量指標（一）巖石的比重巖石的比重是指巖石固體部分的實體積（不包括空隙體積）重量與4℃時同體積水重量和巖石固體部分實體積的比值。其表達式為（1-1）式中——巖石的比重；Gd——絕對干燥時巖石固體實體積的重量，kN；Vc——巖石固體部分實體積，m3；——水的容重，4℃時等于10（kN/m3）；巖石比重取決于組成巖石的礦物比重，與巖石的空隙和吸水多少無關，且隨巖石中重礦物含量的增多而增大。煤礦中常見的巖石比重見表1-1。（二）巖石的密度和容重巖石的密度是指單位體積的巖石（包括空隙體積）質量，表達式為（1-2）式中——巖石的密度，kg/m3；M——巖石的質量，kg；V——巖石的體積，m3。巖石的密度與組成巖石礦物密度、空隙和吸水多少有關。根據(jù)巖石試樣含水狀態(tài)不同，巖石的密度可分為天然密度、飽和密度和干密度三種，前兩種一般稱為巖石的濕密度。天然密度是指巖石在天然含水狀態(tài)下的密度；飽和密度（）是指巖石在吸水飽和狀態(tài)下的密度；干密度（）是指在105～110℃下干燥24h后的密度。煤礦中常見的巖石密度見表1-1。巖石的容重是指單位體積（包括空隙體積）內巖石的質量所受的重力（kN/m3）。為便于計算，工程實踐中,可根據(jù)巖石的密度換算出巖石的容重，其公式為(1-3)式中——巖石的容重，kN/m3；——重力加速度，kN/kg；——巖石的密度，kg/m3。三、巖石的體積指標（一）巖石的孔隙性巖石的孔隙度指巖石中各種孔洞、裂隙體積的總和與巖石總體積之比，也稱孔隙率（1-4）式中n——巖石的孔隙率，%；V0——巖石中孔隙的總體積，m3；V——巖石的總體積，m3。巖石的孔隙比指巖石中各種孔洞和裂隙體積的總和與巖石內固體部分實體積之比，可表示為（1-5）式中——巖石的孔隙比；——巖石內各種孔洞和裂隙體積的總和，m3；——巖石內固體部分實體積，m3。孔隙比與孔隙度之間的關系為（1-6）一般孔隙率愈大，巖石中孔隙和裂隙就愈多，巖石的密度和強度愈低，同時使塑性變形和滲透性增大。煤礦中常見巖石的孔隙率和孔隙比見表1-1。表1-1煤礦中常見巖石的比重、密度、孔隙率以及孔隙比巖石種類砂巖頁巖石灰?guī)r板巖煤比重2.60～2.752.57～2.772.48～2.85——密度（kg/m3）（2～2.6）×103（2～2.4）×103（2.2～2.6）×103—（1.2～1.4）×103一般（1.3～1.35）×103孔隙率（%）3～3010～355～200.1～1.0—孔隙比0.031～0.4290.111～0.5380.053～0.250.001～0.0101—（二）巖石的碎脹性和壓實性巖石的碎脹性指巖石破碎以后的體積比之前體積增大的性質。常用巖石的碎脹系數(shù)來表示，即巖石破碎后處于松散狀態(tài)下的體積與巖石破碎前處于整體狀態(tài)下的體積之比，其表達式為（1-7）式中KP——巖石的碎脹系數(shù)；V'——巖石破碎膨脹后的體積，m3；V——巖石處于整體狀態(tài)下的體積，m3。煤礦中常見的巖石的碎脹系數(shù)見表1-2。表1-2煤礦中常見巖石的碎脹系數(shù)和殘余碎脹系數(shù)巖石種類碎脹系數(shù)殘余碎脹系數(shù)砂1.06～1.151.01～1.03粘土<1.21.03～1.07碎煤<1.21.05粘土頁巖1.41.10砂質頁巖1.6～1.81.1～1.15硬砂巖1.5～1.8—巖石的壓實性可用殘余碎脹系數(shù)（）來表示，即壓實后的體積與破碎前體積之比，煤礦中常見巖石殘余碎脹系數(shù)見表1-2。破碎巖石被壓實的程度與巖石本身的物理力學性質、外加載荷及破碎后經(jīng)歷的時間有關。四、巖石的水理性質（一）巖石的透水性巖石能被水透過的性能稱為巖石的透水性，其原因是巖石中存在大量的孔隙和裂隙，且大多數(shù)相互連通，在一定壓力作用下，巖石孔隙和裂隙中的地下水就可以在巖石中通過（滲透）。衡量巖石透水性的指標為滲透系數(shù)。由于目前對于水在巖石中的滲流規(guī)律還不完全清楚，其研究方法也不夠完善，通常近似其服從達西（Darcy）定律。按此規(guī)律，滲透系數(shù)的表達式為（1-8）式中K——滲透系數(shù)，m/s；Q——單位時間內的滲水量，m3/s；A——滲透面積，m2；I——水力坡度。煤礦中常見巖石的滲透系數(shù)見表1-3。表1-3煤礦中常見巖石的滲透系數(shù)巖石種類滲透系數(shù)（m/s）備注泥巖10-4現(xiàn)場測定粉砂巖10-9～10-8實驗室測定細砂巖2×10-7實驗室測定堅硬砂巖4.4×10-5～3.9×10-4砂巖或多裂隙頁巖>10-3致密的石灰?guī)r<10-10有裂隙的石灰?guī)r2～4（二）巖石的軟化性巖石的軟化性是指巖石浸水后其強度降低的性質，通常用軟化系數(shù)表示水對巖石強度的影響程度，即水飽和巖石試件的單軸抗壓強度與干燥巖石試件單軸抗壓強度之比（1-9）式中——巖石的軟化系數(shù)；——水飽和巖石試件的單軸抗壓強度，MPa；——干燥巖石試件的單軸抗壓強度，MPa。煤礦中常見巖石的軟化系數(shù)見表1-4。表1-4煤礦中常見巖石的軟化系數(shù)巖石種類干試件抗壓強度（MPa）水飽和試件抗壓強度（MPa)軟化系數(shù)粘土巖20.3～57.82.35～31.20.08～0.87頁巖55.8～133.313.4～73.60.24～0.55砂巖17.1～245.85.6～240.60.44～0.97石灰?guī)r13.1～202.67.6～185.40.58～0.94（三）巖石的膨脹性和崩解性巖石的膨脹性是指軟巖浸水后體積增大和相應地引起壓力增大的性質。巖石遇水膨脹的特性可用膨脹應力和膨脹率這兩個指標來表示。巖石的崩解性是指軟巖浸水后發(fā)生的解體現(xiàn)象，用耐崩解性指數(shù)表示，即巖樣在承受干燥和濕潤兩個標準循環(huán)之后，巖樣對軟化和崩解作用所表現(xiàn)出的抵抗能力。它直接反映了巖石在浸水和溫度變化的環(huán)境下抵抗水侵蝕作用的能力。（四）巖石的吸水性和抗凍性巖石的自然吸水率是試件在常溫常壓下吸入水分的質量與試件的干質量之比，如不專門指明，巖石的吸水率即指自然吸水率，其表達式為（1-10）式中——巖石的（自然）吸水率Mw——巖石試件在大氣壓力下吸入水分的質量，kg；Md——巖石試件干燥時的質量，kg。巖石的飽和吸水率是試件在真空、加壓（一般為15MPa）條件下吸入水分的質量與試件的干質量之比，簡稱飽水率，即（1-11）式中——巖石的飽和吸水率；——巖石試件的飽和吸水后的質量，kg。飽水系數(shù)則是指巖石的吸水率與飽水率之比，即為（1-12）式中J——飽水系數(shù)，一般（0.5～0.8）。巖石的吸水率見表1-5。表1-5幾種巖石的吸水率巖石種類花崗巖砂巖頁巖石灰?guī)r板巖吸水率0.1～0.920.20～12.191.8～3.00.10～4.450.10～0.95巖石的抗凍性是指巖石抵抗凍融破壞的能力，常用的評價指標有巖石的抗凍系數(shù)和質量損失率。巖石的抗凍系數(shù)是指巖石凍融試驗后的干抗壓強度與之前的干抗壓強度之比，即（1-13）式中——巖石的抗凍系數(shù)；——凍融前巖石干抗壓強度，MPa；——凍融后巖石干抗壓強度，MPa。巖石凍融前后干試件的質量差與凍融前干試件的質量之比，稱為巖石的質量損失率，即（1-14）式中——巖石的質量損失率；——巖石試件凍融前的質量，kg；——巖石試件凍融后的質量，kg。五、巖石的熱性和電磁性（一）巖石的容熱性巖石的容熱性指巖石進行熱交換時所吸收熱量的能力，用巖石的比熱（C）和容積熱容（CV）表示。（二）巖石的電磁特性巖石的導電性是指巖石介質傳導電流的能力，常用電阻率或電導率來表示。巖石的磁性包括感應磁性及剩余磁性，前者指巖石被現(xiàn)代地磁場磁化而產(chǎn)生的磁性，后者則指巖石形成過程中被當時地磁場磁化所保留下的磁性。感應磁化強度和剩余磁化強度是表征這兩種磁性強弱的常用指標，其二者之和可反映巖石所具有的總磁性，稱為總磁化強度。第二節(jié)巖石的強度和變形特性一、巖石變形性質的類別及其指標（一）巖石變形性質的類別巖石的變分為彈性變形、塑性變形和粘性變形三種。巖石的彈性是指巖石在外力作用下產(chǎn)生變形，當撤去外力后巖石變形能完全恢復到其原始狀態(tài)的性質，隨巖石性質的不同可分為三種不同的彈性特征（見圖1-1）圖圖1-1巖石的不同彈性類型a—線彈性；b—完全彈性；c—滯彈性1—加載過程；2—卸載過程①線彈性——應力-應變關系呈直線關系；=2*GB3②完全彈性——應力-應變關系不是直線關系，卸載時應力應變沿原來曲線返回原點；=3*GB3③滯彈性——應力-應變關系為曲線關系、無殘余變形，但卸載時應力應變沿另一條曲線返回原點。理想的巖石塑性變形應力-應變關系曲線如圖1-2a所示。應變硬化（圖1-2b）。圖圖1-2塑性變形應力應變關系曲線圖1-3為一般巖石的變形曲線，從中可看出，在外力達到屈服應力時，開始卸載初期，應力-應變曲線比較陡，但當卸載接近結束時則較平緩，甚至當完全除去應力后，還有部分變形恢復，此即彈性后效現(xiàn)象。圖圖1-3一般巖石變形曲線（二）巖石變形指標泊松比是指巖石在單軸壓縮條件下橫向應變和軸向應變的比值，也稱橫向變形系數(shù)，其表達式為（1-16）式中——巖石的泊松比；、——巖石試件的橫向應變和軸向應變。（1）當巖石在單向受壓條件下，其軸向應力-應變曲線呈直線時（見圖1-4），其彈性模量的表達式為（1-17）式中——巖石的彈性模量，kPa；——軸向應力-應變曲線上任一點的軸向應力，kPa；——對應于的軸向應變。圖圖1-4軸向的應力-應變?yōu)橹本€時巖石的彈性模量（2）當其軸向應力-應變曲線為非線性關系時，則有三種彈性模量的定義（如圖1-5），即圖圖1-5巖石的各種模量的確定=1*GB3①初始模量：曲線過原點的切線斜率，即（1-18）=2*GB3②切線模量：曲線上某一點M的切線斜率，即（1-19）=3*GB3③割線模量：曲線上某一點M的縱橫坐標之比，即（1-20）（3）當巖石在受力后既有彈性又有塑性變形時（如圖1-3），用巖石的變形模量來表征其總變形，（1-21）式中——巖石的變形模量；——應力；——分別為巖石的瞬時彈性、后效彈性、塑性應變。通常用體積應變εV即體積改變量ΔV與原體積V的比值，又稱為體積改變率來表征體積的變化（1-22）容變彈性模量，其表達式為：（1-23）煤礦中常見巖石變形指標值如表1-6所示。表1-6煤礦中常見巖石的變形指標巖石種類彈性模量E（MPa）泊松比μ壓縮拉伸平行層理垂直層理平行層理平行層理垂直層理花崗巖石灰?guī)r砂巖砂質頁巖泥質頁巖粘土煤58.8×10326.3×10336.7×10335.6×10324.5×1030.3×103(9.8～19.6)×10358.8×10328.4×10339×10323.7×10314.7×103——21.6×10325.5×10336.3×10312.7×10310.8×103——0.05～0.250.16～0.270.120.250.15～0.39—0.1～0.50.05～0.250.19～0.390.14～0.200.160.1～0.48—0.1～0.5二、巖石的抗剪強度巖石的抗剪強度是指巖石抵抗剪切破壞的極限強度（剪切面上的切向應力），它是巖石力學性質中最重要的指標之一。根據(jù)剪切試驗時加載方式的不同，可分為抗切強度、抗剪強度和摩擦強度三種。巖石的抗切強度是指剪切面上不加法向載荷，而只在水平方向施加剪切力直到巖石剪斷為止（如圖1-6a所示）。此時，抗切強度（純剪強度）等于剪切破壞面上巖石的粘結力C。巖石試樣在一法向壓應力作用下，并且在水平方向施加一能抗剪切滑動的最大剪應力，這就是巖石的抗剪強度（如圖1-6b所示）。巖石的摩擦強度是指巖石試件內已經(jīng)有斷裂面存在時，在某一法向壓應力和水平方向施一剪切力的作用下能夠抵抗的最大剪應力（如圖1-6c所示）。此時由于巖石試件已被剪斷（即巖石試件粘結力C=0），僅由于內摩擦力而起抵抗外力的作用，故稱為摩擦強度，又稱殘余抗剪強度。用這種方法得出的強度指標稱為重剪強度（圖1-6d）。圖圖1-6巖石剪切試驗不同加載方式及強度特征a—抗切試驗；b—抗剪斷試驗；c—摩擦試驗；d—重剪試驗測定巖石抗剪強度的試驗可分為現(xiàn)場試驗及室內試驗兩類。目前室內巖石抗剪強度的測定，普遍采用鍥形剪切儀來測定巖石的抗剪斷強度的鍥形剪切試驗，又稱為傾斜壓模法。（1-25）式中——試件剪切破壞面的面積，cm2。、——作用在剪切破壞面上的剪切力和正壓力，kN；圖圖1-7巖石的抗剪斷應力-應變曲線以不同的角度（45o～65o）進行試驗，分別按式（1-25）可求出相應的一組和值，于是可在-坐標系上作出反映巖石發(fā)生剪切破壞時的關系曲線（如圖1-7）。（1-26）式中——巖石抗剪斷內摩擦系數(shù)；c——巖石的粘結力（內聚力）。煤礦中幾種常見巖石的c和值見表1-7所示。表1-7煤礦中常見巖石的粘結力（內聚力）和內摩擦角巖石種類內聚力（MPa）內摩擦角花崗巖13.7～4940～60石灰?guī)r3.4～39.235～50砂巖7.8～39.235～50砂質頁巖6.846頁巖2.9～29.420～35煤1～9.816～40三、巖石的單軸強度及變形特性巖石的單軸強度根據(jù)作用在巖石試件上力的方向分為單軸抗壓強度(uniaxialcompressivestrength,簡稱UCS)和單軸抗拉強度（tensilestrength）。（一）巖石的單軸抗壓強度及變形特征巖石的單軸抗壓強度是指巖石試件在無側壓且只受軸向荷載作用下，所能承受的最大壓應力。煤礦研究巖石分類、確定破壞準則等時常采用這個指標，是目前地下工程中使用最廣的巖石力學性質參數(shù)。巖石的抗壓強度一般在實驗室壓力機上進行加壓試驗測定。試件一般采用直徑5cm、高徑比為2，沿試件各截面的直徑誤差不大于0.3mm以及兩端面的不平行度不超過0.05mm的圓柱體，并且試驗時壓力機以0.5～1.0MPa/s的速度加載，直到試件破壞。（1-27）式中——巖石單軸抗壓強度，MPa；P——巖石試件破壞時的荷載，kN；A——巖石試件的橫斷面面積，㎡。巖石的抗壓強度受巖石性質、巖樣形狀和大小以及測試方法、加載速度等的影響。一般，巖石中高強度的礦物含量越多，孔隙度越小，試件尺寸越小，則其抗壓強度越大。煤礦中常見巖石單軸抗壓強度見表1-8所示。表1-8我國煤礦常見巖石的強度巖石種類單軸抗壓強度（MPa）單軸抗壓強度（MPa）抗剪強度（MPa）砂巖類細砂巖中砂巖粗砂巖粉砂巖103.9～14385.7～133.356.8～123.536.3～54.95.5～17.66～145.4～11.61.3～2.417.4～53.413.3～36.512.4～30.46.86～11.5礫巖類砂礫巖礫巖6.9～121.580.4～942.8～9.74～11.767～28.86.6～26.4頁巖類砂質頁巖頁巖39.2～90.218.6～39.23.9～11.82.7～5.420.6～29.915.6～23.3灰?guī)r類石灰?guī)r52.9～157.87.7～13.89.8～30.4煤4.9～492～4.91.08～16.2巖石單軸加壓條件下的應力-應變全程曲線可表征巖石試件的單軸抗壓變形特性。（如圖1-8所示）。（1）全程應力-應變曲線的劃分①O-A段，原始空隙壓密階段，巖石的應力-應變曲線呈上彎形。此階段的變形模量較小，且不是一個常數(shù)。②A-B段，線彈性階段，巖石的應力-應變曲線呈直線形。③B-C段，彈塑性過渡段，巖石的應力-應變曲線從B點開始偏離直線，當應力達到0.6時，巖石內開始有微破裂不斷產(chǎn)生，巖石的體積由壓縮轉向膨脹。對應于曲線上C點的應力值稱為屈服極限。④C-D段，塑性階段，當應力超過屈服應力后接近0.95時，巖石破裂速度加快，巖石的應力-應變曲線繼續(xù)向左上方延伸，巖石的體積膨脹加速，變形也隨應力增長迅速，直到D點破壞。相應于D點的應力值稱之為巖石的強度極限（），或峰值強度。⑤D點以后，破壞階段。普通材料力學試驗機得不到D點以后應力-應變曲線。而剛性試驗機（剛性壓力機）的出現(xiàn)則使D點之后的巖石崩潰得到控制。D點以后的曲線說明，巖石破壞后并非完全失去承載力，而是保持一較小的值，相應于曲線E點所對應的應力值稱為殘余強度。D點以后的峰后區(qū)表現(xiàn)出應變軟化特性。圖圖1-8巖石的應力應變全程曲線（2）巖石單軸受壓應力-應變曲線的分類由于巖石種類眾多且其組成物質和組織結構特性的不同，在巖石受壓變形中，有的巖石塑性變形明顯，有的則是彈性變形明顯。根據(jù)大量的試驗，單軸受壓條件下巖石的應力-應變曲線大體可以歸納為以下四種類型（見圖1-9），即①直線型曲線：主要反映有明顯彈性特性的巖石，且大部分有很大的脆性，如石英巖等堅硬巖石。②下凹型曲線：也稱彈塑性曲線，主要反映具有明顯塑性的巖石變形，石灰?guī)r為其代表性巖石。③上凹型曲線：主要反映具有較大孔隙但又較堅硬巖石的變形特性，如片麻巖。④S型曲線：表征多孔且具有明顯塑性巖石的變形特性，實質是上彎型和下彎型的組合，如大理巖。圖圖1-9巖石在單向壓力下的應力應變曲線類型（二）巖石的單軸抗拉強度及變形特性目前主要用劈裂法（巴西法）來測巖石的抗拉強度（如圖1-10），用直徑5cm和厚2.5cm的圓盤形試件，使其承受徑向壓縮荷載直到破壞，求出巖石的抗拉強度，又稱做徑向壓裂法。（1-28）式中——試件破壞時的劈裂荷載，kN；、——試件的直徑和厚度，cm。圖圖1-10劈裂法試驗示意圖1—承壓板；2—試件；3—鋼絲四、巖石在三軸應力作用下的強度及變形特性三軸等應力試驗的應力組合方式為，主要研究是圍壓（）對巖石的強度、變形以及破壞的影響。三軸不等應力試驗的應力組合方式為，主要研究對巖石的強度、變形以及破壞的影響。巖石在三軸等壓縮應力作用下的強度及變形特性，試驗時先對試件施加側向壓力，達到預定值后保持不變，然后施加軸向載荷直到試件破壞。試件在某種圍壓下三軸抗壓強度（）的表達式為（1-29）式中——試件破壞時軸向載荷，kN；——試件的初始橫截面積，㎝2。煤礦中常見的幾種巖石及煤的三軸抗壓強度見表1-9。表1-9煤礦中常見的煤巖三軸抗壓強度巖石種類不同圍壓（MPa）作用下的三軸抗壓強度09.819.624.527.429.439.249.053.958.873.578.4石灰?guī)r156.8274.4372.4558.6石英砂巖158.5218.9210.8251305.3354.7砂巖67.6227.3307.2砂頁巖58.8377.3406.7硬煤19.649166.6189.1巖石在三軸等壓縮應力作用下，其變形特性將受到圍壓的影響。圖1-11為一組大理巖的試驗曲線，由圖可知：①巖石的屈服應力隨圍壓（）的增加而提高。②彈性段的斜率變化不大，即彈性模量和泊松比與單軸壓縮下基本相等。③在一定的臨界圍壓下，出現(xiàn)塑性流動現(xiàn)象；之后，如果提高圍壓，不再出現(xiàn)峰值，巖石仍保留一定的承載能力，其應力-應變曲線呈現(xiàn)單調增長趨勢。圖圖1-11三向等壓下大理石的試驗曲線五、巖石的流變（蠕變）特性（一）巖石的流變類型巖石的流變性質分為：①蠕變：在應力不變條件下，應變隨時間延長而增加的現(xiàn)象稱為蠕變變形，它與塑性變形不同，塑性變形通常在應力超過彈性極限之后才出現(xiàn)，而蠕變變形只要應力的作用時間相當長，它在應力小于彈性極限的情況也能出現(xiàn)。②松弛：應變一定時，應力隨時間的延長而減小的現(xiàn)象。③彈性后效：加載（或卸載）后經(jīng)過一段時間應變才增加（或減?。┑揭欢〝?shù)值的現(xiàn)象。④粘性流動：巖石在蠕變發(fā)生一段時間以后卸載，部分變形永久不能恢復的現(xiàn)象。（二）巖石的蠕變特性隨著采礦等巖體工程規(guī)模日益增大，巖石的流變問題已成為十分重要的問題，但對研究巖石力學問題關系更密切的是蠕變問題。反映蠕變特征的變形-時間曲線稱為蠕變曲線。圖1-12為巖石的典型蠕變曲線。圖圖1-12巖石的典型蠕變曲線由圖巖石的蠕變曲線可以劃分為以下部分：①0-A段：瞬時變形階段。在加載瞬間，試件立即產(chǎn)生一瞬時彈性應變，此段所經(jīng)時間極短，可以認為與時間無關。②A-B段：第一階段蠕變（又稱初始蠕變、過渡蠕變或阻尼蠕變）。此段應變不斷增加，但增長速率卻隨時間降低，曲線呈下凹型。③B-C段：第二階段蠕變（又稱等速蠕變或定常蠕變）。此段時間延續(xù)最長，應變隨時間呈近似的等速增長。④C-D段：第三階段蠕變（又稱加速蠕變）。當應變到達C點后加速增長，曲線呈上凹型，當應變達到某個數(shù)值D點時試件破壞。根據(jù)以上分析，蠕變的應變可以表示為（1-30）式中——蠕變的應變；、、——第一、第二和第三階段的蠕變；——第二階段蠕變的應變速率；——第二階段蠕變的時間。圖圖1-13巖石的蠕變曲線（三）巖石的流變模型最基本的流變模型也就是以下三種：①完全彈性體常用普通的彈簧來表示（如圖1-14a），其變形規(guī)律服從虎克定律（故也稱虎克體），在其變形-時間關系圖上，變形為一水平直線。（1-31）式中、——巖石的應力、應變；——巖石的彈性模量。圖1-14簡單力學模型圖1-14簡單力學模型a—完全彈性體；b—完全粘性體；c—剛-塑體②完全粘性體常用充滿粘性液體的活塞缸（阻尼器）來表征巖石的粘性（如圖1-14b），當有外力作用在阻尼器上時，活塞不會立即移動，隨著時間的推移，活塞便會逐漸的開始移動，其變形規(guī)律服從牛頓粘性規(guī)律（也稱牛頓體），即（1-32）式中——粘性系數(shù)；——正應變率。（1-33）如應力不變，公式變形為）故在變形-時間關系圖上變形為一斜直線。③剛-塑體是利用一個干摩擦塊（摩擦器）在一平面上的滑動來表征巖石的塑性變形（如圖1-14c），當作用在摩擦塊上的外力大于摩擦力（即屈服應力）時，物體開始移動（相當于產(chǎn)生塑性變形），而小于時物體則不動（即物體處于剛性不變）。其變形規(guī)律表達式為（1-34）式中——摩擦系數(shù)；——物體的重力。六、影響巖石變形和強度的因素（1）巖石的性質。（2）巖石的生成條件。（3）巖石的構造特征。表1-10層理對煤、巖單向抗壓強度的影響巖石種類抗壓強度（Mpa）兩者比值垂直層理平行層理石灰?guī)r粗粒砂巖細粒砂巖砂質頁巖頁巖無煙煤煙煤176.4139.4153.677.350.619.210.5148116.1156.550.836.012.97.21.191.200.981.521.411.491.45（4）風化、水和溫度的作用。（5）巖石試件的形狀和尺寸。（6）加載速率及次數(shù)。（7）巖石的受載狀態(tài)。第三節(jié)巖石的破壞機理和強度理論一、巖石的破壞機理（一）巖石的破壞形式根據(jù)巖石本身性質的差異和破壞前所產(chǎn)生的變形量大小，其破壞形式表現(xiàn)為脆性和塑性兩種。（二）巖石的破壞機理圖1-15（a）為單軸試驗時因壓縮而引起立方體試件拉斷破壞，稱為橫向張裂或壓裂破壞。特點是破斷后斷裂面與加載方向平行。圖1-15（b）是單軸試驗過程中因壓縮而引起長方體試件的剪切破壞，稱為壓剪破壞。試件受剪切破壞時其內部的剪應力具有對稱性，常出現(xiàn)一組成X狀的傾斜裂縫，稱為“X形剪切裂隙”，在壓縮試驗時，由于受壓面上的摩擦力，巖石試件常出現(xiàn)一種特殊的剪切破壞形態(tài)——對頂錐破壞。某些巖石的剪切破壞角見表1-11。圖圖1-15單壓下巖石破壞的形態(tài)a—張裂或壓裂破壞；b—壓剪破壞；c—塑流破壞表1-11巖石剪切破壞角巖石種類花崗巖砂巖石灰?guī)r頁巖剪切破壞角79°74°58°50°二、莫爾強度理論莫爾（Mohr）于1900年提出了莫爾強度理論，它認為材料發(fā)生破壞是由于材料的某一面上剪應力達到一定的限度（即極限剪應力），而這個剪應力與材料本身性質和正應力在破壞面上所造成的摩擦阻力有關。（一）莫爾應力圓如圖1-16（a）所示，在平面應力狀態(tài)下，有兩個主應力（，）作用在某一點上，則最大主應力與外法線成角的斜切面上法向應力和剪應力的表達式為（1-35）也就是（1-36）圖圖1-16一點平面應力狀態(tài)式（1-36）在直角坐標系是以（，0）為圓心，以為半徑的圓（即平面應力狀態(tài)下的莫爾應力圓），圖1-16（b）。（二）強度曲線圖1-17為莫爾包絡線。通過實驗可得到巖石的莫爾包絡線，常用的求強度曲線方法有以下幾種：①在巖石抗剪強度試驗時，改變鍥形剪切儀的剪切角來求巖石的強度曲線。②根據(jù)不同圍壓下的三軸壓縮試驗所測數(shù)據(jù)，得到一系列極限應力圓，然后再作出包絡線（即為所求的強度曲線圖1-18）。用這種方法求出的強度曲線比較精確。③根據(jù)單軸拉、壓和剪切試驗測數(shù)據(jù)，在“-”坐標系上，作出巖石單軸抗拉、抗壓和抗剪強度的應力圓，然后作出這三個應力圓的包絡線（即為所求的強度曲線圖1-18）。圖圖1-18根據(jù)單向拉、壓和剪切試驗求強度曲線1－單拉；2－純剪；3－單壓圖圖1-17極限應力圓及強度包絡線強度曲線的主要用途有：①在強度曲線橫軸上，受拉區(qū)為由原點向左的區(qū)域，受壓區(qū)為由原點向右的區(qū)域。其形狀由受壓區(qū)逐漸向受拉區(qū)收縮，反映了巖石抗壓強度大于抗拉強度的規(guī)律。②利用強度曲線可預測破壞面的方向。由圖1-20a中的極限應力圓2可知，因包絡線與極限應力圓相切于M、M‘兩點，說明總是成對地出現(xiàn)剪切破壞面，其與最小主應力的夾角為（+號表示由橫軸向逆時針方向轉動，-號則為向順時計方向轉動）。由于強度曲線的形狀是由抗拉象限向抗壓象限方向張開且破壞面上應力值大小相等但方向相反，所以巖石剪切面與最小主應力的夾角（為巖石內摩擦角）并且剪切破壞時經(jīng)常出現(xiàn)X形剪切裂縫，通常一對X形剪切破壞面的銳角平分線就是最大主應力的方向。③可以直接判斷巖石是否破壞。其方法是將應力圓和強度曲線放在同一個－坐標系中，若此應力圓在包絡線之內（1-19a中圓1），則巖石不破壞；如果應力圓與包絡線相切（1-19a中圓2），則巖石處于極限平衡狀態(tài)；若應力圓在包絡線之外（1-19a中圓3），則巖石將發(fā)生破壞。圖圖1-19根據(jù)巖石強度曲線判斷巖石破壞狀態(tài)示意圖（三）莫爾強度準則目前應用最為廣泛的強度準則，先由庫侖（C.A.Coulomb）在1773年提出，后來莫爾用新理論加以解釋，故稱為庫侖-莫爾強度準則。認為當壓力不大時（一般），可采用斜直線強度曲線推導出其強度準則的表達式（1-37）式中、——巖石的內聚力和內摩擦角。利用斜直線強度曲線可得出以下結論：（1）確定單軸抗壓與抗拉強度的比值，其關系式為（1-38）（2）確定剪切破壞面與最大主應力平面的夾角（即剪切破壞角）。（3）確定三軸應力狀態(tài)下的抗壓強度值。由圖1-30中的直角三角形關系，經(jīng)過換算，可得：（1-39）上式就是以極根主應力和來表示的庫侖-莫爾強度準則，也稱為極限平衡條件。當此式中=0時，巖石的單向抗壓強度，因此，巖石試件處于三向應力狀態(tài)時的抗壓強度與單向抗壓強度和側壓力之間關系的表達式為（1-40）三、格里菲斯強度理論格里菲斯（A．A．Griffith）于1921年提出了關于脆性材料破裂的理論。認為在材料內部存在許多均勻地、隨機地分布窄縫形的微裂隙。在力的作用下，處于不利方位的裂隙端部就產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，使該處的應力達到所施加壓力的幾十倍甚至上百倍，于是裂隙就沿其長度方向開始擴張，直至材料整體破壞。（一）裂紋擴展的能量準則材料在外力作用下，其中的裂紋引起應力集中，由此所聚集的彈性勢能達到或大于阻止裂紋擴展所必須作的功時，材料就會沿裂紋開始擴展。由于脆性材料的破壞一般是突然發(fā)生的，因此，在斷裂過程中沒有產(chǎn)生塑性流動，據(jù)此所釋放的彈性勢能大部分是消耗在產(chǎn)生新裂紋上，而消耗在產(chǎn)生位移的動能則可以忽略。（二）裂紋擴展的應力準則格里菲斯強度理論則認為不論材料處于何種受力狀態(tài)，本質上都是由于拉應力引起的破壞。如圖1-21a所示，如果垂直于裂隙的拉應力為巖石內的主應力，則裂隙端部就會產(chǎn)生一個其值可能是該主應力幾倍的拉應力。如果主應力為平行于裂隙的壓應力，則裂隙邊界上的A點也會擴張（圖1－20b）。如果巖石試件中的微裂隙與壓應力成一定角度且處于復雜應力狀態(tài)，則裂隙端部就會出現(xiàn)應力集中而使原有裂隙擴展（圖1-20c）。圖圖1-20巖石試件中原有裂縫的擴展1－隱裂縫；2－裂縫擴展部分所有這些應力集中，都是靠近裂隙尖端處應力值達到該點材料的抗拉強度時，才會從這個裂隙端部開始擴展至破裂。因此，脆性破壞不是因剪切而破壞，而是由于拉伸而破壞的。第四節(jié)巖體的基本特征和類型一、巖體的基本概念巖體定義為地質體的一部分，并且由位于一定地質環(huán)境中的各種巖性和結構特征巖石所組成的集合體。另外，大多數(shù)工程中所遇到的巖體是含有各種弱面的堅硬天然巖石，因此還可以把巖體看作是由結構面所包圍的結構體和結構面共同組成的。二、巖體結構面及結構體特征結構面（弱面）是巖體的重要組成部分，其在巖體結構力學效應中居主導地位，是巖體結構研究的重點。所謂“結構面”指在地質發(fā)展歷史（尤其是地質構造變形）中所形成的具有一定方向、厚度較小和一定的延展長度等特征的地質界面，如巖體中存在的節(jié)理、斷層、層面以及軟弱夾層等，都統(tǒng)稱為結構面或不連續(xù)面。表1-12結構面的相對分類工程結構尺寸（m）影響帶直徑（m）結構面長度（m）大型中等細小大型水壩高斜坡h=100h=300300300>606～60<6洞穴小型水壩h=40h=40>100>100>252.5～25<2.5隧洞斜坡φ=30h=100100100>202～20<2平洞小型基礎φ=3b=31010>20.2～2<0.2注：h工程結構體高度；φ孔洞直徑；b基礎寬度。三、巖體的基本特征（1）巖體的非均質性。（2）巖體的各向異性。（3）巖體的非連續(xù)性。表1-13巖體與巖石特征對比特征巖體巖石物質組成是巖塊的集合體，由一種或一種以上的巖石組合而成，即由結構面和結構體共同組成由結晶礦物、非晶質基質、碎屑顆粒、膠結物質分別組合構成結構根據(jù)結構面、結構體性質不同，大體分為整體結構、塊狀結構、層狀結構、碎裂結構和散體結構根據(jù)成分及礦物顆粒性質不同可分為結晶結構，碎屑結構及生物化學和膠體化學沉積的致密結構完整性因結構面發(fā)育程度不同，結構體形態(tài)、大小不一，完整性懸殊除受構造影響而有一些隱微裂隙外，一般完整性好，不易分散解體均質性因巖石組合不同，結構體和結構面特征不同，呈明顯的非均質性絕大多數(shù)巖石致密均質，可看作均勻介質各向異性不同巖石組合狀況如何，由于結構面方位、發(fā)育程度及充填情況不一，巖體有明顯的各向異性巖石內包含層面時具有各向異性特點，同一層面內則顯示各向同性。一般塊狀巖石為各向同性體連續(xù)性多裂隙巖體由于各種結構面發(fā)育，一般屬于非連續(xù)體礦物顆粒一般接觸緊密，其間空隙充填膠結較好，可認為是連續(xù)體變形特征與巖塊比，變形及泊松比大，但彈性模量小與巖體比，變形及泊松比小，但彈性模量大強度特征主要受軟弱結構面及巖石組合控制。由于結構面、結構體的特性不同，其整體強度懸殊很大。具有明顯的強度不均一性。峰值強度及殘余強度比巖塊小由微小結構起控制作用，整體強度較為均一，峰值強度比巖體大破壞機理多裂隙巖體為無拉伸材料，受拉極易開裂，受壓時常沿軟弱結構面產(chǎn)生破壞巖石在單軸受壓時以剪切破壞為主，有時出現(xiàn)拉斷破壞，在圍壓狀態(tài)下基本上是剪切破壞四、巖體結構的類型（1）整體塊狀結構。（2）層狀結構。（3）碎裂結構。（4）松散結構。第五節(jié)巖體的基本力學性能與分級標準一、巖體破壞形式撓曲、剪切、拉伸及壓縮等四種形式。二、巖體變形特征（一）巖體應力—應變曲線分析巖體中存在各種裂縫和空隙，因此在受載的開始階段體積減小，但到一定的階段體積又增大。根據(jù)目前的試驗研究，可把巖體受力后產(chǎn)生變形和破壞的過程分為四個階段，其應力應變曲線見圖1-21。（1）壓密階段。該階段是受力的復雜多裂隙巖體首先出現(xiàn)的（圖1-21中I）。其變形主要是非線性的壓縮變形，表現(xiàn)為應力應變曲線呈凹狀緩坡。（2）彈性階段。巖體經(jīng)過壓密后，可認為是連續(xù)介質。如果繼續(xù)加載就進入彈性階段（圖1-21中=2*ROMANII）。該階段的主要特點是，巖體中的結構體開始承載和變形，巖體變形的主要組成部分是彈性變形。即變形隨載荷的增加基本上按比例增長，表現(xiàn)為應力應變曲線呈直線型。（3）塑性階段。如果繼續(xù)加載當應力達到屈服點以后，巖體變形就進入塑性階段（圖1-21中=3*ROMANIII）。該階段的主要特點是以沿結構面滑移變形為主的剪切滑移變形，伴隨著結構體的變形，開始出現(xiàn)微破裂并逐漸增加，出現(xiàn)擴容、應變強化等現(xiàn)象。（4）破壞階段。如巖體承受的載荷不斷增長，其變形增長率也不斷增大，當應力達到極限強度時，巖體會沿著某些破損面滑動，于是就從塑性階段進入破壞階段（圖1-21中=4*ROMANIV）。其特點是，應力應變曲線基本上緩慢下降，標志著巖體處于破裂積累階段，當積累到一定程度后，巖體才失去穩(wěn)定而發(fā)生完全破壞。此時，巖體內不僅出現(xiàn)因原有裂縫的擴展而發(fā)展的新裂縫，并且出現(xiàn)因結構體轉動以及結構面滑移所產(chǎn)生的內部空洞，因而，巖體體積較之前大大膨脹，其縱向變形也由于巖體開始破壞而大為增加。圖圖1-21巖體應力應變曲線1－轉化點；2－屈服點；3－極限強度（二）影響巖體變形的因素（1）巖體結構的影響=1*GB3①整體結構巖體：巖體的應力應變曲線與其組成巖石的變形曲線類似，但縱、橫向變形都比巖石大，這是由于巖體內部包含較多微裂隙，體積遠大于其結構巖塊的緣故。=2*GB3②層狀結構巖體：巖體的變形特征具有明顯的各向異性。垂直層理加載時，其變形主要是層理與節(jié)理的閉合和壓密，故橫向變形比縱向變形小；平行層理加載時，初期的變形特征與均質巖體類似，但后期卻因為層間的離層，而使其塑性變形增加。=3*GB3③塊狀結構巖體：當為滑塊式塊狀結構時，其變形主要是沿結構面的滑移和壓縮，以及結構體的內在變形；當為砌塊式塊狀結構時，由于變形成分既包括結構面的壓縮和滑移變形，又包括結構體的變形和擴容，造成“假塑性變形”現(xiàn)象，所以其變形十分復雜，過程特征接近于典型的巖體應力應變曲線。=4*GB3④碎裂結構巖體：其變形特征一般認為是結構面的壓縮和滑移變形起主要作用。=5*GB3⑤散體結構巖體：這種巖體受壓后，由于碎屑或顆粒間的空隙減少，其體積將縮小。（2）巖體結構面的影響該影響又稱巖體變形的結構效應，指巖體中結構面性質、密度、產(chǎn)狀和組合方式對其變形的影響。=1*GB3①結構面性質的影響=2*GB3②結構面密度的影響=3*GB3③結構面產(chǎn)狀的影響=4*GB3④結構面組合方式的影響（3）試驗條件的影響巖體的變形與載荷大小、方向以及試件尺寸等試驗條件有很大的關系。三、巖體強度及其影響因素試驗證實，軟弱結構面具有一定的抗剪強度，并且大部分巖體在強度曲線的受壓區(qū)仍符合庫侖-莫爾準則，所以根據(jù)理論分析顯然可以認為，含有結構弱面的巖體總強度既不高于結構體的強度，也不低于結構弱面的強度，如圖1-22所示。圖圖1-22巖體強度曲線范圍1－結構體強度曲線；2—結構弱面強度曲線；3—巖體強度曲線的可能范圍影響巖體強度的因素有：1．結構面產(chǎn)狀它是指結構面與作用力之間的方位關系對巖體強度所產(chǎn)生的影響。（1）單壓下結構面產(chǎn)狀。實驗表明，層狀巖體在單壓下，加載方向與層理面呈不同角度，極限強度會隨夾角不同而有規(guī)律地變化，并且平行于層理加載的抗壓強度和抗剪強度小于垂直于層理方向加載時的相應強度，抗拉強度則大于垂直于層理的抗拉強度。（2）三軸力下結構面產(chǎn)狀。巖體在三軸壓力下，結構面產(chǎn)狀對巖體強度的影響比單壓下復雜。因此，為確定巖體強度，應根據(jù)實驗作出的巖石強度曲線，針對不同側應力，作出結構面不同傾角的巖體強度變化曲線，常稱為巖體強度圖（或稱為約翰圖）。如果已知側向應力和結構面與方向的夾角，從巖體強度圖上查得“巖體－巖石”強度換算系數(shù)，再乘以同側壓下的巖石極限強度，就可得到巖體抗壓強度。2.結構面密度結構面密度是指單位巖體內發(fā)育的結構面數(shù)量。通常，結構面密度對巖體強度的影響主要有兩方面：相同條件下，巖體內結構面數(shù)量越多，密度越大，變形也越大，但強度越低；巖體強度不會因結構面密度的增大而無限降低，而是存在一個臨界值，大于此值時，結構面密度對巖體變形和強度的影響就很小。3.試件尺寸試件尺寸對巖體強度的影響的大小主要取決于巖體結構特征或破壞程度，并與結構面產(chǎn)狀、密度以及結構面蛻化程度和結構體特征有很大關系。4.環(huán)境圍