第-2-章-巖石基本特性與實驗

第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗2.1巖石的基本物理性質(zhì)及實驗方法2.2單向應(yīng)力下巖石的變形特性2.3巖石三維應(yīng)力特性及其實驗2.4巖石的破壞機(jī)制2.5巖石的強(qiáng)度理論第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗(1)巖石的比重與容重定義:巖石的比重就是巖石試件內(nèi)固體部分實體積(不包括孔隙體積)的重量與同體積水重量的比重。

=Gd/(vcw)-------巖石的比重；Gd-------絕對干燥時，巖石固體實體積的重量；vc-------固體部分實體積；w------水的容重2.1巖石的基本物理性質(zhì)及實驗方法第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗(1)巖石的比重與容重定義:巖石的容重是指單位體積（包括孔隙體積)巖石的重量。

d=Gd/vsat=Gsat/v=G/vd、

sat、-------巖石的干、飽和、天然容重；Gd、Gsat、G-------干、水飽和、天然含水狀態(tài)下，巖石的重量；v-------巖石的體積；2.1巖石的基本物理性質(zhì)及實驗方法第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗(2)巖石孔隙性定義：孔隙性指巖石中孔隙與裂隙發(fā)育程度，常用空隙度表示?？障抖龋褐笌r石中各種孔隙、裂隙體積的總和與巖石總體積之比。n=(1-d/)*100%n---空隙度；------比重d----巖石的干容重2.1巖石的基本物理性質(zhì)及實驗方法第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗(2)巖石孔隙性空隙比：指巖石中各種孔隙、裂隙體積的總和與巖石內(nèi)固體部分實體積之比。e=v0/vce---空隙比；v0------巖石中各種孔隙、裂隙體積的總和；vc------巖石內(nèi)固體部分實體積；空隙比與空隙度的關(guān)系：e=n/（1-n）2.1巖石的基本物理性質(zhì)及實驗方法第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗(2)巖石孔隙性空隙度對巖石性質(zhì)的影響：*空隙度增大，巖石的容重與強(qiáng)度降低；*塑性與滲透性增加。幾種常見巖石的空隙度與空隙比巖石空隙度n/%空隙比e石灰?guī)r5-200.053--0.01砂巖3-300.031--0.429頁巖10--350.111--0.5382.1巖石的基本物理性質(zhì)及實驗方法第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗(3)吸水性與透水性巖石的吸水性是指遇水不崩解的巖石,在一定的實驗條件下,(規(guī)定的試樣尺寸和試驗壓力)吸入水分的能力.自然吸水率:試件在大氣壓力作用下,吸入水分的重量與試件的烘干重量之比;=Gw/Gd*100%強(qiáng)制吸水率:試件在真空或加壓(150個大氣壓)條件下吸入水分的重量與試件烘干重量之比.=Gwsat/Gd*100%影響因素分析:取決于巖石所含孔隙、裂隙數(shù)量、大小及其張開度，吸水率試驗方法和時間因素。2.1巖石的基本物理性質(zhì)及實驗方法第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗(3)吸水性與透水性幾種巖石的吸水率花崗巖0.1-0.92%砂巖0.2--12.19%頁巖1.8-3.0%石灰?guī)r0.1-4.45%巖石的透水性:指巖石被水穿過的性能;影響因素:地下水水頭、應(yīng)力狀態(tài)、裂隙度、孔隙大小及其連通程度。滲透系數(shù):衡量巖石透水性的指標(biāo).量綱為cm/s,m/h2.1巖石的基本物理性質(zhì)及實驗方法第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗Darcy定律：單位時間內(nèi)的滲水量與滲透系數(shù)k、滲透面積A和水力梯度成正比，而與長度成反比。q=kjQ=kAh/L2.1巖石的基本物理性質(zhì)及實驗方法第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗(3)吸水性與透水性幾種巖石的滲透系數(shù)巖石滲透系數(shù)cm/sec致密的石灰?guī)r<10-10粉砂巖10-8---10-9細(xì)砂巖210-7

堅硬砂巖4.4

10-5---3.910-4

泥巖10-4砂巖及多裂隙頁巖>10-3有裂隙的石灰?guī)r2-42.1巖石的基本物理性質(zhì)及實驗方法第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗(4)水對巖石的作用力學(xué)作用:靜水壓作用,改變了巖體的受力狀況,使巖體有效應(yīng)力減小,降低了抗剪強(qiáng)度

=(-u)tg+C動水壓作用表現(xiàn)在沖刷與管涌.物理化學(xué)作用:軟化、泥化、膨脹、溶蝕作用。軟化系數(shù)：=Raw/Rc2.1巖石的基本物理性質(zhì)及實驗方法第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗(1)巖石的全程應(yīng)力應(yīng)變曲線剛性試驗機(jī)發(fā)展歷史：1960’s

Cook發(fā)現(xiàn)并研制了世界上第一臺熱膨脹式的剛性試驗機(jī)，并獲得了第一條大理巖完整的全程應(yīng)力應(yīng)變曲線。以后，其他研究者又研制了剛性組件的剛性試驗機(jī)和伺服控制的剛性試驗機(jī)，例如：MTS，INSTRON我國于1970’s末期，阜新礦業(yè)學(xué)院（熱壓頭、剛性組件）、武漢巖土所（復(fù)式加載）研制了簡易剛性試驗機(jī)2.2巖石的單向應(yīng)力變形特性第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗基本原理：在進(jìn)行巖石特性試驗時，由于作用與反作用的原理，試驗機(jī)和巖石試件同時發(fā)生變形。它們被看作一個整體系統(tǒng)。試驗機(jī)的剛度：km=p/m彈性變形能：

Sm=p2/2km

巖石試件的剛度：kr=p/r彈性變形能：Sr=p2/2kr

取kr=30000MPa.cm;km=7000MPa.cm試驗機(jī)儲存的能量相當(dāng)于試樣的4倍.當(dāng)試件破壞時,試驗機(jī)能量釋放影響試件變形.2.2巖石的單向應(yīng)力變形特性第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗當(dāng)試驗機(jī)剛度大于試件剛度時,稱為剛性試驗機(jī)。目前試驗機(jī)剛度遠(yuǎn)大于試件剛度。類型：剛性組件式；2.2巖石的單向應(yīng)力變形特性第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗類型：伺服控制式2.2巖石的單向應(yīng)力變形特性第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗(1)巖石的全程應(yīng)力應(yīng)變曲線全程應(yīng)力應(yīng)變曲線特性分析2.2巖石的單向應(yīng)力變形特性第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗(1)巖石的全程應(yīng)力應(yīng)變曲線全程應(yīng)力應(yīng)變曲線特性分析2.2巖石的單向應(yīng)力變形特性第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗全程應(yīng)力應(yīng)變曲線特性分析劃分為四個變形階段:第

I階段:壓密階段,原生孔隙裂隙閉合，變形曲線斜率逐漸增加，聲發(fā)射事件偶然發(fā)生。體積減小。強(qiáng)化占支配地位。（OA段）第

II階段:線彈性變形階段，變形曲線斜率不變，聲發(fā)射事件微弱，體積減小，強(qiáng)化與弱化均衡。（AB段）第

III階段:非線性變形（彈塑性變形）階段，變形曲線斜率減小至零，聲發(fā)射事件的頻度與強(qiáng)度增強(qiáng)，體積膨脹，弱化占支配地位。裂隙密集、搭接，形成宏觀裂縫。BC段2.2巖石的單向應(yīng)力變形特性第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗(1)巖石的全程應(yīng)力應(yīng)變曲線全程應(yīng)力應(yīng)變曲線特性分析2.2巖石的單向應(yīng)力變形特性第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗(1)巖石的全程應(yīng)力應(yīng)變曲線全程應(yīng)力應(yīng)變曲線特性分析2.2巖石的單向應(yīng)力變形特性第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗第

IV階段:軟化階段,CD階段，變形曲線斜率變負(fù)，聲發(fā)射頻度與強(qiáng)度很高。體積繼續(xù)增大，弱化占支配地位，變形至殘余強(qiáng)度階段。體積膨脹：壓應(yīng)力作用下，體積增加的現(xiàn)象，本質(zhì)是剪脹。巖石是一種條件物理不穩(wěn)定性材料，這是與金屬材料本質(zhì)的區(qū)別，它決定了巖體失穩(wěn)破壞形式，巖爆，突出，地震等2.2巖石的單向應(yīng)力變形特性第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗ISRM關(guān)于測定巖石材料單軸抗壓強(qiáng)度與變形性質(zhì)的方法彈性模量：切線彈性模量平均彈性模量；割線彈性模量：波松比：=軸向變形斜率/徑向變形斜率2.2巖石的單向應(yīng)力變形特性第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗(2)巖石的抗拉強(qiáng)度及實驗直接拉伸方法:需特制一金屬帽套,將試件粘接在帽套上,在萬能試驗機(jī)上進(jìn)行拉伸實驗.實驗難做,少用.計算公式St=Pa/A間接拉伸(劈裂法,Brazil法)方法:沿圓餅狀試件(高徑比0.5)徑向加載,使之劈裂,以求得抗拉強(qiáng)度,廣泛采用.2.2巖石的單向應(yīng)力變形特性第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗(2)巖石的抗拉強(qiáng)度及實驗2.2巖石的單向應(yīng)力變形特性第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗(2)巖石的抗拉強(qiáng)度及實驗點載荷試驗法2.2巖石的單向應(yīng)力變形特性第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗(3)巖石的抗剪強(qiáng)度及實驗直接剪切(單面和雙面)2.2巖石的單向應(yīng)力變形特性第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗(3)巖石的抗剪強(qiáng)度及實驗變角剪切2.2巖石的單向應(yīng)力變形特性第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗(3)巖石的抗剪強(qiáng)度及實驗三軸壓縮試驗2.2巖石的單向應(yīng)力變形特性第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗2.1巖石的基本物理性質(zhì)及實驗方法2.2單向應(yīng)力下巖石的變形特性2.3巖石三維應(yīng)力特性及其實驗2.4巖石的破壞機(jī)制2.5巖石的強(qiáng)度理論第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗(1)巖石三維試驗的動態(tài)

意義：任何巖體工程，例如地下洞庫，壩基，巖質(zhì)邊坡，鐵路，公路隧道，地下井巷等，都處于雙向或三向受力狀態(tài)。三軸應(yīng)力試驗技術(shù)還為研究變形特性和破壞機(jī)制，驗證強(qiáng)度假說，等方面的研究，提供了有力的手段。2.3巖石三維應(yīng)力特性及實驗第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗(1)巖石三維試驗的動態(tài)試驗機(jī)的發(fā)展推動巖石力學(xué)的發(fā)展1911年Th.V.Karman研制了第一臺三軸試驗機(jī),圍壓2500atm,圓柱試件產(chǎn)生1>2=3>0的三向應(yīng)力狀態(tài).1965年,W.Buchheim研制了真三軸儀,使立方體試件產(chǎn)生1≠2≠

3>0三向壓應(yīng)力狀態(tài).1970‘s日本,法國,意大利,德國,英國,美國也研制了三軸儀,例如:日本的MOGI,美國的MTS,英國的INSTRON等1979年,日本MIS-235-5-1型大型真三軸剛性試驗機(jī)試件108*108*108mm,壓力200t,100t,100t2.3巖石三維應(yīng)力特性及實驗第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗(1)巖石三維試驗的動態(tài)中國1958年,陳宗基主持研制,長春材料試驗機(jī)廠生產(chǎn),1965年生產(chǎn)出長江-500型三軸試驗機(jī),500t,側(cè)壓1500Atm.試件17*14cm1977年,張金鑄主持研制成330型真三軸試驗機(jī),軸壓200t,水平壓力55t,試件10*10*23cm。1988年，章夢濤主持研制大型真三軸試驗機(jī)，軸壓500t，側(cè)壓300t，試件50*50*50cm2000年，趙陽升主持研制大型多功能真三軸試驗機(jī)軸壓1000t，側(cè)壓900t，試件最大尺寸100*100*100cm。2.3巖石三維應(yīng)力特性及實驗第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗(1)巖石三維試驗的動態(tài)1987年，陳宗基主持研制800t高溫高壓伺服三軸流變儀，三軸室工作壓力800MPa，溫度400℃，試樣38*82mm1981-1987年，國家地震局地質(zhì)研究所高溫高壓巖石三軸蠕變儀（固體傳壓介質(zhì)）溫度800℃，圍壓750MPa發(fā)展趨向：高溫高壓，試件大型化，測試技術(shù)，高精度的伺服控制2.3巖石三維應(yīng)力特性及實驗第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗(1)巖石三維試驗的動態(tài)2.3巖石三維應(yīng)力特性及實驗大型真三軸多功能

試驗臺

（太原理工大學(xué)一九九九年七月)國家地震局地質(zhì)研究所固體傳壓介質(zhì)高溫高壓三軸儀第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗(1)巖石三維試驗的動態(tài)2.3巖石三維應(yīng)力特性及實驗第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗(2)巖石三維變形特性巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線全過程分析I)全曲線的性態(tài)與單軸基本相同,同樣有4個變形階段.II)彈性模量變化不大;圍壓增加,塑性增加,屈服段變得平緩III)意義:多軸應(yīng)力下,全曲線的認(rèn)識,是巖石力學(xué)逐步走向獨立學(xué)科的標(biāo)志,它對支護(hù)與圍巖相互作用有重要意義.2.3巖石三維應(yīng)力特性及實驗第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗(2)巖石三維變形特性巖石強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系2.3巖石三維應(yīng)力特性及實驗第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗(2)巖石三維變形特性I)隨著圍壓增加,強(qiáng)度極限提高,關(guān)系式為:

c/0=1+a/0II)屈服限建議采用雙線性式2.3巖石三維應(yīng)力特性及實驗第

2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗(2)巖石三維變形特性巖石各向異性實驗采用大理巖圓柱試件進(jìn)行三向靜水壓力壓縮實驗,發(fā)現(xiàn)各向異性明顯.說明在靜水壓力下,巖石仍可能破壞.2.3巖石三維應(yīng)力特性及實驗第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗(2)巖石三維變形特性2.3巖石三維應(yīng)力特性及實驗第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗(2)巖石三維變形特性IV)中間主應(yīng)力的影響2的變化,改變了巖石的受力狀態(tài)和破壞機(jī)制。隨2增加，巖石強(qiáng)度先增加，后減小。隨2增加，c，和楊氏模量E也同樣呈現(xiàn)拋物線型變化。2.3巖石三維應(yīng)力特性及實驗第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗破壞類型脆性破壞或拉斷破壞：巖石在載荷作用下，沒有發(fā)生顯著的變形而突然發(fā)生的破壞。塑性破壞或剪切破壞：巖石在載荷作用下，發(fā)生了較顯著的變形（或出現(xiàn)永久變形）后發(fā)生的破壞。影響因素分析應(yīng)力狀態(tài)：溫度：溫度升高，巖石向塑性轉(zhuǎn)化，強(qiáng)度降低。圍壓：圍壓增高，巖石從脆性轉(zhuǎn)化為延性，孔隙壓：作用與圍壓相反應(yīng)變率：應(yīng)變率增加，脆性增加，抵抗力增強(qiáng)。2.4巖石破壞機(jī)制第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗（1）拉斷破壞原因：直接由拉應(yīng)力造成；由復(fù)雜應(yīng)力衍生的拉應(yīng)力造成；本質(zhì)上是巖石應(yīng)力超過它的抗拉強(qiáng)度所致。特征：沿破壞面出現(xiàn)張開破壞，即發(fā)生了相對的法向位移。直接拉斷：特點：斷裂面與受力方向垂直；間接拉斷：斷裂面與受力方向平行；2.4巖石破壞機(jī)制第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗（2）剪切破壞：原因：直接剪；復(fù)雜應(yīng)力衍生的剪應(yīng)力；特點：破裂面之間發(fā)生了相對錯動；直接剪切，破壞面與外力方向一致；間接剪切：由壓縮或其它受力方式引起，與力的方向成一定角度，剪切破壞的特征：I）X型剪切裂縫，剪應(yīng)力具有對稱性。II）剪切破壞網(wǎng)格，破壞帶互相切割。III）剪切實際上是一種塑性破壞。2.4巖石破壞機(jī)制第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗（2）剪切破壞2.4巖石破壞機(jī)制第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗（3）巖石物態(tài)轉(zhuǎn)化物態(tài)轉(zhuǎn)化：在不同條件下，巖石性質(zhì)發(fā)生變化，稱為物態(tài)轉(zhuǎn)化，分為可逆與不可逆。不同應(yīng)力（大小、維數(shù)）作用時，其性態(tài)不同，表現(xiàn)為線彈性、脆性、塑性、彈模改變等等。2的改變，引起巖石應(yīng)力狀態(tài)的改變，采用納達(dá)依Nadai參數(shù)討論。=（22-1-3）/（1-3）=-1時，2=3常規(guī)三軸壓應(yīng)力類型=0時，2=0.5(1+3)剪應(yīng)力狀態(tài)類型=+1時，1=2拉伸應(yīng)力狀態(tài)類型隨著2增加,巖石由壓縮轉(zhuǎn)化為純剪,繼而轉(zhuǎn)化為拉伸2.4巖石破壞機(jī)制第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗（3）巖石物態(tài)轉(zhuǎn)化2.4巖石破壞機(jī)制第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗（3）巖石物態(tài)轉(zhuǎn)化2.4巖石破壞機(jī)制第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗（3）巖石物態(tài)轉(zhuǎn)化2.4巖石破壞機(jī)制第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗強(qiáng)度理論:研究巖石在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的破壞原因規(guī)律及強(qiáng)度條件的理論,稱為巖石強(qiáng)度理論.強(qiáng)度條件或準(zhǔn)則分為應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則和應(yīng)變強(qiáng)度準(zhǔn)則應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則:1=f(2,3,巖石強(qiáng)度參數(shù))或F(1,2,3,巖石強(qiáng)度參數(shù))=0應(yīng)變強(qiáng)度準(zhǔn)則:1=f(2,3,巖石強(qiáng)度參數(shù))或F(1,2,3,巖石強(qiáng)度參數(shù))=02.5巖石強(qiáng)度理論第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗(1)庫侖--莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則(Coulomb--Mohrs)基本假設(shè):巖石的剪切破裂發(fā)生是某一平面剪應(yīng)力超過了巖石的內(nèi)聚力和法向應(yīng)力引起的摩擦力之抵抗.庫侖準(zhǔn)則:=C+ntg莫爾準(zhǔn)則:=f()2.5巖石強(qiáng)度理論=C+ntg=f()第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗(1)庫侖--莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則(Coulomb,1773--Mohrs,1900)基本假設(shè)的討論:破壞形式是剪切破壞;與中間主應(yīng)力無關(guān);沿一平面剪壞,該平面通過中間主應(yīng)力方向.以主應(yīng)力形式表達(dá)的庫侖--莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則2.5巖石強(qiáng)度理論第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗庫侖--莫爾強(qiáng)度理論的應(yīng)用I)判斷巖石是否發(fā)生破壞,屈服函數(shù)F=F(……)<0不破壞=0臨界破壞,>0破壞II)預(yù)測破壞面的方向剪切破壞面與最大主應(yīng)力平面夾角為=45-/2,與最小主應(yīng)力平面成=45-/2剪切破裂面是對稱共軛的一對.即X型節(jié)理.III)確定巖石單軸抗壓強(qiáng)度,抗拉強(qiáng)度,抗剪強(qiáng)度及其相互關(guān)系2.5巖石強(qiáng)度理論第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗2.5巖石強(qiáng)度理論第2章巖石的基本物理力學(xué)特性及其實驗2.5巖石強(qiáng)度理論第2章巖石的基本物理力學(xué)