第1、2節(jié)巖石的基本物理性質(zhì)課件

第二章巖石的物理力學(xué)性質(zhì)第二章巖石的物理力學(xué)性質(zhì)1授課內(nèi)容1、巖石的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造2、巖石的基本物理性質(zhì)3、巖石的強度4、巖石的變形5、巖石的流變授課內(nèi)容2

第一節(jié)巖石的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造巖石的結(jié)構(gòu):礦物顆粒的形狀、大小和聯(lián)接方式所決定的結(jié)構(gòu)特征。巖石的構(gòu)造:指各種不同的礦物集合體的各種分布和排列方式。結(jié)構(gòu)是微觀粒子而言；構(gòu)造是較大部分。第一節(jié)巖石的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造3巖石礦物顆粒間有牢固的聯(lián)結(jié)是區(qū)別與土的主要原因。分為結(jié)晶聯(lián)結(jié)和膠結(jié)聯(lián)結(jié)兩種。結(jié)晶聯(lián)結(jié)如：巖漿巖、大部分變質(zhì)巖和部分沉積巖。通過原子或離子使不同顆粒緊密聯(lián)結(jié)。膠結(jié)聯(lián)結(jié)：礦物顆粒通過膠結(jié)物聯(lián)結(jié)一起。強度取決于膠結(jié)物成分和膠結(jié)類型。如：硅質(zhì)、鐵質(zhì)、鈣質(zhì)、泥質(zhì)等。巖石礦物顆粒間有牢固的聯(lián)結(jié)是區(qū)別與土的主要原因。4第二節(jié)巖石的基本物理性質(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，也是巖石力學(xué)學(xué)科中研究最早、最完善的內(nèi)容之一。一、巖石的質(zhì)量指標（一）密度和比重1、巖石的密度：單位體積內(nèi)巖石的質(zhì)量。巖石含：固相、液相、氣相。三相比例不同而密度不同。第二節(jié)巖石的基本物理性質(zhì)5（2）飽和密度：巖石中的孔隙被水充填時的單位體積質(zhì)量（水中浸48小時）

（1）天然密度：自然狀態(tài)下，單位體積質(zhì)量

m——巖石總質(zhì)量；V——總體積。VV——孔隙體積（2）飽和密度：巖石中的孔隙被水充填時的單6（3）干密度：巖塊中的孔隙水全部蒸發(fā)后的單位體積質(zhì)量（108℃烘24h）

2、巖石的相對密度：巖石固體重量（ms）與同體積水在4℃時的重量比Vs——固體積；——水的比重ms——巖石固體的質(zhì)量。（KN/m3）（3）干密度：巖塊中的孔隙水全部蒸發(fā)后的單位體積質(zhì)量（1087二、巖石的孔隙性：反映裂隙發(fā)育程度的指標（一）孔隙比VV——孔隙體積（水銀充填法求出）（二）孔隙率V=VC+VVe~n關(guān)系二、巖石的孔隙性：反映裂隙發(fā)育程度的指標（一）孔隙比VV——8天然狀態(tài)下飽和狀態(tài)下三、巖石的水理性質(zhì)（一）含水性1、含水量：巖石孔隙中含水量GW與固體質(zhì)量之比的百分數(shù)W=WW/WS（%）2、吸水率：巖石一個大氣壓、室溫吸入水的質(zhì)量與固體質(zhì)量之比Wd=（%）吸水率是一個間接反映巖石內(nèi)孔隙多少的指標天然狀態(tài)下三、巖石的水理性質(zhì)（一）含水性1、含水量：巖石孔隙9飽水率：飽和吸水率，巖石在真空、煮沸或高壓條件下，巖石最大吸入水的重量與巖石烘干重量的比值的百分率。飽水系數(shù)：巖石吸水率與飽水率比值的百分率。飽水率：飽和吸水率，巖石在真空、煮沸或高壓條件下，巖石最大吸10

（二）滲透性在一定的水壓作用下，水穿透巖石的能力。反映了巖石中裂隙向相互連通的程度，大多滲透性可用達西（Darcy）定律描述：（m3/s）——水頭變化率；qx——沿x方向水的流量；h——水頭高度；A——垂直x方向的截面面積；k——滲透系數(shù)。（二）滲透性在一定的水壓作用下，水穿透巖石的能力。反11四、巖石的抗風(fēng)化指標（3類）(1)軟化性Rc——干燥單軸抗壓強度、Rcw——飽和單軸抗壓強度；（）越小，表示巖石受水的影響越大。耐崩解性指數(shù)是通過對巖石試件進行烘干，浸水循環(huán)試驗所得的指標。試驗時，將烘干的試塊，約500g，分成10份，放入帶有篩孔的圓筒內(nèi)，使圓筒在水槽中以20r／s速度連續(xù)轉(zhuǎn)10分鐘，然后將留在圓筒內(nèi)的石塊取出烘干稱重。如此反復(fù)進行兩次，按下式計算耐崩解性指數(shù)：(2)巖石耐崩解性指數(shù)試驗前的試件烘干質(zhì)量；殘留在筒內(nèi)的試件烘干質(zhì)量四、巖石的抗風(fēng)化指標（3類）(1)軟化性Rc——干燥單軸抗壓12第1、2節(jié)巖石的基本物理性質(zhì)課件13五.巖石的抗凍性巖石的抗凍系數(shù)是指巖樣在正負25度溫度區(qū)間內(nèi),反復(fù)降溫,凍結(jié),升溫,融解,其抗壓強度有所下降,巖樣抗壓強度的下降值與凍融前的抗壓強度比值,用百分率表示.五.巖石的抗凍性14

1、自由膨脹率：無約束條件下，浸水后膨脹變形與原尺寸之比軸向自由膨脹（%）H——試件高度徑向自由膨脹（%）D——直徑（三）巖石的膨脹性評價膨脹性巖體工程的穩(wěn)定。

1、自由膨脹率：無約束條件下，浸水后膨脹變形與原尺寸152.巖石的側(cè)向約束膨脹率（VHP）

將具有側(cè)向約束的試件浸入水中，使巖石試件僅產(chǎn)生軸向膨脹變形求得的膨脹率。

3.膨脹壓力

巖石試件浸水后，使試件保持原有體積所施加的最大壓力。2.巖石的側(cè)向約束膨脹率（VHP）

將具有側(cè)向約束的試件浸入16第三節(jié)巖石的強度性質(zhì)

（Strengthproperties）巖石強度：巖石在載荷作用下變形到一定程度就發(fā)生破壞。破壞前巖石所能承受的單位面積上的最大載荷。根據(jù)受力條件不同，巖石強度又可分為抗拉強度、抗彎強度、抗剪強度、抗壓強度。有單向應(yīng)力狀態(tài)下的強度，多向應(yīng)力狀態(tài)下的強度。第三節(jié)巖石的強度性質(zhì)

（Strengthpropertie17力學(xué)性質(zhì)

Mechanicalpropertiesofrocks巖石的力學(xué)性質(zhì)是巖石在外力作用下表現(xiàn)出來的特性。主要有變形特性、強度特性和表面特性。變形特性：彈性、塑性和脆性強度特性：抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度和抗彎強度表面特性：硬度和研磨性力學(xué)性質(zhì)

Mechanicalpropertiesof18巖石的強度特性工程師對材料提出兩個問題1最大承載力——許用應(yīng)力[]？2最大允許變形－－許用應(yīng)變[]？本節(jié)討論[]問題強度：材料受力時抵抗破壞的能力。強度單向抗壓強度單向抗拉強度剪切強度三軸壓縮真三軸假三軸巖石的強度特性工程師對材料提出兩個問題強度單向抗壓強度真三軸19巖石破壞的形式

Brokenformofrocks

脆性破壞塑脆性破壞（彈性變形不明顯）塑性破壞(a)(b)(c)巖石破壞的形式

Brokenformofrocks

脆20一巖石的單軸抗壓強度1.定義：指巖石試件在無側(cè)限的條件下，受軸向壓力作用破壞時單位面積上承受的荷載。

式中：P——無側(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長方體試件：邊長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±0.25o（1）試件標準：一巖石的單軸抗壓強度1.定義：指巖石試件在無側(cè)限的條件下，21壓縮情況下常見的破壞形式：1、劈裂2、單斜面剪切破壞3、多個共軛面剪切破壞壓縮情況下常見的破壞形式：22第1、2節(jié)巖石的基本物理性質(zhì)課件23常見的破壞形態(tài)圓錐形破壞:原因：壓板兩端存在摩擦力，箍作用（又稱端部效應(yīng)），在工程中也會出現(xiàn)。脆性柱狀劈裂破壞為:張拉破壞（巖石的抗拉強度遠小于抗壓強度）是巖石單向壓縮破壞的真實反映（消除了端部效應(yīng)）消除試件端部約束的方法潤滑試件端部（如墊云母片；涂黃油在端部）加長試件破壞形態(tài)是表現(xiàn)破壞機理的重要特征；其主要影響因素：①應(yīng)力狀態(tài)②試驗條件破壞形態(tài)是表現(xiàn)破壞機理的重要特征；24第1、2節(jié)巖石的基本物理性質(zhì)課件25第1、2節(jié)巖石的基本物理性質(zhì)課件26第1、2節(jié)巖石的基本物理性質(zhì)課件27第1、2節(jié)巖石的基本物理性質(zhì)課件28第1、2節(jié)巖石的基本物理性質(zhì)課件29第1、2節(jié)巖石的基本物理性質(zhì)課件30第1、2節(jié)巖石的基本物理性質(zhì)課件31三軸抗壓強度可分為常規(guī)三軸壓力試驗和真三軸壓力試驗。三軸壓力試驗測得的巖石強度隨圍壓的增加而提高。巖石的脆性隨圍壓的增加而具有延性。三軸抗壓強度32第1、2節(jié)巖石的基本物理性質(zhì)課件33二巖石的抗拉強度1.定義：巖石試件在受到軸向拉應(yīng)力后其試件發(fā)生破壞時的單位面積上所受的拉力。由于試件不易加工，除研究直接的拉伸的夾具外，研究了大量的間接試驗方法。2.直接拉伸法

抗拉強度關(guān)鍵技術(shù)①試件和夾具之間的連接②加力P與試件同心二巖石的抗拉強度1.定義：巖石試件在受到軸向拉應(yīng)力后其34第1、2節(jié)巖石的基本物理性質(zhì)課件35巖石單軸抗壓試驗1－巖樣；2－球座；3－鋼墊板巖石單軸拉伸試驗1－巖樣；2－夾頭；圖中尺寸單位：cm巖石單軸抗壓試驗巖石單軸拉363.間接方法

①巖石是各向同性的線彈性材料②滿足平面假設(shè)的對稱面內(nèi)彎曲適用條件：（1）抗彎法（梁的三點彎曲試驗）抗拉強度——三點彎曲梁內(nèi)的最大拉應(yīng)力；梁發(fā)生破壞時的就是M——作用在試件上的最大彎矩C——梁邊緣到中性軸的距離I——梁截面繞中性軸的慣性矩3.間接方法①巖石是各向同性的線彈性材料適用條件：（1）抗37（2）劈裂法（巴西法），對稱徑向壓裂法

由巴西人Hondros提出要求①荷載沿軸向均勻分布②破壞面必須通過試件的直徑注：①端部效應(yīng)②并非完全單向應(yīng)力試件：實心圓柱φ50mm；δ25mm試驗：徑向壓縮破壞（張開）計算公式：由彈性力學(xué)Boursinesq公式式中：——試驗中心的最大拉應(yīng)力，即p——試驗中破壞時的壓力D——試件的直徑L——試件的厚度δ（2）劈裂法（巴西法），對稱徑向壓裂法

38第1、2節(jié)巖石的基本物理性質(zhì)課件39（3）點荷載試驗法是上世紀發(fā)展起來的一種簡便的現(xiàn)場試驗方法。試件：任何形狀，尺寸大致5cm，不做任何加工。試驗：在直接帶到現(xiàn)場的點荷載儀上，加載劈裂破壞。（3）點荷載試驗法是上世紀發(fā)展起來的一種簡便的現(xiàn)場試驗方法。40第1、2節(jié)巖石的基本物理性質(zhì)課件41第1、2節(jié)巖石的基本物理性質(zhì)課件42

計算：式中：P——試件破壞時的極限D(zhuǎn)——加載點試件的厚度統(tǒng)計公式：要求:（由于離散性大），每組15個，取均值，即建議：用φ5cm的鉆孔巖芯為試件。計算：式中：P——試件破壞時的極限統(tǒng)計公式：要求:（由43三巖石的抗剪強度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τf表示2.剪切試驗方法：a.直接剪切試驗b.楔形剪切試驗c.三軸壓縮試驗三巖石的抗剪強度1.定義a.直接剪切試驗441直接剪切試驗1直接剪切試驗45第1、2節(jié)巖石的基本物理性質(zhì)課件46第1、2節(jié)巖石的基本物理性質(zhì)課件472.楔形剪切試驗楔形剪切試驗介紹：①試驗楔形剪切儀，加載裝置②計算公式式中：p——壓力機的總壓力

α——試件傾角f——圓柱形滾子與上下壓板的摩擦系數(shù)2.楔形剪切試驗楔形剪切試驗介紹：48抗剪斷儀QQNNPfPαα抗剪斷儀QQNNPfPαα49第1、2節(jié)巖石的基本物理性質(zhì)課件50剪切破壞面上的正應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ為：剪切破壞面上的正應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ為：51第1、2節(jié)巖石的基本物理性質(zhì)課件52巖石的抗剪斷σ－τ曲線（強度曲線）

改變夾具傾角α；α在30度到70度之間做一組（大于5次）不同α的試驗，記錄所得的σ，τ值；由該組值作曲線近似直線得方程

式中tanφ－巖石抗剪切內(nèi)摩擦系數(shù)c－巖石的粘結(jié)力（內(nèi)聚力）巖石的抗剪斷σ－τ曲線（強度曲線）式中tanφ－53第1、2節(jié)巖石的基本物理性質(zhì)課件54第1、2節(jié)巖石的基本物理性質(zhì)課件5