巖石力學(xué)-第一章 巖石的物理力學(xué)性質(zhì)上

第二章巖石的物理力學(xué)性質(zhì)第一節(jié)巖石的根本構(gòu)成和地質(zhì)分類一、巖石的主要物質(zhì)成分主要造巖礦物：正長石、斜長石石英、黑云母白云母、角閃石橄欖石、方解石相對穩(wěn)定性：二、巖石的結(jié)構(gòu)

巖石結(jié)構(gòu)是指巖石中礦物顆粒間的關(guān)系，包括顆粒大小、形狀、排列、結(jié)構(gòu)連結(jié)特點以及巖石中的微結(jié)構(gòu)面。結(jié)構(gòu)連結(jié)結(jié)晶連結(jié)膠結(jié)連結(jié)基質(zhì)膠結(jié)接觸膠結(jié)孔隙膠結(jié)

結(jié)晶連結(jié)：礦物顆粒通過結(jié)晶相互結(jié)合。

膠結(jié)連結(jié)：礦物顆粒通過膠結(jié)物相互結(jié)合在一起。

微結(jié)構(gòu)面：指存在于礦物顆粒內(nèi)部或礦物顆粒之間的微小弱面及空隙。膠結(jié)連結(jié)類型三、巖石的地質(zhì)成因分類巖漿巖巖漿巖深成巖淺成巖噴出巖巖漿巖分類表三、巖石的地質(zhì)成因分類沉積巖火山碎屑巖膠結(jié)碎屑巖粘土巖化學(xué)巖生物巖沉積巖沉積巖分類表三、巖石的地質(zhì)成因分類變質(zhì)巖變質(zhì)巖接觸變質(zhì)巖動力變質(zhì)巖區(qū)域變質(zhì)巖變質(zhì)巖分類表四、典型巖石花崗巖橄欖巖玄武巖安山巖流紋巖沉積巖變質(zhì)巖第二節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)一、巖石的容重1、天然容重：天然狀態(tài)下，單位體積的重量2、飽和容重：水飽和狀態(tài)下，單位體積的重量3、干容重：干質(zhì)量狀態(tài)下，單位體積的重量4、相對密度：干重量除以實體積與40C純水重度的比值。〔比重〕二、巖石的孔隙性1、孔隙率：孔隙體積與總體積〔包含孔隙〕之比2、孔隙比：孔隙體積與實體體積之比三、巖石的吸水性1、含水率：巖石中含水質(zhì)量與巖石干質(zhì)量之比2、吸水率：巖石在常溫常壓下吸入水的質(zhì)量與巖石干質(zhì)量之比3、飽和吸水率：巖石在高壓〔15MPa〕或真空下吸入水的質(zhì)量與巖石干質(zhì)量之比4、飽水系數(shù)：巖石吸水率與飽和吸水率之比四、巖石的抗凍性1、抗凍系數(shù)：巖石反復(fù)凍融后干抗壓強度與凍融前干抗壓強度之比2、質(zhì)量損失率：凍融試驗前后干質(zhì)量之差與試驗前干質(zhì)量之比五、巖石的軟化性軟化系數(shù)：巖石浸水后的飽和抗壓強度與巖石干抗壓強度之比耐崩解指數(shù)：崩解后巖石干質(zhì)量與崩解前巖石干質(zhì)量之比六、巖石的崩解性七、巖石的膨脹性1、自由膨脹率：無約束條件下浸水后巖石膨脹變形與巖石原尺寸之比2、側(cè)向約束膨脹率：在側(cè)向約束條件下，巖石僅產(chǎn)生的軸向變形與巖石軸向原尺寸之比八、巖石的透水性滲透系數(shù)碎脹系數(shù)：巖石破碎后體積與破碎前體積之比九、巖石的碎脹性永久碎脹系數(shù)3、膨脹壓力：巖石浸水后，使巖石保持原有體積所施加的最大壓力第三節(jié)巖石的力學(xué)性質(zhì)一、巖石的變形性質(zhì)1、彈性〔elasticity〕：在一定的應(yīng)力范圍內(nèi)，物體受力后產(chǎn)生變形，當(dāng)卸載后能夠立即恢復(fù)原有形狀和尺寸大小的性質(zhì)。2、塑性〔plasticity〕：物體受力后產(chǎn)生變形，卸載后不能完全恢復(fù)原狀的性質(zhì)?！惨弧场r石根本力學(xué)屬性4、脆性〔brittle〕：物體受力后產(chǎn)生變形，變形很小就發(fā)生破裂的性質(zhì)。5、延性〔ductile〕：物體能承受較大塑性變形而不喪失其承載力的性質(zhì)。3、粘性〔plasticity〕：物體受力后變形不能在瞬時完成，且應(yīng)變速率隨應(yīng)力增加而增加的性質(zhì)。〔二〕、單軸壓縮條件下巖石變形性質(zhì)單軸壓縮條件下巖石的應(yīng)力——應(yīng)變曲線類型1、彈性變形應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系是一直線或者近似直線，直到試樣發(fā)生突然破壞為止。具有這種變形類型的巖石有：玄武巖、石英巖、白云巖以及極鞏固的石灰?guī)r。

〔二〕、單軸壓縮條件下巖石變形性質(zhì)單軸壓縮條件下巖石的應(yīng)力——應(yīng)變曲線類型2、彈塑性變形

在應(yīng)力較低時，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系近似于直線，當(dāng)應(yīng)力增加到一定數(shù)值后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線向下彎曲變化，且隨著應(yīng)力逐漸增加，曲線斜率也愈來愈小，直至破壞，具有這種變形類型的巖石有：凝灰?guī)r、軟弱灰?guī)r、泥巖。

〔二〕、單軸壓縮條件下巖石變形性質(zhì)單軸壓縮條件下巖石的應(yīng)力——應(yīng)變曲線類型3、塑彈性變形

在應(yīng)力較低時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線略向上彎曲。當(dāng)應(yīng)力增加到一定數(shù)值后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線就逐漸變?yōu)橹本€，直至試樣發(fā)生破壞。具有這種變形性質(zhì)的代表性巖石有：砂巖、花崗巖、片理平行于壓力方向的片巖以及某些輝綠巖等?！捕场屋S壓縮條件下巖石變形性質(zhì)單軸壓縮條件下巖石的應(yīng)力——應(yīng)變曲線類型4、塑彈塑變形

壓力較低時，曲線向上彎曲。當(dāng)壓力增加到一定值后，變形曲線就成為直線。最后，曲線向下彎曲。曲線似S形；具有這種變形類型的巖石有：片麻巖、大理巖。

〔二〕、單軸壓縮條件下巖石變形性質(zhì)單軸壓縮條件下巖石的應(yīng)力——應(yīng)變曲線類型5、塑彈塑變形根本上與第4種類型相同，也似S形，不過曲線的斜率較平緩。一般發(fā)生在壓縮性較高的巖石中。壓力垂直于片理的片巖具有這種性質(zhì)。

〔二〕、單軸壓縮條件下巖石變形性質(zhì)單軸壓縮條件下巖石的應(yīng)力——應(yīng)變曲線類型6、彈塑蠕變變形應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線是巖鹽的特征，開始先有很小一段直線局部，然后有非彈性的曲線局部，并繼續(xù)不斷地蠕變。某些軟弱巖石也具有類似特性。〔二〕、單軸壓縮條件下巖石變形性質(zhì)連續(xù)加載下的變形特征典型的巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線那么往往是如下圖的形式。這種曲線一般可以分為四個區(qū)段：①在OA區(qū)段內(nèi)，該曲線稍微向上彎曲；②在AB區(qū)段內(nèi)，很接近于直線；③BC區(qū)段內(nèi)，曲線向下彎曲，直至C點的最大值；④下降段CD。〔二〕、單軸壓縮條件下巖石變形性質(zhì)連續(xù)加載下的變形特征

在OA和AB這兩個區(qū)段內(nèi)，巖石很接近于彈性的，可能稍有一點滯回效應(yīng)，但是在這兩個區(qū)內(nèi)加載與卸載對于巖石不發(fā)生不可恢復(fù)的變形。第三區(qū)段BC的起點B往往是在C點最大應(yīng)力值的2/3處，從B點開始，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率隨著應(yīng)力的增加而逐漸降低到零。在這一范圍內(nèi)，巖石將發(fā)生不可恢復(fù)的變形，加載與卸載的每次循環(huán)都是不同的曲線。〔二〕、單軸壓縮條件下巖石變形性質(zhì)連續(xù)加載下的變形特征在圖上的卸載曲線PQ在零應(yīng)力時還有剩余變形。如果巖石上再加載，那么再加載曲線QR總是在曲線OABC以下，但最終與之連接起來。第四區(qū)段CD，其特點是這一區(qū)段上曲線的斜率為負(fù)值。在這一區(qū)段內(nèi)卸載可能產(chǎn)生很大的剩余變形。可以看出，TU線在比S點低得多的應(yīng)力下趨近于CD曲線。這一范圍內(nèi)的特點是巖石表現(xiàn)出脆性性質(zhì)。從圖上所示破壞后的荷載循環(huán)STU來看，破壞后的巖石仍具有一定的承載能力?！捕?、單軸壓縮條件下巖石變形性質(zhì)典型巖石全應(yīng)力——應(yīng)變曲線意義1、破壞后的巖石仍具有一定的剩余強度。2、預(yù)測高應(yīng)力作用下是否發(fā)生巖爆。3、作巖石全應(yīng)力——應(yīng)變曲線對于壓力機的要求。4、預(yù)測蠕變破壞〔二〕、單軸壓縮條件下巖石變形性質(zhì)單軸壓縮條件下反復(fù)加載與卸載時巖石的變形特征1、彈性巖石線彈性巖石完全彈性巖石滯彈性巖石〔二〕、單軸壓縮條件下巖石變形性質(zhì)單軸壓縮條件下反復(fù)加載與卸載時巖石的變形特征2、彈塑性巖石〔二〕、單軸壓縮條件下巖石變形性質(zhì)單軸壓縮條件下反復(fù)加載與卸載時巖石的變形特征2、循環(huán)加、卸載條件下彈塑性變形特點1、逐級加載條件下，其應(yīng)力——應(yīng)變曲線外包絡(luò)線與連續(xù)加載條件下曲線根本一致，這種現(xiàn)象也稱為巖石記憶。2、每次加載、卸載曲線不重合，且圍成一環(huán)行面積，稱回滯環(huán)。當(dāng)卸載應(yīng)力水平一定時，加、卸載循環(huán)次數(shù)越多，卸載曲線與其后一次再加載曲線之間形成的回滯環(huán)面積越來越小，其彼此逐漸靠近，并趨于平行。3、當(dāng)卸載應(yīng)力水平一定時，每次循環(huán)中的塑性應(yīng)變逐漸減小。4、當(dāng)卸載應(yīng)力不超過屈服極限時,即使循環(huán)次數(shù)很多,巖石也不會破壞,當(dāng)超過屈服極限時,在某次循環(huán)中，巖石可能破壞，破壞點為與全應(yīng)力——應(yīng)變曲線后半程相交處，此時對應(yīng)的強度稱疲勞強度?！踩?、三軸壓縮條件下巖石變形性質(zhì)三軸試驗類型1、常規(guī)三軸試驗〔假三軸試驗〕軸對稱三向壓縮軸對稱三向拉伸2、真三軸試驗三軸不等壓三軸等壓〔三〕、三軸壓縮條件下巖石變形性質(zhì)三軸試驗特點1、彈性段斜率變化不大，與單軸壓縮下根本相同。2、屈服極限、峰值極限應(yīng)變量、峰值強度、剩余強度都與圍壓成正變關(guān)系。3、大局部巖石在一定臨界圍壓下，出現(xiàn)屈服平臺，出現(xiàn)塑性流動現(xiàn)象。4、到達臨界圍壓后繼續(xù)提高圍壓，剩余強度和極限強度相等。應(yīng)力——應(yīng)變關(guān)系總體表現(xiàn)為單調(diào)遞增。5、不同圍壓下，各峰值強度連線為直線，初始彈性段幾乎重合。6、巖石強度也與最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的差值有關(guān)系。〔四〕、巖石變形特性參數(shù)1、初始彈性模量：過原點的切線斜率。2、切線彈性模量：過任意點的切線斜率。3、割線彈性模量：原點與其他任意點的割線斜率。4、變形模量：正應(yīng)力與總應(yīng)變〔彈性應(yīng)變與塑性應(yīng)變之和〕的比值。5、體積應(yīng)變：巖石變形后體積增量與原體積之比。6、泊松比：橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比，也叫橫向變形系數(shù)。二、巖石的擴容〔一〕、巖石體積的變化體積應(yīng)變巖石擴容的三個開展階段體積減小階段體積不變階段擴容階段〔二〕、巖石擴容特點分析1、G點以下兩橫向變形曲線重合，說明在G點以下兩個方向變形協(xié)調(diào)。過了G點一個橫向變形快，一個橫向變形慢，表現(xiàn)出明顯的各向異性。不同巖石在G點的應(yīng)力最小為抗壓強度的2.76%,最大為62.2%，應(yīng)力相差較大。云南錫業(yè)公司松樹腳礦大理巖石試件應(yīng)力—應(yīng)變曲線。〔二〕、巖石擴容特點分析2、E點以下為直線，E點之后曲線向左彎曲，E點應(yīng)力稱初始擴容應(yīng)力，表示巖石初裂。F點為體積變形曲線突變點，F(xiàn)點應(yīng)力為臨界應(yīng)力。超過F點之后，兩橫向變形速率明顯增大，巖石內(nèi)部裂隙逐步開展成連續(xù)裂隙，出現(xiàn)兩橫向應(yīng)變之和大于縱向應(yīng)變，曲線進入負(fù)應(yīng)變〔膨脹〕，預(yù)示巖石即將破裂。D點為屈服極限。云南錫業(yè)公司松樹腳礦大理巖石試件應(yīng)力—應(yīng)變曲線。三、巖石的各向異性三向應(yīng)力狀態(tài)下巖石的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系三向應(yīng)力狀態(tài)下巖石的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系〔一〕、極端各向異性體特點：任何一個應(yīng)力分量的變化都會引起六個應(yīng)變分量的變化，即正應(yīng)力既能引起正應(yīng)變，也能引起剪應(yīng)變；剪應(yīng)力不僅能引起剪應(yīng)變，也能引起正應(yīng)變?！捕?、正交各向異性體特點：在三個彈性對稱面的兩邊，彈性相同，但彈性主向上彈性不同。正交各向異性體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系〔三〕、橫觀各向同性體特點：在各向同性面上彈性相同，但在垂直此面方向上彈性不同。橫觀各向同性體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系〔四〕、各向同性體特點：任何一個方向巖石的彈性都相同。三、巖石的強度特征〔一〕、巖石強度類型1、單軸抗壓強度2、單軸抗拉強度3、抗剪強度4、三軸抗壓強度〔二〕、單軸抗壓強度1、單軸抗壓強度表示形式2、影響巖石單軸抗壓強度的因素①巖石內(nèi)在因素：包括礦物成分、結(jié)晶程度、顆粒連結(jié)、膠結(jié)情況、密度、層理、孔隙特征等。②試驗方法因素：包括加工精度、高徑比、尺寸效應(yīng)、端面效應(yīng)、承壓板剛度、加載速率等。③環(huán)境因素：包括水、風(fēng)化、溫度等?！踩场屋S抗拉強度1、單軸抗拉強度表示形式a—理想受力狀態(tài)b—夾具直接夾緊c—水泥膠結(jié)d—環(huán)氧樹脂膠結(jié)②抗彎法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劈裂法〔巴西法〕④點載荷法點載荷強度指數(shù)巖石抗壓(拉〕強度〔四〕、抗剪強度1、抗剪強度表示形式2、巖石剪切試驗類型①抗剪斷試驗直剪試驗②抗剪試驗〔摩擦試驗〕③抗切試驗直剪試驗缺點：巖石剪切破壞不能人為規(guī)定在某個面上；破壞面應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜。楔形剪切〔變角板剪切〕楔形剪切缺點：傾角不宜過大，否那么試件易于傾倒且產(chǎn)生力偶作用；傾角不宜過小，否那么試