巖塊的物理力學(xué)性質(zhì)

關(guān)于巖塊的物理力學(xué)性質(zhì)§2.2巖石的物理性質(zhì)一、巖石的密度二、巖石的空隙性

巖石由固體、液體和氣體三相組成。msmwo水氣V0VWVSVV固巖石三相組成部分的相對比例關(guān)系不同所表現(xiàn)的物理狀態(tài)。第2頁,共57頁，2024年2月25日，星期天一、巖石的密度（單位體積內(nèi)的巖石質(zhì)量）1、顆粒密度(ρs)：ρs=ms/Vs2、塊體密度(ρ)：巖塊單位體積的質(zhì)量。按含水量的多少可分為：天然密度：ρ=m/V

干密度：ρd=ms/V

飽和密度:ρsat=msat/Vmsmwo水氣V0VWVSVV固第3頁,共57頁，2024年2月25日，星期天二、巖石的空隙性：孔隙+裂隙總空隙率(n)總開空隙率(no)大開空隙率(nb)小開空隙率(na)閉空隙率(nc)巖石的空隙(裂隙、孔隙)

閉空隙開空隙大開空隙小開空隙空隙比空隙率顆粒體積第4頁,共57頁，2024年2月25日，星期天空隙性對巖塊及巖體力學(xué)性質(zhì)影響1、n愈大，巖塊的強(qiáng)度愈小、塑性變形和滲透性愈大；2、空隙易造成巖石風(fēng)化，工程地質(zhì)性質(zhì)惡化；3、對可溶性巖石，空隙使巖溶發(fā)育。第5頁,共57頁，2024年2月25日，星期天巖石在水溶液作用下表現(xiàn)出來的性質(zhì)。

1.吸水性2.軟化性3.抗凍性4.透水性§2.3

巖石的水理性質(zhì)第6頁,共57頁，2024年2月25日，星期天一、巖石的吸水性

巖石在一定試驗(yàn)條件下吸收水分的能力。

1.吸水率(Wa)：巖石試件在大氣壓力和室溫條件下自由吸入水的質(zhì)量(mw1)與巖樣干質(zhì)量(ms)之比，用百分?jǐn)?shù)表示大開空隙率第7頁,共57頁，2024年2月25日，星期天2.飽和吸水率Wp：高壓(15MPa)或真空條件下吸入水的質(zhì)量(mw2)與巖樣干質(zhì)量(ms)之比，用百分?jǐn)?shù)表示總開空隙率第8頁,共57頁，2024年2月25日，星期天Wa/Wp3.飽水系數(shù)反映巖石中大、小開空隙的相對比例關(guān)系。飽水系數(shù)大,大開空隙越多,巖石愈易被凍壞，抗凍性差第9頁,共57頁，2024年2月25日，星期天

幾種巖石的吸水性指標(biāo)值第10頁,共57頁，2024年2月25日，星期天二、巖石的軟化性軟化系數(shù)(KR)：巖石試件的飽和抗壓強(qiáng)度(σcw)與干抗壓強(qiáng)度(σc)的比值巖石浸水飽和后強(qiáng)度降低的性質(zhì)第11頁,共57頁，2024年2月25日，星期天巖石中含有較多親水性和可溶性礦物，含大開空隙較多時(shí)，巖石的軟化性較強(qiáng)，軟化系數(shù)較小。（軟化性與巖石礦物成分及空隙性有關(guān)）KR＞0.75，巖石軟化性弱，抗凍性和抗風(fēng)化能力強(qiáng)；KR＜0.75，巖石軟化性較強(qiáng)，工程地質(zhì)性質(zhì)較差。第12頁,共57頁，2024年2月25日，星期天三、巖石的抗凍性巖石抵抗凍融破壞的能力抗凍系數(shù)(Rd)：巖石試件經(jīng)反復(fù)凍融后的干抗壓強(qiáng)度(σcd2)與凍融前干抗壓強(qiáng)度(σcd1)之比，用百分?jǐn)?shù)表示第13頁,共57頁，2024年2月25日，星期天Rd＞75％，Km＜2％時(shí)，抗凍性高；Wa＜5％、KR＞0.75和Rd＜0.8時(shí)，抗凍性高。質(zhì)量損失率(Km)：凍融試驗(yàn)前后干質(zhì)量之差(ms1-ms2)與試驗(yàn)前干質(zhì)量(ms1)之比，以百分?jǐn)?shù)表示第14頁,共57頁，2024年2月25日，星期天四、巖石的透水性在一定的水力梯度或壓力差作用下，巖石能被水透過的性質(zhì)。水在巖石中的流動(dòng)，服從線性滲流規(guī)律——達(dá)西定律，即K：cm/sm/d滲透流速滲透系數(shù)水力梯度第15頁,共57頁，2024年2月25日，星期天§2.4巖石的熱學(xué)性質(zhì)（自學(xué)）第16頁,共57頁，2024年2月25日，星期天復(fù)習(xí)總結(jié)1、巖石的物理性質(zhì)

1)巖石的密度

2)巖石的空隙性2、巖石的水理性質(zhì)1).吸水性：吸水率(Wa)、飽和吸水率(Wp)、飽水系數(shù)

2).軟化性：軟化系數(shù)(KR)3).抗凍性：抗凍系數(shù)(Rd)、質(zhì)量損失率(Km)4).透水性：滲透系數(shù)(K)顆粒密度(ρs)塊體密度(ρ、ρd、ρsat)空隙比(e)空隙率(nn0nanbnc)第17頁,共57頁，2024年2月25日，星期天巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)應(yīng)力、應(yīng)變應(yīng)力狀態(tài)、摩爾應(yīng)力圓幾個(gè)基本概念zyx

z

zx

zy

x

y

xz

yz

yx

xy任意狀態(tài)主應(yīng)力狀態(tài)第18頁,共57頁，2024年2月25日，星期天強(qiáng)度、剛度變形

彈性變形、塑性變形

彈性、塑性破壞

脆性破壞、塑性破壞脆性、塑性粘性、延性巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第19頁,共57頁，2024年2月25日，星期天§2.5巖塊的變形性質(zhì)加荷方式單軸加荷三軸加荷單軸壓縮單軸拉伸連續(xù)加荷循環(huán)加荷逐級一次循環(huán)加荷反復(fù)循環(huán)加卸荷加剪力tptptp巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第20頁,共57頁，2024年2月25日，星期天一、單軸壓縮條件下的巖塊變形（一）連續(xù)加載

1、變形階段空隙壓密階段(OA)峰值前變形階段峰值后變形階段

oABCDE(+)(-)

L

V

d

巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)破壞后階段(DE)全過程曲線

前過程曲線非穩(wěn)定發(fā)展階段(CD)D點(diǎn):峰值強(qiáng)度微裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段(BC)C點(diǎn):屈服強(qiáng)度彈性變形階段(AB)B點(diǎn):彈性極限第21頁,共57頁，2024年2月25日，星期天巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第22頁,共57頁，2024年2月25日，星期天2、峰值前巖塊的變形特征

（1）前過程曲線類型及特征

彈性型彈-塑性型塑-彈性型塑-彈-塑性型1塑-彈-塑性型2彈性-蠕變型巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第23頁,共57頁，2024年2月25日，星期天（2）變形參數(shù)1)變形模量（modulusofdeformation)是指單軸壓縮條件下，軸向壓應(yīng)力與軸向應(yīng)變之比。應(yīng)力-應(yīng)變曲線為直線型這時(shí)變形模量又稱為彈性模量

Lo

2

50

1

i

1

50

2

io

L

i

i應(yīng)力-應(yīng)變曲線為“S”型初始模量(Ei)指曲線原點(diǎn)處切線斜率切線模量(Et)指曲線上任一點(diǎn)處切線的斜率，在此特指中部直線段的斜率割線模量(Es)指曲線上某特定點(diǎn)與原點(diǎn)連線的斜率，通常取σc／２處的點(diǎn)與原點(diǎn)連線的斜率巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第24頁,共57頁，2024年2月25日，星期天2)泊松比(μ)（poisson`sratio）是指在單軸壓縮條件下，

橫向應(yīng)變（εｄ）與軸向應(yīng)變（εＬ）之比在實(shí)際工作中，常采用σｃ／２處的εｄ與εＬ來計(jì)算巖塊的泊松比。巖塊的變形模量和泊松比受巖石礦物組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、風(fēng)化程度、空隙性、含水率、微結(jié)構(gòu)面及其與荷載方向的關(guān)系等多種因素的影響，變化較大。巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第25頁,共57頁，2024年2月25日，星期天

巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)常見巖石的變形模量和泊松比巖石名稱變形模量（×104MPa）泊松比巖石名稱變形模量（×104MPa）泊松比初始彈性初始彈性花崗巖2~65~100.2~0.3片麻巖1~81~100.22~0.35流紋巖2~85~100.1~0.25千枚巖、片巖0.2~51~80.2~0.4閃長巖7~107~150.1~0.3板巖2~52~80.2~0.3安山巖5~105~120.2~0.3頁巖1~3.52~80.2~0.4輝長巖7~117~150.12~0.2砂巖0.5~81~100.2~0.3輝綠巖8~118~150.1~0.3礫巖0.5~82~80.2~0.3玄武巖6~106~120.1~0.35灰?guī)r1~85~100.2~0.35石英巖6~206~200.1~0.25白云巖4~84~80.2~0.35大理巖1~91~90.2~0.35第26頁,共57頁，2024年2月25日，星期天3)其他變形參數(shù)剪切模量（Ｇ）拉梅常數(shù)（λ）體積模量（ＫV)彈性抗力系數(shù)（Ｋ）巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第27頁,共57頁，2024年2月25日，星期天伺服機(jī)試驗(yàn)結(jié)果3.峰值后巖塊的變形特征脆性大的巖石塑性大的巖石第28頁,共57頁，2024年2月25日，星期天（二）

循環(huán)加載2.

卸荷點(diǎn)（P）的應(yīng)力高于巖石的彈性極限(A)1.卸荷點(diǎn)（P）的應(yīng)力低于巖石的彈性極限(A)巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第29頁,共57頁，2024年2月25日，星期天巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)3.反復(fù)加卸荷(巖石記憶、回滯環(huán)、疲勞破壞）第30頁,共57頁，2024年2月25日，星期天二、三軸壓縮條件下的巖塊變形性（一）三軸試驗(yàn)真三軸試驗(yàn)

1>2>3

常規(guī)三軸試驗(yàn)

1>2=3

巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第31頁,共57頁，2024年2月25日，星期天

（二）圍壓對變形破壞的影響1、巖石破壞前應(yīng)變隨

3增大而增大2、巖石的峰值強(qiáng)度隨

3增大而增大3、隨

3增大巖石變形模量增大，軟巖增大明顯，致密的硬巖增大不明顯巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第32頁,共57頁，2024年2月25日，星期天4、隨

3增大，巖石的塑性不斷增大，隨

3增大到一定值時(shí)，巖石由彈脆性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄?。這時(shí)，3的大小稱為“轉(zhuǎn)化壓力”。

5、隨

3的增大，巖塊從脆性劈裂破壞逐漸向塑性剪切及塑性流動(dòng)破壞方式過渡。巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第33頁,共57頁，2024年2月25日，星期天三、巖石的蠕變性質(zhì)在外部條件不變的情況下，巖石的變形或應(yīng)力隨時(shí)間而變化的現(xiàn)象叫流變，主要包括蠕變、松弛。蠕變(creep)是指巖石在恒定的荷載作用下，變形隨時(shí)間逐漸增大的性質(zhì)。

1.

蠕變曲線特征（三個(gè)階段）AB段-初始蠕變階段BC段-等速蠕變階段CD段-加速蠕變階段巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第34頁,共57頁，2024年2月25日，星期天2.

影響蠕變的因素巖性應(yīng)力溫度、濕度巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第35頁,共57頁，2024年2月25日，星期天3.蠕變模型及本構(gòu)方程（自學(xué)）（1）理想物體基本模型彈性元件

粘性元件

塑性元件巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第36頁,共57頁，2024年2月25日，星期天（2）組合模型

Maxwall

模型巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第37頁,共57頁，2024年2月25日，星期天Kelvin模型巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第38頁,共57頁，2024年2月25日，星期天巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)其他模型第39頁,共57頁，2024年2月25日，星期天§2.6巖塊的強(qiáng)度性質(zhì)巖塊強(qiáng)度：巖塊抵抗外力破壞的能力。巖塊破壞方式脆性破壞塑性破壞(延性破壞）拉破壞剪切破壞一、單軸抗壓強(qiáng)度二、單軸抗拉強(qiáng)度三、剪切強(qiáng)度四、三軸壓縮強(qiáng)度受力狀態(tài)巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第40頁,共57頁，2024年2月25日，星期天

一、單軸抗壓強(qiáng)度σc1、定義：在單向壓縮條件下，巖塊能承受的最大壓應(yīng)力，簡稱抗壓強(qiáng)度（MPa）。

2、意義:

衡量巖塊基本力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)

巖體工程分類、建立巖體破壞判據(jù)的重要指標(biāo)

用來大致估算其他強(qiáng)度參數(shù)

3、測定方法：抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試樣pA點(diǎn)荷載試驗(yàn)

巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第41頁,共57頁，2024年2月25日，星期天常規(guī)壓力機(jī)巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第42頁,共57頁，2024年2月25日，星期天4、破壞方式：拉破壞、剪破壞、對頂錐破壞巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第43頁,共57頁，2024年2月25日，星期天常見巖石的抗壓強(qiáng)度

巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)巖石名稱抗壓強(qiáng)度（MPa）巖石名稱抗壓強(qiáng)度（MPa）巖石名稱抗壓強(qiáng)度（MPa）輝長巖180~300輝綠巖200~350頁巖10~100花崗巖100~250玄武巖150~300砂巖20~200流紋巖180~300石英巖150~350礫巖10~150閃長巖100~250大理巖100~250板巖60~200安山巖100~250片麻巖50~200千枚巖、片巖10~100白云巖80~250灰?guī)r20~200第44頁,共57頁，2024年2月25日，星期天5.影響因素

（1）巖石自身的性質(zhì)（礦物組成、粒間連接、巖性、結(jié)構(gòu)特征、顆粒大小及形狀、風(fēng)化程度、微結(jié)構(gòu)面）

（2）實(shí)驗(yàn)條件試件形狀、尺寸及加工精度

斷面形狀：強(qiáng)度:圓形>六多邊形>四邊形>三邊形試件尺寸效應(yīng)：尺寸越大，巖塊強(qiáng)度越低。

試件的高徑比h/D增大，巖塊強(qiáng)度降低。

加工精度：加荷速率

強(qiáng)度常隨加荷速率增大而增高

溫度、濕度

含水量越高,強(qiáng)度越低;溫度越高，強(qiáng)度越低。巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第45頁,共57頁，2024年2月25日，星期天端面條件

端面效應(yīng)層理結(jié)構(gòu)

強(qiáng)度各向異性巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第46頁,共57頁，2024年2月25日，星期天

二、單軸抗拉強(qiáng)度σt1.定義：單向拉伸條件下，巖塊能承受的最大拉應(yīng)力，簡稱抗拉強(qiáng)度。2.意義：衡量巖體力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)用來建立巖石強(qiáng)度判據(jù)，確定強(qiáng)度包絡(luò)線選擇建筑石材不可缺少的參數(shù)

3.測定方法：

直接拉伸間接法（劈裂法、點(diǎn)荷載法、三點(diǎn)彎曲法）巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)直接拉伸法是將圓柱狀試件兩端固定在材料試驗(yàn)機(jī)的拉伸夾具內(nèi)，然后對試件施加軸向拉荷載至破壞。PtPt第47頁,共57頁，2024年2月25日，星期天劈裂試驗(yàn)是用圓柱體或立方體試件，橫置于壓力機(jī)的承壓板上，且在試件上、下承壓面上各放一根墊條。然后以一定的加荷速率加壓，直至試件破壞。在線布荷載(p)作用下，沿試件豎直向直徑平面內(nèi)產(chǎn)生的近于均布的水平拉應(yīng)力σx=2p/πDL在水平向直徑平面內(nèi)產(chǎn)生的壓應(yīng)力σy=6p/

DL抗拉強(qiáng)度σt=2pt

/πDL

（圓形試樣）

σt=2pt

/πa2

（方形試樣）巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第48頁,共57頁，2024年2月25日，星期天點(diǎn)荷載試驗(yàn)是將試件放在點(diǎn)荷載儀中的球面壓頭間，加壓至試件破壞，利用破壞荷載求巖塊的點(diǎn)荷載強(qiáng)度。點(diǎn)荷載強(qiáng)度Is=pt/D2抗拉強(qiáng)度σt=kIs巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第49頁,共57頁，2024年2月25日，星期天4.影響因素：結(jié)構(gòu)面的影響（裂隙空隙）巖石中包含有大量的微裂隙和孔隙，巖塊抗拉強(qiáng)度受其影響很大，直接削弱了巖塊的抗拉強(qiáng)度。相對而言，空隙對巖塊抗壓強(qiáng)度的影響就小得多，因此，巖塊的抗拉強(qiáng)度一般遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度。通常把抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值稱為脆性度，用以表征巖石的脆性程度。

巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第50頁,共57頁，2024年2月25日，星期天

常見巖石的抗拉強(qiáng)度

巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)巖石名稱抗拉強(qiáng)度（MPa）巖石名稱抗拉強(qiáng)度（MPa）巖石名稱抗拉強(qiáng)度（MPa）輝長巖15~36花崗巖7~25頁巖2~10輝綠巖15~35流紋巖15~30砂巖4~25玄武巖10~30閃長巖10~25礫巖2~15石英巖10~30安山巖10~20灰?guī)r5~20大理巖7~20片麻巖5~20千枚巖、片巖1~10白云巖