21-3岩石力学与工程岩石物理力学性质

2019/8/912岩石物理力学性质2.1岩石的基本构成和地质分类（1）岩石的地质分类1.火成岩主要由高温熔融的岩浆侵入壳或喷出地表冷凝形成的岩石，亦称岩浆岩。2.沉积岩主要由母岩风化剥蚀的产物、火山碎屑物质、生物遗骸等经过搬运、沉积、固结形成的岩石。3.变质岩先以存在的火成岩、沉积岩或变质岩受物理和化学条件变化的影响改变其结构、构造和矿物成分而形成的新的岩石。（2）基本构成岩石的基本构成是由组成岩石的矿物质成分和结构两大方面来决定的。2019/8/922019/8/93（1）岩石的主要矿物质成分1）火成岩的矿物成分组成火成岩常见的矿物有：长石、石英、云母、角闪石、辉石、橄榄石、霞石、白榴石、磁铁矿、磷灰石等十余种，这些矿物约占火成岩总质量的99%，是火成岩的造矿物（其中：长石占60%以上，其次是石英）。2）沉积岩的矿物成分沉积岩中已发现的矿物有160余种，主要矿物约20种，如石英类、长石类、云母类、粘土矿物、碳酸盐矿物、硫酸盐矿物以及Fe、Mn、Al的氧化物和氢氧化物。一般沉积岩仅含5～6种矿物，多数仅含1～3种。2019/8/943）变质岩的矿物成分变质岩的矿物成分一方面对原岩有较大的继承性，另一方面受到变质作用类型和强度的影响，一些矿物是经变质作用后新生成的矿物。如：蛇纹石、滑石、软玉、硬玉等。（2）沉积岩的矿物成分与火成岩的区别1）在沉积岩中几乎看不到火成岩中大量出现的橄榄石、辉石、角闪石等铁镁矿物和基性斜长石，而粘土矿物、氧化物矿物、氢氧化物矿物和碳酸盐矿物大量出现；2）火成岩中长石多于石英，而沉积岩中石英多于长石，而且长石中是以钾长石为主，酸性斜长石次之，其它种类长石罕见。2019/8/95（3）矿物组成对岩石的物理力学性质影响1）在许多岩浆岩中，其强度随暗色矿物的增加而增加；2）在沉积岩中，砂岩的强度常随石英相对含量的增加而增大，石灰岩的强度常随其硅质混合物含量的增加而增大，随粘土质矿物含量的增加而降低；3）在变质岩中，任何片状的硅酸盐类矿物、盐岩矿物将使岩石强度降低；4）易溶和粘土矿物在水的作用下容易被溶蚀，使岩石的孔隙度增大，结构变松，强度降低。5）一些矿物由于其物态变化，使其体积发生膨胀和软化，使岩石强度降低。2019/8/96（4）岩石结构类型岩石的结构是指岩石中矿物（及岩屑）颗粒相互之间的关系，包括颗粒的大小、形状、排列、结构连结特点及岩石中微结构面（即内部缺陷）。其中，以结构连结和岩石中的微结构面对岩石工程性质影响最大。颗粒的大小、形状、排列结晶连结岩石结构结构连结胶结连结微小弱面微结构面微小孔隙2019/8/972.2岩石的物理性质岩石的物理性质是指由岩石固有的物质组成和结构特征所决定的比重、容重、孔隙率等基本属性。2.2.1岩石的容重（1）概念岩石的容重：也叫岩石的重力密度，即岩石单位体积（包括岩石内部孔隙体积）的重量。（2）表达式VW（2-1）式中γ—岩石容重（kN/m3）；W—被测岩样的重量（kN）；V—被测岩样的体积（m3）。（3）容重的分类根据岩石的含水状态，将容重又可分为：天然容重、干容重和饱和容重。1.天然容重：是指岩石在自然条件下，单位体积的重量。2.干容重：是指试件在105℃～110℃温度下烘干24小时的试验条件下，岩石孔隙中的液体全部被蒸发，试件中仅有固体和气体时,单位体积的重量。3.饱和容重：是指试件在浸水48h或抽真空法，使岩石中的孔隙都被水充填时，单位体积的重量。（4）测定的试验方法测定岩石的容重可根据岩石的性质和岩样形态采用：量积法、水中称量法或蜡封法等。2019/8/98dwdw1.量积法•适用条件：凡能制备成规则试样的岩石均宜采用量积法测定其容重。•试验方法：首先测定规则试样的平均断面积A，平均高度h以及试样的重量G，代入2-2式即得其容重。若试样重量是自然状态的重量时，即为岩石的天然容重；若试样重量是在105℃～110℃温度下烘干24小时后的重量时，则为该岩石的干容重；若是采用48h浸水法或抽真空法使岩石试件饱和的重量时，则为该岩石的饱和容重。2019/8/99hAGd（2-2）2.水中称量法•适用条件：对于规则或不规则形状的岩样进行测量时都可采用此方法，但对于孔隙率非常发育、遇水崩解、溶解及干缩湿脹的岩石或岩石干容重时不能采用此方法。•试验方法：首先称量规则或不规则的岩样在浸入纯水前的重量W，然后再测出岩样在纯水中的重量,根据阿基米德原理可得出岩样的体积（V），就可根据（2-3）式得出该试样的天然容重（γ）或饱和容重。2019/8/910/（2-3）3.蜡封法•适用条件：本方法适用于不能用量积法或水中称量法测定其容重的岩石，它既可测出该岩石的干容重也可测出其天然容重。•试验方法：首先选取有代表性岩样在105℃～110℃温度下烘干24小时，取出，系上细线，称岩样重量，持细线将岩样缓慢浸入刚过熔点的蜡溶液中，浸后立即取出，检查试样周围的蜡膜，若有气泡应用针刺破，再用蜡液补平，待试件冷却后称取其重量，然后将蜡封岩样浸没于纯水中称其重量，则岩石的干容重为：sg1g2gdnssdggggg121（2-4）式中，——为蜡的容重（kN/m3）。n2019/8/9112.2.2岩石的密度（1）概念岩石的密度：即单位体积内岩石的质量。（2）计算关系式式中ρ——岩石密度（kg/m3）；W——被测岩样的质量（kg）；V——被测岩样的体积（m3）。（3）容重和岩石密度的关系Vm2019/8/912（2-6）gVmgVW（2-7）2.2.3岩石的比重岩石的比重是岩石固体部分的重量和4℃时同体积纯水重量的比值，即：式中，为岩石的比重；为体积为V的岩石固体部分的重量（kN）；为岩石固体部分（不包括孔隙）的体积（m3）；为4℃时单位体积纯水的重量（kN/m3）。wsssVWG（2-8）sGsWsVw2019/8/9132019/8/9142.2.4岩石的孔隙性天然岩石中包含着数量不等，成因各异的孔隙和裂隙，是岩石的重要结构特征之一。它们对岩石力学性质的影响基本一致，在工程实践中很难将二者分开，因此将它们统称为岩石的孔隙性。岩石的孔隙性通常用孔隙率n表示。（1）岩石的孔隙率是指岩石孔隙的体积（Vv）与岩石总体积（V）的比值，以百分数表示。其公式为：%100VVnv（2-9）2019/8/915（2）岩石的空隙比岩石孔隙的体积（Vv）与岩石固体体积（Vc）的比值，以百分数表示。其公式为：岩石的孔隙参数可通过压汞试验测得。孔隙率是衡量岩石工程质量的重要物理性质指标之一，反映了孔隙和裂隙在该岩石中所占的百分率，孔隙率愈大，则岩石的孔隙和裂隙愈多，岩石的力学性能则愈差。%100cvVVe（2-10）2019/8/9162.2.5岩石的水理性岩石的水理性：岩石与水相互作用时所表现的性质。它包括岩石的吸水性、透水性、软化性和抗冻性等。（1）岩石的天然含水率岩石的天然含水率w：天然状态下岩石中水的质量mw与岩石的干质量mdr的比值，以百分数表示，即：%100drwmmw（2-12）（2）岩石的吸水性岩石的吸水性：即岩石在一定条件下吸收水分的性能，它取决于岩石孔隙的数量、大小、开闭程度和分布情况。表征岩石吸水性的指标有：吸水率、饱和吸水率与饱水系数。1.岩石的吸水率岩石吸水率：是指岩石在常温常压下吸入水的质量与其烘干质量mdr的比值，以百分数表示，即：式中，m0为烘干岩样浸水48小时后的总质量。2019/8/917%1000drdrammmw（2-13）2.岩石的饱和吸水率（或饱水率）饱和吸水率（或饱水率）：是指岩石在强制状态（高压或真空、煮沸）下，岩石吸入水的质量与岩样在105℃～110℃温度下烘干24h后质量mdr的比值，以百分数表示，即：式中，wsa为岩石的饱和吸水率；msa为真空饱和或煮沸后试件的质量（kg）。强制状态：在高压条件下，通常认为水能进入岩石中所有张开的孔隙和裂隙中，国外采用高压设备测定岩石的饱和吸水率；国内常用真空抽气法或煮沸法测定饱和吸水率。2019/8/918%100drdrsasammmw（2-14）3.岩石饱水系数岩石饱水系数kw：是指岩石吸水率与饱水率的比值，以百分数表示，即：（3）岩石的透水性岩石的透水性是指岩石能被水透过的性能。它的大小可用渗透系数来衡量，主要决定于岩石孔隙的大小、方向及其连通情况。%100saa（2-15）2019/8/9192019/8/920（4）岩石的软化性岩石浸水后强度降低的性能称为岩石的软化性，通常用软化系数来衡量。软化系数：是岩样饱水状态的抗压强度kPa与自然风干状态抗压强度kPa的比值，用小数表示，即ccwcccwc（2-16）（5）岩石的抗冻性岩石抵抗冻融破坏的性能称为岩石的抗冻性，通常用抗冻系数表示。岩石的抗冻系数：是指岩样在±25℃的温度区间内，反复降温、冻结、升温、融解，其抗压强度有所下降，岩样抗压强度的下降值与冻融前的抗压强度的比值，以百分数表示，即：式中，为岩样冻融前的抗压强度kPa；为岩样冻融后的抗压强度kPa。fc%100ccfcfc（2-17）ccf2019/8/9212019/8/922岩石在反复冻融后其强度降低的主要原因①构成岩石的各种矿物的膨胀系数不同，当温度变化时，由于矿物的胀、缩不均匀而导致岩石结构的破坏；②当温度降到0℃以下时，岩石孔隙中的水将结冰，其体积增大约9%，会产生很大的膨胀压力，使岩石的结构发生改变，直至破坏。2019/8/9232.3岩石的强度特性2.3.1概述（1）岩石强度在研究岩石材料的力学性质时，主要是研究岩石的强度特性和岩石的变性特性两方面。1.定义岩石强度：是指岩石在各种载荷作用下达到破坏时所能承受的极限应力，即岩石材料在受外载荷作用时抵抗破坏的能力。2.分类岩石的强度主要包括岩石的单轴抗压强度、单轴抗拉强度、抗剪强度、多轴压缩强度等。2019/8/924（2）研究岩石强度的意义1.是岩石分类、分级中的重要数量指标；2.可以判别计算处或测定处的岩土工程是否稳定；3.在简单地下工程条件下，可作为极限平衡条件(塑性条件)，求解弹塑性问题的塑性区范围，以及弹性区和塑性区的应力与位移。2019/8/925（3）岩石的破坏模式拉伸破坏拉应力脆性破坏破坏形式剪切破坏剪应力塑性破坏剪应力从岩石的破坏模式来看，可分为五种破坏形式，如图2-1所示。（a）单轴压缩纵向劈裂破裂（b）剪切破坏（c）多重剪切破坏（d）拉伸破裂（e）由线载荷产生的拉伸破坏2019/8/9262.3.2岩石的单轴抗压强度（1）定义岩石的单轴抗压强度是指岩石在单轴压缩载荷作用下，达到破坏前所能承受的最大压应力。亦即岩石受轴向力作用破坏时单位面积上所承受的荷载。即：cPA（2-18）（2）试验方法1.实验过程单轴抗压强度的试验是在带有上、下块承压板的试验机上进行，按一定的加载速度单向加压直至试件破坏。2.试件尺寸要求1）国际岩石力学学会规定试件标准尺寸为Φ54mm,高径比为2.5～3.0倍。2）我国的规定试件尺寸为Φ50×100mm，高度为直径的2.0—2.5倍、试件两端面的不平整度不得大于0.05mm、在试件的高度上直径或边长的误差不得大于0.3mm、两端面应垂直于试件轴线，最大偏差不得大于0.250。2019/8/927（3）岩石单向压缩荷载作用下的破坏形态1.圆锥形破坏圆锥形破坏即X状共轭斜面剪切破坏，其破坏形态如图2—2(a)所示。破坏面法线与载荷轴线的夹角：原因：由于试件两端面与试验机承压板之间摩擦力较大，所产生的端部效应造成的。在试验加压的过程中，试件的应力分布如图2—3所示。2019/8/92842图2-2单轴压缩破坏形态图2-3压缩圆柱体的应力分布2019/8/9292.压剪破坏单斜面压剪破坏，如图2-1b和图2-2b所示。这种破坏是由于破坏面上的剪应力超过极限引起的，但破坏前破坏面所需