岩体力学第2章

第2章岩石的基本物理力学性质岩石的基本物理力学性质是岩体最基本、最重要的性质之一，也是岩石力学学科中研究最早、最完善的内容之一。第一节基本物理性质一、岩石的质量指标（一）重度和比重1、岩石的重度：单位体积内岩石的重量。岩石含：固相、液相、气相。三相比例不同而重度不同。（2）饱和重度：岩石中的孔隙被水充填时的单位体积质量（水中浸48小时）（1）天然重度：自然状态下，单位体积质量VG/)/(3mKNVVGWVssaG——岩石总质量；V——总体积。VV——孔隙体积（3）干重度：岩块中的孔隙水全部蒸发后的单位体积质量（108℃烘24h）VGsd/（4）、岩石的颗粒密度与比重：岩石固体质量与同体积水在4℃时的质量比/()SSWGV/SSSGVGs——岩石固体的质量。（KN/m3）SVVVe/%100VVnVsdVVSVSVnnnVVVVVVVVVVVe11//二、岩石的孔隙性：反映裂隙发育程度的指标（一）孔隙比VV——孔隙体积（水银充填法求出）（二）孔隙率V=VS+VVe~n关系:天然状态下饱和状态下三、岩石的水理性质（一）含水性1、含水量：岩石孔隙中含水量GW与固体质量之比的百分数2、吸水率：岩石吸入水的质量与固体质量之比吸水率是一个间接反映岩石内孔隙多少的指标%100SW%100sspsammm%1000ssammmAdxdhkqxdxdh（二）渗透性在一定的水压作用下，水穿透岩石的能力。反映了岩石中裂隙向相互连通的程度，大多渗透性可用达西（Darcy）定律描述：（m3/s）——水头变化率；qx——沿x方向水的流量；h——水头高度；A——垂直x方向的截面面积；k——渗透系数。达西实验四、岩石的抗风化指标（3类）(1)软化系数（表示抗风化能力的指标）Rcd——干燥单轴抗压强度、Rcc——饱和单轴抗压强度；（）越小，表示岩石受水的影响越大。cdccRR/1通过对岩石试件进行烘干，浸水循环试验所得指标。将烘干的试块约500g，分成10份，放入带有筛孔的圆筒内，使圆筒在水槽中以20r／s速度连续转10分钟，将留在圆筒内的石块取出烘干称重。如此进行两次，按下式：(2)岩石耐崩解性指数试验前的试件烘干质量；残留在筒内的试件烘干质量rmsm%/2srdmmI①、自由膨胀率：无约束条件下，浸水后胀变形与原尺寸之比轴向自由膨胀（%）H——试件高度径向自由膨胀（%）D——直径HHVH/DDVD/（3）岩石的膨胀性评价膨胀性岩体工程的稳定。②、侧向约束膨胀率：在侧向约束条件下，浸水后胀变形与原尺寸之比。%100HHVHPHP（3）岩石的膨胀性③、膨胀压力：岩石试件浸水后，使试件保持原有体积所施加的最大压力。实验方法：预先施加0.01MPa，变形浸水膨胀0.001mm时，恢复原有体积需要的压力。岩石的抗冻性：岩石在多次冻融条件下力学特性。SffRRK五、岩石的其它特性实验在±25摄氏度的温度区间内，反复冻融试件多次后，测量其单轴抗压强度剩余值。原因分析：各种矿物膨胀系数的差异；孔隙水结冰体积增大对岩石结构的破坏。第二节岩石的强度特性工程师对材料提出两个问题1最大承载力——容许应力[]？2最大允许变形－－容许应变[]？本节讨论[]问题强度：材料受力时抵抗破坏的能力。强度单向抗压强度单向抗拉强度剪切强度三轴压缩真三轴假三轴一岩石的单轴抗压强度1.定义：指岩石试件在无侧限的条件下，受轴向压力作用破坏时单位面积上承受的荷载。APRc/式中：P——无侧限的条件下的轴向破坏荷载A——试件截面积2.试件标准：圆柱形试件：Φ4.8－5.4cm，高H=（2－2.5)Φ长方体试件：边长L=4.8－5.4cm,高H=（2－2.5)L试件两端不平度小于0.05mm；尺寸误差±0.3mm;两端面垂直于轴线±0.25o3.单向压缩试件的破坏形态破坏形态有两类：（1）圆锥形破坏原因：压板两端存在摩擦力，箍作用（又称端部效应），在工程中也会出现。（2）柱状劈裂破坏张拉破坏（岩石的抗拉强度远小于抗压强度）是岩石单向压缩破坏的真实反映（消除了端部效应）消除试件端部约束的方法润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部）加长试件破坏形态是表现破坏机理的重要特征；其主要影响因素：①应力状态②试验条件4.影响单轴抗压强度的主要因素（1）承压板端部的摩擦力及其刚度（加垫块的依据）（2）试件的形状和尺寸形状：圆形试件不易产生应力集中，好加工；尺寸：大于矿物颗粒的10倍；高径比：研究表明；h/d≥(2－3)较合理（3）加载速度加载速度越大，表现强度越高(见图2－5)我国规定加载速度为0.5－1.0MPa/s（4）环境含水量：含水量越大强度越低；岩石越软越明显，对泥岩、粘土等软弱岩体，干燥强度是饱和强度的2－3倍。见表2－2温度：180℃以下不明显：大于180℃，温度越高强度越小。二岩石的抗拉强度1.定义：岩石试件在受到轴向拉应力后其试件发生破坏时的单位面积上所受的拉力。由于试件不易加工，除研究直接的拉伸的夹具外，研究了大量的间接试验方法。2.直接拉伸法抗拉强度APRt/关键技术①试件和夹具之间的连接②加力P与试件同心直接拉伸法3.间接方法IMCt/①岩石是各向同性的线弹性材料②满足平面假设的对称面内弯曲适用条件：（1）抗弯法（梁的三点弯曲试验）抗拉强度——三点弯曲梁内的最大拉应力；梁发生破坏时的就是tttRM——作用在试件上的最大弯矩C——梁边缘到中性轴的距离I——梁截面绕中性轴的惯性矩（2）劈裂法（巴西法），对称径向压裂法由巴西人Hondros提出ttR要求①荷载沿轴向均匀分布②破坏面必须通过试件的直径注：①端部效应②并非完全单向应力试件：实心圆柱Φ50mm；δ25mm试验：径向压缩破坏（张开）计算公式：由弹性力学Boursinesq公式Dtpt/2式中：——试验中心的最大拉应力，即p——试验中破坏时的压力D——试件的直径t——试件的厚度δ（3）点荷载试验法是上世纪发展起来的一种简便的现场试验方法。试件：任何形状，尺寸大致5cm，不做任何加工。试验：在直接带到现场的点荷载仪上，加载劈裂破坏。2/DPIIRt96.015196.0151iitIR计算：式中：P——试件破坏时的极限D——加载点试件的厚度统计公式：要求:（由于离散性大），每组15个，取均值，即建议：用Φ5cm的钻孔岩芯为试件。三岩石的抗剪强度1.定义指一定的应力条件下（主要指压应力），所能抵抗的最大剪应力常用表示2.类型：a.抗剪断试验b.抗切断试验c.弱面抗剪试验3.室内试验（抗剪断试验）①试验楔形剪切仪，加载装置②计算公式：cossinsincosfPQfPN式中：p——压力机的总压力α——试件倾角f——圆柱形滚子与上下压板的摩擦系数抗剪断仪cossinsincosfPQfPNQQNNPfPαα剪切破坏面上的正应力σ和剪应力τ为：cossinsincosfFPFQfFPFN岩石的抗剪断σ－τ曲线（强度曲线）•改变夹具倾角α；α在30度到70度之间•做一组（大于5次）不同α的试验，记录所得的σ，τ值；由该组值作曲线近似直线得方程ctan式中tanφ－岩石抗剪切内摩擦系数c－岩石的粘结力（内聚力）四岩石在三向压缩应力作用下的强度1.定义指在不同三向压缩应力作用下岩石抵抗外荷载的最大应力ff321,2.三向压缩试验简介（1）真三轴（2）假三轴3213213.三轴压缩试验的破坏类型4.岩石三向压缩强度的影响因素（1）侧压力的影响围压越大，轴向压力越大（2）加载途径对岩石三向压缩强度影响A、B、C三条虚线是三个不同的加载途径，加载途径对岩的最终三向压缩强度影响不大。（3）孔隙水压力对岩石三向压缩强度的影响孔隙水压力使有效应力（围压）减小强度降低无水有水返回第三节岩石的变形特性说明变形分析的重要性（直观、易测、建立模型、准则）一、岩石在单轴压缩应力作用下的变形特性（一）普通试验机下的变形特性应力、应变曲线形状与岩性有关1、典型的岩石应力、应变曲线a.分三全阶段（1）原生微裂隙压密阶段（OA级）特点：①曲线，应变率随应力增加而减小；②塑性变形（变形不可恢复）原因：微裂隙闭合（压密）（2）弹性变形阶段（AB段）特点：①曲线是直线；②弹性模量，E为常数（变形可恢复）原因：岩石固体部分变形，B点开始屈服，B点对应的应力为屈服极限。1111B（3）塑性变形阶段（BC）特点：①曲线，软化现象；②塑性变形，变形不可恢复；③应变速率不断增大。原因：新裂纹产生，原生裂隙扩展。岩石越硬，BC段越短，脆性性质越显著。脆性：应力超出屈服应力后，并不表现出明显的塑性变形的特性，而破坏，即为脆性破坏。111b.弹性常数与强度的确定弹性模量:国际岩石力学学会（ISRH）建议三种方法初始模量割线模量切线模量极限强度00ddE5050/E50/ddEtcc2、反复循环加载曲线特点：①卸载应力越大，塑性回滞环越大（原因：由裂隙的扩大，能量的消耗）；②卸载线，相互平行；③反复加、卸载、曲线、总趋势保持不变（有“记忆功能”）。3、岩石应力-应变曲线形态的类型（1）直线型：弹性、脆性石英英、玄武岩、坚硬砂岩。（2）下凹型：弹—塑性石灰岩、粉砂岩；软化效应。（3）上凹型：塑—弹性硬化效应，原生裂隙压密，实体部分坚硬的岩石。例如：片麻岩。（4）S型：塑—弹—塑型多孔隙，实体部分较软的岩石：沉积岩（页岩）（二）刚性试验机下的单向压缩的变形特性普通试验机得到峰值应力前的变形特性，多数岩石在峰值后工作。注：C点不是破坏的开始（开始点B），也不是破坏的终。说明：崩溃原因，Salamon1970年提出了刚性试验机下的曲线。刚性机（1）刚性试验机工作简介压力机加压（贮存弹性应能）岩石试件达峰点强度（释放应变能）导致试件崩溃。AA′O2O1面积——峰点后，岩块产生微小位移所需的能。ACO2O1面积——峰点后，刚体机释放的能（贮存的能）。ABO2O1——峰点后，普通机释放的能（贮存的能）。（2）应力、应变全过程曲线形态在刚性机下，峰值前后的全部应力、应变曲线分四个阶段：1-3阶段同普通试验机。4阶段应变软化阶段特点：①岩石的原生和新生裂隙贯穿，到达D点，靠碎块间的摩擦力承载，故—称为残余应力。②承载力随着应变增加而减少，有明显的软化现象。（3）全应力——应变曲线的补充性质①近似对称性②B点后卸载有残余应变，重复加载沿另一曲线上升形成滞环(hysteresis)，加载曲线不过原卸载点，但邻近和原曲线光滑衔接。D③C点后有残余应变，重复加载滞环变大，反复加卸载随着变形的增加，塑性滞环的斜率降低，总的趋势不变。④C点后，可能会出现压应力下的体积增大现象，称此为扩容(dilatancy)现象。一般岩的=0.15-0.35，当0.5时，就是扩容.体积应变:2/10)21(1321e(3)克服岩石试件单向压缩时生产爆裂的途径•提高试验机的刚度•改变峰值后的加载方式•伺服控制试件的位移普通试验机附加刚性组件的试验装置（提高试验的刚度）1岩石试件；2、6电阻应变片；3金属圆筒；4位移计；5钢垫块伺服试验机原理示意图1.岩石试件；2.垫块；3.上压板；4.下压板；5.位移传感器。（一）时变形规律见图越大，σc，σB，E越大二、岩石在三向压应力下的变形特性3232（二）当为常数时，岩石的变形特性（1）；（2）E基本不受变化影响（3）脆性增强。（三）为常数时，岩石的变形特性（1）不变；（2）E不变；（3）永保塑性变形的特性，塑性变形增大。B2223B3233（四）岩石的体积应变特性扩容现象：岩石在压力下，发生非线性体积膨胀。321VVV三、岩石的流变特性弹性（可恢复）与时间无关