第1章岩石的基本物理力学性质

1上周学习回顾－Review岩石力学研究对象及特点岩石力学研究内容、研究方法岩石和岩体研究岩石（岩体）的力学行为、以力学的方法研究岩石工程的稳定性地下、边坡、岩基三类工程，涉及土木、水利水电、交通、核电、石油……（1）岩石与岩体的物理力学性质（2）地应力场（分布规律、测试理论与方法）（3）工程岩体的稳定性与岩石工程加固支护（4）岩石力学新理论、新方法、新技术研究方法：实验室试验、理论分析、物理与数值模拟、原位监测、工程应用岩石的构成和分类23岩石和岩体的差别与联系岩体是由结构面网络及其所围限的岩块(结构体)所组成。（1）物质组成。天然矿物的集合体，结构是岩体的显著特征。（2）尺度过渡。（图）（3）赋存条件。复杂的天然应力状态和地下水，这是岩体与其他材料的根本区别之一。（4）力学性质。岩体：非均质、不连续、各向异性（5）相互转化。4岩块非连续面联合作用岩体特性理论背景试验基础岩块研究成果丰硕采样试验设备5课程章节调整岩石物理力学性质岩石的本构模型与强度理论岩体力学性质地应力三大岩石工程--洞、坡、基6岩石的物理性质（PhysicalPropertiesofrocks)物理性质水理性质容重空隙性吸水性抗冻性软化性透水性比重7岩石的力学性质（MechanicalPropertiesofrocks)强度性质变形性质破坏形式强度指标全应力应变曲线弹性、塑性、粘性变形参数在外载作用下，当岩石内部的应力达到或超过某一极限时，岩石就发生破坏8岩石脆-延转换910岩石的强度性质（Rockstrength)岩石发生破坏时，变形很小，明显声响，一般发生在单轴或低围压坚硬岩石。脆性破坏破坏时，变形较大，有明显的“剪胀”效应，一般发生在较软弱岩石或高围压坚硬岩石。延性破坏岩石破坏类型（1）拉破坏（2）压剪破坏11岩石的单轴抗压强度概念：岩石试件在单轴压力（无围压而轴向加压力）下抵抗破坏的极限能力或极限强度，数值上等于破坏时的最大压应力。意义：衡量岩块基本力学性质的重要指标；岩体工程分类、建立岩体破坏判据的重要指标；用来大致估算其他强度参数。12单轴压缩试验岩样破坏基本形式破裂角＝24513岩石种类抗压强度(MPa)岩石种类抗压强度(MPa)粗玄岩196～343石英片岩69～178辉长岩177～294云母片岩59～127闪长岩177～294凝灰岩59～167玄武岩147～294千枚岩49～196石英岩147～294片麻岩49～196花岗岩98～245石灰岩29～245流纹斑岩98～245砂岩19.6～196大理岩98～245泥灰岩12～98板岩98～196页岩9.8～98白云岩78～245煤4.9～49岩石单轴抗压强度14岩石的抗拉强度概念：岩石的抗拉强度是指岩石试件在单向拉伸条件下试件达到破坏的极限值，它在数值上等于破坏时的最大拉应力。意义：衡量岩体力学性质的重要指标；用来建立岩石强度判据，确定强度包络线；选择建筑石材不可缺少的参数15常见岩石的抗拉强度岩石名称抗拉强度（MPa）岩石名称抗拉强度（MPa）岩石名称抗拉强度（MPa）辉长岩15~36花岗岩7~25页岩2~10辉绿岩15~35流纹岩15~30砂岩4~25玄武岩10~30闪长岩10~25砾岩2~15石英岩10~30安山岩10~20灰岩5~20大理岩7~20片麻岩5~20千枚岩、片岩1~10白云岩15~25板岩7~15ctRR41~25116岩石的抗剪强度基本概念—正应力条件下施加剪切力，岩石能抵抗的最大剪力岩石的抗剪断强度——完整岩块、岩石被剪断时，表现出的“抵抗剪切破坏”的强度。结构面的抗剪强度——岩石沿原生结构面或已被剪断的破裂面，剪切滑动时的“摩擦阻力”17抗剪强度常用室内试验直接剪切仪(直接剪切试验)、角模压剪仪/变角板剪切试验(角模剪切试验)、三轴压缩仪(三轴压缩试验)18优点：简单方便、无需特殊设备，采用普通岩石压力机即可。缺点：试件较小，不易反映岩石裂缝、层理等结构面；剪切面上的受力不均匀等。直剪试验19角模压剪试验采用不同的α角进行试验，则每个α对应一组σ和τf。sinAPcosAPf20三轴压缩试验试验步骤先将试件施加侧压力σ’3逐渐增加垂直压力σ1；试件破坏，得到大主应力σ’1，即获破坏应力圆；改变侧压力σ’3，获得对应的σ’1，和破坏应力圆；21真三轴试验常规三轴试验（伪三轴）321试样为立方体321试样为圆柱体22三轴压缩试验绘制试验对应σ’1和σ’3的应力圆（或称莫尔圆），以及这些应力圆的包络线，即求得岩石的抗剪强度曲线。三轴压缩试验试验结果整理23单轴压缩下的变形OA：孔隙裂隙压密段AB：弹性变形段BC：微破裂稳定发展阶段CD：累计性破裂阶段D点以后：破裂后阶段屈服点典型的应力-应变曲线/E/侧轴弹性模量：泊松比：常温常压下岩石的典型应力一应变曲线2411212()vxyzxyzIEE3）体积不变阶段4）扩容阶段岩石的扩容岩石变形性质-体积变形岩石在荷载作用下发生破坏之前产生体积膨胀大于体积压缩的非线性体积变形1）体积弹性压缩阶段2）体积微破裂压缩阶段25含水率弹模E或tdEd含水率泊松比xy2(1)(1)(12)3(12)vEGEEK体积模量：剪切模量：拉梅常数：岩石的变形指标261.5影响岩石力学性质的主要因素•围压•水•温度•加载速度（应变率）27随着围压的增加，岩石抗压强度显著提高，岩石的变形显著增大，岩石的弹性极限显著增大，岩石的应力-应变曲线形态发生明显改变，岩石的塑性增大，逐渐由脆性转化为延性，出现应变硬化三轴压缩下的变形围压对岩石力学性质的影响岩石由脆性向塑性转化的临界围压称为转化压力，其值与岩石强度和温度有关。28水对岩石力学性质的影响（1）结合水产生的软化、润滑与水楔作用，使得岩石内粒间粘结力降低。（2）自由水的孔隙压力作用和溶蚀、潜蚀作用。（3）孔隙水压力。孔隙水压力的增大可能导致颗粒间压应力降低，降低岩石有效应力，造成抗剪强度下降。（4）冻融胀缩作用。孔隙、微裂隙中的水在冻融时的胀缩作用对岩石力学强度破坏很大。291）温度引起岩石矿物相变对岩石岩性产生影响；2）由于温度的变化在岩石内引起热应力的变化；3）温度条件下岩石孔隙和微裂隙中水的性态改变（如发生相变）引起岩石渗流场、应力场和变形场的耦合变化。温度对岩石力学性质的影响30温度的影响高温变形模量降低，屈服点降低，峰值强度降低延性增加，破坏后区的应力应变曲线由应变软化型向应变硬化型转化31低温处于0℃以下冻结状态的岩石，由于其孔隙水、微裂隙水冻结成冰，冻结力的存在增强了岩石颗粒之间及裂隙隙端处的连结力，因而岩石强度显著增高。危害：岩石中冰体的形成和发育，在裂隙、孔隙中产生巨大的冻胀力，导致孔隙、裂隙张开扩展，岩石内部微结构损伤、破坏，产生冻胀变形。温度的影响32加载速率对岩石力学性质的影响加载速率越快，测得的变形模量和强度越高岩石破坏后区的应力应变曲线也由应变软化型向应变硬化型转化33灰岩围压500MPa温度恒定，但应变率变化玄武岩围压500MPa应变率恒定，但温度变化温度不变缓慢加载加载不变温度升高同一个力学松弛行为，具有等效性34应力应变应变应力温度=20℃200℃500℃800℃应变率=10-3s-110-4s-110-6s-110-7s-1在一定应变率下:在一定温度下:温度效应时间效应升高温度==延长时间35所谓岩石的时温等效是指，岩石在较高温度较短时间内的力学性质和力学行为，与其在较低温度较长时间内的力学性质和力学行为等效，即时间尺度对岩石的力学性质和力学行为的影响可以等效为温度尺度的影响。因而可以方便地在短时间内通过高温试验和理论分析科学地预测岩石长期的力学性质演变规律。岩石时温等效原理研究前沿36-4.94-4.92-4.9-4.88-4.86-4.84-4.82-4.8-4.780.511.522.533.54Logt(秒)LogJ(t)20°C60°C80°C100°C150°C200°C300°C对数(300°C)对数(200°C)对数(150°C)对数(100°C)对数(80°C)对数(60°C)对数(20°C)LogarithmicCurvesofCreepCompliancevsTimeofTGPGranite三峡花岗岩蠕变柔量的时温等效效应3714-4.94-4.92-4.9-4.88-4.86-4.84-4.82-4.8-4.78012345678910111213Logt(秒)LogJ(t)20°C60°C80°C100°C150°C200°C300°CTheCompleteCurveofCreepComplianceofTGPGraniteatReferentialTemperature=20。C1万年10年