岩石力学讲义(岩石的物理性质)

本次课的课程提纲一、岩石的组构特征二、岩石中的结构面（软弱面）三、岩石的四个性质四、岩石的物理五、岩石的水理性能1岩石的物质组成粘土矿物硅酸盐类矿物碳酸盐类矿物氧化物类矿物组成岩石的矿物组成岩石的矿物成分及其相对含量在一定程度上决定着岩石的力学性质二、岩石的组构特征物质组成对力学性质的影响一般硅酸盐矿物有石英、长石、角闪石、辉石、橄榄石（粒状）及云母和粘土矿物（片状）等含硬度大的粒状矿物愈多，岩石强度高－花岗岩、闪长岩、玄武岩含硬度小的片状矿物愈多，岩石强度愈低－粘土岩、泥岩碳酸盐类矿物主要包括石灰岩和白云岩类，岩石的物理力学性质取决于岩石中的CaCO3及酸不溶物的含量CaCO3含量愈高，如纯灰岩、白云岩强度高泥质含量高的，如泥质灰岩、泥灰岩等力学性质差物质组成对力学性质的影响碎屑岩的力学性质与胶结物成分的关系：强度上：硅质铁质钙质泥质物质组成对力学性质的影响泥页岩的粘土矿物组成蒙脱石伊利石绿泥石高岭石伊蒙混层粘土矿物力学性质•蒙脱石含量高→软，易变形，易水化•伊利石含量高→硬脆，不易变形，不易水化2岩石的结构岩石的结构：岩石内矿物颗粒的大小、形状、排列方式及微结构面发育情况与粒间连结方式等反映在岩块构成上的特征。其中，粒间连结分结晶连结与胶结连结二、岩石的组构特征颗粒形状强度：粒状、柱状片状鳞状颗粒大小强度：粗粒细粒排列形式强度：等粒不等粒2岩石的结构微结构面：指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒间的软弱面或缺陷，包括矿物解理、晶格缺陷、粒间空隙、微裂隙、微层理及片理面、片麻理面等①降低岩石强度②导致岩石力学性质各向异性二、岩石的组构特征2岩石的结构结晶连结：矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，它是通过共用原子或离子使不同晶粒紧密接触－岩浆岩、变质岩、沉积岩中的碳酸岩胶结连结：矿物颗粒通过胶结物连结在一起－碎屑岩二、岩石的组构特征二、岩石的组构特征基底型：彼此不发生接触的矿物颗粒埋在玻璃体重，这种情况下胶结程度很高，岩石强度与胶结物有关接触型：仅仅在颗粒的接触点存在胶结物，这种胶结程度低，岩石强度也不大间隙型：矿物颗粒彼此直接接触，而颗粒的孔隙被胶结物充填溶蚀型：胶结物不仅充填在矿物颗粒之间，而且进入到矿物颗粒本身中，胶结强度很高。岩石的主要胶结类型：A）基底型B）间隙型C）接触型D）溶蚀型3岩石的构造岩石的构造：岩石的构造是指岩石组成成分在空间上相互排列及所占的位置。岩浆岩的构造：块状构造、流纹状构造、气孔状构造、杏仁状构造沉积岩的构造：层理构造变质岩的构造：片理构造二、岩石的组构特征三、岩石中的结构面（软弱面）结构面就是岩石内具有一定方向性、延展性较大、厚度较小的两维面状地质界面，包括物质的异面和不连续面（如层理、断裂面等）1.结构面的成因类型2.结构面的规模与分级3.结构面特征及其对岩石性质的影响一）结构面的成因类型地质成因类型原生结构面构造结构面次生结构面力学成因类型张性结构面剪性结构面结构面的地质成因类型1.原生结构面：在岩石形成过程中形成的软弱面岩浆岩的流动构造面、冷缩形成的原生裂隙面、侵入体与围岩的接触面；沉积岩体内的层理面、不整合面；变质岩体内的片理面，以及片麻构造面等。在原生结构面中，除了原生裂隙，以及由于受构造运动和风化作用的影响，已经脱开的软弱面外，多具有一定的连结力和较高的强度。结构面的地质成因类型2.构造结构面：岩石形成后的构造运动过程中产生的各种破裂面断裂面、层间错动面构造作用形成的软弱夹层，以及构造裂隙面等这类软弱面除了已经胶合者以外，绝大部分都是脱开的规模较大的，多充填有厚度不等、类型和连续程度不同的充填物，其中大部分已泥化，或者已变成了软弱夹层就一般情况而言，除了部分构造裂隙以外，大部分构造软弱面的特性都很坏，强度多接近于岩体的剩余强度，往往导致复杂。结构面的地质成因类型次生结构面：岩体在外力作用下产生的软弱面如风化裂隙面、卸荷裂隙面等。风化裂隙面发育深度不大，方向紊乱，连续性很低。但可降低岩体的强度和变形模量。卸荷裂隙是由于卸荷作用引起岩体在垂直于卸荷自由面方向发生伸长而形成。卸荷裂隙面基本上平行于岩体卸荷自由面。一般来说，次生结构面主要影响地面附近岩体的稳定性。结构面的力学成因类型这里所说的结构面是指岩体中的破裂面而言所谓软弱面的力学成因类型，是指按照形成破裂面的破坏应力的不同，所划分的破裂面的类型。根据野外观察到的事实、大量岩体力学试验的结果以及莫尔库伦破坏理论的分析，认为岩体的破坏只有剪切破坏和拉断破坏两种类型。破裂面的力学成因，应划分为剪性和张性两大类别。结构面的力学成因类型张性破裂面：是由张力形成的，在破坏过程中，破坏面两侧岩体仅沿破裂面法向发生分离位移。张性破裂面，一般张开度大，连续性差，形态多不规则，多呈折线或锯凿状。断面凹凸不平，粗糙度大，破碎带宽度变化大，且易被岩脉、矿脉充填，有时并有岩浆沿之入侵。张性破裂面常常具有含水丰富，导水性强以及剪切强度高等特征结构面的力学成因类型剪性破裂面：是由剪应力而形成的，破裂面两侧岩体沿破裂面切线方向发生有不同程度的滑错位移。具有擦痕、共轭性、规律的位移方向以及断面比较光滑，是剪性破裂面共有的特征，也是鉴定剪性破裂面的主要依据。正断层——上盘相对下盘向下滑动的断层上盘下降下盘上升三）结构面特征及其对岩体性质的影响1.产状2.连续性3.密度4.张开度5.形态6.充填胶结情况7.组合关系软弱面的影响岩石软弱面对岩体物理力学特性如岩体强度、变形性、渗透性，力学上的连续性及岩体应力分布等都有显著影响。因此，在很多情况下，软弱面是岩体力学问题的一个主要控制因素。从本质上说，软弱面使岩体变得更加软弱，更易于变形而且表现为高度的各向异性。三、岩石的不连续性、非均匀性、各向异性和渗透性岩石的不连续性岩石中普遍存在的结构面，无论是物质分异面还是物质不连续面，都会使结构面两侧附近的岩石物理力学性质呈现不连续变化。对于裂隙性岩石，通常采用裂缝率作为定量评价岩石被裂隙切割后破碎程度的指标。岩石的不连续性a、单向裂隙(或裂隙频率)单向裂隙指一组结构面的法线方向上每单位长度(m)内，法线与结构面的交割数目，以Kd(1/m)表示。即单向裂隙率的倒数为成组结构面之间的平均间距，以d表示：式中：Kd--单向裂隙（1/m）d--结构面间平均间距(m)岩石的不连续性式中：li--第i条裂隙面长度(m)；ti--第i条裂隙面的宽度(m)；A--被测量的岩石总面积（m）b、平面裂隙率平面裂隙率KA是指岩石单位面积上诸裂隙所占有的面积总和，亦即岩石的不均匀性不均匀性是指天然岩体的物理、力学性质随空间位置不同而异的特性。分析现场岩体试验资料时可采用综合性的统计特征--偏差系数V(%)来估算岩体的不均匀性，即：式中：--各观测值xi的算术平均值。σ--标准差估计值。式中：N--试验观测点(次)数。x岩石的各向异性岩石各向异性是指天然岩体的物理力学性质随空间方位不同而异的特性，具体表现在它的强度及变形特性等各方面。在天然岩体条件下，使岩体具有各向异性的基本原因是由于岩石内普遍存在着层理、片理、夹层和定向裂隙（断层）系统所致。目前在实际工程中对于成层岩体往往考虑其平行于层理和垂直于层理方向的差异性。然而对于不具有层理的岩体，则把它视为各自同性体。岩石的渗透性有压水可以透过岩石的孔隙、裂隙而流动，岩石能透过水的能力称为岩石的渗透性。不同岩石或裂隙性不同的岩石的渗透性不同，渗透性的大小用渗透系数K表示。岩石的渗透系数不仅与水的物理性质有关，也与岩石的应力状态有关。岩石轴向渗透性试验原理岩石渗透仪(轴向渗透)1-注水管路；2-围压室；3-岩样；4-放水阀岩石轴向渗透性试验原理假定岩体渗流符合达西定律，则渗透系数可计算如下式中K－岩石渗透系数(m/s)；Q－单位时间里透过试样的水量(m^3)；L－试样长度(m)；A－试样截面积(m^2)；P－试样两端的水压力差(KPa)；γw－水的容重(KN/m^3）岩石径向渗透性试验原理径向渗透试验时，其渗透系数计算式中P－试样外壁上的水压力(KPa)；L－试验段(小孔)长度(m)；R1－试件内半径(m)；R2－试件外半径(m)；π－圆周率。四、岩石的物理性质岩石和土一样，也是由固体、液体和气体三相组成的。物理性质是指岩石由于三相组成的相对比例关系不同所表现的物理状态。1、岩石的密度2、岩石的孔隙性（一）、岩石的密度1、颗粒密度(ρs)：岩石固体部分的质量与其体积的比值。它不包含孔隙在内，因此其大小仅取决于组成岩石的矿物密度及其含量：ρs=ms/Vsρs—为岩石的颗粒密度ms—为岩石固体部分的质量Vs—为岩石固体部分的体积（一）、岩石的密度2、块体密度（或岩石密度）是指岩石单位体积内的质量，按岩石的含水状态，又有干密度（ρd）、饱和密度（ρsat）和天然密度（ρ）之分，在未指明含水状态时一般指岩石的天然密度。ρd=ms/Vρsat=msat/Vρ=m/V常见岩石的密度岩石名称密度(g／cm3)岩石名称密度(g／cm3)花岗岩2.52～2.81石灰岩2.37～2.75闪长岩2.67～2.96白云岩2.75～2.80辉长岩2.85～3.12片麻岩2.59～3.06辉绿岩2.80～3.11片岩2.70～2.90砂岩2.17～2.70大理岩2.75左右页岩2.06～2.66板岩2.72～2.84岩石的物理性质孔隙度：岩石中孔隙体积与岩石总体积之比(多用百分数表示)。裂隙率：岩石中各种节理、裂隙的体积与岩石总体积之比称裂隙率。孔隙度与裂隙率含义相同，孔隙度多用于松散土、石，裂隙率多用于结晶连接的坚硬岩石。一般岩石的孔隙度在0.1-0.35之间岩石的物理性质孔隙比：岩石中孔隙的体积与固体颗粒体积之比称岩石的孔隙比(多以小数表示)孔隙比和孔隙度可以互相换算：式中：e－孔隙比;n－孔隙度密度是试验指标，只有通过试验才能得到具体数值,而孔隙度和孔隙比是计算指标。een1nne1五、岩石的水理性质岩石在水溶液作用下表现出来的性质，称为水理性质。主要有：1.吸水性2.软化性3.抗冻性4.透水性（一）、岩石的吸水性岩石在一定的试验条件下吸收水分的能力，称为岩石的吸水性。1.吸水率(Wa)：岩石试件在大气压力和室温条件下自由吸入水的质量(mw1)与岩样干质量(ms)之比，用百分数表示%10021wwammW%100ddawaVbbWWVVn岩石的饱和吸水率(Wp)是指岩石试件在高压(一般压力为15MPa)或真空条件下吸入水的质量(mw2)与岩样干质量(ms)之比，用百分数表示，即%1002swpmmW3.饱水系数岩石的吸水率(Wa)与饱和吸水率(Wp)之比，称为饱水系数。它反映了岩石中大、小开空隙的相对比例关系。%100dd00WpWVVnwpV（2）饱和吸水率（二）、岩石的软化性岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性软化系数(KR)为岩石试件的饱和抗压强度(σcw)与干抗压强度(σc)的比值ccwRK岩石中含有较多的亲水性和可溶性矿物，大开空隙较多，岩石的软化性较强，软化系数较小。KR＞0.75，岩石的软化性弱，工程地质性质较好KR＜0.75，岩石软化性较强，工程地质性质较差（三）、岩石的抗冻性岩石抵抗冻融破坏的能力，称为抗冻性。抗冻系数(Rd)：岩石试件经反复冻融后的干抗压强度(σc2)与冻融前干抗压强度(σc1)之比，用百分数表示%10012ccdR（三）、岩石的抗冻性%100121sssmmmmK质量损失率(Km)：冻融试验前后干质量之差(ms1－ms2)与试验前干质量(ms1)之比，以百分数表示Rd＞75％，Km＜2％，抗冻性高吸水率Wa＜5％、软化系数KR＞0.75，饱水系数小于0.8的岩石，抗冻性高。岩石的水理性质可溶性：是指岩石被水溶解的性能。它与岩石的矿物成分、水中CO2含量及水的温度等因素有关。膨胀性：岩石吸水后体积增大引起岩石结构破坏的性能称膨胀性。一般含有