第二章岩石的基本物理力学性质

2020/7/14岩石力学1第二章岩石的基本物理力学性质本章内容岩石的基本物理性质；岩石的强度特性；岩石的变形特性；岩石的强度理论。基本要求掌握岩石的基本物理性质，理解岩石的变形性质；掌握岩石的强度特性；掌握莫尔强度理论、库伦—莫尔强度理论；了解格里菲斯理论。2020/7/14岩石力学2第二章岩石的基本物理力学性质第一节基本物理性质第二节岩石的强度特性第三节岩石的变形特性第四节岩石的强度理论主要内容2020/7/14岩石力学3基本物理性质一、岩石的孔隙性二、岩石的水理性三、岩石的抗冻性四、岩石的质量指标返回岩石含：固相、液相、气相（孔隙）。三相比例不同，物理性质指标也有所不同。联系2020/7/14岩石力学4岩石的强度性质一、岩石的单轴抗压强度二、岩石的三轴抗压强度三、岩石的抗剪强度四、岩石的抗拉强度返回岩石强度:岩石材料受力破坏时所能承受的最大荷载应力本节讨论[σ]问题工程师对材料提出两个问题1.最大承载力——许用应力[σ]？2.最大允许变形——许用应变[ε]？试验方法2020/7/14岩石力学5岩石的变形特性（弹，塑，粘）一、岩石在单轴压缩作用下的变形特性（1）普通试验机下的变形特性（2）刚性试验机下的单向压缩的变形特性二岩石在三轴压应力下的变形特性三、岩石的流变特性返回2020/7/14岩石力学6VVnV/一、岩石的孔隙性：（一）孔隙比VV—孔隙体积(m3)Vs—岩石固体的体积(m3)（二）孔隙率V=VV+Vs返回sVVVe/——反映孔隙发育程度的指标V—包含孔隙在内的岩石体积(m3)2020/7/14岩石力学7二、岩石的水理性质（一）含水性1、含水量：岩石孔隙中含水量(WW)与岩石烘干重量(Ws)比值的百分率w=Ww/Ws×100％2、吸水率：干燥岩石试样在一个大气压和室温条件下吸入水的重量与岩石烘干重量之比吸水率是一个间接反映岩石内孔隙多少的指标W0－烘干岩样浸水48h后的湿重(kN)含水性膨胀性软化性渗透性耐崩解性%1000SSSWaWs：在105-110°C温度下烘干24小时的重量(kN)2020/7/14岩石力学8（二）渗透性渗透性：在一定的水压作用下，岩石的孔隙和裂隙透过水的能力，可用渗透系数来衡量。渗透系数是介质对某种特定流体的渗透能力，取决于岩体物理特性和结构特征，如孔隙和裂隙大小，开闭程度以及连通情况等大多渗透性可用达西（Darcy）定律描述：Adxdhkqxdxdh——水头变化率；qx——沿x方向水的流量，m3/s；h——水头高度，m；A——垂直x方向的截面面积，m2；k——渗透系数，m/s。2020/7/14岩石力学9(四)软化系数Rcw——饱和单轴抗压强度；Rc——干燥单轴抗压强度；η（η≤1）越小，表示岩石受水的影响越大(见表2-2）。ccwRR/轴向自由膨胀（%）H——试件高度径向自由膨胀（%）D——直径HHVH/DDVD/（三）岩石的膨胀性自由膨胀率：无约束条件下，浸水后膨胀变形与原尺寸之比2020/7/14岩石力学10岩石力学112020/7/14(五)耐崩解性试验时，将烘干的试块，约500g，分成10份，放入带有筛孔(2mm)的圆筒内，使圆筒在水槽中以20r／min速度连续转10分钟，然后将留在圆筒内的石块取出烘干称重。如此反复进行两次，按下式计算耐崩解性指数：残留在筒内的试件烘干质量mR试验前的试件烘干质量(mS)(%)/2SRdmmI耐崩解性指数是通过对岩石试件进行烘干，浸水循环试验所得的指标。返回岩石力学122020/7/14三、岩石的抗冻性抗冻性:岩石抵抗冻（胀）融破坏的性能，通常用抗冻系数表示。返回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之比：%100ccfcfRRRcCf—岩石的抗冻系数；Rcf—岩石冻融后的抗压强度(kPa)2020/7/14岩石力学13密度比重1、岩石的密度：单位体积内岩石的质量。四、岩石的质量指标（1）天然密度：自然状态下，单位体积质量VM/M——岩石总质量，kg；V——总体积，m3。（2）干密度：岩块中的孔隙水全部蒸发后的单位体积质量（108℃烘24h）VMsd/Ms——岩石烘干后的质量，kg。2020/7/14岩石力学142、岩石的比重：岩石固体烘干重量（WS）与4℃时同体积纯水的重量比VC——岩石实体部分(不包含孔隙）的体积；——一个大气压下4℃时水的重度)/(WCVWSW返回（3）饱和密度：岩石中的孔隙被水充填时的单位体积质量（水中浸48小时）VVMWVssatVV——孔隙体积ρW:一个大气压下4℃时水的密度(kg/m3)测定方法及适用条件：量积法、水中称重法、蜡封法。2020/7/14岩石力学15一岩石的单轴抗压强度1.定义：指岩石试件在单轴压力作用下（无围压，只受轴向压力）所能承受的最大压应力，也即是岩石在达到破坏时承受的最大轴向荷载P除以试件的横截面积A。APRc/2.试验方法：圆柱形试件：Ф4.8－5.2cm，高H=（2－2.5)Ф长方体试件：边长L=4.8－5.2cm,高H=（2－2.5)L两端面垂直于轴线±0.25o试件两端不平度0.05mm；试件标准：试验装置：2020/7/14岩石力学162020/7/14岩石力学173.单向压缩试件的常见破坏形态（1）单斜面剪切破坏：最常见的破坏方式（2）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。（3）柱状劈裂破坏岩石单向压缩破坏的真实反映（消除了端部效应）产生的是张拉破坏（∵岩石的抗拉强度远小于抗压强度）消除端部约束方法：磨平端部、润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部）、加长试件2020/7/14岩石力学184.单轴抗压强度的主要影响因素岩石自身的因素：矿物成分、结晶程度、颗粒大小及胶结情况、风化程度、含水情况和周围环境（温度、湿度）层理和裂隙的特性和方向等；含水量：含水量越大强度越低，岩石越软越明显；温度：180℃以下不明显；大于180℃，温度越高强度越小。（跟岩性有关，深部岩体力学）2020/7/14岩石力学19（1）试件形状：圆形试件不易产生应力集中，好加工尺寸：宽度大于矿物颗粒的10倍（Ф50的依据），长度不宜太长或太短，高径比h/d≥(2－2.5)较合理(受力均匀）（2）承压板端部摩擦力试验机刚度（3）加载速率加载速率越大，表现强度越高(见图2－5)(机理研究热点）我国规定加载速度为0.5－1.0MPa/s实验方法上的因素：2020/7/14岩石力学20返回2020/7/14岩石力学21二岩石的三轴抗压强度指在三向压缩荷载作用下岩石所能承受的最大压应力。321,f2.三向压缩试验简介（1）真三轴（2）常规三轴3213211.定义2020/7/14岩石力学223212020/7/14岩石力学233.三轴压缩试验的破坏类型2020/7/14岩石力学24具体破坏形式的多样化2020/7/14岩石力学254.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2020/7/14岩石力学26（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，加载途径对岩石的最终三轴压缩强度影响不大（？）。2020/7/14岩石力学27（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2020/7/14岩石力学28三岩石的抗剪强度1.定义在剪切荷载作用下达到破坏前所能承受的最大剪应力2.常用试验方法直接剪切试验角模压剪试验岩石力学292020/7/14直接剪切试验APATA—试样的剪切面面积。给定不同的σ(或P）进行多次试验，求出不同的τ，近似直线得：cftan)(tanφ－岩石抗剪切内摩擦系数；（φ－内摩擦角）c－岩石的粘聚力1.2.2020/7/14岩石力学30角模压剪试验cossinsincosfPQfPNfPQNαQNPα其中，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①试验装置:楔形剪切仪②荷载计算公式cossinsincosfAPAQfAPAN③剪切破坏面上的正应力σ和剪应力τ：其中，A剪切面面积2020/7/14岩石力学31岩石的抗剪断σ－τ曲线（强度曲线）ctantanφ－岩石抗剪切内摩擦系数c－岩石的粘聚力返回•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•改变夹具倾角α：30度～70度2020/7/14岩石力学32四岩石的抗拉强度1.定义：在单轴拉力作用下岩石试件抵抗破坏的极限能力，在数值上等于破坏时的最大拉应力。直接拉伸法间接拉伸法2.拉伸试验方法拉伸试验方法巴西劈裂法点荷载法计算公式不同（不易成功）2020/7/14岩石力学33直接拉伸试验方法应力集中两端破坏（强度)夹持力，联结力不足从中拔出应力集中两者变形？高强度水泥高强度树脂两者胶结力变形是否协调APRt/2020/7/14岩石力学34巴西劈裂法（对称径向压裂法）由巴西人Hondros提出实验思想：径向压缩导致劈裂,注意：接触并非单线接触，有一定接触面积（弧高≤1/20D）试件：实心圆柱Φ50mm;δ25mm换图蔡拉伸破坏研究热点：平台加载加载速度DtPt/2xy3σt:试件中心的最大拉应力，即RtD:试件的直径t:试件的厚度δ试验要求:①沿平行于轴线的一条边缘线均匀加载②破坏面必须通过试件直径2020/7/14岩石力学35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（优点），尺寸大致50mm，不做任何加工。试验：直接放到现场的点荷载仪上，加载劈裂破坏。2/yPIIRt96.0计算：I——点荷载强度指标P——试件破坏时的极限荷载y——加载点试件的厚度统计公式：15196.0151iitIR要求:由于离散性大，每组15个，取均值建议：用Ф50mm的钻孔岩芯为试件。返回岩石力学362020/7/14第三节岩石的变形特性弹性：物体受外力作用瞬间即产生全部变形，卸载后立即恢复原有形状和尺寸的性质塑性：物体受力后产生变形，在卸载后变形不能完全恢复的性质粘性：物体受力后变形不能瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质，又称为流变性（蠕变，松弛，弹性后效）。屈服极限1.基本概念：Eη：粘性系数dtd.2020/7/14岩石力学372.基本力学模型：1、弹性模型2、理想塑性3、粘性模型η—粘性系数（poise；poise=0.1N·S/m2）E持续增长000tdtd变形与时间无关卸载后是否有残余变形变形与时间有关无有变形特性(σ0：屈服应力)2020/7/14岩石力学383.基本元件2020/7/14岩石力学392020/7/14岩石力学40η牛顿粘性系数；单位:泊。1posie=0.1N·s/m2返回2020/7/14岩石力学41一、岩石在单轴压应力作用下的变形特性1、典型的岩石应力-应变曲线（一）普通试验机下的变形特性特点：①σ1－ε1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）a.分三个阶段:1）原生微裂隙压密阶段（OA）特点：①σ1－ε1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σB应力为屈服极限，超过B点卸载有塑性变形。2）弹性变形阶段（AB）3）弹塑性（非线性）变形阶段（BC）特点：①σ1－ε1曲线；②有塑性变形产生，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。1脆性：应力超出屈服应力后，并不呈现出明显的塑性变形而破坏，即为脆性破坏。岩石越硬，BC段越短，脆性