岩石物理力学性质

1岩石的物理力学性质岩石是由固体相、液体相和气体相组成的多相体系。理论认为，岩石中固体相的组分和三相之间的比例关系及其相互作用决定了岩石的性质。在研究和分析岩石受力后的力学表现时，必然要联系到岩石的某些物理性质指标。岩石物理性质：岩石由于其固体相的组分和三相之间的比例关系及其相互作用所表现出来的性质。主要包括基本物理性质和水理性质。岩石在受到外力作用下所表现出来的性质称为岩石的力学性质。岩石的力学性质主要有变形性质和强度性质，在静荷载和动荷载作用时，岩石的力学性质是有所不同的，表现在性质指标的差异上。岩石的物理力学性质通常通过岩石物理力学性质测试才能确定。1.1岩石的基本物理性质指标反映岩石组分及结构特征的物理量称为岩石的物理性质指标，这里主要是指一些基本属性：密度、比重、孔隙性、水理性等。反映了岩石的组分和三相之间的比例关系。为了测定这些指标，一股都采用岩样在室内作试验，，必要时也可以在天然露头上或探洞(井)中进行现场试骀。在选用岩样时应考虑到它们对所研究地质单元的代表性并尽可能地保持其天然结构。最好采用同一岩样逐次地测定岩石的各种物理性质指标。下面分述各种物理性质指标。1.1.1岩石的密度和重度(容重)1、定义密度：单位体积岩石(包括岩石内空隙体积在内)所具有的质量。重度(容重)：单位体积岩石所受的重力。2、计算式密度：VM(g/cm3，t/m3)容重度：VMgVW(kN/m3)密度与重度的关系：=g。上述各式中，M—岩石质量；W—岩石重量；V—岩石体积(包括空隙在内)；g为重力加速度，g=9.8m/s2，工程上一般取10m/s2。密度与容重的种类：天然密度、干密度d、饱和密度sat。天然密度与干密度的关系：=d(1+0.01)(为含水率，以百分数计)。3、影响因素影响岩石密度大小的因素：矿物成分、孔隙及微裂隙发育程度、含水量。4、测定方法岩石密度的测定方法：量积法；水中称重法；蜡封法等。5、工程意义岩石的重度可在一定程度上反映出岩石的力学性质情况。通常，岩石的重度越大，则它的性质越好，反之越差。图1-1是各种碳酸盐类岩石的单轴抗压强度与重度的相关关系曲线图。从图上可以看出，随着岩石重度的增加，极限抗压强度也相应地增大。在岩石力学计算中，经常用到重度这个指标。岩石的重度一般在26.5~28.0(kN/m3)的范围内变化(表1-1)。表1-1常见岩石的容重、比重、孔隙率岩石重度(kN/m3)比密度孔隙率(%)岩石重度(kN/m3)比密度孔隙率(%)花岗岩粗玄岩流纹岩安山岩辉长岩玄武岩砂岩26-2730-30.524-2622-2330-3128-2920-262.5-2.842.4-2.82.7-3.22.6-3.32.6-2.750.5-1.50.1-0.54-610-150.1-0.20.1-1.05-25页岩石灰岩白云岩片麻岩大理岩石英岩板岩20-2422-2625-2629-3026-2726.526-272.57-2.772.48-2.852.2-2.92.63-3.072.6-2.82.53-2.842.68-2.7610-305-201-50.5-1.50.5-20.1-0.50.1-0.51.1.2岩石颗粒密度1、定义岩石颗粒密度：单位体积岩石颗粒(固体部分)所具有的质量。2、计算式sssVM(g/cm3，t/m3)其中，Ms—为岩石固体颗粒的质量，Vs—为固体颗粒的体积。3、比密度(过去称为比重)：有时为了单位换算的方便，可采用比密度的概念：岩石固体部分的质量与同体积4C时纯水的质量之比值。即sssVM(无单位)其中，为4C时纯水的密度，=1g/cm3。在数值上s与s相等。4、影响因素影响岩石颗粒密度的因素：岩石颗粒密度取决于矿物成分及其在岩石中的含量。一般岩石是由多种矿物组成的，因此，岩石颗粒密度实际上是组成岩石的矿物密度的加权平均值。大部分岩石的比密度在2.50~2.80之间，而且随着岩石中重矿物含量的增加而提高。因此，基性和超基性岩石的比密度可达3.00~3.40甚至更高，酸性岩石如花岗岩的比密度仅为2.50~2.84。某些岩石的比密度见表1-1。5、测定方法岩石颗粒密度的测定：比重瓶法。1.1.3岩石的孔隙性岩石中存在各种各样的孔隙和细微裂隙，称为孔隙性。孔隙的发育极大地影响岩石的工程性质。岩石孔隙发育程度一般以孔隙率表示。1、定义图1-2碳酸盐岩的抗压强度与孔隙率关系1—大理岩；2—大理岩化石灰岩；3—石灰岩和白云岩图1-1碳酸盐岩的抗压强度与重度的关系1—大理岩；2—大理岩化石灰岩；3—石灰岩和白云岩岩石的(总)孔隙率n是指岩石孔隙的体积Vn与岩石总体积V(包括岩石固体颗粒体积与孔隙体积)的比值。以百分数表示。2、计算式%100VVnn3、其他孔隙率总开孔隙率n0：所有与大气相连同的孔隙裂隙体积占岩石总体积的比值。大开孔隙率nb：大开孔隙裂隙体积占岩石总体积的比值。小开孔隙率ns：小开孔隙裂隙体积占岩石总体积的比值。闭孔隙率nc：封闭的、与大气不相连同的孔隙占岩石总体积的比值。如此划分是与岩石的水理性质有关。4、孔隙率的研究意义衡量岩石致密程度和工程质量的重要物理性质指标。图1-2为几种碳酸盐类岩石的孔隙率与极限抗压强度的相关关系曲线。孔隙率n越大，岩石中孔隙和细微裂隙越发育，工程性质越差。5、影响因素组成成分、成因类型、形成条件、形成时代、后期变化。某些岩石的孔隙率见表1-1。1.2岩石的水理性质水理性质是岩石与水相互作用而表现出来的性质，即与水有关的岩石性质。主要有岩石的吸水性、透水性、软化性和抗冻性。1.2.1岩石的天然含水率1、定义天然状态下岩石中所含有的水的质量M与岩石的烘干质量Mrd的比值。以百分数表示。2、计算式%100MMrd3、影响因素气候、地形地貌、地质与水文地质环境。1.2.2岩石的吸水性岩石在一定条件下吸收水分的性能称为吸水性。吸水性的大小用吸水率a和饱水率表示。1、定义吸水率a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。2、计算式%100MMMdrdr0a其中，M0是烘干岩样浸水48小时后的总质量。反映大开孔隙发育程度。岩石的空隙越发育、连通性越好，则吸入的水量越多，吸水率越高。因此，有时将吸水率称为孔隙指数。3、其他吸水率饱和吸水率sa：岩石在强制状态(高压(一般是150个大气压)或真空、煮沸)下，岩石吸入的水的质量与岩样烘干质量的比值，以百分数表示，即%100MMMdrdrsasa其中，Msa—真空抽气饱和或煮沸后岩石试件的质量，Mdr—岩样在105~110C温度下烘干24小时的质量。饱和吸水率反映可总开孔隙的发育程度。岩石饱水系数k是指岩石吸水率与饱水率的比值，以百分数表示，即%100ksaa通常将岩石的吸水率与饱水率之比称为岩石的饱水系数。一般岩石的饱水系数在0.5~0.8之间。饱水系数对判断岩石抗冻性具有重要意义。当饱水系数0.91时，表示岩石在冻结过程中，水还有膨胀和挤入剩余的敞开空隙的余地；而当饱水系数0.91时，在冻结过程中形成的冰会对岩石的空隙产生冰劈作用，从而对岩石产生胀裂破坏。4、影响岩石吸水率的因素孔隙裂隙的多少、大小、分布及其连通情况。5、工程意义工程上常用岩石的吸水率作为判断岩石的抗冻性和风化程度的指标，并广泛地与其他的物理力学特征值建立关系。1.2.3岩石的透水性岩石能被水透过的能性。岩石的透水性用渗透系数K表示。根据达西定律，某岩石断面上的水渗透流速与水力坡度成正比，即v=KI其中，比例系数K即为渗透系数。在数值上，K等于水力坡度等于1时的渗透流速。由于水力坡度的单位为1，所以渗透系数的单位取速度的单位，一般为m/d或cm/s表示。水皮坡度是水流方向上单位流动距离上的水头降，反映水流的阻力大小(流动过程中能量的消耗情况)。渗透流速是单位岩石断面(该断面包括岩石固体部分的面积和空隙的面积)在单位时间内流过的水的体积。岩石的透水性好坏取决于空隙的多少、大小、方向及连通情况，同时也与流过的流体性质有关。1.2.4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。软化性常用软化系数来表示。软化系数c是岩样饱水状态的抗压强度c与自然风干状态下的抗压强度c之比值，以小数表示，即：cccc一般情况下小于1。岩石的软化性与岩石的物质组成有很大的关系，通常含较多粘土矿物的岩石，其软化系数小，即饱水后强度下降多。1.2.5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。是评价岩石抗风化稳定性的重要指标。岩石的抗冻性的高低，取决于造岩矿物的热物理性质、粒间联结强度及岩石的含水特征等因素。由坚硬岩石的刚联结组成的致密岩石的空冻性能高，而富含长石、云母和绿泥石类矿物及结构不致密的岩石的抗冻性能低。岩石的抗冻性通常用抗冻系数和质量损失率表示。岩石的抗冻系数cf是指岩样在25C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c-cf(cf是反复冻融后的抗压强度)与冻融前的抗压强度c之比值即为抗冻系数，以百分数表示，即%100cccfcf岩石在反复冻融后强度降低的原因在于：○1构成岩石的各种矿物热膨胀系数不同，当温度变化时，由于矿物胀、缩差异导致岩石结构破坏；○2当温度降到0C以下时，空隙中的水分将冻结成冰，其体积约增大9%，会产生很大的膨胀压力，使岩石结构发生改变，直至破坏。质量损失率是岩石冻融前后干试样的质量差与冻融前干试样的质量的比值，用百分数表示，即%100MMMK121m岩石的冻融实验是在实验室内进行的。一般要求按规定制备6~8块试样，分两组。一组进行规定次数的冻融实验，另一组做干燥状态下的抗压强度实验。一般要求，抗压强度降低不大于25%、质量损失率不大于15%，才算是抗冻性能好的岩石。1.3岩石的强度强度的概念：岩石在各种荷载作用下达到破坏时所能承受的最大应力称为岩石的强度。岩石同其他材料一样，也具有一定的抵抗外力作用的能力，但是，这种能力是有限的，当外力超过一定的极限时，岩石就要发生破坏。外力作用的方式不同，抵抗破坏的能力也不同，因而，通常根据外力的类型可划分强度的类型，如单轴强度、三轴强度等。强度的确定：岩石的强度通过强度试验确定。不同类型的强度均有相应的试验方法，同时也有相应的试验技术和要求。研究岩石强度的意义：(1)岩石强度是各种岩石分类、分级中的重要数量指标。(2)可作为强度准则，以判断：①当前计算点所处全应力应变曲线的哪个区；②所计算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。1.3.1岩石的破坏形式根据大量的试验和观察证明，岩石的破坏常常表现为下列各种形式：1、脆性破坏——大多数坚硬岩石在一定的条件下都表现出脆性破坏的性质。也就是说，这些岩石在荷载作用下没有显著觉察的变形就突然破坏。产生这种破坏的原因可能是岩石中裂隙的发生和发展的结果。例如，地下洞室开挖后，由于洞室周围的应力显著增大，洞室围岩可能产生许多裂隙，尤其是洞顶的张裂隙，这些都是脆性破坏的结果。2、延性破坏——岩石在破坏之前的变形很大，且没有明显的破坏荷载，表现出显著的塑性变形、流动或挤出，这种破坏称为延性破坏或韧性破坏。塑性变形是岩石内结晶晶格错位的结果。在一些软弱岩石中这种破坏较为明显。有些洞室的底部岩石隆起，两侧围岩向洞内鼓胀都属延性破坏的例子。坚硬岩石一般属脆性破，但在两向或三向受力较大的情况下，或者在高温的影响下，也可能延性破坏(或称塑性破坏)。3、弱面剪切破坏——由于岩层中存在节理、裂隙、层理、软弱夹层等软弱结构面，岩层的整体性受到破坏。在荷载作用下，这些软弱结构面上的剪应力大于该面上的强度时，岩体就发生沿着弱面的剪切破坏。岩基和岩坡沿着裂隙和软弱层的滑动以及小块试件沿着潜在破坏面的滑动，都属于这种破坏的例子。图1-3示有这几