第2章物理性质强度(课2)岩体力学

岩石力学岩石力学2013年9月岩石力学第二章岩石的物理力学性质与强度理论主要内容岩石的物理性质岩石的力学性质岩石的强度理论岩石力学2岩石的物理力学性质与强度理论岩石的物理性质是指由岩石固有的物质组成和结构特征所决定的密度、孔隙性、水理性、热理性等基本属性。2.1岩石的物理性质2.1.1岩石的非均质性与各向异性岩石的结构和构造特征决定了岩石的非均匀性、各向异性和裂隙性，岩石的非均匀性、各向异性和裂隙性是岩石材料区别于其他材料的最突出的结构特征。2.1.1.1非均质性岩石的非均质性是表征岩石的物理、力学等性质随空间变化而变化的一种性质。岩石组成物理粒度、圆度等性质的非均质性决定了岩石的非均质性。一般地说，在其他条件相同的条件下，岩石组成的颗粒越细小，岩石越致密，颗粒大小越均匀、一致，则其力学性质越均匀。岩石力学岩石的非均质性可用试验数据的偏差系数ζ进行估计，即：—各观测值的算术平均值；%100XS(2-1)niinXXS121)((2-2)_XiX式中n—试件个数。—第i个观测值；n岩石力学岩石的各向异性是由其生成条件所决定的。岩石在变质或者成岩作用过程中，会使原岩中那些本来没有明显方向性排列的片状、板状、柱状矿物，重新做定向排列，或新产生一些变质矿物定向发育。从不同角度分析，有两种情况：一种是如前所述，具有定向排列，岩石表现为各向异性；另一种情况是岩石中的各种矿物都是沿着各个不同方向均匀排列，这样即使岩石含有某些具有明显软弱面的矿物。上述这些构造往往岩石力学性质具有明显的非均匀性，沿着这些构造面，抗剪能力很弱，表现为明显的软弱面，垂直于结构面的方向上，承受拉力性能又很差。即使以受压而论，岩石也会因结构面的方向不同而表现出不同的强度特征。因此岩石的力学性质，不仅与岩石的矿物性质有关，也与岩石的构造有关。2.1.1.2各向异性岩石力学岩石真密度是指岩石固体部分的质量与固体体积的比值，即：sssVm(2-3)式中Vs——岩石固体体积,cm3,下同。（如何量测）岩石真密度仅取决于组成岩石的矿物密度及其含量，一般为2.5~3.2g/cm3。常见岩石的真密度与天然块体密度见表2-1。岩石真密度常用比重瓶法进行测定。2.1.2岩石真密度岩石力学2.1.3岩石密度指标岩石密度是指单位体积岩石(包括岩石中孔隙体积)的质量(单位：g/cm3)。岩石是由固相、液相和气相组成的，三相物质在岩石中所含的比例不同、矿物岩屑成分不同，密度也会发生变化。根据岩石试样的含水情况不同，岩石块体密度可以分为天然块体密度(ρ)、干块体密度(ρd)和饱和块体密度(ρsat)，一般未说明含水状态时指天然块体密度。（1）天然块体密度天然块体密度是指岩石在自然情况下单位体积的质量，即：Vm(2-4)式中m——岩石试件的总质量，g；V——该试件的总体积，cm3。岩石力学表2-1常见岩石的真密度与天然块体密度岩石力学(2)干块体密度干块体密度是指岩石孔隙中的液体全部被蒸发，试件中仅有固体和气体的状态下单位体积的质量，即：(3)饱和块体密度饱和块体密度是指孔隙完全被水充填时单位体积的质量，即：Vmsd(2-5)VuVmVssat(2-6)式中Vv——孔隙的体积，cm3；u——水的密度，g/cm3。岩石力学2.1.4岩石的孔隙性由于天然岩石属于多晶体材料，本身存在很多缺陷和相对较多的孔隙或裂隙。一般地层中的岩石孔隙越发育，岩石(体)的强度就越小，塑性变形（）和渗透性就越大，通常用孔隙率来说明岩石孔隙性的好坏。岩石中孔隙体积与岩石总体积之比称为岩石的孔隙率，即：％100bpVV(2-7)式中——孔隙率；pV——岩石中孔隙体积；bV——岩石总体积。根据孔隙的大小，可将岩石的孔隙分为三类：岩石力学微毛细管孔隙——管形孔径小于0.0002mm，裂缝宽度小于0.0001mm的孔隙。由于流体与周围介质分子的吸引力极大，以致在常温常压下流体在这种孔隙中已不能流动，如致密页岩中的孔隙。毛细管孔隙——管形孔径在0.0002~0.5mm之间，裂缝宽度在0.001~0.25mm之间的孔隙。由于流体和岩石颗粒分子间的毛细管阻力的作用，流体不能自由流动，但在外力大于这种阻力时可以流动，一般砂岩的粒间孔隙多属于此类型。超毛细管孔隙——管形孔径大于0.5mm，裂缝宽度大于0.25mm的孔隙。在重力作用下，流体在其中可以自由流动。服从静力学的一般规律，一些未胶结和胶结疏松的沙层的孔隙属于这种类型。岩石力学2.1.5岩石的水理性岩石在水溶液的作用下所表现的性质或者其性质发生变化称为岩石的水理性质，如岩石的吸水性、渗透性、膨胀性、崩解性和软化性等。2.1.5.1岩石的吸水性在一定的条件下，岩石吸收水分的性质称为吸水性。常用吸水性、饱水率和饱水系数等物理指标来表示。(1)吸水率吸水率wa指岩石在常温常压下（经过浸水）吸收水分的质量与岩石干质量之比，即：%1001swammw（2-8）式中mw1——吸收水分的质量；ms——岩石的干质量。注：岩石吸水率的大小主要取决于岩石中孔隙和裂缝的数量、大小和其张开与关闭程度，当然也受检测方法和要求的影响。大部分岩浆岩和变质岩的吸水率多在0.1%~2.0%之间，沉积岩的吸水率多在0.2%~7.0%之间。岩石力学(2)饱和率饱和率wp指岩石在高压(一般为15MPa)或真空条件下吸收水分的质量与岩石的干质量之比，即：%100w2swpmw（2-9）式中ww2——岩石在高压或真空条件下吸收水分的质量；岩石的饱和吸水率反映了岩石总（开）孔隙率的发育程度，因此可间接地用它来判断岩石的风化能力和抗冻性。（3）饱水系数饱水系数定义为岩石的吸水率和饱水率之比，即：ms——岩石的干质量。岩石力学式中wa——岩石的吸水率；pa（2-10）wp——岩石的饱水率。表2-2反映了岩石中大、小开孔隙的相对比例关系。一般来说，饱水系数越大，岩石中的大开孔隙相对越多，小开孔隙相对越少。另外，饱水系数越大，说明常压下吸水后余留的孔隙就越少，岩石容易被冻胀破坏，因而其抗冻性差。同时岩石的吸水性和岩石的力学性质密切相关，对于泥页岩底层和富含黏土矿物的底层，吸水率和饱水率越高就意味着其稳定性越差。岩石力学表2-2部分岩石的吸水率岩石类别岩石名称吸水率%岩浆岩花岗岩0.01～0.92正长岩0.47～14.94闪长岩0.30～0.48辉绿岩0.22～5.00玢岩0.07～1.65班岩0.20～2.00安山岩0.29～3.00玄武岩0.31～2.69凝辉岩0.12～7.45沉积岩砾岩0.20～5.00砂岩0.20～12.9页岩1.80～3.10石灰岩0.10～4.45变质岩片麻岩0.10～3.15片岩0.08～0.55石英岩0.10～0.80大理岩0.10～0.95岩石力学2.1.5.2岩石的渗透性（土层的渗透性）1.概述：水在岩土体孔隙中的流动过程称为渗透。岩土体具有渗透的性质称为岩土体的渗透性。由水的渗透引起岩土体边坡失稳、边坡变形、地基变形、岩溶渗透塌陷等均属于岩土体的渗透稳定问题。水在孔隙介质中的渗透问题，目前的研究在试验及理论上都有一定的水平，在解决实际问题方面也能够较好地反映水在孔隙介质中的渗流的运动规律。2.岩石的渗透性：在一定的水力梯度或压力作用下，岩石能被水透过的性质，称为透水性。对孔隙介质岩体，一般认为，水在岩石中的流动，如同水在土中流动一样，也服从于线性渗流规律——达西定律；渗透系数是表征岩石透水性的重要指标，其大小取决于岩石中空隙、裂隙的数量、规模及连通情况等，并可在室内根据达西定律测定岩石的渗透性一般都很小，远小于相应岩体的透水性，新鲜致密岩石的渗透系数一般均小于10-7cm/s量级。岩石力学同一种岩石，有裂隙发育时，渗透系数急剧增大，一般比新鲜岩石大4～6个数量级，甚至更大，说明空隙性对岩石透水性的影响是很大的3.岩体的渗透性：是一个复杂的问题，根据目前的研究，岩体的渗流大体可划分为准均匀介质渗流、裂隙性介质渗流和岩溶性介质渗流三种。(1)准均匀介质渗流：属于这一类型的有全、强风化带及弱风化带的中上部的多孔隙砂岩。在该渗流场中，达西定律基本上适用；(2)裂隙性介质渗流：裂隙性介质渗流是岩体渗流的基本形式，水的渗流主要受裂隙的类型、裂隙的大小、裂隙的产状\连通性及裂隙充填情况所控制。(3)岩溶介质渗流：岩溶介质渗流是岩体渗流最复杂的一种形式，由于受岩溶的发育规律所控制，岩溶的渗流具有间歇性、隐伏性、封闭性和地下水系等特点。岩石力学岩溶介质渗流的复杂性主要表现在以下三个方面：①多循环系统共存这是岩溶介质渗流最突出的特点之一。如一个泉眼可能是一个循环系统的排泄点，也可能是几个循环系统的排泄点。同时，单个系统在空间上可以相互交叉。②裂隙性渗流与管道型渗流共存。③多种渗流特征参数共存。岩石的渗透性与孔隙性密切相关，一般而言，随有效孔隙率增大，岩石中流体的渗流能力增强，岩石逐渐变得疏松，强度逐渐降低。岩石力学2.1.5.3膨胀性、崩解性及软化性岩石中的黏土矿物具有较强的亲水性，在与外来水接触后致使岩石中颗粒间的水膜增厚，或者水渗入矿物晶体内部，从而引起岩石的体积或长度膨胀，这就是岩石的膨胀性。表示指标膨胀率。由于吸水膨胀作用，致使岩石内部出现非均匀的应力，加之有溶解物被溶掉，因而造成岩石颗粒及其集合体分散，称之为岩石的崩解性。岩石的软化性是指岩石浸水后引起其强度降低的性能，这种浸水造成岩石强度降低的作用称为对岩石的软化作用。而岩石抵抗水软化作用的能力主要取决于岩石中亲水性和易溶性矿物或胶结物的类型和含量，此外也与岩石中孔隙及裂缝的发育程度密切相关。实例岩石力学2.1.6岩石的热理性岩石的热理性是指岩石温度发生变化时所表现出来的物理性质。表征岩石热理性的参数主要有体胀系数、线胀系数、热导率等。2.1.6.1体胀系数及线胀系数岩石受热后体积或长度发生膨胀的性质称为热胀性,常用体胀系数和线胀系数来度量。岩石的体胀系数(avs)是指温度上升1℃所引起的体积增值与其初始体积之比：岩石力学表2-3部分岩石的线胀系数线胀系数()是指温度上升1℃所引起的长度增值与其初始线长度之比：式中、——分别为岩石的初始体积、初始线长度；、——分别为岩石在t℃时的体积、线长度。otvsVVVolsaootlsLLL(2-15)oVoLtVtL(2-14)岩石力学2.1.6.2热导率岩石的热导率是度量岩石的热传导能力的参数。岩石的热导率(Ct）是指当温度上升1℃时热量(QT)在单位时间内传递单位距离时的损耗值，即：式中L——热量传递的距离；t——热量传递L距离所用的时间；T——上升的温度。岩石的热导率(Ct)不仅取决于它的矿物组成及结构构造，而且还与其赋存的环境关系密切。LtTQCTt(2-16)岩石力学2.2岩石的力学性质岩石的力学性质是岩石的一个重要的特性，主要包括在不同荷载作用下的强度特性及变形特性。本节介绍岩石在单轴压缩、单轴拉伸、剪切及三轴压缩条仵下的力学特性，岩石的流变特性以及影响岩石力学特性的主要因素。2.2.1岩石单轴压缩条件下的力学特性2.2.1.1单轴抗压强度岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所能承受的最大压应力称为岩石的单轴抗压强度。因为岩石试件只受到轴向压力作用，侧向没有压力，因此试件变形没有受到限制，如图2-1(a)所示。岩石力学•作为岩（土）体的两个重要参数之一的内摩擦角，是土的抗剪强度指标，是工程设计的重要参数。土的内摩擦角反映了土的摩擦特性，一般认为包含两个部分：土颗料的表面摩擦力，颗粒间的嵌入和联锁作用产生的咬合力。内摩擦角是土力学上很重要的一个概念。内摩擦角最早出现在库仑公式中，也就是土体强度决定于摩擦强度和粘聚力，摩擦强度又分为滑动摩擦和咬合摩擦，两者共同概化为摩擦角。•1定义•内摩擦角(angleofinternalfriction)•1、岩体在竖力作用下发生剪切破坏时错动面的倾角；•2、颗粒状材料(如粮食、砂子)自然堆积时与地面能形成的最大夹角。•概念•作为岩(土)体的两个重要参数之一的内摩擦角，是土