岩石力学课件---2岩石的基本物理力学性质

第二章岩石的基本物理力学性质岩石的物理力学性质岩石物理性质：密度与重度、比重、空隙性、水理性（吸水性、软化性、膨胀性、崩解性、抗冻性）、透水性、碎胀性；岩石力学性质：变形特性、强度特性（抗压、抗拉、抗剪、三轴）、扩容、流变性及相关的岩石强度准则§2－1岩石的基本物理性质一、密度(ρ)和重度(γ)：岩石由固体，水，空气等三相组成（三相介质气相、液相－固相）。单位体积的岩石的质量称为岩石的密度。单位体积的岩石的重力称为岩石的重度。所谓单位体积就是包括孔隙体积在内的体积。(g/cm3）(kN/m3)岩石的密度可分为天然密度、干密度和饱和密度。相应地，岩石的重度可分为天然重度、干重度和饱和重度。gVW1、天然密度(ρ)和天然重度(γ)指岩石在天然状态下的密度和重度。(g/cm3)(kN/m3)WVg2、干密度（ρd）和干重度(γd)干密度：岩石孔隙中的液体全部被蒸发后单位体积岩石的质量，相应的重度即为干重度。(g/cm3)(kN/m3)ddWVddg3、饱和密度ρW和饱和重度γw饱和密度：饱水状态下岩石试件的密度。g/cm3kN/m3式中：Wd—岩石试件烘干后的质量，g；WW—饱水状态下岩石试件的质量，g；W—天然状态下岩石试件的质量，g；V—岩石试件的体积，cm3；g－重力加速度，m/s2。Vwwg二、比重(Δ)岩石的比重：指岩石固体的质量与同体积水的质量之比值。岩石固体体积，就是指不包括孔隙体积在内的体积。岩石的比重可在实验室进行测定，其计算公式为：式中：Δ—岩石的比重；Wd—干燥岩石体积为Vs时的质量，g；Vs—岩石固体体积，cm3；ΔW—40C时水的密度。wsdVW三、岩石的孔隙性（空隙性）岩石的空隙度：是指岩石中裂隙、溶隙和孔隙的发育程度，其衡量指标为空隙率(n)或空隙比(e)。闭型空隙：岩石中不与外界相通的空隙。开型空隙：岩石中与外界相通的空隙。包括大开型空隙和小开型空隙。在常温下水能进入大开型空隙，而不能进入小开型空隙。只有在真空中或在150个大气压以上，水才能进入小开型空隙。1、空隙率根据岩石空隙类型不同，岩石的空隙率分为：(1)总空隙率n；(2)大开空隙率nb；(3)小开空隙率nl；(4)总开空隙率n0；(5)闭空隙率nc。一般提到岩石的空隙率时系指岩石的总空隙率。1、空隙率(1)空隙率（孔隙率）n:即岩石试件内孔隙的体积（VV)占试件总体积(V)的百分比。(2)大开空隙率nb:即岩石试件内大开型空隙的体积（Vnb)占试件总体积(V)的百分比。(3)小开空隙率nl:即岩石试件内小开型空隙的体积（Vnl)占试件总体积(V)的百分比。%100VVnV%100VVnnbb%100VVnnll(4)总开空隙率（孔隙率）n0:即岩石试件内开型空隙的总体积（Vn0)占试件总体积（V）的百分比。(5)闭空隙率nc:即岩石试件内闭型空隙的体积（Vnc)占试件总体积(V)的百分比。2、空隙比(e):所谓空隙比是指岩石试件内空隙的体积（VV)与岩石试件内固体矿物颗粒的体积（Vs)之比。%10000VVnn%100VVnnccnnVVesV1四、岩石的水理性质岩石遇水后会引起某些物理、化学和力学性质的改变，岩石的这种性质称为岩石的水理性。1、岩石的吸水性岩石吸收水分的性能称为岩石的吸水性，其吸水量的大小取决于岩石孔隙体积的大小及其密闭程度。岩石的吸水性指标可分为：吸水率、饱水率和饱水系数。1、岩石的吸水性（1）岩石吸水率ω1：是指岩石试件在标准大气压力下吸入水的重量Wω1与岩石干重量Ws之比。岩石的吸水率的大小，取决于岩石所含孔隙、裂隙与溶隙的数量、大小、开闭程度及其分布情况，并且还与试验条件(整体和碎块，浸水时间等)有关。根据岩石的吸水率可求得岩石的大开空隙率nb：%10011sWWwdswwssnbsnbbWWVWWVVWVVn1/1（2）岩石的饱水率ω2岩石的饱水率：指岩样在强制条件下（高压、煮沸、真空），岩石吸入水的重量Wω2与岩石干重量Ws之比，即：根据饱水率求得岩石的总开空隙率n0：%10022sWWwdsnsnWVVWVVn2000（3）岩石的饱水系数（Ks）岩石吸水率与饱水率之比称为岩石的饱水系数，即饱水系数反映了岩石中大开空隙和小开空隙的相对含量。饱水系数越大，岩石中的大开空隙越多，而小开空隙越少。吸水性较大的岩石吸水后往往会产生膨胀，给隧道及井巷支护造成很大压力。21sK2、岩石的软化性岩石的软化性：岩石与水相互作用时，强度降低的特性。机理为水分子进入颗粒间而弱化了结构连接。岩石软化性与矿物成分、粒间连接方式、孔隙率及微裂隙发育程度等有关。大部分结晶岩不易软化，而黏土岩、泥质砂岩、泥灰岩等易软化。岩石软化性高低可用软化系数ηc表示。软化系数指岩石试样在饱水状态下的抗压强度与在干燥状态下的抗压强度之比，即各类岩石的=0.45～0.9之间。0.75，岩石软化性弱、抗水、抗风化能力强；0.75，岩石的工程地质性质较差。cwccRRcwRcRccc3、岩石的膨胀性岩石的膨胀性:指岩石浸水后体积增大的特性。岩石的膨胀性大小一般用膨胀力和膨胀率指标表示。测定方法是平衡加压法。试验中通过不断加压，进而保持体积不变，所测得的最大压力即为岩石的最大膨胀力；然后逐级卸载至零，测定其最大膨胀变形量，膨胀变形量与试件原始厚度的比值即为膨胀率。4、岩石的崩解性岩石的崩解性：指岩石与水相互作用时失去粘结性并变为完全丧失强度的松散物质的性质。岩石的崩解性用耐崩解指数Id2来表示。可由干湿循环试验确定。将经过烘干的试块(500g，分成约10块)，放在带有筛孔的圆筒内，圆筒在水槽中20r/min的转速，旋转10min,然后将留在圆筒内的岩块取出烘干称重，如此反复进行两次，按下式计算耐崩解指数。式中：Id2——两次循环试验求得的耐崩解指数，在0~100%之间变化；ms——试验前试块的烘干质量；mr——残留在圆筒内试块的烘干质量；W0——试验结束冲洗干净后圆筒的烘干重量。W1——试验前试件和圆筒的烘干重量；W2——第二次循环后试件和圆筒的烘干重量；岩石的耐崩解性指数反映了岩石在浸水和温度变化的环境下抵抗风化作用的能力。%10001022、岩石的抗冻性岩石的抗冻性：指岩石抵抗冻融破坏的性能，是评价岩石抗风化稳定性的重要指标。岩石的抗冻性用抗冻系数Cf表示，指岩石试样在±250C的温度期间内，反复降温、冻结、融解、升温，然后测量其抗压强度的下降值（Rc-Rcf）,以此强度下降值与融冻试验前的抗压强度Rc之比的百分比代表抗冻系数Cf，即可见：抗冻系数Cf越小，岩石抗冻融破坏的能力越强。ccffcRRCR五、岩石的透水性地下水存在于岩石孔隙、裂隙与溶隙中，而且大多数岩石的空隙是连通的，因而在一定的压力作用下，地下水可以在岩石中渗透。岩石的这种能透水的性能称为岩石的透水性。岩石的透水性大小不仅与岩石的空隙度大小有关，而且还与空隙大小及其贯通程度有关。透水性指标为渗透系数（K）。一般来说，完整密实的岩石的渗透系数往往很小。测定方法：现场进行抽水或压水试验而测定的，室内岩石渗透仪。岩石渗透试验仪-英国，测试岩石受压状态下的渗透性能·最大围压：3.5MPa·最大岩样尺寸：55mm直径×110mm长度六、岩石的碎胀性岩石破碎后的体积VP比原体积V增大的性能称为岩石的碎胀性，用碎胀系数ξ来表示。碎胀系数不是一个固定值，是随时间而变化的。永久碎胀系数（残余碎胀系数）―不能再压密时的碎胀系数称为永久碎胀系数.VVP§2－1岩石的基本物理性质一、岩石的变形特性变形：弹性变形（线弹性变形和非线弹性变形）和塑性变形。弹性变形：物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后能够恢复的变形，这种变形称为弹性变形。塑性变形：物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后不能恢复的变形。塑性变形又称永久变形或残余变形。§2－2岩石的力学性质一、岩石的变形特性（一）岩石在单轴压缩状态下的力学特性1、σ～ε曲线的基本形状美国学者米勒将σ～ε曲线分为6种。（图表见下页）§2－2岩石的力学性质§2－2岩石的力学性质σ～ε曲线的基本形状低压下张开裂隙或微裂隙闭合所致高压下细微裂隙和局部破坏所致§2－2岩石的力学性质一、岩石的变形特性（一）岩石在单轴压缩状态下的力学特性2、刚性压力机与全应力－应变曲线及破坏后的性态0A段：压密阶段，微裂隙压密极限σA。AB段：线弹性阶段，σB为弹性极限。BC段：σC为屈服极限。CD段：破坏阶段，σD为强度极限，即单轴抗压强度。DE段：即破坏后阶段,σE为残余强度。一、岩石的变形特性（一）岩石在单轴压缩状态下的力学特性2、刚性压力机与全应力－应变曲线及破坏后的性态刚度K：指物体产生单位位移所需的外力。弹性变形能W：式中：K——物体的刚度，kN/mm;p——外力，N;u——在外力作用下的位移。§2－2岩石的力学性质uPKKPPuW2212一、岩石的变形特性（一）岩石在单轴压缩状态下的力学特性3、刚性压力机下宏观破坏后性态分析：瓦威尔西克（WawerSik,1968）对岩石开始宏观破坏后的性态做了仔细研究，所得结果如图所示。§2－2岩石的力学性质一、岩石的变形特性（一）岩石在单轴压缩状态下的力学特性类型1：试件仍有一定的强度。要使试件进一步破坏，试验机必须进一步作功，这种类型为稳定破坏型。应力－应变曲线的破坏后区斜率为负。这种类型为稳定破坏型；（孔隙率大的沉积岩和部分结晶岩）-剪缩型；类型2：试件受力达到其极限强度以前储存的弹性变形能就足以使试件完全破坏，不但不需要试验机进一步作功，还要逐步卸载，才能作出破坏后区应力－应变曲线。应力－应变曲线的破坏后区斜率为正。这种类型为非稳定破坏型；（细粒结晶岩）。-剪胀型；§2－2岩石的力学性质一、岩石的变形特性（二）单轴压缩状态下反复加载和卸载时的岩石变形特性1、弹性岩石：加载曲线和卸载曲线重合。2、弹塑性岩石：§2－2岩石的力学性质§2－2岩石的力学性质一、岩石的变形特性（三）三轴压缩状态下的岩石变形特性1、岩石在常规三轴试验条件下的变形特性岩石在常规三轴试验条件下的变形特征通常用轴向应变ε1与主应力差(σ1-σ3)的关系曲线表示。三轴试验下加卸载对岩石变形的影响§2－2岩石的力学性质围压对岩石变形的影响图2－6三轴应力状态下大理岩的应力－应变曲线§2－2岩石的力学性质§2－2岩石的力学性质围压对岩石变形的影响一、岩石的变形特性（三）三轴压缩状态下的岩石变形特性2、岩石在真三轴试验条件下的变形特性(20世纪60年代开始)§2－2岩石的力学性质极限应力σ1随σ2增大而增大，但破坏前的塑性变形量却减小；破坏形式从延性向脆性变化；极限应力σ1随σ3增大而增大，破坏前的塑性变形量增大，但屈服极限未变。破坏形式从脆性向延性变化。§2－2岩石的力学性质E一、岩石的变形特性（四）岩石变形特性参数的测定1、弹性模量E的确定a.线弹性类岩石：σ～ε曲线呈线性关系，曲线上任一点P的弹性模量E：一、岩石的变形特性（四）岩石变形特性参数的测定1、弹性模量E的确定b.σ～ε曲线呈非线性关系初始模量:切线模量（直线段）：割线模量：工程上常用E50：§2－2岩石的力学性质0ddE＝初1212aaaaE＝切割E505050E一、岩石的变形特性（四）岩石变形特性参数的测定1、弹性模量E的确定b.σ～ε曲线呈非线性关系§2－2岩石的力学性质一、岩石的变形特性（四）岩石变形特性参数的测定1、弹性模量E的确定c.具有粘性的弹性岩石§2－2岩石的力学性质由于应变恢复有滞后现象，即加载和卸载曲线不重合，加载曲线弹模和卸载弹模也不一样。P点加载弹模取过P点的加载曲线的切线斜率，P点卸载弹模取过P点的卸载曲线的切线斜率。一、岩石的变形特性（四）岩石变形特性参数的测定1、弹性模量E的确定d、弹塑性类岩石§2－2岩石的力学性质eE一、岩石的变形特性