岩石的基本物理力学性质及其试验方法

第一讲岩石的基本物理力学性质及其试验方法(之一)一、内容提要：本讲主要讲述岩石的物理力学性能等指标及其试验方法，岩石的强度特性。二、重点、难点：岩石的强度特性，对岩石的物理力学性能等指标及其试验方法作一般了解。一、概述岩体力学是研究岩石和岩体力学性能的理论和应用的科学，是探讨岩石和岩体对其周围物理环境(力场)的变化作出反应的一门力学分支。所谓的岩石是指由矿物和岩屑在长期的地质作用下，按一定规律聚集而成的自然体。由于成因的不同，岩石可分成火成岩、沉积岩、变质岩三大类。岩体是指在一定工程范围内的自然地质体。通常认为岩体是由岩石和结构面组成。所谓的结构面是指没有或者具有极低抗拉强度的力学不连续面，它包括一切地质分离面。这些地质分离面大到延伸几公里的断层，小到岩石矿物中的片理和解理等。从结构面的力学来看，它往往是岩体中相对比较薄弱的环节。因此，结构面的力学特性在一定的条件下将控制岩体的力学特性，控制岩体的强度和变形。【例题1】岩石按其成因可分为()三大类。A.火成岩、沉积岩、变质岩B.花岗岩、砂页岩、片麻岩C.火成岩、深成岩、浅成岩D.坚硬岩、硬岩、软岩答案：A【例题2】片麻岩属于()。A.火成岩B.沉积岩C.变质岩答案：C【例题3】在一定的条件下控制岩体的力学特性，控制岩体的强度和变形的是()。A.岩石的种类B.岩石的矿物组成C.结构面的力学特性D.岩石的体积大小答案：C二、岩石的基本物理力学性质及其试验方法(一)岩石的质量指标与岩石的质量有关的指标是岩石的最基本的，也是在岩石工程中最常用的指标。1岩石的颗粒密度(原称为比重)岩石的颗粒密度是指岩石的固体物质的质量与其体积之比值。岩石颗粒密度通常采用比重瓶法来求得。其试验方法见相关的国家标准。岩石颗粒密度可按下式计算2岩石的块体密度岩石的块体密度是指单位体积岩块的质量。按照岩块含水率的不同，可分成干密度、饱和密度和湿密度。(1)岩石的干密度岩石的干密度通常是指在烘干状态下岩块单位体积的质量。该指标一般都采用量积法求得。即将岩块加工成标准试件(所谓的标准试件是指满足圆柱体直径为48～54mm，高径比为2.0～2.5，含大颗粒的岩石，其试件直径应大于岩石最大颗粒直径的10倍；并对试件加工具有以下的要求；沿试件高度，直径或边长的误差不得大于0.3mm；试件两端面的不平整度误差不得大于0.05mm；端面垂直于试件轴线，最大偏差不得大于0.25。)。测量试件直径或边长以及高度后，将试件置于烘箱中，在105～110℃的恒温下烘24h，再将试件放入干燥器内冷却至重温，最后称试件的质量。岩块干密度可按下式分式计算求得：(2)岩块的饱和密度岩块的饱和密度是指岩块的空隙中充满水的状态下(饱和状态)所测得的密度。饱和密度的试验方法，通常也可采用量积法，只是在岩块称重前，使试件成为饱和状态。一般可采用真空抽气法和水浸法两种使试件饱和。而有关规范中建议采用真空抽气法，由此求得的指标偏差较小。(3)湿密度湿密度一般认为是指岩块在天然状态下的密度。由于岩块在取样，加工过程中都用水来冷却切割工具，因此在工程中不太采用这个参数而很少求该指标。但是，在有些工程中的特殊需要，必须提供该指标时，通常采用蜡封法求该指标。蜡封法可按下式计算岩块的干密度与湿密度。【例题4】岩石的质量指标包括岩石的()。A.颗粒密度和块体密度B.干密度和湿密度C.干密度、饱和密度和湿密度D.颗粒密度和干密度答案：A【例题5】测试岩石的干密度时，需将标准试件置于烘箱中，在()的恒温下烘24h，再将试件放入干燥器内冷却至重温，最后称试件的质量。A.105～110℃B.70～90℃C.90～110℃D.80～120℃答案：A【例题6】某岩石中颗粒最大粒径为1cm，用该岩石制作标准试件时，试件直径为()。A.48mmB.50mmC.54mmD.12cm答案：D(二)岩石的水理性质1岩石的含水率岩石的含水率是指岩石试件中含水的质量与固体质量的比值。由于大都岩块的含水率比较小，因此对岩块含水率试验也提出了相对比较高的要求，采集试样不得采用爆破或钻孔法。在试件采取、运输、储存和制备过程中，其含水率的变化不得大于1％。岩块的含水率试验采用烘干法，即将从现场采取的试件加工成不小40g的岩块，放入烘箱内在105～110℃的恒温下将试件烘干，后将其放置在干燥器内冷却至室温称其质量，重复上述过程直至将试件烘干至恒重为止。恒重的判断条件是相邻24h两次称量之差不超过后一次称量的0.1％，最后可按下式计算岩石的含水率：2岩石的吸水性岩石的吸水性主要采用其吸水率来表示。岩石的吸水率是指岩石在某种条件下吸入水的质量与岩石固体的质量之比值。它是一个间接反映岩石中孔隙多少的一个指标。岩石的吸水率按其试验方法的不同可分成岩石吸水率和岩石饱和吸水率两个指标。(1)岩石吸水率岩石吸水率一般都采用规则试件进行试验(规则试件的具体要求同前所述的标准试件要求)。该试验方法是先将试件放入烘箱，在105～110℃温度下烘24h，取出放入干燥器内冷却至室温后称量。将试件放入水槽，先放入l／4试件高度的水，以后每隔2h将水分别增至试件高度的1／2和3／4处，6h后将试件全部浸入水中，放置4h后，擦干表面水分称量。岩石吸水率可按下式求得：(2)岩石饱和吸水率岩石饱和吸水率是采用强制方法使岩石饱和，通常采用煮沸法或者真空抽气法。当采用煮沸法饱和试件时，要求容器内的水面始终高于试件，煮沸时间不得小于6h；当采用真空抽气法时，同样要求容器内水面始终高于试件，真空压力表面读数为100kPa。直至无气泡逸出为止，并要求真空抽气时间不得小于4h，最后擦干饱和试件表面水分称量，其饱和吸水率可按下式计算：3岩石的膨胀性和崩解性1)岩石的膨胀性岩石的膨胀性是指在天然状态下含易吸水膨胀矿物岩石的膨胀特性。这主要反映含有粘土矿物的岩石的性质。由于粘土矿物遇水后颗粒之间的水膜将增厚，最终导致其体积增大。这对于岩石的力学特性以及岩石工程的施工将造成较大的影响，有必要掌握这类岩石遇水时的膨胀性，以改进施工与支护设计的参数。岩石的膨胀性通常可用自由膨胀率、侧向约束膨胀率和膨胀压力来表示。(1)自由膨胀率自由膨胀率是表示易崩解的岩石在天然状态下不受任何条件的约束，岩石浸水后自由膨胀(径向和轴向)变形量与试件原尺寸之比。自由膨胀率试验一般是将采用干法加工成的试件放入自由膨胀率试验仪器(见图15-1-1)，按图示的方法放置好试件及其量测仪表，最后缓慢地向盛水容器四周注入纯水，直至淹浸上部透水板。随后测度千分表的变形读数。最先的一小时内，每隔10min测读一次，以后每小时测读一次，直至3次读数差不大于0.001mm后终止试验。另外要求浸水后试验时间不得小于48h。岩石的自由膨胀率可按下式计算：岩石侧向约束膨胀率是岩石试件在有侧限条件下，轴向受有限荷载时，浸水后产生的轴向变形与试件原高度之比值。岩石侧向约束膨胀试验，一般将加工好的试件放入内涂有凡士林的金属套环内，并在试件上下分别设置薄型滤纸和透水板，随后在试件顶部放上能对试件持续施加5kPa压力的金属荷载块，并在上面安装垂直千分表，安装完毕后可按上述自由膨胀率的试验方法及终止试验条件进行试验。岩石侧向约束膨胀率可按下式求得：(3)膨胀压力岩石的膨胀压力是指岩石试件浸水后保持原表体积不变所需的压力。岩石的膨胀压力通常是将按要求加工成的试件放入金属套环内，并在试件上下两端放置薄型滤纸和金属透水板，随后安装加压系统及位移量测系统。可利用测得的荷载按下式计算膨胀压力。2)岩石的耐崩解性岩石的耐崩解性是表示粘土类岩石和风化岩石抗风化能力的一个指标。是模拟日晒雨淋的过程，在特定的试验设置中，经过干燥和浸水两个标准循环后，试件残留的质量与原质量之比值。岩石的耐崩解性用岩石耐崩解性指数(Id2)来表示。岩石耐崩解性指数可按下式计算：表15-1-1例示甘布尔指出的耐崩解性分级，可对岩石的抗风化特性作定性的分析。4岩石的超声波波速岩石的超声波波速是利用超声波在岩石中的传播过程中，由于其微裂隙和孔隙的存在影响其传播的速度特性，进而评价岩石致密程度的一个指标。岩石超声波可根据质点的振动方向与其传播方向的异同分成二类波速，当给予岩石一个脉冲后，质点振动的方向与其传播的方向垂直的波速称为横波或剪切波；岩质点的振动方向与传播的方向一致的波速称为纵波或压缩波。岩石的超声波波速一般都在规则试件上进行的。根据换能器布置的方法，波速测试有直透法或平透法两种。其中，直透法是最常用的方法。试验时要求将试件放置于测试架中，并能对换能器施加约0.15MPa的压力，并测试纵波或横波在试件中行走的时间，最后将发射、接收换能器对接，测读零延时。超声波波速按下式求得：【例题7】下列不属于岩石的水理性质的是()。A.岩石的含水率B.岩石的吸水性C.岩石的膨胀性和崩解性D.岩石的湿密度答案：D【例题8】岩石的超声波波速可以作为评价岩石()的一个指标。A.坚硬程度B.致密程度C.膨胀性D.崩解性答案：B三、岩石的强度特性岩石的强度分成单轴抗压强度、抗拉强度、抗剪强度以及三向压缩强度等。下面主要介绍岩石在这些不同荷载作用下的强度特性。(一)岩石单轴抗压强度岩石单轴抗压强度是指岩石试件在无侧限条件下，受轴向力作用破坏时，单位面积上所施加的荷载。其值可按下式求得1岩石单轴抗压强度的试验方法按照国家“工程岩体试验方法标准”中的要求，岩石试件的加工应满足前面所叙述的标准试件的要求，并其放在试验机中心，以每秒0.5～1.0MPa的加载速度直至破坏。同时要求在试验前对试件作详细的描述，内容包括岩性和岩石中所包含的节理之间的关系、含水状态等项目，并记录下试件破坏后的形态。2岩石在单轴抗压试验破坏后的形态特征在外荷载作用下岩石试件破坏后的形态是表现岩石破坏机理的重要特征，它不仅表现出岩石受力过程中的应力分布状况，还反映了不同试验条件中对它的影响。岩石在单轴抗压强度试验中出现的破坏形态大约可分成两种：1)圆锥形破坏(见图15-1-2a)：这类破坏形态的试件，由于中间的岩石被剥离使得岩石破坏后呈两个尖顶的圆锥体。经分析可知，产生这种破坏形态的主要原因是上、下压板在施加荷载时，与岩石试件端面之间产生了较大的摩擦力，促使岩石端部产生了一个相当于箍的约束作用。此时，岩石试件内的应力分布如图15-1-3所示。由于拉应力的作用使得这部分岩石被剥离而形成圆锥体。因此从某种意义上来说圆锥体的破坏形态并没有真正反映其破坏特征，而是带有试验系统所给予的影响。2)柱状劈裂破坏(见图15-1-2b)：在发现圆锥形破坏的真正原因之后有人在上下压板与试件端面之间，涂上了一层薄薄的凡士林以减小接触面之间的摩擦力，最终岩石试件由于产生平行于所施加的轴向力的裂缝而破坏。对于不同的岩石所含的矿物成份和所含裂隙的不同，局部还会出现些较小的斜向裂缝。应该说柱状劈裂破坏是真正反映岩石单轴压缩破坏的形态。【例题9】下列不属于岩石在单轴抗压强度试验中出现的破坏形态的是()。A.圆锥形破坏B.柱状劈裂破坏C.三角形破坏答案：C【例题10】能够真正反映岩石单轴压缩破坏的形态是()。A.圆锥形破坏B.柱状劈裂破坏C.三角形破坏答案：B【例题11】在作岩石单轴抗压强度试验时，如果增加上下压板与试块之间的摩擦力，则岩石的破坏形态呈()。A.圆锥形破坏B.柱状劈裂破坏C.三角形破坏答案：A3岩石单轴抗压强度的影响因素1)承压板给予单轴抗压强度的影响除了上述试件端面与承压板之间的摩擦力影响试件的破坏形态以外，还有承压板的刚度也将影响试件端面的应力分布状态。由研究可知，当承压板刚度很大时，其接触面的应力分布很不均匀，呈山字形，如图15-1-4所示。显然，这将影响整个试件的受力状态。图15-1-4在刚性承压板之间压缩时岩石端面的应力分布因此，有人建议试验机的承压板(或者垫块)尽可能采用与岩石刚度相接近的材料，避免由于刚度的不同而引起变形不协调造成应力分布不均匀的现象，减少对强度的影响。2)试件尺寸及形状对单向轴抗压强度的影响岩石力学试验最早采用边长为5cm的立方体试件。经研究发现，试件的尺寸、形状、高径比都将影响岩