岩石物理学(地大)04第二章

岩石物理学与地震学系统（03岩石力学性质）於文辉教授[e-mail]构造：各种不同结构的矿物集合体的各种分布和排列方式。粒间联结结晶联结：矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，它是通过共用原子或离子使不同晶粒紧密接触。胶结联结：矿物颗粒通过胶结物联结在一起。硅质胶结＞铁质、钙质＞泥质胶结一、岩石的结构和构造一、岩石的结构和构造结构：矿物颗粒的形状、大小和联结方式所决定的结构特征。物理性质参数质量指标容重、密度、比重孔隙性孔隙率、孔隙比水理性质含水率、吸水率、饱水率、渗透性抗风化指标膨胀性、崩解性、软化性、抗冻性二、岩石的基本物理性质二、岩石的基本物理性质VW=γγWV质量指标容重和密度:单位体积(包括岩石中孔隙体积)的重量称为容重（重度，unitweight）。岩石容重的表达式：——岩石容重（kN/m3）；——岩样的重量（kN）；——岩样的体积（m3）。γ根据岩石的含水状况，将容重分为天然容重、干容重和饱和容重。wγdγ岩石容重取决于组成岩石的矿物成分、孔隙发育程度及其含水量。岩石容重的大小，在一定程度上反映出岩石力学性质的优劣。测定岩石的容重可采用量积法（直接法）、水中法或蜡封法。具体采取何种方法，应根据岩石的性质和岩样形态来确定。岩石的密度定义为岩石单位体积(包括岩石中孔隙体积)的质量，用表示，单位一般为kg/m3。它与岩石容重之间存在如下关系：式中，——重力加速度，m/s2。gργ=gρ质量指标质量指标比重specificgravitywsssVWGγ=sG——岩石的比重；sW——岩石的干重量（kN）；sV——岩石的实体部分（不包括空隙）的体积（m3）；wγ——1个大气压下40C时纯水的容重（kN/m3）。岩石的比重就是岩石的干重量除以岩石的实体积（不包括岩石中孔隙体积）所得的量。与1个大气压下40C时纯水的容重的比值，可由下式计算：岩石的比重，在数值上等于其密度，它取决于组成岩石的矿物比重及其在岩石中的相对含量。岩石的比重，可采用比重瓶法进行测定，试验时先将岩石研磨成粉末，烘干后用比重瓶法测定。岩石的比重一般为2.5-2.8。孔隙率孔隙性岩石试样中孔隙体积与岩石试样总体积的百分比称为孔隙率porosity，可用下式表示：%100VVφφ=φφVV——孔隙率，以百分比表示；——岩样的孔隙体积(m3)；——岩样的总体积(m3)；岩石的孔隙率也可根据干容重和比重计算：dγsGwsdGγγφ−=11øeø=−孔隙比sVVeφ=孔隙比是指孔隙的体积与固体的体积的比值。其公式为：φVsV根据岩样中三相体的相互关系，孔隙比与孔隙率存在着如下关系：eφ岩石三相简图WaterAirRockVaVwVsVVma=0mwmsm质量体积ωωωωρ=≈++=Vm0mmmmmaas已知关系五个:剩下三个独立变量三相简图法物性指标是比例关系:可假设任一参数为1实验室测定其它指标是一种简单而实用的方法ø共有九个参数:VVVsVaVω/msmωmamøωω+=++=VVVVVVVaasø含水率、吸水率和饱水率水理性质天然状态下岩石中水的重量wW与岩石烘干重量sW比值的百分率称为岩石的天然含水率，即%100×=sω（2-8）岩石的吸水率是指干燥岩石试样在一个大气压和室温条件下吸入水的重量wW与岩石干重量sW之比的百分率，一般以aω表示，即%1000×−==ssswaω（2-9）式中，0W——烘干岩样浸水48小时后的湿重。岩石的饱和吸水率亦称饱水率，是岩样在强制状态(真空、煮沸或高压)下，岩样的最大吸入水的重量与岩样的烘干重量比值的百分率，以saω表示，即%100×−=sspsaω（2-10）式中，pW——岩样饱和后的重量，其余符号同前。饱水率反映岩石中张开型裂隙和孔隙的发育情况，对岩石的抗冻性有较大的影响。饱水系数wk是指岩石吸水率与饱水率比值的百分率，即%100×=saawkωω（2-11）•岩石的渗透性是指在水压力作用下，岩石的孔隙和裂隙透过水的能力。岩石的渗透性可用渗透系数来衡量。渗透系数的物理意义是介质对某种特定流体的渗透能力。因此，对于水在岩石中渗流来说，渗透系数的大小取决于岩石的物理特性和结构特征，例如岩石中孔隙和裂隙的大小、开闭程度以及连通情况等。•根据达西（Darcy）定律，渗流速度与水力坡度成正比Ugradkkiv==DwCdkμγ2=wpzUγ+=坚硬的花岗岩、致密的石灰岩的渗透系数低于10-10厘米/秒砂岩、多裂隙的页岩的渗透系数大于10-3厘米/秒岩石的渗透性permeability•岩石的膨胀性是指岩石浸水后体积增大的性质。某些含粘土矿物(如蒙脱石、水云母及高岭石)成分的软质岩石，经水化作用后在粘土矿物的晶格内部或细分散颗粒的周围生成结合水溶剂腔(水化膜)，并且在相邻近的颗粒间产生楔劈效应，当楔劈作用力大于结构联结力，岩石显示膨胀性。•岩石膨胀性大小一般用膨胀力和膨胀率两项指标表示，目前国内大多采用土的固结仪和膨胀仪测定岩石的膨胀性，测定岩石膨胀力和膨胀率的试验方法常用的有平衡加压法、压力恢复法和加压膨胀法。膨胀压力曲线自由膨胀率：无约束条件下，浸水后膨胀变形与原尺寸之比轴向自由膨胀径向自由膨胀HHVH/Δ=DDVD/Δ=岩石的膨胀性抗风化指标干湿循环测定仪1圆筒；2轴；3水槽岩石的崩解性disintegration岩石的崩解性是指岩石与水相互作用时失去粘结性并变成完全丧失强度的松散物质的性能。这种现象是由于水化过程中削弱了岩石内部的结构联结引起的，常见于由可溶盐和粘土质胶结的沉积岩地层中。岩石崩解性一般用岩石的耐崩解性指数表示，这个指标可以在实验室内做干湿循环试验确定。试验时，将烘干的试块，约500g，分成10份，放入带有筛孔的圆筒内，使圆筒在水槽中以20r／s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，按试验前的试件烘干质量和残留在筒内的试件烘干质量计算耐崩解性指数。岩石的软化性是指岩石与水相互作用时强度降低的特性。软化作用的机理也是由于水分子进入粒间间隙而削弱了粒间联结造成的。岩石的软化性与其矿物成分、粒间联结方式、孔隙率以及微裂隙发育程度等因素有关。大部分未经风化的结晶岩在水中不易软化，许多沉积岩如粘土岩、泥质砂岩、泥灰岩以及蛋白岩、硅藻岩等则在水中极易软化。岩石的软化性高低一般用软化系数表示，软化系数是岩样饱水状态下的抗压强度与干燥状态的抗压强度的比值，即cwccRRη=（2-12）式中，cη——岩石的软化系数；cwR——岩样在饱水状态下的抗压强度，kPa；cR——干燥岩样的抗压强度，kPa。岩石的软化性softeningcoefficient岩石的抗冻性frostresistance岩石抵抗冻融破坏的性能称为岩石的抗冻性。岩石的抗冻性通常用抗冻系数来表示。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的比值，用百分率表示，即100%ccffcRRcR−=×（2-13）式中，fc——岩石的抗冻系数；Rc——岩样冻融前的抗压强度（kPa）；Rcf——岩样冻融前的抗压强度（kPa）。岩石在反复冻融后其强度降低的主要原因，一是构成岩石的各种矿物的膨胀系数不同，当温度变化时，由于矿物的胀缩不均而导致岩石结构的破坏；一是当温度降低到0℃以下时，岩石孔隙中的水将结冰，其体积增大约9%，会产生很大的膨胀压力，使岩石的结构发生改变，直至破坏。常见岩石的物理性质指标值岩石的力学性质岩石的强度：岩石抵抗外力作用的能力，岩石破坏时能够承受的最大应力。a.单向抗压强度b.单向抗拉强度c.剪切强度d.三轴抗压强度破坏方式脆性破坏塑性破坏(延性破坏）拉破坏剪切破坏受力状态岩石的变形：岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）的变化。a.单向压缩变形b.反复加载变形c.三轴压缩变形d.剪切变形引自陈颙（2010）在长期地质历史时期作用下，岩石产生的变形（引自陈颙）引自陈颙（2010）岩石强度与外力性质、作用方式与状态有关：a.外力性质：动载荷、静载荷b.外力方式：拉伸、压缩、剪切C.应力状态：单向、双向、三向一、单轴抗压强度σc1、定义：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(Uniaxialcompressivestrength),或称非限制性抗压强度(unconfinedcompressivestrength)。试样pcAApcc=σ2、意义：a.衡量岩块基本力学性质的重要指标b.岩体工程分类、建立岩体破坏判据的重要指标c.用来大致估算其他强度参数3、测定方法：抗压强度试验计算公式伺服机试验结果常规压力机常见岩石的抗压强度15~3035~507~20100~250大理岩20~6050~6010~30150~350石英岩20~5035~5015~2580~250白云岩20~6048~5510~30150~300玄武岩10~5035~505~2050~200石灰岩25~6055~6015~35200~350辉绿岩8~5035~502~1510~150砾岩10~5050~5515~36180~300辉长岩8~4035~504~2520~200砂岩3~2015~302~1010~100页岩10~4045~5010~20100~250安山岩2~2045~607~1560~200板岩10~5053~5510~25100~250闪长岩1~2026~651~1010~100千枚岩、片岩10~5045~6015~30180~300流纹岩3~530~505~2050~200片麻岩14~5045~607~25100~250花岗岩内聚力(MPa)摩擦角(°)抗拉强度(MPa)抗压强度(MPa)岩石名称内聚力(MPa)摩擦角(°)抗拉强度(MPa)抗压强度(MPa)岩石名称4、破坏形式（1）X状共轭斜面剪切破坏，是最常见的破坏形式。（2）单斜面剪切破坏，这种破坏也是剪切破坏。（3）塑性流动变形，线应变≥10％。（4）拉伸破坏，在轴向压应力作用下，在横向将产生拉应力。这是泊松效应的结果。这种类型的破坏就是横向拉应力超过岩石抗拉极限所引起的。1，2345、水对抗压强度的影响——软化系数岩石的软化系数：饱和岩石抗压强度σb与干燥岩石抗压强度σc之比η=σb/σc≤1常见岩石的抗压强度15~3035~507~20100~250大理岩20~6050~6010~30150~350石英岩20~5035~5015~2580~250白云岩20~6048~5510~30150~300玄武岩10~5035~505~2050~200石灰岩25~6055~6015~35200~350辉绿岩8~5035~502~1510~150砾岩10~5050~5515~36180~300辉长岩8~4035~504~2520~200砂岩3~2015~302~1010~100页岩10~4045~5010~20100~250安山岩2~2045~607~1560~200板岩10~5053~5510~25100~250闪长岩1~2026~651~1010~100千枚岩、片岩10~5045~6015~30180~300流纹岩3~530~505~2050~200片麻岩14~5045~607~25100~250花岗岩内聚力(MPa)摩擦角(°)抗拉强度(MPa)抗压强度(MPa)岩石名称内聚力(MPa)摩擦角(°)抗拉强度(MPa)抗压强度(MPa)岩石名称二、岩石单轴抗拉强度定义：岩石在单轴拉伸荷载作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力称为岩石的单轴抗拉强度(Tensilestrength)。试件在拉伸荷载作用下的破坏通常是沿其横截面的断裂破坏，岩石的拉伸破坏试验分直接试验和间接试验两类。直接拉伸试验加载和试件示意图计算公式：破坏时的最大轴向拉伸荷载(Pt)除以试件的横截面积(A)。σt=Pt/A直接拉伸试验加载和试件示意图－（续）间接拉伸试验加载和试件示意图巴西试验法（Braziliantest），俗称劈裂试验法。试件:为