高等岩石力学第一讲.ppt

高等岩石力学安徽理工大学土木建筑学院授课教师:荣传新Email:[e-mail]:13721132795教材《高等岩石力学》周维垣主编，水利电力出版社《岩石力学》重庆大学张永兴主编，中国建筑工业出版社参考书《岩石力学与工程》蔡美峰主编，科学出版社《矿山岩石力学》李通林主编，重庆大学出版社《岩体力学》凌贤长主编，哈尔滨工业大学出版社《岩体力学》沈明荣主编，同济大学出版社《岩体力学》王文星主编，中南大学出版社第一讲岩石的物理力学性质本章内容：1.1岩石与岩体的基本概念1.2岩石的结构和构造1.3岩石的基本物理性质1.4岩石的强度1.5岩石的变形1、岩石与岩体，岩石的基本物理性质；2、岩石的单轴压缩变形特性，应力－应变全过程曲线的工程意义；3、岩石的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度及其实验室测定方法；4、岩石在三轴压缩条件下的力学特性；5、岩体强度的各向异性；难点：岩石的强度准则。重点:岩石力学是固体力学的一个新的分支，用以研究岩石材料的力学性能和岩石工程的特殊设计方法。岩石材料不同于一般的人工制造的固体材料，岩石经历了漫长的地质构造作用，内部产生了很大的内应力．具有各种规模的不连续面和孔洞，而且还可能含有液相和气相，岩石远不是均匀的、各向同性的弹性连续体，这就决定了必须开发出与之适应的原理、装置和方法。1.1岩石与岩体的基本概念岩石是组成地壳的基本物质，它是由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律凝聚而成的自然地质体。例如，我们通常所见到的花岗岩、石灰岩、片麻岩，都是指具有一定成因、一定矿物成分及结构构造的岩石。按照成因，岩石可分为三大类．即：岩浆岩、沉积岩和变质岩。岩体是指一定工程范围内的自然地质体．它经历了漫长的自然历史过程，经受了各种地质作用，并在地应力的长期作用下，在其内部保留了各种永久变形和各种各样的地质构造形迹，例如不整合、褶皱、断层、层理、节理、劈理等不连续面。岩石与岩体的重要区别就是岩体包含若干不连续面。由于不连续面的存在，岩体的强度远低于岩石强度。岩体是地质历史的产物，在长期的成岩及变形过程中形成了它们特有的结构。岩体结构包括两个基本要素，结构面和结构体。结构面即岩体内具有一定方向、延展较大、厚度较小的面状地质界面，包括物质的分界面和不连续面，它是在地质发展历史中，尤其是地质构造变形过程中形成的。被结构面分割而形成的岩块，四周均被结构面所包围，这种由不同产状的结构面组合切割而形成的单元体称为结构体。结构面是岩体的重要组成部分.岩体质量的好坏与结构面的性质密切相关.岩石和岩体是既有区别又互相联系的两个概念。岩石是岩体的组成物质，岩体是岩石(结构体)和结构面的统一体。岩体结构是由结构面的发育程度和组合关系，或结构体的规模及排列形式决定的。岩体结构类型的划分反映出岩体的不连续性和不均一性特征。中国科学院地质研究所根据多年的工程实践，从岩体结构的角度提出了岩体结构分类。根据这个分类．岩体结构分为块状结构、镶嵌结构、层状结构、碎裂结构、层状碎裂结构以及松散结构等。我国不少专门为工程目的的岩体分类，例如为建造地下隧道和洞室的围岩分类(铁路隧道规范分类、岩石地下建筑技术措施分类等)，都是以岩体结构分类为基础的。岩体的特征(1)岩体是非均质各向异性的材料。(2)岩体内存在着原始应力场。主要包括重力和地质构造力，重力场是以铅垂应力为主，构造应力场通常是以水平应力为主。(3)岩体内存在着一个裂隙系统。岩体既是断裂的又是连续的，岩体是断裂与连续的统一体,可称之为裂隙介质或准连续介质。当岩体应力超过其强度时，就会使原有断裂进一步扩展，形成新的断裂。而旧断裂的扩展与新断裂的形成，又均会导致岩体内的应力重新分布。岩体既不是理想的弹性体，也不是典型的塑性体，既不是连续介质，又不是松散介质，而是一种特殊的复杂的地质体，这就造成了研究它的困难性和复杂性。因此，只用一般的固体力学理论尚不能完善解决岩体工程中的所有问题。岩体的特征1.2岩石的结构和构造岩石的物理力学性质除与其组成成分有关外,还取决于岩石的结构和构造。岩石的结构是指矿物颗粒的形状、大小和联结方式所决定的结构特征。岩石的构造则是指各种不同结构的矿物集合体的各种分布和排列方式。岩石颗粒间的联结分为结晶联结和胶结联结两类。以风化程度划分，岩石分为微风化、中等风化和强风化岩石。以坚硬程度划分，岩石分为坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩和极软岩。1.3岩石的基本物理性质岩石由固体，水，空气等三相组成。一、质量密度（ρ）和重力密度(γ)：单位体积的岩石的质量称为岩石的质量密度。单位体积的岩石的重量称为岩石的重度。所谓单位体积就是包括孔隙体积在内的体积。，γ＝ρg(kN/m3)式中：W――岩石试件的重量(kN)V——岩石试件的体积(m3)；g——重力加速度。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。VW二、相对密度(Gs)岩石的相对密度就是指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纯水的重量之比值。岩石的相对密度可在实验室进行测定，其计算公式为：式中：Gs——岩石的相对密度；Ws——干燥岩石的重量(kN);Vs——岩石固体体积(m3);—40C时水的重度（kN/m3）。wsssVWGw三、岩石的孔隙性孔隙：岩石中孔隙和裂隙的总称。小开型孔隙孔隙闭型孔隙开型孔隙大开型孔隙闭型孔隙：岩石中不与外界相通的孔隙。开型孔隙：岩石中与外界相通的孔隙。包括大开型孔隙和小开型孔隙。在常温下水能进入大开型孔隙，而不能进入小开型孔隙。只有在真空中或在150个大气压以上，水才能进入小开型孔隙。孔隙度：指岩石的裂隙和孔隙发育程度，其衡量指标为孔隙率(n)或孔隙比（e）。根据岩石孔隙类型不同，岩石的孔隙率分为：(1)总孔隙率n(2)大开孔隙率nb(3)小开孔隙率nl(4)总开孔隙率n0(5)闭孔隙率nc一般提到岩石的孔隙率时系指岩石的总孔隙率。1、孔隙率(1)总孔隙率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)大开孔隙率nb:即岩石试件内大开型孔隙的体积（Vnb)占试件总体积(V)的百分比。%100VVnV%100VVnnbb(3)小开孔隙率nl:即岩石试件内小开型孔隙的体积（Vnl)占试件总体积(V)的百分比。%100VVnnllwsdGn1Gs为岩石的相对密度；γd,γw分别为干燥岩石和水的重度。(4)总开孔隙率（孔隙率）n0:即岩石试件内开型孔隙的总体积（Vn0)占试件总体积(V)的百分比。(5)闭孔隙率nc:即岩石试件内闭型孔隙的体积（Vnc)占试件总体积(V)的百分比。%10000VVnn%100VVnncc所谓孔隙比是指岩石试件内孔隙的体积（VV)与岩石试件内固体矿物颗粒的体积（Vs)之比。nnVVVVVeVVsV12、孔隙比(e)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。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。岩石的吸水性指标有含水率、吸水率、饱水率和饱水系数。（1）岩石含水率(ω)：是指天然状态下岩石中水的重量Wω与岩石烘干重量Ws之比。%100sWW（2）岩石吸水率(ωa)：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Wω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。%100ssosa式中：Ws为干燥岩石的重量；Wo为烘干岩样浸水48小时后的湿重。（3）岩石的饱水率（ωsa）岩石的饱水率指岩样在强制状态（煮沸、高压或真空）下，岩石的最大吸入水的重量与岩石干重量Ws之比，即：%100sspsa式中：Ws为干燥岩石重量；Wp为岩样饱和后的重量。（4）岩石的饱水系数（Kw）岩石吸水率与饱水率之比称为岩石的饱水系数，即:%100saawK饱水系数反映了岩石中大开孔隙和小开孔隙的相对含量。饱水系数越大，岩石中的大开孔隙越多，而小开孔隙越少。吸水性较大的岩石吸水后往往会产生膨胀，给隧道支护造成很大压力。一般岩石的饱水系数在0.5~0.8之间，当Kw＜91％时，可免遭冻胀破坏。五、岩石的透水性(渗透性)地下水存在于岩石孔隙、裂隙之中，而且大多数岩石的孔隙裂隙是连通的，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孔隙度大小有关，而且还与孔隙大小及其贯通程度有关。衡量岩石透水性的指标为渗透系数(K)。一般来说，完整密实的岩石的渗透系数往往很小。岩石的渗透系数一般是在钻孔中进行抽水或压水试验而测定的。Adxdhkqxdxdh大多渗透性可用达西（Darcy）定律描述：（m3/s）——水头变化率；qx——沿x方向水的流量；h——水头高度；A——垂直x方向的截面面积；k——渗透系数。六、岩石的膨胀性岩石的膨胀性是指岩石浸水后体积增大的性质。岩石的膨胀性大小一般用膨胀力和膨胀率指标表示。其测定方法是平衡加压法。试验中不断加压，并保持体积不变，所测得的最大压力即为岩石的最大膨胀力；然后逐级减压，直至荷载为0，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。七、岩石的崩解性岩石的崩解性是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。岩石的崩解性一般用耐崩解指数Id2的表示。其指标可在实验室用干湿循环试验确定。试验过程：将经过烘干的试块（500g,分成约10块），放在带有筛孔的圆筒内，使该圆筒在水槽中以20r/min,连续旋转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，按下试计算耐崩解指数。%10001022式中：Id2——两次循环试验求得的耐崩解指数，在0～100%之间变化；md——试验前试块的烘干质量；mr——残留在圆筒内试块的烘干质量；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；W0——试验结束冲洗干净后圆筒的烘干重量。岩石的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。七、岩石的崩解性八、岩石的软化性岩石的软化性是指岩石在饱水状态下其强度相对于干燥状态下降低的性能，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Rcb与在干燥状态下的抗压强度Rc之比，即ccwcRR各类岩石的ηc=0.45～0.9之间。ηc0.75,岩石软化性弱、抗水、抗风化能力强；ηc0.75，岩石的工程地质性质较差。九、岩石的抗冻性岩石的抗冻性是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%100ccfcfRRRC可见：抗冻系数Cf越小，岩石抗冻融破坏的能力越强。十、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。VVP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.1.4岩石的强度概念：岩石的强度：是指岩石抵抗破坏的能力。岩石在荷载作用下，发生破坏时所承受的最大荷载应力就是岩石的强度。岩石在单轴压缩荷载作用下，所能承受的最大压应力称为岩石的单轴抗压强度。岩石在单轴拉伸荷载作用下，所能承受的最大拉应力称为岩石的单轴抗拉强度。岩石的强度决定于很多因素，岩石结构、风化程度、水、温度、围压大小、各向异性等都影响岩石的强度。一、岩石抗压强度1、岩石的单轴抗压强度RC端部效应,为了消除端部效应，国际岩石力学学会推荐采用高径比（h/d