岩石的物理力学性质上岩石力学

岩石的物理力学性质上岩石力学张子兴第一页，共七十六页，编辑于2023年，星期六云林石谱宋·杜绾

紫金石

寿春府寿春县紫金山石，出土中，色紫，琢为砚，甚发墨，扣之有声。余家旧有“风”字样砚，甚发墨，特轻薄，皆远物故也。青州石

青州石产之土中，大者数尺，小亦尺余。或大如拳，细碎磊磈，皆未成物状。在穴中，性颇软，见风即劲。凡采时易脆，不宜经风。其质玲珑，窍眼百倍于他石。眼中多为软土充塞，徐以竹枝洗涤浄尽，宛转通透，无峯峦峭拔势。石色带紫，微燥，扣之无声。土人以石药粘缀四面，取巧像云气、枯木、怪石欹侧之状。第二页，共七十六页，编辑于2023年，星期六§2.1

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（texture）

是指矿物颗粒的形状、大小和联结方式所决定的结构特征。岩石颗粒间联结分为结晶联结和胶结联结两类。结晶联结是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，故一般强度较高。胶结联结是矿物颗粒通过胶结物联结在一起，这种联结的岩石的强度取决于胶结物成分和胶结类型。

岩石的构造（structure）

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。一般来说，岩石“结构”一词是针对构成岩石的微细粒子部分而言，而岩石“构造”是指较大的部分。

第三页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

4第2章岩石的物理力学性质§2.2

岩石的基本物理性质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、抗冻性第四页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

5第2章岩石的物理力学性质§2.2

岩石的基本物理性质2.2.1容重和密度

岩石单位体积(包括岩石中孔隙体积)的重量称为容重（重度，unitweight）。岩石容重的表达式为：（2-1）式中，——岩石容重（kN/m3）；——岩样的重量（kN）；——岩样的体积（m3）。质量指标第五页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

6第2章岩石的物理力学性质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。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。第六页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

7第2章岩石的物理力学性质第七页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

8第2章岩石的物理力学性质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：（2-2）式中，——重力加速度，m/s2。第八页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

9第2章岩石的物理力学性质2.2.2比重

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25~33。specificgravity第九页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

10第2章岩石的物理力学性质2.2.3孔隙率和孔隙比

孔隙性porosity第十页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

11第2章岩石的物理力学性质

三相草图WaterAirRockVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积第十一页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

12第2章岩石的物理力学性质三相草图WaterAirRockVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积已知关系五个:共有九个参数:

VVvVsVaVω

/msmωmam剩下三个独立变量三相草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第十二页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

13第2章岩石的物理力学性质2.2.4含水率、吸水率和饱水率

水理性质第十三页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

14第2章岩石的物理力学性质第十四页，共七十六页，编辑于2023年，星期六第2章岩石的物理力学性质2.2.5岩石的渗透性

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permeability第十五页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

16第2章岩石的物理力学性质2.2.6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。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

抗风化指标第十六页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

17第2章岩石的物理力学性质2.2.7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。干湿循环测定仪1圆筒；2轴；3水槽disintegration第十七页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

18第2章岩石的物理力学性质2.2.8岩石的软化性

softeningcoefficient第十八页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

19第2章岩石的物理力学性质2.2.9岩石的抗冻性

frostresistance第十九页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

20第2章岩石的物理力学性质

常见岩石的物理性质指标值

第二十页，共七十六页，编辑于2023年，星期六郭璞《葬经》夫土欲细而坚，润而不泽，裁肪切玉，备具五色（穴场的土欲细嫩

，润而无余气，如切脂肪裁脆玉，并且具备五行）。夫干如穴粟。湿如割肉，水泉砂砾，皆为凶宅（若是土干如埋藏的粟，锄之成硬粒，散而不粘，好象含水分的细砂小石一样，如此的土质都是凶宅）。第二十一页，共七十六页，编辑于2023年，星期六第二十二页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

23第2章岩石的物理力学性质§2.3

岩石的强度

岩石在荷载作用下破坏时所承受的最大荷载应力称为岩石的强度。岩石的强度取决定于很多因素，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。2.3.1岩石抗压强度

1.单轴抗压强度岩石单轴抗压强度就是岩石试件在单轴压力作用下(无围压，只在轴向加压力)所能承受的最大压应力。单轴抗压强度等于达到破坏时最大轴向压力除以试件的横截面积，即

圆柱形试件：φ4.8－5.2cm，高H=（2－2.5)φ长方体试件：边长L=4.8－5.2cm,高H=（2－2.5)L

试件两端不平度0.5mm；尺寸误差±0.3mm;

两端面垂直于轴线±0.25o试件标准：岩石的力学性质是物理性质的延伸compressivestrength第二十三页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

24第2章岩石的物理力学性质万能材料试验机第二十四页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

25第2章岩石的物理力学性质图2-1岩石的抗压强度试验影响单轴抗压强度的主要因素（1）承压板端部的摩擦力及其刚度（加垫块的依据）（2）试件的形状和尺寸形状：圆形试件不易产生应力集中，好加工尺寸：大于矿物颗粒的10倍；φ50的依据高径比：研究表明；h/d≥(2－3)较合理（3）加载速度加载速度越大，表现强度越高我国规定加载速度为0.5－1.0MPa/s（4）环境含水量：含水量越大强度越低；岩石越软越明显，对泥岩、粘土等软弱岩体，干燥强度是饱和强度的2－3倍。温度：温度增加，岩石强度降低。第二十五页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

26第2章岩石的物理力学性质图2-2岩石单轴压缩时的常见破坏形式

破坏形态是表现破坏机理的重要特征，其主要影响因素：①应力状态②试验条件(a)单轴压力作用下试件的劈裂；（b）单斜面剪切破坏；（c）多个共轭斜面剪切破坏

第二十六页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

27第2章岩石的物理力学性质第二十七页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

28第2章岩石的物理力学性质第二十八页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

29常见岩石的抗压强度

岩石名称抗压强度（MPa）岩石名称抗压强度（MPa）岩石名称抗压强度（MPa）辉长岩180~300辉绿岩200~350页岩10~100花岗岩100~250玄武岩150~300砂岩20~200流纹岩180~300石英岩150~350砾岩10~150闪长岩100~250大理岩100~250板岩60~200安山岩100~250片麻岩50~200千枚岩、片岩10~100白云岩80~250灰岩20~200

第2章岩石的物理力学性质第二十九页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

30常规三轴压力试验是使圆柱体试件周边受到均匀压力（），而轴向则用压力机加载（）。三轴压力试验测得的岩石强度和围压关系很大，岩石抗压强度随围压的增加而提高。通常岩石类脆性材料随围压的增加而具有延性。真三轴压力试验加载是使试件成为的应力状态。真三轴压力试验可得到许多不同应力路径下的力学结果，可为岩石力学理论研究提供较多的资料。但是真三轴试验装置复杂，试件六面均可受到加压引起的摩擦力，影响试验结果，故较少进行该类试验。第2章岩石的物理力学性质2.三轴抗压强度

100T大型动静三轴试验机第三十页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

31第2章岩石的物理力学性质第三十一页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

32第2章岩石的物理力学性质（a)拉断破坏；(b)剪断破坏；(c)塑性破坏第三十二页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

332.3.2岩石抗剪强度

岩石的抗剪强度是岩石抵抗剪切破坏的极限能力，它是岩石力学中重要指标之一，常以内聚力和内摩擦角这两个抗剪参数表示。

直接剪切试验

第2章岩石的物理力学性质岩石中型剪力仪shearstrength第三十三页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

34第2章岩石的物理力学性质图2-5抗剪强度与正应力的关系第三十四页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

352.楔形剪切试验

第2章岩石的物理力学性质第三十五页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

36图2-7楔形剪切试验结果

第2章岩石的物理力学性质第三十六页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

373.三轴压缩试验

第2章岩石的物理力学性质第三十七页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

38常见岩石的剪切强度

第2章岩石的物理力学性质岩石名称内摩擦角（°）内聚力（MPa）岩石名称内摩擦角（°）内聚力（MPa）辉长岩50~5510~50花岗岩45~6014~50辉绿岩55~6025~60流纹岩45~6010~50玄武岩48~5520~60闪长岩53~5510~50石英岩50~6020~60安山岩45~5010~40大理岩35~5015~30片麻岩30~503~5页岩15~303~20灰岩35~5010~50砂岩35~508~40白云岩35~5020~50砾岩35~508~50千枚岩、片岩26~651~20板岩45~602~20

第三十八页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

392.3.3岩石抗拉强度

岩石的抗拉强度就是岩石试件在单轴拉力作用下抵抗破坏的极限能力，它在数值上等于破坏时的最大拉应力值。

第2章岩石的物理力学性质直接拉伸法关键技术①试件和夹具之间的连接②加力P与试件同心tensilestrength第三十九页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

40第2章岩石的物理力学性质间接方法劈裂法（巴西法）第四十页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

41第2章岩石的物理力学性质抗弯法（梁的三点弯曲试验）抗拉强度①岩石是各向同性的线弹性材料②满足平面假设的对称面内弯曲适用条件：M——作用在试件上的最大弯矩C——梁边缘到中性轴的距离I——梁截面绕中性轴的惯性矩

第四十一页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

42第2章岩石的物理力学性质点荷载试验法试件：任何形状，尺寸大致5cm，不做任何加工。试验：在直接带到现场的点荷载仪上，加载劈裂破坏。计算：式中：P——试件破坏时的极限荷载D——加载点试件的厚度统计公式：要求:（由于离散性大），每组15个，取均值，即建议：用φ5cm的钻孔岩芯为试件。第四十二页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

43第2章岩石的物理力学性质岩石名称抗拉强度（MPa）岩石名称抗拉强度（MPa）岩石名称抗拉强度（MPa）辉长岩15~36花岗岩7~25页岩2~10辉绿岩15~35流纹岩15~30砂岩4~25玄武岩10~30闪长岩10~25砾岩2~15石英岩10~30安山岩10~20灰岩5~20大理岩7~20片麻岩5~20千枚岩、片岩1~10白云岩15~25板岩7~15

常见岩石的抗拉强度

第四十三页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

44岩块的几种强度与抗压强度比值

第2章岩石的物理力学性质岩石名称

与抗压强度的比值

抗拉强度

抗剪强度

抗弯强度

煤

0.009~0.060.25~0.5

页岩0.06~0.3250.25~0.480.22~0.51砂质页岩

0.09~0.180.33~0.5450.1~0.24砂岩

0.02~0.170.06~0.440.06~0.19石灰岩

0.01~0.0670.08~0.100.15大理岩

0.08~0.2260.272

花岗岩

0.02~0.080.080.09石英岩

0.06~0.110.176

第四十四页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

452.3.4岩石强度准则

岩石破坏有两种基本类型：脆性破坏(格里菲斯强度理论)，它的特点是岩石达到破坏时不产生明显的变形，岩石的脆性破坏是由于应力条件下岩石中裂隙的产生和发展的结果；塑性破坏(莫尔—库仑强度理论)，破坏时会产生明显的塑性变形而不呈现明显的破坏面。塑性破坏通常是在塑性流动状态下发生的，这是由于组成物质颗粒间相互滑移所致。

第2章岩石的物理力学性质第四十五页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

46第2章岩石的物理力学性质最大正应力理论最大正应变理论

≤

最大剪应力理论

≤

八面体剪应力理论

≤

第四十六页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

47屈服条件的研究历史Coulumb(1773)把土及岩石看成摩擦材料。Tresca(1864)作了一系列的挤压实验，发现金属材料在屈服时，可以看到有很细的痕纹；而这些痕纹的方向接近于最大剪应力方向。第2章岩石的物理力学性质第四十七页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

48屈服条件的研究历史-2(续上)Mises(1913)Mises指出Tresca试验结果在π平面上得到六个点，六个点之间的连线是直线？曲线？还是圆？Mises采用了圆形，并为金属材料试验所证实。DruckerandPrager(1952)Drucker和Prager首先把不考虑σ2影响的Coulomb屈服准则与不考虑静水压力p影响的Mises屈服准则联系在一起，提出了广义的Mises模型，后被称为D-P模型。第2章岩石的物理力学性质π平面第四十八页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

49屈服条件的研究历史-3(续上)Drucker(1957年)指出岩土材料在静水压力下可以屈服，历史上的屈服面在主应力空间是开口的，不符合岩土材料特性，应加帽子，俗称“帽子模型”。Rscoe(1958-1963年)针对剑桥软土进行三轴及压缩试验，在e-p-q空间中获得临界状态线，在p-q平面上得出子弹形屈服曲线，获得了“帽子模型”的实验证实及函数表达。第2章岩石的物理力学性质第四十九页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

50屈服条件的研究历史-4(续上)RoscoeandBurland(1968)修正了子弹头形屈服面，改为椭球形屈服面，并编入剑桥大学CRISP有限元软件，风行欧美，成为软粘土弹塑性模型的经典作品。第2章岩石的物理力学性质

Mises&Tresca这两种屈服条件都主要适用于金属材料，对于岩土类介质材料一般不能很好适用，因为岩土类材料的屈服与体积变形或静水应力状态有关。

第五十页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

51莫尔－库仑准则

库仑（C.A.Coulomb）1773年提出内摩擦准则，常称为库仑强度理论。

第2章岩石的物理力学性质

破坏机理：（基本思想）材料属压剪破坏，剪切破坏力的一部分用来克服与正应力无关的粘聚力，使材料颗粒间脱离联系；另一部分剪切破坏力用来克服与正应力成正比的摩擦力，使面内错动而最终破坏。上盒下盒PSTA第五十一页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

52第2章岩石的物理力学性质Occ

粘聚力内摩擦角σ

=100KPaSσ

=200KPaσ

=300KPa库仑公式：f：

抗剪强度tg：

摩擦强度-正比于压力c：

粘聚强度-与所受压力无关第五十二页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

53NT=NT滑动摩擦摩擦强度tg滑动摩擦第2章岩石的物理力学性质第五十三页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

54滑动摩擦咬合摩擦引起的剪胀摩擦强度tg咬合摩擦引起的剪胀第2章岩石的物理力学性质第五十四页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

55滑动摩擦NT颗粒破碎与重排列咬合摩擦引起的剪胀摩擦强度tg颗粒的破碎与重排列第2章岩石的物理力学性质第五十五页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

56粘聚强度机理静电引力（库仑力）范德华力颗粒间胶结假粘聚力（毛细力等）----+凝聚强度c第2章岩石的物理力学性质第五十六页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

57PSTAc

粘聚力内摩擦角f：

抗剪强度tg：

摩擦强度-正比于压力c：

粘聚强度-与所受压力无关固定滑裂面一般应力状态如何判断是否破坏？借助于莫尔圆库仑公式第2章岩石的物理力学性质第五十七页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

58==三维应力状态二维应力状态第2章岩石的物理力学性质第五十八页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

59Oz+zx-xzx213rR+-1大主应力：小主应力:圆心：半径：σz按顺时针方向旋转ασx按顺时针方向旋转α莫尔圆：代表一个单元的应力状态；圆周上一点代表一个面上的两个应力与第2章岩石的物理力学性质第五十九页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

60极限平衡应力状态：有一对面上的应力状态达到=f强度包线：所有达到极限平衡状态的莫尔园的公切线。f第2章岩石的物理力学性质第六十页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

61f强度包线以内：任何一个面上的一对应力与都没有达到破坏包线，不破坏；与破坏包线相切：有一个面上的应力达到破坏；与破坏包线相交：有一些平面上的应力超过强度；不可能发生。第2章岩石的物理力学性质第六十一页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

62Oc1f32θ31f45°＋/2破裂面2θ破裂面的位置与大主应力面夹角：θ=45+/2第2章岩石的物理力学性质第六十二页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

631f3Oc第2章岩石的物理力学性质第六十三页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

64第2章岩石的物理力学性质第六十四页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

65第2章岩石的物理力学性质第六十五页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

66第2章岩石的物理力学性质第六十六页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

67对于为负值（拉应力），由实验知，可能会在垂直平面内发生张性破裂。特别在单轴拉伸（）中，当拉应力值达到岩石抗拉强度时，岩石发生张性断裂。但是，这种破裂行为完全不同于剪切破裂，而这在库仑准则中没有描述。第2章岩石的物理力学性质第六十七页，共七十六页，编辑于2023年，星期六

68库仑准则是建立在实验基础上的破坏判据，未从破裂机制上作出解释。库仑准则和莫尔准则