岩块的物理力学性质.ppt

第二章岩块的物理力学性质,2.1概述2.2岩石的物理性质2.3岩石的水理性质2.4岩石的热学性质2.5岩石的变形性质（次重点）2.6岩块的强度性质（重点）（,2.2岩石的物理性质,一、岩石的密度二、岩石的空隙性,岩石由固体、液体和气体三相组成。,岩石三相组成部分的相对比例关系不同所表现的物理状态。,一、岩石的密度（单位体积内的岩石质量）,1、颗粒密度(s)：s=ms/Vs2、块体密度()：岩块单位体积的质量。按含水量的多少可分为：天然密度：=m/V干密度：d=ms/V饱和密度:sat=msat/V,二、岩石的空隙性：孔隙+裂隙,总空隙率(n)总开空隙率(no)大开空隙率(nb)小开空隙率(na)闭空隙率(nc),岩石的空隙(裂隙、孔隙),闭空隙,开空隙,大开空隙,小开空隙,空隙比,空隙率,颗粒体积,空隙性对岩块及岩体力学性质影响,1、n愈大，岩块的强度愈小、塑性变形和渗透性愈大；,2、空隙易造成岩石风化，工程地质性质恶化；,3、对可溶性岩石，空隙使岩溶发育。,岩石在水溶液作用下表现出来的性质。1.吸水性2.软化性3.抗冻性4.透水性,2.3岩石的水理性质,一、岩石的吸水性,岩石在一定试验条件下吸收水分的能力。1.吸水率(Wa)：岩石试件在大气压力和室温条件下自由吸入水的质量(mw1)与岩样干质量(ms)之比，用百分数表示,大开空隙率,2.饱和吸水率Wp：高压(15MPa)或真空条件下吸入水的质量(mw2)与岩样干质量(ms)之比，用百分数表示,总开空隙率,Wa/Wp,3.饱水系数,反映岩石中大、小开空隙的相对比例关系。饱水系数大,大开空隙越多,岩石愈易被冻坏，抗冻性差,几种岩石的吸水性指标值,二、岩石的软化性,软化系数(KR)：岩石试件的饱和抗压强度(cw)与干抗压强度(c)的比值,岩石浸水饱和后强度降低的性质,岩石中含有较多亲水性和可溶性矿物，含大开空隙较多时，岩石的软化性较强，软化系数较小。（软化性与岩石矿物成分及空隙性有关）,KR0.75，岩石软化性弱，抗冻性和抗风化能力强；KR0.75，岩石软化性较强，工程地质性质较差。,三、岩石的抗冻性,岩石抵抗冻融破坏的能力,抗冻系数(Rd)：岩石试件经反复冻融后的干抗压强度(cd2)与冻融前干抗压强度(cd1)之比，用百分数表示,Rd75，Km2时，抗冻性高；Wa5、KR0.75和Rd0.8时，抗冻性高。,质量损失率(Km)：冻融试验前后干质量之差(ms1-ms2)与试验前干质量(ms1)之比，以百分数表示,四、岩石的透水性,在一定的水力梯度或压力差作用下，岩石能被水透过的性质。水在岩石中的流动，服从线性渗流规律达西定律，即,K：cm/sm/d,渗透流速,渗透系数,水力梯度,2.4岩石的热学性质（自学）,复习总结,1、岩石的物理性质1)岩石的密度2)岩石的空隙性2、岩石的水理性质1).吸水性：吸水率(Wa)、饱和吸水率(Wp)、饱水系数2).软化性：软化系数(KR)3).抗冻性：抗冻系数(Rd)、质量损失率(Km)4).透水性：渗透系数(K),颗粒密度(s),块体密度(、d、sat),空隙比(e),空隙率(nn0nanbnc),岩块的变形与强度性质,应力、应变应力状态、摩尔应力圆,几个基本概念,任意状态,主应力状态,强度、刚度变形弹性变形、塑性变形弹性、塑性破坏脆性破坏、塑性破坏脆性、塑性粘性、延性,岩块的变形与强度性质,2.5岩块的变形性质,加荷方式,单轴加荷,三轴加荷,单轴压缩,单轴拉伸,连续加荷,循环加荷,逐级一次循环加荷,反复循环加卸荷,加剪力,t,p,t,p,t,p,岩块的变形与强度性质,一、单轴压缩条件下的岩块变形,（一）连续加载,1、变形阶段空隙压密阶段(OA),岩块的变形与强度性质,破坏后阶段(DE)全过程曲线前过程曲线,非稳定发展阶段(CD)D点:峰值强度,微裂隙稳定发展阶段(BC)C点:屈服强度,弹性变形阶段(AB)B点:弹性极限,岩块的变形与强度性质,2、峰值前岩块的变形特征（1）前过程曲线类型及特征,弹性型,弹-塑性型,塑-弹性型,塑-弹-塑性型1,塑-弹-塑性型2,弹性-蠕变型,岩块的变形与强度性质,（2）变形参数,1)变形模量（modulusofdeformation)是指单轴压缩条件下，轴向压应力与轴向应变之比。应力-应变曲线为直线型这时变形模量又称为弹性模量,应力-应变曲线为“S”型初始模量(Ei)指曲线原点处切线斜率切线模量(Et)指曲线上任一点处切线的斜率，在此特指中部直线段的斜率割线模量(Es)指曲线上某特定点与原点连线的斜率，通常取c处的点与原点连线的斜率,岩块的变形与强度性质,2)泊松比()（poissonsratio）是指在单轴压缩条件下，横向应变（）与轴向应变（）之比,在实际工作中，常采用处的与来计算岩块的泊松比。岩块的变形模量和泊松比受岩石矿物组成、结构构造、风化程度、空隙性、含水率、微结构面及其与荷载方向的关系等多种因素的影响，变化较大。,岩块的变形与强度性质,岩块的变形与强度性质,常见岩石的变形模量和泊松比,3)其他变形参数剪切模量（）拉梅常数（）体积模量（V)弹性抗力系数（）,岩块的变形与强度性质,伺服机试验结果,3.峰值后岩块的变形特征,脆性大的岩石,塑性大的岩石,（二）循环加载,2.卸荷点（P）的应力高于岩石的弹性极限(A),1.卸荷点（P）的应力低于岩石的弹性极限(A),岩块的变形与强度性质,岩块的变形与强度性质,3.反复加卸荷(岩石记忆、回滞环、疲劳破坏）,二、三轴压缩条件下的岩块变形性（一）三轴试验,真三轴试验123常规三轴试验12=3,岩块的变形与强度性质,（二）围压对变形破坏的影响,1、岩石破坏前应变随3增大而增大2、岩石的峰值强度随3增大而增大3、随3增大岩石变形模量增大，软岩增大明显，致密的硬岩增大不明显,岩块的变形与强度性质,4、随3增大，岩石的塑性不断增大，随3增大到一定值时，岩石由弹脆性转变为塑性。这时，3的大小称为“转化压力”。5、随3的增大，岩块从脆性劈裂破坏逐渐向塑性剪切及塑性流动破坏方式过渡。,岩块的变形与强度性质,三、岩石的蠕变性质在外部条件不变的情况下，岩石的变形或应力随时间而变化的现象叫流变，主要包括蠕变、松弛。蠕变(creep)是指岩石在恒定的荷载作用下，变形随时间逐渐增大的性质。1.蠕变曲线特征（三个阶段）,AB段-初始蠕变阶段BC段-等速蠕变阶段CD段-加速蠕变阶段,岩块的变形与强度性质,2.影响蠕变的因素岩性应力温度、湿度,岩块的变形与强度性质,3.蠕变模型及本构方程（自学）（1）理想物体基本模型弹性元件粘性元件塑性元件,岩块的变形与强度性质,（2）组合模型Maxwall模型,岩块的变形与强度性质,Kelvin模型,岩块的变形与强度性质,岩块的变形与强度性质,其他模型,2.6岩块的强度性质,岩块强度：岩块抵抗外力破坏的能力。,岩块破坏方式,脆性破坏,塑性破坏(延性破坏）,拉破坏,剪切破坏,一、单轴抗压强度二、单轴抗拉强度三、剪切强度四、三轴压缩强度,受力状态,岩块的变形与强度性质,一、单轴抗压强度c1、定义：在单向压缩条件下，岩块能承受的最大压应力，简称抗压强度（MPa）。2、意义:衡量岩块基本力学性质的重要指标岩体工程分类、建立岩体破坏判据的重要指标用来大致估算其他强度参数3、测定方法：抗压强度试验,点荷载试验,岩块的变形与强度性质,常规压力机,岩块的变形与强度性质,4、破坏方式：拉破坏、剪破坏、对顶锥破坏,岩块的变形与强度性质,常见岩石的抗压强度,岩块的变形与强度性质,5.影响因素（1）岩石自身的性质（矿物组成、粒间连接、岩性、结构特征、颗粒大小及形状、风化程度、微结构面）（2）实验条件试件形状、尺寸及加工精度断面形状：强度:圆形六多边形四边形三边形试件尺寸效应：尺寸越大，岩块强度越低。试件的高径比h/D增大，岩块强度降低。加工精度：加荷速率强度常随加荷速率增大而增高温度、湿度含水量越高,强度越低;温度越高，强度越低。,岩块的变形与强度性质,端面条件端面效应,层理结构强度各向异性,岩块的变形与强度性质,二、单轴抗拉强度t1.定义：单向拉伸条件下，岩块能承受的最大拉应力，简称抗拉强度。2.意义：衡量岩体力学性质的重要指标用来建立岩石强度判据，确定强度包络线选择建筑石材不可缺少的参数3.测定方法：直接拉伸间接法（劈裂法、点荷载法、三点弯曲法）,岩块的变形与强度性质,直接拉伸法是将圆柱状试件两端固定在材料试验机的拉伸夹具内，然后对试件施加轴向拉荷载至破坏。,劈裂试验是用圆柱体或立方体试件，横置于压力机的承压板上，且在试件上、下承压面上各放一根垫条。然后以一定的加荷速率加压，直至试件破坏。,在线布荷载(p)作用下，沿试件竖直向直径平面内产生的近于均布的水平拉应力x=2p/DL在水平向直径平面内产生的压应力y=6p/DL抗拉强度t=2pt/DL（圆形试样）t=2pt/a2（方形试样）,岩块的变形与强度性质,点荷载试验是将试件放在点荷载仪中的球面压头间，加压至试件破坏，利用破坏荷载求岩块的点荷载强度。,点荷载强度Is=pt/D2抗拉强度t=kIs,岩块的变形与强度性质,4.影响因素：结构面的影响（裂隙空隙）岩石中包含有大量的微裂隙和孔隙，岩块抗拉强度受其影响很大，直接削弱了岩块的抗拉强度。相对而言，空隙对岩块抗压强度的影响就小得多，因此，岩块的抗拉强度一般远小于其抗压强度。通常把抗压强度与抗拉强度的比值称为脆性度，用以表征岩石的脆性程度。,岩块的变形与强度性质,常见岩石的抗拉强度,岩块的变形与强度性质,三、剪切强度1、定义：在剪切荷载作用下，岩块抵抗剪切破坏的最大剪应力，称为剪切强度2、类型：（1）抗剪断强度：指试件在一定的法向应力作用下，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力。（2）抗切强度：指试件上的法向应力为零时，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力。（3）摩擦强度：指试件在一定的法向应力作用下，沿已有破裂面（层面、节理等）再次剪切破坏时的最大剪应力。,岩块的变形与强度性质,3、意义：反映岩块的力学性质的重要指标用来估算岩体力学参数及建立强度判据4、抗剪断强度的测试方法：直剪试验、变角板剪切试验、三轴试验,岩块的变形与强度性质,直剪试验在直剪仪上进行，按库仑定律求岩块的剪切强度参数C、值。,变角板剪切试验是将立方体试件，置于变角板剪切夹具中加压直至试件沿预定的剪切面破坏。,岩块的变形与强度性质,四、三轴压缩强度1.定义：试件在三向压应力作用下能抵抗的最大的轴向应力。2.测定方