岩体力学 岩石的物理力学性质.ppt

2.1岩石的物理性质2.2岩石的热学性质2.3岩块的变形性质2.4岩块的强度性质,第二章岩石的物理力学性质,2.1岩石的物理性质,岩石也是由固体、液体和气体三相组成的。定义：物理性质是指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。岩石在水溶液作用下表现出来的性质，称为水理性质。岩石的密度岩石的空隙性吸水性软化性抗冻性透水性,一、岩石密度,1、颗粒密度s（比重Gs）s=ms/Vs岩石的比重(Gs)岩石固体部分的重量和4C时与同体积纯水重量的比值。无单位,s的单位（g/cm3）s测试方法比重瓶法；,2、块体密度(岩石密度)岩块单位体积内的质量。与矿物组成、岩石的孔隙性及含水状态有关。,测试方法：量积法（规则试样）水中法或蜡封法（不规则试样）,容重是工程岩体稳定性分析计算及岩体压力计算的基本参数,常见岩石的物理性质指标值(部分),颗粒密度与块体密度不一样：(s)颗粒密度不包括孔隙，其大小只与矿物密度及其含量有关。块体密度，不仅与矿物组成有关，还与岩石的空隙性及含水状态密切相关。,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,隙比,岩石空隙率,二、空隙性,工程意义：是岩石物理性质的一个重要指标。对岩块和岩体的水理、热学性质及力学性质影响很大。空隙率愈大岩石中的孔隙和裂隙愈多岩石的力学性质越差(岩石的强度愈小、塑性变形越大），渗透性愈大，抗风化能力愈差等。,三、吸水性,定义：岩石在一定的试验条件下吸收水分的能力，称为岩石的吸水性。1.吸水率(Wa)是指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，即,2.饱和吸水率岩石的饱和吸水率(Wp)是指岩石试件在高压(一般压力为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，即,3.饱水系数岩石的吸水率(Wa)与饱和吸水率(Wp)之比，称为饱水系数。它反映了岩石中大、小开空隙的相对比例关系。,四、软化性,软化系数(KR)为岩石试件的饱和抗压强度(cw)与干抗压强度(c)的比值，即,岩石中含有较多的亲水性和可溶性矿物，且含大开空隙较多时，岩石的软化性较强，软化系数较小。软化系数KR0.75时，岩石的软化性弱，同时也说明岩石的抗冻性和抗风化能力强。而KR0.75的岩石则是软化性较强和工程地质性质较差的岩石,岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性，,工程意义：岩石的软化系数愈小，说明岩石吸水饱和后其抗压强度降低的越多,岩石软化性愈强。如粘土岩和泥质胶结的岩石，其KR一般为0.40.6。对水下建筑影响大。另外，软化系数是评价岩石力学性质的一个重要物理性质指标。,五、抗冻性,岩石抵抗冻融破坏的能力，称为抗冻性。抗冻系数(Rd)是指岩石试件经反复冻融后的干抗压强度(c2)与冻融前干抗压强度(c1)之比，用百分数表示，即,质量损失率(Km)是指冻融试验前后干质量之差(ms1ms2)与试验前干质量(ms1)之比，以百分数表示，即,Rd75，Km2时，为抗冻性高的岩石；,六、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，称为透水性。常用渗透系数来表征。一般认为，水在岩石中的流动，如同水在土中流动一样，也服从于线性渗流规律达西定律，即：,渗透系数大小主要取决于岩石空隙的数量、大小、方向及其连通性等，水只能通过连同的空隙渗透。因此，裂隙岩体的渗透系数（透水性）远大于岩块的渗透系数，,一、热容性二、导热性三、热膨胀性四、温度对岩石性质的影响,2.2岩石的热学性质,一、热容性,在岩石内部及其外部进行热交换时，岩石吸收热能的能力，称为岩石的热容性。,式中：C为岩石的比热（J/(kg.K)）,二、导热性,岩石传导热的能力，称为岩石的热传导性。用导热系数表示。,式中：k为导热系数（w/(m.K）,式中：为岩石的热扩散率（cm2/s）,三、热膨胀性,岩石在温度升高时体积膨胀，温度降低时体积收缩的性质，称为热膨胀性。用线膨胀（收缩）系数表示。,式中：为线膨胀系数（1/K）,四、温度对岩石性质的影响,在高的温度下，温度改变10C可在岩石内产生0.4-0.5Mpa的热应力变化,2.3岩块的变形性质,一、单轴压缩条件下的变形二、三轴压缩条件下的变形三、岩石的蠕变性质,研究岩块力学性质的意义：1.当岩体性质接近岩块性质时，可以通过研究岩块的性质来外推岩体的性质，解决有关的岩体力学问题；2.岩块是岩体的组成部分，当研究岩体的性质时，不能忽视岩块的性质；3.评价石材的性能时，必须研究相关岩块的性质；4.评价岩石的可钻性和可破碎性时，要研究岩块的性质；5.进行工程岩体分类时，岩块强度和变形模量被作为重要分类指标，此时也要研究岩块的物理力学性质。,一、单轴压缩条件下的变形（一）连续加载,1、变形阶段空隙压密阶段(OA),o,A,B,C,D,E,(+),(-),L,V,d,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,前过程曲线,高速摄影机下岩石试件的破坏过程,全过程曲线：反映岩石由变形发展到破坏的全过程是一个渐进性逐步发展的、分阶段的过程,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,2、峰值前岩块的变形特征,应力应变曲线类型及其特征,无裂隙的坚硬、极坚硬岩,花岗岩、玄武岩、石英岩等,裂隙少的较坚硬岩石,石灰岩、砂砾岩等,裂隙较多的坚硬岩石,花岗岩、砂岩等,坚硬的变质岩石(微层理、片理),大理岩、片麻岩,软弱岩石,(米勒6种曲线类型,28种岩石),变形参数确定,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c2处的点与原点连线的斜率,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。,常见岩石的变形模量与泊松比,3)其他变形模量剪切模量（）弹性抗力系数（）拉梅常数（）体积模量（V),峰后曲线需采用刚性实验机或伺服式刚性实验机系统机器刚度：K=AE/L式中：A为机器立柱的截面积E为机器立柱的弹性模量L为机器立柱的长度液压伺服原理：根据岩石破坏和变形情况控制变形速度，使岩石以恒定速度变形，并自动调整荷载,3.峰值后岩块的变形特征,伺服机试验结果,（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),弹性模量：,变形模量：,弹性模量,2.循环加载卸荷点（P）的应力高于岩石的弹性极限(A),变形模量,3.反复加卸荷(岩石记忆、回滞环、疲劳破坏）,p,二、三轴压缩条件下的变形（一）三轴试验,真三轴试验123常规三轴试验12=3,1)不同3下的三轴抗压强度1m2）强度曲线及剪切强度C、值3）应力-应变曲线及变形模量,（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,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。,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,弹性后效概念：加载或卸载时，弹性应变滞后于应力的现象。,2.影响蠕变的因素岩性应力温度、湿度,长期强度概念：时间的强度()瞬时强度（c）/c：一般岩石为0.4-0.8中、软岩为0.4-0.6硬岩为0.7-0.8,3.蠕变模型及本构方程（1）理想物体基本模型弹性元件（弹簧）粘性元件（阻尼器）塑性元件（摩擦片）,（2）组合模型Maxwall模型,Kelvin模型,其他模型,2.4岩块的强度性质,强度：岩块试样抵抗外力破坏的能力。,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,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,常规压力机,4、破坏方式：拉破坏、剪破坏、对顶锥破坏,常见岩石的抗压强度,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。,端面条件端面效应,层理结构强度各向异性,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）,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抗拉强度t=2pt/DL（圆形试样）t=2pt/a2（方形试样）,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,4.影响因素：结构面的影响（裂隙空隙）岩石中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。,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。,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,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