矿山岩石和岩体的基本性质课件

第一章矿山岩石和岩体的基本性质

岩石的物理力学性质是岩体最基本、最重要的性质之一，也是岩石力学中研究最早、最完善的内容之一。本章介绍：岩石的地质构成及分类；岩石物理、力学性质及测定；岩石的破坏机理和强度理论；岩体及其力学特征。

第一节岩石的基本物理性质

1.概念岩石：矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集形成的自然物体。

（岩石=矿物颗粒+胶结物+孔隙+水）矿物：存在地壳中的具有一定化学成分和物理性质的自然元素和化合物。结构：组成岩石的物质成分、颗粒大小和形状以及其相互结合的情况。

(结晶、胶结)

构造:

组成成分的空间分布及其相互间排列关系。

（节理、裂隙、空隙、边界、缺陷）矿物、结构、构造是影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素。一、岩石的基本概念

岩浆岩：强度高、均质性好

2.岩石地质分类沉积岩：强度不稳定，各向异性

变质岩：不稳定，与变质程度和岩性有关3.沉积岩石的力学特性：①不连续性；（物质不能充满空间，有空隙存在）②各向异性；（任一点的物理、力学性质沿不同方向均不相同）③不均匀性；（由不同物质组成，各点物理力学性质都不相同）④岩块单元的可移动性；⑤地质因素影响特性（水、气、热、初应力）（上述特性导致岩石力学的研究方法以实验测试为主）1、天然密度（ρ）和天然重度（γ）

指岩石在天然状态下的密度和重度。

（g/cm3）(kN/m3)式中：W――天然状态下岩石试件的质量(g；)V——岩石试件的体积(cm3)；

g——重力加速度（N/g）。

干密度是指岩石孔隙中的液体全部被蒸发后单位体积岩石的质量，相应的重度即为干重度。

2、干密度（ρd）和干重度(γd)（g/cm3）(kN/m3)式中：Ws——岩石试件烘干后的质量(g)；

V——岩石试件的体积(cm3)；

g——重力加速度。

3、饱和密度（ρ

）和饱和重度(γw)饱和密度就是饱水状态下岩石试件的密度。式中：WW——饱水状态下岩石试件的质量(g)；

V——岩石试件的体积(cm3)；

g——重力加速度。

（g/cm3）(kN/m3)（三）岩石的空隙性

空隙：岩石中孔隙和裂隙的总称。小开型空隙空隙闭型空隙开型空隙大开型空隙

闭型空隙：岩石中不与外界相通的空隙。

开型空隙：岩石中与外界相通的空隙。包括大开型空隙和小开型空隙。在常温下水能进入大开型空隙，而不能进入小开型空隙。只有在真空中或在150个大气压以上，水才能进入小开型空隙。空隙度：指岩石的裂隙和孔隙发育程度，其衡量指标为空隙率(n)或空隙比（e）。根据岩石空隙类型不同，岩石的空隙率分为：

(1)总空隙率n(2)大开空隙率nb(3)小开空隙率nl(4)总开空隙率n0(5)闭空隙率nc一般提到岩石的空隙率时系指岩石的总空隙率。1、空隙率(1)总空隙率n:

即岩石试件内空隙的体积（VV)占试件总体积(V)的百分比。

(2)大开空隙率nb:即岩石试件内大开型空隙的体积（Vnb)占试件总体积(V)的百分比。

(3)小开空隙率nl:即岩石试件内小开型空隙的体积（Vnl)占试件总体积(V)的百分比。

所谓空隙比是指岩石试件内空隙的体积（VV)与岩石试件内固体矿物颗粒的体积（Vs)之比。

2、空隙比(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。1、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吸水率、饱水率和饱水系数。（1）岩石吸水率(ω1)：

是指岩石试件在标准大气压力下吸入水的重量Wω1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。

根据岩石的吸水率可求得岩石的大开空隙率nb：

式中：Ws为干燥岩石的重量；γd,γw分别为干燥岩石和水的重度。（3）岩石的饱水系数（Ks）岩石吸水率与饱水率之比称为岩石的饱水系数，即

饱水系数反映了岩石中大开空隙和小开空隙的相对含量。饱水系数越大，岩石中的大开空隙越多，而小开空隙越少。吸水性较大的岩石吸水后往往会产生膨胀，给井巷支护造成很大压力。

2、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η表示。

软化系数指岩石试样在饱水状态下的抗压强度σcb与在干燥状态下的抗压强度σc之比，即各类岩石的ηc=0.45～0.9之间。ηc>0.75,岩石软化性弱、抗水、抗风化能力强；ηc<0.75，岩石的工程地质性质较差。3、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。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。5、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（σc-σcf）,以此强度下降值与融冻试验前的抗压强度σc之比的百分比代表抗冻系数Cf

，即可见：抗冻系数Cf

越小，岩石抗冻融破坏的能力越强。6、岩石的透水性

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。弹性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形能够恢复的性质。塑性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形不能恢复的性质。粘性（流变性）：物体受力后变形不能在瞬间完成，且应变速度（dε/dt）随应力大小而变化的性质。脆性：物体在外力作用下变形很小时就发生破坏的性质。延性：物体能够承受较大的塑性变形而不丧失其承载能力的性质。第二节

岩石的强度和变形特性

线弹性———直线型；当岩石致密，强度大，压力不高时，为此状态。

非线弹性——单向曲线型；基本没有。

滞弹性———双向曲线型，岩石多属滞弹性：滞弹性——应力应变不是唯一的对应关系，应变的产生（变化）较应力的变化有一段时间的滞后。

原因：物理学认为，当作用在滞弹性体上的力发生改变时，由于受力体内部物质的粘性或内摩擦的原因，引起变形效应滞后和迟延。滞弹性体具有两个重要性质：

弹性滞后——由于内摩擦原因，岩石随应力变化出现的变形滞后。

弹性后效——由于热传导等原因，外力停止变化，而变形仍随时间而缓慢变化。

理想塑性具有应变硬化的塑性2、塑性变形：

岩石塑性普遍存在；岩石塑性与岩石的组成、结构、构造及外界环境有关。（颗粒及胶结物物质成分、排列结合、含水、温度、应力等）

理想塑性——超过弹性极限，进入完全塑性状态（极少）；

应变硬化——超过弹性极限，承载能力随应变增加而增加。

3、一般岩石的变形：

瞬时弹性变形

后效弹性变形

塑性变形

岩石与其它金属及晶体矿物不同，因其有节理、裂隙存在，在应力不高阶段，内部结构即有破坏，在产生弹性变形的同时，产生塑性变形。岩石不是理想的弹性体、塑性体、粘性体，是混合体。

有弹—塑；塑—弹；弹—粘—塑；粘—弹等多种变形特性。

（粘性——变形不能在瞬间完成，变形速率随应力变化。）典型变形性质：直线型弹脆弹塑下凹型塑弹上凹型弹粘平缓型塑弹塑S型二、岩石单向压缩变形性质：

1、轴向变形：2、横向