岩石及岩体的基本性质清楚明了

PAGEPAGE24第一章岩石及岩体的基本性质第一节概述岩石是组成地壳壳壳的基本本物质质，它由由各种种造岩矿矿物或或岩屑在在地质质作用下下按一一定规律律（通通过结晶晶或借借助于胶胶结物物粘结）组组合合而成。一、岩石的分类类类自然状态下的岩岩岩石，按按其固固体矿物物颗粒粒之间的的结合合特征，可可分分为：①固结性岩石：：：固结性岩岩石石是指造造岩矿矿物的固固体颗颗粒间成成刚性性联系，破破碎碎后仍可可保持持一定形形状的的岩石。②粘结性岩石、③③散粒状岩岩石石、④流动性岩岩石石等。在煤矿中遇到的的的大多是是固结结性岩石石。常常见的有有砂岩岩、石灰灰岩、砂砂质页岩岩、泥泥质页岩岩、粉粉砂岩等等。按岩石的力学性性性质不同同，常常把矿山山岩石石分为：：①坚硬岩石②松软岩石石两两类。工程中常把饱水水水状态下下单向向抗压强强度大大于10MPPa的岩石叫叫做做坚硬岩岩石，而而把低于于该值值的岩石石称为为松软岩岩石。松软岩石具有结结结构疏松松、密密度小、孔孔隙隙率大、强强度度低、遇遇水易易膨胀等等特点点。从矿压控制角度度度看，这这类岩岩石往往往会给给采掘工工作造造成很大大困难难。二、岩石的结构构构和构造造岩石的强度与岩岩岩石的结结构和和构造有有关。1.岩石的结构构指指决定岩石石石组织的的各种种特征的的总合合。如岩岩石中中矿物颗颗粒的的结晶程程度、颗颗粒大小小、颗颗粒形状状、颗颗粒间的的联结结特征、孔孔隙隙情况，以以及及胶结物物的胶胶结类型型等。岩石中矿物颗粒粒粒大小差差别很很大，在在沉积积岩中，有有的的颗粒小小到用用肉眼难难以分分辩（如如石灰灰岩、泥泥岩、粉粉砂岩中中的细细微颗粒粒），有有的颗粒粒可大大至几厘厘米（如如砾岩中中的粗粗大砾石石）。组组成岩石石的物物质颗粒粒大小小，决定定着岩岩石的非非均质质性。颗颗粒愈愈均匀，岩岩石石的力学学性质质也愈均均匀。一一般来说说，组组成岩石石的物物质颗粒粒愈小小，则该该岩石石的强度度愈大大。2.岩石的构造造是是指岩石中中中矿物颗颗粒集集合体之之间，以以及与其其它组组成部分分之间间的排列列方式式和充填填方式式。主要要有以以下几种种构造造：1.整体构造————岩石的颗颗粒粒互相紧紧密地地紧贴在在一起起，没有有固定定的排列列方向向；2.多孔状构造造造——岩石颗粒粒间间彼此相相连并并不严密密，颗颗粒间有有许多多小空隙隙；3.层状构造————岩石颗粒粒间间互相交交替，表表现出层层次叠叠置现象象（层层理）。岩石的构造特征征征对其力力学性性质有明明显影影响，如如层理理的存在在常使使岩石具具有明明显的各各向异异性。在在垂直直于层理理面的的方向上上，岩岩石承受受拉力力的性能能很差差，沿层层理面面的抗剪剪能力力很弱。受受压压时，随随加载载方向与与层理理面的交交角不不同，强强度有有较大差差别。第二节岩石的的的物理性性质一、岩石的相对对对密度（比比重重）岩石的相对密度度度就是岩岩石固固体部分分实体体积（不不包括括空隙）的的质质量与同同体积积水质量量的比比值。其其计算算公式为为：（1-1）式中Δ—岩石石的比重；Gd—绝对干燥燥时岩岩石固体体实体积积的重重量，g；Vc—岩石固体体部分分实体积积，cm3；w—水的密度，ggg/cm33岩石比重的大小小小取决于于组成成岩石的的矿物物比重，而而与与岩石的的空隙隙和吸水水多少少无关。岩岩石石的比重重可用用于计算算岩石石空隙度度和空空隙比。煤煤矿矿中常见见岩石石的比重重见表表1-1。二、岩石的质量量量密度岩石的密度是指指指单位体体积（包包括空隙隙）岩岩石的质质量。根据含水状态不不不同，岩岩石的的密度分分为天天然密度度、干干密度、和和饱饱和密度度。天然密度是岩石石石在天然然含水水状态下下的密密度。干密度是岩石在在在105～110℃烘箱内烘烘至至恒重时时的密密度。饱和密度是岩石石石在吸水水饱和和状态下下的密密度。干密度、饱和密密密度和天天然密密度的表表达式式如下：：（1-2）式中Gd、GGsat、G—分分别是干燥燥燥岩石、水水饱饱和岩石石和天天然含水水岩石石的质量量，gg；d、sat、——岩岩石的干密密密度、饱饱和密密度和天天然密密度，g//ccm3V—岩石的体积积，cm3。通常，不说明含含含水状态态时，即即指岩石石的干干密度。煤煤矿矿常见的的岩石石密度见见表1-1。对于遇水易膨胀胀胀的某些些松软软岩石，区区分分干密度度和湿湿密度有有重要要意义。三、岩石的空隙隙隙性岩石的空隙性是是是指岩石石中孔孔隙和裂裂隙的的发育程程度，常常用空隙隙度表表示。所所谓空空隙度是是指岩岩石中各各种空空隙、裂裂隙的的体积的的总和和与岩石石总体体积之比比。按按下式计计算：：（1-3）式中n—岩岩石石的空隙度度度（也称称空隙隙率）；；d—岩石的干密密度度，g/ccm3；Δ—岩石的比重重值值。岩石的空隙性也也也可用空空隙比比表示。空空隙隙比是指指岩石石中各种种孔隙隙和裂隙隙体积积总和与岩岩石石内固体体部分分实体积积之比比。表达达式如如下：（1-4）式中e—岩岩石石的空隙比比比；Vo—岩石内各各种空空隙和裂裂隙体积积的总总和，cmm3；Vc—岩石内内内固体部部分实实体积，ccmm3；空隙比与空隙度度度之间有有如下下关系：：（1-5）岩石的空隙性对对对岩石的的其它它性质有有显著著影响。一一般般来说，空空隙隙度增大大可使使岩石密密度和和强度降降低，使使塑性变变形和和透水性性增加加。煤矿矿中常常见岩石石的空空隙度和和空隙隙比见表1-1。四、岩石的碎胀胀胀性和压压实性性岩石破碎以后的的的体积将将比整整体状态态下增增大，这这种性性质称为为岩石石的碎胀胀性。碎胀系数——岩岩岩石的碎碎胀性性可用岩岩石破破碎后处处于松松散状态态下的的体积与与破碎碎前处于于整体体状态下下的体体积之比比来表表示，该该值称称为碎胀胀系数数。表达达式如如下：（1-6）式中kp—岩岩石的碎胀系系系数；V’—岩石石石破碎膨膨胀后后的体积积，ccm3；V—岩石处于整整体体状态下的的的体积，ccmm3。岩石的碎胀系数数数对矿山山压力力控制，特特别别是采煤煤工作作面的顶顶板管管理有重重要意意义。碎碎胀系系数与岩岩石的的物理性性质、破破碎后块块度的的大小及及其排排列状态态等因因素有关关。例例如，坚坚硬岩岩石成大大块破破坏且排排列整整齐时，碎碎胀胀系数较较小，如如破碎后后块度度较小且且排列列较杂乱乱，则则碎胀系系数较较大。煤煤矿中中常见岩岩石的的碎胀系系数见见表1-2。岩石破碎后，在在在其自重重和外外加载荷荷的作作用下会会逐渐渐压实，体体积积随之减减小，碎碎胀系数数比初初始破碎碎时相相应变小小。这这种压实实后的的体积与与破碎碎前原始始体积积之比，称称为为残余碎碎胀系系数，以以k‘p表示，其其值值见表1-2。五、岩石的水理理理性质1.岩石的吸水水性性。岩石的的的吸水性性是指指遇水不不崩解解的岩石石，在在一定试试验条条件下（规规定定的试尺尺寸和和试验压压力）吸吸入水分分的能能力。通常以岩石的自自自然吸水水率和和强制吸吸水率率表示。岩石的自然吸水水水率是指指试件件在大气气压力力作用下下吸入入水分的的质量量与试件件的烘烘干质量量之比比。岩石的强制吸水水水率（也也称饱饱和吸水水率）是是指试件件在加加压（150个大气压压）条条件下吸吸入水水分的质质量与与烘干质质量之之比。两两种吸吸水率表表达式式如下：：（1-7）式中ω、ωωssat—岩石的自自然然吸水率率和强强制吸水水率；；Gw—岩石试件件在大大气压力力下吸入入水分分的质量量，gg；Gd—岩石试试试件烘干干后质质量，g；Gw·s—岩岩岩石试件件强制制饱和吸吸水后后质量，gg。2.岩石的透水水性性。在地下下下水水力力坡度度（压力力差）作作用下，岩岩石石能被水水透过过的性能能称为为岩石的的透水水性。用渗透系数来表表表征岩石石透水水性能的的大小小。渗透透系数数的大小小取决决于岩石石孔隙隙的大小小、数数量和相相互贯贯通情况况。根根据达西西定律律：（1-8）式中Q——单单位时间透透透水量；；K—渗透系数；；A—渗透面积；；I—水力坡度度度（压力力差）；；3.岩石的软化化化性。岩岩石浸浸水后的的强度度明显降降低，可可用软化化系数数表示水水分对对岩石强强度的的影响程程度。软化系数是水饱饱饱和岩石石试件件的单向向抗压压强度与与干燥燥岩石试试件单单向抗压压强度度的比值值，其其关系式式如下下：（1-9）式中ηc——岩岩石的软化化化系数；；Rcw—水饱和和和岩石试件件的的单向抗抗压强强度，MPPaa；Rc—干燥岩岩岩石试件件的单单向抗压压强度度，MPaa。岩石浸水后的软软软化程度度，与与岩石中中亲水水矿物和和易溶溶性矿物物的含含量、空空隙的的发育程程度、水水的化学学成份份，以及及岩石石浸水时时间的的长短等等因素素有关。亲亲水水矿物和和易溶溶矿物含含量越越多，张张性裂裂隙越发发育，则则岩石浸浸水后后强度降降低程程度越大大。此此外，岩岩石浸浸水时间间越长长，其强强度降降低程度度也越越大。如如某些些砂岩浸浸水3天后，单单向向抗压强强度降降低32～35%，浸水9天后降低51～59%。研究岩石的软化化化性对用用高压压注水法法控制制坚硬难难冒落落顶板有有重要要意义。表表1-3为煤矿中中几几种常见见岩石石的软化化系数数，由该该表可可看出，各各种种岩石的的软化化系数都都小于于1，说明岩岩石石普遍具具有软软化性。第三节岩石石石的变形形性质质变形是岩石的主主主要力学学性质质。岩石石受载载时将首首先发发生变形形，当当载荷超超过一一定数值值（极极限强度度）时时导致破破坏。变变形和破破坏是是载荷作作用下下岩石的的力学学性质发发展变变化的两两个阶阶段。一、岩石的弹性性性和塑性性岩石受力后既可可可出现弹弹性变变形，也也可出出现塑性性变形形。但岩岩石与与一般固固体材材料不同同，它它的弹性性变形形和塑性性变形形往往同同时出出现。岩岩石是是兼有弹弹性和和塑性的的材料料。二、在单向压缩缩缩下岩石石的变变形特性性1.脆性岩石石石的变形形性质质。图l－la为脆脆性岩石的应应应力—应变曲线线。其其特点是是岩石石在破坏坏前没没有明显显的塑塑性变形形，总应变量量也也较小。通通常常把在外外力作作用下破破坏前前总应变变小于于3%的岩石，叫叫叫做脆性性岩石石。可将图l－laaa所示曲线线分分为三段段：OOA段表示示岩岩石受载载初期期，由于于岩石石中的各各种空空隙受压压闭合合，曲线线出现现上弯，OOAA段称为岩岩石石的压密密阶段段；AB段接近近于于直线，可可近近似地称称为线线弹性阶阶段，这这时可认认为岩岩石处于于弹性性状态；；在BBC段内，自自B点开始岩岩石石内部已已有微微破裂不不断发发生，到到C点发生破破坏坏，故BCC段可称为为破裂发发展阶阶段。C点即为岩岩石石的强度度极限限。图l－1a是利利用具有普通通通刚度的试试验验机所得得的结结果，岩岩石破破碎时发发出巨巨大的声声响，岩岩石碎块块强烈烈弹出，这就是一一般般所说的的脆性性破坏。如果采用刚度很很很大的材材料试试验机(常称为刚刚性性试验机)加压，就就可可以使原原先呈呈炸裂性性破坏坏的岩石石试件件平静地地产生生破坏，从从而而可使试试验继继续进行行下去去，并得得出岩岩石的应应力—应变全程程曲曲线(图l－lb)。它说明明岩岩石应力力达到到最大值值以后后，并不不立即即完全丧丧失承承载能力力，而而是要达达到DD点才完全全破破坏。D点称为完完全全破坏点点，而而该点所所保持持的某一一较小小的应力力值称称为残余余强度度。岩石石具有有残余强强度的的特性，对对地地下开采采过程程中合理理地利利用已经经受到到破坏的的围岩岩(或煤体)的自承能能力力有重要要意义义。图l－l脆性岩石石的的应力应应变曲曲线2.塑性岩石石石的变形形性质质。图l－2为塑性性岩石的的应力力应变曲曲线，它它的特点点是岩岩石在破破坏之之前的应应变量量较大。通通常常把外力力作用用下破坏坏前总总应变大大于5%的岩石叫叫做做塑性岩岩石。由图l－2可知知，塑性岩石石石应变曲线线的的斜率开开始较较陡，以以后逐逐渐平缓缓。工工程上把把开始始变缓的的转折折点称为为屈服服点，该该点的的应力值值称为为屈服极极限σσT。有时为为了了方便起起见，也也将OEFF曲线简简化为OEEGG折线。认认为为岩石在在达到到屈服极极限以以前处于于近似似弹性状状态，而而σT表示塑性性流流动开始始。塑塑性岩石石产生生的塑性性变形形要比弹弹性变变形大得得多。图1-2塑塑塑性岩石的的应应力应变变曲线线三、三向压缩条条条件下岩岩石的的变形特特性图l－3a、bb为干砂岩和和湿湿砂岩在常常常温和不不同侧侧压(或称围压)三向压缩缩条条件下的的变形形曲线。图图中中的纵坐坐标表表示最大大的主主应力σ1（一般为为垂垂直应力力）与与最小应应力σσ3，(一般为侧侧向向应力)之差，横横坐坐标表示示轴向向应变。试试验验时侧向向应力力σ2=σ3。由图可可知知：(l)当岩石受受受三向压压缩时时，其应应力应应变的开开始阶阶段，有有一段段近似于于直线线的关系系，说说明在主主应力力差值(σ1-σ3)的峰值前前不不远的范范围内内，岩石石属弹弹性变形形。(2)岩石的脆脆脆性和塑塑性是是相对的的，在在单向应应力或或较低的的三向向应力状状态下下表现为为脆性性的岩石石，在在高压三三向应应力状态态下破破坏前也也能表表现出很很大的的塑性。(3)三向压缩缩缩时，随随着侧侧向应力力σ3和主应力力差差值(σ1-σ3)的增加，强强强度极限(峰值)也随之增增大大。(4)岩石在三三三向压缩缩条件件下破坏坏以后后，虽然然其结结构发生生了变变化，但但仍然然保留一一定的的承载能能力。这这对于在在井下下控制煤煤柱和和岩体的的稳定定性很有有实际际意义。图1-3砂砂砂岩在常温温和和不同侧侧压三三向压缩缩下的的应变曲曲线a－干砂岩；bbb－湿砂岩岩四、岩石的蠕变变变性在恒定载荷持续续续作用下下，应应变随时时间增增长而变变化的的现象称称为蠕蠕变，表表示这这一特征征的曲曲线叫做做蠕变变曲线。图图l－4是岩石的的典典型蠕变变曲线线。由图图可知知，在开开始加加载时，试试件件立即产产生一一个瞬时时应变变(图中OA段)，由于这这一一段作用用的时时间极短短，故故可近似似地认认为是弹弹性变变形。在在ABB段，应变变不不断增加加，但但应变速速率不不断降低低，故故曲线呈呈下凹凹型，这这个阶阶段的蠕蠕变称称为第一一阶段段蠕变或或短暂暂蠕变。在在BBC段，应应变变以稳定定恒速速增长，这这个个阶段的的蠕变变称为第第二阶阶段蠕变变或定定常蠕变变，且且这个阶阶段的的时间延延续最最长。在在CDD段，应变变以以加速增增长，曲曲线呈上上凹型型，这个个阶段段的蠕变变称第第三阶段段蠕变变或加速速蠕变变。当应应变达达到某数数值DD时，最终终引引起试件件破坏坏。图1-4岩石的的的典型蠕变变曲曲线第四节岩石石石的强度度特性性在载荷的作用下下下，岩石石变形形达到一一定程程度就会会破坏坏。岩石石发生生破坏时时所能能承受的的最大大载荷称称为极极限载荷荷，用用单位面面积表表示则称称为极极限强度度。在在不同应应力条条件下，岩岩石石具有不不同的的极限强强度。岩石的强度可分分分为单向向抗压压强度、单单向向抗拉强强度、抗抗剪强度度、抗抗弯强度度、三三向抗压压强度度等。一、岩石的单向向向抗压强强度岩石试件在单向向向压缩时时所能能承受的的最大大应力值值，称称为岩石石的单单向抗压压强度度。它是是地下下工程中中使用用最广的的岩石石力学特特性参参数，在在煤矿矿中研究究岩石石分类、确确定定破坏准准则以以及表达达围岩岩坚硬程程度时时，常采采用这这一指标标。测定岩石的单向向向抗压强强度，通通常采用用直径径5cm和高径径比比为2的圆柱形形试试件，在在压力力机上以50～100NN//s的速度加加载载，直到到试件件破坏，然然后后按下式式计算算：（1-10）式中Rc—岩岩石试件的单单单向抗压强强度度，kPaa；P—岩石试件破破坏坏时施加的的的载荷，kkN；A—试件初始截截面面积，m2。煤矿常见岩石的的的单向抗抗压强强度见表1-4。二、岩石的单向向向抗拉强强度岩石试件在单向向向拉伸时时能承承受的最最大拉拉应力值值，称称为单向向抗拉拉强度。它它是是岩石力力学性性质中的的重要要指标。由由于于岩石的的抗拉拉强度远远小于于抗压强强度，在在受载不不大时时就可能能出现现拉伸破破坏，因因此，它它对研研究井下下巷硐硐失稳等等问题题有重要要意义义。目前，测定岩石石石抗拉强强度的的基本方方法基基本上可可分两两类，即即直接接拉伸法法和间间接拉伸伸法。直直接拉伸伸法与与金属材材料拉拉伸试验验类似似。可按按下式式求得岩岩石的的抗拉强强度：：（1-11）式中Rt—岩岩石试件的单单单向抗拉强强度度，kPaPt—试件破坏坏时的的总拉力力，kN；A—试件破坏断断面面积，m2。由于直接拉伸法法法的岩石石试件件加工复复杂，目目前广泛泛采用用劈裂法法间接接地测定定岩石石的单向向抗拉拉强度。这这种种方法是是用直直径为5cm和厚2.55ccm的圆盘盘形形试件，在在材材料试验验机上上以3～5N/s的速度度加加载，直直至试试件被压压裂（图1-5）。此时时，可按下下式计算试试件的抗拉拉强度：（1-12）式中Rp—圆圆盘形试件的的的抗拉强度度，kPaa;P—试件裂开破破坏坏时的竖向向向总压力力，kkN；D、t—圆盘形形试件的的直径径和厚度度，mm。图1-5劈劈劈裂法试验验装装置示意意图1-试件；2--钢钢丝垫条；；3-承压板图1-6倾倾倾斜压模剪剪切切装置三、岩石的抗剪剪剪强度岩石的抗剪强度度度是指岩岩石抵抵抗剪切切作用用的能力力。目前广泛采用倾倾倾斜压模模法测测定岩石石抗剪剪强度。如如图图1-6所示，将将规规格为5ccmm×5ccm××5cmm的立立方体试试件放放在两个个钢制制的倾斜斜压模模之间，以以50～100N//ss的速度加加载载迫使试试件沿沿预定的的剪切切面AB剪断。这这时作用用在破破坏面上上的应应力为：：（1-13）式中T、NN——作用在剪剪切切破坏面面上的的剪应力力和正正应力，kkN；τ—抗剪强度，kkkPa;σn—剪切破坏坏面上上的正应应力，kPPa；P—试件发发发生剪切切破坏坏时压力力机施施加的总总压力力，kN；A—试件件件剪切破破坏面面的面积积，mm2；α—试件与水平平面面的夹角，（°）四、岩石的三向向向抗压强强度岩石在三向应力力力作用下下所能能抵抗的的最大大轴向应应力，称称为岩石石的三三向抗压压强度度。它通通常是是在轴对对称应应力组合合方式式（即σ1>σ2=σ3）的三向向应应力条件件下，利利用岩石石三轴轴应力试试验机机测定的的。图1-7三轴轴轴试验装置置1-压力室；22--密封设备备；3-球面底座座；4-压力液进进口口；5-排气口；6-侧向压力力；7-试件如图1-7所示示，测测定时将将试件放放在密密闭的高高压容容器内，用用油油泵向压压力室室内送入入高压压油，对对试件件施加侧侧向压压力（σ2=σ3），达到到预预定值后后封闭闭压力室室，然然后以50～100NN/s的稳定速速度度，连续续均匀匀地通过过压力力机活塞塞施加加轴向载载荷，直直至试件件破坏坏。试件件在相相应侧压压力下下的三向向抗压压强度可可按下下式计算算：（1-14）式中R3cc——在一定侧侧向向压力作作用下下的岩石石三向向抗压强强度，kPPa;P—试件破坏坏坏时的轴轴向载载荷，kN；A—试件的初始始横横断面积，m2。岩石因受力状态态态不同，其其极极限强度度相差差很大。岩岩石石在不同同应力力状态下下的各各种极限限强度度一般符符合下下列顺序序：三向等压抗压强强强度>三向不等等压压抗压强强度>>双向抗压压强强度>单向抗压压强强度>抗剪强度度>抗弯强度度>单向抗拉拉强强度。此外，单向抗压压压强度Rc、单向抗抗拉拉强度Rt和抗剪强强度度τ之间有以以下下数量关关系：：第五节岩石石石的破坏坏类型型岩石在外力作用用用下首先先产生生不同形形式的的变形，继继而而产生微微细裂裂缝和破破裂，如如果破裂裂不断断发展，将将导导致岩石石最终终破坏。有些岩石在破坏坏坏前出现现很大大的变形形，而而另一些些岩石石破坏前前出现现的变形形很小小或可忽忽略不不计。通通常把把岩石在在载荷荷作用下下没有有显著的的变形形而突然然发生生的破坏坏称为为脆性破破坏，把把岩石在在载荷荷作用下下出现现较大的的变形形以后才才发生生的破坏坏称为为塑性破破坏。但但是在脆脆性破破坏和塑塑性破破坏之间间并无无明确的的界限限，岩石石呈现现脆性破破坏还还是塑性性破坏坏，不仅仅取决决于岩石石本身身的性质质，还还在很大大程度度上取决决于外外界条件件，如如岩石所所处的的应力状状态，温温度，压压力，水水分，受受载时时间等等等。例例如，在在常温温、低围围压和和高应变变率条条件下呈呈现为为脆性破破坏的的岩石，在在高高温、高高围压压、多水水分和和低应变变率的的条件下下，岩岩石可呈呈现为为塑性破破坏。不论在何种受力力力状态下下，岩岩石发生生破坏坏的基本本形式式只有两两种：：拉断破破坏和和剪切破破坏。例例如岩石石在受受单向压压缩时时，根据据其上上下端面面的润润滑情况况，可可能出现现拉断断破或剪剪切破破坏。岩岩石试试件在受受弯曲曲时，往往往是是由于下下部表表面受到到拉应应力的作作用而而导致拉拉断破破坏。至至于塑塑性破坏(例如粘土土类类岩石)，它实质质上上是塑性性岩石石颗粒间间产生生微小剪剪切滑滑移的结结果，仍仍属于剪剪切破破坏。因因此，尽尽管由于于岩石石性质、构构造造特征、受受力力方式以以及试试件形状状和尺尺寸不同同，试试件的破破坏形形态有很很大差差别，但但从岩岩石的破破坏方方式和机机理来来看，都都可归归结为拉拉断破破坏和剪剪切破破坏这两两种基基本类型型。一、拉断破坏拉断破坏可以直直直接由拉拉力引引起的拉拉应力力造成，也也可可以由压压缩、弯弯曲等衍衍生的的拉应力力造成成，但不不论加加载方式式如何何，都是是由于于拉应力力超过过极限强强度而而造成的的破坏坏，其特特点是是岩石破破坏时时呈现出出沿破破坏面发发生拉拉开的运运动。拉拉断破坏坏又称称张性破破坏。图l-8拉拉拉断破坏的的两两种情况况a—直接拉断；；bb、c—间接拉断断根据加载方式不不不同，拉拉断破破坏可分分两种种情况：：(一)直接拉断断直接拉断(图lll－8a)的特点是是断断裂面与与受力力方向垂垂直，断断裂面明明显分分离。而而在断断裂面之之间没没有错动动。(二)间接拉断断间接拉断(图lll-8b、c)的特点是是断断裂而与与受力力方向平平行。当当在受压压面上上涂润滑滑剂时时，由于于加压压板与试试件受受压面之之间无无摩擦阻阻力或或摩擦阻阻力很很小，在在纵向向压缩过过程中中，引起起试件件自由地地产生生横向变变形。当当横向变变形伸伸长量超超过试试件抵抗抗伸长长的能力力时，就就会导致致试件件产生纵纵向劈劈裂而被被拉断断。这种种因压压缩而引引起的的拉断破破坏形形式又叫“压裂”或“横向张裂”。尽管以上两种拉拉拉断破坏坏的受受力方式式不同同，但两两者共共同之处处都是是由拉应应力引引起破坏坏，而而且都出出现张张开的裂裂缝。二、剪切破坏剪切破坏可以直直直接由剪剪切破破坏或者者由压压缩衍生生的剪剪应力造造成。但但无论加加载方方向如何何，都都是由于于剪应应力超过过极限限强度而而造成成的破坏坏。其其特点是是岩石石破坏时时呈现现出沿破破坏面面发生相相互错错动的运运动。剪剪切破坏坏又称称剪破裂裂或剪剪裂。根据加载方式不不不同，剪剪切破破坏有两两种情情况：（一）直接剪切切切通常由外加的剪剪剪力造成成，其其特点是是剪切切破坏面面与外外加剪力力方向向一致（图图1-9，a）。图1-9剪剪剪切破坏的的两两种情况况a—直接剪切；；bb、c—间接剪切切（二）间接剪切切切由轴向压缩或其其其它受力力方式式引起的的剪切切破坏。当当受受压面上上不涂涂润滑剂剂时，加加压板与与试件件受压面面之间间有很大大的摩摩擦阻力力，试试件不易易产生生横向变变形。于于是试件件内部部产生剪剪应力力，最后后沿与与最大压压应力力垂直方方向成成一定角角度αα的某个平平面面发生剪剪切破破坏（图1-9b、c）。α称为剪切切破破坏角。剪剪切切破坏角角与岩岩石强度度有关关。通常常，坚坚硬岩石石的剪剪切破坏坏角较较大，软软岩则则较小，常常见见岩石剪剪切破破坏角见见表1-5。尽管直接剪切和和和间接剪剪切破破坏的受受力方方式不同同，但但两者共共同之之处是其其破坏坏形式表表现为为试件的的一部部分相对对于另另一部分分产生生滑移，即即形形成剪切切裂缝缝。但这这种裂裂缝通常常都不不张开，而而是是呈闭合合的形形式，常常称之之为剪裂裂面。通常，试件内部部部的剪应应力具具有对称称性，试试件受剪剪切破破坏时常常出现现成对的的倾斜斜裂缝，常常称称为“X形剪裂隙”（图1-9c）。第六节岩体体体的基本本性质质前面讨论的岩石石石力学性性质，都都是以对对小块块岩石试试件(岩块)进行的实实验验和研究究为基基础，与与大范范围天然然岩体体的力学学性质质有很大大差别别。为了了有效效地解决决与工工程有关关的岩岩石力学学实际际问题，需需要要了解岩岩体的的特征及及其有有关的力力学性性质。概括来说，岩体体体在以下下三个个方面与与实验验室岩石石试件件有显著著不同同：l)岩体以天然然状状态埋藏在在在地下，处处于于特定的的自然然物理环环境(地下水、地地地温、地地应力力等)之中，这这些些因素无无疑将将对岩体体的物物理力学学性质质有很大大影响响。2)岩体由一定定数数量的岩石石石组成，没没有有特定的的自然然边界。岩岩体体的范围围根据据解决问问题的的需要来来圈定定。3)岩体中存在在各各种地质弱弱弱面和地地质构构造。岩岩体在在自然状状态下下经历了了漫长长的地质质作用用过程。在在地地应力作作用下下，岩体体内部部保留了了各种种永久变变形和和地质构构造形形迹，例例如：：不整合合、褶褶皱、断断层、层层理、节节理、裂裂隙等等等。根据上述特征，岩岩体可定义为为自然界中由由各种岩性各各种结构特征征的岩石的集集合体。从工工程实际来看看，大多数情情况下遇到的的岩体，是存存在有各种弱弱面的坚硬天天然岩石。因因此，从抽象象的、典型化化的角度来说说，可以把岩岩体看作是由由结构面和受受它包围的结结构体共同组组成的。所谓“结构面”是指在在地质质发展历历史中中，尤其其是地地质构造造运动动过程中中形成成的，具具有一一定方向向、延延展较大大、厚厚度较小小的地地质界面面，它它包括岩岩石物物质的分分界面面和不连连续面面，如岩岩体中中存在的的层面面、节理理、断断层、软软弱夹夹层等，可可统统称为结结构面面。结构构面是是岩体的的重要要组成单单元，它它的性质质影响响到岩体体的性性质。所谓“结构体”是指由由不同同产状的的结构构面相互互切割割而形成成的单单元块体体，也也称单元元岩块块。结构构体的的四周都都被结结构面包包围，常常见的结结构体体大都是是有棱棱有角的的多面面体，如如立方方体、柱柱状体体、板状状体、菱菱形体、梯梯形形体、楔楔形体体、锥形形体等等。结构构体也也是岩体体的重重要组成成部分分，它本本身的的物质组组成和和排列组组合方方式也影影响到到岩体的的力学学性质。一、岩体的基本本本类型根据岩体结构特特特征的不不同，岩岩体可分分为以以下几种种基本本类型(图1-100)，1.整体岩体体(图图1-100a)它是指只遭受轻轻轻微构造造变动动的厚层层沉积积岩，岩岩层多多呈水平平或缓缓斜状，节节理理不发育育，很很少有断断层，通通常可认认为是是均质、连连续续介质。这这类类岩体本本身有有很高的的力学学强度和和抗变变形能力力，岩岩体的整整体强强度接近近于岩岩石的强强度，具具有很好好的自自稳性能能。(((a)图1-10岩体结构构的的基本类类型a一整体结构；；；b一块状结结构构；c一层状结结构构；d一碎裂结结构构；e一散体结结构构2.块状岩体体体(图1-100b)它是指遭受中等等等构造变变动的的厚层、中中厚厚层沉积积岩，岩岩层多为为水平平或倾斜斜状，节节理发育育，有有小断层层及偶偶有层间间错动动，岩石石一般般比较坚坚硬，这这类沉积积岩通通常由岩岩性单单一或强强度相相近的岩岩层组组合而成成。根根据构造造变动动程度，可可认认为是连连续介介质或不不连续续介质。这这类类岩体的的整体体强度也也较高高，岩体体的变变形、破破坏受受结构面面控制制，它对对一般般跨度的的巷硐硐是稳定定的，开开挖后在在短时时间内应应力即即能达到到平衡衡。3.层状岩体体体(图1-100c)它是指构造比较较较简单的的沉积积岩，岩岩层可可以成水水平或或倾斜陡陡急状状。它可可以由由单一岩岩性或或不同岩岩性的的互层或或夹层层组合而而成，岩岩层的单单层厚厚度一般般在0.5m上下。这这类类岩体的的特点点是，各各个单单层具有有比较较完整的的层状状组合，同同时时常含有有粘结结力很小小的层层面、极极薄层层或薄层层状的的原生软软弱夹夹层以及及轻微微的层间间错动动面，其其节理理发育程程度不不等。岩岩体的的完整性性随岩岩层变位位程度度而定，属属于于各向异异性的的不连续续介质质，其变变形、破破坏受岩岩层组组合和结结构面面所控制制，在在跨度较较大的的巷硐顶顶部可可能产生生弯曲曲折断，而而平平行于巷巷硐侧侧壁的急急斜岩岩层可能能发生生膨出及及张裂裂。4.碎裂岩体体体(图1-100d)它是指岩层受强强强烈构造造变动动后产生生严重重变形和和破裂裂的岩体体。在在这类岩岩体中中，褶皱皱、断断层、层层间错错动、节节理、劈劈理十分分发育育，而且且断层层、节理理经常常互相切切割，使使岩层完完整性性受到强强烈破破坏，属属于不不连续介介质或或似连续续介质质。这类类岩体体比较破破碎，整整体强度度低，受受力后的的变形形、破坏坏受结结构面控控制。当当在巷硐硐中悬悬露时经经常会会发生片片帮、冒冒顶、侧侧向挤挤出和底底膨等等现象。如如果果碎裂岩岩体中中泥质含含量较较高时，也也可可能呈现现与时时间效应应有关关的塑性性变形形。5.松散岩体体体(图1-100e)是指经受最剧烈烈烈的构造造变动动后由断断层泥泥、岩粉粉、压压碎的岩岩石碎碎屑、碎碎块等等所组成成的岩岩体。它它往往往出现在在大断断层交汇汇处，形形成破碎碎带，沿沿走向和和沿倾倾斜的厚厚度变变化极不不规则则。此外外，近近代未经经胶结结的松散散沉积积物，如如砂卵卵石层等等也属属松散岩岩体。这这类岩体体的结结构体呈呈颗粒粒状、碎碎屑粉粉状、角角砾状状，属于于非连连续介质质。它它受力后后的变变形、滑滑移主主要取决决于散散粒体之之间的的摩擦阻阻力和和泥质物物的控控制作用用，故故常呈现现明显显的塑性性或流流变性。这这类类岩体的的整体体强度极极低，几几乎没有有自撑撑能力，悬悬露露时极不不稳定定，在掘掘进巷巷道时，如如不不进行超超前支支护，会会立即即冒落，甚甚至至在掘进进以后后，巷道道中还还会出现现臌帮帮、臌底底现象象，而且且来压压既快又又大，持持续时间间长，往往往产生生连续续的变形形破坏坏，这是是目前前岩层控控制领领域中尚尚待解解决的课课题。二、岩体的基本本本特征根据上述情况可可可以看出出，岩岩体除了了有以以上结构构特点点外，从从本身身组成状状况来来看也与与岩石石有许多多区别别，其中中比较较明显的的特征征有如下下几点点。1.岩体的非非非均质性性岩体可以由一种种种或几种种岩石石组成，而而且且以后者者居多多。对于于多种种岩石组组成的的岩体，由由于于在自然然条件件下组成成岩石石的物质质成分分、组织织结构构及其组组合状状况经常常变化化，所以以一般般认为岩岩体是是非均质质的。例例如，对对于倾倾斜层状状岩体体，无论论是铅铅直方向向还是是水平方方向，其其非均质质性都都十分明明显；；对水平平或近近水平的的层状状岩体，在在铅铅直方向向上的的非均质质性也也是明显显的，而而在水平平方向向，尽管管岩石石种类在在一定定范围内内可能能没有明明显变变化，但但物质质组成、岩岩性性岩相也也有变变化，所所以严严格地说说岩体体都是非非均质质的。只只有在在少数情情况下下，在某某些局局部范围围内，如如果不存存在软软、硬悬悬殊的的夹层，岩岩石石的物理理力学学性质基基本一一致，才才可看看作均质质体。2.岩体的各各各向异性性大多数层状岩体体体在水平平及铅铅直方向向的致致密程度度不同同，因而而就有有显著的的各向向异性，即即岩岩体在不不同方方向上显显示的的物理力力学性性质(如极限强强度度、弹性性模量量等)有明显不不同同。岩体的各向异性性性还受到到岩体体内各种种结构构面的影影响。由由于结构构面的的方位不不同，数数量不等等，规规模不一一，性性质各异异，会会造成岩岩体具具有各向向异性性。如结结构面面组数较较少、各各自发育育程度度不同的的岩体体，其各各向异异性会表表现得得很明显显，反反之，结结构面面组数多多、各各自都很很发育育、方向向十分分复杂的的岩体体，其各各向异异性反而而表现现得不明明显。所所以，岩岩体中中组成岩岩石的的成层条条件及及其分布布规律律，结构构面特特性及其其发育育状况等等都会会导致岩岩体具具有各向向异性性。3.岩体的非非非连续性性由于岩体被各种种种结构面面所切切割，因因此从从原则上上说岩岩体属于于非连连续体。但但是是随着被被切割割的岩块块大小小、形态态和性性质不同同，岩岩块的排排列和和相互接接触状状态的差差异，及及其不连连续程程度都会会有所所不同。因因此此在研究究工程程问题，尤尤其其是进行行岩体体稳定性性分析析时，往往往根根据岩体体的不不同结构构类型型把岩体体分别别看作是是非连连续体、似似连连续体或或连续续体。例例如，受受结构面面影响响明显的的层状状、块状状结构构岩体和和碎裂裂结构岩岩体可可视为非非连续续体，结结构发发育密集集的碎碎裂结构构及结结构面不不规则则密集分分布的的散体结结构岩岩体可看看成似似连续体体，而而只有那那些整整体结构构岩体体和部分分块状状、中厚厚层状状结构的的岩体体才可看看作是是连续体体。为了对岩体的特特特性有较较全面面的了解解，在在表1-6中对岩石石和和岩体特特性的的不同点点进行行了简要要对比比。第七节岩体的力力学学性质像其他材料一样样样，在载载荷作作用下会会产生生变形，载载荷荷不断增增加，变变形会不不断发发展，最最后会会导致岩岩体的的破坏。了了解解岩体的的变形形规律和和特性性，对于于控制制岩体变变形，解解决井巷巷设计计、掘进进和维维护，以以及与与地下开开采有有关的其其它实实际问题题都有有重要意意义。岩体不是理想的的的弹性体体，而而是具有有弹性性、塑性性和粘粘性的，多多裂裂隙的非非连续续介质，其其变变形性质质也反反映了这这些特特点。例例如，岩岩体在载载荷作作用下出出现弹弹性变形形的同同时也产产生