2.1-3 巖石力學(xué)與工程 巖石物理力學(xué)性質(zhì)

1、2021-6-141 1.火成巖火成巖 主要由高溫熔融的巖漿侵入殼或噴出地表冷凝形主要由高溫熔融的巖漿侵入殼或噴出地表冷凝形成的巖石，亦稱(chēng)巖漿巖。成的巖石，亦稱(chēng)巖漿巖。2.沉積巖沉積巖 主要由母巖風(fēng)化剝蝕的產(chǎn)物、火山碎屑物質(zhì)、生主要由母巖風(fēng)化剝蝕的產(chǎn)物、火山碎屑物質(zhì)、生物遺骸等經(jīng)過(guò)搬運(yùn)、沉積、固結(jié)形成的巖石。物遺骸等經(jīng)過(guò)搬運(yùn)、沉積、固結(jié)形成的巖石。3.變質(zhì)巖變質(zhì)巖 先以存在的火成巖、沉積巖或變質(zhì)巖受物理和化學(xué)先以存在的火成巖、沉積巖或變質(zhì)巖受物理和化學(xué)條件變化的影響改變其結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和礦物成分而形條件變化的影響改變其結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和礦物成分而形成的新的巖石。成的新的巖石。 2021-6-142202

2、1-6-143（1）巖石的主要礦物質(zhì)成分）巖石的主要礦物質(zhì)成分 20物、碳酸鹽礦物、硫酸鹽礦物以及Fe、Mn、Al的氧化物和氫氧化物。一般沉積巖僅含56種礦物，多數(shù)僅含13種。2021-6-144 （2）沉積巖的礦物成分與火成巖的區(qū)別）沉積巖的礦物成分與火成巖的區(qū)別 2）火成巖中長(zhǎng)石多于石英，而沉積巖中石英多于長(zhǎng)石，而且長(zhǎng)石中是以鉀長(zhǎng)石為主，酸性斜長(zhǎng)石次之，其它種類(lèi)長(zhǎng)石罕見(jiàn)。2021-6-1454）易溶和粘土礦物在水的作用下容易被溶蝕，使）易溶和粘土礦物在水的作用下容易被溶蝕，使巖石的孔隙度增大，結(jié)構(gòu)變松，強(qiáng)度降低。巖石的孔隙度增大，結(jié)構(gòu)變松，強(qiáng)度降低。5）一些礦物由于其物態(tài)變化，使其體積發(fā)生

3、膨脹）一些礦物由于其物態(tài)變化，使其體積發(fā)生膨脹和軟化，使巖石強(qiáng)度降低。和軟化，使巖石強(qiáng)度降低。2021-6-146 顆粒的大小、形狀、排列結(jié)晶連結(jié)巖石結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)連結(jié)膠結(jié)連結(jié)微小弱面微結(jié)構(gòu)面微小孔隙2021-6-147 巖石的物理性質(zhì)是指由巖石固有的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征所決定的比重、容重、孔隙率等基本屬性。 （1）概念）概念 （2）表達(dá)式）表達(dá)式VW（2-1） 1.天然容重天然容重 ： 2.干容重干容重 ： 2021-6-148dwdw1.量積法量積法2021-6-149 hAGd（2-2） 2021-6-1410/WWW（2-3） sg1g2gdnssdggggg121（2-4） n2021-6

4、-1411 容重和巖石密度的關(guān)系容重和巖石密度的關(guān)系Vm2021-6-1412（2-6） gVmgVW（2-7） wsssVWG（2-8） sGsWsVw2021-6-14132021-6-1414 %100VVnv（2-9） 2021-6-1415 中所占的百分率，孔隙率愈大，則巖石的孔隙和裂隙愈多，巖石的力學(xué)性能則愈差。%100cvVVe（2-10） 2021-6-1416 %100drwmmw（2-12） 2021-6-1417%1000drdrammmw（2-13） 2.下mdr 2021-6-1418%100drdrsasammmw（2-14） （3）巖石的透水性）巖石的透水性%10

5、0saawwwk（2-15） 2021-6-14192021-6-1420 ccwcccwc（2-16） fc%100ccfcfc（2-17） ccf2021-6-14212021-6-1422n巖石在反復(fù)凍融后其強(qiáng)度降低的主要原因 構(gòu)成巖石的各種礦物的膨脹系數(shù)不同，當(dāng)溫度變化時(shí)，由于礦物的脹、縮不均勻而導(dǎo)致巖石結(jié)構(gòu)的破壞； 當(dāng)溫度降到0以下時(shí)，巖石孔隙中的水將結(jié)冰，其體積增大約9%，會(huì)產(chǎn)生很大的膨脹壓力，使巖石的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，直至破壞。 2021-6-1423 巖石強(qiáng)度：是指巖石在各種載荷作用下達(dá)到破壞時(shí)所能承受的極限應(yīng)力，即巖石材料在受外載荷作用時(shí)抵抗破壞的能力。 巖石的強(qiáng)度主要包括巖石的

6、單軸抗壓強(qiáng)度、單軸抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、多軸壓縮強(qiáng)度等。 2.分類(lèi)分類(lèi)2021-6-1424（2）研究巖石強(qiáng)度的意義1.是巖石分類(lèi)、分級(jí)中的重要數(shù)量指標(biāo)；2.可以判別計(jì)算處或測(cè)定處的巖土工程是否穩(wěn)定；3.在簡(jiǎn)單地下工程條件下，可作為極限平衡條件(塑性條件)，求解彈塑性問(wèn)題的塑性區(qū)范圍，以及彈性區(qū)和塑性區(qū)的應(yīng)力與位移。 2021-6-1425拉伸破壞 拉應(yīng)力脆性破壞破壞形式剪切破壞 剪應(yīng)力塑性破壞 剪應(yīng)力從巖石的破壞模式來(lái)看，可分為五種破壞形式，如圖2-1所示。（a）單軸壓縮縱向劈裂破裂（b）剪切破壞（c）多重剪切破壞（d）拉伸破裂（e）由線載荷產(chǎn)生的拉伸破壞2021-6-1426（1）定義）定義

7、 cPA（2-18） 1）國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)規(guī)定）國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)規(guī)定 我國(guó)的規(guī)定我國(guó)的規(guī)定 2021-6-1427 原因：原因：2021-6-142842圖2-2 單軸壓縮破壞形態(tài) 圖2-3 壓縮圓柱體的應(yīng)力分布 2021-6-1429 當(dāng)承壓板剛度很大時(shí)，其接觸面的應(yīng)力分布很不均勻，呈山字型，如下圖2-4所示。因此，承壓扳(或者墊塊)盡可能采用與巖石剛度相接近的材料，避免由于剛度的不同而引起變形不協(xié)調(diào)造成應(yīng)力分布不均勻的現(xiàn)象。 圖2-4 在剛性承壓板之間壓縮時(shí)巖石端面的應(yīng)力分布 2021-6-14302021-6-14311）試件形狀的影響）試件形狀的影響 試件尺寸的影響試件尺寸的影響礦物顆

8、粒直徑的10倍以上，其強(qiáng)度值相對(duì)比較穩(wěn)定。因此，目前對(duì)于一般巖石采取直徑為50mm的試件作為其標(biāo)準(zhǔn)尺寸。2021-6-1432 0 . 30 . 2/dhc圖2-5 粗面巖的抗壓強(qiáng)度與hd的關(guān)系 PAAPRttR2021-6-14332021-6-1434PdtPt2ttd ,2021-6-14352021-6-14362tsPIkDtPDSI2021-6-14372021-6-1438ctanc2021-6-14392021-6-1440APmlm3213212021-6-14412021-6-14422021-6-1443 前的曲線。2.普通試驗(yàn)機(jī)得不到峰值強(qiáng)度后曲線的原因普通試驗(yàn)機(jī)得不到

9、峰值強(qiáng)度后曲線的原因主要是普通試驗(yàn)機(jī)的剛度不夠，使在試驗(yàn)時(shí)有很大一部分能量以應(yīng)變能形式儲(chǔ)存在試驗(yàn)機(jī)的立柱和其它部件中，當(dāng)試件的應(yīng)力達(dá)到峰值后，其承載能力下降，此時(shí)，試驗(yàn)機(jī)中的應(yīng)變能快速釋放所造成的。2021-6-14441）增加試驗(yàn)機(jī)上鋼構(gòu)件的截面積和減小其厚度；2）增加液壓柱的截面積，且減小其長(zhǎng)度；3）增大液壓油的體積模量。 2021-6-1445CDEOAB圖2-17 全應(yīng)力-應(yīng)變曲線預(yù)測(cè)巖爆示意圖 2021-6-14464.預(yù)測(cè)循環(huán)加載條件下巖石的破壞 根據(jù)巖石本身已有的受力水平，循環(huán)荷載的大小、周期、可根據(jù)全應(yīng)力-應(yīng)變曲線來(lái)預(yù)測(cè)循環(huán)加載條件下巖石發(fā)生破壞的時(shí)間。FHIGEDCBAO蠕變

10、終止軌跡線圖2-18 全應(yīng)力-應(yīng)變曲線預(yù)測(cè)蠕變破壞示意圖2021-6-1447 形和非線彈性變形。 2021-6-1449 ECDBAO圖2-20 巖石單軸壓縮載荷作用下全應(yīng)力-應(yīng)變曲線 2021-6-1450 2021-6-1451 5.破裂后階段（破裂后階段（DE段）段） 并且相互交叉聯(lián)合形成宏觀斷裂面，試件的承載能力迅速下降，但不會(huì)到零，巖石仍具有一定的承載能力。p65.0p65.0p65.0p65.0區(qū)段 特征 OA AB BC CD DE EF 斜率 漸增 不變 漸減 速減 變號(hào) 變?yōu)榱?裂隙狀況 原 始 裂 隙閉 合 ， 試件 與 壓 板間隙調(diào)整 微 量 新裂 隙 產(chǎn)生 應(yīng)力達(dá) 以

11、上時(shí)， 新裂 隙 產(chǎn) 生漸 多 (峰 值應(yīng)力) 應(yīng)力達(dá) 以 上 時(shí) ， 新裂 隙 急 增 并互相貫穿 貫 穿 裂 隙繼續(xù)發(fā)展 裂 隙 停 止發(fā)育 聲發(fā)射 微量 少量 明顯增多 急增 繼續(xù)變化 停止變化 殘余應(yīng)變 無(wú) 無(wú) 有 有 有 有 p5 .0p65.02021-6-14522021-6-1453OOOOO圖2-21 峰值前巖石的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線 a.彈性巖石 b.彈性-塑性巖石 c.塑-彈性巖石 d.塑-彈-塑性巖石 e.彈-粘性巖石 2021-6-1454 2021-6-1455 近，巖石愈來(lái)愈接近彈性變形，直到?jīng)]有塑性變形為止，如圖2-22所示。2021-6-1456OP1圖2-22

12、 等載荷循環(huán)加、卸載時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 CO圖2-23 不斷增大載荷循環(huán)加、卸載時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 2021-6-1457 巖石在循環(huán)載荷作用下，當(dāng)循環(huán)應(yīng)力小于某一數(shù)值時(shí)，循環(huán)次數(shù)即使很多，也不會(huì)導(dǎo)致試件的破壞；而超過(guò)這一數(shù)值時(shí)巖石將在某次循環(huán)中發(fā)生破壞（疲勞破壞），這一數(shù)值稱(chēng)為臨界應(yīng)力。它的大小與巖石種類(lèi)有關(guān)。2021-6-1458 圖2-24 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系2323 32 2232為常數(shù)時(shí)的影響 2021-6-14592021-6-1460233233oddEPddEPE2021-6-1461cS21cSddE21cS21cSE212021-6-1462125 . 02021-6-1463

13、eeKKe321VVe32,)1 (2EG2021-6-1464321VVVVV321,2021-6-14652021-6-14662021-6-14672021-6-1468GEGEGExyxyyxzzzxzxxzyyyzyzzyxx),(1),(1),(1E)1 ( 2EG2021-6-1469zxyzxyzyxzxyzxyzyx6665646362615655545352514645444342413635343332312625242322211615141312112021-6-1470zxyzxyzyxzxyzxyzyx6655443332312322211312110000000

14、000000000000000002021-6-1471zxyzxyzyxzxyzxyzyxGGGEEEEEEEEE2212222222111221111000000100000010000001000100012021-6-14721E2E121G2G2021-6-14732021-6-1474 2.自由水自由水它不受礦物表面吸附力的控制，其運(yùn)動(dòng)主要受重力作用控制，它對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響主要表現(xiàn)為孔隙水壓力作用和溶蝕及潛蝕作用。2021-6-1475 化，使礦物顆粒間的連接力減弱，摩擦力降低，起到潤(rùn)滑劑的作用。2021-6-1476 應(yīng)力狀態(tài)，起到破壞巖石連接的作用。5.溶蝕溶蝕-潛蝕作用潛蝕作用通過(guò)滲透水在巖體內(nèi)流動(dòng)過(guò)程，將巖石中的可溶礦物溶解帶走，有時(shí)將巖石中的小顆粒沖走，從而使巖石強(qiáng)度大為降低，變形增大