巖塊的物理力學(xué)性質(zhì)

1、關(guān)于巖塊的物理力學(xué)性質(zhì)第1頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三2.2 巖石的物理性質(zhì)一、巖石的密度二、巖石的空隙性 巖石由固體、液體和氣體三相組成。msmwo水氣V0VWVSVV固巖石三相組成部分的相對(duì)比例關(guān)系不同所表現(xiàn)的物理狀態(tài)。第2頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三一、巖石的密度（單位體積內(nèi)的巖石質(zhì)量） 1、顆粒密度(s)：s= ms/Vs 2、塊體密度()：巖塊單位體積的質(zhì)量。按含水量的多少可分為： 天然密度： = m/V 干密度：d= ms/V 飽和密度:sat= msat/Vmsmwo水氣V0VWVSVV固第3頁，共57頁，2022年，5

2、月20日，23點(diǎn)33分，星期三二、巖石的空隙性：孔隙+裂隙總空隙率(n)總開空隙率(no)大開空隙率(nb)小開空隙率(na)閉空隙率(nc)巖石的空隙(裂隙、孔隙) 閉空隙開空隙大開空隙小開空隙空隙比空隙率顆粒體積第4頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三空隙性對(duì)巖塊及巖體力學(xué)性質(zhì)影響1、n愈大，巖塊的強(qiáng)度愈小、塑性變形和滲透性愈大；2、空隙易造成巖石風(fēng)化，工程地質(zhì)性質(zhì)惡化；3、對(duì)可溶性巖石，空隙使巖溶發(fā)育。第5頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三巖石在水溶液作用下表現(xiàn)出來的性質(zhì)。 1.吸水性 2.軟化性 3.抗凍性 4.透水性2.3 巖石的水理性質(zhì)

3、第6頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三一、巖石的吸水性 巖石在一定試驗(yàn)條件下吸收水分的能力。 1.吸水率(Wa)：巖石試件在大氣壓力和室溫條件下自由吸入水的質(zhì)量(mw1)與巖樣干質(zhì)量 (ms)之比，用百分?jǐn)?shù)表示大開空隙率第7頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三2.飽和吸水率Wp：高壓(15MPa)或真空條件下吸入水的質(zhì)量(mw2)與巖樣干質(zhì)量(ms)之比，用百分?jǐn)?shù)表示總開空隙率第8頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三Wa/Wp3.飽水系數(shù)反映巖石中大、小開空隙的相對(duì)比例關(guān)系。飽水系數(shù)大,大開空隙越多,巖石愈易被凍壞，抗凍性差第

4、9頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三 幾種巖石的吸水性指標(biāo)值第10頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三二、巖石的軟化性軟化系數(shù)(KR)：巖石試件的飽和抗壓強(qiáng)度(cw)與干抗壓強(qiáng)度(c)的比值巖石浸水飽和后強(qiáng)度降低的性質(zhì)第11頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三巖石中含有較多親水性和可溶性礦物，含大開空隙較多時(shí)，巖石的軟化性較強(qiáng)，軟化系數(shù)較小。（軟化性與巖石礦物成分及空隙性有關(guān)）KR0.75，巖石軟化性弱，抗凍性和抗風(fēng)化能力強(qiáng)；KR0.75，巖石軟化性較強(qiáng)，工程地質(zhì)性質(zhì)較差。第12頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33

5、分，星期三三、巖石的抗凍性巖石抵抗凍融破壞的能力抗凍系數(shù)(Rd)：巖石試件經(jīng)反復(fù)凍融后的干抗壓強(qiáng)度(cd2)與凍融前干抗壓強(qiáng)度(cd1)之比，用百分?jǐn)?shù)表示第13頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三Rd75，Km2時(shí)，抗凍性高；Wa5、KR0.75和Rd0.8時(shí)，抗凍性高。質(zhì)量損失率(Km)：凍融試驗(yàn)前后干質(zhì)量之差(ms1-ms2)與試驗(yàn)前干質(zhì)量(ms1)之比，以百分?jǐn)?shù)表示第14頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三四、巖石的透水性在一定的水力梯度或壓力差作用下，巖石能被水透過的性質(zhì)。水在巖石中的流動(dòng)，服從線性滲流規(guī)律達(dá)西定律，即K：cm/s m/d滲透

6、流速滲透系數(shù)水力梯度第15頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三2.4 巖石的熱學(xué)性質(zhì)（自學(xué)）第16頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三復(fù)習(xí)總結(jié)1、巖石的物理性質(zhì) 1)巖石的密度 2)巖石的空隙性2、巖石的水理性質(zhì) 1).吸水性：吸水率(Wa)、飽和吸水率(Wp)、飽水系數(shù) 2).軟化性：軟化系數(shù)(KR) 3).抗凍性：抗凍系數(shù)(Rd)、質(zhì)量損失率(Km) 4). 透水性：滲透系數(shù)(K )顆粒密度(s)塊體密度(、 d、 sat)空隙比(e )空隙率(n n0 na nb nc )第17頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三 巖塊的

7、變形與強(qiáng)度性質(zhì)應(yīng)力、應(yīng)變 應(yīng)力狀態(tài)、摩爾應(yīng)力圓幾個(gè)基本概念zyxzzxzyxyxzyzyxxy任意狀態(tài)主應(yīng)力狀態(tài)第18頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三強(qiáng)度、剛度變形彈性變形、塑性變形彈性、塑性破壞脆性破壞、塑性破壞脆性、塑性粘性 、延性 巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第19頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三 2.5 巖塊的變形性質(zhì)加荷方式單軸加荷三軸加荷單軸壓縮單軸拉伸連續(xù)加荷循環(huán)加荷逐級(jí)一次循環(huán)加荷反復(fù)循環(huán)加卸荷加剪力tptptp 巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第20頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三 一、單軸壓縮條件下的巖塊變形（一）

8、連續(xù)加載 1、變形階段空隙壓密階段(OA)峰值前變形階段峰值后變形階段oABCDE(+) (-) L V d 巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)破壞后階段(DE)全過程曲線前過程曲線非穩(wěn)定發(fā)展階段(CD) D點(diǎn):峰值強(qiáng)度微裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段(BC) C點(diǎn):屈服強(qiáng)度彈性變形階段(AB) B點(diǎn):彈性極限第21頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三 巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第22頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三2、峰值前巖塊的變形特征（1）前過程曲線類型及特征 彈性型彈-塑性型塑-彈性型塑-彈-塑性型1塑-彈-塑性型2彈性-蠕變型 巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第23頁，共57頁，2

9、022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三（2）變形參數(shù)1)變形模量（modulus of deformation)是指單軸壓縮條件下，軸向壓應(yīng)力與軸向應(yīng)變之比。應(yīng)力-應(yīng)變曲線為直線型 這時(shí)變形模量又稱為彈性模量Lo2501i1502ioLii應(yīng)力-應(yīng)變曲線為“S”型 初始模量(Ei)指曲線原點(diǎn)處切線斜率切線模量(Et)指曲線上任一點(diǎn)處切線的斜率，在此特指中部直線段的斜率割線模量(Es)指曲線上某特定點(diǎn)與原點(diǎn)連線的斜率，通常取c處的點(diǎn)與原點(diǎn)連線的斜率 巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第24頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三2)泊松比()（poissons ratio）是指在單軸壓縮

10、條件下， 橫向應(yīng)變（）與軸向應(yīng)變（）之比在實(shí)際工作中，常采用處的與來計(jì)算巖塊的泊松比。巖塊的變形模量和泊松比受巖石礦物組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、風(fēng)化程度、空隙性、含水率、微結(jié)構(gòu)面及其與荷載方向的關(guān)系等多種因素的影響，變化較大。 巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第25頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三 巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)常見巖石的變形模量和泊松比巖石名稱變形模量（104MPa）泊松比巖石名稱變形模量（104MPa）泊松比初始彈性初始彈性花崗巖265100.20.3片麻巖181100.220.35流紋巖285100.10.25千枚巖、片巖0.25180.20.4閃長巖7107150.10.3板

11、巖25280.20.3安山巖5105120.20.3頁巖13.5280.20.4輝長巖7117150.120.2砂巖0.581100.20.3輝綠巖8118150.10.3礫巖0.58280.20.3玄武巖6106120.10.35灰?guī)r185100.20.35石英巖6206200.10.25白云巖48480.20.35大理巖19190.20.35第26頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三3)其他變形參數(shù)剪切模量（）拉梅常數(shù)（）體積模量（V)彈性抗力系數(shù)（） 巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第27頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三伺服機(jī)試驗(yàn)結(jié)果3. 峰值后巖塊的

12、變形特征脆性大的巖石塑性大的巖石第28頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三（二） 循環(huán)加載2. 卸荷點(diǎn)（P）的應(yīng)力高于巖石的彈性極限(A)1. 卸荷點(diǎn)（P）的應(yīng)力低于巖石的彈性極限(A) 巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第29頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三 巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)3.反復(fù)加卸荷(巖石記憶、回滯環(huán)、疲勞破壞）第30頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三二、三軸壓縮條件下的巖塊變形性（一）三軸試驗(yàn) 真三軸試驗(yàn) 123 常規(guī)三軸試驗(yàn) 12=3 巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第31頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三

13、（二）圍壓對(duì)變形破壞的影響1、巖石破壞前應(yīng)變隨3增大而增大2、巖石的峰值強(qiáng)度隨3增大而增大3、隨3增大巖石變形模量增大，軟巖增大明顯，致密的硬巖增大不明顯 巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第32頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三4、隨3增大，巖石的塑性不斷增大，隨3增大到一定值時(shí)，巖石由彈脆性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄?。這時(shí)，3的大小稱為“轉(zhuǎn)化壓力” 。5、隨3的增大，巖塊從脆性劈裂破壞逐漸向塑性剪切及塑性流動(dòng)破壞方式過渡。 巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第33頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三三、巖石的蠕變性質(zhì) 在外部條件不變的情況下，巖石的變形或應(yīng)力隨時(shí)間而變化的現(xiàn)象叫流變，主要

14、包括蠕變、松弛。 蠕變(creep)是指巖石在恒定的荷載作用下，變形隨時(shí)間逐漸增大的性質(zhì)。 1. 蠕變曲線特征（三個(gè)階段）AB段-初始蠕變階段BC段-等速蠕變階段CD段-加速蠕變階段 巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第34頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三2. 影響蠕變的因素 巖性 應(yīng)力 溫度、濕度 巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第35頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三3. 蠕變模型及本構(gòu)方程（自學(xué)）（1）理想物體基本模型 彈性元件 粘性元件 塑性元件 巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第36頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三（2）組合模型 Maxwall

15、模型 巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第37頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三Kelvin 模型 巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第38頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三 巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)其他模型第39頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三 2.6 巖 塊 的 強(qiáng) 度 性 質(zhì)巖塊強(qiáng)度：巖塊抵抗外力破壞的能力。巖塊破壞方式 脆性破壞塑性破壞(延性破壞）拉破壞剪切破壞 一、單軸抗壓強(qiáng)度 二、單軸抗拉強(qiáng)度 三、剪切強(qiáng)度 四、三軸壓縮強(qiáng)度受力狀態(tài) 巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第40頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三一、單軸抗壓強(qiáng)度c1、定

16、義：在單向壓縮條件下，巖塊能承受的最大壓應(yīng)力，簡稱抗壓強(qiáng)度（MPa） 。 2、意義:衡量巖塊基本力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo) 巖體工程分類、建立巖體破壞判據(jù)的重要指標(biāo) 用來大致估算其他強(qiáng)度參數(shù) 3、測(cè)定方法：抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試樣pA點(diǎn)荷載試驗(yàn) 巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第41頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三常規(guī)壓力機(jī) 巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第42頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三4、破壞方式：拉破壞、剪破壞、對(duì)頂錐破壞 巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第43頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三常見巖石的抗壓強(qiáng)度 巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)巖石名稱抗壓強(qiáng)度（MPa

17、）巖石名稱抗壓強(qiáng)度（MPa）巖石名稱抗壓強(qiáng)度（MPa）輝長巖180300輝綠巖200350頁巖10100花崗巖100250玄武巖150300砂巖20200流紋巖180300石英巖150350礫巖10150閃長巖100250大理巖100250板巖60200安山巖100250片麻巖50200千枚巖、片巖10100白云巖80250灰?guī)r20200第44頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三5.影響因素（1）巖石自身的性質(zhì)（ 礦物組成 、 粒間連接、 巖性、結(jié)構(gòu)特征 、顆粒大小及形狀、風(fēng)化程度 、微結(jié)構(gòu)面）（2）實(shí)驗(yàn)條件試件形狀、尺寸及加工精度 斷面形狀：強(qiáng)度:圓形六多邊形四邊形三邊

18、形試件 尺寸效應(yīng)：尺寸越大，巖塊強(qiáng)度越低。 試件的高徑比h/D增大，巖塊強(qiáng)度降低。 加工精度：加荷速率 強(qiáng)度常隨加荷速率增大而增高 溫度、濕度 含水量越高,強(qiáng)度越低;溫度越高，強(qiáng)度越低。 巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第45頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三端面條件端面效應(yīng)層理結(jié)構(gòu)強(qiáng)度各向異性 巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第46頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三二、單軸抗拉強(qiáng)度t1.定義：單向拉伸條件下，巖塊能承受的最大拉應(yīng)力，簡稱抗拉強(qiáng)度。2.意義：衡量巖體力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo) 用來建立巖石強(qiáng)度判據(jù)，確定強(qiáng)度包絡(luò)線 選擇建筑石材不可缺少的參數(shù) 3.測(cè)定方法： 直接

19、拉伸 間接法 （劈裂法、點(diǎn)荷載法、三點(diǎn)彎曲法） 巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)直接拉伸法是將圓柱狀試件兩端固定在材料試驗(yàn)機(jī)的拉伸夾具內(nèi)，然后對(duì)試件施加軸向拉荷載至破壞。PtPt第47頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三劈裂試驗(yàn)是用圓柱體或立方體試件，橫置于壓力機(jī)的承壓板上，且在試件上、下承壓面上各放一根墊條。然后以一定的加荷速率加壓，直至試件破壞。在線布荷載(p)作用下，沿試件豎直向直徑平面內(nèi)產(chǎn)生的近于均布的水平拉應(yīng)力x=2p/DL在水平向直徑平面內(nèi)產(chǎn)生的壓應(yīng)力y= 6p/ DL 抗拉強(qiáng)度t= 2pt /DL （圓形試樣） t= 2pt /a2 （方形試樣）巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第4

20、8頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三點(diǎn)荷載試驗(yàn)是將試件放在點(diǎn)荷載儀中的球面壓頭間，加壓至試件破壞，利用破壞荷載求巖塊的點(diǎn)荷載強(qiáng)度。 點(diǎn)荷載強(qiáng)度Is=pt/D2抗拉強(qiáng)度t= kIs 巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第49頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三4.影響因素：結(jié)構(gòu)面的影響（裂隙空隙）巖石中包含有大量的微裂隙和孔隙，巖塊抗拉強(qiáng)度受其影響很大，直接削弱了巖塊的抗拉強(qiáng)度。相對(duì)而言，空隙對(duì)巖塊抗壓強(qiáng)度的影響就小得多，因此，巖塊的抗拉強(qiáng)度一般遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度。通常把抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值稱為脆性度，用以表征巖石的脆性程度。 巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)第50頁，共57頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)33分，星期三常見巖石的抗拉強(qiáng)度 巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)巖石名稱抗拉強(qiáng)度（MPa）巖石名稱抗拉強(qiáng)度（MPa）巖石名稱抗拉強(qiáng)度（MPa）輝長巖1536花崗巖725頁巖210輝綠巖1535流紋巖1530砂巖425玄武巖1030閃長巖1025礫巖215石英巖1030安山巖1020灰?guī)r520大理巖720片麻巖520千枚巖、片巖110白云巖1525板巖715第51頁，共57頁，2022年，5月20