巖石力學(xué)與工程巖石物理力學(xué)性質(zhì)課件

2022/11/712巖石物理力學(xué)性質(zhì)2.1巖石的基本構(gòu)成和地質(zhì)分類

（1）巖石的地質(zhì)分類1.火成巖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，亦稱巖漿巖。2.沉積巖主要由母巖風(fēng)化剝蝕的產(chǎn)物、火山碎屑物質(zhì)、生物遺骸等經(jīng)過搬運(yùn)、沉積、固結(jié)形成的巖石。1可編輯ppt2022/11/212巖石物理力學(xué)性質(zhì)2.1巖石的基本構(gòu)成3.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)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。（2）基本構(gòu)成

巖石的基本構(gòu)成是由組成巖石的礦物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)兩大方面來決定的。2022/11/722可編輯ppt3.變質(zhì)巖2022/11/222可編輯ppt2022/11/73（1）巖石的主要礦物質(zhì)成分1）火成巖的礦物成分

組成火成巖常見的礦物有：長石、石英、云母、角閃石、輝石、橄欖石、霞石、白榴石、磁鐵礦、磷灰石等十余種，這些礦物約占火成巖總質(zhì)量的99%，是火成巖的造礦物（其中：長石占60%以上，其次是石英）。2）沉積巖的礦物成分

沉積巖中已發(fā)現(xiàn)的礦物有160余種，主要礦物約20種，如石英類、長石類、云母類、粘土礦物、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5～6種礦物，多數(shù)僅含1～3種。3可編輯ppt2022/11/23（1）巖石的主要礦物質(zhì)成分3可編輯pp2022/11/743）變質(zhì)巖的礦物成分

變質(zhì)巖的礦物成分一方面對原巖有較大的繼承性，另一方面受到變質(zhì)作用類型和強(qiáng)度的影響，一些礦物是經(jīng)變質(zhì)作用后新生成的礦物。如：蛇紋石、滑石、軟玉、硬玉等。

（2）沉積巖的礦物成分與火成巖的區(qū)別

1）在沉積巖中幾乎看不到火成巖中大量出現(xiàn)的橄欖石、輝石、角閃石等鐵鎂礦物和基性斜長石，而粘土礦物、氧化物礦物、氫氧化物礦物和碳酸鹽礦物大量出現(xiàn)；2）火成巖中長石多于石英，而沉積巖中石英多于長石，而且長石中是以鉀長石為主，酸性斜長石次之，其它種類長石罕見。

4可編輯ppt2022/11/243）變質(zhì)巖的礦物成分4可編輯ppt2022/11/75（3）礦物組成對巖石的物理力學(xué)性質(zhì)影響

1）在許多巖漿巖中，其強(qiáng)度隨暗色礦物的增加而增加；

2）在沉積巖中，砂巖的強(qiáng)度常隨石英相對含量的增加而增大，石灰?guī)r的強(qiáng)度常隨其硅質(zhì)混合物含量的增加而增大，隨粘土質(zhì)礦物含量的增加而降低；

3）在變質(zhì)巖中，任何片狀的硅酸鹽類礦物、鹽巖礦物將使巖石強(qiáng)度降低；

4）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。

5）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。5可編輯ppt2022/11/25（3）礦物組成對巖石的物理力學(xué)性質(zhì)影響52022/11/76（4）巖石結(jié)構(gòu)類型

巖石的結(jié)構(gòu)是指巖石中礦物（及巖屑）顆粒相互之間的關(guān)系，包括顆粒的大小、形狀、排列、結(jié)構(gòu)連結(jié)特點及巖石中微結(jié)構(gòu)面（即內(nèi)部缺陷）。其中，以結(jié)構(gòu)連結(jié)和巖石中的微結(jié)構(gòu)面對巖石工程性質(zhì)影響最大。6可編輯ppt2022/11/26（4）巖石結(jié)構(gòu)類型6可編輯ppt2022/11/772.2巖石的物理性質(zhì)

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。2.2.1巖石的容重

（1）概念

巖石的容重：也叫巖石的重力密度，即巖石單位體積（包括巖石內(nèi)部孔隙體積）的重量。

（2）表達(dá)式（2-1）

式中γ—巖石容重（kN/m3）；W-—被測巖樣的重量（kN）；V—被測巖樣的體積（m3）。

7可編輯ppt2022/11/272.2巖石的物理性質(zhì)（2-1）式（3）容重的分類

根據(jù)巖石的含水狀態(tài)，將容重又可分為：天然容重、干容重和飽和容重。

1.天然容重：是指巖石在自然條件下，單位體積的重量。

2.干容重：是指試件在105℃～110℃溫度下烘干24小時的試驗條件下，巖石孔隙中的液體全部被蒸發(fā)，試件中僅有固體和氣體時,單位體積的重量。

3.飽和容重：是指試件在浸水48h或抽真空法，使巖石中的孔隙都被水充填時，單位體積的重量。（4）測定的試驗方法

測定巖石的容重可根據(jù)巖石的性質(zhì)和巖樣形態(tài)采用：量積法、水中稱量法或蠟封法等。2022/11/788可編輯ppt（3）容重的分類2022/11/288可編輯ppt1.量積法適用條件：凡能制備成規(guī)則試樣的巖石均宜采用量積法測定其容重。試驗方法：首先測定規(guī)則試樣的平均斷面積A，平均高度h以及試樣的重量G，代入2-2式即得其容重。若試樣重量是自然狀態(tài)的重量時，即為巖石的天然容重；若試樣重量是在105℃～110℃溫度下烘干24小時后的重量時，則為該巖石的干容重；若是采用48h浸水法或抽真空法使巖石試件飽和的重量時，則為該巖石的飽和容重。2022/11/79（2-2）

9可編輯ppt1.量積法2022/11/29（2-2）9可編輯ppt2.水中稱量法適用條件：對于規(guī)則或不規(guī)則形狀的巖樣進(jìn)行測量時都可采用此方法，但對于孔隙率非常發(fā)育、遇水崩解、溶解及干縮濕脹的巖石或巖石干容重時不能采用此方法。試驗方法：首先稱量規(guī)則或不規(guī)則的巖樣在浸入純水前的重量W，然后再測出巖樣在純水中的重量,根據(jù)阿基米德原理可得出巖樣的體積（V），就可根據(jù)（2-3）式得出該試樣的天然容重（γ）或飽和容重。2022/11/710（2-3）

10可編輯ppt2.水中稱量法2022/11/210（2-3）10可編輯p3.蠟封法適用條件：本方法適用于不能用量積法或水中稱量法測定其容重的巖石，它既可測出該巖石的干容重也可測出其天然容重。試驗方法：首先選取有代表性巖樣在105℃～110℃溫度下烘干24小時，取出，系上細(xì)線，稱巖樣重量，持細(xì)線將巖樣緩慢浸入剛過熔點的蠟溶液中，浸后立即取出，檢查試樣周圍的蠟?zāi)ぃ粲袣馀輵?yīng)用針刺破，再用蠟液補(bǔ)平，待試件冷卻后稱取其重量，然后將蠟封巖樣浸沒于純水中稱其重量，則巖石的干容重為：（2-4）

式中，——為蠟的容重（kN/m3）。2022/11/71111可編輯ppt3.蠟封法（2-4）式中，——為蠟的容重（kN/m32.2.2巖石的密度（1）概念巖石的密度：即單位體積內(nèi)巖石的質(zhì)量。（2）計算關(guān)系式

式中ρ——巖石密度（kg/m3）；W-——被測巖樣的質(zhì)量（kg）；V——被測巖樣的體積（m3）。（3）容重和巖石密度的關(guān)系2022/11/712（2-6）

（2-7）

12可編輯ppt2.2.2巖石的密度2022/11/212（2-6）（22.2.3巖石的比重

巖石的比重是巖石固體部分的重量和4℃時同體積純水重量的比值，即：式中，為巖石的比重；為體積為V的巖石固體部分的重量（kN）；為巖石固體部分（不包括孔隙）的體積（m3）；為4℃時單位體積純水的重量（kN/m3）。

（2-8）2022/11/71313可編輯ppt2.2.3巖石的比重（2-8）2022/11/21312022/11/7142.2.4巖石的孔隙性

天然巖石中包含著數(shù)量不等，成因各異的孔隙和裂隙，是巖石的重要結(jié)構(gòu)特征之一。它們對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響基本一致，在工程實踐中很難將二者分開，因此將它們統(tǒng)稱為巖石的孔隙性。巖石的孔隙性通常用孔隙率n表示。

（1）巖石的孔隙率是指巖石孔隙的體積（Vv）與巖石總體積（V）的比值，以百分?jǐn)?shù)表示。其公式為：

（2-9）

14可編輯ppt2022/11/2142.2.4巖石的孔隙性（2-9）12022/11/715（2）巖石的空隙比巖石孔隙的體積（Vv）與巖石固體體積（Vc）的比值，以百分?jǐn)?shù)表示。其公式為：

巖石的孔隙參數(shù)可通過壓汞試驗測得。

孔隙率是衡量巖石工程質(zhì)量的重要物理性質(zhì)指標(biāo)之一，反映了孔隙和裂隙在該巖石中所占的百分率，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。

（2-10）

15可編輯ppt2022/11/215（2）巖石的空隙比（2-10）15可2022/11/7162.2.5巖石的水理性

巖石的水理性：巖石與水相互作用時所表現(xiàn)的性質(zhì)。它包括巖石的吸水性、透水性、軟化性和抗凍性等。（1）巖石的天然含水率

巖石的天然含水率w：天然狀態(tài)下巖石中水的質(zhì)量mw與巖石的干質(zhì)量mdr的比值，以百分?jǐn)?shù)表示，即：（2-12）

16可編輯ppt2022/11/2162.2.5巖石的水理性（2-12）

（2）巖石的吸水性

巖石的吸水性：即巖石在一定條件下吸收水分的性能，它取決于巖石孔隙的數(shù)量、大小、開閉程度和分布情況。表征巖石吸水性的指標(biāo)有：吸水率、飽和吸水率與飽水系數(shù)。1.巖石的吸水率巖石吸水率

：是指巖石在常溫常壓下吸入水的質(zhì)量與其烘干質(zhì)量mdr的比值，以百分?jǐn)?shù)表示，即：式中，m0為烘干巖樣浸水48小時后的總質(zhì)量。2022/11/717（2-13）

17可編輯ppt（2）巖石的吸水性2022/11/217（2-13）172.巖石的飽和吸水率（或飽水率）飽和吸水率（或飽水率）：是指巖石在強(qiáng)制狀態(tài)（高壓或真空、煮沸）下，巖石吸入水的質(zhì)量與巖樣在105℃～110℃溫度下烘干24h后質(zhì)量mdr的比值，以百分?jǐn)?shù)表示，即：

式中，wsa為巖石的飽和吸水率；msa為真空飽和或煮沸后試件的質(zhì)量（kg）。

強(qiáng)制狀態(tài)：在高壓條件下，通常認(rèn)為水能進(jìn)入巖石中所有張開的孔隙和裂隙中，國外采用高壓設(shè)備測定巖石的飽和吸水率；國內(nèi)常用真空抽氣法或煮沸法測定飽和吸水率。2022/11/718（2-14）

18可編輯ppt2.巖石的飽和吸水率（或飽水率）2022/11/218（2-3.巖石飽水系數(shù)巖石飽水系數(shù)kw：是指巖石吸水率與飽水率的比值，以百分?jǐn)?shù)表示，即：（3）巖石的透水性

巖石的透水性是指巖石能被水透過的性能。它的大小可用滲透系數(shù)來衡量，主要決定于巖石孔隙的大小、方向及其連通情況。（2-15）

2022/11/71919可編輯ppt3.巖石飽水系數(shù)（2-15）2022/11/21919可編2022/11/720（4）巖石的軟化性

巖石浸水后強(qiáng)度降低的性能稱為巖石的軟化性，通常用軟化系數(shù)來衡量。

軟化系數(shù)：是巖樣飽水狀態(tài)的抗壓強(qiáng)度kPa與自然風(fēng)干狀態(tài)抗壓強(qiáng)度kPa的比值，用小數(shù)表示，即（2-16）

20可編輯ppt2022/11/220（4）巖石的軟化性（2-16）20（5）巖石的抗凍性

巖石抵抗凍融破壞的性能稱為巖石的抗凍性，通常用抗凍系數(shù)表示。巖石的抗凍系數(shù)：是指巖樣在±25℃的溫度區(qū)間內(nèi)，反復(fù)降溫、凍結(jié)、升溫、融解，其抗壓強(qiáng)度有所下降，巖樣抗壓強(qiáng)度的下降值與凍融前的抗壓強(qiáng)度的比值，以百分?jǐn)?shù)表示，即：

式中，為巖樣凍融前的抗壓強(qiáng)度kPa；為巖樣凍融后的抗壓強(qiáng)度kPa。

（2-17）

2022/11/72121可編輯ppt（5）巖石的抗凍性（2-17）2022/11/22121可2022/11/722巖石在反復(fù)凍融后其強(qiáng)度降低的主要原因①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，由于礦物的脹、縮不均勻而導(dǎo)致巖石結(jié)構(gòu)的破壞；②當(dāng)溫度降到0℃以下時，巖石孔隙中的水將結(jié)冰，其體積增大約9%，會產(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。22可編輯ppt2022/11/222巖石在反復(fù)凍融后其強(qiáng)度降低的主要原因22022/11/7232.3巖石的強(qiáng)度特性2.3.1概述（1）巖石強(qiáng)度

在研究巖石材料的力學(xué)性質(zhì)時，主要是研究巖石的強(qiáng)度特性和巖石的變性特性兩方面。

1.定義巖石強(qiáng)度：是指巖石在各種載荷作用下達(dá)到破壞時所能承受的極限應(yīng)力，即巖石材料在受外載荷作用時抵抗破壞的能力。2.分類巖石的強(qiáng)度主要包括巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、單軸抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、多軸壓縮強(qiáng)度等。23可編輯ppt2022/11/2232.3巖石的強(qiáng)度特性23可編輯ppt2022/11/724（2）研究巖石強(qiáng)度的意義1.是巖石分類、分級中的重要數(shù)量指標(biāo)；2.可以判別計算處或測定處的巖土工程是否穩(wěn)定；3.在簡單地下工程條件下，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。24可編輯ppt2022/11/224（2）研究巖石強(qiáng)度的意義24可編輯pp2022/11/725（3）巖石的破壞模式從巖石的破壞模式來看，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25可編輯ppt2022/11/225（3）巖石的破壞模式從巖石的破壞模式來2022/11/7262.3.2巖石的單軸抗壓強(qiáng)度（1）定義

巖石的單軸抗壓強(qiáng)度是指巖石在單軸壓縮載荷作用下，達(dá)到破壞前所能承受的最大壓應(yīng)力。亦即巖石受軸向力作用破壞時單位面積上所承受的荷載。即：（2-18）26可編輯ppt2022/11/2262.3.2巖石的單軸抗壓強(qiáng)度（2-1（2）試驗方法

1.實驗過程

單軸抗壓強(qiáng)度的試驗是在帶有上、下塊承壓板的試驗機(jī)上進(jìn)行，按一定的加載速度單向加壓直至試件破壞。2.試件尺寸要求

1）國際巖石力學(xué)學(xué)會規(guī)定

試件標(biāo)準(zhǔn)尺寸為Φ54mm,高徑比為2.5～3.0倍。

2）我國的規(guī)定

試件尺寸為Φ50×100mm，高度為直徑的2.0—2.5倍、試件兩端面的不平整度不得大于0.05mm、在試件的高度上直徑或邊長的誤差不得大于0.3mm、兩端面應(yīng)垂直于試件軸線，最大偏差不得大于0.250。2022/11/72727可編輯ppt（2）試驗方法2022/11/22727可編輯ppt（3）巖石單向壓縮荷載作用下的破壞形態(tài)1.圓錐形破壞

圓錐形破壞即X狀共軛斜面剪切破壞，其破壞形態(tài)如圖2—2(a)所示。破壞面法線與載荷軸線的夾角：

原因：由于試件兩端面與試驗機(jī)承壓板之間摩擦力較大，所產(chǎn)生的端部效應(yīng)造成的。在試驗加壓的過程中，試件的應(yīng)力分布如圖2—3所示。2022/11/728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28可編輯ppt（3）巖石單向壓縮荷載作用下的破壞形態(tài)2022/11/2282022/11/7292.壓剪破壞

單斜面壓剪破壞，如圖2-1b和圖2-2b所示。這種破壞是由于破壞面上的剪應(yīng)力超過極限引起的，但破壞前破壞面所需承受的最大剪應(yīng)力也與破壞面上的正應(yīng)力有關(guān)，因而稱該類破壞為壓剪破壞。

3.縱向劈裂破壞縱向劈裂破壞即拉伸破壞，其破壞形態(tài)如圖2—2(b)所示。這是因為在軸向壓縮載荷作用下，在橫向?qū)a(chǎn)生拉伸應(yīng)力，這也是泊松效應(yīng)的結(jié)果?？v向劈裂破壞是巖石在單軸壓縮載荷作用下的主要表現(xiàn)形式。29可編輯ppt2022/11/2292.壓剪破壞29可編輯ppt（4）實驗條件對單軸抗壓強(qiáng)度的影響因素1.承壓板給予單軸抗壓強(qiáng)度的影響當(dāng)承壓板剛度很大時，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巖石端面的應(yīng)力分布2022/11/73030可編輯ppt（4）實驗條件對單軸抗壓強(qiáng)度的影響因素圖2-4在剛性承壓2022/11/7312.試件尺寸及形狀對單向軸抗壓強(qiáng)度的影響1）試件形狀的影響

形試件的四個邊角會產(chǎn)生很明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此，目前絕大多數(shù)的國家都采用圓柱形的巖石試件。

2）試件尺寸的影響試件的強(qiáng)度通常隨其尺寸的增大而減小，這就是巖石力學(xué)中被稱作的“尺寸效應(yīng)”。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)試件的尺寸對其強(qiáng)度的影響在很大程度上取決于組成巖石的礦物顆粒的大小。研究結(jié)果表明，若試件的直徑為4-6cm，且滿足試件直徑大于其最大礦物顆粒直徑的10倍以上，其強(qiáng)度值相對比較穩(wěn)定。因此，目前對于一般巖石采取直徑為50mm的試件作為其標(biāo)準(zhǔn)尺寸。31可編輯ppt2022/11/2312.試件尺寸及形狀對單向軸抗壓強(qiáng)度的影2022/11/7323）巖石試件的高徑比的影響

圓柱形試件高度與直徑之比對試驗結(jié)果有很大的影響。由圖2—5可見，當(dāng)時，曲線趨于穩(wěn)定。

圖2-5粗面巖的抗壓強(qiáng)度與h／d的關(guān)系32可編輯ppt2022/11/2323）巖石試件的高徑比的影響圖2-5粗2.3.3巖石抗拉強(qiáng)度（1）定義巖石試件在單軸拉伸時能承受的最大拉應(yīng)力，稱為單軸抗拉強(qiáng)度，簡稱抗拉強(qiáng)度；（2）測定方法

直接拉伸法、劈裂法、點荷載法1.直接拉伸法1）公式

式中：——巖石的抗拉強(qiáng)度，MPa——試件受拉破壞時的極限拉力；

——與所施加拉力相垂直的截面面積；2022/11/73333可編輯ppt2.3.3巖石抗拉強(qiáng)度2022/11/23333可編輯pp2）試件與加載系統(tǒng)的連接拉伸試驗加載和試件示意圖2022/11/73434可編輯ppt2）試件與加載系統(tǒng)的連接2022/11/23434可編輯pp2.劈裂法（巴西法）由于實驗簡單，所測得的抗拉強(qiáng)度與直接拉伸很接近，故常用此法。1）公式

式中：——試件中心的最大拉應(yīng)力，即為抗拉強(qiáng)度，

MPa——試件破壞時的極限拉力；

——承壓圓盤的直徑和厚度；2022/11/73535可編輯ppt2.劈裂法（巴西法）2022/11/23535可編輯ppt2）試件與加載系統(tǒng)及應(yīng)力分布圖劈裂試驗加載和應(yīng)力分布示意圖2022/11/73636可編輯ppt2）試件與加載系統(tǒng)及應(yīng)力分布圖2022/11/23636可編3.點荷載法1）優(yōu)點：是一種簡易、快速、價廉的測定巖石單軸抗拉和抗壓強(qiáng)度的試驗方法；試件可以用不規(guī)則巖塊。2）缺點：試件結(jié)果的離散性較大。3）公式

式中：——破壞荷載，

——破壞時兩加載點間的距離，mm；

——點荷載強(qiáng)度，MPa

；2022/11/73737可編輯ppt3.點荷載法2022/11/23737可編輯ppt點荷載試驗對試件形狀和尺寸的要求2022/11/73838可編輯ppt2022/11/23838可編輯ppt2.3.4巖石抗剪強(qiáng)度（1）定義

巖石抵抗剪切的最大剪應(yīng)力，由內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦阻力兩部分組成；（2）測定方法

直剪試驗、變角板剪切試驗；

直剪試驗裝置圖、的確定示意圖2022/11/73939可編輯ppt2.3.4巖石抗剪強(qiáng)度2022/11/23939可編輯pp

變角板剪力儀裝置示意圖巖塊強(qiáng)度包洛線2022/11/74040可編輯ppt2022/11/24040可編輯ppt2.3.5巖石三軸壓縮強(qiáng)度（1）定義1.試件在三軸壓應(yīng)力作用下能抵抗的最大軸向壓力；2.公式

——試件破壞時的軸向荷載，N；

——試件的初始橫斷面面積，mm2；（2）影響因素1.側(cè)向壓力影響；2.加載途徑對巖石三軸壓縮強(qiáng)度的影響；3.孔隙水壓力對巖石三軸壓縮強(qiáng)度的影響（3）試驗方法1.真三軸試驗；2.假三軸試驗（）；2022/11/74141可編輯ppt2.3.5巖石三軸壓縮強(qiáng)度2022/11/24141可編輯p三軸試驗加載示意圖2022/11/74242可編輯ppt2022/11/24242可編輯ppt2022/11/7432.3.6巖石破壞后強(qiáng)度曲線

（1）應(yīng)力-應(yīng)變曲線1.普通材料試驗機(jī)應(yīng)力應(yīng)變曲線

巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗一般是采用普通材料試驗機(jī)，通過對巖石試件連續(xù)施加軸向載荷，直到巖石試件的破壞。因此，在普通的材料試驗機(jī)條件下，試件達(dá)到峰值強(qiáng)度前，試件的變形是逐步和緩慢的，當(dāng)達(dá)到峰值強(qiáng)度后，試件將發(fā)生突發(fā)性破壞，試件被崩裂，試驗突然停止，此時得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線也只是峰值前的曲線。2.普通試驗機(jī)得不到峰值強(qiáng)度后曲線的原因

主要是普通試驗機(jī)的剛度不夠，使在試驗時有很大一部分能量以應(yīng)變能形式儲存在試驗機(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，試驗機(jī)中的應(yīng)變能快速釋放所造成的。43可編輯ppt2022/11/2432.3.6巖石破壞后強(qiáng)度曲線43可2022/11/744（2）獲得全應(yīng)力-應(yīng)變曲線的條件1.增加試驗機(jī)剛度1）增加試驗機(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，且減小其長度；3）增大液壓油的體積模量。2.采用液壓伺服系統(tǒng)

試驗機(jī)通過上述的改造后，實驗中就可以實現(xiàn)巖石的全程壓縮試驗，獲得巖石的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線。44可編輯ppt2022/11/244（2）獲得全應(yīng)力-應(yīng)變曲線的條件44可2022/11/745（3）全應(yīng)力-應(yīng)變曲線的意義1.全面顯示了巖石在受壓破壞過程中的應(yīng)力、變形特征，以及破壞后的強(qiáng)度與力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律；2.預(yù)測巖爆的產(chǎn)生εσCDEOAB圖2-17全應(yīng)力-應(yīng)變曲線預(yù)測巖爆示意圖45可編輯ppt2022/11/245（3）全應(yīng)力-應(yīng)變曲線的意義εσCDE2022/11/7463.預(yù)測蠕變破壞4.預(yù)測循環(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)變曲線來預(yù)測循環(huán)加載條件下巖石發(fā)生破壞的時間。FHIGEDCBAεOσ蠕變終止軌跡線圖2-18全應(yīng)力-應(yīng)變曲線預(yù)測蠕變破壞示意圖46可編輯ppt2022/11/2463.預(yù)測蠕變破壞FHIGEDCBAεO2022/11/7472.5巖石的變形特性2.5.1巖石變形的類型巖石的變形可分為彈性變形、塑性變形和粘性變形三種形式。

（1）彈性變形

即物體在受到外力作用的瞬間即產(chǎn)生全部變形，而撤除外力后又能立即恢復(fù)其原有形狀和尺寸的性質(zhì)。彈性變形又可分為線彈性變形和非線彈性變形。47可編輯ppt2022/11/2472.5巖石的變形特性47可編輯ppt2.塑性變形

即物體受到外力后產(chǎn)生形變，在外力除去后變形不能完全恢復(fù)的性質(zhì)，不能恢復(fù)的那部分變形稱為塑性變形。在外力作用下只發(fā)生塑性變形的物體稱為理想塑性體。當(dāng)應(yīng)力低于屈服極限時，材料沒有變形，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定值后，應(yīng)變不斷增加而應(yīng)力不變。3.粘性變形

即物體受力后變形不能在瞬時完成，且應(yīng)變速率隨應(yīng)力增加而增加的性質(zhì)。其應(yīng)力-應(yīng)變速率關(guān)系為過原點的直線的物質(zhì)稱為理想粘性體（牛頓流體）。48可編輯ppt2.塑性變形48可編輯ppt2022/11/7492.5.2單軸壓縮條件下巖石的變形特性（1）單軸壓縮條件下的變形特性

1.應(yīng)力—應(yīng)變曲線能反映巖石的變形特性，因此，根據(jù)全應(yīng)力-應(yīng)變曲線其變形過程可分為四個階段，如圖2-20所示。εσECDBAO圖2-20巖石單軸壓縮載荷作用下全應(yīng)力-應(yīng)變曲線49可編輯ppt2022/11/2492.5.2單軸壓縮條件下巖石的變形特2022/11/7502.孔隙裂隙壓密階段（OA段）其特征是應(yīng)力—應(yīng)變曲線呈上凹型，在此階段巖石試件中原有的張開型結(jié)構(gòu)面和微裂隙逐漸閉合，橫向膨脹較小，試件體積隨載荷的增大而減小。3.彈性變形至微彈性裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段（AC段）

AB階段為線彈性變形階段；BC為非線性彈性變形階段，此階段中出現(xiàn)了微裂隙的破裂，因此也稱為破裂穩(wěn)定發(fā)展階段。

50可編輯ppt2022/11/2502.孔隙裂隙壓密階段（OA段）50可編2022/11/7514.非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段（CD段）

C點是巖石從彈性變?yōu)樗苄缘霓D(zhuǎn)折點，稱為屈服點，其相應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服應(yīng)力，數(shù)值約為峰值應(yīng)力的三分之二左右。進(jìn)入此階段后，微破裂不斷聚合形成宏觀裂隙，直至巖石試件完全破壞。此時，試件體積由壓縮變小轉(zhuǎn)為擴(kuò)容增大，軸向應(yīng)變和體積應(yīng)變速率迅速增大。當(dāng)達(dá)到D點時，巖石已經(jīng)破壞，此時的強(qiáng)度稱為峰值強(qiáng)度。5.破裂后階段（DE段）

當(dāng)載荷達(dá)到D點后，巖石試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)已遭到破壞，但試件基本保持整體形狀。進(jìn)入本階段后，宏觀裂隙快速發(fā)展，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，但不會到零，巖石仍具有一定的承載能力。51可編輯ppt2022/11/2514.非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段（CD段）51可（2）全應(yīng)力應(yīng)變曲線特征表表2-1巖石全應(yīng)力應(yīng)變曲線特征表2022/11/75252可編輯ppt（2）全應(yīng)力應(yīng)變曲線特征表2022/11/25252可編輯p2022/11/7532.5.3利用應(yīng)力—應(yīng)變曲線形態(tài)對巖石進(jìn)行分類ⅠOσεOσεⅡⅢOσεⅣOσεⅥOσε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53可編輯ppt2022/11/2532.5.3利用應(yīng)力—應(yīng)變曲線形態(tài)對巖石2022/11/7542.5.4循環(huán)載荷條件下的巖石變形特征（1）巖石的變形特性

1.巖石在循環(huán)載荷作用下，其破壞時的應(yīng)力往往低于其靜力加載強(qiáng)度。

2.對于彈性巖石，在循環(huán)載荷作用下，加載路徑與卸載路徑完全重合，即其應(yīng)力-應(yīng)變路徑是相同，都是沿同一曲線往返。54可編輯ppt2022/11/2542.5.4循環(huán)載荷條件下的巖石變形特征2022/11/755

3.對于非彈性巖石，如果卸載點P超過屈服點，則卸載曲線不與加載曲線重合，形成塑性滯回環(huán)。塑性滯環(huán)反映了經(jīng)過加—卸載試驗后，消耗于裂隙的擴(kuò)展和裂隙面之間的摩擦所作的功。且卸載曲線的平均斜率一般與加載曲線直線段的斜率相同，或者和原點切線斜率相同。

4.如果施加的是等大小的循環(huán)載荷，則每一次加載-卸載都會形成一個塑性滯回環(huán)，這些滯回環(huán)隨著加-卸載次數(shù)的增加而愈來愈窄，并彼此愈來愈近，巖石愈來愈接近彈性變形，直到?jīng)]有塑性變形為止，如圖2-22所示。55可編輯ppt2022/11/2553.對于非彈性巖石，如果卸載點P2022/11/756εOPσ1σ圖2-22等載荷循環(huán)加、卸載時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線CεOσ圖2-23不斷增大載荷循環(huán)加、卸載時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線56可編輯ppt2022/11/256εOPσ1σ圖2-22等載荷循環(huán)加、2022/11/7575.如果循環(huán)載荷的每一次最大值超過前一次，則可得圖2-23所示的曲線。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，塑性滯回環(huán)的面積也有所擴(kuò)大，卸載曲線的斜率也有所增加，這表明卸載應(yīng)力下的巖石材料彈性有所增強(qiáng)。此外，每次卸載后再加載，在載荷超過上一次循環(huán)的最大載荷以后，變形曲線會沿著原來的單調(diào)加載曲線上升（如OC曲線），好像不曾受到反復(fù)加載的影響，這種現(xiàn)象稱為巖石的變形記憶。（2）臨界應(yīng)力

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，循環(huán)次數(shù)即使很多，也不會導(dǎo)致試件的破壞；而超過這一數(shù)值時巖石將在某次循環(huán)中發(fā)生破壞（疲勞破壞），這一數(shù)值稱為臨界應(yīng)力。它的大小與巖石種類有關(guān)。57可編輯ppt2022/11/2575.如果循環(huán)載荷的每一次最大值超過2022/11/7582.5.5三軸壓縮條件下的巖石變形特征（1）當(dāng)時，巖石的變形特性

圖2-24應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系1.在圍壓為零或較低的情況下，巖石呈脆性狀態(tài)破壞；2.隨著圍壓的升高，巖石破壞逐漸從脆性轉(zhuǎn)化到塑性狀態(tài)，通常把巖石由脆性轉(zhuǎn)化到塑性時的臨界圍壓稱為轉(zhuǎn)化壓力；3.隨著圍壓的進(jìn)一步升高，試件的承載能力則隨圍壓增長而增長，出現(xiàn)了應(yīng)變硬化；4.隨著圍壓的增大，巖石的抗壓強(qiáng)度顯著增大，其變形也不斷增大；

58可編輯ppt2022/11/2582.5.5三軸壓縮條件下的巖石變形特

5.隨圍壓的提高，彈性段的斜率變化不大。即E和v與單軸基本相等。說明：可以通過簡易的單軸試驗，確定復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的彈性常數(shù)。（2）當(dāng)為常數(shù)時，巖石的變形特性

1.隨著的增大，其屈服應(yīng)力有所提高；

2.彈性模量基本不變，不受變化的影響；3.當(dāng)不斷增大時，巖石由塑性逐漸向脆性轉(zhuǎn)換。為常數(shù)時的影響

2022/11/75959可編輯ppt5.隨圍壓的提高，彈性段的斜率變化不大。即E和v與單軸（3）當(dāng)為常數(shù)時巖石的變形特性1.隨的增大，其屈服應(yīng)力幾乎不變；2.隨的增大，其彈性模量也基本不變；3.巖石始終保持塑性破壞的特性，只是隨著的增大，其塑性變形量也隨著增大。2022/11/760為常數(shù)時的影響60可編輯ppt（3）當(dāng)為常數(shù)時巖石的變形特性2022/11/260為2.5.6巖石變形指標(biāo)及其確定（1）彈模的確定1.初始模量：，即過原點的切線斜率；2.切線彈模：，即過任意點P的切線斜率；3.割線彈模：，即任意點P的縱橫坐標(biāo)之比；圖2-25彈模幾種定義2022/11/76161可編輯ppt2.5.6巖石變形指標(biāo)及其確定2022/11/26161可（2）ISRM建議的非線性彈性巖石的彈模1.點相應(yīng)的切線模量，即2.點相應(yīng)的切線模量，即3.彈性范圍內(nèi)近似于直線段的平均斜率；

巖石的彈模，一般為20~50GPa。2022/11/76262可編輯ppt（2）ISRM建議的非線性彈性巖石的彈模2022/11/26（3）泊松比1.巖石的橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比值；2.公式3.巖石在彈性范圍內(nèi)，一般為常數(shù)； 超過彈性范圍，將隨應(yīng)力的增大而增大，直到為止；2022/11/76363可編輯ppt2022/11/26363可編輯ppt（4）體積模量平均正應(yīng)力與單位體積變形之比，即式中，—體積變形模量，Pa；

—單位體積變形，量綱為1；

（橫向應(yīng)變均為負(fù)值）（5）剪切模量2022/11/76464可編輯ppt（4）體積模量2022/11/26464可編輯ppt（6）巖石的體積應(yīng)變特性1.公式式中，

——體積增量；

——試件的原體積；

——最大主應(yīng)變，中間主應(yīng)變和最小主應(yīng)變；2022/11/76565可編輯ppt（6）巖石的體積應(yīng)變特性2022/11/26565可編輯pp花崗巖的應(yīng)力—應(yīng)變曲線2022/11/76666可編輯ppt2022/11/26666可編輯ppt2.基本變化規(guī)律：當(dāng)作用的外荷載較小時，體積應(yīng)變表現(xiàn)出線性變化，且?guī)r石的體積隨荷載的增大而減小。當(dāng)外荷載達(dá)到一定的值之后，體積應(yīng)變經(jīng)過了保持不變的階段，開始發(fā)生體積膨脹的現(xiàn)象。3.剪脹或擴(kuò)容：當(dāng)巖石受外力作用后，發(fā)生非線性的體積膨脹，且這一體積膨脹是不可逆的。4.產(chǎn)生剪脹的原因：裂隙產(chǎn)生、擴(kuò)展、貫穿、滑移、錯動、甚至張開所致。5.剪脹規(guī)律在三軸壓縮和單向壓縮試驗中都會出現(xiàn)，由于圍壓的增大，會出現(xiàn)剪脹隨之減弱的現(xiàn)象。2022/11/76767可編輯ppt2.基本變化規(guī)律：當(dāng)作用的外荷載較小時，體積應(yīng)變表現(xiàn)出線性變2.5.7巖石的本構(gòu)關(guān)系（1）概念1.巖石的本構(gòu)關(guān)系巖石的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系；受眾多因素影響，因而極其復(fù)雜；2.巖石的本構(gòu)關(guān)系模型繁多按均勻性分：各向同性、各向異性；按變形特性分：線性、非線性；巖石的變形還與時間有關(guān)；2022/11/76868可編輯ppt2.5.7巖石的本構(gòu)關(guān)系2022/11/26868可編輯pp（2）各向同性巖石的本構(gòu)關(guān)系1.定義：各向同性是指巖石材料各個方向的力學(xué)性質(zhì)相同，且處于線彈性狀態(tài)。2.本構(gòu)關(guān)系式中，彈性模量；泊松比；2022/11/76969可編輯ppt（2）各向同性巖石的本構(gòu)關(guān)系2022/11/26969可編輯（3）各向異性巖石的本構(gòu)關(guān)系1.極端各向異性1）定義假定巖石是線彈性的，其中任一點沿兩個不同方向的彈性性質(zhì)互不相同，巖體中的6個應(yīng)力分量中的每個應(yīng)力分量都是6個應(yīng)變分量的線性函數(shù)，反之亦然。2）本構(gòu)關(guān)系3）彈性矩陣有36個常數(shù)，可以證明彈性矩陣是一個對稱矩陣，獨立的常數(shù)只有21個。

2022/11/77070可編輯ppt（3）各向異性巖石的本構(gòu)關(guān)系2022/11/27070可編輯2.正交各向異性1）定義

如果在彈性體中存在三個相互正交的彈性對稱面，則把這個彈性體稱為正交各向異性。如果在彈性體中存在著一個平面，該平面兩邊各點的彈性常數(shù)關(guān)于它對稱，或彈性常數(shù)相等，那么這個平面稱為彈性對稱面。

2）本構(gòu)關(guān)系3）彈性矩陣只有9個非零常數(shù)，且相互獨立。2022/11/77171可編輯ppt2.正交各向異性2022/11/27171可編輯ppt3.橫觀各向同性體1）定義

如果彈性體有一個彈性對稱面和一個旋轉(zhuǎn)軸，則稱為橫觀各向同性體。其特點是，在平行于某一平面的所有各方向（即橫向），都具有相同的彈性。2）本構(gòu)關(guān)系2022/11/77272可編輯ppt3.橫觀各向同性體2022/11/27272可編輯ppt式中，

——各向同性面（平面）內(nèi)所有方向的彈性模量彈性模量；

——垂直于各向同性面（平面）的彈性模量；

——各向同性面內(nèi)的泊松比；

——垂直于各向同性面的泊松比；

——平行于各向同性面的切變模量；

——垂直于各向同性面的切變模量；2022/11/77373可編輯ppt2022/11/27373可編輯ppt2022/11/7742.6影響巖石力學(xué)性質(zhì)的主要因數(shù)2.6.1水對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響（1）巖石中水的賦存方式

結(jié)合水或稱束縛水和重力水或稱自由水。

1.結(jié)合水

由于礦物對水分子的吸附力超過了重力而被束縛在礦物表面的水，水分子運(yùn)動主要受礦物表面勢能的控制，這種水在礦物表面形成一層水膜。這種水膜對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響主要產(chǎn)生連接作用、潤滑作用、水楔作用等三種作用。

2.自由水

它不受礦物表面吸附力的控制，其運(yùn)動主要受重力作用控制，它對巖石力學(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。74可編輯ppt2022/11/2742.6影響巖石力學(xué)性質(zhì)的主要因數(shù)74可2022/11/775（2）水對巖石的作用

1.連接作用主要是將礦物顆粒拉近、接緊，連接到一起的作用。這種作用對一般巖石影響不大，但對于被土充填的結(jié)構(gòu)面的巖石影響較大。

2.潤滑作用

主要是對由可溶鹽和膠體礦物連接的巖石影響較大，當(dāng)水侵入時，可溶鹽和膠體溶解水化，使礦物顆粒間的連接力減弱，摩擦力降低，起到潤滑劑的作用。75可編輯ppt2022/11/275（2）水對巖石的作用75可編輯ppt2022/11/7763.水楔作用由于礦物顆粒利用其表面吸附力將水分子拉到自己的周圍，在兩顆粒接觸處使水分子向兩顆粒之間的縫隙內(nèi)擠入，增大了顆粒間的間距，使巖石體積膨脹，或使產(chǎn)生潤滑作用，從而降低巖石的強(qiáng)度。

4.孔隙壓力作用

對于巖石孔隙中含有重力水時，當(dāng)其突然受載而水來不及排出，巖石孔隙中的水產(chǎn)生很高的壓力，減小了礦物顆粒之間的壓應(yīng)力，從而降低了巖石的抗剪強(qiáng)度，有時甚至在巖石裂隙端部處于受拉應(yīng)力狀態(tài)，起到破壞巖石連接的作用。

5.溶蝕-潛蝕作用通過滲透水在巖體內(nèi)流動過程，將巖石中的可溶礦物溶解帶走，有時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，前者屬于溶蝕作用，后者屬于潛蝕作用。76可編輯ppt2022/11/2763.水楔作用76可編輯ppt2022/11/7772.6.2溫度對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響（1）由于溫度的升高使巖石內(nèi)的化學(xué)成分、結(jié)晶水等產(chǎn)生變化，進(jìn)而影響了巖石的強(qiáng)度。（2）由于溫度的提高，將使巖石內(nèi)儲存熱應(yīng)力，致使巖石內(nèi)部產(chǎn)生微觀裂隙，弱化了巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而使巖石的抵抗外荷載的能力降低。從巖石工程角度來看，一般不需要研究溫度對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響，因為按一般地?zé)嵩鰷乜?，每增?00m深度，巖石的溫度升高3℃，這樣即使是目前最深的工程活動也只在3000m左右，巖石升溫也只有90～100℃。這樣的升溫對巖石的力學(xué)性質(zhì)不會產(chǎn)生顯著的影響。77可編輯ppt2022/11/2772.6.2溫度對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響72022/11/7782.6.3巖石的加載速率效應(yīng)（1）加載速率快，彈性模量較大，峰值強(qiáng)度較高，韌性較小?？焖偌虞d達(dá)到破壞時的應(yīng)力，稱為瞬時強(qiáng)度。（2）加載速率慢，彈性模量較小，峰值強(qiáng)度較小，韌性較小。（3）加載速率極慢，產(chǎn)生流變現(xiàn)象。經(jīng)過較長時間加載達(dá)到破壞時的應(yīng)力，稱為長時強(qiáng)度。在研究巖石準(zhǔn)靜態(tài)載荷作用下的力學(xué)性質(zhì)時，選擇適當(dāng)?shù)募虞d速率對其試驗結(jié)果來說是比較重要的。按ISRM建議的，在進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗時，其加載速率應(yīng)控制在0.5—1MPa／s之間，一般從實驗開始直至試件破壞的時間為5-10min。78可編輯ppt2022/11/2782.6.3巖石的加載速率效應(yīng)78可編輯2022/11/7792.6.4圍壓對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響由三軸試驗可知：圍壓對巖石的變形有很大的影響，巖石的脆性和塑性并非其固有屬性，它與巖石的受力狀態(tài)密切相關(guān)，隨著受力狀態(tài)的改變它們是可以相互轉(zhuǎn)化的。因此，隨著圍壓的改變可使巖石的變形、強(qiáng)度和彈性極限都有顯著的改變。2.6.5風(fēng)化對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響（1）風(fēng)化可降低巖體結(jié)構(gòu)面的粗糙程度，并產(chǎn)生大量的新的裂隙，使巖體的完整性遭到嚴(yán)重的破壞，從而降低了巖石的強(qiáng)度。（2）巖石經(jīng)風(fēng)化作用后，由于原生礦物經(jīng)水解、水化、氧化等化學(xué)作用，造成巖石的礦物成分發(fā)生變化，使巖體的結(jié)構(gòu)遭到破壞，巖石的抗水性、力學(xué)強(qiáng)度降低，孔隙性增加，透水性增強(qiáng)等。79可編輯ppt2022/11/2792.6.4圍壓對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響7此課件下載可自行編輯修改，供參考！感謝您的支持，我們努力做得更好！80可編輯ppt此課件下載可自行編輯修改，供參考！80可編輯ppt此課件下載可自行編輯修改，此課件供參考！部分內(nèi)容來源于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請與我聯(lián)系刪除！感謝你的觀看！此課件下載可自行編輯修改，此課件供參考！2022/11/7822巖石物理力學(xué)性質(zhì)2.1巖石的基本構(gòu)成和地質(zhì)分類

（1）巖石的地質(zhì)分類1.火成巖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，亦稱巖漿巖。2.沉積巖主要由母巖風(fēng)化剝蝕的產(chǎn)物、火山碎屑物質(zhì)、生物遺骸等經(jīng)過搬運(yùn)、沉積、固結(jié)形成的巖石。82可編輯ppt2022/11/212巖石物理力學(xué)性質(zhì)2.1巖石的基本構(gòu)成3.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)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。（2）基本構(gòu)成

巖石的基本構(gòu)成是由組成巖石的礦物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)兩大方面來決定的。2022/11/78383可編輯ppt3.變質(zhì)巖2022/11/222可編輯ppt2022/11/784（1）巖石的主要礦物質(zhì)成分1）火成巖的礦物成分

組成火成巖常見的礦物有：長石、石英、云母、角閃石、輝石、橄欖石、霞石、白榴石、磁鐵礦、磷灰石等十余種，這些礦物約占火成巖總質(zhì)量的99%，是火成巖的造礦物（其中：長石占60%以上，其次是石英）。2）沉積巖的礦物成分

沉積巖中已發(fā)現(xiàn)的礦物有160余種，主要礦物約20種，如石英類、長石類、云母類、粘土礦物、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5～6種礦物，多數(shù)僅含1～3種。84可編輯ppt2022/11/23（1）巖石的主要礦物質(zhì)成分3可編輯pp2022/11/7853）變質(zhì)巖的礦物成分

變質(zhì)巖的礦物成分一方面對原巖有較大的繼承性，另一方面受到變質(zhì)作用類型和強(qiáng)度的影響，一些礦物是經(jīng)變質(zhì)作用后新生成的礦物。如：蛇紋石、滑石、軟玉、硬玉等。

（2）沉積巖的礦物成分與火成巖的區(qū)別

1）在沉積巖中幾乎看不到火成巖中大量出現(xiàn)的橄欖石、輝石、角閃石等鐵鎂礦物和基性斜長石，而粘土礦物、氧化物礦物、氫氧化物礦物和碳酸鹽礦物大量出現(xiàn)；2）火成巖中長石多于石英，而沉積巖中石英多于長石，而且長石中是以鉀長石為主，酸性斜長石次之，其它種類長石罕見。

85可編輯ppt2022/11/243）變質(zhì)巖的礦物成分4可編輯ppt2022/11/786（3）礦物組成對巖石的物理力學(xué)性質(zhì)影響

1）在許多巖漿巖中，其強(qiáng)度隨暗色礦物的增加而增加；

2）在沉積巖中，砂巖的強(qiáng)度常隨石英相對含量的增加而增大，石灰?guī)r的強(qiáng)度常隨其硅質(zhì)混合物含量的增加而增大，隨粘土質(zhì)礦物含量的增加而降低；

3）在變質(zhì)巖中，任何片狀的硅酸鹽類礦物、鹽巖礦物將使巖石強(qiáng)度降低；

4）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。

5）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。86可編輯ppt2022/11/25（3）礦物組成對巖石的物理力學(xué)性質(zhì)影響52022/11/787（4）巖石結(jié)構(gòu)類型

巖石的結(jié)構(gòu)是指巖石中礦物（及巖屑）顆粒相互之間的關(guān)系，包括顆粒的大小、形狀、排列、結(jié)構(gòu)連結(jié)特點及巖石中微結(jié)構(gòu)面（即內(nèi)部缺陷）。其中，以結(jié)構(gòu)連結(jié)和巖石中的微結(jié)構(gòu)面對巖石工程性質(zhì)影響最大。87可編輯ppt2022/11/26（4）巖石結(jié)構(gòu)類型6可編輯ppt2022/11/7882.2巖石的物理性質(zhì)

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。2.2.1巖石的容重

（1）概念

巖石的容重：也叫巖石的重力密度，即巖石單位體積（包括巖石內(nèi)部孔隙體積）的重量。

（2）表達(dá)式（2-1）

式中γ—巖石容重（kN/m3）；W-—被測巖樣的重量（kN）；V—被測巖樣的體積（m3）。

88可編輯ppt2022/11/272.2巖石的物理性質(zhì)（2-1）式（3）容重的分類

根據(jù)巖石的含水狀態(tài)，將容重又可分為：天然容重、干容重和飽和容重。

1.天然容重：是指巖石在自然條件下，單位體積的重量。

2.干容重：是指試件在105℃～110℃溫度下烘干24小時的試驗條件下，巖石孔隙中的液體全部被蒸發(fā)，試件中僅有固體和氣體時,單位體積的重量。

3.飽和容重：是指試件在浸水48h或抽真空法，使巖石中的孔隙都被水充填時，單位體積的重量。（4）測定的試驗方法

測定巖石的容重可根據(jù)巖石的性質(zhì)和巖樣形態(tài)采用：量積法、水中稱量法或蠟封法等。2022/11/78989可編輯ppt（3）容重的分類2022/11/288可編輯ppt1.量積法適用條件：凡能制備成規(guī)則試樣的巖石均宜采用量積法測定其容重。試驗方法：首先測定規(guī)則試樣的平均斷面積A，平均高度h以及試樣的重量G，代入2-2式即得其容重。若試樣重量是自然狀態(tài)的重量時，即為巖石的天然容重；若試樣重量是在105℃～110℃溫度下烘干24小時后的重量時，則為該巖石的干容重；若是采用48h浸水法或抽真空法使巖石試件飽和的重量時，則為該巖石的飽和容重。2022/11/790（2-2）

90可編輯ppt1.量積法2022/11/29（2-2）9可編輯ppt2.水中稱量法適用條件：對于規(guī)則或不規(guī)則形狀的巖樣進(jìn)行測量時都可采用此方法，但對于孔隙率非常發(fā)育、遇水崩解、溶解及干縮濕脹的巖石或巖石干容重時不能采用此方法。試驗方法：首先稱量規(guī)則或不規(guī)則的巖樣在浸入純水前的重量W，然后再測出巖樣在純水中的重量,根據(jù)阿基米德原理可得出巖樣的體積（V），就可根據(jù)（2-3）式得出該試樣的天然容重（γ）或飽和容重。2022/11/791（2-3）

91可編輯ppt2.水中稱量法2022/11/210（2-3）10可編輯p3.蠟封法適用條件：本方法適用于不能用量積法或水中稱量法測定其容重的巖石，它既可測出該巖石的干容重也可測出其天然容重。試驗方法：首先選取有代表性巖樣在105℃～110℃溫度下烘干24小時，取出，系上細(xì)線，稱巖樣重量，持細(xì)線將巖樣緩慢浸入剛過熔點的蠟溶液中，浸后立即取出，檢查試樣周圍的蠟?zāi)?，若有氣泡?yīng)用針刺破，再用蠟液補(bǔ)平，待試件冷卻后稱取其重量，然后將蠟封巖樣浸沒于純水中稱其重量，則巖石的干容重為：（2-4）

式中，——為蠟的容重（kN/m3）。2022/11/79292可編輯ppt3.蠟封法（2-4）式中，——為蠟的容重（kN/m32.2.2巖石的密度（1）概念巖石的密度：即單位體積內(nèi)巖石的質(zhì)量。（2）計算關(guān)系式

式中ρ——巖石密度（kg/m3）；W-——被測巖樣的質(zhì)量（kg）；V——被測巖樣的體積（m3）。（3）容重和巖石密度的關(guān)系2022/11/793（2-6）

（2-7）

93可編輯ppt2.2.2巖石的密度2022/11/212（2-6）（22.2.3巖石的比重

巖石的比重是巖石固體部分的重量和4℃時同體積純水重量的比值，即：式中，為巖石的比重；為體積為V的巖石固體部分的重量（kN）；為巖石固體部分（不包括孔隙）的體積（m3）；為4℃時單位體積純水的重量（kN/m3）。

（2-8）2022/11/79494可編輯ppt2.2.3巖石的比重（2-8）2022/11/21312022/11/7952.2.4巖石的孔隙性

天然巖石中包含著數(shù)量不等，成因各異的孔隙和裂隙，是巖石的重要結(jié)構(gòu)特征之一。它們對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響基本一致，在工程實踐中很難將二者分開，因此將它們統(tǒng)稱為巖石的孔隙性。巖石的孔隙性通常用孔隙率n表示。

（1）巖石的孔隙率是指巖石孔隙的體積（Vv）與巖石總體積（V）的比值，以百分?jǐn)?shù)表示。其公式為：

（2-9）

95可編輯ppt2022/11/2142.2.4巖石的孔隙性（2-9）12022/11/796（2）巖石的空隙比巖石孔隙的體積（Vv）與巖石固體體積（Vc）的比值，以百分?jǐn)?shù)表示。其公式為：

巖石的孔隙參數(shù)可通過壓汞試驗測得。

孔隙率是衡量巖石工程質(zhì)量的重要物理性質(zhì)指標(biāo)之一，反映了孔隙和裂隙在該巖石中所占的百分率，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。

（2-10）

96可編輯ppt2022/11/215（2）巖石的空隙比（2-10）15可2022/11/7972.2.5巖石的水理性

巖石的水理性：巖石與水相互作用時所表現(xiàn)的性質(zhì)。它包括巖石的吸水性、透水性、軟化性和抗凍性等。（1）巖石的天然含水率

巖石的天然含水率w：天然狀態(tài)下巖石中水的質(zhì)量mw與巖石的干質(zhì)量mdr的比值，以百分?jǐn)?shù)表示，即：（2-12）

97可編輯ppt2022/11/2162.2.5巖石的水理性（2-12）

（2）巖石的吸水性

巖石的吸水性：即巖石在一定條件下吸收水分的性能，它取決于巖石孔隙的數(shù)量、大小、開閉程度和分布情況。表征巖石吸水性的指標(biāo)有：吸水率、飽和吸水率與飽水系數(shù)。1.巖石的吸水率巖石吸水率

：是指巖石在常溫常壓下吸入水的質(zhì)量與其烘干質(zhì)量mdr的比值，以百分?jǐn)?shù)表示，即：式中，m0為烘干巖樣浸水48小時后的總質(zhì)量。2022/11/798（2-13）

98可編輯ppt（2）巖石的吸水性2022/11/217（2-13）172.巖石的飽和吸水率（或飽水率）飽和吸水率（或飽水率）：是指巖石在強(qiáng)制狀態(tài)（高壓或真空、煮沸）下，巖石吸入水的質(zhì)量與巖樣在105℃～110℃溫度下烘干24h后質(zhì)量mdr的比值，以百分?jǐn)?shù)表示，即：

式中，wsa為巖石的飽和吸水率；msa為真空飽和或煮沸后試件的質(zhì)量（kg）。

強(qiáng)制狀態(tài)：在高壓條件下，通常認(rèn)為水能進(jìn)入巖石中所有張開的孔隙和裂隙中，國外采用高壓設(shè)備測定巖石的飽和吸水率；國內(nèi)常用真空抽氣法或煮沸法測定飽和吸水率。2022/11/799（2-14）

99可編輯ppt2.巖石的飽和吸水率（或飽水率）2022/11/218（2-3.巖石飽水系數(shù)巖石飽水系數(shù)kw：是指巖石吸水率與飽水率的比值，以百分?jǐn)?shù)表示，即：（3）巖石的透水性

巖石的透水性是指巖石能被水透過的性能。它的大小可用滲透系數(shù)來衡量，主要決定于巖石孔隙的大小、方向及其連通情況。（2-15）

2022/11/7100100可編輯ppt3.巖石飽水系數(shù)（2-15）2022/11/21919可編2022/11/7101（4）巖石的軟化性

巖石浸水后強(qiáng)度降低的性能稱為巖石的軟化性，通常用軟化系數(shù)來衡量。

軟化系數(shù)：是巖樣飽水狀態(tài)的抗壓強(qiáng)度kPa與自然風(fēng)干狀態(tài)抗壓強(qiáng)度kPa的比值，用小數(shù)表示，即（2-16）

101可編輯ppt2022/11/220（4）巖石的軟化性（2-16）20（5）巖石的抗凍性

巖石抵抗凍融破壞的性能稱為巖石的抗凍性，通常用抗凍系數(shù)表示。巖石的抗凍系數(shù)：是指巖樣在±25℃的溫度區(qū)間內(nèi)，反復(fù)降溫、凍結(jié)、升溫、融解，其抗壓強(qiáng)度有所下降，巖樣抗壓強(qiáng)度的下降值與凍融前的抗壓強(qiáng)度的比值，以百分?jǐn)?shù)表示，即：

式中，為巖樣凍融前的抗壓強(qiáng)度kPa；為巖樣凍融后的抗壓強(qiáng)度kPa。

（2-17）

2022/11/7102102可編輯ppt（5）巖石的抗凍性（2-17）2022/11/22121可2022/11/7103巖石在反復(fù)凍融后其強(qiáng)度降低的主要原因①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，由于礦物的脹、縮不均勻而導(dǎo)致巖石結(jié)構(gòu)的破壞；②當(dāng)溫度降到0℃以下時，巖石孔隙中的水將結(jié)冰，其體積增大約9%，會產(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。103可編輯ppt2022/11/222巖石在反復(fù)凍融后其強(qiáng)度降低的主要原因22022/11/71042.3巖石的強(qiáng)度特性2.3.1概述（1）巖石強(qiáng)度

在研究巖石材料的力學(xué)性質(zhì)時，主要是研究巖石的強(qiáng)度特性和巖石的變性特性兩方面。

1.定義巖石強(qiáng)度：是指巖石在各種載荷作用下達(dá)到破壞時所能承受的極限應(yīng)力，即巖石材料在受外載荷作用時抵抗破壞的能力。2.分類巖石的強(qiáng)度主要包括巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、單軸抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、多軸壓縮強(qiáng)度等。104可編輯ppt2022/11/2232.3巖石的強(qiáng)度特性23可編輯ppt2022/11/7105（2）研究巖石強(qiáng)度的意義1.是巖石分類、分級中的重要數(shù)量指標(biāo)；2.可以判別計算處或測定處的巖土工程是否穩(wěn)定；3.在簡單地下工程條件下，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。105可編輯ppt2022/11/224（2）研究巖石強(qiáng)度的意義24可編輯pp2022/11/7106（3）巖石的破壞模式從巖石的破壞模式來看，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106可編輯ppt2022/11/225（3）巖石的破壞模式從巖石的破壞模式來2022/11/71072.3.2巖石的單軸抗壓強(qiáng)度（1）定義

巖石的單軸抗壓強(qiáng)度是指巖石在單軸壓縮載荷作用下，達(dá)到破壞前所能承受的最大壓應(yīng)力。亦即巖石受軸向力作用破壞時單位面積上所承受的荷載。即：（2-18）107可編輯ppt2022/11/2262.3.2巖石的單軸抗壓強(qiáng)度（2-1（2）試驗方法

1.實驗過程

單軸抗壓強(qiáng)度的試驗是在帶有上、下塊承壓板的試驗機(jī)上進(jìn)行，按一定的加載速度單向加壓直至試件破壞。2.試件尺寸要求

1）國際巖石力學(xué)學(xué)會規(guī)定

試件標(biāo)準(zhǔn)尺寸為Φ54mm,高徑比為2.5～3.0倍。

2）我國的規(guī)定

試件尺寸為Φ50×100mm，高度為直徑的2.0—2.5倍、試件兩端面的不平整度不得大于0.05mm、在試件的高度上直徑或邊長的誤差不得大于0.3mm、兩端面應(yīng)垂直于試件軸線，最大偏差不得大于0.250。2022/11/7108108可編輯ppt（2）試驗方法2022/11/22727可編輯ppt（3）巖石單向壓縮荷載作用下的破壞形態(tài)1.圓錐形破壞

圓錐形破壞即X狀共軛斜面剪切破壞，其破壞形態(tài)如圖2—2(a)所示。破壞面法線與載荷軸線的夾角：

原因：由于試件兩端面與試驗機(jī)承壓板之間摩擦力較大，所產(chǎn)生的端部效應(yīng)造成的。在試驗加壓的過程中，試件的應(yīng)力分布如圖2—3所示。2022/11/7109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109可編輯ppt（3）巖石單向壓縮荷載作用下的破壞形態(tài)2022/11/2282022/11/71102.壓剪破壞

單斜面壓剪破壞，如圖2-1b和圖2-2b所示。這種破壞是由于破壞面上的剪應(yīng)力超過極限引起的，但破壞前破壞面所需承受的最大剪應(yīng)力也與破壞面上的正應(yīng)力有關(guān)，因而稱該類破壞為壓剪破壞。

3.縱向劈裂破壞縱向劈裂破壞即拉伸破壞，其破壞形態(tài)如圖2—2(b)所示。這是因為在軸向壓縮載荷作用下，在橫向?qū)a(chǎn)生拉伸應(yīng)力，這也是泊松效應(yīng)的結(jié)果。縱向劈裂破壞是巖石在單軸壓縮載荷作用下的主要表現(xiàn)形式。110可編輯ppt2022/11/2292.壓剪破壞29可編輯ppt（4）實驗條件對單軸抗壓強(qiáng)度的影響因素1.承壓板給予單軸抗壓強(qiáng)度的影響當(dāng)承壓板剛度很大時，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巖石端面的應(yīng)力分布2022/11/7111111可編輯ppt（4）實驗條件對單軸抗壓強(qiáng)度的影響因素圖2-4在剛性承壓2022/11/71122.試件尺寸及形狀對單向軸抗壓強(qiáng)度的影響1）試件形狀的影響

形試件的四個邊角會產(chǎn)生很明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此，目前絕大多數(shù)的國家都采用圓柱形的巖石試件。

2）試件尺寸的影響試件的強(qiáng)度通常隨其尺寸的增大而減小，這就是巖石力學(xué)中被稱作的“尺寸效應(yīng)”。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)試件的尺寸對其強(qiáng)度的影響在很大程度上取決于組成巖石的礦物顆粒的大小。研究結(jié)果表明，若試件的直徑為4-6cm，且滿足試件直徑大于其最大礦物顆粒直徑的10倍以上，其強(qiáng)度值相對比較穩(wěn)定。因此，目前對于一般巖石采取直徑為50mm的試件作為其標(biāo)準(zhǔn)尺寸。112可編輯ppt2022/11/2312.試件尺寸及形狀對單向軸抗壓強(qiáng)度的影2022/11/71133）巖石試件的高徑比的影響

圓柱形試件高度與直徑之比對試驗結(jié)果有很大的影響。由圖2—5可見，當(dāng)時，曲線趨于穩(wěn)定。

圖2-5粗面巖的抗壓強(qiáng)度與h／d的關(guān)系113可編輯ppt2022/11/2323）巖石試件的高徑比的影響圖2-5粗2.3.3巖石抗拉強(qiáng)度（1）定義巖石試件在單軸拉伸時能承受的最大拉應(yīng)力，稱為單軸抗拉強(qiáng)度，簡稱抗拉強(qiáng)度；（2）測定方法

直接拉伸法、劈裂法、點荷載法1.直接拉伸法1）公式

式中：——巖石的抗拉強(qiáng)度，MPa——試件受拉破壞時的極限拉力；

——與所施加拉力相垂直的截面面積；2022/11/7114114可編輯ppt2.3.3巖石抗拉強(qiáng)度2022/11/23333可編輯pp2）試件與加載系統(tǒng)的連接拉伸試驗加載和試件示意圖2022/11/7115115可編輯ppt2）試件與加載系統(tǒng)的連接2022/11/23434可編輯pp2.劈裂法（巴西法）由于實驗簡單，所測得的抗拉強(qiáng)度與直接拉伸很接近，故常用此法。1）公式

式中：——試件中心的最大拉應(yīng)力，即為抗拉強(qiáng)度，

MPa——試件破壞時的極限拉力；

——承壓圓盤的直徑和厚度；2022/11/7116116可編輯ppt2.劈裂法（巴西法）2022/11/23535可編輯ppt2）試件與加載系統(tǒng)及應(yīng)力分布圖劈裂試驗加載和應(yīng)力分布示意圖2022/11/7117117可編輯ppt2）試件與加載系統(tǒng)及應(yīng)力分布圖2022/11/23636可編3.點荷載法1）優(yōu)點：是一種簡易、快速、價廉的測定巖石單軸抗拉和抗壓強(qiáng)度的試驗方法；試件可以用不規(guī)則巖塊。2）缺點：試件結(jié)果的離散性較大。3）公式

式中：——破壞荷載，

——破壞時兩加載點間的距離，mm；

——點荷載強(qiáng)度，MPa

；2022/11/7118118可編輯ppt3.點荷載法2022/11/23737可編輯ppt點荷載試驗對試件形狀和尺寸的要求2022/11/7119119可編輯ppt2022/11/23838可編輯ppt2.3.4巖石抗剪強(qiáng)度（1）定義

巖石抵抗剪切的最大剪應(yīng)力，由內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦阻力兩部分組成；（2）測定方法

直剪試驗、變角板剪切試驗；

直剪試驗裝置圖、的確定示意圖2022/11/7120120可編輯ppt2