巖石的基本力學性質.ppt

第 二 章 巖石的基本物理力學性質,本章內容：,21 巖石的基本物理性質 2-2 巖石的變形特性 2-3 巖石的強度特性,1、巖石的基本物理性質； 2、巖石的單軸壓縮變形特性，應力應變全過程曲線的工程意義； 3、巖石的抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度及其實驗室測定方法； 4、巖石在三軸壓縮條件下的力學特性；,重點:,21 巖石的基本物理性質,巖石由固體，水，空氣等三相組成。 一、密度（）和重度()： 單位體積的巖石的質量稱為巖石的密度。單位體積的巖石的重力稱為巖石的重度。所謂單位體積就是包括孔隙體積在內的體積。 （g/cm3），g(kN /m3) 巖石的密度可分為天然密度、干密度和飽和密度。相應地，巖石的重度可分為天然重度、干重度和飽和重度。,1、天然密度（）和天然重度（） 指巖石在天然狀態(tài)下的密度和重度。,（g/cm3）,(kN /m3),式中：W天然狀態(tài)下巖石試件的質量(g；) V巖石試件的體積(cm3)； g重力加速度。,干密度是指巖石孔隙中的液體全部被蒸發(fā)后單位體積巖石的質量，相應的重度即為干重度。,2、干密度（d）和干重度(d ),（g/cm3）,(kN /m3),式中：Ws巖石試件烘干后的質量(g)； V巖石試件的體積(cm3)； g重力加速度。,3、飽和密度（ ）和飽和重度(w),飽和密度就是飽水狀態(tài)下巖石試件的密度。,式中：WW飽水狀態(tài)下巖石試件的質量 (g)； V巖石試件的體積(cm3)； g重力加速度。,（g/cm3）,(kN /m3),二、比重(),巖石的比重就是指巖石固體的質量與同體積水的質量之比值。巖石固體體積，就是指不包括孔隙體積在內的體積。巖石的比重可在實驗室進行測定，其計算公式為：,式中：巖石的比重； Ws干燥巖石的質量(g); Vs巖石固體體積(cm3); W 40C時水的密重。,三、巖石的空隙性,空隙：巖石中孔隙和裂隙的總稱。,空隙度：指巖石的裂隙和孔隙發(fā)育程度，其衡量指標為空隙率(n)或空隙比（e）。,所謂空隙比是指巖石試件內空隙的體積（V V)與巖石試件內固體礦物顆粒的體積（Vs)之比。,四、巖石的水理性質,巖石遇水后會引起某些物理、化學和力學性質的改變，巖石的這種性質稱為巖石的水理性。 1、巖石的吸水性 巖石吸收水分的性能稱為巖石的吸水性，其吸水量的大小取決于巖石孔隙體積的大小及其密閉程度。巖石的吸水性指標有吸水率、飽水率和飽水系數(shù)。,2、巖石的軟化性,巖石的軟化性是指巖石在飽水狀態(tài)下其強度相對于干燥狀態(tài)下降低的性能，可用軟化系數(shù)表示。 軟化系數(shù)指巖石試樣在飽水狀態(tài)下的抗壓強度cb與在干燥狀態(tài)下的抗壓強度c之比，即,各類巖石的c=0.450.9之間。 c 0.75,巖石軟化性弱、抗水、抗風化能力強； c 0.75，巖石的工程地質性質較差。,3、巖石的膨脹性,巖石的膨脹性是指巖石浸水后體積增大的性質。巖石的膨脹性大小一般用膨脹力和膨脹率指標表示。其測定方法是平衡加壓法。,試驗中不斷加壓，并保持體積不變，所測得的最大壓力即為巖石的最大膨脹力；然后逐級減壓，直至荷載為0，測定其最大膨脹變形量，膨脹變形量與試件原始厚度的比值即為膨脹率。,4、巖石的抗凍性,巖石的抗凍性是指巖石抵抗凍融破壞的性能，是評價巖石抗風化穩(wěn)定性的重要指標。 巖石的抗凍性用抗凍系數(shù)Cf表示，指巖石試樣在250C的溫度期間內，反復降溫、凍結、融解、升溫，然后測量其抗壓強度的下降值（c-cf）,以此強度下降值與融凍試驗前的抗壓強度c之比的百分比代表抗凍系數(shù)Cf ，即,可見：抗凍系數(shù)Cf 越小，巖石抗凍融破壞的能力越強。,五、巖石的透水性,地下水存在于巖石孔隙、裂隙之中，而且大多數(shù)巖石的孔隙裂隙是連通的，因而在一定的壓力作用下，地下水可以在巖石中滲透。巖石的這種能透水的性能稱為巖石的透水性。巖石的透水性大小不僅與巖石的孔隙度大小有關，而且還與孔隙大小及其貫通程度有關。 衡量巖石透水性的指標為滲透系數(shù)(K)。一般來說，完整密實的巖石的滲透系數(shù)往往很小。巖石的滲透系數(shù)一般是在鉆孔中進行抽水或壓水試驗而測定的。,六、巖石的碎脹性,巖石破碎后的體積VP比原體積V增大的性能稱為巖石的碎脹性，用碎脹系數(shù)來表示。,碎脹系數(shù)不是一個固定值，是隨時間而變化的。 永久碎脹系數(shù)（殘余碎脹系數(shù)）不能再壓密時的碎脹系數(shù)稱為永久碎脹系數(shù).,2-2 巖石的變形特性,彈性：指物體在外力作用下發(fā)生變形，當外力撤出后變形能夠恢復的性質。 塑性：指物體在外力作用下發(fā)生變形，當外力撤出后變形不能恢復的性質。 脆性：物體在外力作用下變形很小時就發(fā)生破壞的性質。 延性：物體能夠承受較大的塑性變形而不喪失其承載能力的性質。 粘性（流變性）：物體受力后變形不能在瞬間完成，且應變速度（d/dt）隨應力大小而變化的性質。,一、單軸壓縮變形特點 1、剛性壓力機與全應力應變曲線及破壞后的性態(tài),剛度K：指物體產(chǎn)生單位位移所需的外力。,式中： K物體的剛度，kN/mm; p外力，N; u在外力作用下的位移。,彈性變形能W：,（1）0A段：微裂隙閉合階段,微裂隙壓密極限A。 （2）AB段：近似直線，彈性階段，B 為彈性極限。 （3）BC段：屈服階段，C為屈服極限。 （4）CD段：破壞階段，D為強度極限，即單軸抗壓強度。 （5）DE段：即破壞后階段,E為殘余強度。,1、巖石在常規(guī)三軸試驗條件下的變形特性,二、三軸壓縮狀態(tài)下的巖石變形特性,巖石在常規(guī)三軸試驗條件下的變形特征通常用軸向應變1與主應力差(1-3)的關系曲線表示。,一、巖石的單軸抗壓強度C,端部效應,破壞形態(tài),2-3 巖石的變形特性,二、巖石的單軸抗拉強度t,1、直接拉伸試驗,2、間接拉伸試驗,圓餅試件：,A 劈裂法（巴西試驗法）,三、巖石的剪切強度f,1、剪切面上無壓應力的剪切試驗,試件尺寸：直徑或邊長不小于50mm，高度應等于直徑或邊長。 改變P,即可測得多組、，作出曲線。,2、剪切面上有壓應力的剪切試驗,3、斜剪試驗,忽