礦山巖石和巖體的基本性質.ppt

第一章 礦山巖石和巖體的基本性質,巖石的物理力學性質是巖體最基本、最重要的性質之一，也是巖石力學中研究最早、最完善的內(nèi)容之一。 本章介紹：巖石的地質構成及分類； 巖石物理、力學性質及測定； 巖石的破壞機理和強度理論； 巖體及其力學特征。,第一節(jié) 巖石的基本物理性質,1.概念 巖石：礦物或巖屑在地質作用下按一定規(guī)律聚集形成的自然物體。 （巖石 = 礦物顆粒 + 膠結物 + 孔隙 + 水） 礦物：存在地殼中的具有一定化學成分和物理性質的自然元素和化合物。 結構：組成巖石的物質成分、顆粒大小和形狀以及其相互結合的情況。 (結晶、膠結) 構造: 組成成分的空間分布及其相互間排列關系。 （節(jié)理、裂隙、空隙、邊界、缺陷） 礦物、結構、構造 是影響巖石力學性質和物理性質的三個重要因素 。,一、巖石的基本概念,巖漿巖：強度高、均質性好 2.巖石地質分類 沉積巖：強度不穩(wěn)定，各向異性 變質巖：不穩(wěn)定，與變質程度和巖性有關,3.沉積巖石的力學特性： 不連續(xù)性；（物質不能充滿空間，有空隙存在） 各向異性；（任一點的物理、力學性質沿不同方向均不相同） 不均勻性；（由不同物質組成，各點物理力學性質都不相同） 巖塊單元的可移動性； 地質因素影響特性（水、氣、熱、初應力） （上述特性導致巖石力學的研究方法以實驗測試為主）,巖石由固體，水，空氣等三相組成。 （一）密度（）和重度(體積力)： 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(nèi)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。,二、巖石的基本物理性質,固體,水,空氣,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（N/g）。,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（相對密度）(),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(nèi)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。,閉型空隙：巖石中不與外界相通的空隙。 開型空隙：巖石中與外界相通的空隙。包括大開型空隙和小開型空隙。 在常溫下水能進入大開型空隙，而不能進入小開型空隙。只有在真空中或在150個大氣壓以上，水才能進入小開型空隙。,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）。,根據(jù)巖石空隙類型不同，巖石的空隙率分為： (1)總空隙率n (2)大開空隙率nb (3)小開空隙率nl (4)總開空隙率n0 (5)閉空隙率nc 一般提到巖石的空隙率時系指巖石的總空隙率。,1、空隙率,(1)總空隙率n: 即巖石試件內(nèi)空隙的體積（VV)占試件總體積(V)的百分比。,(2)大開空隙率nb:即巖石試件內(nèi)大開型空隙的體積（Vnb)占試件總體積(V)的百分比。,(3)小開空隙率nl:即巖石試件內(nèi)小開型空隙的體積（Vnl)占試件總體積(V)的百分比。,(4)總開空隙率（孔隙率）n0: 即巖石試件內(nèi)開型空隙的總體積（Vn0)占試件總體積(V)的百分比。,(5)閉空隙率nc: 即巖石試件內(nèi)閉型空隙的體積（Vnc)占試件總體積(V)的百分比。,所謂空隙比是指巖石試件內(nèi)空隙的體積（V V)與巖石試件內(nèi)固體礦物顆粒的體積（Vs)之比。,2 、空隙比(e),（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)。,（1）巖石吸水率(1)：,是指巖石試件在標準大氣壓力下吸入水的重量W1與巖石干重量Ws之比。,巖石的吸水率的大小，取決于巖石所含孔隙、裂隙的數(shù)量、大小、開閉程度及其分布情況，并且還與試驗條件（整體和碎塊，浸水時間等）有關。 根據(jù)巖石的吸水率可求得巖石的大開空隙率nb：,式中：W s為干燥巖石的重量；d,w分別為干燥巖石和水的重度。,（2）巖石的飽水率（2）,巖石的飽水率指在高壓（150個大氣壓）或真空條件下，巖石吸入水的重量W2與巖石干重量Ws之比，即：,根據(jù)飽水率求得巖石的總開空隙率n0：,式中：Ws為干燥巖石重量；d,w干燥巖石和水的重度。,（3）巖石的飽水系數(shù)（Ks）,巖石吸水率與飽水率之比稱為巖石的飽水系數(shù)，即,飽水系數(shù)反映了巖石中大開空隙和小開空隙的相對含量。飽水系數(shù)越大，巖石中的大開空隙越多，而小開空隙越少。 吸水性較大的巖石吸水后往往會產(chǎn)生膨脹，給井巷支護造成很大壓力。,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、巖石的崩解性,巖石的崩解性是指巖石與水相互作用時失去粘結性并變?yōu)橥耆珕适姸鹊乃缮⑽镔|的性質。 巖石的崩解性一般用耐崩解指數(shù) Id2 的表示。其指標可在實驗室用干濕循環(huán)試驗確定。,試驗過程：將經(jīng)過烘干的試塊（500g,分成約10塊），放在帶有篩孔的圓筒內(nèi)，使該圓筒在水槽中以20r/min,連續(xù)旋轉10 min,然后將留在圓筒內(nèi)的巖塊取出烘干稱重，如此反復進行兩次，按下試計算耐崩解指數(shù)。,式中： Id2 兩次循環(huán)試驗求得的耐崩解指數(shù)，在0100% 之間變化； md試驗前試塊的烘干質量； mr殘留在圓筒內(nèi)試塊的烘干質量； W1 試驗前試件和圓筒的烘干重量； W2第二次循環(huán)后試件和圓筒的烘干重量； W0試驗結束沖洗干凈后圓筒的烘干重量。 巖石的崩解性指數(shù)反映了巖石在浸水和溫度變化的環(huán)境下抵抗風化作用的能力。,5、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(nèi)，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。,6、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。,（五）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).,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。 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。 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。,第二節(jié) 巖石的強度和變形特性,巖石的力學性質包括： 變形性質：研究巖石在受力情況下的變形規(guī)律 強度特性：研究巖石受力破壞的規(guī)律,一、巖石的彈性和塑性： 變形分析的重要性（直觀、易測、建立模型、準則） 1、 彈性變形：,線彈性,非線彈性,滯彈性,線彈性直線型；當巖石致密，強度大，壓力不高時，為此狀態(tài)。 非線彈性單向曲線型； 基本沒有。 滯彈性雙向曲線型，巖石多屬滯彈性： 滯彈性應力應變不是唯一的對應關系，應變的產(chǎn)生（變化）較應力 的變化有一段時間的滯后。 原因：物理學認為，當作用在滯彈性體上的力發(fā)生改變時，由于受力體內(nèi)部物質的粘性或內(nèi)摩擦的原因，引起變形效應滯后和遲延。 滯彈性體具有兩個重要性質： 彈性滯后由于內(nèi)摩擦原因，巖石隨應力變化出現(xiàn)的變形滯后。 彈性后效由于熱傳導等原因，外力停止變化，而變形仍隨時間而緩慢變化。,理想塑性,具有應變硬化的塑性,2、塑性變形： 巖石塑性普遍存在； 巖石塑性與巖石的組成、結構、構造及外界環(huán)境有關。 （顆粒及膠結物物質成分、排列結合、含水、溫度、應力等） 理想塑性超過彈性極限，進入完全塑性狀態(tài)（極少）； 應變硬化超過彈性極限，承載能力隨應變增加而增加。,3、一般巖石的變形： 瞬時彈性變形 后效彈性變形 塑性變形 巖石與其它金屬及晶體礦物不同，因其有節(jié)理、裂隙存在，在應力不高階段，內(nèi)部結構即有破壞，在產(chǎn)生彈性變形的同時，產(chǎn)生塑性變形。,巖石不是理想的彈性體、塑性體、粘性體，是混合體。 有彈塑；塑彈；彈粘塑；粘彈等多種變形特性。 （粘性變形不能在瞬間完成， 變形速率隨應