巖塊的物理力學(xué)性質(zhì)

1、第二章 巖塊的物理力學(xué)性質(zhì),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,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),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/V,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

2、,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,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),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,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,Wa/Wp,3.飽水

3、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,幾種巖石的吸水性指標(biāo)值,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),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,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，

4、用百分?jǐn)?shù)表示,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,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,滲透流速,滲透系數(shù),水力梯度,2.4 巖石的熱學(xué)性質(zhì)（自學(xué),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)(

5、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,巖塊的變形與強(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,任意狀態(tài),主應(yīng)力狀態(tài),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),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,t,p,t,p,t,p,巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì),一、單軸壓縮條件下的巖塊變形,一） 連續(xù)加載,1、變形階段 空

6、隙壓密階段(OA,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,巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì),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),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,應(yīng)力-應(yīng)變曲線為“S”型 初始模量(Ei)指

7、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),2)泊松比()（poissons ratio）是指在單軸壓縮條件下， 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),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,3)其他變形參數(shù) 剪切模量（） 拉梅常數(shù)（） 體積模量

8、（V) 彈性抗力系數(shù)（,巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì),伺服機(jī)試驗(yàn)結(jié)果,3. 峰值后巖塊的變形特征,脆性大的巖石,塑性大的巖石,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),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,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),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

9、形與強(qiáng)度性質(zhì),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),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),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),3. 蠕變模

10、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),2）組合模型 Maxwall 模型,巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì),Kelvin 模型,巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì),巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì),其他模型,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),一、單軸抗壓強(qiáng)度c 1、定義：在單向壓縮條件下，巖塊能承受的最大壓應(yīng)力，簡(jiǎn)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

11、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),點(diǎn)荷載試驗(yàn),巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì),常規(guī)壓力機(jī),巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì),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),常見巖石的抗壓強(qiáng)度,巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì),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

12、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),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),二、單軸抗拉強(qiáng)度t 1.定義：?jiǎn)蜗蚶鞐l件下，巖塊能承受的最大拉應(yīng)力，簡(jiǎn)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,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

13、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),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),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

14、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),常見巖石的抗拉強(qiáng)度,巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì),三、剪切強(qiáng)度1、定義：在剪切荷載作用下，巖塊抵抗剪切破壞的最大剪應(yīng)力，稱為剪切強(qiáng)度2、類型： （1）抗剪斷強(qiáng)度：指試件在一定的法向應(yīng)力作用下，沿預(yù)定剪切面剪斷時(shí)的最大剪應(yīng)力。 （2）抗切強(qiáng)度： 指試件上的法向應(yīng)力為零時(shí)，沿預(yù)定剪切面剪斷時(shí)的最大剪應(yīng)力。 （3）摩擦強(qiáng)度： 指試件在一定的法向應(yīng)力作用下，沿已有破裂面（層面、節(jié)理等）再次剪切破壞時(shí)的 最大剪應(yīng)力,巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì),3、意義： 反映巖塊的力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo) 用來估算巖體力學(xué)參數(shù)及建立強(qiáng)度判據(jù) 4、抗剪斷強(qiáng)度的測(cè)試方法： 直剪試驗(yàn)、變角板剪切試驗(yàn) 、三軸試驗(yàn),巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì),直剪試驗(yàn)在直剪儀上進(jìn)行，按庫侖定律求巖塊的剪切強(qiáng)度參數(shù)C、值,變角板剪切試驗(yàn)是將立方體試件，置于變角板剪切夾具中加壓直至試件沿預(yù)定的剪切面破壞,巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì),四、三軸壓縮強(qiáng)度 1.定義：試件在三向壓應(yīng)力作用下能抵抗的最大的軸向應(yīng)力。