巖石及巖體的基本性質(zhì)

1、第一章 巖石及巖體的基本性質(zhì)第一節(jié) 概 述巖石是組成地殼的基本物質(zhì)，它由各種造巖礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按一定規(guī)律（通過(guò)結(jié)晶或借助于膠結(jié)物粘結(jié)）組合而成。一、巖石的分類(lèi)自然狀態(tài)下的巖石，按其固體礦物顆粒之間的結(jié)合特征，可分為：固結(jié)性巖石：固結(jié)性巖石是指造巖礦物的固體顆粒間成剛性聯(lián)系，破碎后仍可保持一定形狀的巖石。粘結(jié)性巖石、散粒狀巖石、流動(dòng)性巖石等。在煤礦中遇到的大多是固結(jié)性巖石。常見(jiàn)的有砂巖、石灰?guī)r、砂質(zhì)頁(yè)巖、泥質(zhì)頁(yè)巖、粉砂巖等。按巖石的力學(xué)性質(zhì)不同，常把礦山巖石分為：堅(jiān)硬巖石 松軟巖石兩類(lèi)。工程中常把飽水狀態(tài)下單向抗壓強(qiáng)度大于10MPa的巖石叫做堅(jiān)硬巖石，而把低于該值的巖石稱為松軟巖石。松軟

2、巖石具有結(jié)構(gòu)疏松、密度小、孔隙率大、強(qiáng)度低、遇水易膨脹等特點(diǎn)。從礦壓控制角度看，這類(lèi)巖石往往會(huì)給采掘工作造成很大困難。二、巖石的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造巖石的強(qiáng)度與巖石的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造有關(guān)。1.巖石的結(jié)構(gòu)指決定巖石組織的各種特征的總合。如巖石中礦物顆粒的結(jié)晶程度、顆粒大小、顆粒形狀、顆粒間的聯(lián)結(jié)特征、孔隙情況，以及膠結(jié)物的膠結(jié)類(lèi)型等。巖石中礦物顆粒大小差別很大，在沉積巖中，有的顆粒小到用肉眼難以分辯（如石灰?guī)r、泥巖、粉砂巖中的細(xì)微顆粒），有的顆?？纱笾翈桌迕祝ㄈ绲[巖中的粗大礫石）。組成巖石的物質(zhì)顆粒大小，決定著巖石的非均質(zhì)性。顆粒愈均勻，巖石的力學(xué)性質(zhì)也愈均勻。一般來(lái)說(shuō)，組成巖石的物質(zhì)顆粒愈小，則該巖石的強(qiáng)度愈

3、大。2.巖石的構(gòu)造是指巖石中礦物顆粒集合體之間，以及與其它組成部分之間的排列方式和充填方式。主要有以下幾種構(gòu)造：1.整體構(gòu)造巖石的顆?；ハ嗑o密地緊貼在一起，沒(méi)有固定的排列方向；2.多孔狀構(gòu)造巖石顆粒間彼此相連并不嚴(yán)密，顆粒間有許多小空隙；3.層狀構(gòu)造巖石顆粒間互相交替，表現(xiàn)出層次疊置現(xiàn)象（層理）。巖石的構(gòu)造特征對(duì)其力學(xué)性質(zhì)有明顯影響，如層理的存在常使巖石具有明顯的各向異性。在垂直于層理面的方向上，巖石承受拉力的性能很差，沿層理面的抗剪能力很弱。受壓時(shí)，隨加載方向與層理面的交角不同，強(qiáng)度有較大差別。第二節(jié) 巖石的物理性質(zhì)一、巖石的相對(duì)密度（比重）巖石的相對(duì)密度就是巖石固體部分實(shí)體積（不包括空隙）

4、的質(zhì)量與同體積水質(zhì)量的比值。其計(jì)算公式為： （1-1）式中 巖石的比重；Gd 絕對(duì)干燥時(shí)巖石固體實(shí)體積的重量，g；Vc巖石固體部分實(shí)體積，cm3；w水的密度，g/cm3巖石比重的大小取決于組成巖石的礦物比重，而與巖石的空隙和吸水多少無(wú)關(guān)。巖石的比重可用于計(jì)算巖石空隙度和空隙比。煤礦中常見(jiàn)巖石的比重見(jiàn)表1-1。二、巖石的質(zhì)量密度巖石的密度是指單位體積（包括空隙）巖石的質(zhì)量。根據(jù)含水狀態(tài)不同，巖石的密度分為天然密度、干密度、和飽和密度。天然密度是巖石在天然含水狀態(tài)下的密度。干密度是巖石在105110烘箱內(nèi)烘至恒重時(shí)的密度。飽和密度是巖石在吸水飽和狀態(tài)下的密度。干密度、飽和密度和天然密度的表達(dá)式如下

5、： （1-2）式中 Gd、Gsat、G分別是干燥巖石、水飽和巖石和天然含水巖石的質(zhì)量，g； d、sat、巖石的干密度、飽和密度和天然密度，g/cm3 V巖石的體積，cm3。通常，不說(shuō)明含水狀態(tài)時(shí)，即指巖石的干密度。煤礦常見(jiàn)的巖石密度見(jiàn)表1-1。對(duì)于遇水易膨脹的某些松軟巖石，區(qū)分干密度和濕密度有重要意義。三、巖石的空隙性巖石的空隙性是指巖石中孔隙和裂隙的發(fā)育程度，常用空隙度表示。所謂空隙度是指巖石中各種空隙、裂隙的體積的總和與巖石總體積之比。按下式計(jì)算： （1-3）式中 n巖石的空隙度（也稱空隙率）；d 巖石的干密度，g/cm3； 巖石的比重值。巖石的空隙性也可用空隙比表示。空隙比是指巖石中各種

6、孔隙和裂隙體積 總和與巖石內(nèi)固體部分實(shí)體積之比。表達(dá)式如下： （1-4）式中 e巖石的空隙比； Vo巖石內(nèi)各種空隙和裂隙體積的總和，cm3； Vc巖石內(nèi)固體部分實(shí)體積，cm3；空隙比與空隙度之間有如下關(guān)系： （1-5）巖石的空隙性對(duì)巖石的其它性質(zhì)有顯著影響。一般來(lái)說(shuō)，空隙度增大可使巖石密度和強(qiáng)度降低，使塑性變形和透水性增加。煤礦中常見(jiàn)巖石的空隙度和空隙比見(jiàn)表1-1。四、巖石的碎脹性和壓實(shí)性巖石破碎以后的體積將比整體狀態(tài)下增大，這種性質(zhì)稱為巖石的碎脹性。碎脹系數(shù)巖石的碎脹性可用巖石破碎后處于松散狀態(tài)下的體積與破碎前處于整體狀態(tài)下的體積之比來(lái)表示，該值稱為碎脹系數(shù)。表達(dá)式如下： （1-6）式中 k

7、p巖石的碎脹系數(shù)； V 巖石破碎膨脹后的體積，cm3； V巖石處于整體狀態(tài)下的體積，cm3。巖石的碎脹系數(shù)對(duì)礦山壓力控制，特別是采煤工作面的頂板管理有重要意義。碎脹系數(shù)與巖石的物理性質(zhì)、破碎后塊度的大小及其排列狀態(tài)等因素有關(guān)。例如，堅(jiān)硬巖石成大塊破壞且排列整齊時(shí)，碎脹系數(shù)較小，如破碎后塊度較小且排列較雜亂，則碎脹系數(shù)較大。煤礦中常見(jiàn)巖石的碎脹系數(shù)見(jiàn)表1-2。巖石破碎后，在其自重和外加載荷的作用下會(huì)逐漸壓實(shí)，體積隨之減小，碎脹系數(shù)比初始破碎時(shí)相應(yīng)變小。這種壓實(shí)后的體積與破碎前原始體積之比，稱為殘余碎脹系數(shù)，以kp 表示，其值見(jiàn)表1-2。五、巖石的水理性質(zhì)1.巖石的吸水性。巖石的吸水性是指遇水不崩

8、解的巖石，在一定試驗(yàn)條件下（規(guī)定的試尺寸和試驗(yàn)壓力）吸入水分的能力。通常以巖石的自然吸水率和強(qiáng)制吸水率表示。巖石的自然吸水率是指試件在大氣壓力作用下吸入水分的質(zhì)量與試件的烘干質(zhì)量之比。巖石的強(qiáng)制吸水率（也稱飽和吸水率）是指試件在加壓（150個(gè)大氣壓）條件下吸入水分的質(zhì)量與烘干質(zhì)量之比。兩種吸水率表達(dá)式如下： （1-7）式中 、sat巖石的自然吸水率和強(qiáng)制吸水率； Gw巖石試件在大氣壓力下吸入水分的質(zhì)量，g； Gd巖石試件烘干后質(zhì)量，g； Gw·s巖石試件強(qiáng)制飽和吸水后質(zhì)量，g。2.巖石的透水性。在地下水水力坡度（壓力差）作用下，巖石能被水透過(guò)的性能稱為巖石的透水性。用滲透系數(shù)來(lái)表征巖

9、石透水性能的大小。滲透系數(shù)的大小取決于巖石孔隙的大小、數(shù)量和相互貫通情況。根據(jù)達(dá)西定律： （1-8）式中 Q 單位時(shí)間透水量； K滲透系數(shù)； A滲透面積； I水力坡度（壓力差）；3.巖石的軟化性。巖石浸水后的強(qiáng)度明顯降低，可用軟化系數(shù)表示水分對(duì)巖石強(qiáng)度的影響程度。軟化系數(shù)是水飽和巖石試件的單向抗壓強(qiáng)度與干燥巖石試件單向抗壓強(qiáng)度的比值，其關(guān)系式如下： （1-9）式中 c巖石的軟化系數(shù)； Rcw水飽和巖石試件的單向抗壓強(qiáng)度，MPa； Rc干燥巖石試件的單向抗壓強(qiáng)度，MPa。巖石浸水后的軟化程度，與巖石中親水礦物和易溶性礦物的含量、空隙的發(fā)育程度、水的化學(xué)成份，以及巖石浸水時(shí)間的長(zhǎng)短等因素有關(guān)。親水

10、礦物和易溶礦物含量越多，張性裂隙越發(fā)育，則巖石浸水后強(qiáng)度降低程度越大。此外，巖石浸水時(shí)間越長(zhǎng)，其強(qiáng)度降低程度也越大。如某些砂巖浸水3天后，單向抗壓強(qiáng)度降低3235%，浸水9天后降低5159%。研究巖石的軟化性對(duì)用高壓注水法控制堅(jiān)硬難冒落頂板有重要意義。表1-3為煤礦中幾種常見(jiàn)巖石的軟化系數(shù)，由該表可看出，各種巖石的軟化系數(shù)都小于1，說(shuō)明巖石普遍具有軟化性。第三節(jié) 巖石的變形性質(zhì)變形是巖石的主要力學(xué)性質(zhì)。巖石受載時(shí)將首先發(fā)生變形，當(dāng)載荷超過(guò)一定數(shù)值（極限強(qiáng)度）時(shí)導(dǎo)致破壞。變形和破壞是載荷作用下巖石的力學(xué)性質(zhì)發(fā)展變化的兩個(gè)階段。一、巖石的彈性和塑性巖石受力后既可出現(xiàn)彈性變形，也可出現(xiàn)塑性變形。但巖

11、石與一般固體材料不同，它的彈性變形和塑性變形往往同時(shí)出現(xiàn)。巖石是兼有彈性和塑性的材料。二、在單向壓縮下巖石的變形特性1. 脆性巖石的變形性質(zhì)。圖lla為脆性巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線。其特點(diǎn)是巖石在破壞前沒(méi)有明顯的塑性變形，總應(yīng)變量也較小。通常把在外力作用下破壞前總應(yīng)變小于3%的巖石，叫做脆性巖石?？蓪Dlla所示曲線分為三段：OA段表示巖石受載初期，由于巖石中的各種空隙受壓閉合，曲線出現(xiàn)上彎，OA段稱為巖石的壓密階段；AB段接近于直線，可近似地稱為線彈性階段，這時(shí)可認(rèn)為巖石處于彈性狀態(tài)；在BC段內(nèi)，自B點(diǎn)開(kāi)始巖石內(nèi)部已有微破裂不斷發(fā)生，到C點(diǎn)發(fā)生破壞，故BC段可稱為破裂發(fā)展階段。C點(diǎn)即為巖石的強(qiáng)度極

12、限。圖l1a是利用具有普通剛度的試驗(yàn)機(jī)所得的結(jié)果，巖石破碎時(shí)發(fā)出巨大的聲響，巖石碎塊強(qiáng)烈彈出，這就是一般所說(shuō)的脆性破壞。如果采用剛度很大的材料試驗(yàn)機(jī)(常稱為剛性試驗(yàn)機(jī))加壓，就可以使原先呈炸裂性破壞的巖石試件平靜地產(chǎn)生破壞，從而可使試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行下去，并得出巖石的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)糖€(圖llb)。它說(shuō)明巖石應(yīng)力達(dá)到最大值以后，并不立即完全喪失承載能力，而是要達(dá)到D點(diǎn)才完全破壞。D點(diǎn)稱為完全破壞點(diǎn)，而該點(diǎn)所保持的某一較小的應(yīng)力值稱為殘余強(qiáng)度。巖石具有殘余強(qiáng)度的特性，對(duì)地下開(kāi)采過(guò)程中合理地利用已經(jīng)受到破壞的圍巖(或煤體)的自承能力有重要意義。 圖ll 脆性巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線2. 塑性巖石的變形性質(zhì)。圖l

13、2為塑性巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線，它的特點(diǎn)是巖石在破壞之前的應(yīng)變量較大。通常把外力作用下破壞前總應(yīng)變大于5%的巖石叫做塑性巖石。由圖l2可知，塑性巖石應(yīng)變曲線的斜率開(kāi)始較陡，以后逐漸平緩。工程上把開(kāi)始變緩的轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱為屈服點(diǎn)，該點(diǎn)的應(yīng)力值稱為屈服極限T。有時(shí)為了方便起見(jiàn)，也將OEF曲線簡(jiǎn)化為OEG折線。認(rèn)為巖石在達(dá)到屈服極限以前處于近似彈性狀態(tài)，而T表示塑性流動(dòng)開(kāi)始。塑性巖石產(chǎn)生的塑性變形要比彈性變形大得多。圖1-2 塑性巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線三、三向壓縮條件下巖石的變形特性圖l3a、b為干砂巖和濕砂巖在常溫和不同側(cè)壓(或稱圍壓)三向壓縮條件下的變形曲線。圖中的縱坐標(biāo)表示最大的主應(yīng)力1（一般為垂直應(yīng)力）與

14、最小應(yīng)力3，(一般為側(cè)向應(yīng)力)之差，橫坐標(biāo)表示軸向應(yīng)變。試驗(yàn)時(shí)側(cè)向應(yīng)力2=3。由圖可知：(l)當(dāng)巖石受三向壓縮時(shí)，其應(yīng)力應(yīng)變的開(kāi)始階段，有一段近似于直線的關(guān)系，說(shuō)明在主應(yīng)力差值(1-3)的峰值前不遠(yuǎn)的范圍內(nèi)，巖石屬?gòu)椥宰冃巍?2)巖石的脆性和塑性是相對(duì)的，在單向應(yīng)力或較低的三向應(yīng)力狀態(tài)下表現(xiàn)為脆性的巖石，在高壓三向應(yīng)力狀態(tài)下破壞前也能表現(xiàn)出很大的塑性。(3)三向壓縮時(shí)，隨著側(cè)向應(yīng)力3和主應(yīng)力差值(1-3)的增加，強(qiáng)度極限(峰值)也隨之增大。(4)巖石在三向壓縮條件下破壞以后，雖然其結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，但仍然保留一定的承載能力。這對(duì)于在井下控制煤柱和巖體的穩(wěn)定性很有實(shí)際意義。圖1-3 砂巖在常溫和不

15、同側(cè)壓三向壓縮下的應(yīng)變曲線a干砂巖；b濕砂巖四、巖石的蠕變性在恒定載荷持續(xù)作用下，應(yīng)變隨時(shí)間增長(zhǎng)而變化的現(xiàn)象稱為蠕變，表示這一特征的曲線叫做蠕變曲線。圖l4是巖石的典型蠕變曲線。由圖可知，在開(kāi)始加載時(shí)，試件立即產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)應(yīng)變(圖中OA段)，由于這一段作用的時(shí)間極短，故可近似地認(rèn)為是彈性變形。在AB段，應(yīng)變不斷增加，但應(yīng)變速率不斷降低，故曲線呈下凹型，這個(gè)階段的蠕變稱為第一階段蠕變或短暫蠕變。在BC段，應(yīng)變以穩(wěn)定恒速增長(zhǎng)，這個(gè)階段的蠕變稱為第二階段蠕變或定常蠕變，且這個(gè)階段的時(shí)間延續(xù)最長(zhǎng)。在CD段，應(yīng)變以加速增長(zhǎng)，曲線呈上凹型，這個(gè)階段的蠕變稱第三階段蠕變或加速蠕變。當(dāng)應(yīng)變達(dá)到某數(shù)值D時(shí)，最終

16、引起試件破壞。圖1-4巖石的典型蠕變曲線第四節(jié) 巖石的強(qiáng)度特性在載荷的作用下，巖石變形達(dá)到一定程度就會(huì)破壞。巖石發(fā)生破壞時(shí)所能承受的最大載荷稱為極限載荷，用單位面積表示則稱為極限強(qiáng)度。在不同應(yīng)力條件下，巖石具有不同的極限強(qiáng)度。巖石的強(qiáng)度可分為單向抗壓強(qiáng)度、單向抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、三向抗壓強(qiáng)度等。一、巖石的單向抗壓強(qiáng)度巖石試件在單向壓縮時(shí)所能承受的最大應(yīng)力值，稱為巖石的單向抗壓強(qiáng)度。它是地下工程中使用最廣的巖石力學(xué)特性參數(shù)，在煤礦中研究巖石分類(lèi)、確定破壞準(zhǔn)則以及表達(dá)圍巖堅(jiān)硬程度時(shí)，常采用這一指標(biāo)。測(cè)定巖石的單向抗壓強(qiáng)度，通常采用直徑5cm和高徑比為2的圓柱形試件，在壓力機(jī)上以50100

17、N/s的速度加載，直到試件破壞，然后按下式計(jì)算： （1-10）式中 Rc巖石試件的單向抗壓強(qiáng)度，kPa； P巖石試件破壞時(shí)施加的載荷，kN； A試件初始截面積，m2。煤礦常見(jiàn)巖石的單向抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表1-4。二、巖石的單向抗拉強(qiáng)度巖石試件在單向拉伸時(shí)能承受的最大拉應(yīng)力值，稱為單向抗拉強(qiáng)度。它是巖石力學(xué)性質(zhì)中的重要指標(biāo)。由于巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，在受載不大時(shí)就可能出現(xiàn)拉伸破壞，因此，它對(duì)研究井下巷硐失穩(wěn)等問(wèn)題有重要意義。目前，測(cè)定巖石抗拉強(qiáng)度的基本方法基本上可分兩類(lèi)，即直接拉伸法和間接拉伸法。直接拉伸法與金屬材料拉伸試驗(yàn)類(lèi)似?？砂聪率角蟮脦r石的抗拉強(qiáng)度： （1-11）式中 Rt巖石試件的單向

18、抗拉強(qiáng)度，kPa Pt試件破壞時(shí)的總拉力，kN； A試件破壞斷面積，m2。由于直接拉伸法的巖石試件加工復(fù)雜，目前廣泛采用劈裂法間接地測(cè)定巖石的單向抗拉強(qiáng)度。這種方法是用直徑為5cm和厚2.5cm的圓盤(pán)形試件，在材料試驗(yàn)機(jī)上以35N/s的速度加載，直至試件被壓裂（圖1-5）。此時(shí)，可按下式計(jì)算試件的抗拉強(qiáng)度： （1-12）式中 Rp圓盤(pán)形試件的抗拉強(qiáng)度，kPa; P試件裂開(kāi)破壞時(shí)的豎向總壓力，kN； D、t圓盤(pán)形試件的直徑和厚度，m。圖1-5 劈裂法試驗(yàn)裝置示意圖1-試件；2-鋼絲墊條；3-承壓板圖1-6 傾斜壓模剪切裝置三、巖石的抗剪強(qiáng)度巖石的抗剪強(qiáng)度是指巖石抵抗剪切作用的能力。目前廣泛采用傾

19、斜壓模法測(cè)定巖石抗剪強(qiáng)度。如圖1-6所示，將規(guī)格為5cm×5cm×5cm的立方體試件放在兩個(gè)鋼制的傾斜壓模之間，以50100N/s的速度加載迫使試件沿預(yù)定的剪切面AB剪斷。這時(shí)作用在破壞面上的應(yīng)力為： （1-13）式中 T、N作用在剪切破壞面上的剪應(yīng)力和正應(yīng)力，kN； 抗剪強(qiáng)度，kPa; n剪切破壞面上的正應(yīng)力，kPa； P試件發(fā)生剪切破壞時(shí)壓力機(jī)施加的總壓力，kN； A試件剪切破壞面的面積，m2； 試件與水平面的夾角，（°）四、巖石的三向抗壓強(qiáng)度巖石在三向應(yīng)力作用下所能抵抗的最大軸向應(yīng)力，稱為巖石的三向抗壓強(qiáng)度。它通常是在軸對(duì)稱應(yīng)力組合方式（即1>2=3）

20、的三向應(yīng)力條件下，利用巖石三軸應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)測(cè)定的。圖1-7 三軸試驗(yàn)裝置1-壓力室；2-密封設(shè)備；3-球面底座；4-壓力液進(jìn)口；5-排氣口；6-側(cè)向壓力；7-試件如圖1-7所示，測(cè)定時(shí)將試件放在密閉的高壓容器內(nèi)，用油泵向壓力室內(nèi)送入高壓油，對(duì)試件施加側(cè)向壓力（2=3），達(dá)到預(yù)定值后封閉壓力室，然后以50100N/s的穩(wěn)定速度，連續(xù)均勻地通過(guò)壓力機(jī)活塞施加軸向載荷，直至試件破壞。試件在相應(yīng)側(cè)壓力下的三向抗壓強(qiáng)度可按下式計(jì)算： （1-14）式中 R3c在一定側(cè)向壓力作用下的巖石三向抗壓強(qiáng)度，kPa; P試件破壞時(shí)的軸向載荷，kN； A試件的初始橫斷面積，m2。巖石因受力狀態(tài)不同，其極限強(qiáng)度相差很大。

21、巖石在不同應(yīng)力狀態(tài)下的各種極限強(qiáng)度一般符合下列順序：三向等壓抗壓強(qiáng)度>三向不等壓抗壓強(qiáng)度>雙向抗壓強(qiáng)度>單向抗壓強(qiáng)度>抗剪強(qiáng)度>抗彎強(qiáng)度>單向抗拉強(qiáng)度。此外，單向抗壓強(qiáng)度Rc、單向抗拉強(qiáng)度Rt和抗剪強(qiáng)度之間有以下數(shù)量關(guān)系： 第五節(jié) 巖石的破壞類(lèi)型巖石在外力作用下首先產(chǎn)生不同形式的變形，繼而產(chǎn)生微細(xì)裂縫和破裂，如果破裂不斷發(fā)展，將導(dǎo)致巖石最終破壞。有些巖石在破壞前出現(xiàn)很大的變形，而另一些巖石破壞前出現(xiàn)的變形很小或可忽略不計(jì)。通常把巖石在載荷作用下沒(méi)有顯著的變形而突然發(fā)生的破壞稱為脆性破壞，把巖石在載荷作用下出現(xiàn)較大的變形以后才發(fā)生的破壞稱為塑性破壞。但是在脆性

22、破壞和塑性破壞之間并無(wú)明確的界限，巖石呈現(xiàn)脆性破壞還是塑性破壞，不僅取決于巖石本身的性質(zhì)，還在很大程度上取決于外界條件，如巖石所處的應(yīng)力狀態(tài)，溫度，壓力，水分，受載時(shí)間等等。例如，在常溫、低圍壓和高應(yīng)變率條件下呈現(xiàn)為脆性破壞的巖石，在高溫、高圍壓、多水分和低應(yīng)變率的條件下，巖石可呈現(xiàn)為塑性破壞。不論在何種受力狀態(tài)下，巖石發(fā)生破壞的基本形式只有兩種：拉斷破壞和剪切破壞。例如巖石在受單向壓縮時(shí)，根據(jù)其上下端面的潤(rùn)滑情況，可能出現(xiàn)拉斷破或剪切破壞。巖石試件在受彎曲時(shí)，往往是由于下部表面受到拉應(yīng)力的作用而導(dǎo)致拉斷破壞。至于塑性破壞(例如粘土類(lèi)巖石)，它實(shí)質(zhì)上是塑性巖石顆粒間產(chǎn)生微小剪切滑移的結(jié)果，仍屬

23、于剪切破壞。因此，盡管由于巖石性質(zhì)、構(gòu)造特征、受力方式以及試件形狀和尺寸不同，試件的破壞形態(tài)有很大差別，但從巖石的破壞方式和機(jī)理來(lái)看，都可歸結(jié)為拉斷破壞和剪切破壞這兩種基本類(lèi)型。一、拉斷破壞拉斷破壞可以直接由拉力引起的拉應(yīng)力造成，也可以由壓縮、彎曲等衍生的拉應(yīng)力造成，但不論加載方式如何，都是由于拉應(yīng)力超過(guò)極限強(qiáng)度而造成的破壞，其特點(diǎn)是巖石破壞時(shí)呈現(xiàn)出沿破壞面發(fā)生拉開(kāi)的運(yùn)動(dòng)。拉斷破壞又稱張性破壞。圖l-8 拉斷破壞的兩種情況a直接拉斷；b、c間接拉斷根據(jù)加載方式不同，拉斷破壞可分兩種情況：(一)直接拉斷直接拉斷(圖l8a)的特點(diǎn)是斷裂面與受力方向垂直，斷裂面明顯分離。而在斷裂面之間沒(méi)有錯(cuò)動(dòng)。(二

24、)間接拉斷間接拉斷(圖l-8b、c)的特點(diǎn)是斷裂而與受力方向平行。當(dāng)在受壓面上涂潤(rùn)滑劑時(shí)，由于加壓板與試件受壓面之間無(wú)摩擦阻力或摩擦阻力很小，在縱向壓縮過(guò)程中，引起試件自由地產(chǎn)生橫向變形。當(dāng)橫向變形伸長(zhǎng)量超過(guò)試件抵抗伸長(zhǎng)的能力時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致試件產(chǎn)生縱向劈裂而被拉斷。這種因壓縮而引起的拉斷破壞形式又叫“壓裂”或“橫向張裂”。盡管以上兩種拉斷破壞的受力方式不同，但兩者共同之處都是由拉應(yīng)力引起破壞，而且都出現(xiàn)張開(kāi)的裂縫。二、剪切破壞剪切破壞可以直接由剪切破壞或者由壓縮衍生的剪應(yīng)力造成。但無(wú)論加載方向如何，都是由于剪應(yīng)力超過(guò)極限強(qiáng)度而造成的破壞。其特點(diǎn)是巖石破壞時(shí)呈現(xiàn)出沿破壞面發(fā)生相互錯(cuò)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)。剪切破

25、壞又稱剪破裂或剪裂。根據(jù)加載方式不同，剪切破壞有兩種情況：（一）直接剪切通常由外加的剪力造成，其特點(diǎn)是剪切破壞面與外加剪力方向一致（圖1-9，a）。圖 1-9 剪切破壞的兩種情況a直接剪切；b、c間接剪切（二）間接剪切由軸向壓縮或其它受力方式引起的剪切破壞。當(dāng)受壓面上不涂潤(rùn)滑劑時(shí)，加壓板與試件受壓面之間有很大的摩擦阻力，試件不易產(chǎn)生橫向變形。于是試件內(nèi)部產(chǎn)生剪應(yīng)力，最后沿與最大壓應(yīng)力垂直方向成一定角度的某個(gè)平面發(fā)生剪切破壞（圖1-9b、c）。稱為剪切破壞角。剪切破壞角與巖石強(qiáng)度有關(guān)。通常，堅(jiān)硬巖石的剪切破壞角較大，軟巖則較小，常見(jiàn)巖石剪切破壞角見(jiàn)表1-5。盡管直接剪切和間接剪切破壞的受力方式不

26、同，但兩者共同之處是其破壞形式表現(xiàn)為試件的一部分相對(duì)于另一部分產(chǎn)生滑移，即形成剪切裂縫。但這種裂縫通常都不張開(kāi)，而是呈閉合的形式，常稱之為剪裂面。通常，試件內(nèi)部的剪應(yīng)力具有對(duì)稱性，試件受剪切破壞時(shí)常出現(xiàn)成對(duì)的傾斜裂縫，常稱為“X形剪裂隙”（圖1-9c）。第六節(jié) 巖體的基本性質(zhì)前面討論的巖石力學(xué)性質(zhì)，都是以對(duì)小塊巖石試件(巖塊)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)和研究為基礎(chǔ)，與大范圍天然巖體的力學(xué)性質(zhì)有很大差別。為了有效地解決與工程有關(guān)的巖石力學(xué)實(shí)際問(wèn)題，需要了解巖體的特征及其有關(guān)的力學(xué)性質(zhì)。概括來(lái)說(shuō)，巖體在以下三個(gè)方面與實(shí)驗(yàn)室?guī)r石試件有顯著不同：l)巖體以天然狀態(tài)埋藏在地下，處于特定的自然物理環(huán)境(地下水、地溫、地應(yīng)

27、力等)之中，這些因素?zé)o疑將對(duì)巖體的物理力學(xué)性質(zhì)有很大影響。2)巖體由一定數(shù)量的巖石組成，沒(méi)有特定的自然邊界。巖體的范圍根據(jù)解決問(wèn)題的需要來(lái)圈定。3)巖體中存在各種地質(zhì)弱面和地質(zhì)構(gòu)造。巖體在自然狀態(tài)下經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的地質(zhì)作用過(guò)程。在地應(yīng)力作用下，巖體內(nèi)部保留了各種永久變形和地質(zhì)構(gòu)造形跡，例如：不整合、褶皺、斷層、層理、節(jié)理、裂隙等等。根據(jù)上述特征，巖體可定義為自然界中由各種巖性各種結(jié)構(gòu)特征的巖石的集合體。從工程實(shí)際來(lái)看，大多數(shù)情況下遇到的巖體，是存在有各種弱面的堅(jiān)硬天然巖石。因此，從抽象的、典型化的角度來(lái)說(shuō)，可以把巖體看作是由結(jié)構(gòu)面和受它包圍的結(jié)構(gòu)體共同組成的。所謂“結(jié)構(gòu)面”是指在地質(zhì)發(fā)展歷史中，尤

28、其是地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過(guò)程中形成的，具有一定方向、延展較大、厚度較小的地質(zhì)界面，它包括巖石物質(zhì)的分界面和不連續(xù)面，如巖體中存在的層面、節(jié)理、斷層、軟弱夾層等，可統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)面。結(jié)構(gòu)面是巖體的重要組成單元，它的性質(zhì)影響到巖體的性質(zhì)。所謂“結(jié)構(gòu)體”是指由不同產(chǎn)狀的結(jié)構(gòu)面相互切割而形成的單元塊體，也稱單元巖塊。結(jié)構(gòu)體的四周都被結(jié)構(gòu)面包圍，常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)體大都是有棱有角的多面體，如立方體、柱狀體、板狀體、菱形體、梯形體、楔形體、錐形體等。結(jié)構(gòu)體也是巖體的重要組成部分，它本身的物質(zhì)組成和排列組合方式也影響到巖體的力學(xué)性質(zhì)。一、巖體的基本類(lèi)型根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)特征的不同，巖體可分為以下幾種基本類(lèi)型(圖1-10)，1. 整體

29、巖體(圖1-10a)它是指只遭受輕微構(gòu)造變動(dòng)的厚層沉積巖，巖層多呈水平或緩斜狀，節(jié)理不發(fā)育，很少有斷層，通?？烧J(rèn)為是均質(zhì)、連續(xù)介質(zhì)。這類(lèi)巖體本身有很高的力學(xué)強(qiáng)度和抗變形能力，巖體的整體強(qiáng)度接近于巖石的強(qiáng)度，具有很好的自穩(wěn)性能。 (a)圖1-10 巖體結(jié)構(gòu)的基本類(lèi)型a一整體結(jié)構(gòu)；b一塊狀結(jié)構(gòu)；c一層狀結(jié)構(gòu)；d一碎裂結(jié)構(gòu)；e一散體結(jié)構(gòu)2. 塊狀巖體(圖1-10b)它是指遭受中等構(gòu)造變動(dòng)的厚層、中厚層沉積巖，巖層多為水平或傾斜狀，節(jié)理發(fā)育，有小斷層及偶有層間錯(cuò)動(dòng)，巖石一般比較堅(jiān)硬，這類(lèi)沉積巖通常由巖性單一或強(qiáng)度相近的巖層組合而成。根據(jù)構(gòu)造變動(dòng)程度，可認(rèn)為是連續(xù)介質(zhì)或不連續(xù)介質(zhì)。這類(lèi)巖體的整體強(qiáng)度也較

30、高，巖體的變形、破壞受結(jié)構(gòu)面控制，它對(duì)一般跨度的巷硐是穩(wěn)定的，開(kāi)挖后在短時(shí)間內(nèi)應(yīng)力即能達(dá)到平衡。3. 層狀巖體 (圖1-10c)它是指構(gòu)造比較簡(jiǎn)單的沉積巖，巖層可以成水平或傾斜陡急狀。它可以由單一巖性或不同巖性的互層或夾層組合而成，巖層的單層厚度一般在0.5m上下。這類(lèi)巖體的特點(diǎn)是，各個(gè)單層具有比較完整的層狀組合，同時(shí)常含有粘結(jié)力很小的層面、極薄層或薄層狀的原生軟弱夾層以及輕微的層間錯(cuò)動(dòng)面，其節(jié)理發(fā)育程度不等。巖體的完整性隨巖層變位程度而定，屬于各向異性的不連續(xù)介質(zhì)，其變形、破壞受巖層組合和結(jié)構(gòu)面所控制，在跨度較大的巷硐頂部可能產(chǎn)生彎曲折斷，而平行于巷硐側(cè)壁的急斜巖層可能發(fā)生膨出及張裂。4.

31、碎裂巖體 (圖1-10d)它是指巖層受強(qiáng)烈構(gòu)造變動(dòng)后產(chǎn)生嚴(yán)重變形和破裂的巖體。在這類(lèi)巖體中，褶皺、斷層、層間錯(cuò)動(dòng)、節(jié)理、劈理十分發(fā)育，而且斷層、節(jié)理經(jīng)?；ハ嗲懈?，使巖層完整性受到強(qiáng)烈破壞，屬于不連續(xù)介質(zhì)或似連續(xù)介質(zhì)。這類(lèi)巖體比較破碎，整體強(qiáng)度低，受力后的變形、破壞受結(jié)構(gòu)面控制。當(dāng)在巷硐中懸露時(shí)經(jīng)常會(huì)發(fā)生片幫、冒頂、側(cè)向擠出和底膨等現(xiàn)象。如果碎裂巖體中泥質(zhì)含量較高時(shí)，也可能呈現(xiàn)與時(shí)間效應(yīng)有關(guān)的塑性變形。5. 松散巖體 (圖1-10e)是指經(jīng)受最劇烈的構(gòu)造變動(dòng)后由斷層泥、巖粉、壓碎的巖石碎屑、碎塊等所組成的巖體。它往往出現(xiàn)在大斷層交匯處，形成破碎帶，沿走向和沿傾斜的厚度變化極不規(guī)則。此外，近代未經(jīng)

32、膠結(jié)的松散沉積物，如砂卵石層等也屬松散巖體。這類(lèi)巖體的結(jié)構(gòu)體呈顆粒狀、碎屑粉狀、角礫狀，屬于非連續(xù)介質(zhì)。它受力后的變形、滑移主要取決于散粒體之間的摩擦阻力和泥質(zhì)物的控制作用，故常呈現(xiàn)明顯的塑性或流變性。這類(lèi)巖體的整體強(qiáng)度極低，幾乎沒(méi)有自撐能力，懸露時(shí)極不穩(wěn)定，在掘進(jìn)巷道時(shí)，如不進(jìn)行超前支護(hù)，會(huì)立即冒落，甚至在掘進(jìn)以后，巷道中還會(huì)出現(xiàn)臌幫、臌底現(xiàn)象，而且來(lái)壓既快又大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，往往產(chǎn)生連續(xù)的變形破壞，這是目前巖層控制領(lǐng)域中尚待解決的課題。二、巖體的基本特征根據(jù)上述情況可以看出，巖體除了有以上結(jié)構(gòu)特點(diǎn)外，從本身組成狀況來(lái)看也與巖石有許多區(qū)別，其中比較明顯的特征有如下幾點(diǎn)。1. 巖體的非均質(zhì)性巖體

33、可以由一種或幾種巖石組成，而且以后者居多。對(duì)于多種巖石組成的巖體，由于在自然條件下組成巖石的物質(zhì)成分、組織結(jié)構(gòu)及其組合狀況經(jīng)常變化，所以一般認(rèn)為巖體是非均質(zhì)的。例如，對(duì)于傾斜層狀巖體，無(wú)論是鉛直方向還是水平方向，其非均質(zhì)性都十分明顯；對(duì)水平或近水平的層狀巖體，在鉛直方向上的非均質(zhì)性也是明顯的，而在水平方向，盡管巖石種類(lèi)在一定范圍內(nèi)可能沒(méi)有明顯變化，但物質(zhì)組成、巖性巖相也有變化，所以嚴(yán)格地說(shuō)巖體都是非均質(zhì)的。只有在少數(shù)情況下，在某些局部范圍內(nèi)，如果不存在軟、硬懸殊的夾層，巖石的物理力學(xué)性質(zhì)基本一致，才可看作均質(zhì)體。2. 巖體的各向異性大多數(shù)層狀巖體在水平及鉛直方向的致密程度不同，因而就有顯著的各

34、向異性，即巖體在不同方向上顯示的物理力學(xué)性質(zhì)(如極限強(qiáng)度、彈性模量等)有明顯不同。巖體的各向異性還受到巖體內(nèi)各種結(jié)構(gòu)面的影響。由于結(jié)構(gòu)面的方位不同，數(shù)量不等，規(guī)模不一，性質(zhì)各異，會(huì)造成巖體具有各向異性。如結(jié)構(gòu)面組數(shù)較少、各自發(fā)育程度不同的巖體，其各向異性會(huì)表現(xiàn)得很明顯，反之，結(jié)構(gòu)面組數(shù)多、各自都很發(fā)育、方向十分復(fù)雜的巖體，其各向異性反而表現(xiàn)得不明顯。所以，巖體中組成巖石的成層條件及其分布規(guī)律，結(jié)構(gòu)面特性及其發(fā)育狀況等都會(huì)導(dǎo)致巖體具有各向異性。3. 巖體的非連續(xù)性由于巖體被各種結(jié)構(gòu)面所切割，因此從原則上說(shuō)巖體屬于非連續(xù)體。但是隨著被切割的巖塊大小、形態(tài)和性質(zhì)不同，巖塊的排列和相互接觸狀態(tài)的差異，

35、及其不連續(xù)程度都會(huì)有所不同。因此在研究工程問(wèn)題，尤其是進(jìn)行巖體穩(wěn)定性分析時(shí)，往往根據(jù)巖體的不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型把巖體分別看作是非連續(xù)體、似連續(xù)體或連續(xù)體。例如，受結(jié)構(gòu)面影響明顯的層狀、塊狀結(jié)構(gòu)巖體和碎裂結(jié)構(gòu)巖體可視為非連續(xù)體，結(jié)構(gòu)發(fā)育密集的碎裂結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)面不規(guī)則密集分布的散體結(jié)構(gòu)巖體可看成似連續(xù)體，而只有那些整體結(jié)構(gòu)巖體和部分塊狀、中厚層狀結(jié)構(gòu)的巖體才可看作是連續(xù)體。為了對(duì)巖體的特性有較全面的了解，在表1-6中對(duì)巖石和巖體特性的不同點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要對(duì)比。第七節(jié) 巖體的力學(xué)性質(zhì)像其他材料一樣，在載荷作用下會(huì)產(chǎn)生變形，載荷不斷增加，變形會(huì)不斷發(fā)展，最后會(huì)導(dǎo)致巖體的破壞。了解巖體的變形規(guī)律和特性，對(duì)于控制巖體變形，解決井巷設(shè)計(jì)、掘進(jìn)和維護(hù)，以及與地下開(kāi)采有關(guān)的其它實(shí)際問(wèn)題都有重要意義。巖體不是理想的彈性體，而是具有彈性、塑性和粘性的，多裂隙的非連續(xù)介質(zhì)，其變形性質(zhì)也反映了這些特點(diǎn)。例如，巖體在載荷作用下出現(xiàn)彈性變形的同時(shí)