巖石力學(xué)(第2章)

1、巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)第二章 授課要求 1.1.掌握巖石掌握巖石物理物理指標(biāo)的意義和換算關(guān)系；指標(biāo)的意義和換算關(guān)系；2.2.掌握掌握巖石的強(qiáng)度特性；巖石的強(qiáng)度特性；3.3.掌握巖石的全應(yīng)力掌握巖石的全應(yīng)力- -應(yīng)變曲線及測(cè)試手段；應(yīng)變曲線及測(cè)試手段；4.4.掌握巖石的流變性質(zhì)；掌握巖石的流變性質(zhì)；5.5.掌握巖石的強(qiáng)度理論。掌握巖石的強(qiáng)度理論。巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖

2、石的基本物理力學(xué)性質(zhì)2.12.1概述概述物理力學(xué)性質(zhì)的參數(shù)物理性質(zhì)參數(shù)力學(xué)性質(zhì)的參數(shù)質(zhì)量指標(biāo)質(zhì)量指標(biāo)水理性質(zhì)水理性質(zhì)抗風(fēng)化抗風(fēng)化孔隙性孔隙性其他指標(biāo)其他指標(biāo)強(qiáng)度特性強(qiáng)度特性變形特性變形特性強(qiáng)度理論強(qiáng)度理論密度、比重、含水率密度、比重、含水率單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、三向壓縮強(qiáng)度剪切強(qiáng)度、三向壓縮強(qiáng)度應(yīng)力應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線經(jīng)典強(qiáng)度理論、莫爾強(qiáng)度理經(jīng)典強(qiáng)度理論、莫爾強(qiáng)度理論、格里菲斯強(qiáng)度理論和論、格里菲斯強(qiáng)度理論和E. T. Brown 強(qiáng)度理論強(qiáng)度理論加載的速率、試驗(yàn)機(jī)的剛加載的速率、試驗(yàn)機(jī)的剛度、巖石試件的形狀和尺寸度、巖石試件的形狀和尺寸巖體力學(xué)巖體力

3、學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)2.22.2巖石的基本物理性質(zhì)巖石的基本物理性質(zhì)巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì).1巖石的密度（重度）指標(biāo)巖石的密度（重度）指標(biāo) 單位巖石的質(zhì)量（重量）稱為巖石的密度（重度）。單位巖石的質(zhì)量（重量）稱為巖石的密度（重度）。 根據(jù)含水量不同可分為：天然密度、飽和密度、干密度；根據(jù)含水量不同可分為：天然密度、飽和密度、干密度； 天然重度、飽和重度、干重度。天然重度、飽和重度、干重度。()dd( ) ()satsat( )()m WVV ()()svwsvwsatsatmVWVVV(

4、)()ssddmWVV 重 度 的 大 小重 度 的 大 小取 決 于 礦 物 成取 決 于 礦 物 成分、空隙大小以分、空隙大小以及含水量，及含水量，其他其他條件相同時(shí)，巖條件相同時(shí)，巖石重度大小與其石重度大小與其埋深有關(guān)。重度埋深有關(guān)。重度大小在一定程度大小在一定程度上反映了巖石力上反映了巖石力學(xué)性質(zhì)的好壞。學(xué)性質(zhì)的好壞。 密度試驗(yàn)通常用稱重法。先測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)試件的尺寸，然后放在感密度試驗(yàn)通常用稱重法。先測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)試件的尺寸，然后放在感量精度為量精度為0.01g的天平上稱重，計(jì)算密度參數(shù)。的天平上稱重，計(jì)算密度參數(shù)。 天然密度天然密度：首先應(yīng)該保持被測(cè)巖石的含水量，如巖石含有遇水：首先應(yīng)該保持被

5、測(cè)巖石的含水量，如巖石含有遇水溶解、遇水膨脹的礦物成分，應(yīng)采用水下稱重的方法進(jìn)行試溶解、遇水膨脹的礦物成分，應(yīng)采用水下稱重的方法進(jìn)行試驗(yàn)，即先將試件的外表涂上一層厚度均勻的石蠟，然后放在水驗(yàn)，即先將試件的外表涂上一層厚度均勻的石蠟，然后放在水中稱物體的重量，計(jì)算天然密度；中稱物體的重量，計(jì)算天然密度； 飽和密度飽和密度：采用：采用48h浸水法、抽真空法或者煮沸法使巖石試件浸水法、抽真空法或者煮沸法使巖石試件飽和，然后再稱重；飽和，然后再稱重； 干密度干密度：把試件放入：把試件放入105-110烘箱中，將巖石烘至恒重烘箱中，將巖石烘至恒重(一般一般約為約為24h左右左右) ，再進(jìn)行稱重試驗(yàn)。，再

6、進(jìn)行稱重試驗(yàn)。巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì) 巖石的巖石的顆粒密度顆粒密度 巖石巖石的的顆粒密度：顆粒密度：巖石固體物質(zhì)的質(zhì)量與固體的體積之比巖石固體物質(zhì)的質(zhì)量與固體的體積之比()()()sssssswswsssmWmWVVVV 巖石的顆粒密度可采用比重瓶法求得。巖石的顆粒密度可采用比重瓶法求得。 首先，將巖石粉碎，并使巖粉通過直徑為首先，將巖石粉碎，并使巖粉通過直徑為0.25mm0.25mm的篩網(wǎng)篩選，

7、然的篩網(wǎng)篩選，然后，將其烘干至恒重，稱出一定量的巖粉，將巖粉倒入已注入一定量后，將其烘干至恒重，稱出一定量的巖粉，將巖粉倒入已注入一定量煤油煤油( (或純水或純水) )的比重瓶?jī)?nèi)，搖晃比重瓶將巖粉中的空氣排出，靜置的比重瓶?jī)?nèi)，搖晃比重瓶將巖粉中的空氣排出，靜置4h 4h 后，由于加入巖粉使液面升高，讀出其刻度，即加入巖粉后體積的增后，由于加入巖粉使液面升高，讀出其刻度，即加入巖粉后體積的增量量; ;最后，必須測(cè)量液體的溫度，修正由于液體溫度的不同而造成的最后，必須測(cè)量液體的溫度，修正由于液體溫度的不同而造成的誤差，并按要求計(jì)算出巖石的顆粒密度。誤差，并按要求計(jì)算出巖石的顆粒密度。 巖體力學(xué)巖體

8、力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì) 巖石的巖石的顆粒密度顆粒密度 巖石巖石的的顆粒密度：顆粒密度：巖石固體物質(zhì)的質(zhì)量與固體的體積之比巖石固體物質(zhì)的質(zhì)量與固體的體積之比()()()sssssswswsssmWmWVVVV花崗石花崗石:2.633.3，正長(zhǎng)巖：，正長(zhǎng)巖：2.53.3，閃長(zhǎng)巖：，閃長(zhǎng)巖：2.53.3， 斑斑巖：巖：2.8，安山巖：，安山巖：2.53.3，輝綠巖：，輝綠巖：2.7、2.9， 流紋巖：流紋巖：2.53.3，花崗片麻巖：，花崗片麻巖：2.72.9，片麻巖：，片麻巖：2.52.8， 石英巖：石英巖：2.61、2.83.0，大理巖：，大理巖：2.53

9、.3，千枚巖（板巖）：，千枚巖（板巖）：2.53.3， 凝灰?guī)r：凝灰?guī)r：2.53.3，火山角礫巖（火山集塊巖）：，火山角礫巖（火山集塊巖）：2.53.3， 礫巖：礫巖：2.23.3，石英砂巖：，石英砂巖：2.62.71，砂巖：，砂巖：1.23.0巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)相對(duì)密度（比重Specific density）巖石干重量與巖石實(shí)體積之比，所得量與一個(gè)大氣壓下4純水的重度之比，表達(dá)式如下： （2-3） 可采用比重瓶法測(cè)定，其大小取決于組成巖石的礦物比重及其在巖石中的相對(duì)含量，大部分巖石相對(duì)密度介于2.50-2.80之間。sSswWGV巖體力

10、學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì).2巖石的孔隙性巖石的孔隙性 巖石巖石的孔隙性是反映的孔隙性是反映了巖石中裂隙的發(fā)育程度了巖石中裂隙的發(fā)育程度。 孔隙比：孔隙的體積與固體體積之比孔隙比：孔隙的體積與固體體積之比 孔隙率：孔隙率：孔隙的體積孔隙的體積與總體積與總體積之之比比vsVeV100(%)vVnV1ene11ddswsnG 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。巖石的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。巖石的孔隙率反映了孔隙和裂隙在巖石中所占的百分率，孔隙率愈大，巖孔隙率反映了孔隙和裂隙在巖石中所占的百分率，孔隙率愈

11、大，巖石中的孔隙和裂隙就愈多，巖石的力學(xué)性能則愈差。石中的孔隙和裂隙就愈多，巖石的力學(xué)性能則愈差。巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì).3巖石的水理性質(zhì)巖石的水理性質(zhì)巖石的含水性質(zhì)：巖石的含水性質(zhì)：含水率（天然狀態(tài)）含水率（天然狀態(tài)） 吸水率（天然狀態(tài)、飽和狀態(tài)）吸水率（天然狀態(tài)、飽和狀態(tài)）巖石的滲透性：巖石的滲透性：滲透系數(shù)滲透系數(shù)天然狀態(tài)下巖石中水的重量與巖石烘干重量之比為巖石天然含水率：天然狀態(tài)下巖石中水的重量與巖石烘干重量之比為巖石天然含水率：100(%)10

12、0(%)wwssWmwWm 巖石的含水率對(duì)于軟巖來(lái)說(shuō)是一個(gè)比較重要的參數(shù)。巖石的含水率對(duì)于軟巖來(lái)說(shuō)是一個(gè)比較重要的參數(shù)。 組成軟巖的礦物成分中往往含有較多的粘土礦物，則這將粘土礦物組成軟巖的礦物成分中往往含有較多的粘土礦物，則這將粘土礦物具在遇水軟化的特性。因此，當(dāng)這部分巖石含有較大的含水率時(shí)，在某具在遇水軟化的特性。因此，當(dāng)這部分巖石含有較大的含水率時(shí)，在某種程度上降低了該巖石的強(qiáng)度，并產(chǎn)生很大的變形，影確了巖石的力學(xué)種程度上降低了該巖石的強(qiáng)度，并產(chǎn)生很大的變形，影確了巖石的力學(xué)特性。特性。巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的吸水率（天然吸水率、自

13、由吸水率）：巖石的吸水率（天然吸水率、自由吸水率）：干燥巖石試樣在一個(gè)大干燥巖石試樣在一個(gè)大氣壓下和室溫條件下吸入水的重量與巖石干重量之比：氣壓下和室溫條件下吸入水的重量與巖石干重量之比：0100(%)sasmmwm 巖石在一定條件下吸收水分的性能稱為巖石的吸水性，它取決于巖巖石在一定條件下吸收水分的性能稱為巖石的吸水性，它取決于巖石孔隙的數(shù)量、大小、開閉程度和分布情況。對(duì)于軟巖它是一個(gè)比較重石孔隙的數(shù)量、大小、開閉程度和分布情況。對(duì)于軟巖它是一個(gè)比較重要的參數(shù)；對(duì)巖石的抗凍性和抗風(fēng)化能力具有較大影響。要的參數(shù)；對(duì)巖石的抗凍性和抗風(fēng)化能力具有較大影響。巖石的飽和吸水率亦稱飽水率：巖石的飽和吸水

14、率亦稱飽水率：巖石在強(qiáng)制狀態(tài)（高壓或真空、煮沸）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)量與巖樣烘干質(zhì)量的比值：下，巖石吸入水的質(zhì)量與巖樣烘干質(zhì)量的比值：100(%)pssasmmwm巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的飽水系數(shù)：巖石的飽水系數(shù)： 它反映了巖石中大、小開空隙的相對(duì)比例關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，飽水系它反映了巖石中大、小開空隙的相對(duì)比例關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，飽水系數(shù)愈大，巖石中的大開空隙相對(duì)愈多，而小開空隙相對(duì)愈少。另外，飽數(shù)愈大，巖石中的大開空隙相對(duì)愈多，而小開空隙相對(duì)愈少。另外，飽水系數(shù)大，說(shuō)明常壓下吸水后余留的空隙就愈少，巖石愈易被凍

15、脹破壞水系數(shù)大，說(shuō)明常壓下吸水后余留的空隙就愈少，巖石愈易被凍脹破壞，因而其抗凍性差。，因而其抗凍性差。一般巖石的飽水系數(shù)在一般巖石的飽水系數(shù)在0.5-0.8之間，試驗(yàn)表明：飽水系數(shù)之間，試驗(yàn)表明：飽水系數(shù)小于小于91%的巖石可以免遭凍脹破壞。的巖石可以免遭凍脹破壞。100%awsawkw巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的滲透性巖石的滲透性 巖石的滲透性巖石的滲透性是指在水壓作用下，巖石的孔隙和裂隙透水

16、的能力。是指在水壓作用下，巖石的孔隙和裂隙透水的能力。它間接地反映了巖石中裂隙間相互連通的程度。它間接地反映了巖石中裂隙間相互連通的程度。 當(dāng)水流在巖石的空隙中流動(dòng)時(shí)，大多數(shù)表現(xiàn)為當(dāng)水流在巖石的空隙中流動(dòng)時(shí)，大多數(shù)表現(xiàn)為層流狀態(tài)層流狀態(tài)，可通過，可通過DarcyDarcy定律中的滲透系數(shù)來(lái)表達(dá)。定律中的滲透系數(shù)來(lái)表達(dá)。dhqAKdx 滲透系數(shù)可利用徑向滲透試驗(yàn)獲得。滲透系數(shù)可利用徑向滲透試驗(yàn)獲得。 采用鉆有一同心軸內(nèi)孔的巖芯，使這空心圓采用鉆有一同心軸內(nèi)孔的巖芯，使這空心圓柱體試樣在水力梯度的作用下，液體能夠產(chǎn)生柱體試樣在水力梯度的作用下，液體能夠產(chǎn)生徑向流動(dòng)，并測(cè)得液體沿著巖石內(nèi)的裂隙網(wǎng)流徑

17、向流動(dòng)，并測(cè)得液體沿著巖石內(nèi)的裂隙網(wǎng)流動(dòng)時(shí)的各參數(shù)，進(jìn)而求得巖石的滲透系數(shù)。動(dòng)時(shí)的各參數(shù)，進(jìn)而求得巖石的滲透系數(shù)。巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)n 滲透系數(shù)的大小取決于巖石的物理特性和結(jié)構(gòu)特征，例如巖石中孔隙和滲透系數(shù)的大小取決于巖石的物理特性和結(jié)構(gòu)特征，例如巖石中孔隙和裂隙的大小、開閉程度以及連通情況等。裂隙的大小、開閉程度以及連通情況等。n 巖石的滲透性對(duì)于解決一些實(shí)際問題具有直接的意義，例如巖石的滲透性對(duì)于解決一些實(shí)際問題具有直接的意義，例如: :將水、油將水、油或者氣體泵人多孔隙的巖體中；為了能量轉(zhuǎn)換而在地下洞室中貯存液或者氣體泵人多孔隙的巖

18、體中；為了能量轉(zhuǎn)換而在地下洞室中貯存液體；評(píng)價(jià)水庫(kù)的滲水性；排除深埋洞室的滲水等等。體；評(píng)價(jià)水庫(kù)的滲水性；排除深埋洞室的滲水等等。n 巖體的滲透特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)比巖石的滲透性來(lái)得重要巖體的滲透特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)比巖石的滲透性來(lái)得重要，其原因是巖體中存在著，其原因是巖體中存在著的不連續(xù)面，使其滲透系數(shù)要比巖石的大得多。進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巖體的滲透性的不連續(xù)面，使其滲透系數(shù)要比巖石的大得多。進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巖體的滲透性試驗(yàn)研究研究巖石滲透性的方向。試驗(yàn)研究研究巖石滲透性的方向。巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)2.2.4

19、2.2.4巖石的抗風(fēng)化指標(biāo)巖石的抗風(fēng)化指標(biāo) （1 1）巖石軟化性（）巖石軟化性（softening of rocksoftening of rock）是指巖石與水相互作用時(shí)強(qiáng)度降低是指巖石與水相互作用時(shí)強(qiáng)度降低的特性，巖石軟化的機(jī)理也是由于水分子進(jìn)入顆粒間的間隙而削弱了顆的特性，巖石軟化的機(jī)理也是由于水分子進(jìn)入顆粒間的間隙而削弱了顆粒間的聯(lián)結(jié)造成的。粒間的聯(lián)結(jié)造成的。 巖石開挖后，由于片狀剝落、水化、崩解、溶解、氯化、磨蝕和其他過巖石開挖后，由于片狀剝落、水化、崩解、溶解、氯化、磨蝕和其他過程對(duì)巖石性質(zhì)的影響，通常用以下三個(gè)指標(biāo)來(lái)表征巖石的抗風(fēng)化特性。程對(duì)巖石性質(zhì)的影響，通常用以下三個(gè)指標(biāo)來(lái)表

20、征巖石的抗風(fēng)化特性。cccdRR 軟化系數(shù)是一個(gè)小于或等于軟化系數(shù)是一個(gè)小于或等于1 1 的系數(shù)。該值越小，則表示巖石受水的系數(shù)。該值越小，則表示巖石受水的影響越大。巖石的軟化系數(shù)大小差別很大，主要取決于巖石的礦物的影響越大。巖石的軟化系數(shù)大小差別很大，主要取決于巖石的礦物成分和風(fēng)化程度。成分和風(fēng)化程度。巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)0.75軟化巖石軟化巖石巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì) （2 2）巖石耐崩解性）巖石耐崩解性反映了巖石在浸水和溫度變化的環(huán)境下抵抗風(fēng)化作反映了巖石在浸水和溫度變化的環(huán)境下抵抗風(fēng)

21、化作用的能力。用的能力。 耐崩解性指數(shù)的試驗(yàn)是將經(jīng)過烘干的試塊（質(zhì)量約耐崩解性指數(shù)的試驗(yàn)是將經(jīng)過烘干的試塊（質(zhì)量約500g 500g ，且分成，且分成1010塊塊左右），放入一個(gè)帶有篩孔的圓筒內(nèi)，使該圓筒在水槽中以左右），放入一個(gè)帶有篩孔的圓筒內(nèi)，使該圓筒在水槽中以20r/min 20r/min 的速的速度，連續(xù)旋轉(zhuǎn)度，連續(xù)旋轉(zhuǎn)10min 10min ，然后將留在圓筒內(nèi)的巖塊取出再次烘干稱重。如此，然后將留在圓筒內(nèi)的巖塊取出再次烘干稱重。如此反復(fù)進(jìn)行兩次后，按下式求得耐崩解性指數(shù)反復(fù)進(jìn)行兩次后，按下式求得耐崩解性指數(shù): :2100(%)rdsmIm巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力

22、學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì) （3 3）巖石的膨脹性）巖石的膨脹性 當(dāng)巖石中含有某些黏土礦物（如蒙脫石、伊利石及高嶺石）水化后在當(dāng)巖石中含有某些黏土礦物（如蒙脫石、伊利石及高嶺石）水化后在其晶格內(nèi)部或細(xì)分散顆粒周圍生成結(jié)合水溶劑腔，并在相鄰的顆粒間產(chǎn)其晶格內(nèi)部或細(xì)分散顆粒周圍生成結(jié)合水溶劑腔，并在相鄰的顆粒間產(chǎn)生楔劈效應(yīng)當(dāng)楔劈作用力大于結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)力，巖石將顯示膨脹。生楔劈效應(yīng)當(dāng)楔劈作用力大于結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)力，巖石將顯示膨脹。 因此，對(duì)于含有粘土礦物的巖石，因此，對(duì)于含有粘土礦物的巖石，掌握經(jīng)開挖后遇水膨脹的特性是掌握經(jīng)開挖后遇水膨脹的特性是十分必要的。十分必要的。巖石的膨脹特性通常以巖石的自由膨脹率、

23、巖石的側(cè)向約巖石的膨脹特性通常以巖石的自由膨脹率、巖石的側(cè)向約束膨脹率、膨脹壓力等來(lái)表述。束膨脹率、膨脹壓力等來(lái)表述。 膨脹率是指巖石試件在一定條件下浸水后所產(chǎn)生膨脹變形與試件原尺膨脹率是指巖石試件在一定條件下浸水后所產(chǎn)生膨脹變形與試件原尺寸的比值。寸的比值。 膨脹壓力是指巖石試件浸水后，使試件保持原有體積所施加的最大膨脹壓力是指巖石試件浸水后，使試件保持原有體積所施加的最大壓力。其試驗(yàn)方法為先加預(yù)壓壓力。其試驗(yàn)方法為先加預(yù)壓0.01MPa ，巖石試件的變形穩(wěn)定后，將試，巖石試件的變形穩(wěn)定后，將試件浸入水中，當(dāng)巖石遇水膨脹的變形量大于件浸入水中，當(dāng)巖石遇水膨脹的變形量大于0.001mm時(shí)，施加

24、一定的壓時(shí)，施加一定的壓力，使試件保持原有的體積，經(jīng)過一段時(shí)間的實(shí)驗(yàn)，測(cè)量試件保持不再力，使試件保持原有的體積，經(jīng)過一段時(shí)間的實(shí)驗(yàn)，測(cè)量試件保持不再變化變化(變形趨于穩(wěn)定變形趨于穩(wěn)定)時(shí)的最大壓力。時(shí)的最大壓力。巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì).5巖石的抗凍性巖石的抗凍性 巖石抗凍融破壞的性能稱為抗凍性，通常用抗凍系數(shù)表示。指巖石在巖石抗凍融破壞的性能稱為抗凍性，通常用抗凍系數(shù)表示。指巖石在2525區(qū)間內(nèi)反復(fù)凍融，得到抗壓強(qiáng)度與凍融前的比值：區(qū)間內(nèi)反復(fù)凍融，得到抗壓強(qiáng)度與凍融前的比值：ffsRKR 其強(qiáng)度降低的原因是：其強(qiáng)度降低的原因是

25、：構(gòu)成巖石的各種礦物膨脹系數(shù)不同；溫度降構(gòu)成巖石的各種礦物膨脹系數(shù)不同；溫度降低至低至0 0 后孔隙中水結(jié)冰，體積膨脹，裂隙產(chǎn)生所導(dǎo)致的。后孔隙中水結(jié)冰，體積膨脹，裂隙產(chǎn)生所導(dǎo)致的。討論：隨著能源建設(shè)不斷的發(fā)展，利用深部巖體建立能源儲(chǔ)存庫(kù)已開始研究，其中必須要了解巖石在凍融條件下的力學(xué)特性。？巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)2.32.3巖石的強(qiáng)度特征巖石的強(qiáng)度特征p 巖石承受最大荷載的能力稱其為強(qiáng)度巖石承受最大荷載的能力稱其為強(qiáng)度 材料在荷載作用下，所能承受的最大的單位面積上的力

26、材料在荷載作用下，所能承受的最大的單位面積上的力p 抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度 單軸抗壓強(qiáng)度單軸抗壓強(qiáng)度( (無(wú)側(cè)限壓縮強(qiáng)度無(wú)側(cè)限壓縮強(qiáng)度) )、三軸壓縮強(qiáng)度、三軸壓縮強(qiáng)度p 巖石的強(qiáng)度取決定于很多因素：巖石結(jié)構(gòu)、風(fēng)化程度、水、溫度、圍巖石的強(qiáng)度取決定于很多因素：巖石結(jié)構(gòu)、風(fēng)化程度、水、溫度、圍壓大小、各向異性、試驗(yàn)加載條件等壓大小、各向異性、試驗(yàn)加載條件等 p 研究的意義研究的意義 （1 1）工程意義：）工程意義：工程材料在各種應(yīng)力作用下承受的最大荷載或者允許的最大應(yīng)力值工程材料在各種應(yīng)力作用下承受的最大荷載或者允許的最大應(yīng)力值 （2 2）理論意義：）理論意義：

27、建立物理物理方程（本構(gòu)方程、本構(gòu)關(guān)系）、破裂機(jī)理建立物理物理方程（本構(gòu)方程、本構(gòu)關(guān)系）、破裂機(jī)理巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)http:/ 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì).1巖石的單軸抗壓強(qiáng)度巖石的單軸抗壓強(qiáng)度巖石試件在無(wú)側(cè)限條件下，受軸向力作用破壞時(shí)單位面積上所承受的荷載巖石試件在無(wú)側(cè)限條件下，受軸向力作用破壞時(shí)單位面積上所承受的荷載（1）試驗(yàn)方法）試驗(yàn)方法 試驗(yàn)設(shè)備：試驗(yàn)設(shè)備： 試驗(yàn)機(jī)帶有上、下塊承壓板；試驗(yàn)機(jī)帶有上、下塊承壓板； 按按0.5-1.0MPa/s 的速度加壓。的速度加壓。 試件標(biāo)準(zhǔn)：試件標(biāo)準(zhǔn)： 圓柱形試

28、件：直徑圓柱形試件：直徑=4.8-5.2cm ，高，高=（2-2.5） 長(zhǎng)方體試件：邊長(zhǎng)長(zhǎng)方體試件：邊長(zhǎng)L= 4.8-5.2cm , 高高H=（2-2.5)L 試件兩端不平度試件兩端不平度0.05 mm 尺寸誤差尺寸誤差0.3mm 兩端面垂直于軸線兩端面垂直于軸線0.25cPRA巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)（2 2）破壞形態(tài)）破壞形態(tài) 在荷載作用下，巖石試件的破壞形態(tài)是表現(xiàn)巖石破壞機(jī)理的重要特征。它不在荷載作用下，巖石試件的破壞形態(tài)是表現(xiàn)巖石破壞機(jī)理的重要特征。它不僅表現(xiàn)了巖石受力過程中的應(yīng)力分布狀態(tài)，同時(shí)，還反映了不同試驗(yàn)條件對(duì)強(qiáng)度僅表現(xiàn)了巖石受

29、力過程中的應(yīng)力分布狀態(tài)，同時(shí)，還反映了不同試驗(yàn)條件對(duì)強(qiáng)度的影響。的影響。巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)（3 3）破壞形態(tài)）破壞形態(tài) 承壓板剛度的影響（加墊塊的依據(jù)）承壓板剛度的影響（加墊塊的依據(jù)） 剛度很大，接觸面應(yīng)力呈山字型分布 剛度較小，接觸面應(yīng)力呈拋物線形分布 因此，試驗(yàn)機(jī)的承壓板(或者墊塊)剛度應(yīng)與巖石剛度相接近 試件的形狀和尺寸試件的形狀和尺寸 形狀：圓形試件不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，好加工 尺寸：大于礦物顆粒的10倍 高徑比：h/d(2-3)較合理 加載速度加載速度 加載速

30、度越大，表現(xiàn)強(qiáng)度越高 我國(guó)規(guī)定加載速度為0.5-1.0MPa/s 環(huán)境環(huán)境 含水量：含水量越大強(qiáng)度越低 溫度：溫度增加，巖石強(qiáng)度降低 巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì).2巖石的抗拉強(qiáng)度巖石的抗拉強(qiáng)度巖石的抗拉強(qiáng)度巖石的抗拉強(qiáng)度就是巖石試件在單軸拉力作用下抵抗破壞的極限能力，它在數(shù)值就是巖石試件在單軸拉力作用下抵抗破壞的極限能力，它在數(shù)值上等于破壞時(shí)的最大拉應(yīng)力值。上等于破壞時(shí)的最大拉應(yīng)力值。 （1 1）直接法）直接法直接法存在的幾個(gè)缺點(diǎn)：直接法存在的幾個(gè)缺點(diǎn)： 巖樣與夾具間要有足夠的粘結(jié)力；巖樣與夾具間要有足夠的粘結(jié)力； 施加的軸力必須

31、與巖石試件同軸；施加的軸力必須與巖石試件同軸； 試樣制備困難；試樣制備困難； 試件固定附近常出現(xiàn)應(yīng)力集中。試件固定附近常出現(xiàn)應(yīng)力集中。ttPRA巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì) （2 2）劈裂法（巴西法）劈裂法（巴西法）劈裂法由南美巴西人杭德羅斯提出，該法運(yùn)用彈性力學(xué)經(jīng)典解析方法進(jìn)行計(jì)算：劈裂法由南美巴西人杭德羅斯提出，該法運(yùn)用彈性力學(xué)經(jīng)典解析方法進(jìn)行計(jì)算：2211221222121222112212sincossincos22coscos22cossincossin2xyxyPPtrrdtPPtrrdtPtrr我國(guó)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：試件的直徑我國(guó)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

32、規(guī)定：試件的直徑d為為5cm，厚度，厚度t為為0.5-1.0倍直徑，倍直徑，并應(yīng)大于巖石中最大顆粒直徑的并應(yīng)大于巖石中最大顆粒直徑的10倍。倍。巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì) （2 2）劈裂法（巴西法）劈裂法（巴西法）12221120 xyxyPdtPPtrrdt 2211221222121222112212sincossincos22coscos22cossincossin2xyxyPPtrrdtPPtrrdtPtrr巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)在圓心處產(chǎn)生的豎向應(yīng)力為：在圓心處產(chǎn)生的豎向應(yīng)力為：而水平

33、方向的拉應(yīng)力均值為：而水平方向的拉應(yīng)力均值為：巖石的抗壓強(qiáng)度為其抗拉強(qiáng)度的巖石的抗壓強(qiáng)度為其抗拉強(qiáng)度的1010倍，因此巖石試樣為倍，因此巖石試樣為受拉破壞受拉破壞 巖石的抗拉強(qiáng)度為：巖石的抗拉強(qiáng)度為：6yPdt2xPdtmax2tPRdt巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì) （3 3）抗彎法抗彎法 四個(gè)基本假設(shè)：梁的截面嚴(yán)格保持為平面，材料是均質(zhì)、符合胡克定律，四個(gè)基本假設(shè)：梁的截面嚴(yán)格保持為平面，材料是均質(zhì)、符合胡克定律，彎曲發(fā)生在梁的對(duì)稱平面內(nèi)，彎曲發(fā)生在梁的對(duì)稱平面內(nèi)，拉伸和壓縮的應(yīng)力拉伸和壓縮的應(yīng)力- -應(yīng)變特性相同。應(yīng)變特性相同。tMCI巖體力學(xué)

34、巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì) （4 4）點(diǎn)荷載試驗(yàn)法點(diǎn)荷載試驗(yàn)法 點(diǎn)荷載試驗(yàn)法是在點(diǎn)荷載試驗(yàn)法是在2020世紀(jì)世紀(jì)70 70 年代發(fā)展起來(lái)年代發(fā)展起來(lái)的一種簡(jiǎn)便的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法。該試驗(yàn)方法最大的一種簡(jiǎn)便的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法。該試驗(yàn)方法最大的特點(diǎn)是的特點(diǎn)是可利用現(xiàn)場(chǎng)取得的任何形狀的巖塊可利用現(xiàn)場(chǎng)取得的任何形狀的巖塊，可以是可以是5cm5cm的鉆孔巖芯，也可以是開挖后掉落下的鉆孔巖芯，也可以是開挖后掉落下的不規(guī)則巖塊，不作任何巖樣加工直接進(jìn)行試的不規(guī)則巖塊，不作任何巖樣加工直接進(jìn)行試驗(yàn)。驗(yàn)。 加載原理類似于劈裂法，不同的是劈裂法加載原理類似于劈裂法，不同的是劈裂法所施

35、加的是線荷載，而點(diǎn)荷載法所施加的是點(diǎn)所施加的是線荷載，而點(diǎn)荷載法所施加的是點(diǎn)荷載。荷載。 點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù): :2sePID0.96tsRI巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì).3巖石的抗剪強(qiáng)度巖石的抗剪強(qiáng)度 巖石的抗拉強(qiáng)度巖石的抗拉強(qiáng)度巖石的抗剪強(qiáng)度是指巖石在一定的應(yīng)力條件下（主要指壓應(yīng)巖石的抗剪強(qiáng)度是指巖石在一定的應(yīng)力條件下（主要指壓應(yīng)力）所能抵抗的最大剪應(yīng)力，通常用力）所能抵抗的最大剪應(yīng)力，通常用表示。該強(qiáng)度是在復(fù)雜應(yīng)力作用下的強(qiáng)表示。該強(qiáng)度是在復(fù)雜應(yīng)力作用下的強(qiáng)度，與巖石的抗壓、抗拉強(qiáng)度不同，需要用一組巖石的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)描

36、述巖石的抗度，與巖石的抗壓、抗拉強(qiáng)度不同，需要用一組巖石的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)描述巖石的抗剪強(qiáng)度。因此，巖石的抗剪強(qiáng)度通常用以下的函數(shù)式表示。剪強(qiáng)度。因此，巖石的抗剪強(qiáng)度通常用以下的函數(shù)式表示。 ( )ftanc（1 1）直接剪切試驗(yàn)）直接剪切試驗(yàn)巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)（2 2）抗剪斷試驗(yàn)）抗剪斷試驗(yàn)cossin0cossin0NPPfQPfPcossinsincosPfAPfA 抗剪斷的試驗(yàn)方法存在著一定的弊端。巖石試件的破壞被強(qiáng)制規(guī)定在某個(gè)面抗剪斷的試驗(yàn)方法存在著一定的弊端。巖石試件的破壞被強(qiáng)制規(guī)定在某個(gè)面上；剪切作用時(shí)的破壞面上的應(yīng)力狀態(tài)極為復(fù)雜

37、。上；剪切作用時(shí)的破壞面上的應(yīng)力狀態(tài)極為復(fù)雜。 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，目前最常用是通過三向壓縮應(yīng)力試驗(yàn)而求得?？辜魪?qiáng)度試驗(yàn)，目前最常用是通過三向壓縮應(yīng)力試驗(yàn)而求得。巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)（3 3）三軸試驗(yàn)）三軸試驗(yàn)巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力

38、學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì).4巖石在三向壓縮應(yīng)力作用下的強(qiáng)度巖石在三向壓縮應(yīng)力作用下的強(qiáng)度 地層中的巖石絕大多數(shù)都處在三向壓縮應(yīng)力的作用下，因此，從實(shí)際的受力地層中的巖石絕大多數(shù)都處在三向壓縮應(yīng)力的作用下，因此，從實(shí)際的受力狀況來(lái)說(shuō)，在三向壓縮應(yīng)力作用下的強(qiáng)度特性是巖石本性的反映，并顯得更為重狀況來(lái)說(shuō)，在三向壓縮應(yīng)力作用下的強(qiáng)度特性是巖石本性的反映，并顯得更為重要。要。 三向壓縮應(yīng)力作用下的強(qiáng)度三向壓縮應(yīng)力作用下的強(qiáng)度是指在不同的三向壓縮應(yīng)力作用下巖石抵抗外荷是指在不同的三向壓縮應(yīng)力作用下巖石抵抗外荷載的最大應(yīng)力。由于三向應(yīng)力狀態(tài)由許多不同的應(yīng)力組合而成，因此，巖石的三載的最

39、大應(yīng)力。由于三向應(yīng)力狀態(tài)由許多不同的應(yīng)力組合而成，因此，巖石的三向壓縮強(qiáng)度通常用一個(gè)函數(shù)式表示，其通式為向壓縮強(qiáng)度通常用一個(gè)函數(shù)式表示，其通式為: : 123(,)f 123(,)f 巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)p 在低圍壓作用下在低圍壓作用下, ,其破壞形式主要表現(xiàn)為劈裂破壞，破壞形式與單軸壓縮破壞很其破壞形式主要表現(xiàn)為劈裂破壞，破壞形式與單軸壓縮破壞很接近。接近。p 在中等圍壓的作用下，試件主要表現(xiàn)為斜面剪切破壞。其剪切破壞面與最大主在中等圍壓的作用下，試件主要表現(xiàn)為斜面剪切破壞。其剪切破壞面與最大主應(yīng)力作用面的夾角通常約為應(yīng)力作用面的夾角通常

40、約為4545+/2+/2。p 在高圍壓作用下，試件則會(huì)出現(xiàn)塑性流動(dòng)破壞，試件呈腰鼓形。在高圍壓作用下，試件則會(huì)出現(xiàn)塑性流動(dòng)破壞，試件呈腰鼓形。 由此可見，圍壓的增大改變了巖石試件在三向壓縮應(yīng)力作用下的破壞形態(tài)。若從由此可見，圍壓的增大改變了巖石試件在三向壓縮應(yīng)力作用下的破壞形態(tài)。若從變形特性的角度分析，圍壓的增大使試件從脆性破壞向塑性流動(dòng)過渡。變形特性的角度分析，圍壓的增大使試件從脆性破壞向塑性流動(dòng)過渡。巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì) 巖石三向壓縮強(qiáng)度的影響因素巖石三向壓縮強(qiáng)度的影響因素 巖石在三向壓縮應(yīng)力作用下的影響因素，與巖石單軸強(qiáng)度的影響因素不

41、同，明巖石在三向壓縮應(yīng)力作用下的影響因素，與巖石單軸強(qiáng)度的影響因素不同，明顯帶有三軸壓縮下所特有的特征。顯帶有三軸壓縮下所特有的特征。 （1 1）側(cè)向壓力的影響）側(cè)向壓力的影響 （2 2）試件尺寸與加載速率的影響）試件尺寸與加載速率的影響 （3 3）加載路徑對(duì)巖石三向壓縮強(qiáng)度的影響）加載路徑對(duì)巖石三向壓縮強(qiáng)度的影響 （4 4）孔隙壓力對(duì)巖石三向壓縮強(qiáng)度的影響）孔隙壓力對(duì)巖石三向壓縮強(qiáng)度的影響巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)2.42.4巖石的變形特征巖石的變形特征 巖石的變形特性是巖石的巖石的變形特性是巖石的重要力學(xué)特性之一重要力學(xué)特性之一，從某種意義上

42、講，巖石，從某種意義上講，巖石的變形更為重要，尤其是在巖體工程的運(yùn)營(yíng)階段，的變形更為重要，尤其是在巖體工程的運(yùn)營(yíng)階段，巖石的變形將直接影響巖石的變形將直接影響工程的正常使用。工程的正常使用。 此外，只有對(duì)巖石的變形特性的變化規(guī)律有了足夠的了解，才能應(yīng)用此外，只有對(duì)巖石的變形特性的變化規(guī)律有了足夠的了解，才能應(yīng)用某些數(shù)學(xué)表達(dá)式描述巖石的變形特性，某些數(shù)學(xué)表達(dá)式描述巖石的變形特性，進(jìn)一步運(yùn)用這些表達(dá)式計(jì)算巖石在進(jìn)一步運(yùn)用這些表達(dá)式計(jì)算巖石在外荷載作用下所產(chǎn)生的變形來(lái)外荷載作用下所產(chǎn)生的變形來(lái)評(píng)價(jià)巖石的穩(wěn)定性。評(píng)價(jià)巖石的穩(wěn)定性。 隨著對(duì)變形特性的深入研究，有人提出用隨著對(duì)變形特性的深入研究，有人提出

43、用變形表示的破壞判據(jù)代替以變形表示的破壞判據(jù)代替以往常用的應(yīng)力強(qiáng)度判據(jù)。往常用的應(yīng)力強(qiáng)度判據(jù)。可以說(shuō)，這是一個(gè)更切合實(shí)際的可以說(shuō)，這是一個(gè)更切合實(shí)際的新的研究方向。新的研究方向。 由此可見，變形特性是極為重要的。在實(shí)際的工程中，經(jīng)常遇到巖石由此可見，變形特性是極為重要的。在實(shí)際的工程中，經(jīng)常遇到巖石在單軸和三軸壓縮狀態(tài)下的變形問題。因此，本節(jié)著重介紹上述兩種受力在單軸和三軸壓縮狀態(tài)下的變形問題。因此，本節(jié)著重介紹上述兩種受力狀態(tài)下的變形特性。狀態(tài)下的變形特性。巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì).1巖石在單向壓縮應(yīng)力作用下的變形特性巖石在單

44、向壓縮應(yīng)力作用下的變形特性材料中局域源快速材料中局域源快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射，有時(shí)也稱聲發(fā)射，有時(shí)也稱為應(yīng)力波發(fā)射。材為應(yīng)力波發(fā)射。材料在應(yīng)力作用下的料在應(yīng)力作用下的變形與裂紋擴(kuò)展，變形與裂紋擴(kuò)展，是結(jié)構(gòu)失效的重要是結(jié)構(gòu)失效的重要機(jī)制。機(jī)制。巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì) 巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì) 在在AB彈性階段常用彈性模量和泊松彈性階段常用彈性模量和泊松比兩個(gè)參數(shù)來(lái)描述巖石的應(yīng)力比兩個(gè)參數(shù)來(lái)描述巖石的應(yīng)力-應(yīng)變的應(yīng)變的關(guān)系。關(guān)系。 在國(guó)標(biāo)工程巖體

45、試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中，在國(guó)標(biāo)工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中，彈性模量是用應(yīng)力彈性模量是用應(yīng)力-應(yīng)變直線段的斜率應(yīng)變直線段的斜率來(lái)表示，該值被稱作平均模量。來(lái)表示，該值被稱作平均模量。 巖石的模量：巖石的模量： 初始模量初始模量 切線模量切線模量 割線模量割線模量 割線模量割線模量E50 ：是指巖石峰值應(yīng)力是指巖石峰值應(yīng)力的一半的一半(50%) 時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變之比值時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變之比值巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)彈性模量：加載曲線直線段的斜率，彈性模量：加載曲線直線段的斜率，加載曲線直線段大致與卸載曲線的割加載曲線直線段大致與卸載曲線的割線相平行。線相平行。 變形

46、模量：變形模量：取決于總的變形量，即彈取決于總的變形量，即彈性變形與塑性變形之和，它是正應(yīng)力性變形與塑性變形之和，它是正應(yīng)力與總的正應(yīng)變之比，它相應(yīng)于割線與總的正應(yīng)變之比，它相應(yīng)于割線OP的斜率。的斜率。切線模量就是曲線上的切線的斜率；切線模量就是曲線上的切線的斜率； 割線模量就是割線的斜率。割線模量就是割線的斜率。 ddEE 切割巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì) 卸載應(yīng)力水平一定時(shí)，每次循環(huán)中的塑性應(yīng)變?cè)隽恐饾u減小，加、卸載循環(huán)次數(shù)足夠多卸載應(yīng)力水平一定時(shí)，每次循環(huán)中的塑性應(yīng)變

47、增量逐漸減小，加、卸載循環(huán)次數(shù)足夠多后，塑性應(yīng)變?cè)隽繉②呌诹?。后，塑性?yīng)變?cè)隽繉②呌诹恪＜有遁d循環(huán)次數(shù)足夠多時(shí)，卸載曲線與其后一次再加載曲線之間所形成的滯回環(huán)的面積加卸載循環(huán)次數(shù)足夠多時(shí)，卸載曲線與其后一次再加載曲線之間所形成的滯回環(huán)的面積將愈變愈小，且愈靠攏而又愈趨于平行。將愈變愈小，且愈靠攏而又愈趨于平行。每次卸載后再加載，在荷載超過上一次循環(huán)的最大荷載以后，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，塑每次卸載后再加載，在荷載超過上一次循環(huán)的最大荷載以后，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，卸載曲線的斜率也逐次略有增加（強(qiáng)化）。變形曲線仍沿著性滯回環(huán)的面積也有所擴(kuò)大，卸載曲線的斜率也逐次略有增加（強(qiáng)

48、化）。變形曲線仍沿著原來(lái)的單調(diào)加載曲線上升，好像不曾受到反復(fù)加卸荷載的影響似的，這就是所謂的巖石具原來(lái)的單調(diào)加載曲線上升，好像不曾受到反復(fù)加卸荷載的影響似的，這就是所謂的巖石具有記憶效應(yīng)（有記憶效應(yīng)（ Kaiser效應(yīng)）效應(yīng)）。巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì) 剛性試驗(yàn)機(jī)剛性試驗(yàn)機(jī) 一般試驗(yàn)機(jī)在對(duì)試件加載的同時(shí)，本身會(huì)產(chǎn)生很大變形，此時(shí)積蓄在壓力機(jī)一般試驗(yàn)機(jī)在對(duì)試件加載的同時(shí)，本身會(huì)產(chǎn)生很大變形，此時(shí)積蓄在壓力機(jī)中的能量在巖石試樣達(dá)到極限強(qiáng)度的瞬間得到大量釋放，得到試件猛烈破壞飛中的能量在巖石試樣達(dá)到極限強(qiáng)度的瞬間得到大量釋放，得到試件猛烈破壞飛濺，從

49、而得不到巖石的殘余強(qiáng)度。濺，從而得不到巖石的殘余強(qiáng)度。巖石的殘余強(qiáng)度必須在剛性試驗(yàn)機(jī)上試驗(yàn)才巖石的殘余強(qiáng)度必須在剛性試驗(yàn)機(jī)上試驗(yàn)才能得到。能得到。巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì) 對(duì)于試驗(yàn)機(jī)對(duì)于試驗(yàn)機(jī)- -試件系統(tǒng)來(lái)說(shuō)：試件系統(tǒng)來(lái)說(shuō)： 所以儲(chǔ)存于試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)中的能量為：所以儲(chǔ)存于試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)中的能量為： 如果如果 ，儲(chǔ)存于，儲(chǔ)存于試驗(yàn)機(jī)內(nèi)部的能量是試件的試驗(yàn)機(jī)內(nèi)部的能量是試件的5 5倍！倍！()MRMRMRMRPPPKKK KKK2111122RMWPPKK43.5 10RKMPa cm40.7 10MKMPa cm巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本

50、物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì) 在巖石材料達(dá)到峰值強(qiáng)度后，試驗(yàn)機(jī)和試件之間產(chǎn)生的在巖石材料達(dá)到峰值強(qiáng)度后，試驗(yàn)機(jī)和試件之間產(chǎn)生的是一種同步變形，相同的變形條件下，剛性試驗(yàn)機(jī)和柔性試是一種同步變形，相同的變形條件下，剛性試驗(yàn)機(jī)和柔性試驗(yàn)機(jī)釋放的能量不同！驗(yàn)機(jī)釋放的能量不同！巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì).2巖石在三向壓縮應(yīng)力作用下的變形特性巖石在三向壓縮應(yīng)力作用下的變形特性巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì).3巖石在三向壓縮應(yīng)力作用下的變形特性巖石在三向壓縮應(yīng)力作用下的變形特性

51、巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì).4巖石的流變巖石的流變 巖石的流變巖石的流變是指巖石在是指巖石在力的作用力的作用下發(fā)生與下發(fā)生與時(shí)間有關(guān)時(shí)間有關(guān)的變形的性質(zhì)。的變形的性質(zhì)。巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)影響巖石蠕變的主要因素影響巖石蠕變的主要因素 巖石蠕變的影響因素除了組成巖石礦物成分的不同而造成一定的變形巖石蠕變的影響因素除了組成巖石礦物成分的不同而造成一定的變形差異之外，還將受到試驗(yàn)環(huán)境給予的影響，主要表現(xiàn)為以下幾

52、個(gè)方面差異之外，還將受到試驗(yàn)環(huán)境給予的影響，主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面: : （1 1）應(yīng)力水平對(duì)蠕變的影響）應(yīng)力水平對(duì)蠕變的影響 當(dāng)在稍低的應(yīng)力作用下，蠕變曲線只存在著前兩個(gè)階段，并不產(chǎn)生非當(dāng)在稍低的應(yīng)力作用下，蠕變曲線只存在著前兩個(gè)階段，并不產(chǎn)生非穩(wěn)態(tài)蠕變；試件不會(huì)發(fā)生破壞；變形最后將趨向于一個(gè)穩(wěn)定值。穩(wěn)態(tài)蠕變；試件不會(huì)發(fā)生破壞；變形最后將趨向于一個(gè)穩(wěn)定值。 在較高應(yīng)力作用下，試件經(jīng)過短暫的第二階段，立即進(jìn)入非穩(wěn)態(tài)蠕變?cè)谳^高應(yīng)力作用下，試件經(jīng)過短暫的第二階段，立即進(jìn)入非穩(wěn)態(tài)蠕變階段，直至破壞。階段，直至破壞。 在中等應(yīng)力水平（大約為巖石峰值應(yīng)力的在中等應(yīng)力水平（大約為巖石峰值應(yīng)力的60%-90

53、%60%-90%）的作用下，才能）的作用下，才能產(chǎn)生包含三個(gè)階段完整的蠕變曲線。產(chǎn)生包含三個(gè)階段完整的蠕變曲線。 （2 2）溫度、濕度對(duì)蠕變的影響）溫度、濕度對(duì)蠕變的影響 在高溫條件下，總應(yīng)變量低于較低溫度條件下的應(yīng)變量在高溫條件下，總應(yīng)變量低于較低溫度條件下的應(yīng)變量; ; 蠕變曲線第蠕變曲線第二階段的斜率，高溫條件下要比低溫時(shí)小得多。二階段的斜率，高溫條件下要比低溫時(shí)小得多。 飽和試件的第二階段蠕變應(yīng)變速率和總應(yīng)變量都將大于干燥狀態(tài)。飽和試件的第二階段蠕變應(yīng)變速率和總應(yīng)變量都將大于干燥狀態(tài)。巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)u 流變模型流變模型 為描述

54、巖石的蠕變現(xiàn)象，目前常采用簡(jiǎn)單的基本單元來(lái)模擬材料的某種性狀，再將其進(jìn)行組合（串聯(lián)、并聯(lián)）得到較復(fù)雜的模型，并建立其流變方程，來(lái)模擬不同巖石的流變特性。描述巖石蠕變的基本單元有四種。組合方式：串聯(lián)串聯(lián) ；并聯(lián)；并聯(lián)串聯(lián)：串聯(lián)：應(yīng)力相等、應(yīng)變相加應(yīng)力相等、應(yīng)變相加并聯(lián)：并聯(lián)：應(yīng)變相等、應(yīng)力相加應(yīng)變相等、應(yīng)力相加 巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)麥克斯韋（Maxwell）模型1212對(duì)于彈性原件有：111ddEdtE dt對(duì)于粘性原件：2ddt所以對(duì)于總應(yīng)變有：121dddtE dt

55、在蠕變情況下，應(yīng)力不隨時(shí)間變化：0ddt巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)積分求解后可得：0tC由初始條件00,tE所以0CE00tE即：用于模擬軟硬相間巖石 垂直層面加載的情況！巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì) 開爾文（Kelvin）模型 由彈性原件和粘性原件并聯(lián)組成： 其中應(yīng)力分別為：12121122Edddtdt巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)蠕變情況下： 解微分方程可得： 用于模擬軟硬相間巖石 沿層面加載的情況！0dEdt01EteE巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章

56、巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)圣維南（St.vennvan）模型 該模型為理想彈塑性模型，由虎克體和庫(kù)倫體組成： 當(dāng) 時(shí)： 當(dāng) 時(shí)：0121,0E121E0121,E 12 巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì) 指在保持恒定變形條件下應(yīng)力隨時(shí)間逐漸減小的性質(zhì)，可以用松弛方程 和松弛曲線表示。 松弛特征可劃分為以下三個(gè)類型： 立即松弛 完全松弛 不完全松弛 不松弛 不同材料具有不同的 松弛特征，同種材料 在不同的變形條件下也可能表現(xiàn)不同類型的松弛。(, , )0fconstt巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)

57、性質(zhì)2.52.5巖石的強(qiáng)度理論巖石的強(qiáng)度理論 巖石的強(qiáng)度理論是在大量的試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以分析、歸納建立起來(lái)的描述巖石強(qiáng)度特性，判斷巖石破壞的一種基本思想。也可以認(rèn)為，在某種應(yīng)力或組合應(yīng)力的作用下，作為巖石破壞的判據(jù)。巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)p 巖石強(qiáng)度準(zhǔn)則巖石強(qiáng)度準(zhǔn)則：破壞時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)破壞時(shí)的應(yīng)力狀態(tài) 巖石破壞有兩種基本類型： 脆性破壞：它的特點(diǎn)是巖石達(dá)到破壞時(shí)不產(chǎn)生明顯的變形。巖石的脆性破壞是由于應(yīng)力條件下巖石中裂隙的產(chǎn)生和發(fā)展的結(jié)果；格里菲斯強(qiáng)度理論反映其脆性破壞機(jī)理。

58、塑性破壞：破壞時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的塑性變形而不呈現(xiàn)明顯的破壞面。塑性破壞通常是在塑性流動(dòng)狀態(tài)下發(fā)生的，這是由于組成物質(zhì)顆粒間相互滑移所致。莫爾-庫(kù)侖強(qiáng)度理論反映其塑性破壞機(jī)理。巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)經(jīng)典強(qiáng)度理論 材料力學(xué)四大經(jīng)典強(qiáng)度理論對(duì)于巖石而言，可能只有一部分適用。材料力學(xué)四大經(jīng)典強(qiáng)度理論對(duì)于巖石而言，可能只有一部分適用。最大正應(yīng)力理論最大正應(yīng)力理論 當(dāng)作用在巖石上的應(yīng)力大于某一值時(shí)，巖石將發(fā)生破壞。該理論僅適當(dāng)作用在巖石上的應(yīng)力大于某一值時(shí)，巖石將發(fā)生破壞。該理論僅適用于單向受力的條件下的巖石介質(zhì)。用于單向受力的條件下的巖石介質(zhì)。最大正應(yīng)變理

59、論最大正應(yīng)變理論 最大正應(yīng)變理論的基本思想與最大正應(yīng)力理論相同，只是以屈服應(yīng)變最大正應(yīng)變理論的基本思想與最大正應(yīng)力理論相同，只是以屈服應(yīng)變?yōu)槠渑袆e的依據(jù)。為其判別的依據(jù)。最大剪應(yīng)力理論最大剪應(yīng)力理論 當(dāng)作用在某一個(gè)面上的最大剪應(yīng)力滿足極限應(yīng)力狀態(tài)的下述表達(dá)式，當(dāng)作用在某一個(gè)面上的最大剪應(yīng)力滿足極限應(yīng)力狀態(tài)的下述表達(dá)式，巖石將發(fā)生破壞。最大剪應(yīng)力理論適用于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度理論。巖石將發(fā)生破壞。最大剪應(yīng)力理論適用于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度理論。最大應(yīng)變能理論最大應(yīng)變能理論 材料在靜水壓力作用下，是不會(huì)產(chǎn)生破壞的，只有當(dāng)材料的形狀改變材料在靜水壓力作用下，是不會(huì)產(chǎn)生破壞的，只有當(dāng)材料的形狀改變能（偏

60、應(yīng)力所產(chǎn)生的能量能（偏應(yīng)力所產(chǎn)生的能量) )達(dá)到以下表達(dá)式時(shí)，巖石將發(fā)生破壞。達(dá)到以下表達(dá)式時(shí)，巖石將發(fā)生破壞。巖體力學(xué)巖體力學(xué)第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)2.5.1莫爾莫爾-庫(kù)侖庫(kù)侖準(zhǔn)則準(zhǔn)則 莫爾強(qiáng)度理論基本思想：莫爾強(qiáng)度理論基本思想：當(dāng)當(dāng)巖石某個(gè)特定的面巖石某個(gè)特定的面上正應(yīng)力上正應(yīng)力、剪應(yīng)力的組剪應(yīng)力的組合作用達(dá)到合作用達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)一定的數(shù)值時(shí)，即發(fā)生，即發(fā)生破壞破壞。 對(duì)對(duì)破壞破壞特征的特征的假設(shè)：假設(shè)：巖石巖石的強(qiáng)度值與中間的強(qiáng)度值與中間主應(yīng)力的主應(yīng)力的大小無(wú)關(guān)，巖石宏大小無(wú)關(guān)，巖石宏觀的破裂面基本上平行于中間主應(yīng)力的作用方向觀的破裂面基本上平行于中