巖石的物理力學(xué)性質(zhì)

1、第二章第二章 第八節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)第八節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì) 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)是巖體最基本、巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)是巖體最基本、最重要的性質(zhì)之一，也是巖石力學(xué)學(xué)科中研究最最重要的性質(zhì)之一，也是巖石力學(xué)學(xué)科中研究最早、最完善的內(nèi)容之一。早、最完善的內(nèi)容之一。一、巖石的物理性質(zhì)一、巖石的物理性質(zhì)巖石由固體，水，空氣等三相組成。巖石由固體，水，空氣等三相組成。 ( (一一) ) 密度（密度（）和重度）和重度()()： 單位體積的巖石的質(zhì)量稱(chēng)為巖石的密度。單位體積的巖單位體積的巖石的質(zhì)量稱(chēng)為巖石的密度。單位體積的巖石的重力稱(chēng)為巖石的重度。所謂單位體積就是包括孔隙體積石的重力稱(chēng)為巖石的重度。所謂

2、單位體積就是包括孔隙體積在內(nèi)的體積。在內(nèi)的體積。 （g/cmg/cm3 3），），g(kN /mg(kN /m3 3) )巖石的密度可分為天然密度、干密度和飽和密度。巖石的密度可分為天然密度、干密度和飽和密度。相應(yīng)地，巖石的重度可分為天然重度、干重度和飽和重度相應(yīng)地，巖石的重度可分為天然重度、干重度和飽和重度。VW 1 1、天然密度（、天然密度（）和天然重度（）和天然重度（） 指指巖石巖石在在天然狀態(tài)下的密度和重度。天然狀態(tài)下的密度和重度。 VW （g/cm3）(kN /m3)g 式中：式中：WW天然狀態(tài)下巖石試件的質(zhì)量天然狀態(tài)下巖石試件的質(zhì)量(g(g；) ) V V巖石試件的體積巖石試件的體

3、積(cm(cm3 3) )； gg重力加速度。重力加速度。 干密度是干密度是指巖石孔隙中的液體全部被蒸發(fā)后指巖石孔隙中的液體全部被蒸發(fā)后單位體積單位體積巖石的質(zhì)量巖石的質(zhì)量，相應(yīng)的重度即為干重度。，相應(yīng)的重度即為干重度。 VWsd 2 2、干密度（、干密度（d d）和干重度）和干重度(d d ) )（g/cmg/cm3 3）(kN /m(kN /m3 3) )gdd 式中：式中：W Ws s巖石試件烘干后的質(zhì)量巖石試件烘干后的質(zhì)量(g)(g)； VV巖石試件的體積巖石試件的體積(cm(cm3 3) )； gg重力加速度。重力加速度。 3、飽和密度（、飽和密度（ ）和飽和重度）和飽和重度(w)飽

4、和密度就是飽水狀態(tài)下巖石試件的密度。飽和密度就是飽水狀態(tài)下巖石試件的密度。VWww 式中：式中：W WW W飽水狀態(tài)下巖石試件的質(zhì)量飽水狀態(tài)下巖石試件的質(zhì)量 (g)(g)； VV巖石試件的體積巖石試件的體積(cm(cm3 3) )； gg重力加速度。重力加速度。 gww （g/cm3）(kN /m3)（二）巖石的比重（巖石相對(duì)密度）（二）巖石的比重（巖石相對(duì)密度）巖石的比重就是指巖石固體的質(zhì)量與同體積水的質(zhì)巖石的比重就是指巖石固體的質(zhì)量與同體積水的質(zhì)量之比值。巖石固體體積，就是指不包括孔隙體積量之比值。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(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)定，其在內(nèi)的體積。巖

5、石的比重可在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)定，其計(jì)算公式為：計(jì)算公式為：巖石的比重；巖石的比重；VC固體體積； 水的比重)/(1WCVGW（三）巖石的空隙性（三）巖石的空隙性 空隙：空隙：巖石中孔隙和裂隙的總稱(chēng)。巖石中孔隙和裂隙的總稱(chēng)。小開(kāi)型空隙小開(kāi)型空隙空隙空隙閉型空隙閉型空隙開(kāi)型空隙開(kāi)型空隙大開(kāi)型空隙大開(kāi)型空隙 閉型空隙：巖石中不與外界相通的空隙。閉型空隙：巖石中不與外界相通的空隙。 開(kāi)型空隙：巖石中與外界相通的空隙。包括大開(kāi)型空隙和開(kāi)型空隙：巖石中與外界相通的空隙。包括大開(kāi)型空隙和小開(kāi)型空隙。小開(kāi)型空隙。 在常溫下水能進(jìn)入大開(kāi)型空隙，而不能進(jìn)入小開(kāi)型空隙。在常溫下水能進(jìn)入大開(kāi)型空隙，而不能進(jìn)入小開(kāi)型空隙。

6、只有在真空中或在只有在真空中或在150150個(gè)大氣壓以上，水才能進(jìn)入小開(kāi)型空個(gè)大氣壓以上，水才能進(jìn)入小開(kāi)型空隙。隙?？障抖龋嚎障抖龋褐笌r石的裂隙和孔隙發(fā)育程度，其衡指巖石的裂隙和孔隙發(fā)育程度，其衡量指標(biāo)為量指標(biāo)為空隙空隙率率(n)(n)或或空隙空隙比（比（e e）。）。根據(jù)巖石空隙類(lèi)型不同，巖石的空隙率分為根據(jù)巖石空隙類(lèi)型不同，巖石的空隙率分為： (1) (1)總空隙率總空隙率n n (2) (2)大大開(kāi)空隙率開(kāi)空隙率n nb b (3) (3)小小開(kāi)空隙率開(kāi)空隙率n nl l (4) (4)總總開(kāi)空隙開(kāi)空隙率率n n0 0 ( (5)5) 閉空隙率閉空隙率n nc c一般提到巖石的空隙率時(shí)系

7、指巖石的總空隙率。一般提到巖石的空隙率時(shí)系指巖石的總空隙率。1 1、空隙率、空隙率(1)(1)總總空隙率空隙率n: 即巖石試件內(nèi)即巖石試件內(nèi)空隙空隙的體積（的體積（V VV V) )占試件占試件總體積總體積( (V)V)的百分比。的百分比。 (2)(2)大大開(kāi)空隙率開(kāi)空隙率n nb b: :即巖石試件內(nèi)大開(kāi)型空隙的體積（即巖石試件內(nèi)大開(kāi)型空隙的體積（V Vnbnb) )占試件總體積占試件總體積( (V)V)的百分比。的百分比。 %100 VVnV%100 VVnnbb(3)(3)小開(kāi)空隙率小開(kāi)空隙率n nl l: :即巖石試件內(nèi)小開(kāi)型空隙的體積（即巖石試件內(nèi)小開(kāi)型空隙的體積（V Vnlnl)

8、)占試件總體積占試件總體積( (V)V)的百分比。的百分比。 %100 VVnnll(4)(4)總開(kāi)空隙率（總開(kāi)空隙率（孔隙率）孔隙率）n0: 即巖石試件內(nèi)開(kāi)型空隙的即巖石試件內(nèi)開(kāi)型空隙的總體積（總體積（V Vn0n0) )占試件總體積占試件總體積( (V)V)的百分比。的百分比。 (5)(5)閉閉空隙率空隙率n nc c: : 即巖石試件內(nèi)閉型空隙的體積（即巖石試件內(nèi)閉型空隙的體積（V Vncnc) )占占試件總體積試件總體積( (V)V)的百分比。的百分比。 %10000 VVnn%100 VVnncc 所謂所謂空隙空隙比是指巖石試件內(nèi)比是指巖石試件內(nèi)空隙空隙的體積的體積（V V V V)

9、 )與與巖石試件內(nèi)固體礦物顆粒的體積巖石試件內(nèi)固體礦物顆粒的體積（V Vs s) )之比。之比。 2 2 、空隙比、空隙比(e)(e)1VVsVVVneVVVn二、巖石的水理性質(zhì)二、巖石的水理性質(zhì) 巖石遇水后會(huì)引起某些物理、化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)巖石遇水后會(huì)引起某些物理、化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)的改變，巖石的這種性質(zhì)稱(chēng)為巖石的水理性質(zhì)。的改變，巖石的這種性質(zhì)稱(chēng)為巖石的水理性質(zhì)。1 1、巖石的吸水性巖石的吸水性 巖石吸收水分的性能稱(chēng)為巖石的吸水性，其吸巖石吸收水分的性能稱(chēng)為巖石的吸水性，其吸水量的大小取決水量的大小取決于于巖石孔隙體積的大小及其密閉程巖石孔隙體積的大小及其密閉程度。巖石的吸水性指標(biāo)有度。巖石的吸水

10、性指標(biāo)有吸水率吸水率、飽水率飽水率和和飽水系飽水系數(shù)數(shù)。（1）巖石吸水率）巖石吸水率(1)： 是指巖石試件在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下吸入水的重量是指巖石試件在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下吸入水的重量W W11與巖石干重量與巖石干重量W Ws s之比。之比。 巖石的吸水率的大小，取決于巖石所含孔隙、裂隙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(kāi)閉程度及其分布情況，并且還與試驗(yàn)的數(shù)量、大小、開(kāi)閉程度及其分布情況，并且還與試驗(yàn)條件條件（整體和碎塊，（整體和碎塊，浸水時(shí)間浸水時(shí)間等）等）有關(guān)。有關(guān)。 根據(jù)巖石的吸水率可求得巖石的大開(kāi)空隙率根據(jù)巖石的吸水率可求得巖石的大開(kāi)空隙率n nb b：%10011 sW

11、WsnbsnbbWVVWVVn 式中：式中：W W s s為干燥巖石的重量為干燥巖石的重量；d d,w w分別為干燥巖石和水的重度。分別為干燥巖石和水的重度。wdnbsWVVW 111 （2）巖石的飽水率（）巖石的飽水率（2） 巖石的飽水率指在巖石的飽水率指在高壓（高壓（150150個(gè)大氣壓）或真空個(gè)大氣壓）或真空條件下，巖石吸入水的重量條件下，巖石吸入水的重量W W22與巖石干重量與巖石干重量W Ws s之比，之比，即：即： %10022 sWW 根據(jù)飽水率求得巖石的總開(kāi)空隙率根據(jù)飽水率求得巖石的總開(kāi)空隙率n n0 0：wdsnsnWVVWVVn 2000 式中：式中：W Ws s為干燥巖石

12、重量；為干燥巖石重量；d d,w w干燥巖石和水的重度。干燥巖石和水的重度。（3）巖石的飽水系數(shù)（）巖石的飽水系數(shù)（Ks） 巖石吸水率與飽水率之比稱(chēng)為巖石的飽水系數(shù)，即巖石吸水率與飽水率之比稱(chēng)為巖石的飽水系數(shù)，即 21 sK 飽水系數(shù)反映了巖石中大開(kāi)空隙和小開(kāi)空隙的相對(duì)飽水系數(shù)反映了巖石中大開(kāi)空隙和小開(kāi)空隙的相對(duì)含量。飽水系數(shù)越大，巖石中的大開(kāi)空隙越多，而小開(kāi)含量。飽水系數(shù)越大，巖石中的大開(kāi)空隙越多，而小開(kāi)空隙越少?？障对缴?。 吸水性較大的巖石吸水后往往會(huì)產(chǎn)生膨脹，給井巷吸水性較大的巖石吸水后往往會(huì)產(chǎn)生膨脹，給井巷支護(hù)造成很大壓力。支護(hù)造成很大壓力。 地下水存在于巖石孔隙、裂隙之中，而且大多數(shù)

13、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(chēng)為巖石的透水性。巖石的透水性大透水的性能稱(chēng)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(guān)，而且還與孔隙小不僅與巖石的孔隙度大小有關(guān)，而且還與孔隙大小及其貫通程度有關(guān)。大小及其貫通程度有關(guān)。 衡量巖石透水性的指標(biāo)為滲透系數(shù)衡量巖石透水性的指標(biāo)為滲透系數(shù)(K)。一般來(lái)。一般來(lái)說(shuō)，完整密實(shí)的巖石的滲透系數(shù)往往很小。巖石說(shuō)，完整密實(shí)的巖石的滲透系數(shù)往往很小。巖石的滲透系數(shù)

14、一般是在鉆孔中進(jìn)行抽水或壓水試驗(yàn)的滲透系數(shù)一般是在鉆孔中進(jìn)行抽水或壓水試驗(yàn)而測(cè)定的。而測(cè)定的。2 2、巖石透水性、巖石透水性Adxdhkqxdxdh2 2、巖石透水性、巖石透水性 在一定的水壓作用下，水穿透巖石的能力。反映了巖石中裂隙向相互連通的程度，大多滲透性可用達(dá)西（Darcy）定律描述：m3/s）水頭變化率(水力梯度）；qx沿x方向水的流量；h水頭高度； A垂直x方向的截面面積；k滲透系數(shù)。 3、巖石的軟化性、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(qiáng)度相對(duì)巖石的軟化性是指巖石在飽水狀態(tài)下其強(qiáng)度相對(duì)于干燥狀態(tài)下降低的性能，可用軟化系數(shù)于干燥狀態(tài)下降低的性能，可用軟化系數(shù)表示表示。

15、 軟化系數(shù)指軟化系數(shù)指巖石試樣在飽水狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度巖石試樣在飽水狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度cbcb與在干燥狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度與在干燥狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度c c之比，即之比，即ccbc 各類(lèi)巖石的各類(lèi)巖石的c c=0.45=0.450.90.9之間。之間。c c 0.75, 0.75,巖石軟化性弱、抗水、抗風(fēng)化能力強(qiáng)；巖石軟化性弱、抗水、抗風(fēng)化能力強(qiáng)；c c 0.75 1h/d1的巖塊的抗壓的巖塊的抗壓強(qiáng)度：強(qiáng)度：式中：式中：c1c1 h/d=1 h/d=1的試件抗壓強(qiáng)度；的試件抗壓強(qiáng)度； c c h/d1 h/d1的試件抗壓強(qiáng)度。的試件抗壓強(qiáng)度。 )(22. 0778. 01hdcc scI24 式中：式中

16、：Is點(diǎn)荷載強(qiáng)度指標(biāo)，點(diǎn)荷載強(qiáng)度指標(biāo)，2/ DPIs 對(duì)于風(fēng)化嚴(yán)重，難以對(duì)于風(fēng)化嚴(yán)重，難以加工成試件的巖石，可根加工成試件的巖石，可根據(jù)點(diǎn)荷載試驗(yàn)計(jì)算巖石的據(jù)點(diǎn)荷載試驗(yàn)計(jì)算巖石的抗壓強(qiáng)度：抗壓強(qiáng)度： 影響單軸抗壓強(qiáng)度的主要因素影響單軸抗壓強(qiáng)度的主要因素（1）承壓板端部的摩擦力及其剛度（加墊塊的依據(jù)）（2）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； 50的依據(jù) 高徑比：研究表明；h/d(23)較合理（3）加載速度 加載速度越大，表現(xiàn)強(qiáng)度越高(見(jiàn)圖25) 我國(guó)規(guī)定加載速度為0.5 1.0MPa/s（4）環(huán)境 含水量：含水量越大強(qiáng)度越低；巖石越軟越明顯，對(duì)

17、泥巖、粘土等軟弱巖體，干燥強(qiáng)度是飽和強(qiáng)度的23倍。 溫度度：180以下部明顯：大于180，濕度越高強(qiáng)度越小。(5) 巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造 a、垂直節(jié)理 平行節(jié)理 b、非結(jié)晶巖石 結(jié)晶巖石 c、 細(xì)結(jié)晶 粗結(jié)晶(6) 裂隙和風(fēng)化作用2)2)、巖石的單軸抗拉強(qiáng)度、巖石的單軸抗拉強(qiáng)度t ta a、直接拉伸試驗(yàn)、直接拉伸試驗(yàn)APt b b、間接拉伸試驗(yàn)、間接拉伸試驗(yàn)圓餅試件：圓餅試件： tdPt 2 (a)劈裂法（巴西試驗(yàn)法）劈裂法（巴西試驗(yàn)法）方形試件方形試件：ahPt 2 式中：式中：PP破壞時(shí)的荷載，破壞時(shí)的荷載，N;N; d d 試件直徑；試件直徑；cm； tt試件厚度，試件厚度，cm； a a，h

18、h方形方形試件邊長(zhǎng)和厚度，試件邊長(zhǎng)和厚度，cm。3/2VPt 不規(guī)則試件（加壓方向應(yīng)滿足不規(guī)則試件（加壓方向應(yīng)滿足h/a1.5 ）：）： 式中：式中：PP破壞時(shí)的荷載，破壞時(shí)的荷載，N;N; a a加壓方向的尺寸；加壓方向的尺寸； hh厚度；厚度； V不規(guī)則試件的體積。不規(guī)則試件的體積。 由于巖石中的微裂隙，在間接拉伸試驗(yàn)中，外力由于巖石中的微裂隙，在間接拉伸試驗(yàn)中，外力都是壓力，必然使部分微裂隙閉合，產(chǎn)生摩擦力，從都是壓力，必然使部分微裂隙閉合，產(chǎn)生摩擦力，從而使測(cè)得的抗拉強(qiáng)度值比直接拉伸法測(cè)得的大。而使測(cè)得的抗拉強(qiáng)度值比直接拉伸法測(cè)得的大。296.0DPt (b) 點(diǎn)荷載試驗(yàn)法點(diǎn)荷載試驗(yàn)法

19、 經(jīng)驗(yàn)公式：經(jīng)驗(yàn)公式：式中：式中：PP破壞時(shí)的荷載，破壞時(shí)的荷載，N N； D D 試件直徑；試件直徑；cm。 試件直徑試件直徑1.273.05cm巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度，一般情況下，巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度，一般情況下，ct )501101( 3)3)、巖石的抗剪切強(qiáng)度、巖石的抗剪切強(qiáng)度f(wàn) fA A、剪切面上無(wú)壓應(yīng)力的剪切試驗(yàn)、剪切面上無(wú)壓應(yīng)力的剪切試驗(yàn)APAT試件尺寸：直徑或邊長(zhǎng)不小于試件尺寸：直徑或邊長(zhǎng)不小于50mm50mm，高度應(yīng)等于直徑或邊長(zhǎng)。，高度應(yīng)等于直徑或邊長(zhǎng)。改變改變P,P,即可測(cè)得多組即可測(cè)得多組、，作出，作出曲線。曲線。B B、剪切面上有壓應(yīng)力的剪切試驗(yàn)

20、、剪切面上有壓應(yīng)力的剪切試驗(yàn) 不規(guī)則齒接觸不規(guī)則齒接觸（1977 NBarton1977 NBarton）經(jīng)驗(yàn)公式：)lg(tanbnnJCSJRC)lg()tan(nbnJCSarcJRCJRC為節(jié)理粗糙系數(shù)JCS為節(jié)理壁抗壓強(qiáng)度庫(kù)倫（庫(kù)倫（Coulomb)準(zhǔn)則準(zhǔn)則 1773 1773年庫(kù)倫提出了一個(gè)重要的準(zhǔn)則（年庫(kù)倫提出了一個(gè)重要的準(zhǔn)則（“摩擦摩擦”準(zhǔn)則）。準(zhǔn)則）。庫(kù)倫認(rèn)為，材料的破壞主要是剪切破壞，當(dāng)材料某一斜面庫(kù)倫認(rèn)為，材料的破壞主要是剪切破壞，當(dāng)材料某一斜面上的剪應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)該破壞面上的粘結(jié)力和摩擦阻力之上的剪應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)該破壞面上的粘結(jié)力和摩擦阻力之和，便會(huì)造成材料沿該斜面產(chǎn)生

21、剪切滑移破壞。和，便會(huì)造成材料沿該斜面產(chǎn)生剪切滑移破壞。 tgcf 式中：式中： f f 材料剪切面上的抗剪強(qiáng)度；材料剪切面上的抗剪強(qiáng)度； c c材料的粘結(jié)力；材料的粘結(jié)力； 剪切面上的正應(yīng)力。剪切面上的正應(yīng)力。 C C、斜剪試驗(yàn)、斜剪試驗(yàn) 忽略端部摩擦力，根據(jù)力忽略端部摩擦力，根據(jù)力的平衡原理，作用于剪切面上的平衡原理，作用于剪切面上的法向力的法向力N N和切向力和切向力Q Q可按下式可按下式計(jì)算：計(jì)算：N = Pcos N = Pcos Q = PsinQ = Psin剪切面上的法向應(yīng)力剪切面上的法向應(yīng)力和剪應(yīng)和剪應(yīng)力力為：為： cosAPAN sinAPAQ 6、巖石的物理力學(xué)參數(shù)及強(qiáng)度

22、相互關(guān)系巖石的單軸抗拉強(qiáng)度為為單軸抗壓強(qiáng)度的1/381/5巖石的抗剪強(qiáng)度為單軸抗壓強(qiáng)度的1/151/2。巖石在荷載長(zhǎng)期作用下的抗破壞能力要比短時(shí)間的加載下的抗破壞能力小。 對(duì)于堅(jiān)硬巖石，前者是后者的70%80%。 對(duì)于軟質(zhì)巖石，前者是后者的40%60%。幾種巖石的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表（教材表3-14） 彈性（可恢復(fù)） 與時(shí)間無(wú)關(guān)的變形 塑性（不恢復(fù)） 與時(shí)間有關(guān)的流變 巖石的時(shí)間效應(yīng)蠕變松弛巖石變形7.巖石的流變特性巖石的流變特性巖石的流變特性巖石的流變特性：流變是指物質(zhì)在外部條件不變的情況下，應(yīng)力：流變是指物質(zhì)在外部條件不變的情況下，應(yīng)力或應(yīng)變隨時(shí)間變化而變化的現(xiàn)象。這個(gè)問(wèn)題國(guó)際上或應(yīng)變隨時(shí)間變化而變化的現(xiàn)象。這個(gè)問(wèn)題國(guó)際上 1979年國(guó)際巖年國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)（瑞士）提出來(lái)的。石力學(xué)學(xué)會(huì)（瑞士）提出來(lái)的。 表示表示 變形變形時(shí)間曲線叫流變曲線時(shí)間曲線叫流變曲線主要包括主要包括 蠕變?nèi)渥儯簬r石在恒定應(yīng)力作用下：巖石在恒定應(yīng)力作用下,變形隨時(shí)間延續(xù)而不斷增長(zhǎng)的現(xiàn)變形