工程地質學-第二章-巖石的工程地質性質-2-巖石的力學性質課件

第二節(jié)巖石的力學性質基本概念巖石力學性質：巖石在外力作用下所表現(xiàn)出來的性質。巖石變形：在外力作用下產生變形，這種變形又可分為彈性變形和塑性變形。彈性變形：是物體受力發(fā)生的全部變形，在外力解除的同時立即消失，因而是可逆變形。塑性變形：是物體受力變形后，在外力解除后，變形也不再恢復，是不可逆變形，又稱為永久變形或殘余變形。巖石強度：指巖石抵抗外力破壞的能力。根據(jù)破壞時的應力類型，巖石的破壞可有拉破壞、剪破壞和流動破壞三種基本類型。由于受力狀態(tài)和破壞形式的不同，巖石的強度又可分為單軸抗壓強度、單軸抗拉強度、抗剪強度和三軸壓縮強度等。第二節(jié)巖石的力學性質基本概念一、巖石的變形性質1.巖石在單軸壓縮應力作用下的變形特性1)普通試驗機下應力－應變曲線形狀與巖性有關。(1)典型的巖石應力、應變曲線特征為：Ⅰ.壓密階段Ⅱ.彈性變形至微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段Ⅲ.非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段（或稱累進性破裂階段）Ⅳ.破壞后階段一、巖石的變形性質1.巖石在單軸壓縮應力作用下的變形特性分三階段（1）原生微裂隙壓密階段（OA級）特點：①曲線，應變率隨應力增加而減?。虎谒苄宰冃危ㄗ冃尾豢苫謴停┰颍何⒘严堕]合（壓密）（2）彈性變形階段（AB段）特點：①曲線是直線；②彈性模量，E為常數(shù)（變形可恢復）原因：巖石固體部分變形，B點開始屈服，B點對應的應力為屈服極限。分三階段（3）塑性變形階段（BC）特點：①曲線，軟化現(xiàn)象；②塑性變形，變形不可恢復；③應變速率不斷增大。原因：新裂紋產生，原生裂隙擴展。巖石越硬，BC段越短，脆性性質越顯著。脆性：應力超出屈服應力后，并不表現(xiàn)出明顯的塑性變形的特性，而破壞，即為脆性破壞。（3）塑性變形階段（BC）（2）巖石變形參數(shù)的確定泊松比μ是指在單軸壓縮條件下，巖石試件的橫向應變εd與軸向應變εa之比，即

μ＝εd/εa（2）巖石變形參數(shù)的確定二、巖石的單軸抗壓強度1.定義：指巖石試件在無側限的條件下，受軸向壓力作用破壞時單位面積上承受的荷載。

式中：P——無側限的條件下的軸向破壞荷載A——試件界面積2.試件方法：

圓柱形試件：φ4.8－5.2cm，高H=（2－2.5)φ

長方體試件：邊長L=4.8－5.2cm,高H=（2－2.5)L

試件兩端不平度0.5mm；尺寸誤差±0.3mm;

兩端面垂直于軸線±0.25o（1）試件標準：二、巖石的單軸抗壓強度1.定義：指巖石試件在無側限的條件下3.影響單軸抗壓強度的主要因素（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：圓形試件不易產生應力集中，好加工尺寸：大于礦物顆粒的10倍；φ50的依據(jù)高徑比：研究表明；h/d≥(2－3)較合理（3）加載速度加載速度越大，表現(xiàn)強度越高(見圖2－5)

我國規(guī)定加載速度為0.5－1.0MPa/s（4）環(huán)境含水量：含水量越大強度越低；巖石越軟越明顯，對泥巖、粘土等軟弱巖體，干燥強度是飽和強度的2－3倍。

溫度度：180℃以下部明顯：大于180℃，濕度越高強度越小。3.影響單軸抗壓強度的主要因素（1）承壓板端部的摩擦力及其剛三、巖石的抗拉強度1.定義：巖石試件在受到軸向拉應力后其試件發(fā)生破壞時的單位面積上所受的拉力。2.直接拉伸法抗拉強度關鍵技術①試件和夾具之間的連接②加力P與試件同心四、巖石的抗剪強度1.定義指一定的應力條件下（主要指壓應力），所能抵抗的最大剪應力常用表示2.類型：

a.抗剪斷試驗類型b.抗切斷試驗

c.弱面抗剪試驗三、巖石的抗拉強度1.定義：巖石試件在受到軸向拉應力后其試五、影響巖石力學性質的因素（一）礦物成分對巖石力學性質的影響1、礦物硬度的影響礦物硬度大，巖石的彈性越明顯，強度越高。如巖漿巖，橄欖石等礦物含量的增多，彈性越明顯，強度越高；沉積巖中，砂巖的彈性及強度隨石英含量的增加而增高；石灰?guī)r的彈性和強度隨硅質物含量的增加而增高。變質巖中，含硬度低的礦物（如云母、滑石、蒙脫石、伊利石、高嶺石等）越多，強度越低。五、影響巖石力學性質的因素（一）礦物成分對巖石力學性質的2、不穩(wěn)定礦物的影響化學性質不穩(wěn)定的礦物，如黃鐵礦、霞石以及易溶于水的鹽類，如石膏、滑石、鉀鹽等，具有易變性和溶解性。含有這些礦物的巖石其力學性質隨時間而變化。3、粘土礦物的影響含有粘土礦物（蒙脫石、伊利石、高嶺石等）的巖石，遇水時發(fā)生膨脹和軟化，強度降低很大。2、不穩(wěn)定礦物的影響

（二）巖石的結構構造對巖石力學性質的影響1、巖石結構的影響巖石的結構——指巖石中晶?；驇r石顆粒的大小、形狀以及結合方式。巖漿巖：粒狀結構、斑狀結構、玻璃質結構；沉積巖：粒狀結構、片架結構、斑基結構；變質巖：板理結構、片理結構、片麻理結構。巖石的結構對巖石力學性質的影響主要表現(xiàn)在結構的差異上。例如：粒狀結構中，等粒結構比非等粒結構強度高；在等粒結構中，細粒結構比粗粒結構強度高。（二）巖石的結構構造對巖石力學性質的影響1、巖石結構

2、巖石構造的影響巖石的構造——指巖石中不同礦物集合體之間或礦物集合體與其他組成部分之間的排列方式及充填方式。巖漿巖：顆粒排列無一定的方向，形成塊狀構造；沉積巖：層理構造、頁片狀構造；變質巖：板狀構造、片理構造、片麻理構造。層理、片理、板理和流面構造等統(tǒng)稱為層狀構造。宏觀上，塊狀構造的巖石多具有各向同性特征，而層狀構造巖石具有各向異性特征。2、巖石構造的影響（三）水對巖石力學性能的影響巖石中的水

水對巖石力學性質的影響與巖石的孔隙性和水理性（吸水性、軟化性、崩解性、膨脹性、抗凍性）有關。水對巖石力學性質的影響主要體現(xiàn)在5個方面：連結作用、潤滑作用、水楔作用、孔隙壓力作用、溶蝕及潛蝕作用。結合水（連結、潤滑、水楔作用）重力水（自由水）（孔隙壓力、溶蝕及潛蝕作用）。（三）水對巖石力學性能的影響巖石中的水水對巖石力學性質的影1、連結作用：束縛在礦物表面的水分子通過其吸引力將礦物顆粒拉近，起連結作用。這種作用相對于礦物顆粒間的連結強度非常微弱，故對巖石力學性質影響很小，但對于被土充填的結構面的力學性質影響很明顯。2、潤滑作用：由可溶鹽、膠體礦物連結的巖石，當水浸入時，可溶鹽溶解，膠體水解，導致礦物顆粒間的連結力減弱，摩擦力降低，水起到潤滑作用。1、連結作用：束縛在礦物表面的水分子通過其吸引力將礦物顆粒拉3、水楔作用：當兩個礦物顆?？康煤芙?，有水分子補充到礦物表面時，礦物顆粒利用其表面吸引力將水分子拉到自己周圍，在顆粒接觸處由于吸引力作用使水分子向兩個礦物顆粒之間的縫隙內擠入，這種現(xiàn)象稱為水楔作用。

水楔作用的兩種結果：一是巖石體積膨脹，產生膨脹壓力；二是水膠連結代替膠體及可溶鹽連結，產生潤滑作用，巖石強度降低。3、水楔作用：當兩個礦物顆粒靠得很近，有水分子補充到礦物表面4、孔隙水壓力作用：對于孔隙或裂隙中含有自由水的巖石，當其突然受荷載作用水來不及排出時，會產生很高的孔隙水壓力，減小了顆粒之間的壓應力，從而降低了巖石的抗剪強度。5、溶蝕－潛蝕作用：水在巖石中滲透的過程中，可將可溶物質溶解帶走（溶蝕），有時將巖石中的小顆粒沖走（潛蝕），從而使巖石強度大為降低，變形增大。

水對巖石強度的影響通常用軟化系數(shù)表示。4、孔隙水壓力作用：對于孔隙或裂隙中含有自由水的巖石，當其突（四）風化對巖石力學性能的影響

風化程度不同，對巖石力學性質的影響程度也不同：1、降低巖體結構面的粗糙程度并產生新的裂隙，使巖體分裂成更小的碎塊，進一步破壞巖體的完整性。2、巖石在化學風化過程中，礦物成分發(fā)生變化，原生礦物受水解、水化、氧化等作用，逐漸為次生礦物所代替，特別是產生粘土礦物，并隨著風化程度的加深，這類礦物逐漸增多。（四）風化對巖石力學性能的影響風化程度不同，對巖石力3、由于巖石和巖體的成分結構和構造的變化，巖體的物理力學性質也隨之變化。一般：抗水性降低，親水性增高（如膨脹性、崩解性、軟化性增強），強度降低，壓縮性加大，孔隙性增加，透水性增強（但當風化劇烈，粘土礦物較多時，透水性又趨于降）。

總之，巖體在風化營力作用下，巖體的力學性質大大惡化。3、由于巖石和巖體的成分結構和構造的變化，巖體的物理力學第二節(jié)巖石的力學性質基本概念巖石力學性質：巖石在外力作用下所表現(xiàn)出來的性質。巖石變形：在外力作用下產生變形，這種變形又可分為彈性變形和塑性變形。彈性變形：是物體受力發(fā)生的全部變形，在外力解除的同時立即消失，因而是可逆變形。塑性變形：是物體受力變形后，在外力解除后，變形也不再恢復，是不可逆變形，又稱為永久變形或殘余變形。巖石強度：指巖石抵抗外力破壞的能力。根據(jù)破壞時的應力類型，巖石的破壞可有拉破壞、剪破壞和流動破壞三種基本類型。由于受力狀態(tài)和破壞形式的不同，巖石的強度又可分為單軸抗壓強度、單軸抗拉強度、抗剪強度和三軸壓縮強度等。第二節(jié)巖石的力學性質基本概念一、巖石的變形性質1.巖石在單軸壓縮應力作用下的變形特性1)普通試驗機下應力－應變曲線形狀與巖性有關。(1)典型的巖石應力、應變曲線特征為：Ⅰ.壓密階段Ⅱ.彈性變形至微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段Ⅲ.非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段（或稱累進性破裂階段）Ⅳ.破壞后階段一、巖石的變形性質1.巖石在單軸壓縮應力作用下的變形特性分三階段（1）原生微裂隙壓密階段（OA級）特點：①曲線，應變率隨應力增加而減??；②塑性變形（變形不可恢復）原因：微裂隙閉合（壓密）（2）彈性變形階段（AB段）特點：①曲線是直線；②彈性模量，E為常數(shù)（變形可恢復）原因：巖石固體部分變形，B點開始屈服，B點對應的應力為屈服極限。分三階段（3）塑性變形階段（BC）特點：①曲線，軟化現(xiàn)象；②塑性變形，變形不可恢復；③應變速率不斷增大。原因：新裂紋產生，原生裂隙擴展。巖石越硬，BC段越短，脆性性質越顯著。脆性：應力超出屈服應力后，并不表現(xiàn)出明顯的塑性變形的特性，而破壞，即為脆性破壞。（3）塑性變形階段（BC）（2）巖石變形參數(shù)的確定泊松比μ是指在單軸壓縮條件下，巖石試件的橫向應變εd與軸向應變εa之比，即

μ＝εd/εa（2）巖石變形參數(shù)的確定二、巖石的單軸抗壓強度1.定義：指巖石試件在無側限的條件下，受軸向壓力作用破壞時單位面積上承受的荷載。

式中：P——無側限的條件下的軸向破壞荷載A——試件界面積2.試件方法：

圓柱形試件：φ4.8－5.2cm，高H=（2－2.5)φ

長方體試件：邊長L=4.8－5.2cm,高H=（2－2.5)L

試件兩端不平度0.5mm；尺寸誤差±0.3mm;

兩端面垂直于軸線±0.25o（1）試件標準：二、巖石的單軸抗壓強度1.定義：指巖石試件在無側限的條件下3.影響單軸抗壓強度的主要因素（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：圓形試件不易產生應力集中，好加工尺寸：大于礦物顆粒的10倍；φ50的依據(jù)高徑比：研究表明；h/d≥(2－3)較合理（3）加載速度加載速度越大，表現(xiàn)強度越高(見圖2－5)

我國規(guī)定加載速度為0.5－1.0MPa/s（4）環(huán)境含水量：含水量越大強度越低；巖石越軟越明顯，對泥巖、粘土等軟弱巖體，干燥強度是飽和強度的2－3倍。

溫度度：180℃以下部明顯：大于180℃，濕度越高強度越小。3.影響單軸抗壓強度的主要因素（1）承壓板端部的摩擦力及其剛三、巖石的抗拉強度1.定義：巖石試件在受到軸向拉應力后其試件發(fā)生破壞時的單位面積上所受的拉力。2.直接拉伸法抗拉強度關鍵技術①試件和夾具之間的連接②加力P與試件同心四、巖石的抗剪強度1.定義指一定的應力條件下（主要指壓應力），所能抵抗的最大剪應力常用表示2.類型：

a.抗剪斷試驗類型b.抗切斷試驗

c.弱面抗剪試驗三、巖石的抗拉強度1.定義：巖石試件在受到軸向拉應力后其試五、影響巖石力學性質的因素（一）礦物成分對巖石力學性質的影響1、礦物硬度的影響礦物硬度大，巖石的彈性越明顯，強度越高。如巖漿巖，橄欖石等礦物含量的增多，彈性越明顯，強度越高；沉積巖中，砂巖的彈性及強度隨石英含量的增加而增高；石灰?guī)r的彈性和強度隨硅質物含量的增加而增高。變質巖中，含硬度低的礦物（如云母、滑石、蒙脫石、伊利石、高嶺石等）越多，強度越低。五、影響巖石力學性質的因素（一）礦物成分對巖石力學性質的2、不穩(wěn)定礦物的影響化學性質不穩(wěn)定的礦物，如黃鐵礦、霞石以及易溶于水的鹽類，如石膏、滑石、鉀鹽等，具有易變性和溶解性。含有這些礦物的巖石其力學性質隨時間而變化。3、粘土礦物的影響含有粘土礦物（蒙脫石、伊利石、高嶺石等）的巖石，遇水時發(fā)生膨脹和軟化，強度降低很大。2、不穩(wěn)定礦物的影響

（二）巖石的結構構造對巖石力學性質的影響1、巖石結構的影響巖石的結構——指巖石中晶粒或巖石顆粒的大小、形狀以及結合方式。巖漿巖：粒狀結構、斑狀結構、玻璃質結構；沉積巖：粒狀結構、片架結構、斑基結構；變質巖：板理結構、片理結構、片麻理結構。巖石的結構對巖石力學性質的影響主要表現(xiàn)在結構的差異上。例如：粒狀結構中，等粒結構比非等粒結構強度高；在等粒結構中，細粒結構比粗粒結構強度高。（二）巖石的結構構造對巖石力學性質的影響1、巖石結構

2、巖石構造的影響巖石的構造——指巖石中不同礦物集合體之間或礦物集合體與其他組成部分之間的排列方式及充填方式。巖漿巖：顆粒排列無一定的方向，形成塊狀構造；沉積巖：層理構造、頁片狀構造；變質巖：板狀構造、片理構造、片麻理構造。層理、片理、板理和流面構造等統(tǒng)稱為層狀構造。宏觀上，塊狀構造的巖石多具有各向同性特征，而層狀構造巖石具有各向異性特征。2、巖石構造的影響（三）水對巖石力學性能的影響巖石中的水

水對巖石力學性質的影響與巖石的孔隙性和水理性（吸水性、軟化性、崩解性、膨脹性、抗凍性）有關。水對巖石力學性質的影響主要體現(xiàn)在5個方面：連結作用、潤滑作用、水楔作用、孔隙壓力作用、溶蝕及潛蝕作用。結合水（連結、潤滑、水楔作用）重力水（自由水）（孔隙壓力、溶蝕及潛蝕作用）。（三）水對巖石力學性能的影響巖石中的水水對巖石力學性質的影1、連結作用：束縛在礦物表面的水分子通過其吸引力將礦物顆粒拉近，起連結作用。這種作用相對于礦物顆粒間的連結強度非常微弱，故對巖石力學性質影響很小，但對于被土充填的結構面的力學性質影響很明顯。2、潤滑作用：由可溶鹽、膠體礦物連結的巖石，當水浸入時，可溶鹽溶解，膠體水解，導致礦物顆粒間的連結力減弱，摩擦力降低，水起到潤滑作用。1、連結作用：束縛在礦物表面的水分子通過其吸引力將礦物顆粒