巖塊的物理力學性質

關于巖塊的物理力學性質第1頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三§2.2巖石的物理性質一、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。msmwo水氣V0VWVSVV固巖石三相組成部分的相對比例關系不同所表現的物理狀態(tài)。第2頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三一、巖石的密度（單位體積內的巖石質量）1、顆粒密度(ρs)：ρs=ms/Vs2、塊體密度(ρ)：巖塊單位體積的質量。按含水量的多少可分為：天然密度：ρ=m/V

干密度：ρd=ms/V

飽和密度:ρsat=msat/Vmsmwo水氣V0VWVSVV固第3頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三二、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第4頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三空隙性對巖塊及巖體力學性質影響1、n愈大，巖塊的強度愈小、塑性變形和滲透性愈大；2、空隙易造成巖石風化，工程地質性質惡化；3、對可溶性巖石，空隙使巖溶發(fā)育。第5頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三巖石在水溶液作用下表現出來的性質。

1.吸水性2.軟化性3.抗凍性4.透水性§2.3

巖石的水理性質第6頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三一、巖石的吸水性

巖石在一定試驗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量(mw1)與巖樣干質量(ms)之比，用百分數表示大開空隙率第7頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三2.飽和吸水率Wp：高壓(15MPa)或真空條件下吸入水的質量(mw2)與巖樣干質量(ms)之比，用百分數表示總開空隙率第8頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三Wa/Wp3.飽水系數反映巖石中大、小開空隙的相對比例關系。飽水系數大,大開空隙越多,巖石愈易被凍壞，抗凍性差第9頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三

幾種巖石的吸水性指標值第10頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三二、巖石的軟化性軟化系數(KR)：巖石試件的飽和抗壓強度(σcw)與干抗壓強度(σc)的比值巖石浸水飽和后強度降低的性質第11頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三巖石中含有較多親水性和可溶性礦物，含大開空隙較多時，巖石的軟化性較強，軟化系數較小。（軟化性與巖石礦物成分及空隙性有關）KR＞0.75，巖石軟化性弱，抗凍性和抗風化能力強；KR＜0.75，巖石軟化性較強，工程地質性質較差。第12頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三三、巖石的抗凍性巖石抵抗凍融破壞的能力抗凍系數(Rd)：巖石試件經反復凍融后的干抗壓強度(σcd2)與凍融前干抗壓強度(σcd1)之比，用百分數表示第13頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三Rd＞75％，Km＜2％時，抗凍性高；Wa＜5％、KR＞0.75和Rd＜0.8時，抗凍性高。質量損失率(Km)：凍融試驗前后干質量之差(ms1-ms2)與試驗前干質量(ms1)之比，以百分數表示第14頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三四、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。水在巖石中的流動，服從線性滲流規(guī)律——達西定律，即K：cm/sm/d滲透流速滲透系數水力梯度第15頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三§2.4巖石的熱學性質（自學）第16頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三復習總結1、巖石的物理性質

1)巖石的密度

2)巖石的空隙性2、巖石的水理性質1).吸水性：吸水率(Wa)、飽和吸水率(Wp)、飽水系數

2).軟化性：軟化系數(KR)3).抗凍性：抗凍系數(Rd)、質量損失率(Km)4).透水性：滲透系數(K)顆粒密度(ρs)塊體密度(ρ、ρd、ρsat)空隙比(e)空隙率(nn0nanbnc)第17頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三巖塊的變形與強度性質應力、應變應力狀態(tài)、摩爾應力圓幾個基本概念zyxzzxzyxyxzyzyxxy任意狀態(tài)主應力狀態(tài)第18頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三強度、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度性質第19頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三§2.5巖塊的變形性質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)加荷逐級一次循環(huán)加荷反復循環(huán)加卸荷加剪力tptptp巖塊的變形與強度性質第20頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三一、單軸壓縮條件下的巖塊變形（一）連續(xù)加載

1、變形階段空隙壓密階段(OA)峰值前變形階段峰值后變形階段oABCDE(+)(-)L

V

d

巖塊的變形與強度性質破壞后階段(DE)全過程曲線前過程曲線非穩(wěn)定發(fā)展階段(CD)D點:峰值強度微裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段(BC)C點:屈服強度彈性變形階段(AB)B點:彈性極限第21頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三巖塊的變形與強度性質第22頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三2、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度性質第23頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三（2）變形參數1)變形模量（modulusofdeformation)是指單軸壓縮條件下，軸向壓應力與軸向應變之比。應力-應變曲線為直線型這時變形模量又稱為彈性模量Lo2501i1502ioLii應力-應變曲線為“S”型初始模量(Ei)指曲線原點處切線斜率切線模量(Et)指曲線上任一點處切線的斜率，在此特指中部直線段的斜率割線模量(Es)指曲線上某特定點與原點連線的斜率，通常取σc／２處的點與原點連線的斜率巖塊的變形與強度性質第24頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三2)泊松比(μ)（poisson`sratio）是指在單軸壓縮條件下，

橫向應變（εｄ）與軸向應變（εＬ）之比在實際工作中，常采用σｃ／２處的εｄ與εＬ來計算巖塊的泊松比。巖塊的變形模量和泊松比受巖石礦物組成、結構構造、風化程度、空隙性、含水率、微結構面及其與荷載方向的關系等多種因素的影響，變化較大。巖塊的變形與強度性質第25頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三

巖塊的變形與強度性質常見巖石的變形模量和泊松比巖石名稱變形模量（×104MPa）泊松比巖石名稱變形模量（×104MPa）泊松比初始彈性初始彈性花崗巖2~65~100.2~0.3片麻巖1~81~100.22~0.35流紋巖2~85~100.1~0.25千枚巖、片巖0.2~51~80.2~0.4閃長巖7~107~150.1~0.3板巖2~52~80.2~0.3安山巖5~105~120.2~0.3頁巖1~3.52~80.2~0.4輝長巖7~117~150.12~0.2砂巖0.5~81~100.2~0.3輝綠巖8~118~150.1~0.3礫巖0.5~82~80.2~0.3玄武巖6~106~120.1~0.35灰?guī)r1~85~100.2~0.35石英巖6~206~200.1~0.25白云巖4~84~80.2~0.35大理巖1~91~90.2~0.35第26頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三3)其他變形參數剪切模量（Ｇ）拉梅常數（λ）體積模量（ＫV)彈性抗力系數（Ｋ）巖塊的變形與強度性質第27頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三伺服機試驗結果3.峰值后巖塊的變形特征脆性大的巖石塑性大的巖石第28頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三（二）

循環(huán)加載2.

卸荷點（P）的應力高于巖石的彈性極限(A)1.卸荷點（P）的應力低于巖石的彈性極限(A)巖塊的變形與強度性質第29頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三巖塊的變形與強度性質3.反復加卸荷(巖石記憶、回滯環(huán)、疲勞破壞）第30頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三二、三軸壓縮條件下的巖塊變形性（一）三軸試驗真三軸試驗1>2>3

常規(guī)三軸試驗1>2=3

巖塊的變形與強度性質第31頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三

（二）圍壓對變形破壞的影響1、巖石破壞前應變隨3增大而增大2、巖石的峰值強度隨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形與強度性質第32頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三4、隨3增大，巖石的塑性不斷增大，隨3增大到一定值時，巖石由彈脆性轉變?yōu)樗苄?。這時，3的大小稱為“轉化壓力”。

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破壞方式過渡。巖塊的變形與強度性質第33頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三三、巖石的蠕變性質在外部條件不變的情況下，巖石的變形或應力隨時間而變化的現象叫流變，主要包括蠕變、松弛。蠕變(creep)是指巖石在恒定的荷載作用下，變形隨時間逐漸增大的性質。

1.

蠕變曲線特征（三個階段）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度性質第34頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三2.

影響蠕變的因素巖性應力溫度、濕度巖塊的變形與強度性質第35頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三3.蠕變模型及本構方程（自學）（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度性質第36頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三（2）組合模型

Maxwall

模型巖塊的變形與強度性質第37頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三Kelvin模型巖塊的變形與強度性質第38頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三巖塊的變形與強度性質其他模型第39頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三§2.6巖塊的強度性質巖塊強度：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、單軸抗壓強度二、單軸抗拉強度三、剪切強度四、三軸壓縮強度受力狀態(tài)巖塊的變形與強度性質第40頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三

一、單軸抗壓強度σc1、定義：在單向壓縮條件下，巖塊能承受的最大壓應力，簡稱抗壓強度（MPa）。

2、意義:衡量巖塊基本力學性質的重要指標

巖體工程分類、建立巖體破壞判據的重要指標

用來大致估算其他強度參數

3、測定方法：抗壓強度試驗試樣pA點荷載試驗

巖塊的變形與強度性質第41頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三常規(guī)壓力機巖塊的變形與強度性質第42頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三4、破壞方式：拉破壞、剪破壞、對頂錐破壞巖塊的變形與強度性質第43頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三常見巖石的抗壓強度

巖塊的變形與強度性質巖石名稱抗壓強度（MPa）巖石名稱抗壓強度（MPa）巖石名稱抗壓強度（MPa）輝長巖180~300輝綠巖200~350頁巖10~100花崗巖100~250玄武巖150~300砂巖20~200流紋巖180~300石英巖150~350礫巖10~150閃長巖100~250大理巖100~250板巖60~200安山巖100~250片麻巖50~200千枚巖、片巖10~100白云巖80~250灰?guī)r20~200第44頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三5.影響因素

（1）巖石自身的性質（礦物組成、粒間連接、巖性、結構特征、顆粒大小及形狀、風化程度、微結構面）

（2）實驗條件試件形狀、尺寸及加工精度

斷面形狀：強度:圓形>六多邊形>四邊形>三邊形試件尺寸效應：尺寸越大，巖塊強度越低。

試件的高徑比h/D增大，巖塊強度降低。

加工精度：加荷速率

強度常隨加荷速率增大而增高

溫度、濕度

含水量越高,強度越低;溫度越高，強度越低。巖塊的變形與強度性質第45頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三端面條件端面效應層理結構強度各向異性巖塊的變形與強度性質第46頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三

二、單軸抗拉強度σt1.定義：單向拉伸條件下，巖塊能承受的最大拉應力，簡稱抗拉強度。2.意義：衡量巖體力學性質的重要指標用來建立巖石強度判據，確定強度包絡線選擇建筑石材不可缺少的參數

3.測定方法：

直接拉伸間接法（劈裂法、點荷載法、三點彎曲法）巖塊的變形與強度性質直接拉伸法是將圓柱狀試件兩端固定在材料試驗機的拉伸夾具內，然后對試件施加軸向拉荷載至破壞。PtPt第47頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三劈裂試驗是用圓柱體或立方體試件，橫置于壓力機的承壓板上，且在試件上、下承壓面上各放一根墊條。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產生的近于均布的水平拉應力σx=2p/πDL在水平向直徑平面內產生的壓應力σy=6p/DL抗拉強度σt=2pt

/πDL

（圓形試樣）

σt=2pt

/πa2

（方形試樣）巖塊的變形與強度性質第48頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三點荷載試驗是將試件放在點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荷載強度。點荷載強度Is=pt/D2抗拉強度σt=kIs巖塊的變形與強度性質第49頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三4.影響因素：結構面的影響（裂隙空隙）巖石中包含有大量的微裂隙和孔隙，巖塊抗拉強度受其影響很大，直接削弱了巖塊的抗拉強度。相對而言，空隙對巖塊抗壓強度的影響就小得多，因此，巖塊的抗拉強度一般遠小于其抗壓強度。通常把抗壓強度與抗拉強度的比值稱為脆性度，用以表征巖石的脆性程度。

巖塊的變形與強度性質第50頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三

常見巖石的抗拉強度巖塊的變形與強度性質巖石名稱抗拉強度（MPa）巖石名稱抗拉強度（MPa）巖石名稱抗拉強度（MPa）輝長巖15~36花崗巖7~25頁巖2~10輝綠巖15~35流紋巖15~30砂巖4~25玄武巖10~30閃長巖10~25礫巖2~15石英巖10~30安山巖10~20灰?guī)r5~20大理巖7~20片麻巖5~20