岩石力学性质讲解

图6.1 岩体的压力--变形曲线第六章 岩体的力学性质岩体的力学性质包括岩体的变形性质、强度性质、动力学性质和水力学性质等方面。

岩体在外力作用下的力学属性表现出非均质性、非连续、各向异性和非弹性。

岩体的力学性质取决于两个方面： 1）受力条件；2）岩体的地质特征及其赋存环境条件。

其中地质特征包括岩石材料性质、结构面的发育情况及性质（影响岩体的力学性质不同于岩块的本质原因）；赋存环境条件包括天然应力和地下水。

第一节 岩体的变形性质一、 岩体变形试验及其变形参数确定变形参数包括变形模量和弹性模量。

按静力法得到静E ，动力法得到动E 。

⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧法波地震声波法动力法轴压缩试验法双单水压洞室法钻孔变形法扁千斤顶法狭缝法承压板法静力法按原理和方法分原位岩体变形试验)()()( )(1．承压板法刚性承压板法和柔性承压板法 各级压力P －W （岩体变形值）曲线 按布西涅斯克公式计算岩体的变形模量E m （Mpa ）和弹性模量E me （Mpa ）。

⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=-=e m mem m W W PD E W W PD E )1()1(22μμ式中：P —承压板单位面积上的压力（Mpa ）； D —承压板的直径或边长（cm ）；W，W e—为相应P下的总变形和弹性变形；ω—与承压板形状、刚度有关系数，圆形板ω=0.785，方形板ω=0.886。

μm—岩体的泊松比。

★定义：岩体变形模量（E m）：岩体在无侧限受压条件下的应力与总应变之比值。

岩体弹性模量（E me）：岩体在无侧限受压条件下的应力与弹性应变之比值。

图6.2 钻孔变形试验装置示意图②可以在地下水位以下笔图6.3 狭缝法试验装置如图6.3所示。

二、岩体变形参数估算现场原位试验费用昂贵，周期长，一般只在重要的或大型工程中进行，因此，岩体变形参数的很多情况下必须进行估算。

两种方法：① 现场地质调查→建立适当的岩体地质力学模型→室内小试件试验资料→进行估算； ② 岩体质量评价和大量试验资料→建立岩体分类指标与变形参数间的经验关系→进行估算。

第一章岩石的力学性质岩石和岩体的力学性质，是矿山岩体力学的大体问题。

岩石的力学性质主要指：在各类载荷作用下，它们的变形特征，出现塑性流动和发生破坏的条件。

表征岩石力学性质的参数如下：变形参数：岩石的变形摸量，弹性摸量，切变摸量，泊松比和流变性等。

强度特性参数：岩石抗拉，抗弯，抗煎，抗压等各类强度极限。

第一节、岩石的成份及结构与其力学性质的关系岩石是多种矿物颗粒的集合体。

岩石一般有下列十余中主要矿物组成，即长石(正长石、斜长石)、石英、云母(黑云母、白云母)、角闪石、辉石、橄榄石、方解石、白云石、高岭土、赤铁矿等。

它们在矿石中的含量按岩石成因此异。

岩层按成因分类为：岩浆岩—系由岩浆在地壳内不同深度冷凝而成；沉积岩—是由已有岩体经风化、崩溃、搬迁、再胶结或化学作用而形成；变质岩—则由已有岩石在高温高压条件下通过改变而形成的。

大体概念(1)、岩石的结构：岩石的矿物颗粒的大小、形状、表面特征、颗粒彼此关系、胶结类型等特征。

(2)、岩石的构造：岩石的组成部份在定向的排列情形。

如层面、断层（几何特征）。

晶体结构是岩浆岩和变质岩的最大特征，也是很多沉积岩的特征。

(3)、矿物的晶体：组成矿物的各类化学元素的原子（离子）在空间必然规律排列，使其具有规则的几何形状的固体称为晶体。

(4)、矿物的晶体的结构类型：等粒结构，不等粒结构，斑状结构。

图1-1是典型晶体结构类型岩浆岩和变质岩的晶体结构与岩石力学性质的关系：晶粒细小，等粒状，岩石强度大。

颗粒大的斑状结构晶体内部或晶粒间含有缺点，岩石强度低。

沉积岩的结构与力学性质的关系沉积岩中的岩石碎屑之间由胶结物将连结在一路。

其力学性质取决于胶结物和胶结类型。

图1-2基质胶结：岩石碎屑被胶结物包围，强度取决于胶结物。

接触胶结：仅颗粒接触处有胶结物，胶结不牢，强度低，透水性强。

孔隙胶结：胶结物完全成部份地充填与颗粒孔隙之间。

胶结牢固，所以岩石强度和透水性主要由胶结物性质及充填程度肯定。

岩石力学知识点总结一、岩石的力学性质岩石的力学性质是指岩石在外力作用下的响应和变形规律，包括抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、弹性模量等。

这些性质对于工程设计和地质灾害的防治非常重要。

岩石的力学性质受到多种因素的影响，包括岩石的成分、结构、孔隙度、水分含量等。

1. 抗压强度抗压强度是指岩石在受到垂直方向外力作用下的抵抗能力。

岩石的抗压强度可以通过实验或者间接方法来进行测定，通常以MPa为单位。

抗压强度受到岩石成分和密度的影响，通常晶体颗粒越大、结晶度越高的岩石其抗压强度越高。

2. 抗拉强度抗拉强度是指岩石在受到拉伸力作用下的抵抗能力。

通常岩石的抗拉强度远远低于其抗压强度，因为岩石在自然界中很少受到拉力的作用。

抗拉强度常常通过实验来进行测定，其数值对于岩石的岩石工程设计和地质灾害防治具有重要意义。

3. 抗剪强度抗剪强度是指岩石在受到切割或者剪切力作用下的抵抗能力。

岩石的抗剪强度与其结构和组成有关，一般来说，岩石中存在着一定的位移面和剪切面，这些面的摩擦和滑移对于岩石的抗剪强度产生了重要的影响。

4. 弹性模量弹性模量是指岩石在受到外力作用下的弹性变形能力。

弹性模量也叫做“模量”，其数值越高，说明岩石在受到外力作用下的变形越小。

弹性模量对于岩石的岩石工程设计和地质灾害防治具有重要的意义。

二、岩石的变形和破坏规律岩石在受到外力作用下会发生变形和破坏，其变形和破坏规律对于地质工程的设计和地质灾害的防治具有重要的意义。

岩石的变形和破坏规律受到多种因素的影响，包括岩石的力学性质、结构、孔隙度、水分含量等。

1. 岩石的变形规律岩石在受到外力作用下会发生变形，其变形规律通常表现为弹性变形、塑性变形和破坏。

弹性变形是指岩石在受到外力作用后能够恢复原状的变形，塑性变形是指岩石在受到外力作用后不能够恢复原状的变形，破坏是指岩石在受到外力作用后达到极限状态，无法继续承受力的作用。

2. 岩石的破坏规律岩石在受到外力作用下会发生破坏，其破坏规律通常表现为压缩破坏、拉伸破坏和剪切破坏。

岩石的1岩石的力学性质－岩石的变形岩石的强度：岩石抵抗外力作用的能力，岩石破坏时能够承受的最大应力。

岩石的变形：岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变化。

岩石在荷载作用下，首先发生的物理力学现象是变形。

随着荷载的不断增加，或在恒定载荷作用下，随时间的增长，岩石变形逐渐增大，最终导致岩石破坏。

岩石变形过程中表现出弹性、塑性、粘性、脆性和延性等性质。

▪ 1.5岩石变形性质的几个基本概念▪1）弹性(elasticity)：物体在受外力作用的瞬间即产生全部变形，而去除外力(卸载)后又能立即恢复其原有形状和尺寸的性质称为弹性。

▪弹性体按其应力－应变关系又可分为两种类型：▪线弹性体：应力－应变呈直线关系。

▪非线性弹性体：应力—应变呈非直线的关系。

▪2）塑性（plasticity）：物体受力后产生变形，在外力去除（卸载）后变形不能完全恢复的性质，称为塑性。

▪不能恢复的那部分变形称为塑性变形，或称永久变形，残余变形。

▪在外力作用下只发生塑性变形的物体，称为理想塑性体。

▪理想塑性体，当应力低于屈服极限时，材料没有变形，应力达到后，变形不断增大而应力不变，应力－应变曲线呈水平直线.▪3）黏性(viscosity):物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质，称为粘性。

▪应变速率与时间有关，－>黏性与时间有关▪其应力－应变速率关系为过坐标原点的直线的物质称为理想粘性体（如牛顿流体），▪4）脆性(brittle):物体受力后，变形很小时就发生破裂的性质。

▪5）延性(ductile):物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力的性质，称为延性。

▪ 1.7岩石变形指标及其确定▪岩石的变形特性通常用弹性模量、变形模量和泊松比等指标表示。

3）全应力－应变曲线的工程意义▪①揭示岩石试件破裂后，仍具有一定的承载能力。

▪②预测岩爆。

▪若A>B，会产生岩爆▪若B>A，不会产生岩爆▪③预测蠕变破坏。

▪当应力水平在H点以下时保持应力恒定，岩石试件不会发生蠕变。

1 岩石的物理力学性质岩石是由固体相、液体相和气体相组成的多相体系。

理论认为，岩石中固体相的组分和三相之间的比例关系及其相互作用决定了岩石的性质。

在研究和分析岩石受力后的力学表现时，必然要联系到岩石的某些物理性质指标。

岩石物理性质：岩石由于其固体相的组分和三相之间的比例关系及其相互作用所表现出来的性质。

主要包括基本物理性质和水理性质。

岩石在受到外力作用下所表现出来的性质称为岩石的力学性质。

岩石的力学性质主要有变形性质和强度性质，在静荷载和动荷载作用时，岩石的力学性质是有所不同的，表现在性质指标的差异上。

岩石的物理力学性质通常通过岩石物理力学性质测试才能确定。

1.1 岩石的基本物理性质指标反映岩石组分及结构特征的物理量称为岩石的物理性质指标，这里主要是指一些基本属性：密度、比重、孔隙性、水理性等。

反映了岩石的组分和三相之间的比例关系。

为了测定这些指标，一股都采用岩样在室内作试验，，必要时也可以在天然露头上或探洞(井)中进行现场试骀。

在选用岩样时应考虑到它们对所研究地质单元的代表性并尽可能地保持其天然结构。

最好采用同一岩样逐次地测定岩石的各种物理性质指标。

下面分述各种物理性质指标。

1.1.1 岩石的密度和重度(容重)1、定义密度：单位体积岩石(包括岩石内空隙体积在内)所具有的质量。

重度(容重)：单位体积岩石所受的重力。

2、计算式 密度：VM =ρ(g/cm 3，t/m 3) 容重度：VMg V W ==ρ(kN/m 3) 密度与重度的关系：γ=ρg 。

上述各式中，M —岩石质量；W —岩石重量；V —岩石体积(包括空隙在内)；g 为重力加速度，g=9.8m/s 2，工程上一般取10m/s 2。

密度与容重的种类：天然密度ρ、干密度ρd 、饱和密度ρsat 。

天然密度与干密度的关系：ρ=ρd (1+0.01ω)(ω为含水率，以百分数计)。

3、影响因素影响岩石密度大小的因素：矿物成分、孔隙及微裂隙发育程度、含水量。

石油工程岩石力学石油工程岩石力学是石油工程领域中的一个重要分支，它涉及到岩石在石油开采和开发中的应力变形特性、岩石破坏机理、岩石力学参数等方面的理论和实验研究。

岩石力学研究的最终目标是为石油开采提供可靠的技术支撑。

一、岩石的力学性质在石油工程领域中，岩石是非常重要的一个研究对象。

岩石的力学性质是岩石力学研究的核心，主要包括力学性质、物理性质和工程性质等方面。

1.力学性质岩石的力学性质包括弹性模量、剪切模量、泊松比和强度等。

其中，弹性模量表示了岩石在受力时的弹性变形程度，剪切模量表示了岩石受到剪切应力时的抗剪能力，泊松比表示了岩石在受到应力时体积变化与形变变化的比值，强度则是岩石耐受破坏的极限应力。

2.物理性质岩石的物理性质包括密度、孔隙度、渗透性、热传导性、电导率等方面。

这些性质对于岩石的开采和开发非常重要。

例如，密度和孔隙度可以用来计算岩石的体积和储量，渗透性可以评估岩石中流体的运移特性，热传导性和电导率可以用来预测岩石下的油气储层的温度和电磁性质。

3.工程性质岩石的工程性质包括可塑性、变形能量、破坏模式和采油性能等方面。

这些性质对于岩石的开采和开发技术具有实际意义。

例如，可塑性可以评估岩石的塑性变形特性，变形能量可以评估岩石的变形能力，破坏模式可以指导岩石开采中的破裂预测和控制，采油性能可以指导油气的生产和提高开采效率。

二、岩石力学参数的测定岩石力学参数的测定是岩石力学研究中的关键问题之一，它关系到研究的可靠性和成果的实用性。

岩石力学参数的测定方法包括试验室测定和现场测定两种。

1.试验室测定试验室测定是一种传统的岩石力学参数测定方法，它包括标准试验和特殊试验两种。

标准试验包括压缩试验、引张试验和剪切试验等，通过标准试验可以获得岩石的弹性模量、剪切模量、泊松比和强度等力学参数。

特殊试验包括三轴试验、比较试验、应力波传播试验等，可以获得岩石的动态特性及其耐久性等参数。

2.现场测定现场测定是一种新兴的岩石力学参数测定方法，可以直接获取岩石在地质环境下的实际力学参数。

常见岩⽯及⼒学性质虽然岩⽯的⾯貌是千变万化的，但是从它们形成的环境，也就是从成因上来划分，可以把岩⽯分为三⼤类：沉积岩、岩浆岩和变质岩。

1、沉积岩 沉积岩是在地表或近地表不太深的地⽅形成的⼀种岩⽯类型。

它是由风化产物、⽕⼭物质、有机物质等碎屑物质在常温常压下经过搬运、沉积和⽯化作⽤，最后形成的岩⽯。

沉积岩的物质来源主要有⼏个渠道，风化作⽤是⼀个主要渠道，它包括机械风化、化学风化和⽣物风化。

机械风化是以崩解的⽅式把已经形成的岩⽯破碎成⼤⼩不同的碎屑；化学风化是由于⽔、氧⽓、⼆氧化碳引起的化学作⽤使岩⽯分解形成碎屑；细菌、真菌、藻类等⽣物风化作⽤也能分解岩⽯。

此外，⽕⼭爆发喷射出⼤量的⽕⼭物质也是沉积物质的来源之⼀；植物和动物有机质在沉积岩中也占有⼀定⽐例。

不论那种⽅式形成的碎屑物质都要经历搬运过程，然后在合适的环境中沉积下来，经过漫长的压实作⽤，⽯化成坚硬的沉积岩。

2、岩浆岩 岩浆岩也叫⽕成岩，是在地壳深处或在上地幔中形成的岩浆，在侵⼊到地壳上部或者喷出到地表冷却固结并经过结晶作⽤⽽形成的岩⽯。

因为它⽣成的条件与沉积岩差别很⼤，因此，它的特点也与沉积岩明显不同。

在野外观察，沉积岩常具有成层构造，层状构造是沉积岩所独有的特征。

⽽在岩浆岩发育的地区则常常见到节理，⽽基本上看不到层理；在矿物组合上，在岩浆岩中出现的矿物，如橄榄⽯、辉⽯、⾓闪⽯等矿物是在⾼温⾼压条件下结晶形成的，在常温常压条件下不容易保存.3、变质岩 在地壳形成和发展过程中，早先形成的岩⽯，包括沉积岩、岩浆岩，由于后来地质环境和物理化学条件的变化，在固态情况下发⽣了矿物组成调整、结构构造改变甚⾄化学成分的变化，⽽形成⼀种新的岩⽯，这种岩⽯被称为变质岩。

变质岩是⼤陆地壳中最主要的岩⽯类型之⼀。

在变质岩的概念中，有两点必须强调，这是变质岩区别于沉①⽕成岩也称岩浆岩。

来⾃地球内部的熔融物质，在不同地质条件下冷凝固结⽽成的岩⽯。

当熔浆由⽕⼭通道喷溢出地表凝固形成的岩⽯，称喷出岩或称⽕⼭岩。