岩石力学基础教程 作者 侯公羽 第3章 岩石的基本力学性质

岩土力学教案第3章教案第3章：岩土力学教学内容：本章主要介绍岩土力学的基本概念、岩土的物理性质和力学性质、岩土的应力状态和强度准则。

具体内容包括：1. 岩土力学的基本概念：岩土力学的定义、研究对象和内容。

2. 岩土的物理性质：岩土的密度、含水率、粒径分布等。

3. 岩土的力学性质：岩土的抗剪强度、抗压强度、弹性模量等。

4. 岩土的应力状态：单轴应力状态、三轴应力状态等。

5. 强度准则：莫尔库仑强度准则、抗剪强度准则等。

教学目标：1. 了解岩土力学的基本概念和研究对象。

2. 掌握岩土的物理性质和力学性质的测定方法。

3. 理解岩土的应力状态和强度准则的应用。

教学难点与重点：1. 岩土的物理性质和力学性质的测定方法。

2. 岩土的应力状态和强度准则的应用。

教具与学具准备：1. 教学PPT。

2. 岩土力学教材。

3. 岩石和土样的样品。

4. 压力计、含水率计等实验器材。

教学过程：1. 引入：通过展示实际工程中的岩土问题，引发学生对岩土力学的兴趣。

2. 讲解：介绍岩土力学的基本概念和研究对象，讲解岩土的物理性质和力学性质的测定方法。

3. 实验：学生分组进行岩土的物理性质和力学性质的实验，观察和记录实验结果。

4. 讨论：学生分组讨论岩土的应力状态和强度准则的应用，分享实验结果和发现。

5. 练习：学生完成教材中的练习题，巩固所学知识。

板书设计：1. 岩土力学的基本概念和研究对象。

2. 岩土的物理性质和力学性质的测定方法。

3. 岩土的应力状态和强度准则的应用。

作业设计：1. 解释岩土力学的基本概念和研究对象。

2. 描述岩土的物理性质和力学性质的测定方法。

3. 应用岩土的应力状态和强度准则解决实际问题。

课后反思及拓展延伸：1. 学生对岩土力学的基本概念和研究对象的掌握情况。

2. 学生对岩土的物理性质和力学性质的测定方法的掌握情况。

3. 学生对岩土的应力状态和强度准则的应用的理解和应用情况。

4. 针对学生的反馈，进行教学调整和改进。

第一讲岩石的基本物理力学性质及其试验方法(之一)一、内容提要：本讲主要讲述岩石的物理力学性能等指标及其试验方法，岩石的强度特性。

二、重点、难点：岩石的强度特性，对岩石的物理力学性能等指标及其试验方法作一般了解。

一、概述岩体力学是研究岩石和岩体力学性能的理论和应用的科学，是探讨岩石和岩体对其周围物理环境(力场)的变化作出反应的一门力学分支。

所谓的岩石是指由矿物和岩屑在长期的地质作用下，按一定规律聚集而成的自然体。

由于成因的不同，岩石可分成火成岩、沉积岩、变质岩三大类。

岩体是指在一定工程范围内的自然地质体。

通常认为岩体是由岩石和结构面组成。

所谓的结构面是指没有或者具有极低抗拉强度的力学不连续面，它包括一切地质分离面。

这些地质分离面大到延伸几公里的断层，小到岩石矿物中的片理和解理等。

从结构面的力学来看，它往往是岩体中相对比较薄弱的环节。

因此，结构面的力学特性在一定的条件下将控制岩体的力学特性，控制岩体的强度和变形。

【例题1】岩石按其成因可分为( )三大类。

A.火成岩、沉积岩、变质岩B.花岗岩、砂页岩、片麻岩C.火成岩、深成岩、浅成岩D.坚硬岩、硬岩、软岩答案：A【例题2】片麻岩属于( )。

A.火成岩B. 沉积岩C. 变质岩答案：C【例题3】在一定的条件下控制岩体的力学特性，控制岩体的强度和变形的是( )。

A.岩石的种类B.岩石的矿物组成C.结构面的力学特性D.岩石的体积大小答案：C二、岩石的基本物理力学性质及其试验方法(一)岩石的质量指标与岩石的质量有关的指标是岩石的最基本的，也是在岩石工程中最常用的指标。

1岩石的颗粒密度(原称为比重)岩石的颗粒密度是指岩石的固体物质的质量与其体积之比值。

岩石颗粒密度通常采用比重瓶法来求得。

其试验方法见相关的国家标准。

岩石颗粒密度可按下式计算2岩石的块体密度岩石的块体密度是指单位体积岩块的质量。

按照岩块含水率的不同，可分成干密度、饱和密度和湿密度。

(1)岩石的干密度岩石的干密度通常是指在烘干状态下岩块单位体积的质量。

1 岩石的物理力学性质岩石是由固体相、液体相和蔼体相组成的多相体系。

理论以为，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，表如今性质指标的差异上。

岩石的物理力学性质通常经过岩石物理力学性质测试才干确定。

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)中举行现场试骀。

在选用岩样时应思量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：V M =ρ(g/cm 3，t/m 3)容重度：V MgV 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 —岩石分量；V —岩石体积(包括空隙在内)；g 为重力加速度，g=9.8m/s 2，工程上普通取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。

第2章 岩石的物理力学性质§2.1 岩石的结构和构造岩石的物理力学性质除与其组成成分有关外，还取决于岩石的结构和构造。

岩石的结构是指矿物颗粒的形状、大小和联结方式所决定的结构特征，岩石的构造则是指各种不同结构的矿物集合体的各种分布和排列方式。

一般来说，岩石“结构”一词是针对构成岩石的微细粒子部分而言，而岩石“构造”是指较大的部分，“构造”比“结构”使用更广泛。

矿物颗粒间具有牢固的联结是岩石区别于土壤并使岩石具有一定强度的主要原因。

受风化作用或土壤化作用侵蚀的地壳表层岩石称为土壤。

岩石颗粒间联结分为结晶联结和胶结联结两类。

结晶联结是矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，如岩浆岩、大部分变质岩和部分沉积岩具有这种联结。

它是通过共用原子或离子使不同晶粒紧密接触，故一般强度较高。

胶结联结是矿物颗粒通过胶结物联结在一起，这种联结的岩石的强度取决于胶结物成分和胶结类型。

岩石的矿物颗粒结合胶结物质有：硅质、铁质、钙质、泥质等。

一般来说，硅质胶结的岩石强度最高，铁质和钙质胶结的次之，泥质胶结的岩石强度最差，且抗水性差。

以风化程度划分，岩石又分为微风化、中等风化和强风化岩石。

在岩石力学中，根据岩石坚硬程度可分为坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩和极软岩。

§2.2 岩石的基本物理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，常用的岩石物理性质指标有容重、比重、孔隙率、吸水率、膨胀性、崩解性等。

2.2.1 容重和密度岩石单位体积(包括岩石中孔隙体积)的重量称为容重。

岩石容重的表达式为：VW =γ （2-1） 式中，γ——岩石容重（kN/m 3）；W ——岩样的重量（kN ）； V ——岩样的体积（m 3）。

根据岩石试样的含水情况不同，容重可分为干容重（d γ）、天然容重（γ）和饱和容重（sat γ），一般未说明含水状态时是指天然容重。

岩石的密度定义为岩石单位体积(包括岩石中孔隙体积)的质量，用ρ表示，单位一般为kg/m 3。

岩石的物理水理与热学性质第三章岩石的物理、水理与热学性质§ 3.1岩石的物理性质31一、岩石的密度二、岩石的空隙性§3.2岩石的水理性质32一、岩石的吸水性二、岩石的软化性三、岩石的抗冻性四、岩石的透水性§ 3.3岩石的热学性质岩的热学性质§3.1 岩石的物理性质z岩石和土一样，也是由固体、液体和气体三相组成的。

z定义：物理性质是指岩石由于三相组成的相对比例关系不同所表现的物理状态。

岩石的密度1、岩石的密度2、岩石的空隙性一、岩石的密度z1、颗粒密度(ρs)ρs m s/V s=mz2、块体密度(ρ)ρ=m/V/Vz注意：（1）ρs与ρ的区别(ρs>ρ)33（2）ρs与ρ的单位（g/cm kN/m）（3）测试方法（ρs---比重瓶法；ρ--量积法）常见岩石的物理性质指标值大开空隙小开空隙岩石的空隙V 总空隙率(n )V ρ岩总开空隙率(n o )%1000×=n v =vb 大开空隙率(n b )%100×n b 空V V 率V ρ§3.2 岩石的水理性质定义：岩石在水溶液作用下表现出来的性质，称为水理性质。

主要有：1.吸水性22.软化性3.抗冻性4.透水性一、岩石的吸水性称为岩石的吸水性分的能力，称为岩石的吸水性。

a 件自由吸入水的质量(与岩样质量(件下自由吸入水的质量(m )与岩样干质量(m )%1×=w W 100a V ρw22.饱和吸水率p 力为或空条件般压力为15MPa)或真空条件下吸入水的质量(m )s sm d 0Wp n ρρ3.V 饱水系数饱水系数它反映了岩石中大小开空隙的相对饱水系数。

它反映了岩石中大、小开空隙的相对几种岩石的吸水性指标值二、岩石的软化性与干抗压强度(σ)的比值ccw σR K =岩石中含有较多的矿物大开z亲水性和可溶性矿物，大开空075岩石的软化性弱工程地质性质较好zK ＞0.75，岩石的软化性弱，工程地质性质较好常见岩石的物理性质指标值z 抗冻系数(R d )：岩石试件经反复冻融后的干抗压强度(σ)与冻融前干抗压强度(σ)之比，用百分数表示2×c R σ%100=d 质量损失率1z (K m )：冻融试验前后干质量之差(m s121−s s m m R ％抗冻性高z＞75％，K ＜2％，抗冻性高08的岩石抗冻性高于0.8的岩石，抗冻性高。

第一章岩石的力学性质岩石和岩体的力学性质，是矿山岩体力学的基本问题。

岩石的力学性质主要指：在各种载荷作用下，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，抗压等各种强度极限。

第一节、岩石的成分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而异。

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经过改变而形成的。

基本概念(1)、岩石的结构：岩石的矿物颗粒的大小、形状、表面特征、颗粒相互关系、胶结类型等特征。

(2)、岩石的构造：岩石的组成部分在定向的排列情况。

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：构成矿物的各种化学元素的原子（离子）在空间一定规律排列，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陷，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起。

其力学性质取决于胶结物和胶结类型。

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：胶结物完全成部分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确定。

胶层物分类：硅质和铁质强度高，钙质次之，泥质最低。