岩块的物理力学性质

岩石力学复习资料一、绪论1.岩石力学是解决水利、土木等岩石工程稳定性问题和研究岩石的破裂条件、规律等问题，研究岩石及岩体在不同受力状态下产生变形和破坏的规律，并在工程地质定性分析基础上，定量地分析岩石稳定性的学科。

2.岩石力学研究材料物理性4因素：岩性、密度、湿度、水理性力学性3定理：抗弯抗剪性、压缩性、渗透性3个稳定：强度、变形、渗透1个体系：地基、基础、结构4个转变：容许应力极限状态确定性非确定性静态动态单体分割共同工作3. 岩石：由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律凝聚而成的自然地质体岩块：不含显著弱面（结构面）的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元，具有一定结构构造的矿物结合体基岩体：是一定工程范围内的岩石综合体（自然地质体）称为岩体。

本岩体=结构面+结构体（岩体结构两个基本要素）结构体即为岩石（岩块）概结构面：即岩体内具有一定方向、延展较大、厚度较小的面状地质界面(包括物理分界面和不连续面)念结构面直接决定岩体额强度，渗透性、完整性结构体：由不同产状的结构面组合切割而形成的单元体称为结构体（就是被结构面所包围的完整岩石）4.岩石概念:岩石是矿物的集合体，其特征可以用岩块表示，岩石则是由一种岩石或多种岩石组成的组合体岩体结构：岩石与岩体最重要的区别为：岩体包含若干不连续面（节理、裂隙、孔隙）区别强度：岩体的强度远低于岩石强度特性：岩体不均匀性、不均一性（非均质各向异性），存在原始应力场，存在一个裂隙系统岩石既不是连续介质又不是非连续介质岩石力学应用范围：（1）工程岩体力学（2）破碎岩体力学（3）构造岩体力学工程事故原因（1）理论落后于实践，安全问题，评价正确性难以验证（2）生产力水平发展凸显了一系列岩石问题岩石力学研究方法：室内试验（岩石的拉压弯剪扭试验模拟）和现场（野外）试验研究地质与结构特征二、岩石的物理力学性质1.岩石的结构和构造岩石的构造则指的是各种不同结构的矿物集合体的各种分布和排列方式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粒间联结结晶联结：矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，通过共用原子或离子使不同晶粒紧密接触胶结联结：矿物颗粒通过胶结物联结在一起硅质胶结>铁质、钙质>泥质胶结2. 岩重度：岩石单位体积（包括岩石中孔隙体积）的重量，可分为干重度、天然重度、饱和重度，浮重度石取决于岩石的矿物成分、孔隙大小以及含水量、埋藏深度，矿物之间的联结，靠近地表重度小。

第二章岩块和岩体的地质特征第一节概述岩体与岩块本质的区别：①岩体中存在有各种各样的结构面；②不同于自重应力（场）的天然应力场和地下水。

第二节岩块一、岩块的物质组成（substance composition）1．岩块（rock or rock block）指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元。

国内外，有些学者又称为结构体（structural element）、岩石材料（rock material）及完整岩石（intact rock）等等。

2．岩石（rock）具有一定结构构造的矿物（含结晶和非结晶的）集合体。

3．岩块的力学性质一般取决于组成岩块的矿物成分及其相对含量。

造岩矿物五大类：含氧盐、氧化物及氢氧化物、卤化物、硫化物、自然元素。

其中，含氧盐中的硅酸盐、碳酸盐及氧化物类矿物最常见，构成99.9%的岩石。

（1）硅酸盐类矿物：长石、辉石、角闪石、橄榄石及云母和粘土矿物等。

①长石、辉石、角闪石和橄榄石，硬度大，呈粒、柱状晶形，如含此类矿物多的岩石：花岗岩、闪长岩及玄武岩等，强度高，抗变形性能好。

多生成于高温环境，易风化成高岭石、水云母等，无以橄榄石的基性斜长石等抗风化能力最差，长石、角闪石次之。

②粘土矿物：属层状硅酸盐类矿物，主要有高岭石、水云母（伊利石）和蒙脱石三类，具薄片状或鳞片状构造，硬度小。

含此类矿物多的岩石如粘土岩、粘土质岩，物理力学性质差，并具有不同程度的胀缩性。

（2）碳酸盐类矿物是石灰岩和白云岩类的主要造岩矿物。

岩石的物理力学性质取决于岩石中CaCO及酸不3溶物的含量。

CaCO含量↑，如纯灰岩、白云岩等强度高，抗变形和抗风化性能比较好；3泥质含量↑，如泥质灰岩、泥灰岩等，力学性质较差；硅质含量↑，岩石性质将娈好。

碳酸盐类岩体中，常发育岩溶现象。

（3）氧化物类矿物以石英最常见，是地壳岩石的主要造岩矿物。

硬度大，化学性质稳定。

石英↑，岩块的强度和抗变形性能明显增强。

4．岩块的矿物组成与岩石的成因及类型密切相关（1）岩浆岩：多以硬度大的粒柱状硅酸盐、石英等矿物为主，物理力学性质一般很好。

0绪论1岩石力学：力学的一个分支学科，是研究岩体在各种应力场条件下的变形与破坏规律的理论及其应用的科学，是一门应用性基础学科。

2研究内容：●岩块岩体地质特征的研究●岩石的物理，水理，力学性质的研究●结构面的力学性质研究●岩体力学性质研究●天然应力分布及其量测的理论方法的研究●岩体分类及其方法的研究●岩体变性破坏机理及其本构方程与破坏判据的研究●边坡岩体，地基岩体，地下洞室围岩等工程岩体的稳定性研究3研究方法●工程地质研究法●实验法●数学力学分析法●综合分析法1岩体性质与结构特征1岩体：在地质历史过程中形成的，由岩块和结构面网络形成的，具有一定结构并赋存在一定的天然应力状态和地下水等地质坏镜中的地质体，是岩体力学研究的对象。

2岩块：不含显著结构面的岩石块体，时构成岩体的最小岩石单元体3岩块结构：岩石内矿物颗粒的大小，性准过，排列方式和颗粒间的连接方式以及微结构面的发育情况等反映在岩块构成上的特征4联结方式●结晶联结结晶越细越均匀非晶质越少岩石强度越高●胶结联结胶结物成分硅质>钙质铁质>泥质胶结类型基底式>孔隙式>接触式5微结构面：存在与矿物颗粒内部或颗粒间的软弱面或缺陷6岩块的构造：矿物集合体之间及其与其他组分之间的排列组合方式7结构面：地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相随较小的地质界面或带7结构面分类●原生结构面沉积结构面⏹层理层面⏹软弱夹层⏹不整合面，假整合面⏹沉积间断面岩浆结构面⏹侵入体与围岩接触面⏹岩浆岩墙接触面⏹原声冷凝节理变质结构面⏹片理⏹片岩软弱夹层⏹片麻理⏹板理千枚理●构造结构面节理断层层间错动羽状裂隙，霹理●次生结构面卸荷裂隙风化裂隙风华夹层泥化夹层次生夹泥层8结构面规模与分级延伸：破碎带宽Ⅰ级公里至数十公里米至数十米乃至数百米Ⅱ级百米至数千米数十厘米至数米Ⅲ级十米至百米厘米至1米Ⅳ级数十厘米至20-30米0至数厘米Ⅴ级9结构面特征●产状（走向倾向倾角）●连续性线连续性系数（K1）：沿结构面延伸方向上，结构面各段长度之和与测线长度的比值迹长：结构面与露头面交线的长度面连续性系数●密度线密度(Kd)：结构面法线方向单位侧线长度上交切结构面的条数间距（d）：同一组结构面法线方向上相邻两结构面的平均距离●张开度：结构面两壁面间的垂直距离●形态侧壁起伏形态粗糙度（粗糙度系数JRC）●结构面组合关系10软弱结构面：岩体中具有一定厚度的软弱带（层），与两盘岩体相比具有高压缩性何地轻度的特征，在产状上多数缓倾角结构面11泥化夹层：含泥质的软弱夹层经一系列的地质作用演化而成的12泥化夹层特性●由超固结状态变成泥质散状结构或泥质定向结构●黏粒含量高●含水量接近宿限，密度比原岩小●强度低，压缩性高●抗冲刷能力差易产生渗透变形13结构体：由结构面网络所围成的岩石块体14岩体结构：岩体中结构体和结构面的排列组合特征15岩体结构类型划分●整体状结构●块状结构●层状结构●碎裂状结构●散体状结构2岩体的物理力学性质1研究岩块的意义●岩体性质接近岩块性质时，可通过岩块的力学性质外推岩体力学性质●岩块是岩体的组成部分研究岩体是不能忽略岩块性质的研究●评价石材性能时必须研究岩块的相关性质●评价岩体的可钻性和可破碎性时必须研究岩块的相关性质●工程岩体分类时岩块强度和变形模量作为分类目标必须研究岩块的相关性质2岩块的物理性质●岩石密度颗粒密度（ps）：岩石中固体相部分的质量与体积的比值块体密度：岩石单位体积内的质量⏹干密度（）⏹饱和密度⏹天然密度●岩石的空隙性总空隙率（n）总开空隙率(no)大开空隙率(nb)小开空隙率(na)闭空隙率（nc）3岩石的水理性质●吸水性：岩石在一定条件下吸收水分的能力吸水率*（Wa）：岩石试件在大气压力和室温下吸入水的质量和岩样干质量之比 饱和吸水率（Wp）:岩石试件在高压或真空条件下吸入水的质量和岩样干质量之比 饱水系数：岩石吸水率和饱和吸水率之比●软化性：岩石浸水饱和后强度降低的性质软化系数（KR）：岩石试件的饱和抗压强度和干抗压强度的比值●抗冻性：岩石抵抗冻融破坏的能力抗冻系数（Rd）：岩石试件在反复冻融后的干抗压强度和冻融前的干抗压强度的比值质量损失率（Km）:冻融实验前后干质量的差值和冻融前干质量的比值●透水性：在一定水力梯度和压力差作用下，岩石被水透过的性质渗透系数（K）：表征岩石被水透过能力的重要指标●膨胀性：岩石浸水后体积增大的性质自由膨胀率（V）：岩石试件在无任何约束条件下进水后膨胀变形与原尺寸的比值 侧性约束膨胀率（VHp）具有侧向约束的岩石试件浸水后产生的轴向变形与原尺寸的比值膨胀压力：岩石试件浸水后使试件保持原有体积所施加的最大压力：●崩解性：岩石与水相互作用后失去黏性，并变成完全丧失强度的松散物质的性能4岩块的变形性质●单轴压缩条件下的变形性质连续加载下的变形性质⏹应力-应变全过程曲线✧孔隙裂隙压密阶段原有张开性结构面和微裂隙闭合✧弹性变形和微破裂稳定发展阶段弹性极限屈服极限✧非稳定破裂发展阶段峰值强度✧破坏后阶段残余轻度⏹变形参数✧变形模量（E）：单轴压缩条件下，轴向应力和轴向应变的比值✧弹性模量：当岩石应力应变曲线为直线时，变形模量为一常量，数值上等于直线斜率，由于其变形为弹性变形称为✧初始模量（Ei）：曲线原点出的切线斜率✧切线模量（Et）：曲线上任一点的切线斜率✧割线模量（Es）：曲线上某特定点和圆点连线的斜率，通常取一半的单轴抗压强度处的点✧泊松比（u）：单轴压缩条件下横向应变与轴向应变之比循环荷载下的变性特征⏹弹性后效（弹性滞后）：循环荷载作用下，多数岩石的大部分弹性变形能在卸载后很快恢复，而小部分须经一段时间后才能恢复，应变回复总是落后应力恢复的现象⏹岩石记忆：逐级一次循环加载条件下，应力应变曲线与连续加载条件下的曲线基本一致，说明加卸载过程并没改变岩快变形的基本习性，这种现象称⏹回滞环：在循环荷载条件下，每次的加卸载曲线都不重合，且围成一环型面积⏹疲劳强度：●三轴压缩条件下的岩块变形性质三轴实验真假围岩对岩块变性破坏的影响⏹破坏前岩块的应变随围压的增加而增加⏹随围压的增大，岩块的塑性增大，由脆性破坏转为延性破坏✧应变硬化现象：试件的承载力随围压的增长稳定增长的现象✧转化压力：岩石由脆性变化转化为延性的临界围压✧延性度：岩石破坏前的总应变，是区分脆性破坏和岩性破坏的指标●岩块的蠕变性质流变：在外部条件不变的情况下，岩石的变形或应力随时间变化的现象蠕变：岩石在恒定荷载作用下，变形随时间而逐渐增大的性质流变：岩石在变形不变的条件下，应力随时间二变化的现象弹性后效：蠕变曲线特征⏹初始蠕变阶段曲线下凹应变率随时间增大较快⏹等速蠕变阶段近直线⏹加速蠕变阶段曲线上凹应变率随时间迅速增加长期强度：影响蠕变的因素岩性应力温度湿度5岩块的强度性质●抗压强度单轴抗压强度：在单向压缩条件下，岩块能承受的最大压应力三轴压缩强度：时间在三向压力作用下能抵抗的最大轴向应力●单轴抗拉强度：岩块试件在单向拉伸时能承受的最大拉应力直接拉伸法间接拉伸法⏹劈裂法⏹点荷载试验⏹抗弯法●剪切强度：在剪切荷载作用下，岩块抵抗剪切破坏的最大剪应力抗剪断强度：在一定法向应力作用下，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力抗切强度：法向应力为零时沿预定剪切面剪断时的最大剪应力抗剪强度（摩擦强度）：在一定法向应力作用下，沿已有破裂面剪断时的最大剪应力方法⏹直剪试验⏹变角板剪切试验⏹三轴实验6影响岩块变形与强度的因素●实验条件加载方式与加载速率试件的形状和尺寸，断面条件●岩体本身性质●环境因素（温度，湿度，水）3结构面的变形与强度性质1研究意义●工程岩体的失稳破坏有相当一部分是沿软弱结构面破坏的●结构面及其填充物的变形是岩体变形的主要组分●结构面试岩体中渗透水流的主要通道●岩体中的应力分布也受结构面极其力学性质的影响2结构面的变形性质●法向变形性质开始时变形迅速增长当法向应力到一定值时雨岩块的变形曲线大致平行初始阶段的变形主要是结构面闭合大约在1/3 处以岩块的变形为主以为渐近线最大闭合量小于结构面的张开度●循环荷载下的变形性质仍以为渐近线卸载刚度比加载刚度大随循环次数增加变形曲线整体左移，且能显示滞后和非弹性变形每次循环载荷曲线形状相似●结构面法向刚度：在法向作用力下，结构面产生单位变形所需要的应力室内压缩试验现场压缩试验（中心孔承压板法）●结构面剪切变形性质剪切变形特征⏹均为非线性曲线塑性变形：无明显的峰值强度和应力降，且峰值强度和残余强度相差很小，曲线斜率连续变化脆性变形：有明显的峰值强度和应力降，开始时剪切变形随应力增加缓慢，峰值后剪切变形增加较快⏹结构面峰值位移受风化程度影响⏹同类结构面而言，风化的结构面剪切刚度比未风化的小⏹剪切刚度有明显尺寸效应⏹剪切刚度随法向应力增大而增大剪切刚度：室内剪切实验现场剪切试验4结构面的强度性质●平直无填充结构面●粗糙起伏无填充结构面规则锯齿形结构面不规则起伏结构面剪胀角：剪切位移的轨迹线与水平线的夹角非贯通断续结构面具有填充物的软弱结构面5结构面抗剪强度参数的确定●实验法●参数反演法●工程地质类比法4岩体力学性质1岩体的变形性质●岩体变形实验静力法⏹承压板法⏹钻孔变形法⏹狭缝法动力法声波法地震波法2影响岩体变形性质因素岩性结构面发育特征载荷条件，试验尺寸，试验方法温度湿度水6岩体天然应力1天然应力：人类活动之前存在于岩体中的应力2天然应力分布规律●主应力以压应力为主，方向基本垂直和水平●天然应力场是一个相对稳定的非稳定应力场●垂直天然应力随深度线性增长●水平天然应力分布复杂以压应力为主水平应力大于垂直应力两个水平应力不相等单薄山体，谷坡附近及未受构造变动的岩体中水平应力小于垂直应力●天然应力比值系数随深度减小●相对大的区域内最大主应力方向基本稳定●区域构造场常决定局部点的主应力●天然应力为三维状态3天然应力的测量●应力恢复法●套心法●水压致裂法4影响天然应力分布的因素：●地形起伏●地表剥蚀●结构面●岩体性质●地下水●地温5高地应力的特征●岩芯饼化现象●地下洞室施工过程中出现岩爆，剥离●边坡上出现错动台阶●原位变形曲线的变化●软弱夹层内物质被挤出，节理闭合7岩体本构关系与强度理论1岩体本构关系：岩体在外力作用下，应力或应力速率与其应变或应变速率的关系2岩体强度理论：研究岩石在一定假说条件下在各种应力状态下的强度准则的理论3岩体破坏机制：张破坏剪破坏结构体沿软弱结构面滑动结构体转动倾倒溃屈弯折。

第二章 岩石的基本物理力学性质1、全应力—应变曲线（岩石试件在（刚性试验机）单轴压缩载荷作用下产生变形的全过程）（1）OA 阶段，通常被称为孔隙裂隙压密阶段。

其特征是应力—应变曲线呈上凹型，在此阶段岩石试件中原有的张开型结构面和微裂隙逐渐闭合，横向膨胀较小，试件体积随载荷的增大而减小。

本阶段对节理裂隙丰富的岩石表现较为明显，对坚硬少裂隙的岩石不明显。

（2）AC 阶段，通常称此阶段为弹性变形阶段。

其中AB 阶段为线弹性变形阶段；BC 为非线性变形阶段。

BC 阶段中出现了微裂隙的破裂，因此也称为破裂稳定发展阶段。

（3）CD 阶段，非稳定破裂发展阶段或称累积性破坏阶段。

C 点是岩石从弹性变为塑性的转折点，称为屈服点，其相应的应力称为屈服应力（屈服极限），数值约为峰值应力的三分之二左右。

进入此阶段后，微破裂的发展出现了质的变化，它们不断聚合形成了宏观裂隙，直至岩石试件完全破坏。

此时，试件由体积压缩转为扩容，轴向应变和体积应变速率迅速增大。

当达到D 点时，岩石已经破坏，此时的强度称为峰值强度。

（4）DE 阶段称为破坏后阶段。

当载荷达到D 点后，岩石试件内部结构已遭到破坏，但试件基本保持整体形状。

进入本阶段后，宏观裂隙快速发展，并且相互交叉联合形成宏观断裂面，岩块的变形主要表现为沿宏观断裂面的块体滑移，试件的承载能力迅速下降，但不会到零，岩石仍具有一定的承载能力。

应该指出，对于坚硬的岩石来说，这一塑性阶段很短，有的几乎不存在，它所表现的是脆性破坏的特征。

所谓脆性是指应力超出了屈服应力却并不表现出明显的塑性变形的特性，而因此达到破坏，即为脆性破坏。

2、单轴压缩条件下的岩石变形特征：①岩石的变形特性通常可以从试验时所记录下来的应力—应变曲线中获得；②岩石的应力—应变曲线反映了各种不同应力水平下所对应的应变(变形)规律；③岩石试件在（刚性试验机）单轴压缩载荷作用下产生变形的全过程，可全应力-应变曲线来表示。

3、三轴压缩条件下的岩石变形特征A 、 时岩石变形特征①岩石的强度随围压（ ）的增加，岩石的屈服应力随之提高；②总体来说，岩石的弹性模量变化不大，有随围压增大而增大的趋势；③随着围压的增加，峰值应力所对应的应变值23σσ=23σσ=有所增大，其变形特征表现出低围压的脆性向高围压的塑性转换的规律。

岩体工程性质岩体工程性质是运用力学原理和方法来研究岩石的力学以及与力学有关现象的。

它与资源开发、环境保护、减灾防灾有密切联系，具有重要的实用价值，探讨岩体的工程性质就需要从物理性质、水理性质和力学性质三个性质说起，以下就详述这三个重要的性质。

岩体的基本物理力学特性：岩体的基本力学性质包括几方面：岩体的变形性质—岩体在荷载作用下的应力应变(变形)关系，表现为施加荷载时的应力(压力)～应变(位移)关系曲线；岩体的强度性质—岩体对应于各种荷载条件下的承载能力；岩体的破坏特性—岩体超过承载能力后发生大变形或破坏的形式。

1.岩体结构面的力学性质结构面是具有一定形态而且普遍存在的地质构造迹象的平面或曲面。

不同的结构面，其力学性质不同、规模大小不一。

不连续面切割的岩体可以看成是由岩石、岩块和结构面(节理、裂隙、层面等)组成的复合体，结构面的力学性质是岩体力学性质的重要组成部分。

这里所说的结构面主要是那些力学性能比完整岩石差得多的不连续面(有时称之为弱面)，有些不连续面，大的断层带宽度大，还包含多种构造岩和多条弱面，但是一般注意的主要是其中最弱的主断面。

结构面的力学性质也包括变形性质和强度性质两方面。

强度性质主要是抗剪强度，这是结构面影响岩体力学性质的主要因素。

对于较宽的断层和充填物较厚的节理面也要研究其变形性质。

2．块体理论的发展围岩岩体除极完整和极破碎外，一般情况下将被结构面自身及工程开挖面共同切割成随机分布的个别块体和群体。

块体理论认为，在开挖面上揭露的块体可分为不稳定的危险块体和稳定块体；另外，在这些块体中，存在影响围岩稳定的“关键块体”。

块体理论就是针对个性各异岩体中具有切割体(结构面)这一共性，根据集合论拓扑学原理，运用矢量分析和全空间赤平投影图形方法，构造出可能有的一切块体类型，进而将这些块体和开挖面的关系分为稳定块体、潜在关键块体、键块体和不可移动块体，确定了关键块体后就可进行稳定性分析和支护设计。

岩体：是位于一定地质环境中，在各种宏观地质界面分割下形成的有一定结构的地质体。

结构体：被结构面切割成的岩石块体。

结构面：是指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面或带。

岩体复杂性表现：一.不连续性，二.非均质性，三.各向异性，四.岩体中存在着不同于自重应力场的天然应力场，五.岩体赋存于一定地质环境中，对岩体影响较大。

岩石的变形性状：1.塑性。

2.弹性。

3.粘性。

弹性：指材料在外力作用下产生变形，而撤去外力后立即恢复到它原有的形状和尺寸的性质。

弹性变形：外力撤去后能够恢复的变形。

如应力—应变关系呈直线关系，称线弹性，不呈直线关系称非线弹性。

塑性：指材料受力后，在应力超过屈服应力时仍能继续变形而不即行断裂，撤去外力后变形又不能完全恢复的性质。

不能恢复的变形，称塑性变形。

应变硬化：在屈服点之后，应力—应变关系呈上升曲线，说明晶粒滑到新位置后，导致粒间相嵌、挤紧和晶粒增大，如使之继续滑动，要相应增大应力的现象。

粘性：指材料受力后变形不能在瞬间完成，且应变的速率随应力的大小而改变的性质。

流动变形：应变速率随应力而变化的变形。

峰值前变形机理：1.以裂纹行为为主导的变形。

2.以弹性变形为主的变形。

3.以塑性变形为主的变形。

轴向应力—应变曲线：直线型（弹），下凹型（弹—塑），上凹形（塑—弹），S型（塑—弹—塑）。

扩容：随着裂纹的继续发生和扩展，岩石体积应变增量由压缩专为膨胀的力学过程。

弹性模量：E是指单轴压缩条件下轴向压应力与轴向应变之比。

有效弹性模量：包含裂纹的弹性模量。

固有弹性模量：E未受裂纹的存在所影响的岩石弹性模量。

刚性压力机：用岩石试件的变形作为控制变量，并用着一信号的反噬来控制机器压板的位移速率或加速速率的压力机。

单调加载：岩石在峰值前承受的荷载一直增加。

它可分为等加载速率加载和等应变速率加载两种方式。

循环加载：逐级循环加载：指在试验过程中，当荷载加到一定值时，将荷载全部卸除，然后又加载至比原来卸载点高的压力值，再卸载，如此不断循环的加载方式。