第3章_岩石的力学性质与分级[1]

岩石的微结构面
微结构面：指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒间的软弱面或 缺陷，包括矿物解理、晶格缺陷、粒间空隙、微裂隙、微层 理及片理面、片麻理面等。
① 降低岩石强度
② 导致岩石力学性质各向异性
1、岩石的组构特征
岩石的主要胶结类型：
基底型：彼此不发生接触的矿物颗粒埋在玻璃体中，这种情况下 胶结程度很高，岩石强度与胶结物有关。
岩石的饱和吸水率(Wp)：是指岩石试件在高压(一般压力为15MPa)或真空条
件下吸入水的质量(mw2)与岩样干质量(ms)之比，用百分数表示。 岩石的吸水率(Wa)与饱和吸水率(Wp)之比，称为饱水系数。它反映了岩石中
大、小开空隙的相对比例关系。
Wp
m w2 100 % ms
mw1 Wa 100% ms
2.岩石变形特征
变形参数的一般确定方法: 实验数据分析
2
2 1 Et 2 1
弹性模量：弹性段的斜率
50
割线模量：极限强度50%所 对应点的斜率
Ei
1 i o
50 50
Ei i i
1 50 2 i L
初始模量：初始段 应力-应变曲线的切 线的斜率
2、岩石的物理性质
岩石的水理性质
岩石在水溶液作用下表现出来的性质，称为水理性质。主要包括： 吸 水性、软化性、 抗冻性、 膨胀性、 崩解性。
吸水性：岩石在一定的实验条件下吸收水分的能力，称为岩石的吸水性。
吸水率(Wa)：岩石试件在大气压力和室温条件下自由吸入水的质量(mw1)与 岩样干质量(ms)之比，用百分数表示。
不能恢复的 当物体既有弹性变形又有塑性变形，且具有明显的弹性后效时，弹性变形 和塑性变形就难以区别了。

1）产状：结构面的产状常用走向、倾向和倾角三要素 表示。 2）连续性：结构面的连续性反映结构面的贯通程度， 常用线连续性系数、迹长和面连续性系数等表示。 3）密度：结构面的密度反映结构面发育的密集程度， 常用线密度、面密度和间距等指标表示Байду номын сангаас 4）张开度与填充胶结特征：结构面的张开度e是结构 面两壁面间的垂直距离（mm） 5）形态：结构面的形态对岩体的力学性质及水力学性 质存在明显的影响。 6）结构面的组合关系：控制着可能滑岩的岩体的几何 边界条件、形态、规模、滑动方向及滑移破坏类型， 它是工程岩体稳定性预测与评价的基础。
1)原生结构面：是岩体在成岩过程中形成的结构面，其特征与 岩体成因密切相关。因此，又可将其分为沉积结构面、岩浆结 构面和变质结构面三类。原生结构面除部分经风化卸荷作用裂 开外，多具有不同程度的连接力和较高的强度。 (1)沉积结构面
沉积岩的层理、层面、沉积间断面及沉积软弱夹层等都属 于沉积结构面。 (2)火成结构面
在岩体的强度性质中，最重要的是抗剪强度。
它是影响工程安全和造价的重要因素，在岩基抗滑稳 定、边坡岩体稳定和地下硐室围岩稳定性分析与近似 中，岩体的抗剪强度参数是必不可少的。
二、岩体的流变特征
蠕变：指在应力一定的条件下,变形随时间的持续而逐 渐增长的现象； 松弛：变形保持一定时，应力随时间的增长而逐渐减 小的现象。 长期强度：出现蠕变破坏的最低应力值
2.结构面的规格和等级 按结构面延伸长度、切割深度、破碎带宽度及其
力学效应，可将结构面划分为如下五级： Ⅰ级：指大断层或区域性断层。 Ⅱ级：指延伸长而宽度不大的区域性地质界面，如较 大的断层、层间错动、不整合面及原生软弱夹层等。 Ⅲ级：指长度为数十米至数百米的断层、区域性节理、 延伸较好的层面及层间错动等。 Ⅳ级：指延伸较差的节理、层面、次生裂隙、小断层 及较发育的片理、剪理面等。其长度一般为数十米至 二三十米，宽度近于零至数厘米不等，是构成岩块的 边界面。 Ⅴ级：又称微结构面，指隐节理、微层面、微裂隙及 不发育的片理、劈理等，其规模小，连续性差，常包 括在岩块内，主要影响沿块的物理力学性质。

岩石力学是研究岩石的力学性状的一门理论和应用科学，它是力 学的一个分支，是探讨岩石对其周围物理环境中力场的反应。
US National Committee on Rock Mechanics, 1964
第一节 概述
岩石：是由一种或多种矿物组成的。每种矿物都有一定的内部结构 和固定的化学成份，因而各具有一定的物理性质和形态。
3.岩石的强度：岩石抵抗外力破坏的能力。
单向抗压强度 单向抗拉强度 剪切强度
①大多数情况下，岩石表现为脆性破坏。 ②同一岩石的强度并非常数。
③不同受力状态下岩石的极限强度相差悬殊。
三轴压缩
从荷载性质看：单向抗压强度＞单向抗剪强度＞单向抗弯强度＞单
向抗拉强度（单向抗压强度≈10倍单向抗拉强度）。
岩块：从地壳岩层中切取出来的 小块体，通常是指岩石材料。
岩体：指岩石工程周围较大范围 内的自然地质体 。
岩体＝岩块（岩石材料）＋ 弱面（层理、节理、断层）
岩石材料的性质对岩体性质影响很小，而弱面控制着岩体的性 质。例如：岩体压缩时，破坏是沿着已存在的弱面发生的；在 拉伸时，由于弱面的存在，强度很小。
围压是影响岩石力学属性的主要因素之一。 从图分析围压对岩石变形影响，得出如下结论： ①弹性段与单轴压缩下基本相同； ②岩石表现明显的塑性变形； ③屈服极限、强度峰值和残余强度都与围压大小成正变关系； ④在一定临界围压下出现屈服平台，程序塑性流动现象； ⑤达到临界围压后继续提高围压不在出现峰值，应力应变关系单调增长。
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煤巷围岩塑性区分布
4. 按围岩变形量分类
陆士良教授根据围岩变形量的大小和维护的难易程度，将回采巷道围
岩分为五类：
巷道维护状况
容易 中等 困难 极难

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图5-5
溶液和温度对大理岩变形影响的 应力-应变曲线图
(Griggs，围压为1000MPa)
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图 5－ 6
溶液和温度对石英变形影响的应力-应变曲 线图 (围压为1400MPa)
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四、
孔隙压力
在地壳岩石中，常有孔隙流体存在。这 种孔隙流体的压力称为孔隙压力或孔隙液压。 存在于岩石中的流体可以促进岩石的重结晶作 用，并影响岩石的变形。如果不透水层阻挡含 水层中的孔隙流体流出，岩石中的孔隙压力就 会加大。孔隙压力的存在抵消了部分围压的影 响。即有效围压 (Pe)为围压 (Pc)与孔隙液压 (Pp) 之差: Pe = Pc－ Pe…………………..(5-1) 因此 ; 孔隙压力的存在也降低了岩石的强 度，使得岩石易于发生脆性破坏。
第三章（三） 影响岩石力学性质及 岩石变形的因素
岩石的力学性质并不是固定不变的， 主要决定于岩石本身的成分、结构和构 造等，但岩石所处的外界地质环境因素， 包括围压、温度、溶液和应力作用时间 及变形速度等，都对岩石的力学性质以 致岩石变形有着明显的影响。本章主要 阐述外界因素的影响。
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(据Paterson，1978)
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二、 温 度
随着温度增高，可以使常温常压下 脆性的岩石，变得强度降低，弹性减弱， 塑性增大，韧性增强，易于变形。也就 是说，提高温度，加速了岩石由脆性向 韧性的转化。但是，影响的程度随岩性 不同有所差异。
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矿物同岩石一样，温度升高，弹性极限和 抗压强度明显降低，易于形成塑性变形。图5-4 中的磁黄铁矿和闪锌矿在围压固定，温度从 25℃、100℃、200℃、300℃、400℃到500℃逐 渐升高的情况下，弹性极限等也逐渐降低，并 且温度升的越高，降得越快。 温度影响岩石力学特性的原因在于，随着 温度的升高，晶体质点的热运动增强，质点间 的凝聚力就减弱，质点容易位移;从而降低了岩 石的弹性极限与强度极限，提高了岩石的塑性 和韧性。

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3.实验原理
消除方法: ①润滑试件端部（如垫云 母片；涂黄油在端部）机)
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4.影响单轴抗压强度的主要因素
（1）承压板端部的摩擦力及其刚度（加垫块的依据） （2）试件的形状和尺寸 形状：圆形试件不易产生应力集中，好加工 尺寸：大于矿物颗粒的10倍； φ50的依据 高径比：研究表明；L/D≥(2.5－3)较合理 （3）加载速度 加载速度越大，表现强度越高) 我国规定加载速度为0.5～0.8MPa/s （4）环境 含水量：含水量越大强度越低；岩石越软越明显，对 泥岩、粘土等软弱岩体，干燥强度是饱和强度的2－3倍。 温度：180℃以下不明显：大于180℃，温度越高强度 越小。
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2)实验加载方式：
a. 真三轴加载:试件为立方体，加载方式如图所示。 应力状态：σ1>σ2> σ3 这种加载方式试验装置繁杂，且六个面均可受到由加 压铁板所引起的摩擦力，对试验结果有很大影响，因而实 用意义不大。故极少有人做这样的三轴试验。

b.伪三轴试验:，试件为圆柱体，试件直径25~150mm，长 度与直径之比为2：1或3：1。轴向压力的加载方式与单 轴压缩试验相同。 但由于有了侧向压力，其加载上时的端部效应比单轴加 载时要轻微得多。 应力状态：
a.试验者和时间：意大利人冯· 卡门(Von· Karman) 于1911年完成的。 b.试验岩石：白色圆柱体大理石试件，该大理石 具有很细的颗粒并且是非常均质的。 c.试验发现： ①在围压为零或较低时，大理石试件以脆性方式 破坏，沿一组倾斜的裂隙破坏。 ②随着围压的增加，试件的延性变形和强度都不 断增加，直至出现完全延性或塑性流动变形，并 伴随工作硬化，试件也变成粗腰桶形的。 ③在试验开始阶段，试件体积减小，当达到抗压 强度一半时，出现扩容，泊松比迅速增大。

抗压试验 抗拉试验-巴西实验
p r0 t
c
P A
t
抗剪试验
抗弯试验
P s A
3Pl b 2bh 2
表 1-4 岩石的抗压、抗拉、抗剪和抗弯强度
岩石 粗粒砂岩 中粒砂岩 细粒砂岩 页 岩 泥 岩 石 膏 含膏石灰岩 安山岩 白云岩 石灰岩 花岗岩 正长岩 辉长岩 石英岩 辉绿岩 抗压强度 σ cMpa 142 151 185 14－61 18 17 42 98.6 162 138 166 215.2 230 305 343 抗拉强度 σ tMpa 5.14 5.2 7.95 1.7－8 3.2 1.9 2.4 5.8 6.9 9.1 12 14.3 13.5 14.4 13.4 抗剪强度 τ sMpa － － － － － － － 98 118 145 198 221 244 316 347 抗弯强度 σ rMpa 10.3 13.1 24.9 36 3.5 6 6.5



d dt
弹性
塑性
粘性
材料的变形性质
弹性：一定的应力范围内，物体受外力作用产生变形，而 去除外力后能够立即恢复其原有的形状和尺寸大小的性质
产生的变形称为弹性变形 具有弹性性质的物体称为弹性介质
弹性按其应力和应变关系又可分为两种类型
应力和应变呈直线关系—即线弹性或虎 克型弹性或理想弹性 应力应变呈非直线的非线性弹性
l
xx
xx l x
xx
o
xx l x
xy
xy x
l
yx
yx y
l
yy
yy y
l
一点应力状态——剪应力互等定理
xy xy 2 2 M oz xy l 2l l xy l 2l l x x yx yx 2 2 yx l 2l l yx l 2l l y y

土类矿物意义重大。取决于矿物成分、孔隙度和含水量。
与埋深也有关。
二、岩石的孔隙性
指岩石的裂隙和孔隙发育的程度，用孔隙度n和孔隙比e来表示。
n V Vc 100% V
V Vc e 100% Vc
随着岩石孔隙度增大，一方面消弱了岩石的整体稳定性， 使其密度和强度降低，透水性增大；另一方面会增加风
4.岩石的硬度：岩石抵抗其他较硬物体侵入的能力。 5.岩石的可钻性与可爆性
第四节 岩体工程分类
为岩石工程建设的勘察、设计、施工和编制定额提供
必要的基本依据。
便于施工方法的总结、交流、推广。
便于行业内技术改革和管理。
分类指标：
岩石强度：单轴抗压强度为岩体稳定性评价的重要指标。 结构面内物质成分等。 水对岩体的影响：水对岩体稳定性有着重要的影响。岩体 遇水后可以发生泥化、崩解、碎裂，致使岩体膨胀并大大 降低强度。
围岩类别 小松 动圈 I
分类名称 稳定围岩
围岩松动圈 /cm 0～40
支护机理及方法 喷混凝土支护
备注 围岩整体性好，不 易风化的可不支护
Ⅱ
中松 动圈 Ⅲ Ⅳ 大松 动圈
较稳定围岩
一般围岩
40～100
100～150 150～200
锚杆悬吊理论，喷层局部支护
锚杆悬吊理论，喷层局部支护
局部锚杆支护
刚性支护有局部破 坏，采用可缩性支护
O
衍 射角 度 (单位 : 度)
第二节 岩石物理性质
一、岩石的ห้องสมุดไป่ตู้重与容重
相对密度（比重）：取决于组 成岩石的矿物的相对密度。
绝对干燥时体积为Vc的岩石质量G 比重＝ 岩石固体实体积Vc 水的密度 w

＞550 550～451 450～351
IV
350～251
V
≤250
VI
（3） 如何确定五参数
[ BQ ] = 90 + 3Rc + 250Kv– 100 ( K1 + K2 + K3 )
1、Rc ——岩石单轴饱和抗压强度
电液伺服岩石力学试验机
方法1：实验室标准岩样试验
现场取样，在实验室加工成直径50mm、高度100～120mm的标准圆柱体试件， 在压力机上做抗压强度试验，获得岩石的单轴抗压强度。
二、岩体的力学性质
岩体的力学性质＝变形性质＋强度性质
不含结构面的岩块 Vr
1、岩体的变形性质
岩体＝结构体（岩块）＋结构面
结构面 Vj
含结构面的岩块 Vt
（１）结构面的变形特性
a、法向变形特性
aaa ∆ V
∆V j = ∆Vt − ∆Vr
b、剪切变形特性
脆性变形型
塑性变形型
结构面剪切试验
结构面剪切变形特征曲线
= C + σtgφ
§3 岩体的工程地质性质
一、岩体的结构特性
1、结构面的类型 2、结构面的特征 （1）结构面的产状 （2）结构面的连续性 （3）结构面的密度 （4）结构面的形态 （5）结构面的张开度 （6）结构面的充填胶结特征 （7）结构面的分级及其特征 3、岩体的结构类型划分
第二次课主要内容
二、岩体的力学性质
节理的剪切刚度见前页表
（２）岩体变形参数的测定及变形曲线类型
在实际中如何测定岩体的变形参数（变形模量）？常用三种方法： a、承压板法；b、钻孔变形法；c、声波法。
a、承压板法
b、钻孔变形法

岩石在室温和大气压条件下单向压缩试验 曲线（图1—1） Ⅰ—OA段：σ～ε曲线斜率逐渐增大，称为裂隙压密闭合 阶度 Ⅱ—AB段：σ～τ曲线近似直线；称为“线弹性阶段”， Ⅲ—BC段：σ～ε曲线的斜率逐渐缩小；称为“裂隙发展 阶段“，达到极限C Ⅳ—CD段：（刚性试验机），应力随应变而下降，直至 D。说明什么情况？
工程分级的目的 以便能正确地进行工程设计，合理地选用施 工方法、施工设备、机具与器材，准确的制 定生产定额和材料消耗定额等。 工程分级方法
1）普氏分级法 苏联M.M.普罗托奇雅克诺夫于1926年提出用
“坚固性”作为岩石工程分级的依据，即用一个
综合性指标“坚固性系数f”来表示岩石破坏的相
对难易程度，f值是用岩石的单行抗压强度Ra
好的··· R.Q.D＝50～75 ··· ··· 差的···· ···R.Q.D＝ 25～50 ···
很差的·· R.Q.D＝0～25 ·· ··
复习思考题 （1）岩石与岩块的特点及其力学性质差异？ （2）岩石的碎胀性？在井巷工程实践中有何意义？ （3）静荷载下岩石的变形特征？ （4）动荷载下岩石的变形特征？ （5）岩石在动荷载下的强度特征？ （6）岩石的可钻性与可爆性？如何表示？ （7）岩石工程分级的目的与意义？ （8）常用岩石工程分级方法？
1.2 岩石的物理性质
*岩石的组成：由固体、水、空气三相组成,具有比重、 密度、重度等指标
（1）比重：岩石固体实体积的质量与同体积水的质 G △＝ 量之比 （不包含空隙） Vρ
C w
（2）密度：岩石单位体积〈包括岩石内孔隙体积在
内〉的质量 ，又称质量密度：ρ
a、干密度：是单位体积岩石绝对干燥后的质量
* Ⅵa级岩石· · （如坚固烟煤）····普氏系数f＝1.5 ···· ····