二次岩石的基本物理力学性质解析.ppt

本章内容：2 21 1 岩石的基本物理性质岩石的基本物理性质 2-2 2-2 岩石的岩石的水理性质水理性质 第 二 章 岩石的基本物理、水理性质岩石的分类1、岩浆岩 岩浆岩是岩浆冷凝而形成的岩石，绝大多数岩浆岩是由结晶矿物所组成，由于组成它的各种矿物化学成分和物理性质较为稳定，它们之间的联结是牢固的，因此岩浆岩通常具有较高的力学强度和均质性。工程中常遇到的岩浆岩有花岗岩、玄武岩等。花岗岩玄武岩2、沉积岩 沉积岩是母岩（岩浆岩、变质岩和早已形成的沉积岩）经风化剥蚀而产生的物质在地表经搬运沉积和硬结成岩作用而形成的岩石组成。沉积岩具有层理构造，这使得它的物理力学性质具有方向性。工程建设中常见的沉积岩有灰岩、砂岩、页岩等。变质岩 变质岩是由岩浆岩、沉积岩甚至变质岩在地壳中受到高温、高压及化学活动性流体的影响下发生变质而形成的岩石。它在矿物成份、结构构造上具有变质过程中产生的特征，也常常残留有原岩的某些特点。因此，变质岩的物理力学性质不仅与原岩的性质有关，而且与变质作用的性质及变质程度有关。工程建设中常见的变质岩类有大理岩、片麻岩、板岩等。2 21 1 岩石的基本物理、水理性质岩石的基本物理、水理性质 岩石由固体，水，空气等三相组成。岩石由固体，水，空气等三相组成。一、密度（一、密度（）和重度）和重度()()：单单位位体体积积的的岩岩石石的的质质量量称称为为岩岩石石的的密密度度。单单位位体体积积的的岩岩石石的的重重力力称称为为岩岩石石的的重重度度。所所谓谓单单位位体体积积就就是是包包括括孔孔隙隙体体积在内的体积。积在内的体积。（g/cmg/cm3 3），），g(kN/mg(kN/m3 3)岩岩石石的的密密度度可可分分为为天天然然密密度度、干干密密度度和和饱饱和和密密度度。相相应应地地，岩石的重度可分为天然重度、干重度和饱和重度。岩石的重度可分为天然重度、干重度和饱和重度。1 1、天然密度（、天然密度（）和天然重度（）和天然重度（）指指岩石岩石在在天然状态下的密度和重度。天然状态下的密度和重度。（g/cmg/cm3 3）(kN/m(kN/m3 3)式中：式中：mm天然状态下岩石试件的质量天然状态下岩石试件的质量(g(g；)V V岩石试件的体积岩石试件的体积(cm(cm3 3)；g g重力加速度。重力加速度。干干密密度度是是指指岩岩石石孔孔隙隙中中的的液液体体全全部部被被蒸蒸发发后后单单位位体体积积岩岩石的质量石的质量，相应的重度即为干重度。，相应的重度即为干重度。2 2、干密度（、干密度（d d）和干重度）和干重度(d d)（g/cmg/cm3 3）(kN/m(kN/m3 3)式中：式中：m ms s岩石试件烘干后的质量岩石试件烘干后的质量(g)(g)；V V岩石试件的体积岩石试件的体积(cm(cm3 3)；g g重力加速度。重力加速度。3 3、饱和密度（、饱和密度（）和饱和重度）和饱和重度(w w)饱和密度就是饱水状态下岩石试件的密度。饱和密度就是饱水状态下岩石试件的密度。式中：式中：m msatsat饱水状态下岩石试件的质量饱水状态下岩石试件的质量(g)(g)；V V岩石试件的体积岩石试件的体积(cm(cm3 3)；g g重力加速度。重力加速度。（g/cmg/cm3 3）(kN/m(kN/m3 3)二、比重二、比重()()岩岩石石的的比比重重就就是是指指岩岩石石固固体体的的质质量量与与同同体体积积水水的的质质量量之之比比值值。岩岩石石固固体体体体积积，就就是是指指不不包包括括孔孔隙隙体体积积在在内内的的体体积积。岩岩石石的的比比重重可可在在实实验验室室进进行行测测定定，其计算公式为：其计算公式为：式中：式中：岩石的比重；岩石的比重；m ms s干燥岩石的质量干燥岩石的质量(g)(g);V Vs s岩石固体体积岩石固体体积(cm(cm3 3););W W 4 40 0C C时水的密度。时水的密度。三、岩石的空隙性三、岩石的空隙性 空隙空隙：岩石中孔隙和裂隙的总称。岩石中孔隙和裂隙的总称。小开型空隙小开型空隙空隙空隙闭型空隙闭型空隙开型空隙开型空隙大开型空隙大开型空隙 闭型空隙闭型空隙：岩石中不与外界相通的空隙。：岩石中不与外界相通的空隙。开型空隙开型空隙：岩石中与外界相通的空隙。包括大开型空隙和：岩石中与外界相通的空隙。包括大开型空隙和小开型空隙。小开型空隙。在常温下水能进入大开型空隙，而不能进入小开型空隙。在常温下水能进入大开型空隙，而不能进入小开型空隙。只有在真空中或在只有在真空中或在150150个大气压以上，水才能进入小开型空个大气压以上，水才能进入小开型空隙。隙。空空隙隙度度：指指岩岩石石的的裂裂隙隙和和孔孔隙隙发发育育程程度度，其其衡衡量指标为量指标为空隙空隙率率(n)(n)或或空隙空隙比（比（e e）。）。根据岩石空隙类型不同，岩石的空隙率分为根据岩石空隙类型不同，岩石的空隙率分为：(1)(1)总空隙率总空隙率n n (2)(2)大大开空隙率开空隙率n nb b (3)(3)小小开空隙率开空隙率n nl l (4)(4)总总开空隙开空隙率率n n0 0 (5)5)闭空隙率闭空隙率n nc c一般提到岩石的空隙率时系指岩石的总空隙率。一般提到岩石的空隙率时系指岩石的总空隙率。1 1、空隙率、空隙率(1)(1)总总空空隙隙率率n:n:即即岩岩石石试试件件内内空空隙隙的的体体积积（V VV V)占占试试件总体积件总体积(V)V)的百分比。的百分比。(2)(2)大大开开空空隙隙率率n nb b:即即岩岩石石试试件件内内大大开开型型空空隙隙的的体体积积（V Vv vb b)占试件总体积占试件总体积(V)V)的百分比。的百分比。(3)(3)小开空隙率小开空隙率n nl l:即岩石试件内小开型空隙的体积（即岩石试件内小开型空隙的体积（V Vvsvs)占试件总体积占试件总体积(V)V)的百分比。的百分比。(4)(4)总总开开空空隙隙率率（孔孔隙隙率率）n n0 0:即即岩岩石石试试件件内内开开型型空空隙隙的总体积（的总体积（V Vv v0 0)占试件总体积占试件总体积(V)V)的百分比。的百分比。(5)(5)闭闭空空隙隙率率n nc c:即即岩岩石石试试件件内内闭闭型型空空隙隙的的体体积积（V Vv vc c)占占试件总体积试件总体积(V)V)的百分比。的百分比。所所谓谓空空隙隙比比是是指指岩岩石石试试件件内内空空隙隙的的体体积积（V V V V)与与岩石试件内固体矿物颗粒的体积岩石试件内固体矿物颗粒的体积（V Vs s)之比。之比。2 2、空隙比、空隙比(e)(e)四、岩石的水理性质四、岩石的水理性质 岩岩石石遇遇水水后后会会引引起起某某些些物物理理、化化学学和和力力学学性性质的改变，岩石的这种性质称为岩石的水理性。质的改变，岩石的这种性质称为岩石的水理性。1 1、岩石的吸水性岩石的吸水性 岩岩石石吸吸收收水水分分的的性性能能称称为为岩岩石石的的吸吸水水性性，其其吸吸水水量量的的大大小小取取决决于于岩岩石石孔孔隙隙体体积积的的大大小小及及其其密密闭闭程程度度。岩岩石石的的吸吸水水性性指指标标有有吸吸水水率率、饱饱水水率率和和饱水系数饱水系数。（1 1）岩石自由吸水率）岩石自由吸水率(a a)（简称吸水率）：（简称吸水率）：是是指指岩岩石石试试件件在在标标准准大大气气压压力力下下吸吸入入水水的的重重量量W W1 1与岩石干重量与岩石干重量W Ws s之比。之比。岩岩石石的的吸吸水水率率的的大大小小，取取决决于于岩岩石石所所含含孔孔隙隙、裂裂隙隙的的数数量量、大大小小、开开闭闭程程度度及及其其分分布布情情况况，并并且且还还与与试试验验条件条件（整体和碎块，（整体和碎块，浸水时间浸水时间等）等）有关。有关。根据岩石的吸水率可求得岩石的大开空隙率根据岩石的吸水率可求得岩石的大开空隙率n nb b：式中：式中：W W s s为干燥岩石的重量为干燥岩石的重量；d d,w w分别为干燥岩石和水的重度。分别为干燥岩石和水的重度。（2 2）岩石的饱水率（）岩石的饱水率（2 2）岩岩石石的的饱饱水水率率指指在在高高压压（150150个个大大气气压压）或或真真空空条条件件下下，岩岩石石吸吸入入水水的的重重量量W W2 2与与岩岩石石干干重重量量W Ws s之之比比，即：即：根据饱水率求得岩石的总开空隙率根据饱水率求得岩石的总开空隙率n n0 0：式中：式中：W Ws s为干燥岩石重量；为干燥岩石重量；d d,w w干燥岩石和水的重度。干燥岩石和水的重度。（3 3）岩石的饱水系数（）岩石的饱水系数（K Ks s）岩石吸水率与饱水率之比称为岩石的饱水系数，即岩石吸水率与饱水率之比称为岩石的饱水系数，即 饱水系数反映了岩石中大开空隙和小开空隙的相对饱水系数反映了岩石中大开空隙和小开空隙的相对含量。饱水系数越大，岩石中的大开空隙越多，而小开含量。饱水系数越大，岩石中的大开空隙越多，而小开空隙越少。空隙越少。吸水性较大的岩石吸水后往往会产生膨胀，给井巷吸水性较大的岩石吸水后往往会产生膨胀，给井巷支护造成很大压力。支护造成很大压力。2 2、岩石的软化性、岩石的软化性 岩岩石石的的软软化化性性是是指指岩岩石石在在饱饱水水状状态态下下其其强强度度相相对对于干燥状态下降低的性能，可用软化系数于干燥状态下降低的性能，可用软化系数表示表示。软软化化系系数数指指岩岩石石试试样样在在饱饱水水状状态态下下的的抗抗压压强强度度cbcb与在干燥状态下的抗压强度与在干燥状态下的抗压强度c c之比，即之比，即各类岩石的各类岩石的c c=0.45=0.450.90.9之间。之间。c c 0.75,0.75,岩石软化性弱、抗水、抗风化能力强；岩石软化性弱、抗水、抗风化能力强；c c 0.75 1h/d1的的岩岩块块的的抗抗压压强度：强度：式中：式中：c1c1 h/d=1 h/d=1的试件抗压强度；的试件抗压强度；c c h/d1 h/d1的试件抗压强度。的试件抗压强度。（1 1）0A0A段：微裂隙闭合阶段段：微裂隙闭合阶段,微裂隙压密极限微裂隙压密极限A A。（2 2）ABAB段：近似直线，弹性阶段，段：近似直线，弹性阶段，B B 为弹性极限。为弹性极限。（3 3）BCBC段：屈服阶段，段：屈服阶段，C C为屈服极限。为屈服极限。（4 4）CDCD段：破坏阶段，段：破坏阶段，D D为强度极限，即单轴抗压强度。为强度极限，即单轴抗压强度。（5 5）DEDE段：即破坏后阶段段：即破坏后阶段,E E为残余强度。为残余强度。4.4.单轴抗压强度的主要影响因素单轴抗压强度的主要影响因素岩石自身的因素：岩石自身的因素：矿物成分、结晶程度、颗粒大小及胶结情况、风化程度、含水情况和周围环境（温度、湿度）层理和裂隙的特性和方向等；v 含水量：含水量越大强度越低，岩石越软越明显；温 度：180以下不明显；大于180，温度越高强度越小。（跟岩性有关，深部岩体力学）（1）试件 形状：圆形试件不易产生应力集中，好加工 尺寸：宽度 大于矿物颗粒的10倍（50的依据），长度 不宜太长或太短，高径比 h/d(22.5)较合理(受力均匀）（2）承压板 端部摩擦力 试验机 刚度（3）加载速率 加载速率越大，表现强度越高(见图25)(机理研究热点）我国规定加载速度为0.51.0MPa/s实验方法上的因素：实验方法上的因素：返回返回峰值前岩石峰值前岩石曲线的基本类型曲线的基本类型 致密、坚硬、少裂隙致密、坚硬、少裂隙少裂隙、少裂隙、岩性较软岩性较软致密、坚硬、多裂隙致密、坚硬、多裂隙较多裂隙、较多裂隙、岩性较软岩性较软 瓦瓦威威尔尔西西克克（Wawer Wawer Sik,1968Sik,1968）对对岩岩石石开开始始宏宏观观破破坏坏后的性态做了仔细研究，所得结果如图所示。后的性态做了仔细研究，所得结果如图所示。类类型型1 1：试试件件仍仍有有一一定定的的强强度度。要要使使试试件件进进一一步步破破坏坏，试试验验机机必必须须进进一一步步作作功功，这这种种类类型型为为稳稳定定破破坏坏型型。应应力力应应变变曲曲线线的的破破坏坏后后区区斜斜率率为为负。这种类型为稳定破坏型；（孔隙率大的沉积岩和部分结晶岩）负。这种类型为稳定破坏型；（孔隙率大的沉积岩和部分结晶岩）类类型型2 2：试试件件受受力力达达到到其其极极限限强强度度以以前前储储存存的的弹弹性性变变形形能能就就足足以以使使试试件件完完全全破破坏坏，不不但但不不需需要要试试验验机机进进一一步步作作功功，还还要要逐逐步步卸卸载载，才才能能作作出出破破坏坏后后区区应应力力应应变变曲曲线线。应应力力应应变变曲曲线线的的破破坏坏后后区区斜斜率率为为正正。这这种种类型为非稳定破坏型；（细粒结晶岩）类型为非稳定破坏型；（细粒结晶岩）课堂作业1、按生成不同，地壳中的岩石可分为哪几种？2、表征岩石水理性质的主要指标有哪些？写出它们的表达式，并试着记住每种表达式的含义。3、在岩石单轴抗压强度试验中，为何选多选用圆柱形试件而不是立方柱体试件？4、不看书画出岩石应力应变全过程曲线及其五个变形阶段，并试着记住每个阶段的岩石应力应变特征。THANK YOUSUCCESS2024/5/8 周三41可编辑