岩石的物理力学性质上岩石力学.ppt

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1、1,2.1 岩石的结构和构造,构造：各种不同结构的矿物集合体的各种分布和排列方式。,结构：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， 它是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,第2章 岩石的物理力学性质,Mar , 2007,2,第2章 岩石的物理力学性质,2.2 岩石的基本物理性质,Mar , 2007,3,第2章 岩石的物理力学性质,2.2 岩石的基本物理性质,岩石单位体积(包括岩石中孔隙体积)的重量称为容重（重度，unit weight ）。岩石容重的表达式

2、为： （2-1） 式中， 岩石容重（kN/m3）； 岩样的重量（kN）； 岩样的体积（m3）。,质量指标,2.2.1 容重和密度,Mar , 2007,4,第2章 岩石的物理力学性质,根据岩石的含水状况，将容重分为天然容重 、干容重 和饱和容重 。,岩石容重取决于组成岩石的矿物成分、孔隙发育程度及其含水量。岩石容重的大小，在一定程度上反映出岩石力学性质的优劣。,测定岩石的容重可采用量积法（直接法）、水中法或蜡封法。具体采取何种方法，应根据岩石的性质和岩样形态来确定。,Mar , 2007,5,Faculty of Civil Engineering, Chongqing University,

3、第2章 岩石的物理力学性质,Mar , 2007,6,Faculty of Civil Engineering, Chongqing University,第2章 岩石的物理力学性质,Mar , 2007,7,第2章 岩石的物理力学性质,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 表示，单位一般为kg/m3。它与岩石容重之间存在如下关系： （2-2） 式中， 重力加速度，m/s2。,Mar , 2007,8,第2章 岩石的物理力学性质,岩石的比重，在数值上等于其密度，它取决于组成岩石的矿物比重及其在岩石中的相对含量。 岩石的比重，可采用比重瓶法进行测定，试验时先将岩石研磨成粉

4、末，烘干后用比重瓶法测定。岩石的比重一般为2.52.8。,specific gravity,2.2.2 比重,Mar , 2007,9,第2章 岩石的物理力学性质,孔隙性,porosity,2.2.3 孔隙率和孔隙比,Mar , 2007,10,第2章 岩石的物理力学性质,质量,体积,三相草图,Mar , 2007,11,第2章 岩石的物理力学性质,三相草图,已知关系五个:,共有九个参数: V Vv Vs Va V / ms m ma m,剩下三个独立变量,三相草图法,物性指标是比例关系: 可假设任一参数为1,实验室测定,其它指标,是一种简单而实用的方法,Mar , 2007,12,第2章 岩

5、石的物理力学性质,水理性质,2.2.4 含水率、吸水率和饱水率,Mar , 2007,13,第2章 岩石的物理力学性质,Mar , 2007,14,第2章 岩石的物理力学性质,岩石的渗透性是指在水压力作用下，岩石的孔隙和裂隙透过水的能力。岩石的渗透性可用渗透系数来衡量。渗透系数的物理意义是介质对某种特定流体的渗透能力。因此，对于水在岩石中渗流来说，渗透系数的大小取决于岩石的物理特性和结构特征，例如岩石中孔隙和裂隙的大小、开闭程度以及连通情况等。 根据达西（Darcy）定律，渗流速度与水力坡度成正比,坚硬的花岗岩、致密的石灰岩的渗透系数低于10-10厘米/秒 砂岩、多裂隙的页岩的渗透系数大于10

6、-3厘米/秒,permeability,2.2.5 岩石的渗透性,Mar , 2007,15,第2章 岩石的物理力学性质,岩石的膨胀性是指岩石浸水后体积增大的性质。某些含粘土矿物(如蒙脱石、水云母及高岭石)成分的软质岩石，经水化作用后在粘土矿物的晶格内部或细分散颗粒的周围生成结合水溶剂腔(水化膜)，并且在相邻近的颗粒间产生楔劈效应，当楔劈作用力大于结构联结力，岩石显示膨胀性。 岩石膨胀性大小一般用膨胀力和膨胀率两项指标表示，目前国内大多采用土的固结仪和膨胀仪测定岩石的膨胀性，测定岩石膨胀力和膨胀率的试验方法常用的有平衡加压法、压力恢复法和加压膨胀法。,膨胀压力曲线,自由膨胀率：无约束条件下，浸

7、水后膨胀变形与原尺寸之比 轴向自由膨胀 径向自由膨胀,抗风化指标,2.2.6 岩石的膨胀性,Mar , 2007,16,第2章 岩石的物理力学性质,岩石的崩解性是指岩石与水相互作用时失去粘结性并变成完全丧失强度的松散物质的性能。这种现象是由于水化过程中削弱了岩石内部的结构联结引起的，常见于由可溶盐和粘土质胶结的沉积岩地层中。岩石崩解性一般用岩石的耐崩解性指数表示，这个指标可以在实验室内做干湿循环试验确定。 试验时，将烘干的试块，约500g，分成10份，放入带有筛孔的圆筒内，使圆筒在水槽中以20rs速度连续转10分钟，然后将留在圆筒内的石块取出烘干称重。如此反复进行两次，按试验前的试件烘干质量和

8、残留在筒内的试件烘干质量计算耐崩解性指数。,干湿循环测定仪 1 圆筒；2 轴；3 水槽,disintegration,2.2.7 岩石的崩解性,Mar , 2007,17,第2章 岩石的物理力学性质,softening coefficient,2.2.8 岩石的软化性,Mar , 2007,18,第2章 岩石的物理力学性质,frost resistance,2.2.9 岩石的抗冻性,Mar , 2007,19,Faculty of Civil Engineering, Chongqing University,第2章 岩石的物理力学性质,常见岩石的物理性质指标值,Mar , 2007,20,F

9、aculty of Civil Engineering, Chongqing University,第2章 岩石的物理力学性质,岩石在荷载作用下破坏时所承受的最大荷载应力称为岩石的强度。岩石的强度取决定于很多因素，岩石结构、风化程度、水、温度、围压大小、各向异性等都影响岩石的强度。,2.3 岩石的强度,岩石的力学性质是 物理性质的延伸,万能材料试验机,Mar , 2007,21,第2章 岩石的物理力学性质,1. 单轴抗压强度,岩石单轴抗压强度就是岩石试件在单轴压力作用下(无围压，只在轴向加压力)所能承受的最大压应力。单轴抗压强度等于达到破坏时最大轴向压力除以试件的横截面积，即,圆柱形试件：4.

10、85.2cm ，高H=（22.5) 长方体试件：边长L= 4.85.2cm , 高H=（22.5)L 试件两端不平度0.5 mm；尺寸误差0.3mm ； 两端面垂直于轴线0.25o,试件标准：,compressive strength,2.3.1 岩石抗压强度,Mar , 2007,22,第2章 岩石的物理力学性质,岩石的抗压强度试验,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； 50的依据 高径比：研究表明；h/d(23)较合理 （3）加载速度 加载速度越大，表现强度

11、越高 我国规定加载速度为0.5 1.0 MPa/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23倍。 温度：温度增加，岩石强度降低。,Mar , 2007,23,第2章 岩石的物理力学性质,破坏形态是表现破坏机理的重要特征，其主要影响因素： 应力状态 试验条件,单轴压力作用下试件的劈裂； 单斜面剪切破坏； 多个共轭斜面剪切破坏,岩石单轴压缩时的常见破坏形式,Mar , 2007,24,第2章 岩石的物理力学性质,典型试件,Mar , 2007,25,第2章 岩石的物理力学性质,常见岩石的抗压强度,Mar , 2007,26,常规三轴压

12、力试验是使圆柱体试件周边受到均匀压力（ ），而轴向则用压力机加载（ ）。三轴压力试验测得的岩石强度和围压关系很大，岩石抗压强度随围压的增加而提高。通常岩石类脆性材料随围压的增加而具有延性。,第2章 岩石的物理力学性质,100T大型动静三轴试验机,2. 三轴抗压强度,Mar , 2007,27,第2章 岩石的物理力学性质,（a) 拉断破坏；(b)剪断破坏； (c) 塑性破坏,Mar , 2007,28,第2章 岩石的物理力学性质,真三轴压力试验加载是使试件成为 的应力状态。真三轴压力试验可得到许多不同应力路径下的力学结果，可为岩石力学理论研究提供较多的资料。但是真三轴试验装置复杂，试件六面均可受

13、到加压引起的摩擦力，影响试验结果，故较少进行该类试验。,Mar , 2007,29,岩石的抗剪强度是岩石抵抗剪切破坏的极限能力，它是岩石力学中重要指标之一，常以内聚力 和内摩擦角 这两个抗剪参数表示。,直接剪切试验,第2章 岩石的物理力学性质,岩石剪力仪,shear strength,2.3.2 岩石抗剪强度,Mar , 2007,30,第2章 岩石的物理力学性质,图2-5 抗剪强度 与正应力 的关系,Mar , 2007,31,第2章 岩石的物理力学性质,2. 楔形剪切试验,Mar , 2007,32,第2章 岩石的物理力学性质,楔形剪切试验结果,Mar , 2007,33,第2章 岩石的物

14、理力学性质,3. 三轴压缩试验,Mar , 2007,34,常 见 岩 石 的 剪 切 强 度,第2章 岩石的物理力学性质,Mar , 2007,35,岩石的抗拉强度就是岩石试件在单轴拉力作用下抵抗破坏的极限能力，它在数值上等于破坏时的最大拉应力值。,第2章 岩石的物理力学性质,直接拉伸法,关键技术,试件和夹具之间的连接 加力P与试件同心,tensile strength,2.3.3 岩石抗拉强度,Mar , 2007,36,第2章 岩石的物理力学性质,间接方法,（巴西法）,劈裂法,Mar , 2007,37,第2章 岩石的物理力学性质,（梁的三点弯曲试验） 抗拉强度,岩石是各向同性的线弹性材

15、料 满足平面假设的对称面内弯曲,适用条件：,M 作用在试件上的最大弯矩,C 梁边缘到中性轴的距离,I 梁截面绕中性轴的惯性矩,抗弯法,Mar , 2007,38,第2章 岩石的物理力学性质,试件：任何形状，尺寸大致5cm，不做任何加工。 试验：在直接带到现场的点荷载仪上，加载劈裂破坏。,计算：,式中：P 试件破坏时的极限荷载 D 加载点试件的厚度,统计公式：,要求:（由于离散性大），每组15个，取均值，即,建议：用5cm的钻孔岩芯为试件。,点荷载试验法,Mar , 2007,39,第2章 岩石的物理力学性质,常见岩石的抗拉强度,Mar , 2007,40,岩 块 的 几 种 强 度 与 抗 压

16、 强 度 比 值,第2章 岩石的物理力学性质,Mar , 2007,41,岩石破坏有两种基本类型： 脆性破坏(格里菲斯强度理论)，它的特点是岩石达到破坏时不产生明显的变形，岩石的脆性破坏是由于应力条件下岩石中裂隙的产生和发展的结果； 塑性破坏(莫尔库仑强度理论)，破坏时会产生明显的塑性变形而不呈现明显的破坏面。塑性破坏通常是在塑性流动状态下发生的，这是由于组成物质颗粒间相互滑移所致。,第2章 岩石的物理力学性质,2.3.4 岩石强度准则,Mar , 2007,42,第2章 岩石的物理力学性质,最大正应力理论,最大正应变理论,最大剪应力理论,八面体剪应力理论,Mar , 2007,43,强度理论

17、的研究历史,Coulomb (1773) 把土及岩石看成摩擦材料。 Tresca (1864) 作了一系列的挤压实验，发现金属材料在屈服时，可以看到有很细的痕纹；而这些痕纹的方向接近于最大剪应力方向。,第2章 岩石的物理力学性质,Mar , 2007,44,Mises (1913) Mises指出Tresca试验结果在平面上得到六个点，六个点之间的连线是直线？曲线？还是圆？Mises采用了圆形，并为金属材料试验所证实。 Drucker and Prager (1952) Drucker和Prager首先把不考虑2影响的Coulomb屈服准则与不考虑静水压力p影响的Mises屈服准则联系在一起，

18、提出了广义的Mises模型，后被称为D-P模型。,第2章 岩石的物理力学性质,平面,Mar , 2007,45,第2章 岩石的物理力学性质,Mises & Tresca这两种屈服条件都主要适用于金属材料，对于岩土类介质材料一般不能很好适用，因为岩土类材料的屈服与体积变形或静水应力状态有关。,Mar , 2007,46,第2章 岩石的物理力学性质,破坏机理：材料属压剪破坏，剪切破坏力的一部分用来克服与正应力无关的粘聚力，使材料颗粒间脱离联系；另一部分剪切破坏力用来克服与正应力成正比的摩擦力，使面内错动而最终破坏。,P,S,T,A,1. 库仑（C.A. Coulomb，1773）强度理论,Mar

19、, 2007,47,第2章 岩石的物理力学性质,c 粘聚力 内摩擦角,库仑公式：,f ： 抗剪强度 tg： 摩擦强度-正比于压力 c： 粘聚强度-与所受压力无关,Mar , 2007,48,滑动摩擦,滑动摩擦,第2章 岩石的物理力学性质,摩擦强度 tg,Mar , 2007,49,滑动摩擦,咬合摩擦引起的剪胀,摩擦强度 tg,咬合摩擦引起的剪胀,第2章 岩石的物理力学性质,Mar , 2007,50,滑动摩擦,颗粒破碎与重排列,咬合摩擦引起的剪胀,摩擦强度 tg,颗粒的破碎与重排列,第2章 岩石的物理力学性质,Mar , 2007,51,粘聚强度机理 静电引力（库仑力） 范德华力 颗粒间胶结

20、假粘聚力（毛细力等）,第2章 岩石的物理力学性质,凝聚强度 c,Mar , 2007,52,P,S,T,A,c 粘聚力 内摩擦角,f ： 抗剪强度 tg： 摩擦强度-正比于压力 c： 粘聚强度-与所受压力无关,固定滑裂面,一般应力状态如何判断是否破坏？,借助于莫尔圆,第2章 岩石的物理力学性质,库仑公式,Mar , 2007,53,三维应力状态,二维应力状态,第2章 岩石的物理力学性质,Mar , 2007,54,O,1,3,大主应力：,小主应力:,圆心：,半径：,z按顺时针方向旋转,x按顺时针方向旋转,莫尔圆：代表一个单元的应力状态；圆周上一点代表一个面上的两个应力与,第2章 岩石的物理力学

21、性质,Mar , 2007,55,有一对面上的应力状态达到 = f 强度包线： 所有达到极限平衡状态的莫尔园的公切线。,f,第2章 岩石的物理力学性质,极限平衡应力状态:,Mar , 2007,56,f,强度包线以内：任何一个面上的一对应力与 都没有达到破坏包线，不破坏； 与破坏包线相切：有一个面上的应力达到破坏； 与破坏包线相交：有一些平面上的应力超过强度；不可能发生。,第2章 岩石的物理力学性质,Mar , 2007,57,O,c,1f,3,2,2,与大主应力面夹角： =45 + /2,第2章 岩石的物理力学性质,破裂面的位置,Mar , 2007,58,1f,3,第2章 岩石的物理力学性

22、质,Mar , 2007,59,第2章 岩石的物理力学性质,Mar , 2007,60,第2章 岩石的物理力学性质,Mar , 2007,61,第2章 岩石的物理力学性质,Mar , 2007,62,对于 为负值（拉应力），由实验知，可能会在垂直 平面内发生张性破裂。特别在单轴拉伸（ ）中，当拉应力值达到岩石抗拉强度 时，岩石发生张性断裂。但是，这种破裂行为完全不同于剪切破裂，而这在库仑准则中没有描述。,第2章 岩石的物理力学性质,Mar , 2007,63,第2章 岩石的物理力学性质,破坏机理：材料的强度是应力的函数，在极限时滑动面上的剪应力达到最大值（即抗剪强度），并取决于法向压力和材料的

23、特性。强度曲线由试验确定，即在不同应力状态下达到破坏时的应力圆的包络线。,2. 莫尔（Mohr，1900）强度理论,Mar , 2007,64,第2章 岩石的物理力学性质,（1）二次抛物线型,（2）双曲线型,莫尔包络线的表达式,Mar , 2007,65,第2章 岩石的物理力学性质,优点,同时考虑了拉剪和压剪应力状态；可判断破坏面的方向。 强度曲线向压区开放，说明 与岩石力学性质符合。 强度曲线倾斜向上说明抗剪强度与压应力成正比。 受拉区闭合，说明受三向等拉应力时岩石破坏；受压区开放，说明三向等压应力不破坏。,Mohr- Coulomb 强度准则评价,Mar , 2007,66,第2章 岩石的

24、物理力学性质,库仑准则是建立在实验基础上的破坏判据，未从破裂机制上作出解释。 忽略了中间主应力的影响（中间主应力对强度影响在15%左右）。 库仑准则和莫尔准则都是以剪切破坏作为其物理机理，但是岩石试验证明：岩石破坏存在着大量的微破裂，这些微破裂是张拉破坏而不是剪切破坏。 莫尔库仑准则适用于低围压的情况。,不足,Mar , 2007,67,或,该式又可表示为,第2章 岩石的物理力学性质,Mar , 2007,68,当 时，,如上式 再 时，,当 时，,第2章 岩石的物理力学性质,Mar , 2007,69,当 时，受拉破坏：,当顶式对 微分，并使之为零，此时F取极小,当 时，受压破坏：,第2章

25、岩石的物理力学性质,Mar , 2007,70,第2章 岩石的物理力学性质,D-P准则,C-M准则,Mises准则,D-P准则计入了中间主应力的影响，又考虑了静水压力的作用，克服了C-M准则的主要弱点，已在国内外岩土力学与工程的数值计算分析中获得广泛的应用。,德鲁克-普拉格（Drucker-Prager）准则,Mar , 2007,71,假定材料中存在着许多随机分布的微小裂隙，材料在荷载作用下，裂隙尖端产生高度的应力集中。当方向最有利的裂隙尖端附近的最大应力达到材料的特征值时，会导致裂隙不稳定扩展而使材料脆性破裂。因此，格里菲斯准则认为：脆性破坏是拉伸破坏，而不是剪切破坏。,平面压缩的Grif

26、fith裂纹模型,第2章 岩石的物理力学性质,裂隙末端的应力集中 裂隙扩展 裂隙相互联结 形成宏观破裂,3. 格里菲斯（ A.A.Griffith，1921）准则,Mar , 2007,72,第2章 岩石的物理力学性质,两个关键点： 1.最容易破坏的裂隙方向； 2.最大应力集中点（危险点）。,最有利破裂的方向角,在压应力条件下裂隙开裂及扩展方向,带椭圆孔薄板的孔边应力集中问题,Mar , 2007,73,第2章 岩石的物理力学性质,Mar , 2007,74,第2章 岩石的物理力学性质,与抛物线型莫尔包络线类似,对 求导得,Mar , 2007,75,优点： 岩石抗压强度为抗拉强度的8倍，反映

27、了岩石的真实情况； 证明了岩石在任何应力状态下都是由于拉伸引起破坏； 指出微裂隙延展方向最终与最大主应力方向一致。 不足： 仅适用于脆性岩石，对一般岩石，莫尔强度准则适用性远大于Griffith准则。 对裂隙被压闭合，抗剪强度增高解释不够。 Griffith准则是岩石微裂隙扩展的条件，并非宏观破坏。,第2章 岩石的物理力学性质,Griffith 强度准则评价：,Mar , 2007,76,一、库仑判据,适用条件：低应力或坚硬、较坚硬的岩石的剪切破坏,二、莫尔判据 1. 斜直线型：同库仑判据 2. 二次抛物线型：,适用条件：高应力或软弱、较软弱岩石的剪切破坏,适用条件,第2章 岩石的物理力学性质,Mar , 2007,77,3. 双曲线型： 适用条件：中等应力或较坚硬岩的剪切破坏,三、格里菲斯判据,适用条件：非常适用于脆性岩石的拉破坏,第2章 岩石的物理力学性质,Mar , 2007,78,修正的格里菲斯判据,四、八面体强度判据,适用条件：适用于以延性破坏为主的岩石,第2章 岩石的物理力学性质,