矿山岩石和岩体的基本性质

1、第一章第一章 矿山岩石和岩体的基本性质矿山岩石和岩体的基本性质 岩石的物理力学性质是岩体最基本、最重要的性质之一，也是岩石力学中研究最早、最完善的内容之一。本章介绍：本章介绍：岩石的地质构成及分类； 岩石物理、力学性质及测定； 岩石的破坏机理和强度理论； 岩体及其力学特征。 第一节第一节 岩石的基本物理性质岩石的基本物理性质 1.概念 岩石：岩石：矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集形成的自然物体。 （岩石（岩石 = 矿物颗粒矿物颗粒 + 胶结物胶结物 + 孔隙孔隙 + 水）水） 矿物：矿物：存在地壳中的具有一定化学成分和物理性质的自然元素和化合物。 结构：结构：组成岩石的物质成分、颗粒大小和

2、形状以及其相互结合的情况。 (结晶、胶结) 构造构造: : 组成成分的空间分布及其相互间排列关系。 （节理、裂隙、空隙、边界、缺陷） 矿物、结构、构造矿物、结构、构造 是影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素是影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素 。一、岩石的基本概念一、岩石的基本概念 岩浆岩：岩浆岩：强度高、均质性好2.2.岩石地质分类岩石地质分类 沉积岩：沉积岩：强度不稳定，各向异性 变质岩：变质岩：不稳定，与变质程度和岩性有关3.3.沉积岩石的力学特性：沉积岩石的力学特性：不连续性；（物质不能充满空间，有空隙存在）各向异性；（任一点的物理、力学性质沿不同方向均不相同）不均匀性；（由

3、不同物质组成，各点物理力学性质都不相同）岩块单元的可移动性；地质因素影响特性（水、气、热、初应力）（上述特性导致岩石力学的研究方法以实验测试为主） 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( (体积力体积力)： 单位体积的岩石的质量称为岩石的单位体积的岩石的质量称为岩石的密度密度。单位体积的。单位体积的岩石的重力称为岩石的岩石的重力称为岩石的重度重度。所谓单位体积就是包括孔隙。所谓单位体积就是包括孔隙体积在内的体积。体积在内的体积。 （g/cmg/cm3 3），），g(kN /mg(kN /m3 3) ) 岩石的密度可分为天然密度、

4、干密度和饱和密度。相岩石的密度可分为天然密度、干密度和饱和密度。相应地，岩石的重度可分为天然重度、干重度和饱和重度。应地，岩石的重度可分为天然重度、干重度和饱和重度。VW 二、岩石的基本物理性质二、岩石的基本物理性质 固体水空气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。 VW （g/cm3）(kN /m3)g 式中：式中：WW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) )； gg重力加速度（重力加速度（N/gN/g）。）。 干密度是干

5、密度是指岩石孔隙中的液体全部被蒸发后指岩石孔隙中的液体全部被蒸发后单位体积单位体积岩石的质量岩石的质量，相应的重度即为干重度。，相应的重度即为干重度。 VWsd 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) )gdd 式中：式中：W Ws s岩石试件烘干后的质量岩石试件烘干后的质量(g)(g)； VV岩石试件的体积岩石试件的体积(cm(cm3 3) )； gg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

6、试件的密度。VWww 式中：式中：W WW W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)； VV岩石试件的体积岩石试件的体积(cm(cm3 3) )； gg重力加速度。重力加速度。 gww （g/cm3）(kN /m3)（二）比重（相对密度）（二）比重（相对密度）()() 岩石的比重就是指岩石固体的质量与同体积水的岩石的比重就是指岩石固体的质量与同体积水的质量之比值。岩石固体体积，就是指不包括孔隙体积在质量之比值。岩石固体体积，就是指不包括孔隙体积在内的体积。岩石的比重可在实验室进行测定，其计算公内的体积。岩石的比重可在实验室进行测定，其计算公式为：式为： 式中：式中：岩石

7、的比重；岩石的比重； W Ws 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 40C时水的密重。时水的密重。 wssVW （三）岩石的空隙性（三）岩石的空隙性 孔隙：孔隙：岩石中孔隙和裂隙的总称。岩石中孔隙和裂隙的总称。小开型孔隙小开型孔隙空隙空隙闭型孔隙闭型孔隙开型孔隙开型孔隙大开型孔隙大开型孔隙 闭型孔隙：闭型孔隙：岩石中不与外界相通的空隙。岩石中不与外界相通的空隙。 开型孔隙：开型孔隙：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孔隙，

8、而不能进入小开型孔隙。在常温下水能进入大开型孔隙，而不能进入小开型孔隙。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。孔隙度：孔隙度：指岩石的裂隙和孔隙发育程度，其衡量指标指岩石的裂隙和孔隙发育程度，其衡量指标为为空隙空隙率率(n)(n)或或空隙空隙比（比（e e）。）。根据岩石孔隙类型不同，岩石的孔隙率分为根据岩石孔隙类型不同，岩石的孔隙率分为： (1) (1)总孔隙率总孔隙率n n (2) (2)大大开孔隙率开孔隙率n nb b (3) (3)小小开孔隙率开孔隙率n nl l (4) (4)总总开孔隙开孔隙率率n n0

9、0 ( (5)5)闭孔隙率闭孔隙率n nc c一般提到岩石的孔隙率时系指岩石的总孔隙率。一般提到岩石的孔隙率时系指岩石的总孔隙率。1 1、孔隙率、孔隙率(1)(1)总总孔隙率孔隙率n: 即岩石试件内即岩石试件内孔隙孔隙的体积（的体积（V VV V) )占试件占试件总体积总体积( (V)V)的百分比。的百分比。 (2)(2)大大开孔隙率开孔隙率n nb b: :即岩石试件内大开型孔隙的体积（即岩石试件内大开型孔隙的体积（V Vnbnb) )占试件总体积占试件总体积( (V)V)的百分比。的百分比。 %100 VVnV%100 VVnnbb(3)(3)小开孔隙率小开孔隙率n nl l: :即岩石试

10、件内小开型孔隙的体积（即岩石试件内小开型孔隙的体积（V Vnlnl) )占试件总体积占试件总体积( (V)V)的百分比。的百分比。 %100 VVnnll(4)(4)总开孔隙率（总开孔隙率（孔隙率）孔隙率）n0: 即岩石试件内开型空隙的即岩石试件内开型空隙的总体积（总体积（V Vn0n0) )占试件总体积占试件总体积( (V)V)的百分比。的百分比。 (5)(5)闭闭孔隙率孔隙率n nc c: : 即岩石试件内闭型空隙的体积（即岩石试件内闭型空隙的体积（V Vncnc) )占占试件总体积试件总体积( (V)V)的百分比。的百分比。 %10000 VVnn%100 VVnncc 所谓所谓空隙空隙

11、比是指岩石试件内比是指岩石试件内空隙空隙的体积的体积（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。 nnVVVVVesssV12 2 、孔隙比、孔隙比(e)(e)（四）岩石的水理性质（四）岩石的水理性质 岩石遇水后会引起某些物理、化学和力学性岩石遇水后会引起某些物理、化学和力学性质的改变，岩石的这种性质称为质的改变，岩石的这种性质称为岩石的水理性岩石的水理性。1 1、岩石的吸水性岩石的吸水性 岩石吸收水分的性能称为岩石的吸水性，其岩石吸收水分的性能称为岩石的吸水性，其吸水量的大小取决吸水量的大小取决于于岩石孔隙体积的大小及其密

12、岩石孔隙体积的大小及其密闭程度。岩石的吸水性指标有闭程度。岩石的吸水性指标有吸水率、饱水率吸水率、饱水率和和饱水系数饱水系数。（1 1）岩石吸水率）岩石吸水率(1 1) )： 是指岩石试件在标准大气压力下吸入水的重量是指岩石试件在标准大气压力下吸入水的重量W W11与岩石干重量与岩石干重量W Ws s之比。之比。 岩石的吸水率的大小，取决于岩石所含孔隙、裂隙岩石的吸水率的大小，取决于岩石所含孔隙、裂隙的数量、大小、开闭程度及其分布情况，并且还与试验的数量、大小、开闭程度及其分布情况，并且还与试验条件条件（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

13、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：%10011 sWWsnbsnbbWVVWVVn 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。wdnbsWVVW 111 （2 2）岩石的饱水率（）岩石的饱水率（2 2） 岩石的饱水率指在岩石的饱水率指在高压（高压（150150个大气压）或真空个大气压）或真空条件下，岩石吸入水的重量条件下，岩石吸入水的重量W W22与岩石干重量与岩石干重量W Ws s之比，之比，即：即： %10022 sWW 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

14、隙率n n0 0：wdsnsnWVVWVVn 2000 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 21 sK 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

15、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 岩石的软化性岩石的软化性是指岩石在饱水状态下其强度相对是指岩石在饱水状态下其强度相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。 软化系数软化系数指指岩石试样在饱水状态下的抗压强度岩石试样在饱水状态下的抗压强度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ccbc 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；

16、c c 0.75 0.75，岩石的工程地质性质较差。，岩石的工程地质性质较差。3 3、岩石的膨胀性、岩石的膨胀性 岩石的膨胀性是指岩石浸水后体积增大的性质。岩石岩石的膨胀性是指岩石浸水后体积增大的性质。岩石的膨胀性大小一般用的膨胀性大小一般用膨胀力膨胀力和和膨胀率膨胀率指标表示。其测定方指标表示。其测定方法是平衡加压法。法是平衡加压法。 试验中不断加压，并保持试验中不断加压，并保持体积不变，所测得的最大压力即体积不变，所测得的最大压力即为岩石的最大为岩石的最大膨胀力膨胀力；然后逐级；然后逐级减压，直至荷载为减压，直至荷载为0 0，测定其最，测定其最大膨胀变形量，膨胀变形量与试大膨胀变形量，膨胀

17、变形量与试件原始厚度的比值即为件原始厚度的比值即为膨胀率膨胀率。4 4、岩石的崩解性、岩石的崩解性 岩石的崩解性是指岩石与水相互作用时失去粘结性并岩石的崩解性是指岩石与水相互作用时失去粘结性并变为完全丧失强度的松散物质的性质。变为完全丧失强度的松散物质的性质。 岩石的崩解性一般用耐崩解指数岩石的崩解性一般用耐崩解指数 I Id2 d2 的表示。其指标的表示。其指标可在实验室用可在实验室用干湿循环试验干湿循环试验确定。确定。 试验过程：将经过烘干的试试验过程：将经过烘干的试块（块（500g,500g,分成约分成约1010块），放在块），放在带有筛孔的圆筒内，使该圆筒在带有筛孔的圆筒内，使该圆筒在

18、水槽中以水槽中以2020r/min,r/min,连续旋转连续旋转10 10 min,min,然后将留在圆筒内的岩块取然后将留在圆筒内的岩块取出烘干称重，如此反复进行两次，出烘干称重，如此反复进行两次，按下试计算耐崩解指数。按下试计算耐崩解指数。%10001022 WWWWmmIdrd式中：式中：I Id2 d2 两次循环试验求得的耐崩解指数，在两次循环试验求得的耐崩解指数，在0 0100% 100% 之间变化；之间变化；m md d试验前试块的烘干质量；试验前试块的烘干质量；m mr r残留在圆筒内试块的烘干质量；残留在圆筒内试块的烘干质量；W W1 1 试验前试件和圆筒的烘干重量；试验前试件

19、和圆筒的烘干重量；W W2 2第二次循环后试件和圆筒的烘干重量；第二次循环后试件和圆筒的烘干重量；W W0 0试验结束冲洗干净后圆筒的烘干重量。试验结束冲洗干净后圆筒的烘干重量。 岩石的崩解性指数反映了岩石在浸水和温度变岩石的崩解性指数反映了岩石在浸水和温度变化的环境下抵抗风化作用的能力。化的环境下抵抗风化作用的能力。5 5、岩石的抗冻性、岩石的抗冻性 岩石的抗冻性岩石的抗冻性是指岩石抵抗冻融破坏的性能，是评价是指岩石抵抗冻融破坏的性能，是评价岩石抗风化稳定性的重要指标。岩石抗风化稳定性的重要指标。 岩石的抗冻性用岩石的抗冻性用抗冻系数抗冻系数C Cf f表示，指岩石试样在表示，指岩石试样在2

20、5250 0C C的温度期间内，反复降温、冻结、融解、升温，然的温度期间内，反复降温、冻结、融解、升温，然后测量其抗压强度的下降值（后测量其抗压强度的下降值（c c-cfcf）, ,以此强度下降值以此强度下降值与融冻试验前的抗压强度与融冻试验前的抗压强度c c之比的百分比代表抗冻系数之比的百分比代表抗冻系数C Cf f ，即，即%100 ccfcfC 可见：可见：抗冻系数抗冻系数C Cf f 越小，岩石抗冻融破坏的能力越强。越小，岩石抗冻融破坏的能力越强。6 6、岩石的透水性、岩石的透水性 地下水存在于岩石孔隙、裂隙之中，而且大多数岩地下水存在于岩石孔隙、裂隙之中，而且大多数岩石的孔隙裂隙是连

21、通的，因而在一定的压力作用下，地石的孔隙裂隙是连通的，因而在一定的压力作用下，地下水可以在岩石中渗透。岩石的这种能透水的性能称为下水可以在岩石中渗透。岩石的这种能透水的性能称为岩石的透水性岩石的透水性。岩石的透水性大小不仅与岩石的孔隙度。岩石的透水性大小不仅与岩石的孔隙度大小有关，而且还与孔隙大小及其贯通程度有关。大小有关，而且还与孔隙大小及其贯通程度有关。 衡量岩石透水性的指标为衡量岩石透水性的指标为渗透系数渗透系数(K)(K)。一般来说，。一般来说，完整密实的岩石的渗透系数往往很小。岩石的渗透系数完整密实的岩石的渗透系数往往很小。岩石的渗透系数一般是在钻孔中进行抽水或压水试验而测定的。一般

22、是在钻孔中进行抽水或压水试验而测定的。（五）岩石的碎胀性（五）岩石的碎胀性 岩石破碎后的体积岩石破碎后的体积V VP P比原体积比原体积V V增大的性能称为增大的性能称为岩石岩石的碎胀性的碎胀性，用碎胀系数，用碎胀系数来表示。来表示。VVP 碎胀系数不是一个固定值，是随时间而变化的。碎胀系数不是一个固定值，是随时间而变化的。 永久碎胀系数永久碎胀系数（残余碎胀系数）（残余碎胀系数）不能再压密时不能再压密时的碎胀系数称为永久碎胀系数的碎胀系数称为永久碎胀系数. .弹性弹性：指：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形能够恢复的性质能够恢复的性质。塑性

23、塑性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形不能恢复的性质。不能恢复的性质。粘性（流变性）粘性（流变性）：物体受力后变形不能在瞬间完成，且应：物体受力后变形不能在瞬间完成，且应变速度（变速度（d/dtd/dt）随应力大小而变化的性质。）随应力大小而变化的性质。脆性脆性：物体在外力作用下变形很小时就发生破坏的性质。：物体在外力作用下变形很小时就发生破坏的性质。延性延性：物体能够承受较大的塑性变形而不丧失其承载能力：物体能够承受较大的塑性变形而不丧失其承载能力的性质。的性质。第二节第二节 岩石的强度和变形特性岩石的强度和变形特性 岩石的力学性质包

24、括：岩石的力学性质包括： 变形性质：研究岩石在受力情况下的变形规律 强度特性：研究岩石受力破坏的规律一、岩石的弹性和塑性：一、岩石的弹性和塑性： 变形分析的重要性（直观、易测、建立模型、准则） 1、 弹性变形：弹性变形：线弹性应力应变呈直线非线弹性 滞弹性 线弹性直线型；当岩石致密，强度大，压力不高时，为此状态。 非线弹性单向曲线型； 基本没有。 滞弹性双向曲线型，岩石多属滞弹性：滞弹性滞弹性应力应变不是唯一的对应关系，应变的产生（变化）较应力 的变化有一段时间的滞后。 原因：物理学认为，当作用在滞弹性体上的力发生改变时，由于受力体内部物质的粘性或内摩擦的原因，引起变形效应滞后和迟延。 滞弹性

25、体具有两个重要性质： 弹性滞后弹性滞后由于内摩擦原因，岩石随应力变化出现的变形滞后。 弹性后效弹性后效由于热传导等原因，外力停止变化，而变形仍随时间而缓慢变化。 理想塑性具有应变硬化的塑性2、塑性变形：、塑性变形： 岩石塑性普遍存在； 岩石塑性与岩石的组成、结构、构造及外界环境有关。 （颗粒及胶结物物质成分、排列结合、含水、温度、应力等） 理想塑性理想塑性超过弹性极限，进入完全塑性状态（极少）； 应变硬化应变硬化超过弹性极限，承载能力随应变增加而增加。 3、一般岩石的变形：、一般岩石的变形： 瞬时弹性变形 后效弹性变形 塑性变形 岩石与其它金属及晶体矿物不同，因其有节理、裂隙存在，在应力不高阶

26、段，内部结构即有破坏，在产生弹性变形的同时，产生塑性变形。 岩石不是理想的弹性体、塑性体、粘性体，是混合体。岩石不是理想的弹性体、塑性体、粘性体，是混合体。 有弹塑；塑弹；弹粘塑；粘弹等多种变形特性。 （粘性粘性变形不能在瞬间完成， 变形速率随应力变化。）典型变形性质：典型变形性质：直线型直线型弹脆弹塑下凹型下凹型塑弹上凹型上凹型弹粘平缓平缓 型型塑弹塑S 型型二、岩石单向压缩变形性质：二、岩石单向压缩变形性质： 1、轴向变形：、轴向变形：2、横向变形：、横向变形：E1E12普通试验机下岩石应力、应变曲线普通试验机下岩石应力、应变曲线刚性试验机下岩石应力、应变曲线刚性试验机下岩石应力、应变曲线

27、-应力E-弹性模量-泊松比刚性试验机刚性试验机 （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）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）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。 3、全应力应变曲线：、全应力应变曲线：4、岩石的变形指标及其确定：、岩石的变形指标及其确定

28、： 弹性摸量弹性摸量E E：（抵抗变形的能力、应力应变比值） 线弹性：线弹性： 直线斜率 非线弹性：非线弹性： 切线斜率 （变形曲线导数）； 割线斜率 （割线斜率）； 弹塑性：弹塑性： 弹性摸量：弹性摸量：E = 加载曲线段切线斜率=卸载曲线段割线斜率； 变形摸量：变形摸量：E)(fddEttEEpeE0 E 曲线呈线性关系（线弹性类岩石），曲线上任一点曲线呈线性关系（线弹性类岩石），曲线上任一点P的的弹性模量弹性模量E E： 曲线呈非线性关系曲线呈非线性关系初始模量初始模量: :0 ddE 初初1212aaaaE 切切 割割E505050 E切线模量（直线段）：切线模量（直线段）：割线模量：

29、割线模量： 工程上常用工程上常用E50 ： EddEttEpeE0tE泊松比泊松比：（变形传递能力） 泊松比岩石横向应变与纵向应变的比值。 在弹性阶段：其为常数。 在塑性阶段：不为常数。 （严格讲，仅在弹性范围适用，对塑性部分不适用 , 由于引入变形摸量，塑性区可用，最大为0.5。) 剪切模量剪切模量G G剪切虎克定律比例系数。拉梅常数拉梅常数将应力应变联系起来的弹性常数。体积模量体积模量KvKv体积弹性摸量。yx5、岩石变形中的扩容现象：、岩石变形中的扩容现象： 扩容现象扩容现象岩石破坏前，因微裂隙产生及内部小块体相对滑移， 导致体积扩大的现象。 体应变体应变变形后的体积增量与变形前体积之比

30、。 体应变曲线：体应变曲线：三个阶段：体积减小阶段0F 体积不变阶段F 体积扩大阶段FT32121Edvdvzyxv纵向横向体积T三、岩石三轴压缩变形性质：三、岩石三轴压缩变形性质： 1、三轴实验：、三轴实验： （真三轴、假三轴） 2、三轴抗压强度：、三轴抗压强度： 3、三轴变形特征：、三轴变形特征： 与单轴试验结果基本类似（与单轴试验结果基本类似（E、基本相同）；基本相同）； 围压增加围压增加三向抗压强度增加；三向抗压强度增加； 峰值变形增加；峰值变形增加； 弹性极限增加；弹性极限增加； 岩石由弹脆性岩石由弹脆性弹塑性弹塑性应变硬化转变应变硬化转变 103APRc干砂岩干砂岩湿砂岩湿砂岩四、

31、岩石流变性质：四、岩石流变性质： 1、岩石流变性质、岩石流变性质岩石岩石 随时间增长而变化的性质。随时间增长而变化的性质。 2、流变现象：、流变现象： 蠕蠕 变变应力不变，应变随时间增加而增长的现象。 （当 时 ） 松松 弛弛应变不变，应力随时间增加而减小的现象。 （当 时 ） 弹性后效弹性后效停止加、卸载，应变需经一段时间达到应有值的现象。 粘性流动粘性流动蠕变后卸载，部分变形不能恢复的现象。 ,const)(tconst)(t3、蠕变曲线：、蠕变曲线： 岩石蠕变的类型：岩石蠕变的类型： 稳定蠕变 （低应力） 不稳定蠕变（高应力） 典型蠕变曲线典型蠕变曲线： （蠕变三阶段） 初始蠕变阶段应变

32、增加，但应变增加速率降低； 定常蠕变阶段应变增加速率保持不变； 加速蠕变阶段应变增加速率迅速增加，直至破坏。稳定蠕变不稳定蠕变典型蠕变曲线典型蠕变曲线瞬时应变初始应变定常蠕变加速蠕变 与岩石类别有关（粘土矿物岩石蠕变显著） 岩石蠕变岩石蠕变 与应力大小有关（高应力蠕变明显，超过极限 应力，蠕变进入不稳定阶段） 蠕变试验：蠕变试验：时间长； 测量要求精度高（用千分表）； 载荷恒定。 研究蠕变的意义：研究蠕变的意义：了解岩石的长时强度。了解岩石的长时强度。 长时强度长时强度岩石蠕变破坏时的最低应力值。岩石蠕变破坏时的最低应力值。 长时强度对岩土工程更为重要。长时强度对岩土工程更为重要。 长时强度长

33、时强度 强度强度 1m3） 岩体岩体 = 岩块岩块 + 结构面结构面 结构面（弱面）结构面（弱面）地质界面，如断层、裂隙、层理、节理、片理。 （坚硬无充填结构面、软弱有充填结构面、夹层） 结构体（岩块）结构体（岩块）被各类结构面切割成的岩石块体。 （块状、板状） 岩体岩体 = 岩块岩块 + 结构面结构面岩体结构基本类型：岩体结构基本类型： （按结构面切割状况及结构体类型分为六种） 完整结构完整结构 块状结构块状结构 层状结构层状结构 碎裂结构碎裂结构 断续结构断续结构 松散结构松散结构整体结构整体结构 块状结构块状结构 层状结构层状结构碎裂结构碎裂结构 断续结构断续结构 散体结构散体结构完整结

34、构：轻微构造变动的岩浆岩、变质岩、厚层沉积岩，结完整结构：轻微构造变动的岩浆岩、变质岩、厚层沉积岩，结构面间距超过构面间距超过1m，为均质、连续介质，强度高，自稳定性好。，为均质、连续介质，强度高，自稳定性好。块状结构：中等构造变动的厚层、中厚层沉积岩、变质岩和火块状结构：中等构造变动的厚层、中厚层沉积岩、变质岩和火成岩体，结构面间距成岩体，结构面间距0.5-1m，视为连续介质或非连续介质，整，视为连续介质或非连续介质，整体强度较高。体强度较高。层状结构：单层具有较完整的层状组合，节理发育程度不等，层状结构：单层具有较完整的层状组合，节理发育程度不等，单层厚度超过单层厚度超过0.3m的层状岩体

35、，结构面间距为的层状岩体，结构面间距为0.3-0.5m，不连，不连续介质。续介质。松散结构：由断层泥、岩粉、压碎的岩石碎屑、碎块等所组成松散结构：由断层泥、岩粉、压碎的岩石碎屑、碎块等所组成的岩体以及强风化带中。非连续介质的岩体以及强风化带中。非连续介质碎裂结构：岩层受强烈构造变动后产生严重变形和破裂，褶皱、碎裂结构：岩层受强烈构造变动后产生严重变形和破裂，褶皱、断层、层间错动、节理十分发育。分为镶嵌结构、层状碎裂结断层、层间错动、节理十分发育。分为镶嵌结构、层状碎裂结构和碎裂结构。构和碎裂结构。岩体的基本特征1 非均质性：岩体物理力学性质随空间位置的不同，其性质也不相同的性质；2 各向异性：

36、岩体全部或部分物理力学特征随方向而表现不同性质的特征；3非连续性：岩体被结构面所切割而非连续与连续介质物理力学性质不同：岩体结构对岩石性质的影响小于对岩体性质的影响；岩体变形取决于组成岩体单元的活动性；不同结合程度的多块体的残余强度构成岩体强度；岩体的结构特征决定岩体变形和强度。一、岩体的变形特征一、岩体的变形特征 岩体力学性质取决于岩石、结构面的力学性质及结构面的空间组合状况。 1、岩体实验：、岩体实验： 主要测定：主要测定：变形曲线、弹性常数、强度 试试 件：件：现场切割制作，保护原结构不受破坏。 设设 备：备：现场安装，主要为剪切实验。 2、岩体变形特征：、岩体变形特征： （1）总变形量

37、大）总变形量大 （2）在变形的过程中体积明显增大（扩容）在变形的过程中体积明显增大（扩容） （3）破坏后仍能承受一定载荷而继续变形）破坏后仍能承受一定载荷而继续变形 （4）层状岩体可呈现比较明显的各向异性层状岩体可呈现比较明显的各向异性第五节第五节 岩体的基本力学性能与岩体的基本力学性能与分级标准分级标准压密阶段：裂隙被压闭合，纵向变形明显，侧向变形不明显（1为转化点）；弹性阶段：结构体开始承载变形，应力应变正比，呈弹性（2为屈服点） ；塑性阶段：过屈服点，结构体变形，结构面产生滑移变形，扩容、应变强化（3为极限强度） ；破坏阶段：强度限后，出现沿结构面滑移和结构体转动，扩容，出现新裂缝。 破

38、坏后，由于岩体尺寸大，仍能够靠块体间摩擦承受一定载荷。 3、岩体变形曲线：、岩体变形曲线： 二、岩体的强度特征二、岩体的强度特征岩体强度岩体强度是岩块、弱面强度的综合反映，介于岩块、弱面强度之间。 包括：抗压、抗剪、抗拉包括：抗压、抗剪、抗拉 （受结构面影响很大，现场主要测抗压、抗剪强度）1、 结构面及其强度：结构面及其强度： 1 1）结构面分类：）结构面分类： 按成因按成因 ： 原生结构面成岩阶段形成的结构面 ； 构造结构面在构造运动作用下形成的结构面 ； 次生结构面在地表由于外力作用形成的结构面； 按工程要求：按工程要求：细小结构面 延长L1m 中等结构面 1m延长L10m 巨大结构面 延

39、长L10m 2 2）结构面的接触类型：）结构面的接触类型： 3 3）结构面强度特征：）结构面强度特征： 不能承受拉应力；不能承受拉应力； 可承受垂直面的压应力；可承受垂直面的压应力； 可承受沿面剪应力（与其上正应力有关）；可承受沿面剪应力（与其上正应力有关）； 以剪切破坏为主。以剪切破坏为主。 压缩性质剪切性质2、岩块的强度：、岩块的强度： 可承受压、剪或低值拉应力，以剪切破坏为主可承受压、剪或低值拉应力，以剪切破坏为主：3、岩体强度：、岩体强度： 介于结构面、岩快之间。满足无拉力准则（受介于结构面、岩快之间。满足无拉力准则（受 拉处即破坏）拉处即破坏）岩体结构面4、结构面对岩体强度的影响：、

40、结构面对岩体强度的影响：结构面方位对岩体强度的影响 结构面与结构面与主应力方向不主应力方向不同，对岩体强同，对岩体强度影响不同。度影响不同。 结构面位结构面位于剪切面位置于剪切面位置时，岩体强度时，岩体强度最小。最小。 结构面组数越多，岩体强度越接近结构面强度。 结构面组数越多，岩体越呈现各向同性。 对现场松散破碎岩体，不能使用岩块强度，只能使用弱面强度或弱面摩擦强度研究破坏问题。 三、影响岩体变形的因素三、影响岩体变形的因素1、 岩体结构的影响：岩体结构的影响： 1 1）整体结构岩体。）整体结构岩体。岩体的应力应变曲线与其组成岩石的变形曲线类似。纵、横变形比岩石大。2）块状结构岩体。）块状结

41、构岩体。滑块式块状结构，其变形主要是沿结构面的滑移和压缩，砌块式块状结构时，接近于电性的岩体应力应变曲线。3）层状结构岩体。）层状结构岩体。变形特征具有明显的各向异性。4）碎裂结构岩体。）碎裂结构岩体。结构面的压缩和滑移变形其主要作用。5）散体结构岩体。）散体结构岩体。碎屑或颗粒间的空隙减小，体积缩小。三、影响岩体变形的因素三、影响岩体变形的因素2、 岩体结构面的影响：岩体结构面的影响： 1 1）结构面性质的影响。）结构面性质的影响。结构面的张开与闭合程度、充填物性质与充填程度及粗糙程度。2）结构面密度的影响。）结构面密度的影响。结构面越密集，岩体被切割的越破碎，岩体越容易发生各种变形3）结构

42、面产状的影响。）结构面产状的影响。作用力与结构面方向之间的夹角不同使岩体产生不同的变形，结构面产状决定岩体的各向异性。4）结构面组合方式的影响。）结构面组合方式的影响。结构面的压缩和滑移变形其主要作用。对缝式、错缝式、斜缝式3、实验条件的影响、实验条件的影响岩体的变形与载荷大小、方向以及试件尺寸等实验条件有很大关系。 四、岩体强度及其影响因素四、岩体强度及其影响因素岩体强度的测定：岩体强度的测定： 试试 件件现场切割（保持原有结构） 仪器设备仪器设备现场安装 1、单向压缩强度测定：、单向压缩强度测定： 式中：P试件破坏载荷 kN； A试件横截面积 m2。 APmc 2、抗剪强度测定：、抗剪强度

43、测定： cossinFTFTP对多个试件，通过改变正压力，获得岩体抗剪强度曲线 3、三轴压缩强度试验：、三轴压缩强度试验： 真三轴：真三轴： 伪三轴：伪三轴：321321试件压力枕球面垫液压枕顶柱垫板顶座垫板除非大型重要工程，一般不进行现场实测。除非大型重要工程，一般不进行现场实测。目前，现场多用间接方法测定准岩体强度。目前，现场多用间接方法测定准岩体强度。准岩体强度：准岩体强度： 实质：实质：考虑裂隙发育程度，以经过修正的岩石强度作为岩体强度（准岩体强度）。 准岩体抗压强度： 准岩体抗拉强度： 式中： 为岩体完整性系数。 岩体、岩块中弹性波纵波传播速度。cncktntk2clmlVVkmlV

44、clV三、影响岩体强度的因素三、影响岩体强度的因素1、 结构面产状：结构面产状： 结构面与作用力之间的方位关系对岩体强度所产生的影响。通常，结构面对岩体强度的影响主要表现为造成岩体强度的各向异性和岩体强度的降低。1 1）单向压缩下结构面产状。）单向压缩下结构面产状。层状岩体在单向压缩下，加载方向与层里面呈不同角度，极限强度会随夹角不同而有规律的变化，并且平行于层理加载的抗压强度和抗剪强度小于垂直于层理方向加载时的相应强度，抗拉强度则大于垂直于层理的抗拉强度。2）三轴压力下结构面产状。）三轴压力下结构面产状。三轴压力下，结构面产状比较复杂。岩体抗压强度： RCM-岩体抗压强度岩体抗压强度f-岩体

45、岩体-岩石强度换算系数岩石强度换算系数RC-测压下的岩石极限强度测压下的岩石极限强度CCMRfR三、影响岩体强度的因素三、影响岩体强度的因素2、 结构面密度：结构面密度： 指单位岩体内发育的结构面数量。指单位岩体内发育的结构面数量。 相同条件下，岩体内结构面数量越多，密度越大，变形也越大，相同条件下，岩体内结构面数量越多，密度越大，变形也越大，强度降低。强度降低。 岩体强度不会随结构面密度增大无限降低，存在临界值。岩体强度不会随结构面密度增大无限降低，存在临界值。3、 试件尺寸：试件尺寸： 岩体强度随试件尺寸的增大而减小。岩体强度随试件尺寸的增大而减小。三、影响岩体强度的因素三、影响岩体强度的

46、因素4、 环境围压：环境围压：1）围压的大小影响岩体的破坏方式。）围压的大小影响岩体的破坏方式。 高围压时形成穿切岩石材高围压时形成穿切岩石材料的共轭剪切面破坏，低围压时沿结构面滑动或松胀解体形成轴向料的共轭剪切面破坏，低围压时沿结构面滑动或松胀解体形成轴向劈裂破坏。劈裂破坏。2）岩体抗剪强度随围压的增大而增大。）岩体抗剪强度随围压的增大而增大。 3）围压增大，岩体的变形模量也明显提高。）围压增大，岩体的变形模量也明显提高。4）岩体中结构面的力学效应随围压的增大而减小。）岩体中结构面的力学效应随围压的增大而减小。5、 孔隙水压：孔隙水压： 存在孔隙水压，岩体中固体颗粒或骨架所承受的压力随之减小

47、，存在孔隙水压，岩体中固体颗粒或骨架所承受的压力随之减小，岩体强度相应降低。岩体强度相应降低。五、岩体的分级标准五、岩体的分级标准 岩体分类岩体分类是对影响岩体稳定性和影响工程设计、施是对影响岩体稳定性和影响工程设计、施工和维护的各种因素建立一些评价指标，对工程辖区岩工和维护的各种因素建立一些评价指标，对工程辖区岩体进行评价，划分出不同的的级别或类别。体进行评价，划分出不同的的级别或类别。 分类的目的分类的目的：为岩体工程建设的勘察、设计、施工为岩体工程建设的勘察、设计、施工和编制定额提供必要的基本依据。和编制定额提供必要的基本依据。 按分类目的，可分为按分类目的，可分为综合性和专题性两种综合

48、性和专题性两种；按其所按其所涉及的因素多少，可分为涉及的因素多少，可分为单因素分类法和多因素分类法单因素分类法和多因素分类法两种。两种。一、工程岩体分类的参考影响因素一、工程岩体分类的参考影响因素1 1、岩石的质量。、岩石的质量。主要表现在岩石的强度和变形性质方面。主要表现在岩石的强度和变形性质方面。2 2、岩体的完整性。、岩体的完整性。岩体完整性取决于不连续面的组数和岩体完整性取决于不连续面的组数和密度。可用结构面频率密度。可用结构面频率( (裂隙度）、间距、岩心采取率、裂隙度）、间距、岩心采取率、岩石质量指标岩石质量指标RQDRQD以及完整性系数作为定量指标进行描述。以及完整性系数作为定量

49、指标进行描述。这些定量指标是表征岩体工程性质的重要参数。这些定量指标是表征岩体工程性质的重要参数。3 3、结构面条件。、结构面条件。包括结构面产状、粗糙度和充填情况。包括结构面产状、粗糙度和充填情况。岩体的工程性质主要取决于结构面的性质和分布状态以及岩体的工程性质主要取决于结构面的性质和分布状态以及其间的充填物性质。其间的充填物性质。4 4、岩体及结构面的风化程度。、岩体及结构面的风化程度。风化程度越高，岩体越破风化程度越高，岩体越破碎，强度越低碎，强度越低 。5 5、地下水的影响。、地下水的影响。渗流，软化，膨胀，崩解，静、动水渗流，软化，膨胀，崩解，静、动水压力等。压力等。6 6、地应力。

50、、地应力。地应力难于测定，它对工程的影响程度也难地应力难于测定，它对工程的影响程度也难于确定，因此，其影响一般在综合因素中反映。于确定，因此，其影响一般在综合因素中反映。 二、几种有代表性的工程岩体分类方法二、几种有代表性的工程岩体分类方法式中：式中：R Rc c岩石单轴抗压强度，岩石单轴抗压强度，Mpa f 20 20 为为1 1级，最坚固；级，最坚固； f 0.30.3为第为第1010级，最软级，最软弱。弱。优点：形式简单，使用方便。优点：形式简单，使用方便。缺点：未考虑岩体的完整性、岩体结构特征对稳定性影缺点：未考虑岩体的完整性、岩体结构特征对稳定性影响，故不能准确评价岩体的稳定性。响，

51、故不能准确评价岩体的稳定性。10cRf 1 1、普氏分类法、普氏分类法 以岩石试件的单轴抗压强度作为分类依据，根据以岩石试件的单轴抗压强度作为分类依据，根据普氏坚固性系数普氏坚固性系数 f 将岩石分为十级。将岩石分为十级。 f 值越大，岩体值越大，岩体越稳定。越稳定。2 2、岩石单轴抗压强度分类、岩石单轴抗压强度分类我国工程界按岩石单轴抗压强度将岩体分为四类：我国工程界按岩石单轴抗压强度将岩体分为四类： 类别类别 岩石单轴抗压强度岩石单轴抗压强度 c(Mpa)坚固性坚固性 250160特坚固特坚固 160100坚固坚固 10040次坚固次坚固 0.750.750.550.550.350.350

52、.151025015 4810025012 245010071225 504不采用不采用5 252不采用不采用1 51不采用不采用 10（2 2）对应于岩芯质量指标的岩体评分值）对应于岩芯质量指标的岩体评分值R R2 2RQD（）（）91100 769051752650 3 130.310.050.30.05评分值评分值302520105（4 4）对于节理状态的岩体评分值）对于节理状态的岩体评分值R R4 4 说明说明评分值评分值尺寸有限的粗糙的表面、硬岩壁尺寸有限的粗糙的表面、硬岩壁25略粗糙的表面、张开度略粗糙的表面、张开度1mm，硬岩壁，硬岩壁20略粗糙的表面、张开度略粗糙的表面、张开度

53、5mm的断层泥充填的张开节理的断层泥充填的张开节理;张开度张开度5mm的节理，延伸超过数米的节理，延伸超过数米0（5 5）取决于地下水状态的岩体评分值）取决于地下水状态的岩体评分值R R5 5每米隧道的涌每米隧道的涌水量（水量（L/min）节理水压力与最节理水压力与最大主应力的比值大主应力的比值总的状态总的状态评分值评分值无无0完全干燥完全干燥15101250.5有严重地下有严重地下水问题，流水问题，流水水0（6 6）节理方位对）节理方位对RMR的修正值的修正值R R6 6方位对工程的影方位对工程的影响评价响评价隧道隧道地基地基边坡边坡很有利很有利000有利有利225一般一般5725不利不利1

54、01550很不利很不利1225（7 7）节理走向与倾角对隧道掘进的影响）节理走向与倾角对隧道掘进的影响节理走向垂直于隧道轴线节理走向垂直于隧道轴线节理走向平行于节理走向平行于隧道轴线隧道轴线倾角倾角00200顺倾向掘进顺倾向掘进逆倾向掘进逆倾向掘进倾角倾角4509002 00 4 504509002 00 4 504 50 9 00200 4 50不考虑走不考虑走向向很有利很有利有利有利一般一般不利不利很不利很不利一般一般 根据总分确定岩体分级根据总分确定岩体分级654321RRRRRRRMR 类别类别 岩体描述岩体描述岩体评分值岩体评分值RMR 很好很好81100 好好6180 较好较好41

55、60较差较差2140 很差很差020岩体分级的意义岩体分级的意义 考虑不支护隧道的自稳时间考虑不支护隧道的自稳时间分类号分类号平均自稳平均自稳时间时间15m跨，跨，20年年10m跨，跨，1年年5m跨，跨，1星期星期2.5m跨，跨，10h1m跨，跨，30min岩体的内岩体的内聚力聚力(kPa)400 300400200300100200 450350450250350150250 60 60303015155 0.750.750.550.550.350.350.150.15完整程度完整程度完整完整较完整较完整较破碎较破碎破碎破碎极破碎极破碎J Jv v35Kv0.750.750.550.550.350.350.15 90K 90Kv v+30 +30 时，应以时，应以C C=90K=90Kv v+30 +30 代入上式计算代入上式计算Q Q值；值；当当K Kv v 0.04 0.04 C C+0.4+0.4时，应以时，应以K Kv v=0.04=0.04C C+0.4+0.4代入上式计算代入上式计算Q Q值；值；vcKBQ250390 式中：式中