第2章岩石的基本物理力学性质1

（三）、岩石的水理性质
软化性
1 含水性
渗透性 耐崩解性
(1)、含水量：岩石孔隙中含水量(WW)与岩石烘干重 量(Ws)比值的百分率
w=Ww/Ws×100％
Ws：在105-110°C温度下烘干24小时的重量(kN)
(2)、吸水率：干燥岩石试样在一个大气压和室温条 件下吸入水的重量与岩石烘干重量之比
a W W W S W0W SWS 10% 0
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岩块与岩体(地质体)
（工程）岩体=岩块
不连续面包括： 节理、裂隙、孔 隙、断面、孔洞、 层面、溶洞
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岩体 (Rock Mass)
岩体是指在一定地质条件下，含有诸如节理、层理、劈 理、裂隙、断层等不连续结构面的复杂地质体。
层理 (Lamina)
岩浆岩：地壳深处的岩浆在地下或喷出地表后结
晶、固化而形成的岩石。强度高、均质性好
沉积岩：地表物质或者岩石风化或溶解的产物，
经过搬运、沉积并在不同固结作用下形成的岩石。 强度不稳定，各向异性
变质岩：原有的岩石受到高温或高压作用，重新
结晶或结合形成的新矿物结合体。定向排列，力学 性能与变质程度和原岩性质有关
W0－烘干岩样浸水48h后的湿重(kN)
吸水率是一个间接反映岩石内孔隙多少的指标
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2 渗透性
渗透性：在一定的水压作用下，岩石的孔隙和裂隙透过
水的能力，可用渗透系数来衡量。
可用达西（Darcy）定律描述：
qx
k dh A dx
dh ——水头变化率； dx qx——沿x方向水的流量，m3/s ；h——水头高度，m； A——垂直x方向的截面面积，m2；k——渗透系数，m/s 。
（1）天然密度：自然状态下，单位体积质量
M/V
M——岩石总质量，kg；V——总体积，m3。
（2）干密度：岩块中的孔隙水全部蒸发后的单位体 积质量（108℃烘24h）
d Ms /V
Ms——岩石烘干后的质量，kg。
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（3）饱和密度：岩石中的孔隙被水充填时的单 位体积质量（水中浸48小时）
在很大范围内变化。
连续介质
裂隙介质
松散介质
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岩石组构的特性
一、选择题 1、岩石与岩体的关系是（ ）。 （A）岩石就是岩体 （B）岩体是由岩石和结构
面组成的 （C）岩体代表的范围大于岩石 （D）岩石是岩
体的主要组成部分 2、大部分岩体属于（ ）。 （A）均质连续材料 （B）非均质材料 （C）非连续材料 （D）非均质、非连续、各
渗透系数是介质对某种流体的渗透能力，取决于岩石物理特性 和结构特征，如孔隙/裂隙大小，开闭程度以及连通情况等。
但是岩体的渗透特性更重要，如裂隙渗流的立方定律(P11选修)。
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3 岩石的膨胀性(泥岩等含粘土矿物的岩石) 自由膨胀率：无约束条件下，浸水后膨胀变形与原尺寸之比
轴向自由膨胀
岩石的抗冻系数是指岩样在±25℃的温度区间内，反复降温、 冻结、升温、融解，其抗压强度有所下降，岩样抗压强度的下 降值与冻融前的抗压强度之比：
cf
Rc Rcf 10% 0 Rc
Cf—岩石的抗冻系数；
Rcf—岩石冻融后的抗压强度(kPa)
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三 岩石动力学
1 岩石动力学的含义:研究岩石在动载荷或周期性变化载荷作
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岩石应力波传播
v2p ( 2G)/ vs2 G/ vp/vs [2(1- )/(1-2)]1/2
vp为纵波速度,vs为横波
速度，可反求Ed和μd，
二者之比大于1.7
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岩石应力波传播
影响声波传播速度的主要因素是矿物成分、裂隙或孔隙、 充水程度及其所处的压力、温度条件。
霍布金 森杆
轻气炮、平 面波发生器
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应变率等级 2) 应变速率对岩石力学性质的影响
a) 应变率增加, 弹性模量增高,强度增高 b) 围压增大,应变速率的影响下降 c) 应变率界限 :103s-,1 应变率对岩石强度特性影
响更显著 d) 孔隙率的影响; n 增加, 应变率的影响增加
向异性材料
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二 岩石基本物理性质
岩石含：固相、液相、气相 空隙有：孔隙、裂隙、溶隙
三相比例不同，物理性质指标也有所不同。
（一）岩石的质量指标 （二）岩石的空隙性 （三）岩石的水理性 （四）岩石的抗冻性
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（一）、岩石的质量指标
1、岩石的密度：单位体积内岩石的质量。
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岩石中应力波类型
应力波是应力在固体介质中的传播，固体中的应力
波主要有弹性波、粘弹性波、塑性波和冲击波。岩
体中主要是弹性波。
体波
纵波/拉压波/P波
弹性波 （平面波） 横波/剪切波/S波
面波 瑞利波/R波
勒夫波/L波
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2*104
1*1010
次声波 声波 超声波 特超声波
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第2章岩石的 基本物理力学 性质1
第二章 岩石的基本物理力学性质
本章内容
岩石的基本物理性质；
岩石的变形特性；
岩石的强度特性；
岩石的强度理论。
基本要求 掌握岩石的基本物理性质，理解岩石的变形性质； 掌握岩石的强度特性； 掌握莫尔强度理论、库伦—莫尔强度理论； 了解格里菲斯理论。
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sa t MsVVVW
(kg/m3)
VV——孔隙体积 ρW:一个大气压下4℃时水的密度
测定方法及适用条件：量积法、水中称重法、蜡封法。
2、岩石的比重：岩石固体烘干重量（WS）与4℃时 同体积纯水的重量比
Gs WS/(VCW)
Vc——岩石实体部分(不包含孔隙）的体积；
W ——一个大气压下4℃时水的重度
用下的基本力学性质及其工程效应的学科分支，分为波的传播规律 和岩体动力变形和强度性质。
2 动载荷的分类:
地震
核武器冲击与爆炸
防护工程
常规武器的冲击与爆炸
工程爆破 {引起的地面运动;边坡;岩基;隧洞的动力稳定}
列车行进中的振动------铁路隧洞,地铁
机器基础的振动和冲击
水库诱发地震
潮汐与风浪力-------海洋工程 岩爆 (冲击地压)
筛孔(2mm)的圆筒内，使圆筒在水槽中以20r／min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，按下式计算耐崩解性指数：
Id2mR/mS(%)
残留在筒内的试件烘干质量mR
试验前的试件烘干质量(mS)
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（四）、岩石的抗冻性
抗冻性: 岩石抵抗冻（胀）融破坏的性能， 通常用抗冻系数表示。
vp越小； d平行于层理的vp、Ed总是大于垂直于层理的vp、Ed e 压应力增大，vp越大；拉应力增大，vp越大
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THANKS
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（二）、岩石的空隙性：
——反映空隙发育程度的指标
1 空隙比
eVV /Vs
VV—孔隙体积(m3) Vs —岩石固体的体积(m3)
2 空隙率
nVV /V V=VV+Vs
V—包含孔隙在内的岩石体积(m3)
反映岩石致密程度和岩石力学性能的参数。
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含水性 膨胀性
VHH/H （%）
H——试件高度
径向自由膨胀 VDD/D （%）
D——直径
4 软化系数（抗风化特性）
Rcw/Rc
Rcw——饱和单轴抗压强度； Rc——干燥单轴抗压强度；
η （η≤1）越小，表示岩石受水的影响越大。
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5 耐崩解性（抗风化特性）
耐崩解性指数是通过对岩石试件进行烘干，浸水循环 试验所得的指标。 试验时，将烘干的试块，约500g，分成10份，放入带有
2
第二章 岩石的基本物理力学性质
主要内容
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
岩石组构及其物理性质 岩石的变形特性 岩石的强度特性 岩石的强度理论 岩石的流变性质
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第一节 岩石组构及其物理性质
岩石的生成及其组构 岩石的基本物理性质 岩石动力学性质
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褶皱 (Drape)
断层 （Fault）
岩块和岩体的重要区别就是岩体包含若干不连续面。由 于不连续面的存在，岩体的强度远低于岩块的强度。
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岩石的组构
岩石的组构：指其组织与构造。
岩石是矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚 集而成的自然物体。
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。KAlSi3O8、
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应变率等级
1)岩石静/动力学的区分依据是应变率，惯性力不
可忽略的状态属于岩石动力学研究范畴。
应变率等级分类
应变率[s-1] <10-5 10-5---10-1 10-1---101 101---104
>104
荷载状态 蠕变
静态
准动态 动态
超动态
试验方式
蠕变试 普通/刚性 气动快速 验机 伺服试验机 加载机
声波在岩石中传播由于能量损耗会发生衰减；在各种界面 上会发生反射和折射，这是无损探测(TSP)的基础。
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影响岩体弹性波速度的因素
a 岩石的密度和完整性程度越高，波速越大； b 裂隙充填物为空气，弹性波不能穿过；水的话，5％的能 量可以穿过；固体物质则可部分或全部穿过； c裂隙数目越多，孔隙率越大，风化越严重，吸水率越大，
结构：矿K{物Al颗2[S粒i3的Al形O10状](、OH大)2}小和联结方式所决定 的结构特征。碎屑结构、等粒结构
构造: 各种不同结构的矿物集合体的各种分布和 排 排列方式。层理构造，千枚状构造 这是影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素 。
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岩石组构的特性
① 岩石组构单元充满了各式缺陷； ② 节理是岩石组构的一个最独有的特点 ③ 微小的节理裂隙肉眼难辨； ④ 岩石的空隙是储存水、气体的地方； ⑤ 岩石的组构的不同影响程度会使岩性
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岩石循环圈
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岩块(Rock element材料)—狭义岩石
自然地质体的小块岩石称为岩块。 我们平时所称的岩石，在一定程度 上都是指岩块。 实验室通常用的岩石试件是由钻孔获取岩芯或在工程
范围内用爆破或其他方法获得的岩石碎块加工而成。
岩石试件通常是不包含有显著弱面的、较均质的岩石 块体，可看作连续介质及均质体。
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第一节 岩石组构及其物理性质
一 岩石的生成及其组构
➢ 岩石的生成
岩石是构成地壳表层岩石圈的
主体，是经历了漫长地质史的大自 然产物，是天然矿物晶体以及其它
物质（如有机质等）集合体。
岩石按照其成因可分为三类： 岩浆岩、沉积岩、变质岩
不同成因类型的岩石具有不同 的物理力学性质。
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岩石的成因种类及特性