岩石力学(第2章)

Ws
ms
岩石的含水率对于软岩来说是一个比较重要的参数。 组成软岩的矿物成分中往往含有较多的粘土矿物，则这将粘土矿物 具在遇水软化的特性。因此，当这部分岩石含有较大的含水率时，在某 种程度上降低了该岩石的强度，并产生很大的变形，影确了岩石的力学 特性。
岩体力学—第二章 岩石的基本物理力学性质
岩石的吸水率（天然吸水率、自由吸水率）：干燥岩石试样在一个大
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（2）岩石耐崩解性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。 耐崩解性指数的试验是将经过烘干的试块（质量约500g ，且分成10块
左右），放入一个带有筛孔的圆筒内，使该圆筒在水槽中以20r/min 的速 度，连续旋转10min ，然后将留在圆筒内的岩块取出再次烘干称重。如此 反复进行两次后，按下式求得耐崩解性指数:
Gs w
1 wGs / Sr
Sr e w
(1 e)w
sat
e w
1 e
wk.baidu.com
sat , n
sat n w
sat , Gs
( sat w )Gs
Gs 1
饱和重度 sat
已知条件
关系表达式
Gs , e
(Gs e) w
1 e
Gs , n
[Gs (1 n) n] w
干密度：把试件放入105-110℃烘箱中，将岩石烘至恒重(一般 约为24h左右) ，再进行称重试验。
岩体力学—第二章 岩石的基本物理力学性质
岩体力学—第二章 岩石的基本物理力学性质
岩体力学—第二章 岩石的基本物理力学性质
岩石的颗粒密度
岩石的颗粒密度：岩石固体物质的质量与固体的体积之比
s ( s )
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岩石的颗粒密度
岩石的颗粒密度：岩石固体物质的质量与固体的体积之比
s ( s )

ms Vs
(Ws Vs
)

ms
Vs w
( Ws
Vs w
)
花岗石:2.63~3.3，正长岩：2.5～3.3，闪长岩：2.5～3.3， 斑 岩：2.8，安山岩：2.5～3.3，辉绿岩：2.7、2.9， 流纹岩：2.5 ～3.3，花岗片麻岩：2.7～2.9，片麻岩：2.5～2.8， 石英岩： 2.61、2.8～3.0，大理岩：2.5～3.3，千枚岩（板岩）：2.5～ 3.3， 凝灰岩：2.5～3.3，火山角砾岩（火山集块岩）：2.5～ 3.3， 砾岩：2.2～3.3，石英砂岩：2.6～2.71，砂岩：1.2～3.0
岩体力学—第二章 岩石的基本物理力学性质
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2.2.4岩石的抗风化指标
岩石开挖后，由于片状剥落、水化、崩解、溶解、氯化、磨蚀和其他过
程对岩石性质的影响，通常用以下三个指标来表征岩石的抗风化特性。
（1）岩石软化性（softening of rock）是指岩石与水相互作用时强度降低
w, Gs , Sr
(1 w)Gs w
1 wGs / Sr
Gs , n
w, Gs , n Gs w (1 n)(1 w) Gs , w, Sr
Sr , Gs , n Gs w (1 n) nSr w e, w, Sr
sat , e

1 w
Gs w
1 e
Gs w (1 n)
膨胀率是指岩石试件在一定条件下浸水后所产生膨胀变形与试件原尺寸 的比值。
膨胀压力是指岩石试件浸水后，使试件保持原有体积所施加的最大 压力。其试验方法为先加预压0.01MPa ，岩石试件的变形稳定后，将试 件浸入水中，当岩石遇水膨胀的变形量大于0.001mm时，施加一定的压 力，使试件保持原有的体积，经过一段时间的实验，测量试件保持不再 变化(变形趋于稳定)时的最大压力。
渗透系数可利用径向渗透试验获得。 采用钻有一同心轴内孔的岩芯，使这空心圆 柱体试样在水力梯度的作用下，液体能够产生 径向流动，并测得液体沿着岩石内的裂隙网流 动时的各参数，进而求得岩石的渗透系数。
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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。
) d
w
d (1 wsat )
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岩石的渗透性 岩石的渗透性是指在水压作用下，岩石的孔隙和裂隙透水的能力。
它间接地反映了岩石中裂隙间相互连通的程度。 当水流在岩石的空隙中流动时，大多数表现为层流状态，可通过
Darcy定律中的渗透系数来表达。
q AK dh dx
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第二章 授课要求
1.掌握岩石物理指标的意义和换算关系； 2.掌握岩石的强度特性； 3.掌握岩石的全应力-应变曲线及测试手段； 4.掌握岩石的流变性质； 5.掌握岩石的强度理论。
岩体力学—第二章 岩石的基本物理力学性质
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的特性，岩石软化的机理也是由于水分子进入颗粒间的间隙而削弱了颗粒
间的联结造成的。
Rcc
Rcd
软化系数是一个小于或等于1 的系数。该值越小，则表示岩石受水的 影响越大。岩石的软化系数大小差别很大，主要取决于岩石的矿物成 分和风化程度。
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0.75 软化岩石
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2.2.2岩石的孔隙性
岩石的孔隙性是反映了岩石中裂隙的发育程度。
孔隙比：孔隙的体积与固体体积之比
e Vv Vs
孔隙率：孔隙的体积与总体积之比
n Vv 100(%) V
n e 1 e
n 1 d 1 d
Gs w
s
孔隙率是衡量岩石工程质量的重要物理性质指标之一。岩石的 孔隙率反映了孔隙和裂隙在岩石中所占的百分率，孔隙率愈大，岩 石中的孔隙和裂隙就愈多，岩石的力学性能则愈差。
VV
( )
sat ( sat )
d ( d )
sat ( sat )

ms
Vv w
V
(Ws
Vv
V
w
)
d
( d
)

ms V
(Ws V
)
重度的大小 取决于矿物成 分、空隙大小以 及含水量，其他 条件相同时，岩 石重度大小与其 埋深有关。重度 大小在一定程度 上反映了岩石力 学性质的好坏。
E. T. Brown 强度理论
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2.2岩石的基本物理性质
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2.2.1岩石的密度（重度）指标
单位岩石的质量（重量）称为岩石的密度（重度）。
根据含水量不同可分为：天然密度、饱和密度、干密度； 天然重度、饱和重度、干重度。
( ) m (W )
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2.1概述
物
理
性
质
物
参
理
数
力
学
性
质 的 参 数
力 学 性 质
的
参
数
质量指标 孔隙性 水理性质 抗风化 其他指标
强度特性
变形特性
强度理论
密度、比重、含水率
加载的速率、试验机的刚 度、岩石试件的形状和尺寸
单轴抗压强度、抗拉强度、 剪切强度、三向压缩强度
应力-应变曲线 经典强度理论、莫尔强度理 论、格里菲斯强度理论和
岩石的渗透性对于解决一些实际问题具有直接的意义，例如:将水、油 或者气体泵人多孔隙的岩体中；为了能量转换而在地下洞室中贮存液 体；评价水库的渗水性；排除深埋洞室的渗水等等。
岩体的渗透特性远远比岩石的渗透性来得重要，其原因是岩体中存在着 的不连续面，使其渗透系数要比岩石的大得多。进行现场岩体的渗透性 试验研究研究岩石渗透性的方向。
讨论：随着能源建设不断的发展，利用深部岩体建 立能源储存库已开始研究，其中必须要了解岩石在 冻融条件下的力学特性。？？？
岩体力学—第二章 岩石的基本物理力学性质
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2.3岩石的强度特征
岩石承受最大荷载的能力称其为强度 材料在荷载作用下，所能承受的最大的单位面积上的力
气压下和室温条件下吸入水的重量与岩石干重量之比：
wa

m0 ms ms
100(%)
岩石的饱和吸水率亦称饱水率：岩石在强制状态（高压或真空、煮沸）
下，岩石吸入水的质量与岩样烘干质量的比值：
wsa

mp ms ms
100(%)
岩石在一定条件下吸收水分的性能称为岩石的吸水性，它取决于岩 石孔隙的数量、大小、开闭程度和分布情况。对于软岩它是一个比较重 要的参数；对岩石的抗冻性和抗风化能力具有较大影响。
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相对密度（比重Specific density）
岩石干重量与岩石实体积之比，所得量与一个大气压下 4℃纯水的重度之比，表达式如下：
GS
Ws
Vs w
（2-3）
可采用比重瓶法测定，其大小取决于组成岩石的矿物比 重及其在岩石中的相对含量，大部分岩石相对密度介于 2.50-2.80之间。
密度试验通常用称重法。先测量标准试件的尺寸，然后放在 感量精度为0.01g的天平上称重，计算密度参数。
天然密度：首先应该保持被测岩石的含水量，如岩石含有遇
水溶解、遇水膨胀的矿物成分，应采用水下称重的方法进行试 验，即先将试件的外表涂上一层厚度均匀的石蜡，然后放在水 中称物体的重量，计算天然密度；
饱和密度：采用48h浸水法、抽真空法或者煮沸法使岩石试件 饱和，然后再称重；
小于91%的岩石可以免遭冻胀破坏。
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自然重度
干重度 d
已知条件
关系表达式
已知条件
关系表达式
w, Gs , e Sr , Gs , e
(1 w)Gs w
1 e
(Gs Sr e) w
1 e
,w
Gs , e
Id2

mr ms
100(%)
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（3）岩石的膨胀性 当岩石中含有某些黏土矿物（如蒙脱石、伊利石及高岭石）水化后在
其晶格内部或细分散颗粒周围生成结合水溶剂腔，并在相邻的颗粒间产生 楔劈效应当楔劈作用力大于结构联结力，岩石将显示膨胀。
因此，对于含有粘土矿物的岩石，掌握经开挖后遇水膨胀的特性是 十分必要的。岩石的膨胀特性通常以岩石的自由膨胀率、岩石的侧向约 束膨胀率、膨胀压力等来表述。
Gs , wsat e, wsat n, wsat
d ,e
(1 wsat )Gs w
1 wsat Gs
e wsat
(1 wsat 1 e
) w
n(1 wsat 1 e
)
w
d

1
e
e

w
d,n
d n w
d , Gs d , wsat
(1
1 Gs

ms Vs
(Ws Vs
)

ms
Vs w
( Ws
Vs w
)
岩石的颗粒密度可采用比重瓶法求得。 首先，将岩石粉碎，并使岩粉通过直径为0.25mm的筛网筛选，然 后，将其烘干至恒重，称出一定量的岩粉，将岩粉倒入已注入一定量 煤油(或纯水)的比重瓶内，摇晃比重瓶将岩粉中的空气排出，静置4h 后，由于加入岩粉使液面升高，读出其刻度，即加入岩粉后体积的增 量;最后，必须测量液体的温度，修正由于液体温度的不同而造成的 误差，并按要求计算出岩石的颗粒密度。
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2.2.5岩石的抗冻性
岩石抗冻融破坏的性能称为抗冻性，通常用抗冻系数表示。指岩石在 ±25℃区间内反复冻融，得到抗压强度与冻融前的比值：
Kf

Rf Rs
其强度降低的原因是：构成岩石的各种矿物膨胀系数不同；温度降
低至0 ℃后孔隙中水结冰，体积膨胀，裂隙产生所导致的。
岩体力学—第二章 岩石的基本物理力学性质
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2.2.3岩石的水理性质
岩石的含水性质：含水率（天然状态）
吸水率（天然状态、饱和状态）
岩石的渗透性：渗透系数
天然状态下岩石中水的重量与岩石烘干重量之比为岩石天然含水率：
w Ww 100(%) mw 100(%)
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岩石的饱水系数：
kw

wa wsa
100%
它反映了岩石中大、小开空隙的相对比例关系。一般来说，饱水系 数愈大，岩石中的大开空隙相对愈多，而小开空隙相对愈少。另外，饱 水系数大，说明常压下吸水后余留的空隙就愈少，岩石愈易被冻胀破坏 ，因而其抗冻性差。一般岩石的饱水系数在0.5-0.8之间，试验表明：饱水系数
抗压强度、抗拉强度、抗剪强度 单轴抗压强度(无侧限压缩强度)、三轴压缩强度