岩石力学(第2章)
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东北大学岩石力学讲义第二章 岩石破坏机制及强度理论
第二章 岩石破坏机制及强度理论
第一节 岩石破坏的现象
在不同的应力状态下，岩石的破坏机制不同，常见的岩石破坏形式有以下几种
一、拉破坏：岩石试件单向抗压的纵向裂纹，矿柱，采面片帮。特点出现与最大应力方向平行的裂隙。
二、剪切破坏：岩石试件单向抗压的X 形破坏。从应力分析可知，单向压缩下某一剪切面上的切向应力达到最大引起的破坏。
(a ) (b )
三、重剪破坏：即沿原有的结构面的滑动、重剪破坏
主要的机制：岩体受剪切作用或者受拉应力的作用、三向受压情况下多数为剪切应力的作用，侧向压力较小时可能是拉神破坏，实际工程中可能是不同机制的组合，但侧向应力较大时，可以认为剪切应力是岩石重剪破坏的主要破坏机制。
从岩石破坏的现象看，从小到几厘米的岩块到大的工程岩体，破坏形式雷同，并可归纳为两种，拉断与剪坏，因此有一定的规律可寻。
对岩石破坏的研究：
在单向条件下可以从实验得到破坏的经验关系。但是三向受力条件下，不同应力的组合有无穷多种，因此无法仅仅依靠实验得到破坏的经验关系，因此在一般应力状态，对岩石破坏的研究需要结合理论分析和试验研究两个方面。现代关于岩石破坏的理论分析一般归结为、寻求破坏时的主应力之间的关系
123(,)f σσσ=
研究的方法有：理论分析；2、试验研究；3、理论研究结合试验研究。
第二节 岩石拉伸破坏的强度条件
一、最大线应变理论
该理论的主要观点是，岩石中某个面上的拉应变达到临界值时破坏，而与所处的应力状态无关。强度条件为
c εε≤ (2-1) c ε—拉应变的极限值，ε—拉应变。
若岩石在破坏之前可看作是弹性体，在受压条件下σ1>σ2>σ3下， 3ε是最小主应力。
第2章岩石力学性质与分级
表2-3 普氏分级与苏氏分级(爆破性)的对比参考表
普氏分级 坚固性 等
坚固程度 系数 f 级
20 Ⅰ 最坚固
18
15 Ⅱ 很坚固
12
10
Ⅲ
坚固
8 Ⅲa
6
Ⅳ 相当坚固
5 Ⅳa
4Ⅴ
中等
3 Ⅴa
2
Ⅵ 相当软弱
1.5 Ⅵa
1.0 Ⅶ
软弱
0.8 Ⅶa
0.6 Ⅷ 土质
0.5 Ⅸ 松散
0.3 Ⅸ 流沙
爆破性
最难爆
按凿碎比功的不同将岩石可钻性分成七级，见表2-5。
表2-5 岩石凿碎比功分级
级别 凿碎比功 可钻性
Ⅰ <186 极易
Ⅱ 187~284
易
Ⅲ 285~382
中等
Ⅳ 383~480
中难
Ⅴ 481~578
难
Ⅵ 579~676
很难
Ⅶ ≥677 极难
（2）钎刃磨钝宽度b
钎刃磨钝宽度是指落锤冲击480次后，钎刃上从刃锋两端各向 内4mm处的磨钝宽度平均值。钎刃磨钝宽度b时用读数显微镜和专用 卡具量得的。
(3)岩石的碎胀性
岩体破碎后体积松散膨胀的性质；破碎后的岩石体积与破碎前的岩石体 积的比值称为碎胀系数。
2.1.3 岩石强度和弹塑性对岩石爆破的影响
根据外力作用和岩石变形特点的不同，岩石可能表现为塑性、 弹性、粘弹性、弹脆性和脆性等特征。
石油工程专业岩石力学第二章 岩石组成与岩石物理性质2
Poorly Sorted
SORTING
Very Poorly Sorted
一、岩石的孔隙度
SANDSTONE COMPOSITION, Framework Grains
Q
PRF
KF
KF = Potassium Feldspar
PRF = Plutonic Rock Fragment
Q = Quartz
砂岩的扫描电子显微镜照片。照片中可以看到砂岩中的石英矿物颗 粒(黑色)，也可以看到它们之间的孔隙
孔隙流体的存在，对岩石性质有着极其重要的影响。例 如，岩石中孔隙体积增加1％，会导致岩石弹性参数变化10 倍，或者更多, 也会导致岩石渗透率发生几个数量级的变化 。
岩石内部孔隙及孔隙流体的存在，是石油得以生成、矿 物得以富集的前提。
粗砂
粒径大于0.5mm的颗粒含量超过全重50％
中砂
粒径大于0.25mm的颗粒含量超过全重50％
细砂
粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重85％
粉砂
粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50％
注：定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定
d.粉土的分类
粒径大于0.075mm的颗粒含量超过
全重50%，塑性指数IP≤10的土称为粉 土
Rock Formed from the Weathered Products of Pre-Existing Rocks and Transported by Water, Wind, and Glaciers
岩石力学第二章 岩体力学性质ppt课件
岩石力学
Rock Mechanics
辽宁科技大学
岩石力学
第二章 岩膂力学性质
岩石力学
2.1 岩石与岩体
岩石力学
一、岩石与岩体的概念
岩石：岩石是自然界中各种矿物的集合体， 是天然地质作用的产物。
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。
构造：组成岩石的物质成分、颗粒大小和外形以及 其相互结合的情况。
构造: 组成成分的空间分布及其相互间陈列关系
岩石力学
一、岩石与岩体的概念
岩浆岩：强度高、均质性好
岩石分类 堆积岩：强度不稳定，各向异性 蜕变岩：不稳定与蜕变程度和原 岩性质有关
岩体=岩块+构造面
岩体
构造面
岩块
构造面：断 面、节理、 层理、、片 理、不整合 面等。
岩石力学
一、岩石与岩体的概念
岩体是地质体，它阅历过多次反复地质作用，经受 过变形，蒙受过破坏，构成一定的岩石成分和构造， 赋存于一定的地质环境中。
岩石力学
三、岩体构造的地质特征
中国科学研讨院地质研讨所岩体构造分类
名称
结构面 间距 ／cm
完整性 系数I
碎裂 结构
<50
<0.3 0
主要结 构面级
别
主要结构面 类型
主要结 岩块湿抗 构面摩 压强度 擦系数f ／MPa
Rock Mechanics
辽宁科技大学
岩石力学
第二章 岩膂力学性质
岩石力学
2.1 岩石与岩体
岩石力学
一、岩石与岩体的概念
岩石：岩石是自然界中各种矿物的集合体， 是天然地质作用的产物。
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。
构造：组成岩石的物质成分、颗粒大小和外形以及 其相互结合的情况。
构造: 组成成分的空间分布及其相互间陈列关系
岩石力学
一、岩石与岩体的概念
岩浆岩：强度高、均质性好
岩石分类 堆积岩：强度不稳定，各向异性 蜕变岩：不稳定与蜕变程度和原 岩性质有关
岩体=岩块+构造面
岩体
构造面
岩块
构造面：断 面、节理、 层理、、片 理、不整合 面等。
岩石力学
一、岩石与岩体的概念
岩体是地质体，它阅历过多次反复地质作用，经受 过变形，蒙受过破坏，构成一定的岩石成分和构造， 赋存于一定的地质环境中。
岩石力学
三、岩体构造的地质特征
中国科学研讨院地质研讨所岩体构造分类
名称
结构面 间距 ／cm
完整性 系数I
碎裂 结构
<50
<0.3 0
主要结 构面级
别
主要结构面 类型
主要结 岩块湿抗 构面摩 压强度 擦系数f ／MPa
高等岩石力学_第二章
第 7 张
四、抗拉强度
劈裂试验加载和应力分布示意图 由劈裂试验求岩石 抗拉强度的公式为
第 8 张
五、抗剪切强度
• 岩石在剪切荷载作用下达到破坏前所能承受的最大剪应力称为岩
石的抗剪切强度(shear 石的抗剪切强度(shear strength)
第 9 张
试验表明，剪切面上所受的正应力越大， 试验表明，剪切面上所受的正应力越大，试件被剪破坏 前剪切面上所能承受的剪应力也越大。 前剪切面上所能承受的剪应力也越大。因为剪切破坏发 生前一要克服粘结力(内聚力) 生前一要克服粘结力(内聚力)，二要克服剪切面上 的摩擦力，正应力越大，摩擦力也越大。 的摩擦力，正应力越大，摩擦力也越大。
结构面强度<岩体强度< 结构面强度<岩体强度<岩石强度
第 11 张
一、岩体强度的测定
• 1. 岩体单轴抗压强度的测定
第 12 张
• 2. 岩体抗剪强度的测定
P、T分别为垂直及横向千斤 顶施加的荷载； 顶施加的荷载；F为试体受剪 截面积。 截面积。 剪断面上应力按上式计算。然后根据τ 剪断面上应力按上式计算。然后根据τ、σ值绘制岩 体强度曲线。从而计算岩体抗剪强度指标C 体强度曲线。从而计算岩体抗剪强度指标C、φ。
（1）节理岩体因结构面组合及受力状态不同， 节理岩体因结构面组合及受力状态不同， 其破坏方式也不同。 其破坏方式也不同。
四、抗拉强度
劈裂试验加载和应力分布示意图 由劈裂试验求岩石 抗拉强度的公式为
第 8 张
五、抗剪切强度
• 岩石在剪切荷载作用下达到破坏前所能承受的最大剪应力称为岩
石的抗剪切强度(shear 石的抗剪切强度(shear strength)
第 9 张
试验表明，剪切面上所受的正应力越大， 试验表明，剪切面上所受的正应力越大，试件被剪破坏 前剪切面上所能承受的剪应力也越大。 前剪切面上所能承受的剪应力也越大。因为剪切破坏发 生前一要克服粘结力(内聚力) 生前一要克服粘结力(内聚力)，二要克服剪切面上 的摩擦力，正应力越大，摩擦力也越大。 的摩擦力，正应力越大，摩擦力也越大。
结构面强度<岩体强度< 结构面强度<岩体强度<岩石强度
第 11 张
一、岩体强度的测定
• 1. 岩体单轴抗压强度的测定
第 12 张
• 2. 岩体抗剪强度的测定
P、T分别为垂直及横向千斤 顶施加的荷载； 顶施加的荷载；F为试体受剪 截面积。 截面积。 剪断面上应力按上式计算。然后根据τ 剪断面上应力按上式计算。然后根据τ、σ值绘制岩 体强度曲线。从而计算岩体抗剪强度指标C 体强度曲线。从而计算岩体抗剪强度指标C、φ。
（1）节理岩体因结构面组合及受力状态不同， 节理岩体因结构面组合及受力状态不同， 其破坏方式也不同。 其破坏方式也不同。
岩石力学：第二章 岩石组成与岩石物理性质1
这种过程不同于前面叙述过的火成过 程或沉积过程，一般称之为变质过程，相 应的这一作用叫做变质作用。
例如在保持固态情况下，石灰岩通过 热力变质作用，发生了矿物的重结晶，使 矿物颗粒粒度不断加大，形成了大理岩， 因此，大理岩是一种变质岩。
metamorphite
4、 成岩旋回 由火成岩、沉积岩和变质岩的形成过程可以看出它们之 间有着密切的联系，它们都是活动着的地球过程的产物，同 时，随着地球上主要地质过程的演变，这三类岩石之间可以 互相转变。
andesite安山岩（neutral）
Extrusive Rocks Rhyolite 流纹岩（acid）
Igneous rock火成岩
Graniton 辉长岩（ alkalinity ）
Diorite 闪长岩（neutral）
Intrusive Rocks ganite花岗岩（acid）
结晶 温度
着的汽油桶，或像一个个的蛋卷 .
岩脉的相互切割“四世同堂”
石柱：都发现于泰山，其形状与桶状构 造很为相似 ，其成因跟桶状构造也相似
Igneous rock 火成岩
SiO2 〈52%
Extrusive Rocks Intrusive Rocks
SiO2 〉65%
Igneous rock火成岩
basalt玄武岩（ alkalinity ）
捕掳体：周围围岩熔融后，被岩浆 所包围的部分围岩。Baidu Nhomakorabea
例如在保持固态情况下，石灰岩通过 热力变质作用，发生了矿物的重结晶，使 矿物颗粒粒度不断加大，形成了大理岩， 因此，大理岩是一种变质岩。
metamorphite
4、 成岩旋回 由火成岩、沉积岩和变质岩的形成过程可以看出它们之 间有着密切的联系，它们都是活动着的地球过程的产物，同 时，随着地球上主要地质过程的演变，这三类岩石之间可以 互相转变。
andesite安山岩（neutral）
Extrusive Rocks Rhyolite 流纹岩（acid）
Igneous rock火成岩
Graniton 辉长岩（ alkalinity ）
Diorite 闪长岩（neutral）
Intrusive Rocks ganite花岗岩（acid）
结晶 温度
着的汽油桶，或像一个个的蛋卷 .
岩脉的相互切割“四世同堂”
石柱：都发现于泰山，其形状与桶状构 造很为相似 ，其成因跟桶状构造也相似
Igneous rock 火成岩
SiO2 〈52%
Extrusive Rocks Intrusive Rocks
SiO2 〉65%
Igneous rock火成岩
basalt玄武岩（ alkalinity ）
捕掳体：周围围岩熔融后，被岩浆 所包围的部分围岩。Baidu Nhomakorabea
岩石力学-第二章
变质岩。
23
1.5.1岩石和岩体
1.绪论Baidu Nhomakorabea
岩浆岩（火成岩）
岩浆岩是由岩浆冷凝而形成的岩石。
花岗岩试件
岩浆岩绝大多数是由结晶矿物组成，
很少由非结晶矿物组成。
由于组成岩浆岩的各种矿物的化学成分和物理
性质较为稳定，它们之间的连接是牢固的，故 岩浆岩通常具有较高的力学强度和物质性。
24
1.5.1岩石和岩体
1.3 岩石力学的研究方法
1.绪论
由于岩石力学是一门边缘交叉学科，研究的内容
广泛，对象复杂，这就决定了岩石力学研究方法 的多样性。
根据所采用的研究手段或所依据的基础理论所属
学科领域的不同，岩石力学的研究方法大概可 归纳为以下四种：
●工程地质研究方法；
●科学实验方法； ●数学力学分析方法； ●整体综合分析方法。
沉积岩
1.绪论
沉积岩是由母岩（岩浆岩、变质岩或早已形成的沉积岩）在地表
经风化剥蚀而产生的物质，通过搬运、沉积和固结作用而形成的 岩石。
●颗粒包括各种不同形状和大小的岩屑及不同矿物。 ●胶结物常见的有钙质、硅质、铁质、泥质等。
沉积岩由颗粒和胶结物组成，各有不同的成分。
沉积岩的物理力学性质不仅与颗粒有关，还与胶结物有很大
21
1.5 岩石和岩体的基本概念
岩石力学---第二章 岩体的力学性质
一、单结构面力学效应
1 2
1
2
1 2
1
3
cos
2
1 2
1
3
sin
2
结构面抗剪强度符合库仑准则：
tg j C j
沿结构面破坏力学条件：
1 3
2 C j tg j 3 1 tg j ctg sin 2
27
当：
2
j
1
1 3 2
C
j ctg
j
1
3
2
sin j
sin 21 j
9
描述结构面密集程度的基本概念
裂隙度:沿测线方向单位长度所穿过的结构面数量。
Kn L
n ：节理数；L ：测线长度
dL n
d ：节理平均间距
当岩体中存在多组节理时，此时裂隙度K为各组节理裂隙度之
和
K Ka Kb Kn
切割度:表示岩体被结构面切割的程度。
a Xe A
a ：结构面面积；A ：假想断面面积
d
v
2 p
2vs2
2
v
2 p
vs2
Ed 岩体动弹性模量，d 岩体动泊松比 岩体密度
38
第六节 岩体的强度 一、岩体的结构
1、整体结构 2、层状结构 3、块状结构
①甲级块状结构（滑移式块状结构） ②乙级块状结构（砌块式块状结构） 4、碎裂结构 5、散体结构
CH2第二章岩石力学
K K 1 K 2m 1 1 m 1 2cd 1 o1 scd o 22s
K n cosi i1 di
d>180cm 岩体为整体结构
d=30~180cm 岩体为块状结构 d=6.5~30cm 岩体为碎裂结构 d<6.5cm 极碎裂结构
（2）切割度 x e
节理并非在岩体内全部贯通，用“切割度”来描述节理 贯通度，在岩体中取一平直断面，总截面积为A，其中 被节理面切割的面积为a；则切割度为：
爬坡(爬坡角)：沿斜面的滑动现象称为 爬坡；粗糙角i又称爬坡角。
2、粗糙结构面的抗剪强度
于是，作用在锯齿上的正应力si和剪应力
ti，可分别由下式计算：
si scoi stsiin
ti tcoi sssiin
在推力T达到极大值，试样即将发生破坏
的式瞬：间，正应力si和剪应力ti应该满足下
大多数结构面，两表面之间相互还有一定粘结力。因此， 试验所得结果，C值一般不为零。(等同于抗剪断试验)。
抗剪断试验以后，如果对这同一组试样再做一次直剪试 验（抗摩擦试验，即残余抗剪强度），此时所得的C值等 于零。
tCpstanp
r 为残余摩擦角，一般比 峰值摩擦角 p 小。
2、粗糙结构面的抗剪强度
得出不同的结构面抗剪
强度ti 。于是可计算出
结构面的抗剪强度Cj和fj。
K n cosi i1 di
d>180cm 岩体为整体结构
d=30~180cm 岩体为块状结构 d=6.5~30cm 岩体为碎裂结构 d<6.5cm 极碎裂结构
（2）切割度 x e
节理并非在岩体内全部贯通，用“切割度”来描述节理 贯通度，在岩体中取一平直断面，总截面积为A，其中 被节理面切割的面积为a；则切割度为：
爬坡(爬坡角)：沿斜面的滑动现象称为 爬坡；粗糙角i又称爬坡角。
2、粗糙结构面的抗剪强度
于是，作用在锯齿上的正应力si和剪应力
ti，可分别由下式计算：
si scoi stsiin
ti tcoi sssiin
在推力T达到极大值，试样即将发生破坏
的式瞬：间，正应力si和剪应力ti应该满足下
大多数结构面，两表面之间相互还有一定粘结力。因此， 试验所得结果，C值一般不为零。(等同于抗剪断试验)。
抗剪断试验以后，如果对这同一组试样再做一次直剪试 验（抗摩擦试验，即残余抗剪强度），此时所得的C值等 于零。
tCpstanp
r 为残余摩擦角，一般比 峰值摩擦角 p 小。
2、粗糙结构面的抗剪强度
得出不同的结构面抗剪
强度ti 。于是可计算出
结构面的抗剪强度Cj和fj。
岩石力学第2章 岩石的基本物理力学性质
换算成岩石单轴抗压强度
c = 24Is(50)
36
2.2 岩石的静力学特性
37
2.2 岩石的静力学特性
38
⑸岩石抗拉强度
①非限制性直接拉伸
t
Pt A
直接拉伸存在工艺问题 端部施力问题 裂纹影响问题
2.2 岩石的静力学特性
W （g/cm3）， V
γ＝ρg (kN /m3)
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。
5
2.1 岩石的基本物理性质
1、岩石的天然密度（ρ）和天然重度（γ）
指岩石在天然状态下的密度和重度。
W V
g
（g/cm3） (kN /m3)
式中：W――天然状态下岩石试件的质量(g；) V——岩石试件的体积(cm3)； g——重力加速度。
100%
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。
此外，还与试验条件（整体和碎块，浸水时间等）有关。
根据岩石的吸水率可求得岩石的大开空隙率nb.
nb
Vb V
Ws V
Vb Ws
Ws V
Vba Ww
da w
式中：W s为干燥岩石的重量；γd,γw分别为干燥岩石和水的重度。
难点：岩石的流变性。
岩体力学02-岩石的基本物理力学性质
岩石强度：岩石抵抗外 力破坏的能力
岩块破 坏方式
脆性破坏
拉破坏 剪切破坏
塑性破坏（延性破坏）
脆性破坏：岩石在荷载作用下没 有显著觉察的变形就突然破坏。 * 大多数坚硬岩石在一定条件下 都表现出脆性破坏的性质。 * 产生这种破坏的原因可能是岩 石中裂隙发生和发展的结果。
例如，地下洞室开挖后，由于洞室周围的应力显著增大，洞 室岩可能产生许多裂隙，尤其是洞顶的张裂隙，这些都是脆 性破坏的结果。
波速比（Kv）：风化岩石弹性波纵波波 速（cp）与新鲜岩块弹性波纵波波速 （rp）之比的平方。
风化系数（Kf）：风化岩石的饱和单轴
抗压强度（cw’）与新鲜岩石饱和单轴 抗压强度（cw）之比。
Iw
mw mrd
Kv
vcp vrp
2
Kf
' cw
cw
硬质岩石风化风化程度分类表
1）衡量岩块基本力学性质的重要指标
2）岩体工程分类、建立岩体破坏判据的重要 指标
3）用来大致估算其他强度参数
3、测定方法
抗压强度试验
c
P A
点荷载试验 c 24Is(50)
c
c
PA
试 样
4、单向压缩条件下的破坏方式
（a）拉破坏 （b）剪破坏 （c）对顶锥破坏 （共轭剪切破坏）
岩石的物理力学性质岩石力学
5
第2章 岩石的物理力学性质
弹性模量(modulus of elasticity)：加载曲线直线段的斜率，加载曲线直线段 大致与卸载曲线的割线相平行。
E e
变形模量(modulus of deformation)：取决于总的变形量，即弹性变形与塑性 变形之和，它是正应力与总的正应变之比，它相应于割线OP的斜率。
1 岩石在单轴压缩状态下的应力—应变曲线
2 反复加载与卸载条件下岩石的变形特性
3 三轴压缩状态下岩石的变形特征
4 真三轴压缩试验的应力—应变曲线
5 岩石的各向异性
美国MTS公司电液闭路伺服控制岩石试验机
Mar , 2019
1
第2章 岩石的物理力学性质
影响岩石变形行为的因素
Mar , 2019
2
第2章 岩石的物理力学性质
xy y yz
Mar , 2019
x
x xy xz
ij = yx y yz
zx zy z
19
第2章 岩石的物理力学性质
• 极端各向异性体的应力－应变关系
在物体内的任一点沿任何两个不同方向的弹性性质都互不相同，任何 一个应力分量都会引起六个应变分量。三向应力状态下，弹性矩阵为 对称矩阵，36个弹性常数只有21个是独立的。
变化。
Mar , 2019
16
第2章 岩石的物理力学性质
弹性模量(modulus of elasticity)：加载曲线直线段的斜率，加载曲线直线段 大致与卸载曲线的割线相平行。
E e
变形模量(modulus of deformation)：取决于总的变形量，即弹性变形与塑性 变形之和，它是正应力与总的正应变之比，它相应于割线OP的斜率。
1 岩石在单轴压缩状态下的应力—应变曲线
2 反复加载与卸载条件下岩石的变形特性
3 三轴压缩状态下岩石的变形特征
4 真三轴压缩试验的应力—应变曲线
5 岩石的各向异性
美国MTS公司电液闭路伺服控制岩石试验机
Mar , 2019
1
第2章 岩石的物理力学性质
影响岩石变形行为的因素
Mar , 2019
2
第2章 岩石的物理力学性质
xy y yz
Mar , 2019
x
x xy xz
ij = yx y yz
zx zy z
19
第2章 岩石的物理力学性质
• 极端各向异性体的应力－应变关系
在物体内的任一点沿任何两个不同方向的弹性性质都互不相同，任何 一个应力分量都会引起六个应变分量。三向应力状态下，弹性矩阵为 对称矩阵，36个弹性常数只有21个是独立的。
变化。
Mar , 2019
16
第二章岩石力学性质与分级
影响因素
钻具 特性 爆破 工艺
岩石的结构构造对爆破的影响
岩石的密度
矿物颗粒大小
风化作用
岩石 结构
晶体与晶粒之间的内聚力
岩石的裂隙性
岩石的内在缺陷
岩石的容重、孔隙度和碎胀性
1
岩石容重表示单位体 积岩石的重量，其体 积包括岩石内部的孔 隙，与岩石的质量不 同，岩石的质量是指 单位体积岩石的质量 ，体积中不包括空隙 。
岩石的凿岩爆破性
岩石的 凿岩爆破性
凿岩性（可钻 性）:岩石在 钻孔中表现出 的抵抗钻头等 机械作用而破 坏的性质
爆破性（可爆 性）:.岩石在 爆破作用下表 现出的性质。
ห้องสมุดไป่ตู้
对岩石进行合理的分级，为爆破设计、施工和成本核算提供依据
影响岩石凿岩爆破性的因素
最主要的影响因素
物理力 学性质
炸药 性质
钻孔 工艺
第二章 岩石力学性质与分级
1
2 3
影响岩石凿岩爆破性的因素
岩石凿岩爆破性的判据和分级
岩石的可钻性
4
可钻性与磨蚀性的关系
Hot Tip 影响爆破效果的最主要因素：岩石的物 理力学性质
容重、孔隙度、抗拉强度、抗压强度、弹性 模量、泊松比、纵波波速等。
岩石的结构构造 岩石的碎胀性 普氏岩石坚固性分级法 苏氏分级法
岩石强度和弹塑性对岩石爆破的影响
岩石力学
Leabharlann Baidu表示。
分布特征：不是一个确定值，服从某种统计规律。
例：武钢程潮铁矿-220m水平50多条进路的矿岩结构面调查，得其概率 密度分布函数为
f ( x) ses x
(0 x )
x——结构面间距；λs——结构面平均密度。
2.2.2 结构面的分布特性
（2）结构面间距分布特征
结构面产状：走向、倾向、倾角。随机性显著。
个结构体尺寸表示。
结构体产状：以结构体表面上最大结构面的长轴方向的产状说明。
2.1.1 岩体结构
（3）岩体结构组成
定义：不同类型的岩体结构单元在岩体内组合和排列形式（孙广忠，
1988）。 结构面 岩体结构单元 结构体 岩体结构三要素 岩体结构单元组合 坚硬结构面 软弱结构面 块状结构体
板状结构体
岩体结构单元排列
整体结构的岩体，其变形、破坏与工程作用有关；
在深埋或高地应力区的坚硬岩层中开挖，引起应力释放，可能导致 岩爆，而且一般沿裂隙端部产生； 较坚硬岩层中可能产生微弱的塑性变形。
块状结构
岩性：单一或由强度相近的岩层共同组成的构造变形轻微的中厚层沉积岩、
变质岩和火成岩体；
结构面发育情况：以IV、V结构面为主，将岩体切割成岩块集合； 结构面强度：岩块之间结合力强，一般tanφ＝0.4～0.6； 完整性：结构面间距dp＝0.5～1.0m; 水的影响：地下水作用主要表现为使较坚硬岩石软化； 工程特性：
分布特征：不是一个确定值，服从某种统计规律。
例：武钢程潮铁矿-220m水平50多条进路的矿岩结构面调查，得其概率 密度分布函数为
f ( x) ses x
(0 x )
x——结构面间距；λs——结构面平均密度。
2.2.2 结构面的分布特性
（2）结构面间距分布特征
结构面产状：走向、倾向、倾角。随机性显著。
个结构体尺寸表示。
结构体产状：以结构体表面上最大结构面的长轴方向的产状说明。
2.1.1 岩体结构
（3）岩体结构组成
定义：不同类型的岩体结构单元在岩体内组合和排列形式（孙广忠，
1988）。 结构面 岩体结构单元 结构体 岩体结构三要素 岩体结构单元组合 坚硬结构面 软弱结构面 块状结构体
板状结构体
岩体结构单元排列
整体结构的岩体，其变形、破坏与工程作用有关；
在深埋或高地应力区的坚硬岩层中开挖，引起应力释放，可能导致 岩爆，而且一般沿裂隙端部产生； 较坚硬岩层中可能产生微弱的塑性变形。
块状结构
岩性：单一或由强度相近的岩层共同组成的构造变形轻微的中厚层沉积岩、
变质岩和火成岩体；
结构面发育情况：以IV、V结构面为主，将岩体切割成岩块集合； 结构面强度：岩块之间结合力强，一般tanφ＝0.4～0.6； 完整性：结构面间距dp＝0.5～1.0m; 水的影响：地下水作用主要表现为使较坚硬岩石软化； 工程特性：
岩石力学-第2章hyr-2015
及生物等作用，使岩石结构逐渐破碎、疏松，或矿物 成分发生次生变化，称为风化。
风化
岩石
矿物组成和结构改变 岩块的物理力学 性质改变（强度降低、抗变形性能减弱、空隙率增大、 渗透性加大）。
衡量岩石（块）风化程度的指标： ●定性指标主要有：颜色、矿物蚀变程度、破碎程度及开挖锤击 技术特征等。 ●定量指标主要有：风化空隙率指标Iw、波速比指标kv和风化 系数kfδ等。 6
18
2.2.3岩石的吸水性
2.岩石的物理力学性质
饱水系数kw
饱水系数：指岩石吸水率wa与饱水率wsa的
百分比。 kw=wa / wsa ×100%
（2-11）
一般岩石的饱水系数在0.5～0.8之间。试验
表明，当kw＜91%时，可免遭冻胀破坏。
19
2.2.3岩石的吸水性
2.岩石的物理力学性质
渗透系数是介质对某种特定流体的渗透能力，取决于岩体物理特 性和结构特征，如孔隙和裂隙大小，开闭程度以及连通情况等。 渗透系数的量纲与速度的量纲相同。 21 垃圾填埋场衬垫要求渗透系数k≤10-7cm/s
2.2.4岩石的渗透性
2.岩石的物理力学性质
几种岩石的渗透系数值
22
2.2.5岩石的膨胀性
2.岩石的物理力学性质
4000~5000
>5000
0.8~0.9
岩体力学第2章
N P cos f sin F F Q P sin f cos F F
岩石的抗剪断σ－τ曲线（强度曲线）
• 改变夹具倾角α；α在30度到70度之间 • 做一组（大于5次）不同α的试验，记录所得 的σ ，τ值；由该组值作曲线近似直线得方 程
tan c
G /V
G——岩石总质量；V——总体积。 （2）饱和重度：岩石中的孔隙被水充填时的单 位体积质量（水中浸48小时）
sa
Gs VV W V ( KN / m 3 )
VV——孔隙体积
（3）干重度：岩块中的孔隙水全部蒸发后的单位体 积质量（108℃烘24h）
d Gs / V （KN/m3）
假三轴
一 岩石的单轴抗压强度
1.定义：指岩石试件在无侧限的条件下，受轴向压力作 用破坏时单位面积上承受的荷载。
Rc P / A
式中：P——无侧限的条件下的轴向破坏荷载 A——试件截面积
2.试件标准：
圆柱形试件：Φ4.8－5.4cm ，高H=（2－2.5) Φ
长方体试件：边长 L= 4.8－5.4cm , 高H=（2－2.5)L
1 2 3
3.三轴压缩试验的破坏类型
4.岩石三向压缩强度的影响因素 （1）侧压力的影响
围压越大，轴向压力越大
（2）加载途径对岩石三向压缩强度影响
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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
岩体力学—第二章 岩石的基本物理力学性质
（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 )
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 )
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
岩体力学—第二章 岩石的基本物理力学性质
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。
岩体力学—第二章 岩石的基本物理力学性质
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 )
岩体力学—第二章 岩石的基本物理力学性质
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
岩体力学—第二章 岩石的基本物理力学性质
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
岩体力学—第二章 岩石的基本物理力学性质
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。
岩体力学—第二章 岩石的基本物理力学性质
0.75 软化岩石
岩体力学—第二章 岩石的基本物理力学性质
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
岩体力学—第二章 岩石的基本物理力学性质
2.2岩石的基本物理性质
岩体力学—第二章 岩石的基本物理力学性质
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 )
岩体力学—第二章 岩石的基本物理力学性质
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
岩体力学—第二章 岩石的基本物理力学性质
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。
岩体力学—第二章 岩石的基本物理力学性质
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。
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
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(%)
岩体力学—第二章 岩石的基本物理力学性质
（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。
岩体力学—第二章 岩石的基本物理力学性质
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
岩体力学—第二章 岩石的基本物理力学性质
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(%)
岩体力学—第二章 岩石的基本物理力学性质
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