第二章 岩石的基本物理力学性质
岩石的基本物理力学性质
岩石的基本物理力学性质岩石的基本物理力学性质是岩体最基本、最重要的性质之一，也是岩体力学中研究最早、最完善的力学性质。
岩石密度：天然密度、饱和密度、质量指标密度、重力密度岩石颗粒密度孔隙性孔隙比、孔隙率含水率、吸水率水理指标渗透系数抗风化指标软化系数、耐崩解性指数、膨胀率抗冻性抗冻性系数单轴抗压强度单轴抗拉强度抗剪强度三向压缩强度岩石的基本物理力学性质◆岩石的变形特性◆岩石的强度理论试验方法参照标准：《工程岩体试验方法标准》（GB/T 50266-99）。
第二章岩石的基本物理力学性质第一节岩石的基本物理性质第二节岩石的强度特性第三节岩石的变形特性第四节岩石的强度理论回顾----岩石的基本构成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，一般而言，大部分新鲜岩石质地均坚硬致密，空隙小而少，抗水性强，透水性弱，力学强度高。
岩石是构成岩体的基本组成单元。
相对于岩体而言，岩石可看作是连续的、均质的、各向同性的介质。
岩石的基本构成：由组成岩石的物质成分和结构两大方面来决定的。
回顾----岩石的基本构成一、岩石的物质成分●岩石是自然界中各种矿物的集合体。
●岩石中主要的造岩矿物有：正长石、斜长石、石英、黑云母、角闪石、辉石、方解石、白云石、高岭石等。
●岩石中的矿物成分会影响岩石的抗风化能力、物理性质和强度特性。
●岩石中矿物成分的相对稳定性对岩石抗风化能力有显著的影响，各矿物的相对稳定性主要与化学成分、结晶特征及形成条件有关。
回顾----岩石的基本构成二、岩石的结构是指岩石中矿物（及岩屑）颗粒相互之间的关系，包括颗粒的大小、性状、排列、结构连结特点及岩石中的微结构面（即内部缺陷）。
其中，以结构连结和岩石中的微结构面对岩石工程性质影响最大。
回顾----岩石的基本构成●岩石结构连结结晶连结和胶结连结。
结晶连结：岩石中矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，如岩浆岩、大部分变质岩及部分沉积岩的结构连结。
这种连结结晶颗粒之间紧密接触，故岩石强度一般较大，但随结构的不同而有一定的差异。
习题答案(岩体力学)
岩体力学—第二章 岩石的基本物理力学性质
2-14解
（1）由题意
c
2c cos 28.0MPa 1 sin
岩体力学—第二章 岩石的基本物理力学性质
例题：图示的岩石边坡坡高12m，坡面AB坡率为1:0.5，坡顶 BC水平，岩体重度γ=23kN/m3。已查出坡体内软弱夹层形成 的滑面AC的倾角为β=42度，测得滑面材料保水时的内摩擦 角φ=18度。问边坡的滑动安全系数为1.0时，滑面的粘结力 为多少？
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
【解答】 （1）计算岩体的完整性指数， K
v
2 V pm 3800 0.71 V 4500 pr
2
（2） 90 K v 30 90 0.71 30 93.9 Rc 72
1 2 2 W zW 5Z w 2
[ H 2 sin(i ) Z 2 sin i cos ] W 109951.6kN 2sin i sin
cos 200 050 0.47
ZW 20.3
45
2
60
30
c 28.0 (1 sin 30) 8.08 2 cos 30
（2）由题意 1 28.0MPa, 3 0 正应力 剪应力 （3）由题意 （4）
1 1 1 1 2 2 2 2 1 1 ( 1 3 )sin 2 28.0 0.886 12.12 MPa 2 2
岩石力学课件
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3.三轴压缩试验的破坏类型
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具体破坏形式的多样化
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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
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（2）加载途径对岩石三向压缩强度影响
A、B、C三条虚线是三个不同的加载途径，加载途径对岩石的 最终三轴压缩强度影响不大（？）。
我国规定加载速度为0.5－1.0MPa/s
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二 岩石的三轴抗压强度
1.定义
指在三向压缩荷载作用下岩石所能承受的 最大压应力。
1f2,3
2. 三向压缩试验简介
（1）真三轴 123（2）源自规三轴 1232020/4/8
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4. 单轴抗压强度的主要影响因素
岩石自身的因素： 矿物成分、结晶程度、颗粒大小及胶结情况、 风化程度、含水情况和周围环境（温度、湿度） 层理和裂隙的特性和方向等；
❖ 含水量：含水量越大强度越低，岩石越软越明显；
温 度：180℃以下不明显；大于180℃，温度越高强度越小。
D——直径
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(见表2-2）。
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(五) 耐崩解性
岩体力学考试重点(经典)分析
第二章 岩石的基本物理力学性质1、全应力—应变曲线（岩石试件在（刚性试验机）单轴压缩载荷作用下产生变形的全过程）（1）OA 阶段，通常被称为孔隙裂隙压密阶段。
其特征是应力—应变曲线呈上凹型，在此阶段岩石试件中原有的张开型结构面和微裂隙逐渐闭合，横向膨胀较小，试件体积随载荷的增大而减小。
本阶段对节理裂隙丰富的岩石表现较为明显，对坚硬少裂隙的岩石不明显。
（2）AC 阶段，通常称此阶段为弹性变形阶段。
其中AB 阶段为线弹性变形阶段；BC 为非线性变形阶段。
BC 阶段中出现了微裂隙的破裂，因此也称为破裂稳定发展阶段。
（3）CD 阶段，非稳定破裂发展阶段或称累积性破坏阶段。
C 点是岩石从弹性变为塑性的转折点，称为屈服点，其相应的应力称为屈服应力（屈服极限），数值约为峰值应力的三分之二左右。
进入此阶段后，微破裂的发展出现了质的变化，它们不断聚合形成了宏观裂隙，直至岩石试件完全破坏。
此时，试件由体积压缩转为扩容，轴向应变和体积应变速率迅速增大。
当达到D 点时，岩石已经破坏，此时的强度称为峰值强度。
（4）DE 阶段称为破坏后阶段。
当载荷达到D 点后，岩石试件内部结构已遭到破坏，但试件基本保持整体形状。
进入本阶段后，宏观裂隙快速发展，并且相互交叉联合形成宏观断裂面，岩块的变形主要表现为沿宏观断裂面的块体滑移，试件的承载能力迅速下降，但不会到零，岩石仍具有一定的承载能力。
应该指出，对于坚硬的岩石来说，这一塑性阶段很短，有的几乎不存在，它所表现的是脆性破坏的特征。
所谓脆性是指应力超出了屈服应力却并不表现出明显的塑性变形的特性，而因此达到破坏，即为脆性破坏。
2、单轴压缩条件下的岩石变形特征：①岩石的变形特性通常可以从试验时所记录下来的应力—应变曲线中获得；②岩石的应力—应变曲线反映了各种不同应力水平下所对应的应变(变形)规律；③岩石试件在（刚性试验机）单轴压缩载荷作用下产生变形的全过程，可全应力-应变曲线来表示。
3、三轴压缩条件下的岩石变形特征A 、 时岩石变形特征①岩石的强度随围压（ ）的增加，岩石的屈服应力随之提高；②总体来说，岩石的弹性模量变化不大，有随围压增大而增大的趋势；③随着围压的增加，峰值应力所对应的应变值23σσ=23σσ=有所增大，其变形特征表现出低围压的脆性向高围压的塑性转换的规律。
岩土所考博复习资料岩石力学(个人总结)第二章 岩石的基本物理力学性质
第二章岩石的基本物理力学性质第一节概述第二节岩石的基本物理性质一岩石的密度指标1 岩石的密度:岩石试件的质量与试件的体积之比，即单位体积内岩石的质量。
（1）天然密度：是指岩石在自然条件下，单位体积的质量，即（2）饱和密度：是指岩石中的孔隙全部被水充填时单位体积的质量，即（3）干密度：是指岩石孔隙中液体全部被蒸发，试件中只有固体和气体的状态下，单位体积的质量，即（4）重力密度：单位体积中岩石的重量，简称重度。
2 岩石的颗粒密度：是指岩石固体物质的质量与固体的体积之比值。
公式二岩石的孔隙性1 岩石的孔隙比：是指岩石的孔隙体积与固体体积之比，公式2 岩石的孔隙率：是指岩石的孔隙体积与试件总体积的比值，以百分率表示，公式孔隙比和孔隙率的关系式：三岩体的水理性质1 岩石的含水性质（1）岩石的含水率：是指岩石孔隙中含水的质量与固体质量之比的百分数，即（2）岩石的吸水率：是指岩石吸入水的质量与试件固体的质量之比。
2 岩石的渗透性：是指岩石在一定的水力梯度作用下，水穿透岩石的能力。
它间接地反映了岩石中裂隙间相互连通的程度。
四岩体的抗风化指标1 软化系数：是指岩石饱和单轴抗压强度与干燥状态下的单轴抗压强度的比值。
它是岩石抗风化能力的一个指标，反映了岩石遇水强度降低的一个参数：2 岩石耐崩解性：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。
岩石耐崩解性指数：是通过对岩石试件进行烘干，浸水循环试验所得的指数。
它直接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。
3 岩石的膨胀性：岩石浸水后体积增大的性质。
（1）岩石的自由膨胀率：是指岩石试件在无任何约束的条件下浸水后所产生膨胀变形与试件原尺寸的比值。
（2）岩石的侧向约束膨胀率：是将具有侧向约束的试件浸入水中，使岩石试件仅产生轴向膨胀变形而求得膨胀率。
（3）膨胀压力:岩石试件浸水后，使试件保持原有体积所施加的最大压力。
五岩体的其他特性1 岩石的抗冻性:岩石抵抗冻融破坏的性能。
岩石物理力学性质(物理力学指标)
岩石的物理力学指标（目标：掌握岩石的物理力学指标及其试验方法）密度：单位体积所具有的质量称为密度，公式ρ=m/V(kg/m 3);块体密度(或岩石密度)是指岩石单位体积内的质量，按岩石的含水状态，又有干密度、饱和密度和天然密度之分，在未指明含水状态时一般指岩石的天然密度。
试验方法：岩石颗粒密度是岩石固相物质的质量与体积的比值，采用比重瓶法或水中称量法测定。
比重瓶法测定岩石的颗粒密度，又分为土工试验方法、岩石试验方法和建筑材料试验方法三种。
岩石的块体密度是指单位体积的岩石质量，是岩石试件的质量与其体积之比。
岩石的块体密度试验量积法适用于能制备成规则试件的岩石;水中称量法适用于除遇水不崩解、不溶解和不干缩湿胀的其他各类岩石:密封法适用于不能用量积法或直接在水中称量进行试验的岩石。
岩石的比重：岩石的比重就是绝对干燥时岩石固体部分实体积(即不包含孔隙的体积)的重量与同体积水(4℃)的重量之比。
岩石的容重：单位体积内岩石(包括孔隙体积)的重量称为岩石的容重，单位（N/m ³）。
公式γ=G/V （N/m 3)，容重等于密度和重力加速度的乘积，即γ=ρg ，单位是牛/立方米（N/m ³）。
干容重：就是指不含水分状态下的容重。
一般用于表示土的压实效果，干容重越大表示压实效果越好。
最大干容重：是在实验室中得到的最密实状态下的干容重。
含水率：岩石含水率反映了岩石在天然状态下的实际情况，用烘干前的质量减去烘干后的质量与烘干后的质量之比来表示。
试验方法：烘干法。
％10000⨯-=d d m m m w岩石试件的含水率对测试成果的影响尤为明显，因为具有膨胀特性的岩石，吸水膨胀。
试验前试件的含水率应尽量接近天然含水状态，实行干法加工。
岩石膨胀特性稳定时间:膨胀试验时间一般在48h 以内，膨胀压力试验则往往超过48h 。
水理性质：岩石在水溶液作用下表现出来的性质； 吸水性：岩石在一定的试验条件下吸收水分的能力，称为岩石的吸水性。
第二章 物理性质
抗冻性
6.岩石的崩解性 崩解性 －－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。岩石崩解性一般用岩石的耐 崩解性指数表示 。 崩解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。
湖北沪蓉西高速公路扁担垭隧道岩石物理力学试验参数
第二章 岩块的物理力学性质
一、岩石的物理性质
岩石的密度（容重、比重）、空隙性
二、岩石的水理性质
岩石的吸水性、软化性、透水性、抗冻性
Physical properties of rock 一、岩石的基本物理性质
从物质成分上来说，岩石和土 一样，也是由固体、液体和气 o 体三相组成的。
mw
气
V0
水
VV VW
空隙率的工程意义：是岩石物理性质的一个重 要指标。对岩块和岩体的水理、热学性质及力 学性质影响很大。空隙率愈大→岩石中的孔隙 和裂隙愈多→岩石的力学性质越差(岩石的强度 愈小、塑性变形越大），渗透性愈大，抗风化 能力愈差等。
s
1
二、岩石的水理性质 定义：岩石在水溶液作用下表现出来的性 质，称为水理性质。主要有：吸水性、软化 性、抗冻性和透水性。 1.岩石的吸水性 吸水性－－指岩石在一定条件下吸收水分的能力。
天 然
饱和
47.5 28.9 73.8 49.7 70.7 60.6 55.3 48.8 62.7 52.2 61.4 52.8
74.5 53.4 71.6 50.5 寒武 系水 井沱 组粉 砂质 页岩 ZK44+193 2.73 ~187 YK43+793 ~740 2.74 0.85/0.69 2.31
常见岩石的物理性质指标值(部分)
岩体力学02-岩石的基本物理力学性质.资料
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
' c
w
cw
硬质岩石风化风化程度分类表
风化程度 全风化 强风化
中等风化 微风化 未风化
代表性岩石
硬质 岩石
极硬岩石 次硬岩石
＞60 30~60
花岗岩、花岗片麻岩、闪长岩、玄 武岩、石灰岩、石英砂岩、石英岩、
大理岩、硅质砾岩等
软质 岩石
次软岩石 极软岩石
5~30 ＜5
粘土岩、页岩、千枚岩、绿泥石片 岩、云母片岩等
§2.2 岩石的基本物理性质
岩石是由固体、液体和气体三相组成的。岩石 的力学性质常与岩石中三相的比例关系及固相 与水相互作用有密切的关系。
m g/cm 3
V—岩石试件的总体积；
V
m—岩石试件的总质量
岩石天然密度越大， 其工程性质越好。影 响因素是矿物成分、 孔隙与微裂隙发育程 度以及含水量。
测定方法有量积法、水中称重法、蜡封法等，试件数量不少于5个
2、饱和密度（ sat）
岩石中空隙全部被水充填时单位体积的质量，即
sa tm s V V vw g/c3 m
•岩石的粒间连结分结晶连结与胶结连结 •结晶连结：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。 •胶结连结：矿物颗粒通过胶结物连结在一起。 胶结连结的岩块强度：硅质胶结>铁质、 钙质>泥质胶结
三、岩块的风化
岩石经过风化，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。
岩石的基本物理力学性质
第一章 岩石的基本物理力学性质
主讲内容：
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
岩石的物理性质 岩石的强度性质 岩石的变形特征 岩石的流变特性 岩石的强度理论
第一节 岩石的基本物理性质
一、岩石的容重 二、岩石的比重 三、岩石的孔隙性 四、岩石的水理性质
含水性 吸水性 透水性 软化性 抗冻性 膨胀性 崩解性
破坏力的一部分用来克服与正应力无关的粘结力，
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摩力，使面内错动而
最终破坏。
一、库伦准则：
数学表达式： c tan
参数 意义
f tan ——内摩擦系数
表示在破坏面上的正应力与剪应力的组合关系满足上式.
库仑准则的应用: 解决在压力（应力）作用下的破
第一节 岩石的基本物理性质
一、岩石的容重：
岩石单位体积（包括岩石内孔隙体积）的重量称为 岩石的容重，容重的表达式为：
W /V
岩石的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。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。
坏判推，不适应于拉破坏。
破坏判断2个方面：一个是判断材料在何种应力环
境下破坏，二是判断破坏面的方位角。当然，这种判 断是在材料特征常数[ f,(), c ]为已知的条件下去判断。
C tg c f
库仑准则 主要公式：
2c cos 1 1 sin c 2c cos 45 / 2
即有蠕变现象
力与应变速率一一对 应，受力瞬间不变形， 随时间流逝变形趋于
无限的特点
描述流变性质的三个基本元件
(3)粘性元件 本构方程 d
岩石的物理力学性质
第2章 岩石的物理力学性质§2.1 岩石的结构和构造岩石的物理力学性质除与其组成成分有关外，还取决于岩石的结构和构造。
岩石的结构是指矿物颗粒的形状、大小和联结方式所决定的结构特征，岩石的构造则是指各种不同结构的矿物集合体的各种分布和排列方式。
一般来说，岩石“结构”一词是针对构成岩石的微细粒子部分而言，而岩石“构造”是指较大的部分，“构造”比“结构”使用更广泛。
矿物颗粒间具有牢固的联结是岩石区别于土壤并使岩石具有一定强度的主要原因。
受风化作用或土壤化作用侵蚀的地壳表层岩石称为土壤。
岩石颗粒间联结分为结晶联结和胶结联结两类。
结晶联结是矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，如岩浆岩、大部分变质岩和部分沉积岩具有这种联结。
它是通过共用原子或离子使不同晶粒紧密接触，故一般强度较高。
胶结联结是矿物颗粒通过胶结物联结在一起，这种联结的岩石的强度取决于胶结物成分和胶结类型。
岩石的矿物颗粒结合胶结物质有：硅质、铁质、钙质、泥质等。
一般来说，硅质胶结的岩石强度最高，铁质和钙质胶结的次之，泥质胶结的岩石强度最差，且抗水性差。
以风化程度划分，岩石又分为微风化、中等风化和强风化岩石。
在岩石力学中，根据岩石坚硬程度可分为坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩和极软岩。
§2.2 岩石的基本物理性质在研究和分析岩石受力后的力学表现时，必然要联系到岩石的某些物理性质指标，常用的岩石物理性质指标有容重、比重、孔隙率、吸水率、膨胀性、崩解性等。
2.2.1 容重和密度岩石单位体积(包括岩石中孔隙体积)的重量称为容重。
岩石容重的表达式为：VW =γ （2-1） 式中，γ——岩石容重（kN/m 3）；W ——岩样的重量（kN ）； V ——岩样的体积（m 3）。
根据岩石试样的含水情况不同，容重可分为干容重（d γ）、天然容重（γ）和饱和容重（sat γ），一般未说明含水状态时是指天然容重。
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ρ表示，单位一般为kg/m 3。
岩石的岩石的力学性质
岩石的1岩石的力学性质－岩石的变形岩石的强度：岩石抵抗外力作用的能力，岩石破坏时能够承受的最大应力。
岩石的变形：岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变化。
岩石在荷载作用下，首先发生的物理力学现象是变形。
随着荷载的不断增加，或在恒定载荷作用下，随时间的增长，岩石变形逐渐增大，最终导致岩石破坏。
岩石变形过程中表现出弹性、塑性、粘性、脆性和延性等性质。
▪ 1.5岩石变形性质的几个基本概念▪1）弹性(elasticity)：物体在受外力作用的瞬间即产生全部变形，而去除外力(卸载)后又能立即恢复其原有形状和尺寸的性质称为弹性。
▪弹性体按其应力－应变关系又可分为两种类型：▪线弹性体：应力－应变呈直线关系。
▪非线性弹性体：应力—应变呈非直线的关系。
▪2）塑性（plasticity）：物体受力后产生变形，在外力去除（卸载）后变形不能完全恢复的性质，称为塑性。
▪不能恢复的那部分变形称为塑性变形，或称永久变形，残余变形。
▪在外力作用下只发生塑性变形的物体，称为理想塑性体。
▪理想塑性体，当应力低于屈服极限时，材料没有变形，应力达到后，变形不断增大而应力不变，应力－应变曲线呈水平直线.▪3）黏性(viscosity):物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质，称为粘性。
▪应变速率与时间有关，－>黏性与时间有关▪其应力－应变速率关系为过坐标原点的直线的物质称为理想粘性体（如牛顿流体），▪4）脆性(brittle):物体受力后，变形很小时就发生破裂的性质。
▪5）延性(ductile):物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力的性质，称为延性。
▪ 1.7岩石变形指标及其确定▪岩石的变形特性通常用弹性模量、变形模量和泊松比等指标表示。
3）全应力－应变曲线的工程意义▪①揭示岩石试件破裂后，仍具有一定的承载能力。
▪②预测岩爆。
▪若A>B，会产生岩爆▪若B>A，不会产生岩爆▪③预测蠕变破坏。
▪当应力水平在H点以下时保持应力恒定，岩石试件不会发生蠕变。
岩石的物理力学性质讲解
4、岩石的崩解性
式中：
Id2
mr md
W2 W0 100% W1 W0
Id2 ——两次循环试验求得的耐崩解指数，在0～100% 之间变化；
md——试验前试块的烘干质量； mr——残留在圆筒内试块的烘干质量； W1 ——试验前试件和圆筒的烘干重量； W2——第二次循环后试件和圆筒的烘干重量； W0——试验结束冲洗干净后圆筒的烘干重量。
2、干密度（ρ d）和干重度(γ d )
干密度是指岩石孔隙中的液体全部被蒸发后单位体积 岩石的质量，相应的重度即为干重度。
d
Ws V
d d g
（g/cm3） (kN /m3)
式中：Ws——岩石试件烘干后的质量(g)； V——岩石试件的体积(cm3)；
g——重力加速度。
3、饱和密度（ρ ）和饱和重度(γw)
E切＝
a a
2 2
a1 a1
割线模量：
是曲线上某一点与坐 标原点连线的斜率。
E割
工程上常用E50 ：
E50
50 50
初始模量反映了岩石中微裂隙的多少。 切线模量反映了岩石的弹性变形特征 割线模量反映了岩石的总体变形特征。
c 具有粘性的弹性岩石
由于应变恢复 有滞后现象，即加 载和卸载曲线不重 合，加载曲线弹模 和卸载弹模也不一 样。P点加载弹模 取过P点的加载曲 线的切线斜率，P 点卸载弹模取过P 点的卸载曲线的切 线斜率。
nb
Vnb V
Ws V
Vnb Ws
Ws Vnb1 d1
V W1
w
式中：W s为干燥岩石的重量；γ d,γ w分别为干燥岩石和水的重度。
（2）岩石的饱水率（ω2）
第2章 岩石的物理力学性质
目 录
1、岩石的物理性质 2、岩石的强度特性 3、岩石的变形特性 4、岩体结构面的力学性质 5、岩体的力学性质 6、工程岩体的分类 7、岩石力学性质的时间效应
2.1 岩石的物理性质
岩石由固体、液体和气体三相介质组成， 其物理性质是指因岩石三相组成部分的相 对比例关系不同所表现出来的物理状态。
（2）变角板剪切试验（图） P (cos f sin ) A P (sin f cos ) A
此法的主要缺点是a角不能太大，也不能太小。
4 岩石的三轴压缩强度（Triaxial compressive strength）
岩石试件在三向压应力作用下能抵抗的最大轴向压力。
体积变形模量：平均正应力与单位体积变形之比
e V e 1 2 3 V K
切变模量：弹性或准弹性的切变模量
E G 2(1 )
岩块的变形模量和泊松比受岩石矿物组 成、结构构造、风化程度、空隙性、含水率、 微结构面及其与荷载方向的关系等多种因素 的影响，变化很大（图）。
f c tan
大量研究表明：当压力不大时（小于 10MPa），直线形强度包络线能够满足工程 要求，是目前应用最为广泛的强度理论。
（2）二次抛物线形莫尔强度准则（图） 软弱至中等硬度完整岩石，如泥灰岩、 砂岩、泥岩等岩石的强度包络线近似于二次 抛物线。
n( t )
VD D / D 100%
（2）岩石的侧向约束膨胀率
VHP H1 / H 100%
（3）膨胀压力
6 岩石的透水性 达西定律
Vx kix
岩石的渗透系数一般都很小，新鲜致 密岩石的渗透系数一般均小于10-7cm/s。裂 隙发育时，渗透系数一般比新鲜岩石大4～ 6个数量级。
岩石物理力学性质和影响的主要因素
第二章 岩石物理力学性质-习题
16试论述岩石应力-应变曲线类型及成因，并画出相应的曲 线图。
类型I 直线型 弹性 应力与应变关系是一直线或 近似直线，直到试件发生突 然破坏为止。具有这种变形 性质的岩石有玄武石、石英 岩、白云岩以及极坚固的石 灰岩。由于塑性阶段不明显， 这些材料被称为弹性体。
第二章 岩石物理力学性质-习题
类型II 下凹型 弹塑性 应力较低时，应力-应变曲线近似于直线， 当应力增加到一定数值后，应力-应变曲线 向下弯曲，随着应力逐渐增加而曲线斜率 也就越变越小，直至破坏。具有这种变形 性质的岩石有较弱的石灰岩、泥岩以及凝 灰岩等，这些材料被称为弹-塑性体。
类型III 上凹型 塑弹性 在应力较低时，应力-应变曲线略向上弯 曲。当应力增加到一定数值后，应力-应 变曲线逐渐变为直线，直至发生破坏。具 有这种变形性质的代表岩石有砂岩、花岗 岩、片理平行于压力方向的片岩以及某些 辉绿岩等，这些材料被称为塑-弹性体。
4. 岩石受力后表现为何种形式的破坏下列那个因素没有关系( C ) A）岩石自身性质 （B）岩石赋存环境（C）最大主应力（D围压
第二章 岩石物理力学性质-习题
5. 在岩石单向抗压强度试验中，岩石试件高与直径的比值h/d和 试件端面与承压板之间的磨擦力在下列哪种组合下，最容易 使试件呈现锥形破裂。（ B ）
第三章 岩体力学性质
了解 岩体结构分类依据和分类方案，各类岩体结构的地
质特征及对工程岩体结构分类；了解结构面类型及特 征，掌握结构面分级的依据，岩体质量评价及其分类。 重点掌握： 1、岩体结构的基本定义； 2、岩体的强度特征及强度测定； 3、岩体的变形特征； 4、岩体分类与质量评价方法。 5、结构面的剪切变形特征； 6、结构面的抗剪强度； 7、结构面的力学效应。 8、岩体的水力学性质
岩石物理力学性质
1 岩石的物理力学性质岩石是由固体相、液体相和气体相组成的多相体系。
理论认为，岩石中固体相的组分和三相之间的比例关系及其相互作用决定了岩石的性质。
在研究和分析岩石受力后的力学表现时，必然要联系到岩石的某些物理性质指标。
岩石物理性质：岩石由于其固体相的组分和三相之间的比例关系及其相互作用所表现出来的性质。
主要包括基本物理性质和水理性质。
岩石在受到外力作用下所表现出来的性质称为岩石的力学性质。
岩石的力学性质主要有变形性质和强度性质，在静荷载和动荷载作用时，岩石的力学性质是有所不同的，表现在性质指标的差异上。
岩石的物理力学性质通常通过岩石物理力学性质测试才能确定。
1.1 岩石的基本物理性质指标反映岩石组分及结构特征的物理量称为岩石的物理性质指标，这里主要是指一些基本属性：密度、比重、孔隙性、水理性等。
反映了岩石的组分和三相之间的比例关系。
为了测定这些指标，一股都采用岩样在室内作试验，，必要时也可以在天然露头上或探洞(井)中进行现场试骀。
在选用岩样时应考虑到它们对所研究地质单元的代表性并尽可能地保持其天然结构。
最好采用同一岩样逐次地测定岩石的各种物理性质指标。
下面分述各种物理性质指标。
1.1.1 岩石的密度和重度(容重)1、定义密度：单位体积岩石(包括岩石内空隙体积在内)所具有的质量。
重度(容重)：单位体积岩石所受的重力。
2、计算式 密度：VM =ρ(g/cm 3，t/m 3) 容重度：VMg V W ==ρ(kN/m 3) 密度与重度的关系：γ=ρg 。
上述各式中，M —岩石质量；W —岩石重量；V —岩石体积(包括空隙在内)；g 为重力加速度，g=9.8m/s 2，工程上一般取10m/s 2。
密度与容重的种类：天然密度ρ、干密度ρd 、饱和密度ρsat 。
天然密度与干密度的关系：ρ=ρd (1+0.01ω)(ω为含水率，以百分数计)。
3、影响因素影响岩石密度大小的因素：矿物成分、孔隙及微裂隙发育程度、含水量。
第二章 岩石的物理性质
wsa
Ww2 100% Ws
2.2 基本性质指标
岩石的水理性质： 饱水系数
岩石的吸水率（ a ）与饱和吸水率（ sa ）之比，称为饱水系数。
K
a sa
它反映了岩石中开口孔隙的发育程度。一般说来，饱 水系数愈大，岩石中的开口孔隙相对愈多。
饱水系数大，说明常压下吸水后余留的孔隙就愈少， 岩石愈容易被冻胀破坏，因而其抗冻性差。
Vvc nc 100% V
总孔隙率与开口和封闭孔隙率的关系
n no nc
(读2-3)
2.2 基本性质指标
岩石的水理性质： 岩石在水溶液作用下表现出来的性质，称为水理性质。主要有吸水 性、抗冻性、软化性、渗透性、膨胀性及崩解性等。
岩石的吸水性
岩石在一定的试验条件下吸收水分的能力，称为岩石的吸水性。常 用吸水率，饱和吸水率(饱水率)与饱水系数等指标表示。
导电性：岩石介质传导电流的能力，常用电导率或电阻率表示。
学科内应用较少
导电性复杂易变：矿物成分，结构，孔隙溶液的多少、化学组成、浓度等 电阻率岩浆岩高，变质岩次之，沉积岩变化范围大、垂直层理较高
2.4
概述
岩石的渗透性
在水力坡降作用下，水在岩体 孔隙和裂隙中的流动，即渗流； 该过程称为渗透。 而岩石的渗透性就是指在水压 力作用下，岩石的孔隙和裂隙 透过水的能力。
影响因素：取决于矿物成分及含量，可作常数看。 水的影响重要 含水状态岩石的比热可用干试样的比热等指标来进行换算，公式如下：
CS
m C mwt Cwt m mwt
2.3
岩石的热学和电学性质
导热性：岩石传导热量的能力
导热系数(热导率)λ：温度梯度为1时，单位时间内通过单位面积岩石所传 导的热量(cal/(cm2· s· ℃)) 多数造岩矿物λ介于0.40~0.80~4.00~7.00之间(2.10, 0.63, 0.021)，岩石λ与岩石 密度有关(沉积岩骨架密度15~20%，一倍)，注意各向异性岩石λ的差异(顺高 10~30%)。
岩体力学第2章
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
原因分析：各种矿物膨胀系数的差异；孔隙 水结冰体积增大对岩石结构的破坏。
第二节
岩石的强度特性
工程师对材料提出两个问题 1 最大承载力——容许应力[ ] ？ 2 最大允许变形－－容许应变[ ]？ 本节讨论[ ]问题 强度：材料受力时抵抗破坏的能力。 单向抗压强度 强度 单向抗拉强度 剪切强度 三轴压缩 真三轴
（m3/s）
——水头变化率；
qx——沿x方向水的流量；h——水头高度； A——垂直x方向的截面面积；k——渗透系数。
达西实验
四、岩石的抗风化指标（3类）
(1)软化系数（表示抗风化能力的指标） Rcd——干燥单轴抗压强度、 Rcc
R / R cc cd ——饱和单轴抗压强度；
（ 1 ）越小，表示 岩石受水的影响越大。
H HP 100 % H
③、膨胀压力：岩石试件浸水后，使试件保
持原有体积所施加的最大压力。
实验方法：预先施加0.01MPa，变形浸水 膨胀0.001mm时，恢复原有体积需要的压力。
五、岩石的其它特性
岩石的抗冻性：岩石在多次冻融条件下力学 特性。
Kf
Rf RS
实验在±25摄氏度的温度区间内，反复冻融 试件多次后，测量其单轴抗压强度剩余值。
式中 tanφ－岩石抗剪切内摩擦系数
第02讲 岩体的力学特性和工程地质性质
A.受到水平方向强烈张应力形成的
B.受到水平方向强烈挤压力形成的
C.断层线与褶皱轴的方向基本一致
D.断层线与拉应力作用方向基本垂直
E.断层线与压应力作用方向基本平行
『正确答案』BC
『答案解析』本题考查的是岩体的构成。（1）断层要素：①断层面和破碎带；②断层线；③断盘；④断距。（2）断层基本类型：①正断层是上盘沿断层面相对下降，下盘相对上升的断层。②逆断层是上盘沿断层面相对上升，下盘相对下降的断层。③平推断层是两盘沿断层面发生相对水平位移的断层。其倾角一般是近于直立的,本题是逆断层。参见教材P8。
二、岩体的力学特性
（一）岩体的变形特征
岩体的变形通常包括结构面变形和结构体变形两个部分。岩体变形参数是由变形模量或弹性模量来反映的。
（二）岩体的强度性质
由于岩体是由结构面和各种形状岩石块体组成的，所以，其强度同时受二者性质的控制。一般情况下，岩体的强度既不等于岩块岩石的强度，也不等于结构面的强度，而是二者共同影响表现出来的强度。但在某些情况下，可以用岩石或结构面的强度来代替。如当岩体中结构面不发育，呈完整结构时，岩石的强度可视为岩体强度。如果岩体沿某一结构面产生整体滑动时，则岩体强度完全受结构面强度控制。
（3）碎裂结构。层状碎裂结构和碎裂结构岩体变形模量、承载能力均不高，工程地质性质较差。
（4）散体结构。岩体节理、裂隙很发育，岩体十分破碎，岩石手捏即碎，属于碎石土类，可按碎石土类考虑。
2011年真题：
4.结构面结合力较差的层状结构工程地基岩体的工程特性是（ ）。
A.沿层面方向的抗剪强度高于垂直层面方向
表1.1.4裂隙发育程度分级表
岩石的基本物理力学性质及其试验方法2
第二讲岩石的基本物理力学性质及其试验方法(之二)一、内容提要：本讲主要讲述岩石的变形特性、强度理论二、重点、难点：岩石的应力-应变曲线分析及岩石的各种强度理论。
三、讲解内容：四、岩石的变形特性与岩石的强度特性一样，岩石的变形特性也是岩石的重要力学特性。
只有对岩石的变形特性的变化规律有了足够的了解，才能应用某些数学表达式描述岩石的变形特性，进而运用这些表达式计算岩石在外荷载作用下所产生的变形特性，并评价其稳定性。
在实际的工程中，经常遇到岩石在单轴和三轴压缩状态下的变形问题。
(一)岩石在单向压缩应力作用下的变形特性1. 岩石在普通试验机中进行单向压缩试验时的变形特性岩石的变形特性通常可从试验时所记录下来的应力-应变曲线中获得。
岩石的应力-应变曲线反映了各种不同应力水平下所对应的应变(变形)规律。
以下先介绍具有代表性的典型的应力-应变曲线。
1)典型的岩石应力-应变曲线分析图15-1-17例示了典型的应力-应变曲线。
根据应力-应变曲线的变化，可将其分成OA，AB，BC三个阶段。
三个阶段各自显示了不同的变形特性。
(1)OA阶段，通常被称为压密阶段。
其特征是应力-应变曲线呈上凹型，即应变随应力的增加而减少。
形成这一特性的主要原因是存在于岩石内的微裂隙在外力作用下发生闭合所致。
(2)AB阶段，也就是弹性阶段。
从图15-1-17可知，这一阶段的应力-应变曲线基本呈直线。
假设在这一阶段卸荷的话，其应变可以恢复，由此可称为弹性阶段。
这一阶段常用两个弹性常数来描述其变形特性。
即弹性模量E和泊松比。
所谓弹性模量，是指应力—应变曲线中呈直线阶段的应力与应变之比值(或者是该曲线在直线段的斜率)被称作平均模量。
就模量的概念而言，岩石的模量还有初始模量、切线模量、割线模量等。
在岩石力学中比较常用的是平均弹性模量E和割线模量E50，E50是指岩石峰值应力一半的应力、应变之比值，其实质代表了岩石的变形模量。
所谓泊松比，是指在弹性阶段中，岩石的横向应变与纵向应变比之值。
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A
B ks A/ km/ km C ks/
O1
O2
第二章
第二章
岩石的基本物理力学性质
将土切成圆柱体套在橡胶膜内，放在密封的 压力室中，然后向压力室内压入水，使试件 在各个方向受到周围压力，并使液压在整个 试验过程中保持不变，这时试件内各向的三 个主应力都相等，因此不发生剪应力。然后 再通过传力杆对试件施加竖向压力，这样， 竖向主应力就大于水平向主应力，当水平向 主应力保持不变，而竖向主应力逐渐增大时 ，试件终于受剪而破坏。设剪切破坏时由传 力杆加在试件上的竖向压应力为Δσ1，则试 件上的大主应力为σ1=σ3+Δσ1，而小主应力 为σ3，以(σ1-σ3)为直径可画出一个极限应力 圆，用同一种土样的若干个试件(三个上)按 以上所述方法分别进行试验，每个试件施加 不同的周围压力σ3，可分别得出剪切破坏时 的大主应力σ1，将这些结果绘成一组极限应 力圆。
VHP H1 / H (%)
式中 H 为有侧向约束条件下所测得的轴向膨胀变 形。 3．膨胀压力 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。
第二章
岩石的基本物理力学性质
§2 岩石的强度特性
一、岩石的单轴抗压强度
Rc P / A
式中：Rc—单轴抗压强度，有时亦称无侧限强度； P—在无侧限条件下，轴向破坏荷载； A— 试件的截面面积。 （一）单轴抗压强度的试验方法 岩体力学中，Rc是研究最早，最完善的特性之一。 试件：直径或边长为4.8～5.2cm，高度为直径的2.0～ 2.5cm倍。
c tan
式中 tan—岩石抗剪断内摩擦系数, C—岩石的粘结力（内聚力）。
第二章
岩石的基本物理力学性质
§2 岩石的强度特性
四、岩石在三向压缩应力作用下的强度 岩石的三向压缩强度通常用一个函数表示为
1 f ( 2 , 3 )
或
f ( )
（一）三向压缩试验方法简介 1．真三轴试验 (1>2>3) 2．假三轴试验 (1>2=3)
第二章
岩石的基本物理力学性质
§2 岩石的强度特性
一、岩石的单轴抗压强度 试件破坏形式： 1．圆锥形破坏： 由于试件两端面与试验机承压板之间摩擦力增大造成的。 2．柱状劈裂破坏 是岩石在单向压缩应力作用下自身所固有的破坏特性。
第二章
岩石的基本物理力学性质
§2 岩石的强度特性
一、岩石的单轴抗压强度 （二）、单轴抗压强度的影响因素 1．承压板给予单轴抗压强度的影响 试件两端面与承压板间摩擦、承压板刚度。 2．试件尺寸及形状对单向轴抗压强度的影响 （1）岩石试件的形状 （2）岩石试件的尺寸 尺寸效应：试件的强度通常随其尺寸的增大而减小，目 前采用φ5cm且直径大于最大矿物颗粒直径的10倍以上的 岩石试件。
（b）下凹型（弹塑性）（石灰石）
O
（c）上凹型（塑弹性）（片麻岩）
O
（d） S型（塑弹性）（大理岩）
第二章
岩石的基本物理力学性质
§3 岩石的变形特性
一、岩石在单向压缩应力作用下的变形特性
3．岩石在刚性试验机中进行单向压缩试验时所得到变形 特性 （1）刚性试验机工作原理简介
结构的刚度为： k p /x 式中 x为在P力作用下沿P作用方向发生的位移，此时 贮存于结构中的弹性应变能为：
第二章
岩石的基本物理力学性质
基本要求 1．掌握岩石的基本物理性质，理解岩石的变形性质； 2．掌握岩石的强度特征； 3．理解岩石的破机理了解最大线应变理论，了解格里 菲斯理论； 4．掌握莫尔强度理论、库伦—莫尔强度理论；
第二章
ma=0 m
岩石的基本物理力学性质
Va 共有九个参数: Vv V V Vv Vs Va Vw / ms mw ma m 已知关系五个:
§2 岩石的强度特性
二、岩石的抗拉强度 （四）点荷载法 该方法的最大特点是可利用现场取得的任何形状的岩块， 可以是5cm的钻孔岩芯，也可以是开挖后掉落下来的不规 则岩块，不作任何岩样加工直接试验。 点荷载强度指数I可按下式求得：
I P / D2
(MPa)
式中：P—荷载与施加点之间的距离； D—试件破坏的极 限压力。I与Rt之间的关系如下： 2
第二章
岩石的基本物理力学性质
§2 岩石的强度特性
二、岩石的抗拉强度 岩石的抗拉强度是指岩石试件在受到轴向拉应力后 其试件发生破坏时的单位面积所能承受的拉力。 （一）直接拉伸法
Rt P / A
试验关键：①岩石试件与夹具间必须有足够的粘结力或 摩擦力；②所施加的拉力必须与岩石试件同轴心。
第二章
岩石的基本物理力学性质
第二章
岩石的基本物理力学性质
§2 岩石的强度特性
三、岩石的抗剪强度 以剪切面积除以上式，得受剪面上的法向力和剪应力
N / F P / F (cos f sin ) Q / F P / F (sin f cos )
许多组可建立岩石抗剪断强度 与压应力 间关系：
VH H / H
(%)
VD D / D (%)
式中： 形量；
H , D
—分别是浸水后岩石试件轴向、径向变
H、D—分别是岩石试件试验前的高度、直径。
第二章
岩石的基本物理力学性质
§1 岩石的基本物理性质
四、岩石的抗风化指标 （三）岩石的膨胀性 2．岩石的侧向约束膨胀率（VHP） 与岩石自由膨胀率不同，计算式如下：
§2 岩石的强度特性
二、岩石的抗拉强度 （二）抗弯法
t MC / I
式中 t — 由三点或四点抗弯试验所求得的最大拉应 力； M—作用在试件截面上的最大弯矩； C—梁的边缘到中性轴的距离； I—梁截面在绕中性轴的惯性矩。 此法应用比直接法少些。
第二章
岩石的基本物理力学性质
§2 岩石的强度特性
Rt 0.96P / D
(MPa)
第二章
岩石的基本物理力学性质
§2 岩石的强度特性
二、岩石的抗拉强度 （四）点荷载法 点荷载强度指数I与直接拉伸法测得的抗拉强度Rt之 间的关系如下：
Rt 0.96P / D2
(MPa)
第二章
岩石的基本物理力学性质
§2 岩石的强度特性
三、岩石的抗剪强度
（a）抗剪断试验 （b）抗切试验 （c）弱面抗剪切试验 岩石的三种受剪方式示意图
§1 岩石的基本物理性质
四、岩石的抗风化指标 （一）软化系数()：岩石充分吸水后的抗压（拉）应力 与干燥状态下抗压（拉）应力之比 。
Rcc / Rcd
(小于或等于1)
第二章
岩石的基本物理力学性质
§1 岩石的基本物理性质
四、岩石的抗风化指标 （二）岩石耐崩解指数（Id）
I d 2 mr / ms
第二章
岩石的基本物理力学性质
§2 岩石的强度特性
三、岩石的抗剪强度 室内抗剪切试验：作用于剪切平面上的法向压力N与 切向力T按下式计算：
N P(cos f sin ) Q P(sin f cos )
式中
P —施加的总压力, —试件倾角， f — 圆柱形滚子与上、下盘压板的摩擦系数。
一、岩石的质量指标 （一）岩石的密度和比重 （1）天然密度
G V
称重法
（2）饱和密度
（3）干密度
G1 VV w d V
c
性质
§1 岩石的基本物理性质
一、岩石的质量指标 （二）岩石的比重 G1 /( V ) 二、岩石的孔隙性 （一）岩石的孔隙比
二、岩石的抗拉强度 （三）劈裂法（巴西法） 试件破坏时作用在试件中心的最大拉应力为：
t 2P / Dt
式中 P—试件破坏时的极限压力 ，D t—试件厚度。 —试件的直径
本试验要点：试验时所施加的线荷载必须通过试件 的直径，并在破坏时其破裂面亦通过该试件的直径。
第二章
岩石的基本物理力学性质
1
B
C
A
O
1
第二章
岩石的基本物理力学性质
§3 岩石的变形特性
一、岩石在单向压缩应力作用下的变形特性
2.反复循环加载曲线:岩石的“记忆”功能，塑性滞环随 卸载点的应力增大而增大。
O
第二章
岩石的基本物理力学性质
3．岩石应力—应变曲线形态的类型。
O
(a）直线型（弹脆性）（石英石）
O
m ms m ma ma 0 m V
V Vs Va V Vv Va V
Air
mw
ms
Water Soil
Vw
Vs
质量
物性指标是比例关系: 可假设任一参数为1
体积
剩下三个独立变量
实验室测定 其它指标
第二章
岩石的基本物理力学性质
§1 岩石的基本物理性质
第二章
岩石的基本物理力学性质
§2 岩石的强度特性
一、岩石的单轴抗压强度 （二）、单轴抗压强度的影响因素 (3) 岩石试件的高径比。 3．加载速率对单轴抗压强度的影响，加载速率快，强度 高。 4．环境对岩石单轴抗压强度的影响 （1）含水量：饱和状态下岩石抗压强度有所降低。 （2）温度：当对岩石试件进行加温时，岩石的单轴抗压 强度会有所变化。
第二章
岩石的基本物理力学性质
§3 岩石的变形特性
一、岩石在单向压缩应力作用下的变形特性 （一）岩石在普通试验机中进行单向压缩试验时的变形 特性。 1．典型的岩石应力应变曲线分析。 1 C
B A
O
1
第二章
岩石的基本物理力学性质
§3 岩石的变形特性
一、岩石在单向压缩应力作用下的变形特性