工程岩土学06影响岩体力学性质的主要因素

表征岩石抗冻性能的指标—
①抗冻系数——将岩石试样在-25℃～
+25℃条件下反复冻结和融化25次，以冻融 前的抗压强度（R） 与冻融后的抗压强度 （Rf）之差，除以试验前的抗压强度，即抗 冻系数（Cf）,以百分率表示。 Cf = R-Rf
×100％
RLeabharlann 一般认为: Cf < 25％的岩石是抗冻的
②质量(或重量)损失率——（式6-2） 将岩石试样在-25℃～+25℃条件下反复冻 结和融化25次，反复冻结和融化25次，以 冻融前、后试样固体颗粒质量之差（MsMsf）与冻融前试样固体颗粒质量（Ms）之 比。
4. 应力增加速率
研究资料表明，随加荷速率
的提高，岩石的变形模量和抗拉、
抗压强度都有不同程度的提高。
图6-24～图6-26 。
加荷速率对抗拉强度的影响
抗拉强度与加荷速率的综合关系
抗 压 强 度 与 应 变 率 的 关 系
空隙度与抗压强度增量间的关系
原 因 分 析
由于加荷速率愈高，组成岩石的 基本质点间的相对位移没有得到应有 的发展，在表观上，也就是岩石的应
联结性质 胶结物成分 联结质量——吸引力的大小，主 要取决于相邻质点的距离和吸引 力的特性 联结数量——联结面积的大小， 颗粒大小，形状，胶结类型。例 如细粒岩石的力学性能总是高于 由粗粒组成的风化程度相同的同 类岩石
胶结类型 联结程度
随着岩石的密度减小或空隙度
增大，岩石的弹性模量和强度都明 显降低，说明了粒间接触面积对岩
应力持续时间对弹性模量的影响 实践中测得的岩体的动弹性模量
值总是高于静弹性模量值，其主要原 因即在于前者的应力延续时间大大短 于后者。
§6.6
温度效应
研究资料还较少，已有资料表明：
0℃以下，随着T降低，岩石的弹性模量和强
度提高；
0～1000℃，高强度的结晶岩石——随着T升
高，岩石的弹性模量降低，抗压强度、抗拉强 度和脆性－延性转变压力均降低； 强度低的非结晶岩石——随着T升 高，岩石抗压强度增大，但抗拉强度降低。 周期性的温度升降，导致矿物晶粒间的联结遭 受损伤，岩石结构被破坏，力学性质降低。
例如：虽然黑色矿物的强度较浅色矿物的强
度为低，但新鲜的基性和超基性岩石（黑色 矿物含量高）比酸性岩石的强度高。 石英含量对砂岩、粉砂岩、片岩强度的影响。
(
P127
图6-1、图6-2
)
黑色矿物——橄榄石、辉石、角闪石、黑云母等 浅色矿物——基性斜长石、酸性斜长石、钾长石、石英等
2.碎屑沉积岩胶结物的成分对其强度 的影响（硅质—铁质—钙质—泥质） 3.粘土矿物的种类和含量对岩石强度，
Cf ’ = Ms- Msf Ms
×100％
一般认为: Cf ’ < 2％的岩石是抗冻的
③饱水系数（Ks）——吸水率与饱水率 之比。它表示了岩石中大开空隙体积在开启
空隙体积中所占的相对比率 吸水率——岩石在常压下饱水时所能吸入 的水的质量与干燥岩石质量之比。 饱水率——岩石在150大气压或真空条件 下饱水时所能吸入的水的质量与干燥岩石质 量之比。
变没有达到相应的最终值，从而造成
了应变量滞后于应力增量。
加荷速率标准
由于不同加荷速率下所得到的模量和强度 值不同，为了便于资料对比，对试验中的 加荷速率作出统一规定。 拉伸的加荷速率规定为0.01～0.1MPa／s， 压缩的加荷速率标准为0.1 ～ 1.0 MPa／s
5. 应力持续时间
应力的持续时间对岩石变形和破坏的 影响很大，这种影响也称为时间对力学性 质的效应。如果延续时间相当长，则岩石 发生蠕变（见第五章）。 应力持续时间的增长，能够使破坏前 的总应变量增大，使破坏性质由脆性的转 变为延性的，并且能够使强度降低。
抗剪强度参数（内摩擦角φ和内聚力C） 最低值出现在θ＝ 40°～45°范围内
§6.4
水的影响
水对岩体的作用，主要可以分为两类： 1. 充满在岩体空隙中的水产生空隙
水压力，降低任何面上的有效法向压力， 从而使这些面上的摩擦阻力降低；
2. 通过改变岩体的物质成分和结构，
从而改变岩体的工程地质性质。 （本节讨论的重点）
在岩体中，对岩体力学性质产生 重要影响的主要是结合水和重力水。 它们主要通过以下六种作用改变岩 体的成分和结构，从而改变岩体的力 学性质。
1. 楔劈作用 定义——水分子在固体表面上的扩散，称为 浸湿作用。水分子在浸湿作用下的这种“挤 入”细微裂纹中的作用，称为楔劈作用。 危害——在楔劈作用中，由于水分子要对裂 纹两壁施加一定的压力(图6-17)，使得岩石 的强度在一定程度上降低。水的楔劈作用对 饱水岩石的影响更大。
图6-17
水分子的楔劈作用
2. 润滑作用
定义——地下水进入岩体裂隙(包括宏观的 和微观的)中以后，在隙壁上产生结合水膜， 当两壁发生相对的剪切位移时，水分子将固 体表面隔开而起着润滑剂的作用。 危害——润滑作用使岩体的变形性能（特别 是剪变形）提高，内摩擦角减小，抗剪强度 降低。
3. 冻融作用 定义及危害——温度变化导致岩石中 液态水的冻结或冰的融化，体积发生 变化（时涨时缩），所以冻融作用会 使岩石结构遭受破坏，岩石破碎，强 度降低。水的这种作用对岩体力学性 能的影响，在我国北方特别重要，尤 其是水电工程。
三轴强度 （σ1－ σ3）的最 低值出现 在θ＝ 30°～ 45°范围 内
4.抗剪强度参数——内摩擦角φ和内
聚力C
根据阿特威尔等对板岩的研究成 果（P131图6-15，图6-16），随着最大 主应力方向与结构面方向的夹角θ不同， 抗剪强度参数（内摩擦角φ和内聚力C） 在θ＝ 40°～45°范围内都出现了最低 值。
一般认为: Ks < 0.8 的岩石是抗冻的
4. 潜蚀作用
定义及危害——可分为机械潜蚀和化学潜 蚀两类。重力水在一定的水力梯度下,将岩 体结构面填充物中的细小颗粒携带走，称 之为机械潜蚀；对可溶性矿物(颗粒，胶结 物或者填充物)的溶滤，称为化学潜蚀。潜 蚀作用增大了岩体中的空隙体积，使岩体 强度降低。
尤其是对岩体中结构面填充物强度有
极大影响（ P127 图6-3）。
§6.3
结构的影响
一.颗粒间联结特征对岩石力学性质的影响： 颗粒间的牢固联结是岩石的一种重要结构特 征。从工程地质观点，岩石颗粒间的联结特征 包括——
联结性质 胶结物成分 胶结类型 联结程度
从对岩石的力学性质的影响来分析，可 归纳为2个方面：即联结质量和联结数量
作用力的特点对岩体力学 §6.5 性质表现的影响 作用力的特点（力的性质、应力 水平、围压的大小、应力增加速率、 应力持续时间、应力的增减历程等） 不同，岩体表现出不同的力学性质。
第五章中已涉及到上述问题的许多方面
1. 力的性质
岩石在单轴压力、三轴压力、单轴拉伸、剪 切、辐射状压力作用下的变形性、抗破坏性各不 相同。 尤其对于压应力和拉应力反应的不同，正是 它们作为一种非理想弹性体的必然表现之一。在 第五章中已经指出，当应力水平极低时，拉、压 两种初始模量基本相等；随应力水平的提高，拉
石力学性质的影响是很大的。
（ P128-129，图6-4—图6-8）
二.岩体力学性质的各向异性——当
作用力的方向与结构面方向夹角（θ） 不同时，岩体所表现的力学性能不同
主要讨论：岩体的弹性模量E和泊松比μ 、
单轴抗压强度R、三轴强度σ 1－σ 3、抗剪 强度参数（内摩擦角φ 和内聚力C）随θ
（作用力的方向与结构面方向夹角）的变化规
原因——岩体本身的复杂性，
试验条件不易控制
弹性模量E 的最小值 出现在θ 角大约为 40°～ 45°时
2.单轴抗压强度R
根据麦洛门茨的研究资料（P131图6-12）， 随着作用力方向与结构面方向间夹角（θ）的 增加，在开始的一段，抗压强度逐渐降低，然 后又不断提高。在θ＝ 30°～45°范围内， 强度达到最低值。这一现象可以用莫尔理论来 解释。参考 P113图5-29。
单轴抗压强 度在θ＝ 30°～45° 范围内达到 最低值
3.三轴强度 σ1－σ3
根据阿特威尔等在三轴应力下对板岩和纹
层状粉砂质泥岩的研究结果（P131图6-13，图
6-14），同样显示出三轴强度（σ1－σ3）的 最低值出现在θ＝ 30°～45°范围内； 但三轴强度（σ1－σ3）的最高值是出现 在压应力方向与结构面方向平行还是垂直时， 目前的研究资料并不一致。 实验结果的分歧可能与结构面的联结强度和 试验条件有关。
§6.1
概述
影响岩体力学性质的主要因素 岩体的内在特点—— 岩体的
包括：
矿物成分和结构
外部条件——水的影响、作用
力的特点、温度、地应力等因素
§6.2
矿物成分的影响
通过大量试验资料，总结出下列规律：
1.对于颗粒间联结很强的岩石，矿物
本身强度的高低并不起主要作用；
如果岩石的粒间联结较弱，矿物成分
对岩石强度有影响；
大理岩应力差－轴应变曲线
（据茂木清夫）
3. 应力水平（大小）
岩石的应力—应变曲线在不同应力区段中有不 同的斜率，这说明了应力水平对变形(弹性)模量的 影响。 岩石的剪切破坏准则一般采用剪应力与压应力 为线性关系的库伦定律。大量实验证明，剪切曲线 近于双曲线性质，其斜率随正应力水平的提高而降 低。这样当正应力增大时，内摩擦角减小，而内聚 力则增高。 此外，正应力水平的高低不仅影响岩体结构面 的抗剪能力，而且由于对发生剪胀的约束力不同， 从而能够改变结构面剪切的机制。
伸模量则低于压缩模量。 P136，表6-4中列出 了某些岩石在相同水平应力作用下的两种模量和 泊松比。
某些岩石的拉伸、压缩下的弹性模量和泊松比
2. 围压的大小
随围压的提高，破坏前的 总应变量增大，塑性应变在总 应变量中所占的比率增加。岩 石的破坏性质可由脆性破坏转 变为延性破坏；
围压对岩石弹性模量的影响
表6—1 一般情况下E⊥＜E∥ ，泊松比μ则 无明显规律。 表6—2 随着应力水平的提高， E∥逐渐减 小， E⊥逐渐增大，二者渐趋接近。
很多学者认为：随着θ的增大，E逐渐减 小，即E∥最大，而E⊥最小。（ P130图611A线）。
但是，根据麦洛门茨的研究资料， 岩体弹性模量E的最小值不是E⊥，而是 出现在θ角大约为40°～45°时（图611B线）。
律。
1.岩体的弹性模量E和泊松比μ ：
当作用力方向平行于结构面时，θ＝0°， 弹性模量用E∥表示，泊松比分别以μ∥⊥ 和 μ∥∥表示（ P130图6-10a）。 当作用力方向垂直于结构面时，θ＝90°， 弹性模量用E⊥表示，泊松比以μ⊥∥ 表示 （ P130图6-10b）。
试验结果反映的一般规律
强度较高的岩石（如辉长岩，白云岩，苏长岩等）， 弹性模量基本为常数，不随围压变化而改变；
强度较低的弱岩（如砂岩等），弹性模量随围压的提 高而增大。
辉长岩应力差－轴应变曲线 砂岩应力差－轴应变曲线
围压对岩石强度的影响 随围压的 提高，岩石 抵抗破坏所 能承受的极 限应力提高， 或者说岩石 的强度 （σ 1- σ 3） 提高。
5. 水解作用
定义及危害——原生硅铝酸盐矿物在水的 参与下分解而生成新的硅铝酸盐矿物。它 是风化作用的重要组成部分之一，是次生 粘土矿物生成的主要途径。因此，水解作 用将显著地降低岩体的强度。
6. 联结作用
定义及危害——结合水出现后的某些联结 作用(见P39～40)。这是水在提高岩体力学 性质方面唯一的作用，但它只能对结构面 的粘土质填充物产生一些影响，从岩体的 整体来看，影响也是很微弱的。
小
结
水对岩石的上述六种作用，很少单独存 在，往往是其中几种同时发生。尤其楔劈作 用和润滑作用，基本上是在任何情况下一定 会发生的。而且，除联结作用和机制不明的 对磨光面的反常现象以外，绝大多数作用都 降低了岩体的力学性能（弹性模量、抗压强 度、抗拉强度、抗剪强度等）。图6-20、621、表6-3列出了某些类型岩石的抗压强度 因含水率增高而降低。
抗压强度与所含水分的关系
软化系数
由于岩石含水程度的变化在工程实践中 是一种普遍现象，因而对岩石强度随含水率 而改变的问题非常重视。一般采用软化系数 η表征岩石的这一特性，即
η＝RSr/RD
式中:
RSr—岩石的饱水抗压强度（MPa） RD —岩石的烘干抗压强度（MPa）
某些岩石的饱水、干抗压强度及软化系数
岩石的抗压强度 随温度的变化