第2章 岩石与岩体的性质汇总
岩石力学重点提示
第一章绪论岩石和岩体都是岩体力学的直接研究对象。
但在岩体力学中，这是两个既有联系又有区别的两个基本概念。
所谓岩石就是由矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集而形成的自然物体；所谓岩体则是指在一定的地质条件下，含有诸如节理、裂隙、层理和断层等地质结构面的复杂地质体。
岩石就是指岩块，在一般情况下，不含有地质结构面。
因此，岩石和岩体的力学性质也是不同的，前者可在实验室条件下进行试验，而后者一般在野外现场的实验场地完成实验。
从实验的精确度来看，后者更接近岩体的实际情况，反映了岩体的实际强度，前者则相差甚远。
第二章岩石的基本物理力学性质（一）岩石的基本物理性质这部分内容比较直观、容易掌握，但要注意各性质指标的定义和归类，避免引起混淆。
为便于记忆，列出基本物理力学性质的归类树，读者应将对应的公式（或注释）填充。
岩浆岩１．岩石（按地质成因）沉积岩变质岩２．岩体＝岩石（或岩块）＋结构面（二）岩石的强度特性1．强度试验基本内容单向抗压强度试验 抗剪强度2． 单向抗压强度试验（1）试件：直径D ＝50mm ±0.3mm ；高H=(2～2.5)D ±0.3mm ；两端法线与试件轴线偏差不大于025.0；端面不平整度不大于0.5mm 。
（2）单向抗压强度 AP=σ P －岩石试件无侧限条件下的破坏载荷 A －试件承载面积（3）试件破坏形态圆柱单向压缩有两种可能的破坏形态：圆锥形破坏和圆柱形劈裂破坏（见图２-1）（a ）圆锥形破坏 （b ）柱状劈裂破坏 图２-1 单轴压缩破坏形态破坏原因：①圆锥形破坏形状是由于试件两端与试验机承压板之间摩擦力增大造成的。
②柱状劈裂破坏，如图２-1b 所示。
若采用有效方法消除岩石试件两端面的摩擦力，则试件的破坏形态成为柱状劈裂破坏。
（4）试件单向抗压强度的主要影响因素①试验机铁板的刚度；②试件的形状；③试件的尺寸；③试件的高径比；④加载速度 3. 单向抗拉强度试验 （1）直接拉伸法对岩石试件直接施加拉力至破坏，抗拉强度为AP t =σ 式中：P －试件破坏时承受的最大压力；A －与拉力垂直的横截面积。
第二章岩石与岩体的工程地质性质-课件
围岩和桥墩桥台的稳定问题、道路的冻胀 问题； ➢地下建筑工程常遇到的是围岩稳定、涌水
及影响建筑施工的高地应力、高地热和 有害气体问题、岩爆问题；
➢海港工程常遇到的是码头地基、岸坡的稳 定、海浪侵蚀及回淤问题；
➢矿山工程常遇到的是露天矿边帮及地下巷 道的稳定及涌水、采矿引起地面塌陷问 题；
精品jing
第二章岩石与岩体的工程地质性质
一、 工程地质的相关概念
1.地质学
是对地球的起源、物质组成、 内部构造、外部特征、各层圈之间 的相互作用和演变历史进行研究的学科。
2.工程地质学
研究与工程建筑活动有关的地质问题的学科，就是 研究在工程建筑设计、施工和运营的实施过程中合理地处 理与正确地使用自然地质条件和改造不良地质条件等地质 问题。
（4）环境工程地质的研究：
合理开发和保护地质环境。
工程地质通过考察来为工程建设服务， 因此勘察工作首当其冲有以下主要任务：
1、查明工程建筑所在地区的工程地质条件， 并对可能存在的工程地质问题进行定性和定量的评 价；
2、根据工程地质条件选择优良的建筑场地，并 对建筑物类型、规模和施工方法提出合理建议.保 证其正常施工；
工程地质问题。
工程地质学的学科、研究内容和研究方法
学
工程地质学
科
工 程 岩 土 学
工
程
学
动 力
地
质
区工 域程 工地 程质 地勘 质察 学
研究内容 工程岩土学是研究岩体和土体的工程地质 性质及其形成和变化规律以及改善这些性质 的科学。
工程动力地质学或称为工程地质问题 分析，主要研究各种工程地质问题产生的地 质条件、力学机制和发展演化规律；结合工 程规划、设计、施工的要求进行正确评价， 并提出防治措施。
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。
第2章 岩石与岩体的性质
3.结构面的密度：反映结构面发育的密集程度。 裂隙度K：沿取样线方向单位长度上的结构面数量。设 取样线长度为L，该长度内出现的结构面数量n，沿取样 线方向结构面平均间距为d′，则 K n L d 1 K L n 线密度 K d ：若取样线垂直结构面，则裂隙度被称为线 密度。 间距 d ：同一组结构面法线方向上结构面平均距离。
岩石的强度指标
抗拉强度：岩石单向拉伸时抵抗拉断破坏的能力，以
拉断破坏时的最大张应力表示。抗拉强度是岩石力学性 质中的一个重要指标。
2 Pt t Dl
劈裂破坏
岩石的强度指标
抗拉强度：
直接拉伸
岩石的强度指标
三轴应力：
岩石的强度指标
三轴应力：
三轴试验机
岩石的强度指标
蠕变：岩石在大小和方向不变的外力作用下，变形量随
时间延续而不断增长的现象。
《工程地质学概论》
第二章 岩石与岩体的性质
岩石的物理性质 岩石的力学性质 岩体的结构特征 岩体的力学性质 岩体的工程分类
岩体的结构特征
岩石与岩体：岩石是构成岩体的物质。岩体是由结构
面及结构体两个基本单元组成；岩石的物理力学性质和 水理性质取决于岩石的矿物成分，而岩体的物理力学性 质，既取决于结构面的力学性质，又取决于岩石的力学 性质。
岩石的物理性质
抗冻性：岩石孔隙、裂隙中存在的水结冰时体积膨胀，
产生较大的压力，使岩石的构造遭破坏。岩石冰冻作用 的能力，称为岩石的抗冻性。在高寒冰冻地区，抗冻性 是评价岩石工程地质性质的一个重要指标。 岩石的抗冻性，与岩石的饱水因数、软化因数有着 密切关系。一般用抗冻系数和质量损失率来表示其抗冻 cd 性 100 % 抗冻系数 Rd cd
岩体力学第二章岩石的基本物理力学性质PPT课件
岩石的强度和破坏
强度
岩石抵抗外力破坏的能力， 通常分为抗压、抗拉和抗 剪强度。
破裂准则
描述岩石在不同应力状态 下从弹性到破坏的过渡规 律。
破裂模式
岩石破坏时的形态和方式， 如脆性、延性、剪切等。
04
岩石的物理力学性质与岩体力学应用
岩石的物理力学性质在岩体工程设计中的应用
岩石的物理性质在岩体工程设计中具有重要影响， 如密度、孔隙率、含水率等参数，决定了岩体的承 载能力和稳定性。
岩石的物理力学性质在岩体工程治理中的应用
在岩体工程治理中，需要根据岩石的 物理力学性质制定相应的治理方案。
在治理过程中，还需要根据岩石的变形和 破坏模式，采取相应的监测和预警措施， 以确保工程治理的有效性和安全性。
如对于软弱岩体，可以采用加固、注浆等措 施提高其承载能力和稳定性；对于破碎岩体 ，可以采用锚固、支撑等措施防止其崩塌和 滑移。
弹性波速
表示岩石中弹性波传播速度， 与岩石的密度和弹性模量等有 关。
岩石的塑性和流变
01
02
03
塑性
当应力超过岩石的屈服点 时，岩石会发生塑性变形， 不再完全恢复到原始状态。
流变
在长期应力作用下，岩石 的变形不仅与当前应力状 态有关，还与应力历史有 关。
蠕变
在恒定应力作用下，岩石 变形随时间逐渐增加的现 象。
岩体力学第二章岩石的基本物 理力学性质ppt课件
目
CONTENCT
录
• 引言 • 岩石的物理性质 • 岩石的力学性质 • 岩石的物理力学性质与岩体力学应
用 • 结论
01
引言
岩石的基本物理力学性质在岩体力学中的重要性
岩石的基本物理力学性质是岩体力学研究的基础，对于理解岩体 的变形、破坏和稳定性至关重要。
岩石与岩体
首先取决于岩体的结构类型与特征， 其次才是组成岩体的岩石的性质。
其意义在于结构面的特征决定岩体
的性质。
不同结构类型岩体的工程地质性质：
整体块状结构： 强度高 各向同性 抗风化能力强
层状结构岩体： 强度较高 各向异性 层间滑动
碎裂结构岩体： 完整性差 强度低
散体结构岩体：
碎石土类 各向同性 强度最差
岩石的抗压强度最高，抗剪强度
居中，抗拉强度最小。抗剪强度约为
抗压强度的10％～40％；抗拉强度仅 为抗压强度的2％～16％。岩石越坚硬， 其值相差越大。 抗压和抗剪强度是评价岩石（岩
体）稳定性的指标。
（三）影响岩石工程性质的因素 1. 矿物成分: 应注意矿物对岩石强度影响 2. 结构 岩石按结构分类：结晶联结 胶结物联结 强度上的一般规律：
结构体：被结构面切割成的块体。
形状：柱状、块状、板状、楔状、锥状等 等 原因：与岩层的产状有关。 结构体大小可用体积裂隙数Jv来表示，指 岩体单位体积通过的总裂隙数。 Jv =1/S1+1/S2+1/S3+… …+1/Sn=∑1/Si Si ：岩体内第i组结构面的间距 1/Si：该组结构面的裂隙数（裂隙数/m）
4.软化性 岩石吸水后，其强度和稳定性发生变化的性 质。 软化系数kd：等于岩石在饱和状态下的极限 抗压强度与在风干状态下极限抗压强度的比。 用小数表示。 5. 抗冻性 岩石抵抗冻胀压力作用的能力。一般用强度 降低率来表示。
（二）岩石的力学性质
变形特性：弹性模量 泊淞比
弹性模量E：应力和应变之比。 泊淞比：横向应变与纵向应变之比。 强度特性：岩石抵抗外力破坏的能力。 抗压强度Rc：抵抗压碎破坏的能力 抗拉强度Rt ：约为0.02~0.16Rc 抗剪强度[]：约为0.1~0.4 Rc
第二章 岩块和岩体的地质特征
2
表2-5 结构面 张开度 分级表
• Ⅳ级及部分Ⅲ级结构面的产状、迹长、间距及张 开度等几何特征参数，服从某种随机分布规律。
第二章 岩块和岩体的地质特征
三、结构面特征及其对岩体性质的影响
(五)形态
结构面的形态可以用侧壁的 起伏形态及粗糙度来反映。 结构面侧壁的起伏形态分为： 平直的、台阶状的、锯齿状 的、波状的和不规则状的。
kv 0.2~0.4
kf -
强风化
中等风化 微风化 未风化
1000~2000
2000~4000 4000~5000 >5000
0.4~0.6
0.6~0.8 0.8~0.9 0.9~1.0
<0.4
0.4~0.8 0.8~0.9 0.9~1.0
第二章 岩块和岩体的地质特征 §2.3 结构面特征
一、结构面的成因类型
第二章 岩块和岩体的地质特征
三、结构面特征及其对岩体性质的影响
(四)张开度
结构面的张开度是指结构面两壁面间的垂直距离。
结构面两壁面一般不是紧密接触，使结构面实际接触 面积减少，导致结构面粘聚力降低和渗透性增大。
如在层流条件下，平直而两壁平行的单个结构面的渗 透系数(Kf)可表达的地质特征
三、结构面特征及其对岩体性质的影响 普里斯特等
用线密度来估算岩体质量指标RQD(rock quality designation)
巴顿等
RQD 100e
0.1kd
(0.1k d 1)
岩体质量指标RQD：长度大于10cm的岩心
长度之和与钻孔总进尺的百分比。
长度大于 cm的岩心长度之和 10 RQD 100% 钻孔总进尺
第二章岩石的基本物理力学性质
ms——岩石固体的质量。
试验方法：105~110℃烘24h。
1.岩石的密度
（4）重力密度：单位体积中岩石的重量，简称重度。 由密度乘上重力加速度而得，单位kN/m3。
♪工程中应用最广泛的参数之一，不仅反映了岩石的致 密程度，还可计算岩体的自重应力。
2.岩石的颗粒密度
岩石固体物质的质量与固体的体积之比。(比重瓶)
二、岩石的孔隙性 反映裂隙发育程度的指标
1.孔隙比 e VV / Vs VV——孔隙体积（水银充填法求出）
2.孔隙率
n VV 100% V
V=Vs+VV
e~n关系
e VV Vs
VV / V Vs / V
VV V
V VV V
n 1 n
n 1 d s
三、岩石的水理性质
1.岩石的含水性质
(1)含水率：岩石孔隙中含水量mW与固体质量之比的百分数
具有侧向约束的试件浸入水中，使岩石试件仅产生轴向 膨胀变形而求得的膨胀率。
VHP
H HP H
100%
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、岩石的抗冻性
Kf
Rf Rs
Kf—抗冻性系数； Rf—岩石冻融后的饱和单轴抗压强度； Rs—岩石冻融前的饱和单轴抗压强度。
冻融条件下强度损失原因： 1.各种矿物的膨胀系数有差异； 2.空隙中的水结冰，体积增大。
（3）岩石的膨胀性(含有粘土矿物的岩石)
——评价膨胀性岩体工程的稳定。
1、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
VH
H H
100%
（%）H——试件高度
径向自由膨胀
VD
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%)。
岩石力学-岩体力学性质
裂隙度 岩体破碎程度分类 （一）裂隙度K 切割度
单组结构面 多组结构面 实例： k=4/10=0.4/m d=1/k=2.5m
1.单组节理 设勘测线长度为 l ，在 l 上出现的节理的个数为n， 则 k = n l 节理之间的平均间距为
l 1 d = = n k
10m
按间距分类
d>180cm d=30~180 d<30 d<6.5
块裂结构岩体
断续结构岩体
散体结构岩体
碎裂结构岩体
碎裂结构岩体
2.2.4岩体结构的相对性及工程岩体结构的唯一性
2.3岩体结构面及其充填物
结构面：具有一定方向、延展较大而厚度较小的二维面状地质 界面。 2.3.1结构面的类型及特征
沉积结构面 岩浆结构面 原生结构面
结构面分类
变质结构面 构造结构面 次生结构面
抗剪强度
节理Байду номын сангаас切向变形
节理变形 扩容现象
（一）节理强度与剪切变形的关系 节理“τ − δ ”曲线分为4类。见下图 强度准则：τ
= c + σ tg ϕ
a-充填节理
b-齿状节理
c-充填齿状节理
d-复位式
四种典型的节理强度和位移关系曲线
（二）节理抗剪强度和扩容分析
基本理论：库仑准则 τ = c + σ tg ϕ 滚动摩擦 类型：面接触、齿状接触 转动摩擦
δn −ξ = s δ ξ δ
max n
−δ
n
n
t
法向刚度： K
n
K n 0 δ max + δ = K n0 K n 0 δ max = K n0 1 − K JCS = 0 . 02 δ n0 δ
第二章 岩石物理性质与岩体结构
第二章岩石物理性质与岩体结构岩石是组成地壳的自然物体，是经过地质作用而形成的矿物集合体，在陆地和海洋广泛分布。
岩石按成因有三大类型：岩浆岩、沉积岩、变质岩。
岩石的种类不同，其物理力学性质差异较大，加之不同时期、不同强度的构造作用，也就决定岩石力学问题复杂多变。
本章主要介绍：岩石的基本物理性质、岩体结构特点及工程分类。
一、岩石物理性质指标用来描述岩石地某种物理性质地某种数值就是岩石物理性质指标。
1、 容重岩石单位体积（包括岩石孔隙体积）的重力，称为岩石的容重。
表达式：VW =γ γ —容重（KN/m 3）W —岩石的重力（KN ）V —岩石的体积（m 3）根据岩石的含水程度不同，岩石容重可分为干容重、湿容重、饱和容重。
干容重 湿容重 饱和容重d γ γ m γ 0 天然含水量θ → n （孔隙度）多数岩石 γ 在2.6－2.8KN/m 3之间。
书中P5表1 列出部分岩石的容重。
2、 密度岩石单位体积（包括孔隙体积）的质量， 表达式：VM =ρ ρ —密度（Kg/m 3）M — 岩石质量（Kg ）V — 岩石体积（m 3）容重与密度关系：ργ⨯=8.93、 比 重岩石干的重力除以岩石实体体积（不包括孔隙）,再与4℃时水的容重的比值。
表达式： ws s s V W G γ= G s —岩石比重（无量纲），W s —绝对干燥时的岩石重力（KN ） V s —岩石实体体积（m 3）＝V －孔隙体积w γ—水容重，4℃时等于10KN/m 3岩石的比重取决于组成岩石的矿物比重，大部分岩石的比重介于2.5—2.8之间。
4、 孔隙率岩石中孔隙体积与岩石总体积的百分比称为孔隙率。
表达式：%100⨯=VV n ν n —孔隙率， V ν—孔隙体积（m 3），V —岩石总体积（m 3） ∵V ν＝V －V s （岩石实体体积），V W s d =γ，ws s s V W G γ= ws d ss s s s G V W V W V V V V V V V n γγν⋅-=-=-=-==1115、 岩石含水性岩石天然吸水率岩石的天然吸水率是指干燥岩石试样在一个大气压和室温条件下岩石吸入水的重力W w1，对岩石干重力W s 之比的百分率。
02-岩体的基本性质
2 岩体的基本性质通常把在地质历史过程中形成的，具有一定的岩石成分和一定结构，并赋存于一定地应力状态的地质环境中的地质体，称为岩体。
岩体在形成过程中，长期经受着建造和改造两大地质作用，生成了各种不同类型的结构面，如断层、节理、层理、片理等。
受其影响，岩体往往表现出明显的不连续、非均质和各向异性，具有一定的结构是岩体的显著特征之一，它决定了岩体的工程特性及其在外力作用下的变形破坏机理。
因此，从抽象的、典型化的概念来说，可以把岩体看作是由结构面和受它包围的结构体共同组成的。
所谓“结构面”，是指在地质发展历史中，尤其是地质构造变形过程中形成的，具有一定方向、延展较大、厚度较小的二维面状地质界面，它包括岩石物质的分界面和不连续面，如岩体中存在的层面、节理、断层、软弱夹层等，可统称为结构面。
结构面是岩体的重要组成单元，由于受结构面的切割，岩体的物理力学性质与岩石有很大的差别。
岩体的物理力学性质取决于结构面和结构体两部分的组合情况，尤其在工程上，岩体的工程力学稳定性质主要取决于岩体内结构面的数量、空间大小、空间组合情况、结构面特征以及充填介质的性质等。
所谓结构体是指由结构面切割而成的岩石块体。
结构体的四周都被结构面包围，常见的结构体大都是有棱角的多面体，如立方体、长方体、柱状体、板状体、菱形体、梯形体、楔形体、锥形体等。
结构体也是岩体的重要组成部分，它本身的物质组成和排列组合方式也影响到岩体的力学性质。
总之，岩体是由结构面和结构体两部分组成的，这也决定了其物理力学性质不是单纯取决定于某一方面的结果，而是二者共同作用和表现的结果，这在岩体力学分析和研究时是十分重要的。
在上一章开始时曾简单介绍过岩石和岩体二者之间的关系，指出工程上的岩石可视为岩体中的结构体（岩块），在无特殊说明的情况下，工程中的岩石均是指岩体中的结构体即岩块而言的。
从力学角度来看，岩体与岩石有许多区别，其中较明显的特征可归纳为以下几点：1）岩体的非均质性岩体可以由一种或几种岩石组成，而且以后者居多。
第2章 岩石的物理力学性质
3. 峰值后岩块的变形特征
峰后曲线需采用刚性实验机或伺服式刚性实验机系统
机器刚度：
K=AE/L
式中： A为机器立柱的截面积 E为机器立柱的弹性模量
L为机器立柱的长度
液压伺服原理： 根据岩石破坏和变形情况控制变形速度，使岩石以 恒定速度变形，并自动调整荷载
伺服机试验结果
（二） 循环加载 1. 卸荷点 （P）的应 力低于岩 石的弹性 极限(A) 2. 卸荷点 （P）的应 力高于岩 石的弹性 极限(A)
第4节 岩块的强度性质
强度：岩块试样抵抗外力破坏的能力。 拉破坏 脆性破坏 破坏方式 剪切破坏
塑性破坏(延性破坏）
一、单轴抗压强度
受 力 状 态
二、单轴抗拉强度
三、剪切强度 四、三轴压缩强度
一、单轴抗压强度σ
c
1、定义：在单向压缩条件下，岩块能承受的最 大压应力，简称抗压强度（MPa） 。 2、意义：衡量岩块基本力学性质的重要指标 岩体工程分类、建立岩体破坏判据 的重要指标 A 用来大致估算其他强度参数 p 试 3、测定方法：抗压强度试验 pc
V
D C B A
L
E
o
(+)
前过程曲线
高速摄影机下岩石试件的破坏过程
全过程曲线：反映岩石由变形发展到破坏的
全过程是一个渐进性逐步发展的、分阶段的过程
峰值前变 峰值后变形 形阶段 阶段 D
V d
C
L
E
B
A
(-)
o
(+)
2、峰值前岩块的变形特征 应力－应变曲线类型及其特征 (米勒6种曲线类型,28种岩石)
E
i i
2 50
Ei
岩石及岩体的基本性质[详细]
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第一章岩石及岩体的基本性质第一节概述岩石是组成地壳的基本物质,它由各种造岩矿物或岩屑在地质作用下按一定规律(通过结晶或借助于胶结物粘结)组合而成.一、岩石的分类自然状态下的岩石,按其固体矿物颗粒之间的结合特征,可分为:①固结性岩石:固结性岩石是指造岩矿物的固体颗粒间成刚性联系,破碎后仍可保持一定形状的岩石.②粘结性岩石、③散粒状岩石、④流动性岩石等.在煤矿中遇到的大多是固结性岩石.常见的有砂岩、石灰岩、砂质页岩、泥质页岩、粉砂岩等.按岩石的力学性质不同,常把矿山岩石分为:①坚硬岩石②松软岩石两类.工程中常把饱水状态下单向抗压强度大于10米Pa的岩石叫做坚硬岩石,而把低于该值的岩石称为松软岩石.松软岩石具有结构疏松、密度小、孔隙率大、强度低、遇水易膨胀等特点.从矿压控制角度看,这类岩石往往会给采掘工作造成很大困难.二、岩石的结构和构造岩石的强度与岩石的结构和构造有关.1.岩石的结构指决定岩石组织的各种特征的总合.如岩石中矿物颗粒的结晶程度、颗粒大小、颗粒形状、颗粒间的联结特征、孔隙情况,以及胶结物的胶结类型等.岩石中矿物颗粒大小差别很大,在沉积岩中,有的颗粒小到用肉眼难以分辩(如石灰岩、泥岩、粉砂岩中的细微颗粒),有的颗粒可大至几厘米(如砾岩中的粗大砾石).组成岩石的物质颗粒大小,决定着岩石的非均质性.颗粒愈均匀,岩石的力学性质也愈均匀.一般来说,组成岩石的物质颗粒愈小,则该岩石的强度愈大.2.岩石的构造是指岩石中矿物颗粒集合体之间,以及与其它组成部分之间的排列方式和充填方式.主要有以下几种构造:1.整体构造——岩石的颗粒互相紧密地紧贴在一起,没有固定的排列方向;2.多孔状构造——岩石颗粒间彼此相连并不严密,颗粒间有许多小空隙;3.层状构造——岩石颗粒间互相交替,表现出层次叠置现象(层理).岩石的构造特征对其力学性质有明显影响,如层理的存在常使岩石具有明显的各向异性.在垂直于层理面的方向上,岩石承受拉力的性能很差,沿层理面的抗剪能力很弱.受压时,随加载方向与层理面的交角不同,强度有较大差别.第二节 岩石的物理性质一、岩石的相对密度(比重)岩石的相对密度就是岩石固体部分实体积(不包括空隙)的质量与同体积水质量的比值.其计算公式为:w c dV G γ•=∆ (1-1)式中 Δ—岩石的比重;G d —绝对干燥时岩石固体实体积的重量,g;V c —岩石固体部分实体积,厘米3;γw —水的密度,g/厘米3岩石比重的大小取决于组成岩石的矿物比重,而与岩石的空隙和吸水多少无关.岩石的比重可用于计算岩石空隙度和空隙比.煤矿中常见岩石的比重见表1-1.二、岩石的质量密度岩石的密度是指单位体积(包括空隙)岩石的质量.根据含水状态不同,岩石的密度分为天然密度、干密度、和饱和密度.天然密度是岩石在天然含水状态下的密度.干密度是岩石在105～110℃烘箱内烘至恒重时的密度.饱和密度是岩石在吸水饱和状态下的密度.干密度、饱和密度和天然密度的表达式如下:V G d d =γVG sat sat =γ (1-2) VG =γ 式中 G d 、G sat 、G —分别是干燥岩石、水饱和岩石和天然含水岩石的质量,g;γd 、γsat 、γ—岩石的干密度、饱和密度和天然密度,g/厘米3V —岩石的体积,厘米3.通常,不说明含水状态时,即指岩石的干密度.煤矿常见的岩石密度见表1-1. 对于遇水易膨胀的某些松软岩石,区分干密度和湿密度有重要意义.三、岩石的空隙性岩石的空隙性是指岩石中孔隙和裂隙的发育程度,常用空隙度表示.所谓空隙度是指岩石中各种空隙、裂隙的体积的总和与岩石总体积之比.按下式计算:%1001⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛∆-=d n γ (1-3) 式中 n —岩石的空隙度(也称空隙率);γd —岩石的干密度,g/厘米3;Δ—岩石的比重值.岩石的空隙性也可用空隙比表示.空隙比是指岩石中各种孔隙和裂隙体积 总和与岩石内固体部分实体积之比.表达式如下:co V V e = (1-4) 式中 e —岩石的空隙比;V o —岩石内各种空隙和裂隙体积的总和,厘米3;V c —岩石内固体部分实体积,厘米3;空隙比与空隙度之间有如下关系:nn e -=1 (1-5) 岩石的空隙性对岩石的其它性质有显著影响.一般来说,空隙度增大可使岩石密度和强度降低,使塑性变形和透水性增加.煤矿中常见岩石的空隙度和空隙比见表1-1.四、岩石的碎胀性和压实性岩石破碎以后的体积将比整体状态下增大,这种性质称为岩石的碎胀性.碎胀系数——岩石的碎胀性可用岩石破碎后处于松散状态下的体积与破碎前处于整体状态下的体积之比来表示,该值称为碎胀系数.表达式如下:VV k p '= (1-6) 式中 k p —岩石的碎胀系数;V ’—岩石破碎膨胀后的体积,厘米3;V —岩石处于整体状态下的体积,厘米3.岩石的碎胀系数对矿山压力控制,特别是采煤工作面的顶板管理有重要意义.碎胀系数与岩石的物理性质、破碎后块度的大小及其排列状态等因素有关.例如,坚硬岩石成大块破坏且排列整齐时,碎胀系数较小,如破碎后块度较小且排列较杂乱,则碎胀系数较大.煤矿中常见岩石的碎胀系数见表1-2.岩石破碎后,在其自重和外加载荷的作用下会逐渐压实,体积随之减小,碎胀系数比初始破碎时相应变小.这种压实后的体积与破碎前原始体积之比,称为残余碎胀系数,以k ‘p 表示,其值见表1-2.五、岩石的水理性质1.岩石的吸水性.岩石的吸水性是指遇水不崩解的岩石,在一定试验条件下(规定的试尺寸和试验压力)吸入水分的能力.通常以岩石的自然吸水率和强制吸水率表示.岩石的自然吸水率是指试件在大气压力作用下吸入水分的质量与试件的烘干质量之比.岩石的强制吸水率(也称饱和吸水率)是指试件在加压(150个大气压)条件下吸入水分的质量与烘干质量之比.两种吸水率表达式如下:(1-7)%100⨯=d w G G ω%100⨯=⋅d s w sat G G ω式中 ω、ωsat —岩石的自然吸水率和强制吸水率;G w —岩石试件在大气压力下吸入水分的质量,g;G d —岩石试件烘干后质量,g;G w·s —岩石试件强制饱和吸水后质量,g.2.岩石的透水性.在地下水水力坡度(压力差)作用下,岩石能被水透过的性能称为岩石的透水性.用渗透系数来表征岩石透水性能的大小.渗透系数的大小取决于岩石孔隙的大小、数量和相互贯通情况.根据达西定律:KAI Q = (1-8)式中 Q —单位时间透水量;K —渗透系数;A —渗透面积;I —水力坡度(压力差);3.岩石的软化性.岩石浸水后的强度明显降低,可用软化系数表示水分对岩石强度的影响程度.软化系数是水饱和岩石试件的单向抗压强度与干燥岩石试件单向抗压强度的比值,其关系式如下:1≤=ccw c R R η (1-9) 式中 ηc —岩石的软化系数;R cw —水饱和岩石试件的单向抗压强度,米Pa;R c —干燥岩石试件的单向抗压强度,米Pa.岩石浸水后的软化程度,与岩石中亲水矿物和易溶性矿物的含量、空隙的发育程度、水的化学成份,以及岩石浸水时间的长短等因素有关.亲水矿物和易溶矿物含量越多,张性裂隙越发育,则岩石浸水后强度降低程度越大.此外,岩石浸水时间越长,其强度降低程度也越大.如某些砂岩浸水3天后,单向抗压强度降低32～35%,浸水9天后降低51～59%.研究岩石的软化性对用高压注水法控制坚硬难冒落顶板有重要意义.表1-3为煤矿中几种常见岩石的软化系数,由该表可看出,各种岩石的软化系数都小于1,说明岩石普遍具有软化性.第三节岩石的变形性质变形是岩石的主要力学性质.岩石受载时将首先发生变形,当载荷超过一定数值(极限强度)时导致破坏.变形和破坏是载荷作用下岩石的力学性质发展变化的两个阶段.一、岩石的弹性和塑性岩石受力后既可出现弹性变形,也可出现塑性变形.但岩石与一般固体材料不同,它的弹性变形和塑性变形往往同时出现.岩石是兼有弹性和塑性的材料.二、在单向压缩下岩石的变形特性1. 脆性岩石的变形性质.图l－l a为脆性岩石的应力—应变曲线.其特点是岩石在破坏前没有明显的塑性变形,总应变量也较小.通常把在外力作用下破坏前总应变小于3%的岩石,叫做脆性岩石.可将图l－l a所示曲线分为三段:OA段表示岩石受载初期,由于岩石中的各种空隙受压闭合,曲线出现上弯,OA段称为岩石的压密阶段;AB段接近于直线,可近似地称为线弹性阶段,这时可认为岩石处于弹性状态;在BC段内,自B点开始岩石内部已有微破裂不断发生,到C点发生破坏,故BC段可称为破裂发展阶段.C点即为岩石的强度极限.图l－1a是利用具有普通刚度的试验机所得的结果,岩石破碎时发出巨大的声响,岩石碎块强烈弹出,这就是一般所说的脆性破坏.如果采用刚度很大的材料试验机(常称为刚性试验机)加压,就可以使原先呈炸裂性破坏的岩石试件平静地产生破坏,从而可使试验继续进行下去,并得出岩石的应力—应变全程曲线(图l－l b).它说明岩石应力达到最大值以后,并不立即完全丧失承载能力,而是要达到D点才完全破坏.D点称为完全破坏点,而该点所保持的某一较小的应力值称为残余强度.岩石具有残余强度的特性,对地下开采过程中合理地利用已经受到破坏的围岩(或煤体)的自承能力有重要意义.图l－l 脆性岩石的应力应变曲线2. 塑性岩石的变形性质.图l－2为塑性岩石的应力应变曲线,它的特点是岩石在破坏之前的应变量较大.通常把外力作用下破坏前总应变大于5%的岩石叫做塑性岩石.由图l－2可知,塑性岩石应变曲线的斜率开始较陡,以后逐渐平缓.工程上把开始变缓的转折点称为屈服点,该点的应力值称为屈服极限σT.有时为了方便起见,也将OEF曲线简化为OEG折线.认为岩石在达到屈服极限以前处于近似弹性状态,而σT表示塑性流动开始.塑性岩石产生的塑性变形要比弹性变形大得多.图1-2 塑性岩石的应力应变曲线三、三向压缩条件下岩石的变形特性图l－3a、b为干砂岩和湿砂岩在常温和不同侧压(或称围压)三向压缩条件下的变形曲线.图中的纵坐标表示最大的主应力σ1(一般为垂直应力)与最小应力σ,(一般为侧向应力)之差,横坐标表示轴向应变.试验时侧向应力σ2=σ3.由图可知: 3(l)当岩石受三向压缩时,其应力应变的开始阶段,有一段近似于直线的关系,说明在主应力差值(σ1-σ3)的峰值前不远的范围内,岩石属弹性变形.(2)岩石的脆性和塑性是相对的,在单向应力或较低的三向应力状态下表现为脆性的岩石,在高压三向应力状态下破坏前也能表现出很大的塑性.(3)三向压缩时,随着侧向应力σ3和主应力差值(σ1-σ3)的增加,强度极限(峰值)也随之增大.(4)岩石在三向压缩条件下破坏以后,虽然其结构发生了变化,但仍然保留一定的承载能力.这对于在井下控制煤柱和岩体的稳定性很有实际意义.图1-3 砂岩在常温和不同侧压三向压缩下的应变曲线a－干砂岩;b－湿砂岩四、岩石的蠕变性在恒定载荷持续作用下,应变随时间增长而变化的现象称为蠕变,表示这一特征的曲线叫做蠕变曲线.图l－4是岩石的典型蠕变曲线.由图可知,在开始加载时,试件立即产生一个瞬时应变(图中OA段),由于这一段作用的时间极短,故可近似地认为是弹性变形.在AB段,应变不断增加,但应变速率不断降低,故曲线呈下凹型,这个阶段的蠕变称为第一阶段蠕变或短暂蠕变.在BC段,应变以稳定恒速增长,这个阶段的蠕变称为第二阶段蠕变或定常蠕变,且这个阶段的时间延续最长.在CD 段,应变以加速增长,曲线呈上凹型,这个阶段的蠕变称第三阶段蠕变或加速蠕变.当应变达到某数值D时,最终引起试件破坏.图1-4岩石的典型蠕变曲线第四节 岩石的强度特性在载荷的作用下,岩石变形达到一定程度就会破坏.岩石发生破坏时所能承受的最大载荷称为极限载荷,用单位面积表示则称为极限强度.在不同应力条件下,岩石具有不同的极限强度.岩石的强度可分为单向抗压强度、单向抗拉强度、抗剪强度、抗弯强度、三向抗压强度等.一、岩石的单向抗压强度岩石试件在单向压缩时所能承受的最大应力值,称为岩石的单向抗压强度.它是地下工程中使用最广的岩石力学特性参数,在煤矿中研究岩石分类、确定破坏准则以及表达围岩坚硬程度时,常采用这一指标.测定岩石的单向抗压强度,通常采用直径5厘米和高径比为2的圆柱形试件,在压力机上以50～100N/s 的速度加载,直到试件破坏,然后按下式计算:AP R c (1-10) 式中 R c —岩石试件的单向抗压强度,kPa;P —岩石试件破坏时施加的载荷,kN;A —试件初始截面积,米2.煤矿常见岩石的单向抗压强度见表1-4.二、岩石的单向抗拉强度岩石试件在单向拉伸时能承受的最大拉应力值,称为单向抗拉强度.它是岩石力学性质中的重要指标.由于岩石的抗拉强度远小于抗压强度,在受载不大时就可能出现拉伸破坏,因此,它对研究井下巷硐失稳等问题有重要意义.目前,测定岩石抗拉强度的基本方法基本上可分两类,即直接拉伸法和间接拉伸法.直接拉伸法与金属材料拉伸试验类似.可按下式求得岩石的抗拉强度:AP R t t = (1-11) 式中 R t —岩石试件的单向抗拉强度,kPaP t —试件破坏时的总拉力,kN;A —试件破坏断面积,米2.由于直接拉伸法的岩石试件加工复杂,目前广泛采用劈裂法间接地测定岩石的单向抗拉强度.这种方法是用直径为5厘米和厚2.5厘米的圆盘形试件,在材料试验机上以3～5N/s 的速度加载,直至试件被压裂(图1-5).此时,可按下式计算试件的抗拉强度:DtP R p π2= (1-12) 式中 R p —圆盘形试件的抗拉强度,kPa;P —试件裂开破坏时的竖向总压力,kN;D 、t —圆盘形试件的直径和厚度,米.图1-5 劈裂法试验装置示意图1-试件;2-钢丝垫条;3-承压板图1-6 倾斜压模剪切装置三、岩石的抗剪强度岩石的抗剪强度是指岩石抵抗剪切作用的能力.目前广泛采用倾斜压模法测定岩石抗剪强度.如图1-6所示,将规格为5厘米×5厘米×5厘米的立方体试件放在两个钢制的倾斜压模之间,以50～100N/s 的速度加载迫使试件沿预定的剪切面AB 剪断.这时作用在破坏面上的应力为:(1-13)式中 T 、N —作用在剪切破坏面上的剪应力和正应力,kN;τ—抗剪强度,kPa;σn —剪切破坏面上的正应力,kPa;P —试件发生剪切破坏时压力机施加的总压力,kN;A —试件剪切破坏面的面积,米2;α—试件与水平面的夹角,(°)ατsin A P A T ==ασcos A P A N n ==四、岩石的三向抗压强度岩石在三向应力作用下所能抵抗的最大轴向应力,称为岩石的三向抗压强度.它通常是在轴对称应力组合方式(即σ1>σ2=σ3)的三向应力条件下,利用岩石三轴应力试验机测定的.图1-7 三轴试验装置1-压力室;2-密封设备;3-球面底座;4-压力液进口;5-排气口;6-侧向压力;7-试件如图1-7所示,测定时将试件放在密闭的高压容器内,用油泵向压力室内送入高压油,对试件施加侧向压力(σ2=σ3),达到预定值后封闭压力室,然后以50～100N/s 的稳定速度,连续均匀地通过压力机活塞施加轴向载荷,直至试件破坏.试件在相应侧压力下的三向抗压强度可按下式计算:AP R c 3 (1-14) 式中 R 3c —在一定侧向压力作用下的岩石三向抗压强度,kPa;P —试件破坏时的轴向载荷,kN;A —试件的初始横断面积,米2.岩石因受力状态不同,其极限强度相差很大.岩石在不同应力状态下的各种极限强度一般符合下列顺序:三向等压抗压强度>三向不等压抗压强度>双向抗压强度>单向抗压强度>抗剪强度>抗弯强度>单向抗拉强度.此外,单向抗压强度R c 、单向抗拉强度R t 和抗剪强度τ之间有以下数量关系:第五节 岩石的破坏类型岩石在外力作用下首先产生不同形式的变形,继而产生微细裂缝和破裂,如果破裂不断发展,将导致岩石最终破坏.有些岩石在破坏前出现很大的变形,而另一些岩石破坏前出现的变形很小或可忽略不计.通常把岩石在载荷作用下没有显著的变形而突然发生的破坏称为脆性破坏,把岩石在载荷作用下出现较大的变形以后才发生的破坏称为塑性破坏.但是在脆性破坏和塑性破坏之间并无明确的界限,岩石呈现脆性破坏还是塑性破坏,不仅取决于岩石本身的性质,还在很大程度上取决于外界条件,如岩石所处的应力状态,温度,压力,水分,受载时间等等.例如,在常温、低围压和高应变率条件下呈现为脆性破坏的岩石,在高温、高围压、多水分和低应变率的条件下,岩石可呈现为塑性破坏.不论在何种受力状态下,岩石发生破坏的基本形式只有两种:拉断破坏和剪切破坏.例如岩石在受单向压缩时,根据其上下端面的润滑情况,可能出现拉断破或剪切破坏.岩石试件在受弯曲时,往往是由于下部表面受到拉应力的作用而导致拉断破坏.至于塑性破坏(例如粘土类岩石),它实质上是塑性岩石颗粒间产生微小剪切滑移的结果,仍属于剪切破坏.因此,尽管由于岩石性质、构造特征、受力方式以及试件形状和尺寸不同,试件的破坏形态有很大差别,但从岩石的破坏方式和机理来看,都可归结为拉断破坏和剪切破坏这两种基本类型.一、拉断破坏151~21=c R τ381~51=c R R τ3c R R ⋅≅ττ拉断破坏可以直接由拉力引起的拉应力造成,也可以由压缩、弯曲等衍生的拉应力造成,但不论加载方式如何,都是由于拉应力超过极限强度而造成的破坏,其特点是岩石破坏时呈现出沿破坏面发生拉开的运动.拉断破坏又称张性破坏.图l-8 拉断破坏的两种情况a—直接拉断;b、c—间接拉断根据加载方式不同,拉断破坏可分两种情况:(一)直接拉断直接拉断(图l－8a)的特点是断裂面与受力方向垂直,断裂面明显分离.而在断裂面之间没有错动.(二)间接拉断间接拉断(图l-8b、c)的特点是断裂而与受力方向平行.当在受压面上涂润滑剂时,由于加压板与试件受压面之间无摩擦阻力或摩擦阻力很小,在纵向压缩过程中,引起试件自由地产生横向变形.当横向变形伸长量超过试件抵抗伸长的能力时,就会导致试件产生纵向劈裂而被拉断.这种因压缩而引起的拉断破坏形式又叫“压裂”或“横向张裂”.尽管以上两种拉断破坏的受力方式不同,但两者共同之处都是由拉应力引起破坏,而且都出现张开的裂缝.二、剪切破坏剪切破坏可以直接由剪切破坏或者由压缩衍生的剪应力造成.但无论加载方向如何,都是由于剪应力超过极限强度而造成的破坏.其特点是岩石破坏时呈现出沿破坏面发生相互错动的运动.剪切破坏又称剪破裂或剪裂.根据加载方式不同,剪切破坏有两种情况:(一)直接剪切通常由外加的剪力造成,其特点是剪切破坏面与外加剪力方向一致(图1-9,a).图1-9 剪切破坏的两种情况a—直接剪切;b、c—间接剪切(二)间接剪切由轴向压缩或其它受力方式引起的剪切破坏.当受压面上不涂润滑剂时,加压板与试件受压面之间有很大的摩擦阻力,试件不易产生横向变形.于是试件内部产生剪应力,最后沿与最大压应力垂直方向成一定角度α的某个平面发生剪切破坏(图1-9b、c).α称为剪切破坏角.剪切破坏角与岩石强度有关.通常,坚硬岩石的剪切破坏角较大,软岩则较小,常见岩石剪切破坏角见表1-5.尽管直接剪切和间接剪切破坏的受力方式不同,但两者共同之处是其破坏形式表现为试件的一部分相对于另一部分产生滑移,即形成剪切裂缝.但这种裂缝通常都不张开,而是呈闭合的形式,常称之为剪裂面.通常,试件内部的剪应力具有对称性,试件受剪切破坏时常出现成对的倾斜裂缝,常称为“X形剪裂隙”(图1-9c).第六节岩体的基本性质前面讨论的岩石力学性质,都是以对小块岩石试件(岩块)进行的实验和研究为基础,与大范围天然岩体的力学性质有很大差别.为了有效地解决与工程有关的岩石力学实际问题,需要了解岩体的特征及其有关的力学性质.概括来说,岩体在以下三个方面与实验室岩石试件有显著不同:l)岩体以天然状态埋藏在地下,处于特定的自然物理环境(地下水、地温、地应力等)之中,这些因素无疑将对岩体的物理力学性质有很大影响.2)岩体由一定数量的岩石组成,没有特定的自然边界.岩体的范围根据解决问题的需要来圈定.3)岩体中存在各种地质弱面和地质构造.岩体在自然状态下经历了漫长的地质作用过程.在地应力作用下,岩体内部保留了各种永久变形和地质构造形迹,例如:不整合、褶皱、断层、层理、节理、裂隙等等.根据上述特征,岩体可定义为自然界中由各种岩性各种结构特征的岩石的集合体.从工程实际来看,大多数情况下遇到的岩体,是存在有各种弱面的坚硬天然岩石.因此,从抽象的、典型化的角度来说,可以把岩体看作是由结构面和受它包围的结构体共同组成的.所谓“结构面”是指在地质发展历史中,尤其是地质构造运动过程中形成的,具有一定方向、延展较大、厚度较小的地质界面,它包括岩石物质的分界面和不连续面,如岩体中存在的层面、节理、断层、软弱夹层等,可统称为结构面.结构面是岩体的重要组成单元,它的性质影响到岩体的性质.所谓“结构体”是指由不同产状的结构面相互切割而形成的单元块体,也称单元岩块.结构体的四周都被结构面包围,常见的结构体大都是有棱有角的多面体,如立方体、柱状体、板状体、菱形体、梯形体、楔形体、锥形体等.结构体也是岩体的重要组成部分,它本身的物质组成和排列组合方式也影响到岩体的力学性质.一、岩体的基本类型根据岩体结构特征的不同,岩体可分为以下几种基本类型(图1-10),1. 整体岩体(图1-10a)它是指只遭受轻微构造变动的厚层沉积岩,岩层多呈水平或缓斜状,节理不发育,很少有断层,通常可认为是均质、连续介质.这类岩体本身有很高的力学强度和抗变形能力,岩体的整体强度接近于岩石的强度,具有很好的自稳性能.。
岩石与岩体
三、岩体的工程地质性质
一）、岩体结构分析 岩体可以简单的理解为：
岩体 = 结构面 + 结构体
1. 结构面 结构面：存在于岩体中的各种地质界面。
结构面类型：
原生结构面：成岩时形成 沉积结构面：层面、层理、夹层等 火成结构面：原生节理、流纹面、接触面等等 变质结构面：片麻理、片理等等 构造结构面：构造应力作用下形成 断裂面 破裂构造面 错动面 构造软弱带 破碎带 次生结构面：风化作用形成 风化裂隙 泥化夹层 可塑粘土带
4.软化性 岩石吸水后，其强度和稳定性发生变化的性 质。 软化系数kd：等于岩石在饱和状态下的极限 抗压强度与在风干状态下极限抗压强度的比。 用小数表示。 5. 抗冻性 岩石抵抗冻胀压力作用的能力。一般用强度 降低率来表示。
（二）岩石的力学性质
变形特性：弹性模量 泊淞比
弹性模量E：应力和应变之比。 泊淞比：横向应变与纵向应变之比。 强度特性：岩石抵抗外力破坏的能力。 抗压强度Rc：抵抗压碎破坏的能力 抗拉强度Rt ：约为0.02~0.16Rc 抗剪强度[]：约为0.1~0.4 Rc
首先取决于岩体的结构类型与特征， 其次才是组成岩体的岩石的性质。
其意义在于结构面的特征决定岩体
的性质。
不同结构类型岩体的工程地质性质：
整体块状结构： 强度高 各向同性 抗风化能力强
层状结构岩体： 强度较高 各向异性 层间滑动
碎裂结构岩体： 完整性差 强度低
散体结构岩体：
碎石土类 各向同性 强度最差
结构：结晶联结＞胶结物联结 胶结物： 硅质胶结＞铁质胶结＞钙质胶结＞泥质胶结 胶结方式： 接触胶结<孔隙胶结<基底胶结
3. 构造：矿物在岩石中分布的不均匀性、
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E e
变形模量：应力与总应变的比值
E0 p e 泊松比：岩石在轴向压力作用下，除产生纵向压缩外，
还会产生横向膨胀。这种横向应变与纵向应变的比值称 为泊松比，岩石的泊松比一般在0.2~0.4之间。
d L
岩石的强度指标
单轴抗压强度：岩石能承受的最大压应力，各种岩石
《工程地质学概论》
第二章 岩石与岩体的性质
岩石的物理性质 岩石的力学性质 岩体的结构特征 岩体的力学性质 岩体的工程分类
岩石的物理性质
单轴压缩变形过程：
岩 石 单 轴 压 缩 曲 线
岩石的物理性质
单轴压缩变形过程：
岩石力学试验机
岩石试件
破 坏 后 形 态
岩石的物理性质
单轴压缩变形过程：
抗压强度值差别很大，主要取决于岩石的结构和构造， 同时受矿物成分和岩石生成条件的影响。
c P A
抗剪强度：岩石抵抗剪切破坏的能力，以岩石被剪破
时的极限应力表示。坚 硬岩石因有牢固的结晶 或胶结联结，故其抗剪 断强度一般都比较高。
b tan c
岩石的强度指标
抗拉强度：岩石单向拉伸时抵抗拉断破坏的能力，以
结构面：岩体中的物质分异面、破裂面及软弱夹层等力
学不连续面。
结构体：岩体被结构面切割成的不同形状和大小的岩块 岩体的结构特征：岩体中结构面、结构体的形状、规
模、性质及其组合关系的特征。
岩体的结构特征
结构面的成因类型：原生结构面、构造结构面、次生
结构面
原生结构面：所有在成岩过程中形成的结构面
成因类型
度 d
sat
，天然密度 ，饱和密度 。
岩石的物理性质
孔隙性：岩石的空隙包括孔隙和裂隙，空隙性是岩石的
孔隙性和裂隙性的总称，可用空隙率、孔隙率、裂隙率 表示其发育程度。孔隙率（或称孔隙度）是指岩石中孔 隙（含裂隙）的体积与岩石总体积之比值。
n Vn 100% V
岩石孔隙率的大小，主要取决于岩石的结构 、构造， 同时也受风化作用、岩浆作用、构造运动及变质作用的 影响。由于岩石中孔隙、裂隙发育程度变化很大，其孔 隙率的变化也很大。
岩石的物理性质 岩石的力学性质 岩体的结构特征 岩体的力学性质 岩体的工程分类
岩体的结构特征
岩石与岩体：岩石是构成岩体的物质。岩体是由结构
面及结构体两个基本单元组成；岩石的物理力学性质和 水理性质取决于岩石的矿物成分，而岩体的物理力学性 质，既取决于结构面的力学性质，又取决于岩石的力学 性质。
拉断破坏时的最大张应力表示。抗拉强度是岩石力学性 质中的一个重要指标。
t
2Pt Dl
劈裂破坏
岩石的强度指标
抗拉强度：
直接拉伸
岩石的强度指标
三轴应力：
岩石的强度指标
三轴应力：
三轴试验机
岩石的强度指标
蠕变：岩石在大小和方向不变的外力作用下，变形量随
时间延续而不断增长的现象。
《工程地质学概论》
第二章 岩石与岩体的性质
失。软化性常以软化系数来表示，其等于岩石在饱水状
态下的极限抗压强度与岩石风干状态下极限抗压强度的
比值
KR
cw cd
岩石的物理性质
抗冻性：岩石孔隙、裂隙中存在的水结冰时体积膨胀，
产生较大的压力，使岩石的构造遭破坏。岩石冰冻作用
的能力，称为岩石的抗冻性。在高寒冰冻地区，抗冻性
是评价岩石工程地质性质的一个重要指标。
岩石的抗冻性，与岩石的饱水因数、软化因数有着
密切关系。一般用抗冻系数和质量损失率来表示其抗冻
性 抗冻系数
质量损失率
Rd
cd 2 cd1
100%
Km
ms1 ms2 ms1
100%
岩石的物理性质
热学性：
比热容：1克岩石物质的温度升高1oC所需要的热量，用
以表示岩石储存热量的能量。
Q c m1 2
热导率：沿热流传递的方向，单位长度上温度降低1oC
时单位时间内通过单位面积的热量，表示岩石导热能力
的大小
k Q
l
S
热扩散率：热导率除以岩石密度和比热容之积，表征
岩石在环境温度变化时本身温度变化的速度
k c
岩石的物理性质
化学性：根据SiO2的含量，岩石可分为：酸性岩石（大
于65%），中性岩石（52%～65%）；碱性岩石（小于 52%）
《工程地质学概论》
第二章 岩石与岩体的性质
岩石的物理性质 岩石的力学性质 岩体的结构特征 岩体的力学性质 岩体的工程分类
岩石的物理性质
密度： 岩石的密度是指单位体积内岩石的质量，又分
为颗粒密度和块体密度。颗粒密度s 是岩石固体相部分 的质量与其体积的比值。块体密度是指岩块单位体积的
质量，按岩石的含水状况不同．块体密度又可分为干密
地质类型
沉积 层面、层理、沉积间断面（不整合
原 结构面 面、假整合面）、原生软弱夹层
生
结
火成 流层、流线、火山岩流接触面，蚀
构 结构面 变带、挤压破碎带、原生节理
面
变的结构特征
结构面的成因类型：
构造结构面：指构造运动作用下产生的破裂面，或破
碎带，包括节理、劈理、断层、层间滑动。这类结构面 对岩体稳定性影响很大，大部分岩体工程的不稳定都受 这类构造结构面的控制。
压密阶段(OA)：在试验机 的压缩下岩石内部的微缺 陷逐步闭合 弹性阶段(AB)：岩石发生 线弹性变形 稳定破裂发展阶段(BC)：岩石内部的微裂纹逐步稳定的 发育、扩展。 不稳定破裂发展阶段(CD)：微破裂的发展出现质的变化 应变软化阶段(DE)：微裂纹汇合成宏观主裂纹而使岩石 发生整体破坏。
岩石变形指标
岩石的物理性质
透水性：是指岩石允许水通过的能力。透水性大小主要
取决于岩石中孔隙、裂隙的大小和连通情况，一般用渗 透系数K来表示。
岩石的物理性质
软化性：是指岩石在水的作用下，强度和稳定性降低的
性质。软化性主要取决于岩石的矿物成分和结构构造特
征。岩石中粘土矿物含量高、孔隙率大、吸水率高，则
易与水作用而软化，使其强度和稳定性大大降低甚至丧
岩石的物理性质
吸水性：岩石吸收水分的性能称为岩石的吸水性，常以
吸水率、饱水率两个指标来表示。
吸水率 wa：指在常压下岩石的吸水能力，以岩石所吸水
分的重力与干燥岩石重力之比的百分数表示，即
wa Gw Gs 100 %
饱水率 w p：在高压(15MPa)或真空条件下岩石的吸水能
力，仍以岩石所吸水分的重力与干燥岩石重力之比的百 分数表示。吸水率与岩石的孔隙数量、大小、开闭程度 和空间分布等因素有关。吸水率与饱水率的比值，称为 岩石的饱水因数，其大小与岩石的抗冻性有关。