岩石力学-岩石物理力学性质
岩石力学
岩石力学岩石的物理性质 一、 岩石的分类火成岩：侵入岩和喷出岩。
沉积岩：砂岩（95%的油气储量）、页岩（待开采，如页岩气、煤层气）、石灰岩。
变质岩：不含油气。
二、 岩石的强度主要取决于：组成其矿物的强度、连接结构形式、岩石的结构和整体构造、胶结物的成分和胶结方式 三、岩石的物理性质孔隙度、渗透率、可压缩性、导电性、传热性的总称。
1、 孔隙度：绝对孔隙度：φ = V 孔/V 岩总 孔隙度越高，岩石的力学性质越差。
有效孔隙度： φ有效 =V 连通/V 孔总。
2、 渗透性：在一定压力作用下，孔隙具有让流体（油、气、水）通过的性质。
其大小用渗透率来描述，反映了流体在岩石孔隙中流动的阻力的大小。
达西定律：A LhK Q ∆=φ...K Φ——反应岩石性质系数 含义：以粘度为1厘泊的流体完全饱和于岩石孔隙中，在1个大气压差的作用下，以层流的方式用过截面积为1cm 2,长度为1cm 的岩样时，其流量为1cm 3/s 。
则渗透率为1达西（D ）。
3、 岩石中的油、气、水饱和度。
…4、 岩石的粒度组成和比表面积：粒度组成的分析方法：筛分析法和沉降法。
通过粒度得孔隙度。
比表面积：单位体积岩石内颗粒的总表面积。
通过粒度组成估算比面。
孔隙度、粒度、比表三者之二求一岩石的力学性质岩石的类型、组成成分、结构构造、围压、温度、应变率、载荷等对其力学性质都有影响 一、 岩石变形性质的基本概念1、 弹性：… 基本弹性参数E 、υ。
2、 塑性3、 黏性：物体受力后，变形不能在瞬时完成，且应变率随应力的增加而增加的性质。
4、 脆性：受力后变形很小就发生破裂的性质。
（ε>5%就发生破裂的称为塑性材料,小于的称脆性材料）5、 延性：发生较大塑性变形，但不丧失其承载能力的性质。
岩石在常温，常压下，并不是理想的弹性或塑性材料，而是几种的复合体，如塑弹性、塑弹塑、弹塑蠕。
其本构关系略。
6、常温常压下岩石的典型应力-应变曲线：（重点）OA---塑性，应力增加快，但应变增加不多。
岩石力学第2章岩石的基本物理力学性质PPT课件
格里菲斯强度理论认为岩石的强度是由其内部微裂纹或弱面的能量释放率决定的。当这些 微裂纹或弱面受到外力作用时，它们会扩展并释放能量，当能量释放率达到一定值时，岩 石就会发生破裂。
岩石的破坏准则
最大应力准则
该准则认为当岩石受到的最大应力达到其单轴抗压强度时， 岩石就会发生破裂。该准则适用于脆性破坏和延性破坏。
表示岩石抵抗弹性变形的能力， 是衡量材料刚度的指标。
泊松比
表示岩石在单向受拉或受压时， 横向变形与纵向变形之比。
抗拉强度和抗压强度
抗拉强度
岩石在单向拉伸时所能承受的最大拉 应力。
抗压强度
岩石在单向压缩时所能承受的最大压 应力。
抗剪强度和摩擦角
抗剪强度
岩石在剪切力作用下所能承受的最大剪应力。
摩擦角
表示岩石在剪切力作用下，剪切面上的摩擦力与垂直剪切力之间的角度。
流变性质
蠕变
岩石在持续应力作用下发生的缓慢变形。
松弛
岩石在持续应变作用下，应力随时间逐渐减小的现象。
04
岩石的变形特性
弹性变形
02
01
03
弹性模量
表示岩石抵抗弹性变形的能力，是衡量岩石刚度的指 标。
泊松比
描述岩石横向变形的性质，与材料的弹性模量相关。
中区域形成并扩展导致的。
02
延性破坏
与脆性破坏不同，延性破坏是指岩石在受到外力作用时，会经历较大的
塑性变形，然后才发生破裂。这种破坏形式通常是由于岩石中的微裂纹
或弱面在应力作用下逐渐扩展和连接形成的。
03
疲劳破坏
疲劳破坏是指岩石在循环或反复加载过程中，由于应力水平的波动，导
致微裂纹的形成和扩展，最终导致岩石破裂。这种破坏形式通常发生在
岩石力学讲义(岩石的物理性质)
cw)与
岩石中含有较多的亲水性和可溶性矿物，大开空隙 较多，岩石的软化性较强，软化系数较小。
KR＞0.75，岩石的软化性弱，工程地质性质较好
1、岩石的密度
2、岩石的孔隙性
（一）、岩石的密度
1、颗粒密度(ρ s)：岩石固体部分的质量与
其体积的比值。它不包含孔隙在内，因此 其大小仅取决于组成岩石的矿物密度及其 含量： ρ s= ms/Vs ρ s—为岩石的颗粒密度
ms—为岩石固体部分的质量 Vs—为岩石固体部分的体积
（一）、岩石的密度
2、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（ρ d）、饱和密度（ρ 指岩石的天然密度。 ρ d=ms/V ρ
1. 结构面的成因类型 2. 结构面的规模与分级 3. 结构面特征及其对岩石性质的影响
一）结构面的成因类型
地质成因类型
原生结构面 构造结构面 次生结构面
力学成因类型
张性结构面 剪性结构面
结构面的地质成因类型
1. 原生结构面：在岩石形成过程中形成的软弱面
岩浆岩的流动构造面、冷缩形成的原生裂隙面、侵入
不规则，多呈折线或锯凿状。断面凹凸不平，粗
糙度大，破碎带宽度变化大，且易被岩脉、矿脉
充填，有时并有岩浆沿之入侵。张性破裂面常常
具有含水丰富，导水性强以及剪切强度高等特征
结构面的力学成因类型
剪性破裂面：是由剪应力而形成的，破裂面
两侧岩体沿破裂面切线方向发生有不同程度的
滑错位移。具有擦痕、共轭性、规律的位移方
变形性、渗透性，力学上的连续性及岩体应
力分布等都有显著影响。因此，在很多情况
下，软弱面是岩体力学问题的一个主要控制 因素。从本质上说，软弱面使岩体变得更加 软弱，更易于变形而且表现为高度的各向异 性。
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。
岩石力学名词解释
一.岩石的物理力学性质1.岩体：位于一定地质环境中，在各种宏观地质界面（断层、节理、破碎带等）分割下形成的有一定结构的地质体。
由结构面与结构体组成的地质体。
2.岩石：是经过地质作用而天然形成的一种或多种矿物的集合体。
具有一定结构构造的矿物（含结晶和非结晶的）集合体。
3.岩（体）石力学：是力学的一个分支学科，是研究岩（体）石在各种力场作用下变形与破坏规律的理论及其实际应用的一门基础学科。
4.结构面：指在地质历史发展过程中，岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的宏观地质界面或带。
5.岩石质量指标（RQD）：指大于10cm的岩芯累计长度与钻孔进尺长度之比的百分数。
6.空隙指数：指在0.1MPa压力条件下，干燥岩石吸入水的重量与岩石干重量的比值。
7.软化性：软化性是指岩石浸水饱和后强度降低的性质。
8.软化系数：指岩石试件的饱和抗压强度与干燥状态下的抗压强度的比值。
9.膨胀性：是指岩石浸水后体积增大的性质。
10.单轴抗压强度：是指岩石试件在单轴压力下达到破坏的极限值。
，11.抗拉强度：是指岩石试件在单向拉伸条件下试件达到破坏的极限值。
12.抗剪强度：指岩石抵抗剪切破坏的能力。
13.形状效应：在岩石试验中，由于岩石试件形状的不同，得到的岩石强度指标也就有所差异。
这种由于形状的不同而影响其强度的现象称为“形状效应”。
14.尺寸效应：岩石试件的尺寸愈大，则强度愈低，反之愈高，这一现象称为“尺寸效应”。
引起结构面尺寸效应的基本因素：结构面的强度与峰值剪胀角。
15.延性度：指岩石在达到破坏前的全应变或永久应变。
16.流变性：指在外界条件不变时，岩石应变或应力随时间而变化的性质。
17.蠕变：指在应力不变的情况下，岩石的变形随时间不断增长的现象。
18.应力松弛：是指当应变不变时，岩石的应力随时间增加而不断减小的现象。
19.弹性后效：是指在加荷或卸荷条件下，弹性应变滞后于应力的现象。
20.峰值强度：若岩石应力—应变曲线上出现峰值，峰值最高点的应力称为峰值强度。
岩石的物理力学性质
nb Vnb 100% V
(3)小开空隙率nl:即岩石试件内小开型空隙的体积（Vnl) 占试件总体积(V)的百分比。
nl Vnl 100% V
(4)总开空隙率（孔隙率）n0: 即岩石试件内开型空隙的 总体积（Vn0)占试件总体积(V)的百分比。
cf ） , 以
此强度下降值与融冻试验前的抗压强度 σ c之比的百
c cf Cf 100% c
可见：抗冻系数Cf 越小，岩石抗冻融破坏的能力越强。
7.岩石的碎胀性
岩石破碎后的体积VP 比原体积 V增大的性能称为岩石
的碎胀性，用碎胀系数ξ 来表示。
VP V
碎胀系数不是一个固定值，是随时间而变化的。 永久碎胀系数（残余碎胀系数）――不能再压密时 的碎胀系数称为永久碎胀系数.
岩石的软化性是指岩石在饱水状态下其强度相对 于干燥状态下降低的性能，可用软化系数η 表示。
软化系数指岩石试样在饱水状态下的抗压强度
σ
cb与在干燥状态下的抗压强度σ c之比，即
cb c c
各类岩石的η c=0.45～0.9之间。 η η
c c
Байду номын сангаас
>0.75,岩石软化性弱、抗水、抗风化能力强； <0.75，岩石的工程地质性质较差。
1 与 主 应 力 差 ( σ 1-
σ 3) 的关 系 曲 线 表 示 。
反复加卸载对岩石变形的影响
围压对岩石变形的影响
三轴应力状态下大理岩的应力－应变曲线
围压对岩石刚度的影响
砂岩：孔隙较多，岩性较软， σ3增大，弹性模量变大。 辉长岩：致密坚硬， σ3增大，弹性模量几乎不变。
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。
岩石物理力学性质-知识归纳整理
1 岩石的物理力学性质岩石是由固体相、液体相和蔼体相组成的多相体系。
理论以为，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，表如今性质指标的差异上。
岩石的物理力学性质通常经过岩石物理力学性质测试才干确定。
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)中举行现场试骀。
在选用岩样时应思量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：V M =ρ(g/cm 3，t/m 3)容重度：V MgV 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 —岩石分量；V —岩石体积(包括空隙在内)；g 为重力加速度，g=9.8m/s 2，工程上普通取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。
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。
1岩石力学-岩石物理力学性质
d
s
A h
式中，γd为岩石的干密度（g／cm3）；gs为被测岩样在 105℃一110℃的温度下烘干24 小时的质量（g）；A为被测 岩样的平均断面积（cm2）；h为被测岩样平均高度（cm）。
38
一、岩石的质量指标 岩石密度测定方法二：水中称重法 首先称量不规则岩样的质量（gs），再浸入水 中称其质量（gw） ，根据阿基米德原理计算出 不规则岩样的体积（V），即可计算出岩样密 度（γ）。 遇水崩解、溶解和干缩湿胀的岩石不能用此 法测其密度。
岩石力学
胶 结 连 结
二、岩石的常见结构类型
岩石中的微结构面，是指存在于矿物颗粒内 部或矿物颗粒及矿物集合体之间微小的弱面及 空隙。包括矿物的解理、晶格缺陷、晶粒边界、 粒间空隙、微裂隙等。 岩石中的微结构面一般是很小的，通常需在 显微镜下观察才能见到，但它们对岩石工程性 质的影响却是相当大的。 有些专家认为缺陷是影响岩石力学性质的决 定性因素。
岩石力学
岩 浆 岩
三、岩石的地质成因分类
沉积岩是由风化剥蚀作用或火山作用形成的物 质，在原地或被外力搬运，在适当条件下沉积下 来，经胶结和成岩作用而形成的，其矿物成分主 要是粘土矿物、碳酸盐和残余的石英长石等。
沉 积 岩
岩石力学
三、岩石的地质成因分类
岩石力学
三、岩石的地质成因分类
沉积岩具有层理构造，岩性 一般具有明显的各向异性。 沉 积 岩
变 质 岩
岩石力学
三、岩石的地质成因分类
3、区域变质岩 这类变质岩分布范围较广，岩石厚度较大， 变质程度较为均一，最常见的有片麻岩、片岩、 千枚岩、板岩、石英岩和大理岩，混合岩是介 于片麻岩与岩浆岩之间的一种岩石。
变 质 岩
岩石力学
岩石的主要物理性质和力学性质
)
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。
Ws d V
（g/cm3） (kN /m3)
d d g
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(γ w)
饱和密度就是饱水状态下岩石试件的密度。
八、 岩石的变形特性
弹性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形
能够恢复的性质。
塑性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形 不能恢复的性质。 脆性：物体在外力作用下变形很小时就发生破坏的性质。 延性：物体能够承受较大的塑性变形而不丧失其承载能力
的性质。
线弹性变形 弹性变形 变形 塑性变形 非线弹性变形
岩石构造的影响
岩石的构造——指岩石中不同矿物集合体之间或矿物 集合体与其他组成部分之间的排列方式及充填方式。 岩浆岩：颗粒排列无一定的方向，形成块状构造； 沉积岩：层理构造、页片状构造； 变质岩：板状构造、片理构造、片麻理构造。 层理、片理、板理和流面构造等统称为层状构造。 宏观上，块状构造的岩石多具有各向同性特征，而层 状构造岩石具有各向异性特征。
W 1 1 100 % Ws
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，并且还与试验 条件（整体和碎块，浸水时间等）有关。
（2）岩石的饱水率（ω 2）
岩石的饱水率指在高压（150 个大气压）或真空
条件下，岩石吸入水的重量Wω 2与岩石干重量Ws之比，
十、
影响岩石力学性质的因素
（1）矿物成分对岩石力学性质的影响
矿物硬度大，岩石的弹性越明显，强度越高。
岩石力学-岩石物理力学性质
形状：圆形试件不易产生应力集中，好加工 尺寸：大于矿物颗粒的10倍； φ50的依据 高径比：研究表明；h/d≥(2－3)较合理 （3）加载速度 加载速度越大，表现强度越高 我国规定加载速度为0.5 －1.0MPa/s （4）环境 含水量：含水量越大强度越低；岩石越软越明显，对泥岩、 粘土等软弱岩体，干燥强度是饱和强度的2－3倍。 温度度：180℃以下部明显：大于180℃，湿度越高强度越 小。
计算公式：由弹性力学Boursinesq公式
σt
=
2P πdt
劈裂破坏时最大压力 岩石圆盘试件厚度
岩石圆盘试件直径
①荷载沿轴向均匀分布 要求
②破坏面必须通过试件的直径 注：①端部效应 ②并非完全单向应力
由巴西人Hondros提出
抗弯法（梁的三点弯曲试验）
梁边缘到中性轴的距离
σ t = MC / I 梁截面绕中性轴的惯性矩
岩石单轴抗压强度
试验施加的围压
S ''' c
=
Sc
+
1+ 1−
sin sin
ϕ ϕ
σa
岩石三轴抗压强度
岩石内摩擦角
粘聚力 内摩擦角
Mohr’s strength envelop
1.4.1.4点荷载强度指标(point load strength index)
是上世纪发展起来的一种简便的现场试验方法。 试件：任何形状，尺寸大致5cm，不做任何加工。 试验：在直接带到现场的点荷载仪上，加载劈裂破坏。
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(下图)
岩石物理力学性质指标经验数据
岩石物理力学性质指标经验数据在岩石物理学中，岩石的物理力学性质指标是评估岩石力学行为的重要参数，包括岩石的强度、变形性质、破裂特性等。
这些指标的经验数据非常重要，能够为岩石物理学的研究和实际工程应用提供有效的参考。
下面将介绍一些常见的岩石物理力学性质指标的经验数据。
岩石的抗压强度是指在垂直于施加力的方向上，岩石能够抵抗的最大压缩应力。
不同类型的岩石具有不同的抗压强度。
常见的岩石抗压强度经验数据如下：-砂岩：5-25MPa-灰岩：25-100MPa-花岗岩：100-250MPa-片麻岩：50-150MPa-麻岩：50-200MPa2. 抗张强度（Tensile strength）：岩石在拉伸条件下能够承受的最大应力称为抗张强度。
由于岩石的抗拉强度较低，因此常常使用岩石抗压强度的一半作为岩石的抗拉强度估计值。
常见的岩石抗张强度经验数据如下：-砂岩：1-5MPa-灰岩：5-20MPa-花岗岩：20-100MPa-片麻岩：10-50MPa-麻岩：10-50MPa3. 剪切强度（Shear strength）：岩石的剪切强度是指岩石在剪切应力作用下能够抵抗剪切破坏的最大强度。
常见的岩石剪切强度经验数据如下：-砂岩：3-15MPa-灰岩：15-30MPa-花岗岩：30-100MPa-片麻岩：15-50MPa-麻岩：20-60MPa4. 弹性模量（Young modulus）：弹性模量是岩石在弹性变形范围内的刚度指标，表示岩石在受力时变形程度的大小。
常见的岩石弹性模量经验数据如下：-砂岩：1-30GPa-灰岩：10-100GPa-花岗岩：50-200GPa-片麻岩：10-50GPa-麻岩：5-50GPa5. 泊松比（Poisson's ratio）：泊松比表示材料体积收缩时的径向收缩与轴向延伸之比，常用来表征岩石的变形特性。
-砂岩：0.1-0.4-灰岩：0.1-0.35-花岗岩：0.2-0.35-片麻岩：0.1-0.4-麻岩：0.2-0.4需要注意的是，以上数据仅为经验值，实际岩石的物理力学性质受多种因素的影响，包括岩石类型、成分、结构、孔隙度等。
岩石力学与工程岩石物理力学性质
图2-3 压缩圆柱体的应力分布
28
✓ 2.压剪破坏
✓
单斜面压剪破坏，如图2-1b和图2-2b所示。这种破
坏是由于破坏面上的剪应力超过极限引起的，但破坏
前破坏面所需承受的最大剪应力也与破坏面上的正应
力有关，因而称该类破坏为压剪破坏。
✓ 3.纵向劈裂破坏
✓
纵向劈裂破坏即拉伸破坏，其破坏形态如图2—
2(b)所示。这是因为在轴向压缩载荷作用下，在横向
拉强度、抗剪强度、多轴压缩强度等。
*
23
（2）研究岩石强度的意义
➢ 1.是岩石分类、分级中的重要数量指标；
➢ 2.可以判别计算处或测定处的岩土工程是否稳定；
➢ 3.在简单地下工程条件下，可作为极限平衡条件( 塑性条件)，求解弹塑性问题的塑性区范围，以及 弹性区和塑性区的应力与位移。
*
24
（3）岩石的破坏模式
（2-13）
式中，m0为烘干岩样浸水48小时后的总质量。
*
17
2.岩石的饱和吸水率（或饱水率） 饱和吸水率（或饱水率）：是指岩石在强制状态（ 高压或真空、煮沸）下，岩石吸入水的质量与岩样 在105℃～110℃温度下烘干24h后质量mdr的比值 ，以百分数表示，即：
（2-14）
式中，wsa为岩石的饱和吸水率；msa为真空饱和或 煮沸后试件的质量（kg）。
质。它包括岩石的吸水性、透水性、软化性和抗冻
性等。
（1）岩石的天然含水率
岩石的天然含水率w：天然状态下岩石中水的质量
mw与岩石的干质量mdr的比值，以百分数表示，即 ：
（2-12）
*
16
（2）岩石的吸水性
岩石的吸水性：即岩石在一定条件下吸收水分的 性能，它取决于岩石孔隙的数量、大小、开闭程度 和分布情况。表征岩石吸水性的指标有：吸水率、 饱和吸水率与饱水系数。 1.岩石的吸水率 岩石吸水率 ：是指岩石在常温常压下吸入水的质 量与其烘干质量mdr的比值，以百分数表示，即：
岩石力学-岩石的力学性质
惯于将单轴抗压强度表示为 c ，其值等于达到破坏时
的最大轴向压力P除以试件的横截面积A，即
c
P A
（1－14）
试件在单轴压缩荷载作用下破坏时，在测件中可产生 三种破坏形式：
• （1）X状共扼斜面剪切破坏
• （2）单斜面剪切破坏
• （3）拉伸破坏
试件形状可以时立方体（50mm× 50mm× 50mm或70mm×
变之间有着惟一的关系，即
f ( ) （1－32）
b、泊松比
岩石的横向应变 x 与纵向应变 y的比值称为泊松比，即
x y
（1－37）
岩石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与荷载方向的关系等多种因素的影响，变化
较大。
除变形模量和泊松比两个最基本的参数外，还有一些
粘性（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。
2、单轴压缩条件下岩石变形特征
由全应力－应变曲线可将岩石的变形分为下列 四个阶段：
a、孔隙裂隙压密阶段 b、弹性变形至微弹性裂隙稳定发展阶段 c 、非稳定破裂阶段，或称累进性破裂阶段 d、破裂后阶段
根据峰值前的应力－应变曲线将岩石分成六种类型：
类型Ⅰ 应力与应变关系是一直线或者近似直线，直到试件 发生突然破坏为止。
类型Ⅱ 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。
类型Ⅲ 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。
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（一）普通试验机下 的变形特性应力、应变 曲线形状与岩性有关
1、典ห้องสมุดไป่ตู้的岩石 应力、应变曲线
（1）承压板端部的摩擦力及其刚度（加垫块的依据） （2）试件的形状和尺寸
形状：圆形试件不易产生应力集中，好加工 尺寸：大于矿物颗粒的10倍； φ50的依据 高径比：研究表明；h/d≥(2－3)较合理 （3）加载速度 加载速度越大，表现强度越高 我国规定加载速度为0.5 －1.0MPa/s （4）环境 含水量：含水量越大强度越低；岩石越软越明显，对泥岩、 粘土等软弱岩体，干燥强度是饱和强度的2－3倍。 温度度：180℃以下部明显：大于180℃，湿度越高强度越 小。
残余强度：是岩石在发生破坏后仍然具有的承载能力。其值可以 在岩石的应力——应变全过程曲线的峰值右侧线段所对应的应力 值测出。
岩石的抗压强度、抗剪强度及抗拉强度：岩石在压缩、剪切或拉 伸应力作用下表现出来的抗破坏能力各不相同，与之对应的强度 值分别为抗压强度、抗剪强度及抗拉强度。
岩石强度不是岩石的固有性质，而是一种指标值。凡是不受试件 的形状、尺寸、采集地、采集人等影响而保持不变的特征，如岩 石的颜色、密度等都是岩石的固有性质。
稳定破裂型 非稳定破裂型
1.4.1.3三轴抗压强度
岩石在三向压缩荷载作用下，达到破坏时所能承受的最大压应力 称为岩石的三轴抗压强度。 (triaxial compressive strength)
σ 1 = f (σ 2 , σ 3 ) τ = f (σ )
真三轴
假三轴
三轴压缩试验的破坏类型
岩石单轴抗压强度
试验施加的围压
S ''' c
=
Sc
+
1+ 1−
sin sin
ϕ ϕ
σa
岩石三轴抗压强度
岩石内摩擦角
粘聚力 内摩擦角
Mohr’s strength envelop
1.4.1.4点荷载强度指标(point load strength index)
是上世纪发展起来的一种简便的现场试验方法。 试件：任何形状，尺寸大致5cm，不做任何加工。 试验：在直接带到现场的点荷载仪上，加载劈裂破坏。
孔隙比是指岩石试件内各种裂隙、孔隙的体积总和与 试件内固体矿物颗粒的体积之比。
（一）孔隙比 e = VV / VC
VV——孔隙体积（水银充填法求出）
（二）孔隙率
n = VV = d s − ρ d × 100 %
V
ds
V=VC+VV
e~n关系
e = VV = VV /V
VC
VC /V
n = 1− γ c /GγW
试件尺寸
影响因素
试件形状 试件三维尺寸比例 加载速率 湿度
宽高比
1.4.1.2单轴抗压强度
岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所能承受的最大压应力称 为岩石的单轴抗压强度。(uniaxial compressive strength)
σc
=
P A
破坏时最大轴向压力 试件的横截面积
X状共扼斜面剪切破坏 单斜面剪切破坏 拉伸破坏
抗冻系数
cf
= σ c − σ cf σc
岩样冻融后的抗压强度
× 100 %
岩样冻融前的抗压强度
岩石在反复冻融后其强度降低的主要原因 (1)构成岩石的各种矿物的膨胀系数不同，当温度变化时，由于 矿物的胀、缩不均而导致岩石结构的破坏。 (2)当温度降到0时，岩石孔隙中的水将结冰，体积最增大9％， 会产生很大的膨胀压力，使岩石的结构发生改变，直至破坏。
对原型的研究程度和对模型力学参数取值的可 靠性，归根结底取决于对岩石或岩体的认知能力。 必须了解岩石的主要物理性质和力学性质及其影响 这些性质的主要因素。
1.2 岩石的基本构成和地质分类
岩石：由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律 聚集而形成的自然物体 。
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。
(2)AB段：该线段大致为直线，表明岩石呈线弹性变形。对应的B点的 应力值称为弹性极限。
(3)BC段：岩石内原有的微裂隙延伸扩展，体积变形由缩小转为增大， 即发生“扩容”。对应的C点的应力值称为屈服极限。
(4)CD段：岩石中的裂隙加速扩展，显示出宏观破坏的迹象，体积膨胀 加剧。对应的D点的应力值称为强度极限。
计算公式：由弹性力学Boursinesq公式
σt
=
2P πdt
劈裂破坏时最大压力 岩石圆盘试件厚度
岩石圆盘试件直径
①荷载沿轴向均匀分布 要求
②破坏面必须通过试件的直径 注：①端部效应 ②并非完全单向应力
由巴西人Hondros提出
抗弯法（梁的三点弯曲试验）
梁边缘到中性轴的距离
σ t = MC / I 梁截面绕中性轴的惯性矩
岩石应力-应变曲线形态的类型
（1）弹性硬岩(直线型)：弹性、脆性 石英英、玄武岩、坚硬砂岩。
（2）下凹型：弹—塑性 石灰岩、粉砂岩；软化效应。
（3）上凹型：塑—弹性 硬化效应，原生裂隙压密，实体部分坚硬的岩石。 例如：片麻岩。
（4）S型：塑—弹—塑型 多孔隙，实体部分较软的岩石：沉积岩（页岩）
Ee
VV
=
V
V − VV
V
=n 1− n
1.3.4岩石的水理性
岩石与水相互作用时所表现出来的性质。 吸水性 透水性 软化性
抗冻性
1.3.4.1岩石的天然含水率
天然状态下岩石中水的质量与岩石烘干质量比值。 ω = mω × 100 % m rd
1.3.4.2岩石的吸水性
岩石在一定条件下吸收水分的性能称为岩石的的吸水性。
作用在试件上的最大弯矩
①岩石是各向同性的线弹性材料 适用条件 ②满足平面假设的对称面内弯曲
1.4.1.6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 为抗剪切强度。 (shear strength)
单面剪切试验
S0
=
FC A
冲击剪切试验
S0
=
FC 2π ra
双面剪切试验
S0
=
FC 2A
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(下图)
A、B、C三条虚线是三个不同的加载途径，加载途径对岩石 的最终三向压缩强度影响不大。
(3)孔隙水压力对岩石三向压缩强度的影响
孔隙水压力使有效应力（围压）减小, 强度降低
无水
有水
岩石三轴抗压强度与单轴抗压强度的关系：
=
σ εe
EP
=
ε
σ p +εe
σ
岩石试件中的应力，压应力为正值；
εe
非弹性岩石的弹性应变；
εp
塑性应变。
应力——应变全过程曲线
岩石应力——应变全过程可划分为五个阶段：
(1)OA段：该线段的斜率由小变大，表明岩石内裂隙被压密实的过程。 在压密阶段，岩石体积缩小。对应的A点的应力值称为压密极限。
弹性常数与强度的确定
弹性模量国际岩石力学学会（ISRH）建议三种方法
初始模量
E0
=
dσ dε
0
( ) 割线模量 E50 = σ / ε 50
( ) 切线模量 Et = dσ / dε 50
极限强度 σ c
反复循环加载曲线
特点：
①卸载应力越大，塑 性滞理越大（原因： 由裂隙的扩大，能量 的消耗）；
蜡容重 天然容重
1.3.2岩石的比重 Gs
岩石固体部分的重量和40C时同体积纯水重量的比值。
Gs =
岩石固体部分体积
Ws Vs ⋅γ
w
1.3.3岩石的孔隙性
岩石固体部分重量 40C单位体积水重量
岩石的孔隙性系指岩石的孔隙和空隙发育程度。
孔隙率是岩石试件内各种裂隙、孔隙的体积总和对于 试件总体积之比。
β =π +φ 42
液压入口
试件标准：
圆柱形试件：φ4.8－5.2cm (7cm)，高H=（2－3)φ 长方体试件：边长L= 4.8－5.2cm (7cm) , 高H=（2－2.5)L 试件两端不平度0.5mm；尺寸误差±0.3mm；两端面垂直于轴线 ±0.25o
单向压缩试件的破坏形态
破坏形态是表现破坏机理的重要特征； 其主要影响因素：①应力状态 ②试验条件
结构：组成岩石的物质成分、颗粒大小和形状以及 其相互结合的情况。
构造: 组成成分的空间分布及其相互间排列关系 这是影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素。
岩浆岩：强度高、均质性好
岩石按成因分类 沉积岩：强度不稳定，各向异性 变质岩：不稳定与变质程度和原 岩性质有关
岩体=岩块+结构面
岩体
结构面
岩块
破坏形态有两类： （1）圆锥形破坏
原因：压板两端存在摩擦力，箍作用（又称端部效应）， 在工程中也会出现。 （2）柱状劈裂破坏
张拉破坏（岩石的抗拉强度远小于抗压强度） 是岩石单向压缩破坏的真实反映（消除了端部效应）
消除试件端部约束的方法 润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部） 加长试件
影响单轴抗压强度的主要因素
扭转剪切试验
S0
=
16M C π D3
1.4.1.7破坏后强度(post-failure strength)
全应力应变曲线三个用途： 预测岩爆、预测蠕变破坏、预测循环加载条件下岩石的破坏
1.4.2岩石的变形特性