矿山岩石和岩体的力学属性

认为耐冻
渗透系数K cm/s
K=Q/AI Q为单位时间渗透水量 A为渗透面积 I为水力坡度 K一般是通过钻孔中进行抽水试验或压水试验测定。 抗冻系数
Cf=(σc-σcf)/ σc×100% σc—岩样冻融前 σcf —岩样冻融后
3、软化特性
软化系数
ηc=RcW/Rcd<=1 研究ηc对于高压注水软化顶板具有重要意义0.45-0.9
一般实验机很难获得上述全过程
曲线，而只有C段以前的曲线。见右 图。
原因：普通实验机的刚性较小。对
σ
C B
试件加载过程中，自身变形较大，积
蓄了大量的变形能，当试件达到强度
A
极限后，承载能力下降，压力机内的 O
τ
变性能突然释放，施加于试件上，导
致试件突然破裂，常伴有炸裂的响声
和碎块飞出。
（2）岩石强度特征 三向抗压>双向抗压>单向抗压>抗剪>抗拉
由结构特性（颗粒大小，胶结性质）决定了岩石的非均质性 由构造特性（多孔，层理）决定了岩石非连续性与各向异性
三、岩石的基本概念及物理性质
物理性质是岩石重力性与结构性质统一
1、重力性
密度 ρ kg/m3 ρ=Ms/Vs 视密度 ρ/ kg/m3
依含水、孔隙状态不同：
天然ρ/=M/V；
干ρ/d=Ms/V ， 岩石100℃～110℃下干燥24h后的密度； 饱和ρ/sat=(Ms+Mv)/V 岩石吸水饱和状态下的密度； 注：
4、碎胀特性
碎胀系数
Kp=V//V>1 Kp与岩石紧硬度，破碎块度及排列状态有关 残余碎胀系数：
Kp/=V///V>1 V//与岩石本身性质，外加荷载大小及经历时间长短有关 研究Kp,Kp/对于采场顶板管理具有重要意义
2.2 岩石的破坏机理和强度理论
2.2.1 岩石的破坏机理
（1）岩石的应力应变全过程曲线
第二章 矿山岩石和 岩体的力学属性
2.1岩石的基本概念及物理性质
一、岩石的一般概念 岩石是矿物的集合体，具有一定的结构与构造 二、岩石的基本分类
按成因：岩浆岩，沉积岩，变质岩 按结构： 按矿物颗粒联系方式：固结性，粘结性，散粒状；流动状 按矿物颗粒大小：砾岩；砂岩；页岩，粉砂岩，泥岩，粘土 按构造：整体状；多孔状，层状 按坚实性：坚硬岩石（Rc>=50MPa）；松软岩石(Rc<50MPa） 注：
l0－试件原长度；l－变形后长度；p－压力；
A0－试件原断面积。
P
P A0
l0
l
f ()
l
l0
l0
σ
C
B
A
O
εp
εe
Baidu Nhomakorabea
ε
D
τ
OA段：原始岩石内的空隙压密阶段； AB段：线弹性变形阶段，B点为弹性极限； BC段：裂隙产生和扩展阶段，呈现弹塑性变形，C点为 强度极限，用Rc表示； CD段：残余承载阶段，即岩石受载虽然已过强度极限， 但仍具有部分承载能力，到达D点岩石才完全破坏。
2.2.2 岩石的强度理论
岩石的强度理论：研究岩石在复杂应力作用下破坏的原因、规 律及建立破坏的判据。目前已提出了很多种强度理论，但在目前岩 石工程中常用的有两种：莫尔－库仑强度理论和格里菲斯强度理论。
（1）莫尔－库仑强度理论
莫尔（Mohr）强度理论认为（1900）：固体材料发生破坏的主 要原因是由于破坏面上的剪力达到一定限度。这个剪力除了与材料 本身的性质有关外，还与破坏面上的正应力造成的摩擦阻力有关。 例如，某一点材料发生破坏，不仅取决于该点的剪应力，同时也取 决于该点的正应力。因此，岩石沿某一个面剪断时所需要的剪应力 与该面上的正应力存在某种函数关系：
C、 －岩石的内聚力和内摩擦角
这一公式是由库仑（Coulomb）1773年提出的， 后由莫尔用新的理论加以解释，故上式称为莫尔－库仑强 度理论。由上式可得出如下关系：
f ( )
该式为莫尔提出的一般形式，也称为莫尔强度理论的普遍形式。 具体应用中，要通过试验确定其具体形式。一般的试验方法就是做大 量的单向拉、单向压，不同围压下的三轴压试验，得到不同的莫尔圆， 然后给出莫尔应力圆的包络线。
τ σ1
τ=f（σ）
极限莫尔圆
σ3
σ3
σ3
σ1
σ
σ1
强度曲线的作用：
（1）判断岩石试件是否发生剪切破坏，由某一面上的 f ( ) 做出应力圆可判断试件发生破坏否。 （2）判断破坏面方向：通常 45
❖
一般情况下，岩石的密度ρ》岩石的视密度ρ/
❖
可根据视密度ρ /换算出岩石的容重γ(kN/m3)
❖
岩石密度ρ测定一般用研磨法；岩石视密度ρ/测定一般用蜡封法
2、结构特性 孔隙率 n n=(Va+Vw)/V=(V-Vs)/V=(1-ρ/d/ρ) ×100% 一般n增加，ρ/下降，γ下降，塑变增加，透水性增加 孔隙比 e
2）剪破坏：加压板与试件端面有摩擦力较大时，产 生剪切破坏（一组或几组剪切面）。
3）塑性流动破坏：加压板与试件端面有很大摩擦力 时，试件二端面变形受到强阻碍时，出现了多组剪切面， 试件会逐渐缓慢地膨胀成桶形。最后因塑性流动而导致破 坏。该破坏形式是岩石颗粒产生微小剪切滑移的结果，仍 是一种剪应力造成的剪切错动。
2
（3）Rt Rc（抗拉强度小于抗压强度） 在岩石力学和工程设计中，为了计算岩石强度，必须给出相
应的关系式，莫尔没有给出 f ( ) 的具体关系式，有人提出 二次曲线或摆线等。但为了便于计算，当正压力加大时（ ） 10Mpa 通常采用斜直线作为强度曲线，即：
C tg
、 －分别为破坏面上的剪应力和正应力
e=吸(V水a+率Vwω)/Vs=(V-Vs)/V=(Va+Vw)/(V-(Va+Vw))=n/(1-n) 按吸入水份能力 自然：ω=Mw/Ms×100%（大气压作用下） 强制：ωsat=Mvs/Ms×100%真空或加压（15MPa） 饱和系数Ks=ω/ωsat 工程上，一般用ω来评价岩石抗冻性能，ω<0.5%时，
（3）岩石破坏机理 岩石在外力作用下，首先产生不同形式的变形，继而产生微裂隙和破 裂，裂隙扩展到一定阶段，岩石破坏。岩石破坏的基本形式如下：
压裂破 坏无约 束
压剪破坏 有侧向约 束
塑性流动破坏 强的侧向约束
1）压裂破坏：加压板与试件端面间摩擦阻力小时， 试件横向变形，变形量达到变形极限时，试件拉裂，形成 平行于加压方向的拉裂缝，试件破坏原因为拉裂破坏。