岩石力学与工程岩石物理力学性质

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图2-3 压缩圆柱体的应力分布
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✓ 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。
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（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。
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（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。
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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）
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（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：
2.2.1 岩石的容重
✓
（1）概念
•
岩石的容重：也叫岩石的重力密度，即岩石单位体
积（包括岩石内部孔隙体积）的重量。
•
（2）表达式
（2-1）
式中γ—岩石容重（kN/m3）；W—被测岩样的重量（ kN）；V—被测岩样的体积（m3）。
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（3）容重的分类
根据岩石的含水状态，将容重又可分为：天然容重 、干容重 和饱和容重 。
强制状态：在高压条件下，通常认为水能进入岩石 中所有张开的孔隙和裂隙中，国外采用高压设备测 定岩石的饱和吸水率；国内常用真空抽气法或煮沸 法测定饱和吸水率。
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3.岩石饱水系数 岩石饱水系数kw：是指岩石吸水率与饱水率的比值 ，以百分数表示，即：
（2-15）
（3）岩石的透水性
岩石的透水性是指岩石能被水透过的性能。它的大 小可用渗透系数来衡量，主要决定于岩石孔隙的大 小、方向及其连通情况。
1.天然容重 ：是指岩石在自然条件下，单位体积的 重量。
2.干容重 ：是指试件在105℃～110℃温度下烘干 24小时的试验条件下，岩石孔隙中的液体全部被蒸 发，试件中仅有固体和气体时,单位体积的重量。
3.饱和容重 ：是指试件在浸水48h或抽真空法，使 岩石中的孔隙都被水充填时，单位体积的重量。
（4）测定的试验方法
石、辉石、角闪石等铁镁矿物和基性斜长石，而粘
土矿物、氧化物矿物、氢氧化物矿物和碳酸盐矿物
大量出现；
2）火成岩中长石多于石英，而沉积岩中石英多于长
石，而且长石中是以钾长石为主，酸性斜长石次之
，其它种类长石罕见。
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4
✓ （3）矿物组成对岩石的物理力学性质影响
1）在许多岩浆岩中，其强度随暗色矿物的增加而增加
隙，是岩石的重要结构特征之一。它们对岩石力学
性质的影响基本一致，在工程实践中很难将二者分
开，因此将它们统称为岩石的孔隙性。岩石的孔隙
性通常用孔隙率n表示。
✓
（1）岩石的孔隙率
✓
是指岩石孔隙的体积（Vv）与岩石总体积（V）的
比值，以百分数表示。其公式为：
（2-9）
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✓ （2）岩石的空隙比
✓
岩石孔隙的体积（Vv）与岩石固体体积（
；
2）在沉积岩中，砂岩的强度常随石英相对含量的增加
而增大，石灰岩的强度常随其硅质混合物含量的增加而
增大，随粘土质矿物含量的增加而降低；
3）在变质岩中，任何片状的硅酸盐类矿物、盐岩矿物
将使岩石强度降低；
4）易溶和粘土矿物在水的作用下容易被溶蚀，使岩石
的孔隙度增大，结构变松，强度降低。
5）一些矿物由于其物态变化，使其体积发生膨胀和软
从岩石的破坏模式来看，可分为五种破坏形式，如图2-1所示。
（a）单轴压缩纵向劈裂破裂（b）剪切破坏（c）多重剪切破坏
（d）拉伸破裂（e）由线载荷产生的拉伸破坏
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2.3.2 岩石的单轴抗压强度
➢ （1）定义 岩石的单轴抗压强度是指岩石在单轴压缩载
荷作用下，达到破坏前所能承受的最大压应力 。亦即岩石受轴向力作用破坏时单位面积上所 承受的荷载。即：
氧化物。一般沉积岩仅含5～6种矿物，多数仅含1～
3种。
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3
•
3）变质岩的矿物成分
•
变质岩的矿物成分一方面对原岩有较大的继承性，
另一方面受到变质作用类型和强度的影响，一些矿
物是经变质作用后新生成的矿物 。如：蛇纹石、滑
石 、软玉、硬玉 等。
• （2）沉积岩的矿物成分与火成岩的区别
1）在沉积岩中几乎看不到火成岩中大量出现的橄榄
（2-3）
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3.蜡封法
• 适用条件：本方法适用于不能用量积法或水中称量法 测定其容重的岩石，它既可测出该岩石的干容重也可 测出其天然容重。
• 试验方法：首先选取有代表性岩样在105℃～110℃ 温度下烘干24小时，取出，系上细线，称岩样重量 ，持细线将岩样缓慢浸入刚过熔点的蜡溶液中，浸后 立即取出，检查试样周围的蜡膜，若有气泡应用针刺 破，再用蜡液补平，待试件冷却后称取其重量 ， 然后将蜡封岩样浸没于纯水中称其重量 ，则岩石的 干容重 为：
闪石、辉石、橄榄石、霞石、白榴石、磁铁矿、磷
灰石等十余种，这些矿物约占火成岩总质量的99%
，是火成岩的造矿物（其中：长石占60%以上，其
次是石英）。
•
2）沉积岩的矿物成分
•
沉积岩中已发现的矿物有160余种，主要矿物约20
种，如石英类、长石类、云母类、粘土矿物、碳酸
盐矿物、硫酸盐矿物以及Fe、Mn、Al的氧化物和氢
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2.3岩石的强度特性
2.3.1概述
（1）岩石强度
在研究岩石材料的力学性质时，主要是研究岩石的
强度特性和岩石的变性特性两方面。
1.定义
岩石强度：是指岩石在各种载荷作用下达到破坏时
所能承受的极限应力，即岩石材料在受外载荷作用时
抵抗破坏的能力。
2.分类
岩石的强度主要包括岩石的单轴抗压强度、单轴抗
岩石的比重是岩石固体部分的重量和4℃时 同体积纯水重量的比值，即：
（2-8）
式中， 为岩石的比重； 为体积为V的岩 石固体部分的重量（kN）； 为岩石固体 部分（不包括孔隙）的体积（m3）； 为 4℃时单位体积纯水的重量（kN/m3）。
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➢ 2.2.4岩石的孔隙性
Hale Waihona Puke 天然岩石中包含着数量不等，成因各异的孔隙和裂
化，使岩石强度降低。
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✓ （4）岩石结构类型
✓ 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、形状、排列、结构连结特点 及岩石中微结构面（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。
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2.2 岩石的物理性质
岩石的物理性质是指由岩石固有的物质组成 和结构特征所决定的比重、容重、孔隙率等基 本属性。
（2-4）
式中， ——为蜡的容重（kN/m3）。
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2.2.2 岩石的密度
（1）概念 岩石的密度：即单位体积内岩石的质量。 （2）计算关系式
（2-6）
式中ρ——岩石密度（kg/m3）；W——被测岩样的 质量（kg）；V——被测岩样的体积（m3）。 （3）容重和岩石密度的关系
（2-7）
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2.2.3 岩石的比重
测定岩石的容重可根据岩石的性质和岩样形态采用： 量积法、水中称量法或蜡封法等。
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1.量积法
• 适用条件：凡能制备成规则试样的岩石均宜采用量 积法测定其容重。
• 试验方法：首先测定规则试样的平均断面积A，平 均高度h以及试样的重量G，代入2-2式即得其容重 。若试样重量是自然状态的重量时，即为岩石的天 然容重；若试样重量是在105℃～110℃温度下烘干 24小时后的重量时，则为该岩石的干容重；若是采 用48h浸水法或抽真空法使岩石试件饱和的重量时 ，则为该岩石的饱和容重 。
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• （4）岩石的软化性
岩石浸水后强度降低的性能称为岩石的软化性，通
常用软化系数来衡量。
软化系数 ：是岩样饱水状态的抗压强度 kPa与
自然风干状态抗压强度 kPa的比值，用小数表示
，即
（2-16）
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（5）岩石的抗冻性
岩石抵抗冻融破坏的性能称为岩石的抗冻性，通常 用抗冻系数表示。 岩石的抗冻系数 ：是指岩样在±25℃的温度区间 内，反复降温、冻结、升温、融解，其抗压强度有 所下降，岩样抗压强度的下降值与冻融前的抗压强 度的比值，以百分数表示，即：
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（3）岩石单向压缩荷载作用下的破坏形态
1.圆锥形破坏
圆锥形破坏即X状共轭斜面剪切破坏，其破坏形态如图 2—2(a)所示。破坏面法线与载荷轴线的夹角：
原因：由于试件两端面与试验机承压板之间摩擦力较大 ，所产生的端部效应造成的。在试验加压的过程中， 试件的应力分布如图2—3所示。
图2-2 单轴压缩破坏形态
（2-17）
式中， 为岩样冻融前的抗压强度kPa； 为岩样冻 融后的抗压强度kPa。
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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、缩不均匀而导致 岩石结构的破坏；
②当温度降到0℃以下时，岩石孔隙中的水将 结冰，其体积增大约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。
Vc）的比值，以百分数表示。其公式为：
（2-10） ✓
✓
岩石的孔隙参数可通过压汞试验测得。
孔隙率是衡量岩石工程质量的重要物理性
质指标之一，反映了孔隙和裂隙在该岩石中
所占的百分率，孔隙率愈大，则岩石的孔隙
和裂隙愈多，岩石的力学性能则愈差。
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➢2.2.5 岩石的水理性
岩石的水理性：岩石与水相互作用时所表现的性
图2-4 在刚性承压板之间压缩时岩石端面的应力分布
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30
✓
2.试件尺寸及形状对单向轴抗压强度的影响
1）试件形状的影响
形试件的四个边角会产生很明显的应力集中现象
，因此，目前绝大多数的国家都采用圆柱形的岩石
试件。
2）试件尺寸的影响
试件的强度通常随其尺寸的增大而减小，这就是
岩石力学中被称作的“尺寸效应” 。据研究发现试件
（2-18）
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（2）试验方法
1.实验过程
单轴抗压强度的试验是在带有上、下块承压板的试验机 上进行，按一定的加载速度单向加压直至试件破坏。
2.试件尺寸要求
1）国际岩石力学学会规定
试件标准尺寸为Φ54mm,高径比为2.5～3.0倍。 2）我国的规定
试件尺寸为Φ50×100mm，高度为直径的2.0—2.5倍、 试件两端面的不平整度不得大于0.05mm、在试件的高 度上直径或边长的误差不得大于0.3mm、两端面应垂直 于试件轴线，最大偏差不得大于0.250。
将产生拉伸应力，这也是泊松效应的结果。纵向劈裂
破坏是岩石在单轴压缩载荷作用下的主要表现形式。
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（4）实验条件对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
当承压板刚度很大时，其接触面的应力分布很不均 匀，呈山字型，如下图2-4所示。因此，承压扳(或 者垫块)尽可能采用与岩石刚度相接近的材料，避免 由于刚度的不同而引起变形不协调造成应力分布不 均匀的现象。
岩石力学与工程岩石物理力 学性质
3.变质岩 先以存在的火成岩、沉积岩或变质岩受物理和化学 条件变化的影响改变其结构、构造和矿物成分而形 成的新的岩石。
（2）基本构成
岩石的基本构成是由组成岩石的矿物质成分和 结构两大方面来决定的。
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✓ （1）岩石的主要矿物质成分
•
1）火成岩的矿物成分
•
组成火成岩常见的矿物有：长石、石英、云母、角
（2-2）
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2.水中称量法
• 适用条件：对于规则或不规则形状的岩样进行测量 时都可采用此方法，但对于孔隙率非常发育、遇水 崩解、溶解及干缩湿脹的岩石或岩石干容重时不能 采用此方法。
• 试验方法：首先称量规则或不规则的岩样在浸入纯 水前的重量W，然后再测出岩样在纯水中的重量 , 根据阿基米德原理可得出岩样的体积（V），就可根 据（2-3）式得出该试样的天然容重（γ）或饱和容 重。