1、巖石力學主講教師:王樂華副教授三峽大學土木與建筑學院2011年11月第1章巖石物理力學性質本章內容1.1概述1.2巖石的基本構成和地質分類1.3巖石的物理性質1.4巖石的力學性質1.5影響巖石力學性質的主要因素1.1概述巖石是構成地殼表層巖石圈的主體,巖石呈現明顯的非線性、不連續性、不均質性和各向異性等復雜特性。對原型的研究程度和對模型力學參數取值的可靠性,歸根結底取決于對巖石或巖體的認知能力。必須了解巖石的主要物理性質和力學性質及其影響這些性質的主要因素。1.2 巖石的基本構成和地質分類巖石:由礦物或巖屑在地質作用下按一定規律聚集而形成的自然物體。礦物:存在地殼中的具有一定化學成分和物理性質

2、的自然元素和化合物。結構:組成巖石的物質成分、顆粒大小和形狀以及其相互結合的情況。構造:組成成分的空間分布及其相互間排列關系這是影響巖石力學性質和物理性質的三個重要因素。巖石按成因 分類變質巖:不穩定與變質程度和原巖性質有關巖漿巖:強度高、均質性好沉積巖:強度不穩定,各向異性不連續面:包括節理、裂隙、孔隙、斷面、孔洞、層面VW =巖石容重取決于組成巖石的礦物成分、孔隙發育程度及其含水量。一般地,巖石的容重愈大,其力學性質也愈好,反之則愈差。天然容重干容重飽和容重d w量積法(直接法水中法蠟封法hA g sd =nsd g g g g g 2121=01.01(w d +=干容重105-1100

3、C 烘干24h 重量被測巖樣平均斷面面積被測巖樣平均高度蠟封巖樣質量蠟封巖樣浸沒純水質量蠟容重天然含水率G ws ss V W G =巖石的孔隙性系指巖石的孔隙和空隙發育程度。孔隙率是巖石試件內各種裂隙、孔隙的體積總和對于試件總體積之比。孔隙比是指巖石試件內各種裂隙、孔隙的體積總和與試件內固體礦物顆粒的體積之比。巖石固體部分的重量和40C 時同體積純水重量的比值。巖石固體部分重量0C 單位體積水重量巖石固體部分體積CV V V e /=%100×=s ds V d d V V n WcVVC V C V G n nn VV V V V V V V V V V e /11/=(一孔隙比

4、V V 孔隙體積(水銀充填法求出(二孔隙率V=V C +V Ven 關系巖石與水相互作用時所表現出來的性質。吸水性透水性軟化性抗凍性%100×=rdm m 天然狀態下巖石中水的質量與巖石烘干質量比值。表征巖石的吸水性的指標有吸水率、飽和吸水率、飽水系數巖石能被水透過的性能稱為巖石的透水性。巖石浸水后強度降低的性能稱為巖石的軟化性。c cw c =巖石在一定條件下吸收水分的性能稱為巖石的的吸水性。軟化系數飽水巖樣的抗壓強度自然風干巖樣的抗壓強度%100×=c cfc f c 巖石抵抗凍融破壞的性能稱為巖石的抗凍性。巖石在反復凍融后其強度降低的主要原因(1構成巖石的各種礦物的膨

5、脹系數不同,當溫度變化時,由于礦物的脹、縮不均而導致巖石結構的破壞。(2當溫度降到0時,巖石孔隙中的水將結冰,體積最增大9%,會產生很大的膨脹壓力,使巖石的結構發生改變,直至破壞。抗凍系數巖樣凍融前的抗壓強度巖樣凍融后的抗壓強度1.4 巖石的力學性質巖石強度:巖石在各種荷載作用下達到破壞時所能承受的最大應力。進行巖石力學試驗所選用的試件必須是完整巖樣。峰值強度:是巖石在臨近破壞時具有的最大承載能力。其值可以根據巖石的應力應變全過程曲線上的峰值測出。這一強度稱為極限強度或峰值強度。殘余強度:是巖石在發生破壞后仍然具有的承載能力。其值可以在巖石的應力應變全過程曲線的峰值右側線段所對應的應力值測出。

6、巖石強度不是巖石的固有性質,而是一種指標值。凡是不受試件的形狀、尺寸、采集地、采集人等影響而保持不變的特征,如巖石的顏色、密度等都是巖石的固有性質。試件尺寸試件形狀試件三維尺寸比例寬高比加載速率濕度影響因素巖石的抗壓強度、抗剪強度及抗拉強度:巖石在壓縮、剪切或拉伸應力作用下表現出來的抗破壞能力各不相同,與之對應的強度值分別為抗壓強度、抗剪強度及抗拉強度。 巖石在單軸壓縮荷載作用下達到破壞前所能承受的最大壓應力稱為巖石的單軸抗壓強度。(uniaxial compressive strengthA P c =X 狀共扼斜面剪切破壞單斜面剪切破壞拉伸破壞破壞時最大軸向壓力試件的橫截面積42=+ 液壓

7、入口試件標準:圓柱形試件:4.8-5.2cm (7cm,高H=(2-3長方體試件:邊長L= 4.8-5.2cm (7cm , 高H=(2-2.5L 試件兩端不平度0.5mm;尺寸誤差±0.3mm;兩端面垂直于軸線±0.25o單向壓縮試件的破壞形態破壞形態是表現破壞機理的重要特征;其主要影響因素:應力狀態試驗條件破壞形態有兩類:(1圓錐形破壞原因:壓板兩端存在摩擦力,箍作用(又稱端部效應,在工程中也會出現。(2柱狀劈裂破壞張拉破壞(巖石的抗拉強度遠小于抗壓強度是巖石單向壓縮破壞的真實反映(消除了端部效應消除試件端部約束的方法潤滑試件端部(如墊云母片;涂黃油在端部加長試件 影響

8、單軸抗壓強度的主要因素(1承壓板端部的摩擦力及其剛度(加墊塊的依據(2試件的形狀和尺寸形狀:圓形試件不易產生應力集中,好加工尺寸:大于礦物顆粒的10倍;50的依據高徑比:研究表明;h/d(2-3較合理(3加載速度加載速度越大,表現強度越高我國規定加載速度為0.5 -1.0MPa/s(4環境含水量:含水量越大強度越低;巖石越軟越明顯,對泥巖、粘土等軟弱巖體,干燥強度是飽和強度的2-3倍。溫度度:180以下部明顯:大于180,濕度越高強度越小。 穩定破裂型非穩定破裂型巖石在三向壓縮荷載作用下,達到破壞時所能承受的最大壓應力稱為巖石的三軸抗壓強度。(triaxial compressive stre

9、ngth真三軸假三軸(f f =321, 三軸壓縮試驗的破壞類型 巖石三向壓縮強度的影響因素(1側壓力的影響圍壓越大,軸向壓力越大 (2加載途徑對巖石三向壓縮強度影響(下圖A、B、C三條虛線是三個不同的加載途徑,加載途徑對巖石的最終三向壓縮強度影響不大。 (3 巖石三軸抗壓強度與單軸抗壓強度的關系:a c c S S sin 1sin 1'''+=巖石三軸抗壓強度巖石單軸抗壓強度巖石內摩擦角試驗施加的圍壓 Mohrs strength envelop粘聚力內摩擦角是上世紀發展起來的一種簡便的現場試驗方法。試件:任何形狀,尺寸大致5cm ,不做任何加工。試驗:在直接帶到現

10、場的點荷載儀上,加載劈裂破壞。2/D P I =試件破壞時的極限加載點試件的厚度IR td 96.0=統計公式=15196.0151i it I R 要求:(由于離散性大,每組15個,取均值,即建議:用5cm 的鉆孔巖芯為試件。點荷載示意圖 巖石在單軸拉伸荷載作用下 達到破壞時所能承受的最大拉應力。(tensile strengthA P t t =破壞時最大軸向拉伸荷載試件的橫截面積關鍵技術試件和夾具之間的連接加力P 與試件同心 當缺乏實際試驗資料時,常取巖石抗壓強度的1/201/50為巖石的抗拉強度。巖石抗拉強度與巖性、拉力與弱面的相對方向以及弱面的軟弱程度有關。 巴西試驗法劈裂試驗法dt P t 2=劈裂破壞時最大壓力巖石圓盤試件厚度巖石圓盤試件直徑由巴西人Hondros 提出試件:實心圓柱50mm ;25mm試驗:徑向壓縮破壞(張開計算公式:由彈性力學Boursinesq 公式注:端部效應并非完全單向應力要求荷載沿軸向均勻分布破壞面必須通過試件的直徑抗彎法(梁的三點彎曲試驗I MC t /=作用在試件上的最大彎矩梁邊緣到中性軸的距離梁截面繞中性軸的慣性矩巖石是各向同性的線彈性材料滿足平面