4岩石的物理力学性质 40概述 4岩石的物理力学性质 ■岩石与土： 岩石和士都是组成地壳的基本物质 岩石是由各种造岩矿物或岩屑在地质作用下按一定 规律（通过结晶联结或借助于胶结物粘结）组合而 4.1岩石的物理性质 成物质。岩石矿物颗粒之间存在较强的粘结性。 4.2岩石的强度 土是岩石风化解体后形成的岩石矿物颗粒散体集合 4.3岩石的破坏准则及测试方法 物。土体矿物颗粒之间没有粘结或只有很弱的粘结 4.4岩石的变形 性。 4岩石的物理力学性质 4岩石的物理力学性质 4.0概述 4.0服述 ■结构面与结构体 ■岩石的结构： 在岩体中存在着各种不同的地质界面，这种地质界 是指决定岩石组织的各种特征的总合，通常是指岩 面称为结构面，如层理面、节理面、裂隙和断层等。 石中矿物颗粒的结晶程度，矿物或岩石碎屑颗粒的 由这些结构面所切制或包围的岩体称为结构体。 形状和大小，颗粒之间相互连结状况，以及胶结物 ■岩块：岩块是指从地壳岩层中取出来的，无显著 的胶结类型等特征。 软弱面的岩石块体。如帖孔岩芯， 组成岩石的物质大小差异程度，决定着岩石的 ■岩体：岩体是指天然埋藏条件下大花围分布的、 非均质性。颗粒越均匀，岩石力学性质越均匀。组 由结构面 和结构体组成的地质体 成岩石的物质舞粒越小，一般岩石的强度越大。 广义岩石是岩块和岩体的泛称，狭义岩石专指岩块。 4岩石的物理力学性质 4岩石的物理力学性质 4.0概述 4.0概述 ■煤矿常见岩石结构种类： ■岩石的构造： (1)砾状结构一粒径大于2mm的碎屑胶结物，如酥岩 是指岩石中矿物颗粒集合体之间，以及它与其 （2)砂质结构一粒径变化在2~0.05mm之间的碎屑结构 它组成部分之间的排列方式和充填方 类型，如砂岩。 从矿山岩石力学观点来看，最重要的是以下几种构： (3)粉砂质结构一粒径变化在0.05-0.005mm之间的碎 屑结构类型，如粉砂岩、页岩。 国空州费建一本石的家省产香地会是发精 (4)泥质结构-一粒径小于0.005mm的醉屑结构类型 泥岩、粘土出 层分层价造一者石互相交，表规出层次现来
4岩石的物理力学性质 4岩石的物理力学性质 41岩石的物理性质 41岩石的物理性质 ■岩石的蜜唐 ■岩石的视密度 是指单位体积的岩石（不包括空隙）的质量 是指单位体积的岩石（包括空隙）的质量。 也叫真密度。密度与岩石的空隙及吸水多少无关。 视密度与岩石的空隙和吸水多少有关。 M P= p'= M 密度单位：kgm3. 天然视密度、干视密度、饱和视密度。 岩石的密度一般在2700kgm3左右： 4岩石的物理力学性质 4岩石的物理力学性质 41岩石的物理性质 41岩石的物理性质 ■岩石的孔膝性、孔度（孔率）、孔比 ■岩石的孔性、孔度（孔率）、孔廉比 岩石的孔膝性是指岩石中孔洞和裂隙的发育程度。 孔隙比是指岩石中各种孔洞和裂隙体积的总和与岩 裂隙体积的总和与岩石 石内固体部分实体积之比。 n n ×100% 1-Px1009 e=- 1-n 4岩石的物理力学性质 4岩石的物理力学性质 41岩石的物理性质 4.1岩石的物理性质 ■岩石的碎胀性和压实性 ■岩石的碎胀性和压实性 偿天隆同变和外电荷的作用下会春 碎胀系数比初始破碎时相应 岩石的碎胀性可用岩石破碎后处于松散状态下的 地变小。 体积与岩石破碎前处于整体状态下的体积之比来表示， 岩石的残余醉张性：岩石破碎体压实后的体积与破 该值称为碎胀系数，即： 碎前原始体积之比，称为残余碎张系数。 残余碎胀系数常用K,表示。 K
4岩石的物理力学性质 4岩石的物理力学性质 41岩石的物理性质 4.1岩石的物理性质 ■岩石的吸水性 ■岩石的透水性 岩石的吸水性是抬通水不期解的岩石在 定的试 岩石的透水性是岩石能被水透过的性能 条件下（规定的试样尺寸和试验压力）吸入水分的 岩石的透水性通常用渗透系数K表示。 能力。 达西定律：QKA,即单位时间内的渗水量与 自然吸水性是指试件在大气压力作用下吸入水分的 透面积1和水力坡度/有正比关系，其中的比例系数 质量与试件的干质量之比。， 单位：%。 就称为渗透系数。 强制吸水性是指试件在真空或加压（一般为15MPa) 渗透系数一般是通过在钻孔中进行抽水试验或压水 条件下吸入水分的质量与试件的干质量之比，它也 试验来测定。 称饱和吸水率。 at,单位：%。 4岩石的物理力学性质 !岩石的物理力学性质 41岩石的物理性质 41岩石的物理性质 ■岩石的透水性 ■岩石的软化性 岩石的软化性是岩石浸水后其强度明显降低的现象， 一计 岩石的款化系数是指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之比， 1。= R 4岩石的物理力学性质 4岩石的物理力学性质 41岩石的物理性质 4.1岩石的物理性质 ■岩石的膨胀性和崩解性 岩石的膨胀性是岩石遇水后产生体积增大的现象， 岩石的膨胀性可以用膨胀力和膨胀率表示。 岩石与水进行物理化学反应后，随时间变化会产生 体积大 ,这时使试件体积保持 需要的 压力称为岩石的张应 力 而增大后的体积与原 积的比率称为岩石的膨胀事。膨张性软岩膨胀率甚 至大于35%. ·侧限膨胀仪
4岩石的物理力学性质 4岩石的物理力学性质 41岩石的物理性质 41岩石的物理性质 ■岩石的膨胀性和崩解性 软岩耐崩解指数2〈85% 岩石的解性指岩石与水相互作用时失去粘结性并 变成完全丧失强度而成为松散物质的性能。 岩石的崩解现象是由于水化过程中削西了岩石内部 的结构联络引起的。 。干湿循环测定仪 常见于由可溶盐和粘土质胶结 的沉积岩地层中 ,去角使其近于球啦状 岩石的耐崩解性指数指岩样在承受干燥和湿润两个 称重，格后将圆简支 标准循环之后，岩样对款化和谢解作用所表现出的 抵抗能力。 步就日 数的根据· 不试验规范以第二大干壶循环 岩石的物理力学性质 4.0概述4,1岩石的物理性 4岩石的物理力学性质 岩石与土 要求概念清楚 能指标数量 。岩石的结构与构造 岩石的物 不仅限于此 4.1岩石的物理性质 。岩石的碎胀性和正实性、碎胀系数K。、残余醉张系数K, 42岩石的强度 4.3岩石的破坏准则及测试方法 :石的水桂水、强制水率 4.4岩石的变形 岩石的软化性、软化系数 。岩石的腾胀性与崩解、膨账应力与膨胀率、崩解性指数 4岩石的物理力学性质 4岩石的物理力学性质 41岩石的物理性质 4.1岩石的物理性质 计深 。侧限膨胀仪
4岩石的物理力学性质 4岩石的物理力学性质 41岩石的物理性质 42岩石的强度 软岩耐崩解指数12(85% 1岩石的强度与极限强度 岩石抵抗外力破杯的能力/承受外力作用的能力，即岩石强 所能承受的最大载荷 载荷，用单位而 积表示则称为《损限)强度。 。干湿循环测定仪 单位，MPa(即MNm2) 选10块岩石试样，每块顶量4060 磨去梭角使其近于球控状 派生出：单轴抗压抗拉抗剪强度、三轴抗压抗拉抗剪强度、 瞬时强度、长时强度等。 4岩石的物理力学性质 4岩石的物理力学性质 42岩石的强度 42岩石的强度 2岩石强度与岩体强度 3岩石的破坏形式 岩石强度与结构 (1)脆性破坏 面强度组合关系 特点：破坏前没有显著变形（突然性）。 原因：可能是岩石中裂隙的发生和发展的结果。 木桶理论！ 规律性坚硬岩 石在一定的条件下都表现出脆性 破坏的性质 4岩石的物理力学性质 4岩石的物理力学性质 4.2岩石的强度 42岩石的强度 3岩石的破坏形式 3岩石的破坏形式 (2)延性（塑性）破坏 (3)弱面剪切破坏 特点 破环前有显著变形， 特点：沿结构面滑动 原因 岩石内结晶晶格错位 原因：药面切饭坏 的结果。 规律性：显存在弱面的岩 规律性：软弱岩石常表现出 体经常表现为弱面剪切破坏 延性破坏的性质。 的性质。 (d) (e
4岩石的物理力学性质 4岩石的物理力学性质 41岩石的强度 41岩石的强度 3岩石的破坏形式 4岩石的单向抗压强度 岩石的破坏形式取决于： 岩石试件在单轴压力下（无 (1)岩石的性质与结构面性质： 圈压，只轴向加压力)抵抗 (2)岩石受力状态有关： 破坏的极限能力，或极限 (3)岩石环境条件。 强度，它在数值上等于破 坏时的最大压应力。RC (应用最广) 4岩石的物理力学性质 4岩石的物理力学性质 41岩石的物理性质 42岩石的强度 4岩石的单向抗压强度 4岩石的单向抗压强度 口标准岩石单向抗压强度实验 口点载荷强度测定法： (1)试件：圆柱体，0-=5cm,H10cm,不少于3块 (2)加载速率：0.5~1.0MPa/s。 (3)抗压强度计算： Rc=22.8210 通黛尝石的点趣荷指器要比黄规道触抗压强度小得考。 A 岩石的点戴荷指数可以作为独立的岩石强度特性指标应用 可以通过某种公式换算为常规单抽抗压程度 4岩石的物理力学性质 4岩石的物理力学性质 42岩石的强度 42岩石的强度 4岩石的单向抗压强度 5岩石的单向抗拉强度 口岩石抗压强度的主要影响因素： 岩石试件在单轴拉力作用下抵抗破坏的极限能力 份大 或极限强度，它在数值上等于破坏时的最大拉应 力。Rt 尝石的抗拉超度远小于抗压强度。岁石直接进行 抗拉强度的试酸比较，目前大多进行各种各 R.=(R.)oD 样的间接试验，再用理论公式出抗拉强度
4岩石的物理力学性质 4岩石的物理力学性质 42岩石的强度 42岩石的强度 5岩石的单向抗拉强度 6岩石的单向抗剪强度 跨裂法可行性？ 口岩石抗剪强度 优点/缺点？ 岩石抵抗剪切破坏（滑动）的能力，岩石试件受到 即试件剪断时 岩石抗剪强度是岩石力学中需要研究的最重要特 性之一，往往出抗压和抗拉强度更有意义。 直楼抗拉试验法 劈表法试验法（加数速率0.5MPs) 4岩石的物理力学性质 4岩石的物理力学性质 4.2岩石的强度 42岩石的强度 6岩石的单向抗剪强度 6岩石的单向抗剪强度 标准试件尺寸5×5x5cm P N=P(cosa+fsina) 无法向力有法向力 对结构面对弱面 Q=P(sina-fcosa) 抗切装度抗剪强度摩擦强度 重剪强度 (cosa+fsin a) 岩石剪切试验乙 加方式及强度结征 a一抗切试验：一抗剪断试验。率擦试验：4重剪试验 澳形剪切试验法 (sin a-f cosa 4岩石的物理力学性质 4岩石的物理力学性质 42岩石的强度 42岩石的强度 6岩石的单向抗剪强度 7岩石的三向抗压强度 岩石试件在三轴压应力作用下所能抵抗的最大 T-c4g-It9 响晓密瓷大主应力01，称为者石的 岩石的三轴抗压强度通常是在轴对称应力组合 方式的三轴应力条件下，利用岩石三轴应力试 验机测定的。 提形算切试验姑果 岩石的抗剪断曲线 =C+o.tgo C一内力，MPa: 一内摩角，°（见表49）
4岩石的物理力学性质 4岩石的物理力学性质 42岩石的强度 42岩石的强度 7岩石的三向抗压强度 7岩石的三向抗压强度 三轴试验装置 3球面底座 4压力液进口 Rxc=A 注意单位1 MTS岩石力学刚性伺服机 4岩石的物理力学性质 4.2岩石的强度 】岩石的三向抗压强用 4岩石的物理力学性质 4.1岩石的物理性质 42岩石的强度 4,3岩石的破坏准则及测试方法 岩石的三精轨压强度 4.4岩石的变形 与国压关系 P/0 1MPa 4岩石的物理力学性质 4岩石的物理力学性质 4.3岩石的破坏准则及测试方法 43岩石的破坏准则及测试方法 岩石处于简单的受力情况时 岩石的破坏准则概念 如单一的拉伸、压缩或纯剪切 岩石中任一点的应力、应变增长到某一极限时，该点就要发 应力状态，材料的危险点可由 生破坏，用以表征岩石破坏条件的应力状态与岩石强度参最 简单的 (也酸环据failure 纯剪试验等)。这时，被环 准则（即破坏标准）的建立可 没有困难。 力”关系。 但是，在复杂应力状态下怎样 PI-O 破坏准则应该与坐标无关，故通带用坐标不变量表示。常见 算是破环呢？1 岩石的三轴抗压强度 的坐标不变量有主应力、应力不变量或应力偏量不变量等。 与围压关系
4岩石的物理力学性质 4岩石的物理力学性质 43岩石的破坏准则及测试方法 43岩石的破坏准测及测试方法 2莫尔(ohr)理论与莫尔库仑准则（用的最多） 2莫尔(ohr)理论与莫尔库仑准则 口莫尔强度理论：(1900) 单元体中任意截面上的应力 莫尔强度理论建立在试验数据统计分析的基础上， a1 可以用四 认为：材料内某一点的破坏主要决定于它的最大主 相平面上的应力， 应力c和最小主应力，而与中间主应力无关：当 岩体中某一平面上的剪应力超过该面上的极限剪应 力时，岩石就破坏。而这一极限剪应力又是作用 在该面上的法向压应力σ的函数，即： 向成 力 t平面Mohr应力 4岩石的物理力学性质 岩石的物理力学性质 43岩石的破坏准则及测试方法 43岩石的破坏准则及测试方法 2莫尔(Mohr)理论与莫尔库仑准则 2莫尔("ohr)理论与莫尔-库仑准则 多个极限应力圆上的破 口Mohr-Coulumb莫尔-库仑强度准则 该准则是以其尔强度理论为指 导，在库仑公式基础上导出的： 包 严分 数学表达式：tc+otano 线形强度曲线和双曲线 亮年仑爱宜准则关于岩石玻坏价 形强度曲线三类。 库仑强度直将 σ平面极限应力圆的包络线 4岩石的物理力学性质 4岩石的物理力学性质 43岩石的破坏准则及测试方法 43岩石的破坏准则及测试方法 2蓝尔("hr)理论与慧尔-库仑准列 1+sing an◆= 2莫尔(ohr)理论与莫尔-库仑准则 1-sin 口用σ1、G表示的莫尔库仑强度准则 a++-cos'a R.-2c-cos 口用、表示的莫尔库仑强度准则 e-cos 例：某砂岩C=20MPa,p=45,计算不同侧向应力o sin a R.- 】+sin 条件下该砂岩的抗压强度σ 最大主皮力 向与清动面夹角为 a-45+号 m=+se-+sm4g=5.8 1-sin 1-sin 45 -1650125102030 2c.coso 1+sino 096.6102.41083125.8154.9213.2271.5 1-sino 1-sin o
4岩石的物理力学性质 4岩石的物理力学性质 43岩石的破坏准则及测试方法 43岩石的破坏准测及测试方法 2莫尔(ohr)理论与莫尔-库仑准则 3格里菲思(Griffith)理论 拉应力准则 口莫尔库仑强度准则应用特点 口Gif衔th关于岩石破坏的观点 材料内部存在着许多细微裂隙 三向等压不破坏现象 在力的作用下，只要裂隙方位合适，裂隙的边壁上 较全面反映了岩石强度特性 会出现很高的拉 缺点 便于应用，】 A帮不假德石动数8 理论得出的 袖抗拉强度远大于实际值， 旦这种拉应力超过材料的局部抗拉强度，在这 张开裂隙的边壁上开始破裂： 破坏往往从缝端开始，裂继扩展，最后导致材料 的完全破坏。 4岩石的物理力学性质 4岩石的物理力学性质 43岩石的破坏准则及测试方法 43岩石的破坏准则及测试方法 3格里菲思(Grif什ith)理论 3格里菲思(Griffith)理论 口Gth材料微裂隙受力模形 G价th材料微裂破受力 1111111 处理 状和囊平面内的应力的影响 可以忽略不计。（平面间题） 111111i1 张开裂隙可以简化为剂圆形状 椭圆形张开裂隙模型 4岩石的物理力学性质 4岩石的物理力学性质 4.3岩石的破坏准则及测试方法 43岩石的破坏准则及测试方法 3格里菲思(Griffith)理论 3格里菲思(Griffith)理论 口Griffith材料徽裂隙受力模型 口Griffith材料微裂隙受力模型 >椭圆裂隙参数方程： >椭圆袭像壁上切向应力方程（英格 x=acosa,y=bsina 里斯公式)： c,{m(m+2os'a+G,相+2m)in'a-oas a+于，2l+sin@ m=b a+sin'a 因为要缝很获小，即轴比m根小，所以最大的拉应力显然发生在 靠近椭圆裂陳的端点处，也成是说，发生在α角很小的地方。 取a+0,有sina→a,cosa+1,代入上式并整理得： 椭圆形张开裂障横型 a.-2(o.m+t.a) 关键是求取，最大的位置！