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1、第1章岩石的基本物理力学性质1本讲稿第一页，共三十七页2本讲稿第二页，共三十七页岩石和岩体的差别与联系岩石和岩体的差别与联系3本讲稿第三页，共三十七页岩块岩块岩块岩块非连续面非连续面非连续面非连续面联合作用联合作用联合作用联合作用岩体特性岩体特性岩体特性岩体特性理论背景理论背景理论背景理论背景试验基础试验基础试验基础试验基础岩块研究岩块研究岩块研究岩块研究成果丰硕成果丰硕成果丰硕成果丰硕采样采样采样采样试验设备试验设备试验设备试验设备4本讲稿第四页，共三十七页课程章节调整课程章节调整q岩石物理力学性质岩石物理力学性质q岩石的本构模型与强度理论岩石的本构模型与强度理论q岩体力学性质岩体力学性质q
2、地应力地应力q三大岩石工程三大岩石工程-洞、坡、基洞、坡、基5本讲稿第五页，共三十七页 岩石的物理性质岩石的物理性质（Physical Properties of rocks)Physical Properties of rocks)物理性质物理性质水理性质水理性质容重容重空隙性空隙性吸水性吸水性抗冻性抗冻性软化性软化性透水性透水性比重比重6本讲稿第六页，共三十七页岩石的力学性质岩石的力学性质（Mechanical Properties of rocks)Mechanical Properties of rocks)强度性质强度性质变形性质变形性质破坏形式破坏形式强度指标强度指标全应力应变曲线
3、全应力应变曲线弹性、塑性、粘性弹性、塑性、粘性变形参数变形参数在外载作用下，当岩石内部的在外载作用下，当岩石内部的应力达到或超过某一极限时，应力达到或超过某一极限时，岩石就发生破坏岩石就发生破坏7本讲稿第七页，共三十七页岩石脆岩石脆-延转换延转换8本讲稿第八页，共三十七页9本讲稿第九页，共三十七页岩石的强度性质岩石的强度性质（Rock strength)Rock strength)岩石发生破坏时，变形很小，明显声响，一般发生在单轴或低岩石发生破坏时，变形很小，明显声响，一般发生在单轴或低岩石发生破坏时，变形很小，明显声响，一般发生在单轴或低岩石发生破坏时，变形很小，明显声响，一般发生在单轴或低
4、围压坚硬岩石围压坚硬岩石围压坚硬岩石围压坚硬岩石 。q q 脆性破坏脆性破坏脆性破坏脆性破坏 破坏时，变形较大，有明显的破坏时，变形较大，有明显的破坏时，变形较大，有明显的破坏时，变形较大，有明显的“剪胀剪胀剪胀剪胀”效应，一般发生在效应，一般发生在效应，一般发生在效应，一般发生在较软弱岩石或高围压坚硬岩石。较软弱岩石或高围压坚硬岩石。较软弱岩石或高围压坚硬岩石。较软弱岩石或高围压坚硬岩石。q 延性破坏延性破坏岩石破坏类型岩石破坏类型（1）拉破坏）拉破坏）拉破坏）拉破坏（2 2）压剪破坏）压剪破坏）压剪破坏）压剪破坏10本讲稿第十页，共三十七页岩石的单轴抗压强度岩石的单轴抗压强度 概念：岩石试
5、件在单轴压力（无围压而轴概念：岩石试件在单轴压力（无围压而轴向加压力）下抵抗破坏的极限能力或极限强度，向加压力）下抵抗破坏的极限能力或极限强度，数值上等于破坏时的最大压应力。数值上等于破坏时的最大压应力。意义：衡量岩块基本力学性质的重要指标；岩意义：衡量岩块基本力学性质的重要指标；岩体工程分类、建立岩体破坏判据的重要指标；用体工程分类、建立岩体破坏判据的重要指标；用来大致估算其他强度参数来大致估算其他强度参数。11本讲稿第十一页，共三十七页单轴压缩试验岩样破坏基本形式单轴压缩试验岩样破坏基本形式 破裂角破裂角12本讲稿第十二页，共三十七页岩岩 石石 种种 类类抗抗 压压 强强 度度(MPa)岩
6、岩 石石 种种 类类抗抗 压压 强强 度度(MPa)粗玄岩粗玄岩196343石英片岩石英片岩69178辉长岩辉长岩177294云母片岩云母片岩59127闪长岩闪长岩177294凝灰岩凝灰岩59167玄武岩玄武岩147294千枚岩千枚岩49196石英岩石英岩147294片麻岩片麻岩49196花岗岩花岗岩98245石灰岩石灰岩29245流纹斑岩流纹斑岩98245砂砂 岩岩19.6196大理岩大理岩98245泥灰岩泥灰岩1298板板 岩岩98196页页 岩岩9.898白云岩白云岩78245煤煤4.949岩石单轴抗压强度岩石单轴抗压强度 13本讲稿第十三页，共三十七页岩石的抗拉强度岩石的抗拉强度 概念
7、：概念：岩石的抗拉强度岩石的抗拉强度是指岩石试件在单是指岩石试件在单向拉伸条件下试件达到破坏的极限值，它在数值向拉伸条件下试件达到破坏的极限值，它在数值上等于破坏时的最大拉应力。上等于破坏时的最大拉应力。意义：衡量岩体力学性质的重要指标；用来意义：衡量岩体力学性质的重要指标；用来建立岩石强度判据，确定强度包络线；选择建筑建立岩石强度判据，确定强度包络线；选择建筑石材不可缺少的参数石材不可缺少的参数 14本讲稿第十四页，共三十七页常见岩石的抗拉强度常见岩石的抗拉强度 岩石名岩石名岩石名岩石名称称称称抗拉强度抗拉强度抗拉强度抗拉强度（MPaMPa）岩石名岩石名岩石名岩石名称称称称抗拉强度抗拉强度抗
8、拉强度抗拉强度（MPaMPa）岩石名称岩石名称岩石名称岩石名称抗拉强度抗拉强度抗拉强度抗拉强度（MPaMPa）辉长岩辉长岩辉长岩辉长岩15361536花岗岩花岗岩花岗岩花岗岩725725页岩页岩页岩页岩210210辉绿岩辉绿岩辉绿岩辉绿岩15351535流纹岩流纹岩流纹岩流纹岩15301530砂岩砂岩砂岩砂岩425425玄武岩玄武岩玄武岩玄武岩10301030闪长岩闪长岩闪长岩闪长岩10251025砾岩砾岩砾岩砾岩215215石英岩石英岩石英岩石英岩10301030安山岩安山岩安山岩安山岩10201020灰岩灰岩灰岩灰岩520520大理岩大理岩大理岩大理岩720720片麻岩片麻岩片麻岩片麻岩5
9、20520千枚岩、千枚岩、千枚岩、千枚岩、片岩片岩片岩片岩110110白云岩白云岩白云岩白云岩15251525板岩板岩板岩板岩71571515本讲稿第十五页，共三十七页岩石的抗剪强度岩石的抗剪强度基本概念基本概念正应力条件下施加剪切力，岩石能抵抗的正应力条件下施加剪切力，岩石能抵抗的最大剪力最大剪力q q 岩石的抗剪断强度岩石的抗剪断强度岩石的抗剪断强度岩石的抗剪断强度 完整岩块、岩石被剪断时，表现出的完整岩块、岩石被剪断时，表现出的完整岩块、岩石被剪断时，表现出的完整岩块、岩石被剪断时，表现出的“抵抗剪切破坏抵抗剪切破坏抵抗剪切破坏抵抗剪切破坏”的强度。的强度。的强度。的强度。q 结构面的抗
10、剪强度结构面的抗剪强度结构面的抗剪强度结构面的抗剪强度 岩石沿原生结构面或已被剪断的破裂面，剪切滑动时岩石沿原生结构面或已被剪断的破裂面，剪切滑动时岩石沿原生结构面或已被剪断的破裂面，剪切滑动时岩石沿原生结构面或已被剪断的破裂面，剪切滑动时的的的的“摩擦阻力摩擦阻力摩擦阻力摩擦阻力”16本讲稿第十六页，共三十七页17本讲稿第十七页，共三十七页优点：优点：优点：优点：简单方便、无需特殊设备，采简单方便、无需特殊设备，采简单方便、无需特殊设备，采简单方便、无需特殊设备，采用普通岩石压力机即可。用普通岩石压力机即可。用普通岩石压力机即可。用普通岩石压力机即可。缺点：缺点：缺点：缺点：试件较小，不易反
11、映岩石裂缝、层理等结构面；剪试件较小，不易反映岩石裂缝、层理等结构面；剪切面上的受力不均匀等。切面上的受力不均匀等。q q 直剪试验直剪试验直剪试验直剪试验18本讲稿第十八页，共三十七页q 角模压剪试验角模压剪试验角模压剪试验角模压剪试验 采用不同的采用不同的角进角进行试验，则每个行试验，则每个对应对应一组一组和和f。19本讲稿第十九页，共三十七页q 三轴压缩试验三轴压缩试验三轴压缩试验三轴压缩试验试验步骤试验步骤先将试件施加侧压力先将试件施加侧压力3逐渐增加垂直压力逐渐增加垂直压力1；试件破坏，得到大主应力试件破坏，得到大主应力1，即获破坏应即获破坏应力圆；力圆；改变侧压力改变侧压力3，获得
12、对应的，获得对应的1，和破坏应力和破坏应力圆；圆；20本讲稿第二十页，共三十七页真三轴试验真三轴试验常规三轴试验（伪三轴）常规三轴试验（伪三轴）试样为立方体试样为立方体试样为圆柱体试样为圆柱体21本讲稿第二十一页，共三十七页q 三轴压缩试验三轴压缩试验 绘制试验对应绘制试验对应1和和3的应力圆（或称莫尔圆），以及这的应力圆（或称莫尔圆），以及这些应力圆的包络线，即求得岩石的抗剪强度曲线。些应力圆的包络线，即求得岩石的抗剪强度曲线。q 三轴压缩试验三轴压缩试验三轴压缩试验三轴压缩试验试验结果整理试验结果整理试验结果整理试验结果整理22本讲稿第二十二页，共三十七页单轴压缩下的变形单轴压缩下的变形O
13、A：孔隙裂隙压密段：孔隙裂隙压密段AB：弹性变形段：弹性变形段BC：微破裂稳定发展阶段：微破裂稳定发展阶段CD：累计性破裂阶段：累计性破裂阶段D点以后：破裂后阶段点以后：破裂后阶段屈服点典型的应力典型的应力-应变曲线应变曲线弹性模量：弹性模量：泊松比：泊松比：常温常压下岩石的典型应力一应变曲线常温常压下岩石的典型应力一应变曲线23本讲稿第二十三页，共三十七页3）体积不变阶段）体积不变阶段4）扩容阶段）扩容阶段岩石的扩容岩石的扩容岩石变形性质-体积变形岩石在荷载作用下发生破坏之前产生体积膨胀大于体积压缩的非线性体积变形岩石在荷载作用下发生破坏之前产生体积膨胀大于体积压缩的非线性体积变形1）体积弹
14、性压缩阶段）体积弹性压缩阶段2）体积微破裂压缩阶段）体积微破裂压缩阶段24本讲稿第二十四页，共三十七页含水率弹模弹模或含水率泊松比泊松比体积模量：体积模量：剪切模量：剪切模量：拉梅常数：拉梅常数：岩石的变形指标岩石的变形指标25本讲稿第二十五页，共三十七页1.5 影响岩石力学性质的主要因素围压水温度加载速度（应变率）26本讲稿第二十六页，共三十七页随着围压的增加，岩石抗压强度显著提高，随着围压的增加，岩石抗压强度显著提高，岩石的变形显著增大，岩石的弹性极限显著岩石的变形显著增大，岩石的弹性极限显著增大，岩石的应力增大，岩石的应力-应变曲线形态发生明显改变，应变曲线形态发生明显改变，岩石的塑性增
15、大，逐渐由脆性转化为延性，出现应变岩石的塑性增大，逐渐由脆性转化为延性，出现应变硬化硬化三轴压缩下的变形三轴压缩下的变形围压对岩石力学性质的影响围压对岩石力学性质的影响岩石由脆性向塑性转化的临界围压称岩石由脆性向塑性转化的临界围压称为转化压力，其值与岩石强度和温度为转化压力，其值与岩石强度和温度有关。有关。27本讲稿第二十七页，共三十七页水对岩石力学性质的影响水对岩石力学性质的影响（1）结合水产生的软化、润滑与水楔作用，使得岩石内粒）结合水产生的软化、润滑与水楔作用，使得岩石内粒间粘结力降低。间粘结力降低。（2）自由水的孔隙压力作用和溶蚀、潜蚀作用。）自由水的孔隙压力作用和溶蚀、潜蚀作用。（3
16、）孔隙水压力。孔隙水压力的增大可能导致颗粒）孔隙水压力。孔隙水压力的增大可能导致颗粒间压应力降低，降低岩石有效应力，造成抗剪强度下间压应力降低，降低岩石有效应力，造成抗剪强度下降。降。（4）冻融胀缩作用。孔隙、微裂隙中的水在冻融时的）冻融胀缩作用。孔隙、微裂隙中的水在冻融时的胀缩作用对岩石力学强度破坏很大。胀缩作用对岩石力学强度破坏很大。28本讲稿第二十八页，共三十七页1）温度引起岩石矿物相变对岩石岩性产生影响；）温度引起岩石矿物相变对岩石岩性产生影响；2）由于温度的变化在岩石内引起热应力的变化；）由于温度的变化在岩石内引起热应力的变化；3）温度条件下岩石孔隙和微裂隙中水的性态改变（如发生相变
17、）引起）温度条件下岩石孔隙和微裂隙中水的性态改变（如发生相变）引起岩石渗流场、应力场和变形场的耦合变化。岩石渗流场、应力场和变形场的耦合变化。温度对岩石力学性质的影响温度对岩石力学性质的影响29本讲稿第二十九页，共三十七页温度的影响温度的影响高温变形模量降低，屈服点降低，峰值强度降低变形模量降低，屈服点降低，峰值强度降低延性增加，破坏后区的应力应变曲线由应变软化型向应变硬化型转化延性增加，破坏后区的应力应变曲线由应变软化型向应变硬化型转化30本讲稿第三十页，共三十七页低温处于处于0以下冻结状态的岩石，由于其孔隙水、微裂隙水冻结成冰，冻结力的存在增强了岩石颗粒之间以下冻结状态的岩石，由于其孔隙水
18、、微裂隙水冻结成冰，冻结力的存在增强了岩石颗粒之间及裂隙隙端处的连结力，因而岩石强度显著增高。及裂隙隙端处的连结力，因而岩石强度显著增高。危害：岩石中冰体的形成和发育，在裂隙、孔隙中产生巨大的冻胀力，导致孔隙、裂隙危害：岩石中冰体的形成和发育，在裂隙、孔隙中产生巨大的冻胀力，导致孔隙、裂隙张开扩展，岩石内部微结构损伤、破坏，产生冻胀变形。张开扩展，岩石内部微结构损伤、破坏，产生冻胀变形。温度的影响温度的影响31本讲稿第三十一页，共三十七页加载速率对岩石力学性质的影响加载速率对岩石力学性质的影响加载速率越快，加载速率越快，测得的变形模量和强度越测得的变形模量和强度越高高岩石破坏后区的应力应岩石破
19、坏后区的应力应变曲线也由应变软化型向变曲线也由应变软化型向应变硬化型转化应变硬化型转化32本讲稿第三十二页，共三十七页灰岩灰岩 围压围压500MPa温度恒定，但温度恒定，但应变率变化应变率变化玄武岩玄武岩 围压围压500MPa应变率恒定，但应变率恒定，但温度变化温度变化 温度不变温度不变缓慢加载缓慢加载加载不变加载不变温度升高温度升高同一个力学松弛行为，具有等效性同一个力学松弛行为，具有等效性33本讲稿第三十三页，共三十七页应力应变应变应力温度温度=20200 500 800 应变率应变率=10-3 s-110-4 s-110-6 s-110-7 s-1在一定应变率下:在一定温度下:温度效应时
20、间效应升高温度升高温度=延长时间延长时间34本讲稿第三十四页，共三十七页 所谓岩石的时温等效是指，岩石在较高温度较短时间内的力所谓岩石的时温等效是指，岩石在较高温度较短时间内的力学性质和力学行为，与其在较低温度较长时间内的力学性质和力学性质和力学行为，与其在较低温度较长时间内的力学性质和力学行为等效，即时间尺度对岩石的力学性质和力学行为的影响可学行为等效，即时间尺度对岩石的力学性质和力学行为的影响可以等效为温度尺度的影响。以等效为温度尺度的影响。因而可以方便地在短时间内通过高温试验和理论分析科学地预测岩石因而可以方便地在短时间内通过高温试验和理论分析科学地预测岩石长期的力学性质演变规律。长期的
21、力学性质演变规律。岩石时温等效原理研究前沿35本讲稿第三十五页，共三十七页Logarithmic Curves of Creep Compliance vs Time of TGP Granite 三峡花岗岩蠕变柔量的时温等效效应三峡花岗岩蠕变柔量的时温等效效应36本讲稿第三十六页，共三十七页14-4.94-4.92-4.9-4.88-4.86-4.84-4.82-4.8-4.78012345678910111213Log t(秒)Log J(t)20C60C80C100C150C200C300CThe Complete Curve of Creep Compliance of TGP Granite at Referential Temperature=20。C1万年10年37本讲稿第三十七页，共三十七页