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1、第二節(jié)第二節(jié) 巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石的力學(xué)性質(zhì)基本概念基本概念巖石力學(xué)性質(zhì)：巖石力學(xué)性質(zhì)：巖石在外力作用下所表現(xiàn)出來的性質(zhì)。巖石變形：巖石變形：在外力作用下產(chǎn)生變形，這種變形又可分為彈性變形和塑性變形。彈性變形：彈性變形：是物體受力發(fā)生的全部變形，在外力解除的同時立即消失，因而是可逆變形。塑性變形：塑性變形：是物體受力變形后，在外力解除后，變形也不再恢復(fù)，是不可逆變形，又稱為永久變形或殘余變形。巖石強度：巖石強度：指巖石抵抗外力破壞的能力。根據(jù)破壞時的應(yīng)力類型，巖石的破壞可有拉破壞拉破壞、剪剪破壞破壞和流動破壞流動破壞三種基本類型。由于受力狀態(tài)和破壞形式的不同，巖石的強度又可分為單軸抗壓強度單軸抗

2、壓強度、單軸抗拉強單軸抗拉強度、抗剪強度度、抗剪強度和三軸壓縮強度三軸壓縮強度等。一、巖石的變形性質(zhì)一、巖石的變形性質(zhì)1.1.巖石在單軸壓縮應(yīng)力作用下的變形特性巖石在單軸壓縮應(yīng)力作用下的變形特性1)1)普通試驗機下普通試驗機下應(yīng)力應(yīng)變曲線形狀與巖性有關(guān)。(1)典型的巖石應(yīng)力、應(yīng)變曲線特征為：.壓密階段.彈性變形至微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段.非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段（或稱累進性破裂階段）.破壞后階段分三階段（1）原生微裂隙壓密階段（OA級）特點：曲線，應(yīng)變率隨應(yīng)力增加而減小；塑性變形（變形不可恢復(fù)）原因：微裂隙閉合（壓密）（2）彈性變形階段（AB段）特點：曲線是直線；彈性模量，E為常數(shù)（變形可恢復(fù)）原因：巖石

3、固體部分變形，B點開始屈服，B點對應(yīng)的應(yīng)力為屈服極限。（3 3）塑性變形階段（）塑性變形階段（BCBC）特點：特點：曲線 ，軟化現(xiàn)象；塑性變形，變形不可恢復(fù)；應(yīng)變速率不斷增大。原因：新裂紋產(chǎn)生，原生裂隙擴展。巖石越硬，BC段越短，脆性性質(zhì)越顯著。脆性脆性：應(yīng)力超出屈服應(yīng)力后，并不表現(xiàn)出明顯的塑性變形的特性，而破壞，即為脆性破壞。（2）巖石變形參數(shù)的確定 泊松比是指在單軸壓縮條件下，巖石試件的橫向應(yīng)變d與軸向應(yīng)變a之比，即 d/a二、二、巖石的單軸抗壓強度巖石的單軸抗壓強度1 1.定義定義：指巖石試件在無側(cè)限的條件下，受軸向壓力作用破壞時單位面積上承受的荷載。式中：P無側(cè)限的條件下的軸向破壞荷載

4、 A試件界面積2.2.試件方法：試件方法：圓柱形試件：4.85.2cm，高H=（22.5)長方體試件：邊長L=4.85.2cm,高H=（22.5)L 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（1 1）試件標(biāo)準(zhǔn)：）試件標(biāo)準(zhǔn)：3.3.影響單軸抗壓強度的主要因素影響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(jù)）（2）試件的形狀和尺寸 形狀：圓形試件不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，好加工 尺寸：大于礦物顆粒的10倍；50的依據(jù) 高徑比：研究表明；h/d(23)較合理（3）加載速度 加載速度越大，表現(xiàn)強度越高(見圖25)我國規(guī)定加載速度為0.5 1.0MPa/s

5、（4）環(huán)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23倍。溫度度：180以下部明顯：大于180，濕度越高強度越小。三、巖石的抗拉強度三、巖石的抗拉強度1.1.定義定義：巖石試件在受到軸向拉應(yīng)力后其試件發(fā)生破壞時 的單位面積上所受的拉力。2.2.直接拉伸法直接拉伸法 抗拉強度抗拉強度關(guān)鍵技術(shù)試件和夾具之間的連接加力P與試件同心四、巖石的抗剪強度四、巖石的抗剪強度1.1.定義定義 指一定的應(yīng)力條件下（主要指壓應(yīng)力），所能抵抗 的最大剪應(yīng)力常用 表示 2.2.類型：類型：a.抗剪斷試驗 類型 b.抗切斷試驗 c.弱面抗剪試驗五、五、影響巖石力學(xué)性質(zhì)的

6、因素影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素（一）礦物成分對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響（一）礦物成分對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響1 1、礦物硬度的影響、礦物硬度的影響 礦物硬度大，巖石的彈性越明顯，強度越高。礦物硬度大，巖石的彈性越明顯，強度越高。如如巖巖漿漿巖巖，橄橄欖欖石石等等礦礦物物含含量量的的增增多多，彈彈性性越越明明顯顯，強度越高；強度越高；沉沉積積巖巖中中，砂砂巖巖的的彈彈性性及及強強度度隨隨石石英英含含量量的的增增加加而而增增高；石灰?guī)r的彈性和強度隨硅質(zhì)物含量的增加而增高。高；石灰?guī)r的彈性和強度隨硅質(zhì)物含量的增加而增高。變變質(zhì)質(zhì)巖巖中中，含含硬硬度度低低的的礦礦物物（如如云云母母、滑滑石石、蒙蒙脫脫石石、伊利石、

7、高嶺石等）越多，強度越低。伊利石、高嶺石等）越多，強度越低。2 2、不穩(wěn)定礦物的影響、不穩(wěn)定礦物的影響 化化學(xué)學(xué)性性質(zhì)質(zhì)不不穩(wěn)穩(wěn)定定的的礦礦物物，如如黃黃鐵鐵礦礦、霞霞石石以以及及易易溶溶于于水水的的鹽鹽類類，如如石石膏膏、滑滑石石、鉀鉀鹽鹽等等，具具有有易易變變性性和和溶溶解解性性。含含有有這這些些礦礦物物的的巖巖石石其其力力學(xué)學(xué)性質(zhì)隨時間而變化。性質(zhì)隨時間而變化。3 3、粘土礦物的影響、粘土礦物的影響 含含有有粘粘土土礦礦物物（蒙蒙脫脫石石、伊伊利利石石、高高嶺嶺石石等等）的巖石，遇水時發(fā)生膨脹和軟化，強度降低很大。的巖石，遇水時發(fā)生膨脹和軟化，強度降低很大。（二）巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造對巖石力學(xué)

8、性質(zhì)的影響（二）巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響1 1、巖石結(jié)構(gòu)的影響、巖石結(jié)構(gòu)的影響 巖巖石石的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)指指巖巖石石中中晶晶粒?；蚧驇r巖石石顆顆粒粒的的大大小小、形形狀以及結(jié)合方式。狀以及結(jié)合方式。巖漿巖：粒狀結(jié)構(gòu)、斑狀結(jié)構(gòu)、玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu)；巖漿巖：粒狀結(jié)構(gòu)、斑狀結(jié)構(gòu)、玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu)；沉積巖：粒狀結(jié)構(gòu)、片架結(jié)構(gòu)、斑基結(jié)構(gòu)；沉積巖：粒狀結(jié)構(gòu)、片架結(jié)構(gòu)、斑基結(jié)構(gòu)；變質(zhì)巖：板理結(jié)構(gòu)、片理結(jié)構(gòu)、片麻理結(jié)構(gòu)。變質(zhì)巖：板理結(jié)構(gòu)、片理結(jié)構(gòu)、片麻理結(jié)構(gòu)。巖巖石石的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)對對巖巖石石力力學(xué)學(xué)性性質(zhì)質(zhì)的的影影響響主主要要表表現(xiàn)現(xiàn)在在結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的差差異異上上。例例如如：粒粒狀狀結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)中中，等等粒粒結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)比比非

9、非等等粒粒結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)強強度度高；在等粒結(jié)構(gòu)中，細(xì)粒結(jié)構(gòu)比粗粒結(jié)構(gòu)強度高。高；在等粒結(jié)構(gòu)中，細(xì)粒結(jié)構(gòu)比粗粒結(jié)構(gòu)強度高。2 2、巖石構(gòu)造的影響、巖石構(gòu)造的影響 巖巖石石的的構(gòu)構(gòu)造造指指巖巖石石中中不不同同礦礦物物集集合合體體之之間間或或礦礦物物集合體與其他組成部分之間的排列方式及充填方式。集合體與其他組成部分之間的排列方式及充填方式。巖漿巖：顆粒排列無一定的方向，形成塊狀構(gòu)造；巖漿巖：顆粒排列無一定的方向，形成塊狀構(gòu)造；沉積巖：層理構(gòu)造、頁片狀構(gòu)造；沉積巖：層理構(gòu)造、頁片狀構(gòu)造；變質(zhì)巖：板狀構(gòu)造、片理構(gòu)造、片麻理構(gòu)造。變質(zhì)巖：板狀構(gòu)造、片理構(gòu)造、片麻理構(gòu)造。層理、片理、板理和流面構(gòu)造等統(tǒng)稱為層狀構(gòu)造

10、。層理、片理、板理和流面構(gòu)造等統(tǒng)稱為層狀構(gòu)造。宏宏觀觀上上，塊塊狀狀構(gòu)構(gòu)造造的的巖巖石石多多具具有有各各向向同同性性特特征征，而而層層狀構(gòu)造巖石具有各向異性特征。狀構(gòu)造巖石具有各向異性特征。（三）水對巖石力學(xué)性能的影響（三）水對巖石力學(xué)性能的影響（三）水對巖石力學(xué)性能的影響（三）水對巖石力學(xué)性能的影響巖石中的水巖石中的水 水水對對巖巖石石力力學(xué)學(xué)性性質(zhì)質(zhì)的的影影響響與與巖巖石石的的孔孔隙隙性性和和水水理理性性（吸水性、軟化性、崩解性、膨脹性、抗凍性吸水性、軟化性、崩解性、膨脹性、抗凍性）有關(guān)。）有關(guān)。水對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響主要體現(xiàn)在水對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響主要體現(xiàn)在5 5個方面：個方面：連連結(jié)結(jié)

11、作作用用、潤潤滑滑作作用用、水水楔楔作作用用、孔孔隙隙壓壓力力作作用用、溶溶蝕及潛蝕作用。蝕及潛蝕作用。結(jié)合水（連結(jié)、潤滑、水楔作用）結(jié)合水（連結(jié)、潤滑、水楔作用）重重力力水水（自自由由水水）（孔孔隙隙壓壓力力、溶溶 蝕及潛蝕作用）。蝕及潛蝕作用）。1 1、連連結(jié)結(jié)作作用用：束束縛縛在在礦礦物物表表面面的的水水分分子子通通過過其其吸吸引引力力將將礦礦物物顆顆粒粒拉拉近近，起起連連結(jié)結(jié)作作用用。這這種種作作用用相相對對于于礦礦物物顆顆粒粒間間的的連連結(jié)結(jié)強強度度非非常常微微弱弱，故故對對巖巖石石力力學(xué)學(xué)性性質(zhì)質(zhì)影影響響很很小小，但對于被土充填的結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)影響很明顯。但對于被土充填的結(jié)構(gòu)面的

12、力學(xué)性質(zhì)影響很明顯。2 2、潤潤滑滑作作用用：由由可可溶溶鹽鹽、膠膠體體礦礦物物連連結(jié)結(jié)的的巖巖石石，當(dāng)當(dāng)水水浸浸入入時時，可可溶溶鹽鹽溶溶解解，膠膠體體水水解解，導(dǎo)導(dǎo)致致礦礦物物顆顆粒粒間間的的連連結(jié)力減弱，摩擦力降低，水起到潤滑作用。結(jié)力減弱，摩擦力降低，水起到潤滑作用。3 3、水水楔楔作作用用：當(dāng)當(dāng)兩兩個個礦礦物物顆顆粒粒靠靠得得很很近近，有有水水分分子子補補充充到到礦礦物物表表面面時時，礦礦物物顆顆粒粒利利用用其其表表面面吸吸引引力力將將水水分分子子拉拉到到自自己己周周圍圍，在在顆顆粒粒接接觸觸處處由由于于吸吸引引力力作作用用使使水水分分子子向向兩兩個個礦礦物物顆顆粒粒之之間間的的縫縫

13、隙隙內(nèi)內(nèi)擠擠入入，這這種種現(xiàn)現(xiàn)象象稱稱為為水水楔楔作用。作用。水水楔楔作作用用的的兩兩種種結(jié)結(jié)果果：一一是是巖巖石石體體積積膨膨脹脹，產(chǎn)產(chǎn)生生膨膨脹脹壓壓力力；二二是是水水膠膠連連結(jié)結(jié)代代替替膠膠體體及及可可溶溶鹽鹽連連結(jié)結(jié)，產(chǎn)產(chǎn)生生潤潤滑滑作用，巖石強度降低。作用，巖石強度降低。4 4、孔孔隙隙水水壓壓力力作作用用：對對于于孔孔隙隙或或裂裂隙隙中中含含有有自自由由水水的的巖巖石石，當(dāng)當(dāng)其其突突然然受受荷荷載載作作用用水水來來不不及及排排出出時時，會會產(chǎn)產(chǎn)生生很很高高的的孔孔隙隙水水壓壓力力，減減小小了了顆顆粒粒之之間間的的壓壓應(yīng)應(yīng)力力，從從而而降降低低了巖石的抗剪強度。了巖石的抗剪強度。5

14、5、溶溶蝕蝕潛潛蝕蝕作作用用：水水在在巖巖石石中中滲滲透透的的過過程程中中，可可將將可可溶溶物物質(zhì)質(zhì)溶溶解解帶帶走走（溶溶蝕蝕），有有時時將將巖巖石石中中的的小小顆顆粒粒沖沖走（潛蝕），從而使巖石強度大為降低，變形增大。走（潛蝕），從而使巖石強度大為降低，變形增大。水對巖石強度的影響通常用軟化系數(shù)表示。水對巖石強度的影響通常用軟化系數(shù)表示。（四）（四）風(fēng)化對巖石力學(xué)性能的影響風(fēng)化對巖石力學(xué)性能的影響 風(fēng)風(fēng)化化程程度度不不同同，對對巖巖石石力力學(xué)學(xué)性性質(zhì)質(zhì)的的影影響響程程度度也也不同：不同：1 1、降降低低巖巖體體結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)面面的的粗粗糙糙程程度度并并產(chǎn)產(chǎn)生生新新的的裂裂隙隙，使使巖巖體體分分裂裂

15、成成更更小小的的碎碎塊塊，進進一一步步破破壞壞巖巖體體的的完完整性。整性。2 2、巖巖石石在在化化學(xué)學(xué)風(fēng)風(fēng)化化過過程程中中，礦礦物物成成分分發(fā)發(fā)生生變變化化，原原生生礦礦物物受受水水解解、水水化化、氧氧化化等等作作用用，逐逐漸漸為為次次生生礦礦物物所所代代替替，特特別別是是產(chǎn)產(chǎn)生生粘粘土土礦礦物物，并并隨隨著著風(fēng)風(fēng)化程度的加深，這類礦物逐漸增多。化程度的加深，這類礦物逐漸增多。3 3、由由于于巖巖石石和和巖巖體體的的成成分分結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)和和構(gòu)構(gòu)造造的的變變化化，巖巖體體的的物物理理力力學(xué)學(xué)性性質(zhì)質(zhì)也也隨隨之之變變化化。一一般般：抗抗水水性性降降低低，親親水水性性增增高高（如如膨膨脹脹性性、崩崩解解性性、軟軟化化性性增增強強），強強度度降降低低，壓壓縮縮性性加加大大，孔孔隙隙性性增增加加，透透水水性性增增強強（但但當(dāng)當(dāng)風(fēng)風(fēng)化化劇劇烈烈，粘粘土土礦礦物物較較多多時時，透透水水性性又又趨趨于降）。于降）?？偪傊?，巖巖體體在在風(fēng)風(fēng)化化營營力力作作用用下下，巖巖體體的的力力學(xué)學(xué)性性質(zhì)大大惡化。質(zhì)大大惡化。