岩石物理力学性质课件.ppt

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1、,第一章 岩石物理力学性质,2023/1/25,第一章 岩石物理力学性质,1、岩石的基本构成和地质分类2、岩石的物理性质3、岩石的力学性质4、影响岩石力学性质的主要因素,2023/1/25,1.1 概 述,岩石是组成地壳的自然物体，是经过地质作用而形成的矿物集合体，在陆地和海洋广泛分布。岩石按成因有三大类：岩浆岩、沉积岩、变质岩。岩石的种类不同，其物理力学性质差异较大，加之不同时期、不同强度的构造作用，也就决定岩石力学问题复杂多变。,2023/1/25,1.2 岩石的基本构成和地质分类,岩石是自然界中各种矿物的集合体，是天然地质作用的产物。岩石是构成岩体的基本单元。,2023/1/25,1.2

2、.1 岩石的基本构成,岩石的基本构成是由组成岩石的物质成分和结构两方面决定。组成岩石的矿物称为造岩矿物。矿物是地壳中天然生成的自然元素或化合物，它具有一定的物理性质、化学成分和形态。主要造岩矿物：最主要的造岩矿物只有30多种，如石英、长石、辉石、角闪石、云母、方解石、高岭石、绿泥石、石膏、赤铁矿、黄铁矿等。,2023/1/25,按照生成条件划分，矿物可分为：原生矿物由岩浆岩冷凝生成，如石英、长石、辉石、角闪石、云母等；次生矿物由原生矿物经风化作用直接生成，如由长石风化而成的高岭石、由辉石或角闪石风化而成的绿泥石等，或在水溶液中析出生成，如石膏、方解石。,矿物的外表形态：结晶体大多呈现规则的几何

3、形状；非结晶体呈现不规则的形状。,图 几种主要造岩矿物单个晶体的形态,1.2.1.1 岩石的主要物质成分,2023/1/25,硬度是指其抵抗外力刻划的能力。通常选定下表中的十种矿物，作为硬度标准确定其它矿物的硬度等级。,1.2.1.1 岩石的主要物质成分,2023/1/25,2023/1/25,各矿物的相对稳定性主要与其化学成分、结晶特征及形成条件有关。基性和超基性岩石主要是由易于风化的矿物组成，非常容易风化；酸性岩石主要由较难风化的矿物组成，抗风化能力比起同样结构的基性岩要高；沉积岩主要由风化产物组成，大多数为原来岩石中较难风化的碎屑物或是在风化和沉积过程中新生成的化学沉积物，稳定性一般都较

4、高；变质岩的抗风化能力与火成岩相似。,主要造岩矿物抗风化相对稳定性 表1-1,1.2.1.1 岩石的主要物质成分,2023/1/25,1.2.1.2 常见的岩石结构类型,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的微结构面。岩石中结构连结的类型分别为：结晶连结胶结连结,2023/1/25,结晶连结岩石中矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起。等粒结晶结构一般比非等粒结晶结构的强度大，抗风化能力强。细粒结晶结构比粗粒的强度高。在斑状结构中，细粒基质比玻璃基质的强度高，总之，晶粒愈细，愈均匀，玻璃质愈少，则强度愈高。,雌黄雄黄共生结晶簇,层解石+

5、水晶,2023/1/25,胶结连结岩石强度主要取决于胶结物及胶结类型。硅质、铁质胶结的岩石强度较高，钙质次之，而泥质胶结强度最低。胶结类型 基底胶结 孔隙胶结 接触胶结,2023/1/25,岩石中存在微结构面矿物解理微裂隙粒间空隙晶格缺陷晶格边界,2023/1/25,矿物解理,矿物的解理就是矿物晶体受应力作用超过弹性限度,沿结晶学方向破裂成光滑的平面的现象.,2023/1/25,微裂隙,白云质灰岩晶间微裂隙,2023/1/25,粒间空隙,粒间空隙,2023/1/25,晶格,晶格边界、晶格缺陷,2023/1/25,微结构面对岩石工程性质的影响大大降低岩石的强度导致岩石的各向异性增大岩石的变形、改

6、变弹性波速、电阻率和热传导率等,2023/1/25,在地球由原始太阳星云的部份物质构成后计起，科学家估计大约有四十五亿七千万年之久。,1.2.2 岩石的地质成因分类,2023/1/25,2023/1/25,岩浆岩由岩浆冷凝后形成的岩石，按照冷凝时的地质环境的不同，又可分为深成岩、浅成岩和喷出岩。沉积岩由风化剥蚀作用或火山作用形成的物质，在原地或被外力搬运，在适当条件下沉积下来，经胶结和成岩作用而形成的，其矿物成分主要是粘土矿物，碳酸盐和残余的石英长石等，具层理构造，岩性一般具有明显的各向异性。变质岩在已有岩石的基础上，经过变质混合作用后形成的岩石。变质岩的性质与变质作用的特点及原岩的性质有关。

7、其岩石力学性质差别很大。,2023/1/25,岩浆岩（火成岩）,是由熔融的岩浆冷凝结晶形成的，而岩浆又是地下的岩石在高温（6251200）下溶化形成的。科学家估计，地心的温度可能有5000。大多数热通过对流和传导的方式从地心传到固体的地球外壳。热也能够在岩石圈子下部通过磨擦而产生，俯冲的地壳板块也能产生足够的热和压力熔化岩石，这个事实解释了一些沿大陆板块边缘分布的火山。当地下深处的岩浆喷出地表时，就形成了火山喷发，火山喷出的物质在地表快速冷凝固结，就形成了火山岩。如果地下岩浆没有喷出地表，而是上升到地壳浅部就开始冷凝结晶，这就形成了侵入岩，火山岩和侵入岩统称为火成岩或岩浆岩。,2023/1/2

8、5,深成岩浅成岩喷出岩,2023/1/25,深成岩有的时候，火成岩不一定是直接由岩浆冷却而成，也可以是经由流出地表的熔岩冷结晶形成，形成于地底下的称之为深成岩，也就是指“形成于深处的岩石”。,2023/1/25,岩盖大多发生于酸性岩浆，粘度大不易向两侧流动，所以形成盖状 岩盆盆状，由于形成于较深处，因此结晶颗粒较大 岩床较常发生于基性岩浆，易向两侧扩展，形成于地底下较浅处 岩基为最大的不整合贯入，主要成分为花岗岩 岩株面积较小的岩株，或为岩基的一部份 岩脉岩浆沿裂缝上升的产物，常群体出现,2023/1/25,2023/1/25,浅成岩多为岩床、岩墙、岩脉等小侵入体。岩石多呈现斑状结构。,煌斑岩

9、为一种浅成岩，通常颜色较深，含有由暗色矿物组成的斑晶，在肉眼观察时，其标本闪闪发光，因此而得名。,2023/1/25,喷出岩喷出岩是一种火成岩，也被称为火山岩，是由火山喷出的岩浆在地表迅速冷却后形成的岩石，由于冷却速度很快，一般喷出岩的结构会形成细粒、隐晶，或形成玻璃质，经常包含有碎屑和斑晶。喷出岩由于冷却很快，有时其中气体无法逸出，形成很小的气泡，最典型的如浮岩，由于含气量大，造成比重小，甚至能在水中漂浮。,2023/1/25,玄武岩基性喷出岩的一种。成分相当于辉长岩。灰黑色。常具气孔状、杏仁状构造和斑状结构。斑晶为橄榄石、辉石、基性长石等；基质一般为细粒或隐晶质。按次要矿物的不同，可划分为

10、橄榄玄武岩、紫苏辉石玄武岩等；按结构构造，可分为气孔状玄武岩、杏仁状玄武岩等；,2023/1/25,安山岩由於安山岩是岩漿噴發，快速冷卻而成的，所以礦物顆粒很小，常見的礦物有長石、角閃石、輝石與黑雲母，偶而含有石英，其餘細粒的物質是火山玻璃。安山岩的礦物排列方式是大顆粒的礦物夾在火山玻璃之中，構成斑狀的結構，顆粒大小約1-3mm。岩石有紅、綠、黑、灰、白等各種顏色。,2023/1/25,玄武岩岩漿從地殼的深部快速的上升到地表，冷卻變成岩石的時間非常短，岩漿中的礦物來不及長成為大的礦物顆粒，所以具有細小的礦物顆粒並且含有大量來不及形成礦物的火山玻璃。顏色呈墨綠色，風化後顏色呈綠色，岩石中的礦物顆

11、粒非常細，偶而可以看見白色長條狀礦物為斜長石。,2023/1/25,花崗岩深成岩，酸性的岩漿慢慢冷卻形成，含有大量的二氧化矽成分(石英)。礦物顆粒較粗大約0.1-0.5公分，主要礦物有石英、正長石、白雲母與黑雲母。岩石的顏色呈灰白色、粉紅色或紅色。,2023/1/25,岩 浆 岩 分 类 简 表 表1-2,2023/1/25,沉积岩,沉积岩的形成过程一般可以分为先成岩石的破坏（风化作用和剥蚀作用）、搬运作用、沉积作用和硬结成岩作用等几个互相衔接的阶段。但这些作用有时是错综复杂和互为因果的，如岩石风化提供剥蚀的条件，而岩石被剥蚀后又提供继续风化的条件；,风化、剥蚀产物提供搬运的条件，而岩石碎屑在

12、搬运中又可作为进行剥蚀作用的“武器”；物质经搬运而后沉积，而沉积物又可受到剥蚀破坏重新搬运。,2023/1/25,2023/1/25,2023/1/25,玉门关雅丹魔鬼城,2023/1/25,沉 积 岩 分 类 简 表 表1-3,2023/1/25,变质岩,变质岩是在高温高压和矿物质的混合作用下由一种石头自然变质成的另一种石头。质变可能是重结晶、纹理改变或颜色改变。变质岩是在地球内力作用，引起的岩石构造的变化和改造产生的新型岩石。这些力量包括温度、压力、应力的变化、化学成分。固态的岩石在地球内部的压力和温度作用下，发生物质成分的迁移和重结晶，形成新的矿物组合。如普通石灰石由于重结晶变成大理石。

13、变质岩是组成地壳的主要成分，一般变质岩是在地下深处的高温（要大于150）高压下产生的，后来由于地壳运动而出露地表。一般变质岩分为两大类，一类是变质作用作用于岩浆岩（火成岩），形成的变质岩成为正变质岩；另一类是作用于沉积岩，生成的变质岩为副变质岩。,2023/1/25,岩石最初形成时的成分对它以后形成什么样的变质岩是很重要的。不同的成分可以形成不同的变质岩。同时，在岩石发生变质的过程中，压力和温度也是非常重要的因素，不同压力或温度也可形成不同的变质岩。,2023/1/25,这是一块由砂岩（属沉积岩）形成的变质岩。放大后我们可以清楚地看到其中均匀分布着的石英晶体。,2023/1/25,高温条件下形

14、成的区域变质岩,如暗色麻粒岩、浅色麻粒岩等,2023/1/25,变质岩体,2023/1/25,变质岩体,2023/1/25,变质岩体,2023/1/25,变 质 岩 分 类 简 表 表2-6,2023/1/25,具有细粒变晶结构和致密块状构造的热接触变质岩,2023/1/25,动力变质作用最常见的岩石类型是糜棱岩，其次为构造角砾岩、千糜岩等。,2023/1/25,区域变质作用，是由地壳运动所引起的大范围变质现象。,2023/1/25,区域变质片麻岩,区域变质大理岩,2023/1/25,1.3 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容重比重孔隙率 等基本属性。,

15、2023/1/25,1.容重 岩石单位体积（包括岩石孔隙体积）的重力，称为岩石的容重。表达式：容重（KN/m3）W 岩石的重力（KN）V 岩石的体积（m3）根据岩石的含水程度不同，岩石容重可分为干容重、湿容重、饱和容重。,1.3 岩石的物理性质,2023/1/25,2.密度,(1)天然密度,式中 m岩石试件总质量；V该试件的总体积。,1.3 岩石的物理性质,2023/1/25,(2)饱和密度,岩石中固体的质量；,孔隙的体积；,水的密度。,（3）干密度,1.3 岩石的物理性质,2023/1/25,3 岩石的比重G,绝对干燥时体积为V的岩石固体部分重量；,岩石的固体部分体积（不包括孔隙体积）；,水

16、的容重。,1.3 岩石的物理性质,2023/1/25,4 岩石的孔隙性,(1)岩石的孔隙比 e,孔隙的体积；,固体的体积。,1.3 岩石的物理性质,2023/1/25,(2)岩石的孔隙率 n,V 试件的总体积。,孔隙比与孔隙率的关系：,或采用此式计算,1.3 岩石的物理性质,2023/1/25,部分岩石的容重、比重、孔隙率,2023/1/25,岩石的水理性质,（1）岩石的含水率,试件孔隙中水的质量；,试件的固体质量。,岩石与水相互作用时所表现的性质称为岩石的水理性，包括岩石的吸水性、透水性、软化性和抗冻性。,（%）,5 岩石的水理性,1.3 岩石的物理性质,2023/1/25,（2）岩石的吸水

17、性 岩石在一定条件下吸收水分的性能称岩石的吸水性，它取决于岩石孔隙的数量、大小、开闭程度和分布情况。,指岩石在常温常压下吸入水的质量与其烘干质量之比。,（%）,烘干岩样浸水48小时后的总质量,岩石的吸水率,1.3 岩石的物理性质,表征岩石吸水性的指标有：吸水率、饱合吸水率和饱水系数。,2023/1/25,指岩石在强制状态（高压或真空，煮沸）下吸入水的质量与其烘干质量之比。,（%）,为真空抽气饱和或煮沸后试件的质量,岩石的饱水率,1.3 岩石的物理性质,岩石的饱水系数,（%）,岩石吸水率与饱水率的比值,2023/1/25,(3)岩石的透水性,岩石的渗透性是指岩石能被水穿过的性能。岩石透水性大小用

18、渗透系数衡量，它反映了岩石中孔隙的大小、方向及其相互连通的程度。,假设岩石的中渗流满足达西定律,qx沿x方向水的流量；h水头的高度；A垂直于x方向的截面面积；K岩石的渗透系数。,渗透系数的物理意义是介质对某种特定流体的渗透能力，渗透系数的大小取决于岩石的物理特性和结构特征。,1.3 岩石的物理性质,2023/1/25,渗透系数的试验确定方法,(1)常规渗透试验,Q单位时间内通过试样的水量（m3）；,L试件长度(m)；,p试件两端的压力差(kPa)；A试件的断面面积(m2)。,2023/1/25,某些岩体的渗透系数值,2023/1/25,（4）岩石的软化性,岩石浸水后强度降低的性能称为软化性，一

19、般用软化系数表示。,软化系数,岩石饱和单轴抗压强度；,岩石干燥状态下的单轴抗压强度。,时，为软化性弱、抗水抗风化性和抗冻性强的岩石；,时，为工程地质性质较差的岩石。,1.3 岩石的物理性质,2023/1/25,1.4.1 岩石的强度岩石在各种荷载作用下达到破坏时所能承受的最大应力。进行强度试验所选用的试件必须是完整岩块。,1.4 岩石的力学性质,2023/1/25,取样要求：完整岩块，不含节理裂隙,2023/1/25,强度指标的影响因素试件尺寸试件形状试件三维比例加载速率湿度,1.4 岩石的力学性质,2023/1/25,1.定义：指岩石试件在无侧限的条件下，受轴向压力作用破坏时单位面积上承受的

20、荷载。,式中：P无侧限的条件下的轴向破坏荷载 A试件界面积,1.4.2 岩石的单轴抗压强度,2023/1/25,标准试件尺寸的高径比 H/D:,单轴压缩试验=2.02.5 三轴压缩试验=2.02.5 劈裂试验=0.5 斜面剪切试验=1.0,2023/1/25,2023/1/25,2023/1/25,试验设备与仪器,测试内容,轴向荷载；轴向变形；径向变形；轴向应变；横向应变。,普通压力机或万能材料试验机，最好采用电液伺服控制的刚性试验机。,岩石力学的符号规定,压+拉-,2 岩石的单轴压缩试验,2023/1/25,试件的轴向应力；,P试件的轴向荷载；,D,H试件的直径和高度。,体积应变,根据以上的

21、试验测量结果，可以绘制岩石的轴向应力轴向应变关系曲线、轴向应力横向应变关系曲线、轴向应变横向应变关系曲线以及轴向应力体积应变的关系曲线等。,2 岩石的单轴压缩试验,2023/1/25,3.单向压缩试件的破坏形态,破坏形态有两类：（1）圆锥形破坏 原因：压板两端存在摩擦力，箍作用（又称端部效应），在工程中也会出现。（2）柱状劈裂破坏 张拉破坏（岩石的抗拉强度远小于抗压强度）是岩石单向压缩破坏的真实反映（消除了端部效应）消除试件端部约束的方法:润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部）加长试件,破坏形态是表现破坏机理的重要特征；其主要影响因素：应力状态 试验条件,2023/1/25,2023/1/2

22、5,2023/1/25,2023/1/25,2023/1/25,2023/1/25,2023/1/25,单轴抗压强度的影响因素 不同岩石类型、不同结构、不同部位，其岩石抗压强度有较大差别。影响岩石抗压强度的因素较多，主要有：矿物成分。结晶岩石中的石英矿物含量较多，其岩石强度就大；云母矿物越多，其岩石强度越低；浅色矿物多，强度大；深色矿物多，强度低。沉积岩石中的碎屑颗粒成分，石英颗粒的强度大于长石颗粒(胶结物相同时)。,2023/1/25,结晶程度和颗粒大小 结晶岩石强度大于非结晶岩石；细粒结晶大于粗粒结晶强度。胶结程度 对沉积岩来说，胶结情况和胶结物对强度影响较大。硅质胶结石灰质(钙质)泥质；

23、同类沉积岩，地质年代早晚。物理性质 孔隙率大，强度低；密度大，强度高。风化作用 风化对岩石强度影响大，岩石的风化程度越高，其强度越低。,2023/1/25,水的作用 水对岩石强度有显著的影响。水对岩石的软化作用对工程极为不利，特别是水利工程，水库蓄水后，水侵入岩石的孔隙和裂隙，削弱了岩石颗粒间的连接，使强度降低。试件尺寸和形状 对试验结果有影响。加荷速率 速率大，强度大。,2023/1/25,在岩体工程中，岩体一般处在三向应力状态下，引用单向受力条件的岩石试验来研究岩石变形、强度特征是不够的，必须用三轴试验研究岩石在三向受力条件下的变形及破坏规律。岩石在三向压缩荷载作用下，达到破坏时所能承受的

24、最大压应力。按应力的组合方式，三轴试验可分为两种：,1.4.3 岩石的三轴抗压强度,2023/1/25,加载方式,1.4.3 岩石的三轴抗压强度,2023/1/25,2023/1/25,常围压下的岩石三轴压缩试验,试件内的应力状态为,1.4.3 岩石的三轴抗压强度,2023/1/25,试验装置,2023/1/25,三轴室,2023/1/25,三向受压时岩石的变形,大理岩的应力与应变关系曲线,返回,2023/1/25,玄武岩,2023/1/25,石英闪长岩,2023/1/25,三向压应力作用下岩石的变形特性：,(1)围压接近零时，大理岩试件在变形不大的情况下就产生破坏，这种破坏称为脆性破坏，表现

25、了通常所见到的岩石脆性特征。,(2)随着围压的增大，岩石在破坏以前的总应变量也随之增大，而且主要是塑性变形的变形量增大。当围压增大到一定范围以后，岩石变形就成为典型的塑性流动。这说明了岩石的变形和破坏的性质会随着应力状态的变化而变化。,2023/1/25,(3)不论围压等于零，或是大于零，在岩石的应力与应变关系曲线的初始阶段都表现为近似直线关系，说明了当主应力差的数值在一定范围内，岩石的变形特征还是符合弹性阶段特征，而当主应力差超出了某一范围时，岩石变形才合乎塑性变形的特征。,(4)当围压较小时，岩石的体积变形与单向压缩条件下的变形规律相似，即，先缩后胀；扩容现象将随着围压的增大而逐渐减弱，当

26、围压超过了某个值以后，扩容现象将会完全消失。这是由于围压限制了试件的横向膨胀。,2023/1/25,(5)随着围压的提高，岩石将由脆性材料逐渐变为延性材料，并象金属材料一样，表现出明显的塑性流动特征。因此，不能简单地说岩石属于脆性材料。,岩石的三轴抗压强度特征,(1)岩石的三轴抗压强度会随着围压的提高而明显增大;(2)当围压增大到一定程度以后，在应力与应变关系曲线上已没有明显的峰值;(3)如果继续增大围压，岩石的强度将接近无限大。,2023/1/25,三轴试验结果的整理,莫尔圆与包络线,2023/1/25,2023/1/25,2023/1/25,2023/1/25,2023/1/25,2023/1/25,2023/1/25,2023/1/25,