教学课件PPT岩石的工程地质特征.ppt

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1、第二章岩石的工程地质特征,主要内容,2.1 岩石的基本特征,2.2 岩石的物理水理性质,2.3 岩石的变形性质,2.0 概述,2.4 岩石的强度性质,下一页,一、岩石与土工程地质性质的差别：岩石和土都是矿物的集合体，是自然界地质作用的产物，并在地质作用下相互转化。土在一定温度和压力下，经过压密、脱水、胶结及重结晶等成岩作用形成岩石；岩石经风化作用，又可变成土。,2.0 概述,土,岩石,风化作用,地质成岩作用,一、岩石与土工程地质性质的差别：岩石与土之间，既存在多方面的共性和密切联系，又有明显的不同。一般来说，岩石的力学性能、抗水性以及完整性等都比土好得多。也有些岩石与土很难区别，如某些固结程度

2、较差的黏土岩、泥灰岩、凝灰岩等，颗粒间的连结弱、强度低、抗变形性能差，其工程地质性质与土接近，可作为岩石与土的过渡类型。但总的来说，岩石的建筑条件比土体要优越得多，许多土体中出现的问题，对岩石来说则显得十分微弱。,2.0 概述,一、岩石与土工程地质性质的差别：岩石与土之间存在着许多差别。首先，岩石矿物颗粒之间具有牢固的连结，这既是岩石的重要结构特征，也是岩石区别于土并赋予岩石以优良工程性质的主要原因。岩石颗粒之间的连结分结晶连结和胶结连结两种。结晶连结是岩石中的矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起的连结，如岩浆岩、大部分变质岩及部分沉积岩具有这种连结。胶结连结是岩石中的颗粒通过胶结物胶结在一起的连结

3、，如碎屑沉积岩、黏土岩等具有这种连结。这两种连结都表现出很强的连结力，所以被称为“硬连结”。,2.0 概述,一、岩石与土工程地质性质的差别：土则缺乏这种连结，土颗粒之间或毫无连结、或是连结力很弱的水胶连结和水连结，其连结力是无法与岩石颗粒间的连结相比的。因此，土表现出松散、软弱的特征，连结力也不稳定。黏性土干燥时因颗粒间公共水化膜变薄而连结力较强，显得比较坚硬；而含水量增大时，则其连结力削弱，质地变软。岩石的硬连结不单赋予它以很高的强度和抗变形性能，而且使其具有明显的抗水性。大部分坚硬岩石浸水后连结力并无明显的削弱，也不会显著地软化。与上相比较，岩石的这一性质更为重要。当然，也有些岩石的抗水性

4、并不高，如黏土岩，遇水也会被软化。由易溶盐类矿物组成的岩石，如盐岩、石膏等，浸水后易溶蚀。还有些胶结不良或胶结物为泥质和易溶盐类的砂砾岩，抗水性也不高，在水的长期作用下，连结力就会下降或丧失。,2.0 概述,一、岩石与土工程地质性质的差别：其次，岩石虽然比起土来具有强度高、不易变形以及整体性和抗水性好的优点，但作为地下工程体（如井筒、巷道、硐室、隧道等）、建筑物地基或建筑物环境的岩体，也具有缺陷，这就是岩体中存在着断层、节理等结构面，使岩体受到不同程度的切割，完整性遭到破坏，导致岩体物理、力学性质变差和严重不均匀。当断裂破坏严重时，岩体甚至破碎分散犹如碎屑土。这种被称为构造岩的破碎岩石，有的属

5、于半坚硬岩石，有的已经成为松软土。岩体中的这种结构面分割情况，在土中是见不到的，只有在某些裂隙黏土或老黄土中才有微弱的裂隙分布。因此岩体的结构比土体复杂。即使是坚硬完整的岩块，在其内部也存在有微裂隙和缺陷，如节理面、微破裂面等，这就程度不同地削弱了岩块的强度，同时也导致了岩块力学性质的各向异性。,2.0 概述,一、岩石与土工程地质性质的差别：最后，岩体与土体的另一个重要差别，就是岩体中具有较高的地应力，这是岩体在长期的地质历史过程中遭受地质构造作用的结果，而土体中仅有自重应力存在。地应力的存在，使岩体的物理力学性质变得更为复杂。工程中岩石和岩体有明显区别。通常把在地质历史过程中形成的，具有一定

6、的岩石成分和一定结构，并赋存于一定地应力状态的地质环境中的地质体，称为岩体。岩体在形成过程中，长期经受着建造和改造两大地质作用，生成了各种不同类型的结构面，如断层、节理、层理、片理等；所以，岩体往往表现出明显的不连续、非均质和各向异性。具有一定的结构是岩体的显著特征之一，它决定了岩体的工程特性及其在外力作用下的变形破坏机理。由此可见，从抽象的、典型化的概念来说，可以把岩体看做是由结构面和受它包围的结构体共同组成的。而岩石是不含有结构面的矿物集合体，故在这种条件下，可以将岩石近似看做岩块（结构体）进行分析和研究。,2.0 概述,一、岩石与土工程地质性质的差别：岩体在形成过程中，长期经受着建造和改

7、造两大地质作用，生成了各种不同类型的结构面，如断层、节理、层理、片理等；所以，岩体往往表现出明显的不连续、非均质和各向异性。具有一定的结构是岩体的显著特征之一，它决定了岩体的工程特性及其在外力作用下的变形破坏机理。由此可见，从抽象的、典型化的概念来说，可以把岩体看做是由结构面和受它包围的结构体共同组成的。而岩石是不含有结构面的矿物集合体，故在这种条件下，可以将岩石近似看做岩块（结构体）进行分析和研究。,2.0 概述,一、概述 岩石作为多孔介质的一种，是各种矿物的集合体，没有显著软弱面的石质材料，是各种地质作用的产物，是构成地壳的物质基础。研究岩石主要是研究岩石的种类、性质、成分、形成过程、演变

8、历史以及与矿产关系。地壳中绝大部分矿产都产于岩石中，他们之间有着密切的成因联系。如煤产生在沉积岩里，大部分金属矿则产生在岩浆岩或其形成与岩浆岩有直接或间接联系。一方面，研究岩石就是为了发现岩石与矿产的关系，从中找出规律，以便更多更好地找寻和开发矿产；另一方面，大多数岩石本身就是重要矿产，如花岗岩、大理岩，可用作天然的建筑和装饰石料；此外，冶金用的耐火材料和熔剂、农业用的无机肥料以及部分能源，都来自天然岩石。,2.1 岩石的基本特征,一、概述 岩石对于采矿者来说尤为重要。工业场地摆布于岩石之上，开拓系统布置在岩石之中，开采对象（矿体）不仅赋存在岩石内而且有着成因联系，要采矿石必须先采出大量岩石（

9、如露天矿的剥离）。因此，采矿工程技术人员必须具备岩石学的知识。,2.1 岩石的基本特征,二、岩石的结构与构造 在研究人造（工艺）岩石时，要广泛应用岩石学的知识。在研究提高各种硅酸盐制品耐火材料、铸石、陶瓷、水泥、玻璃等和其他人造岩石的质量，以及研究其内部组成和结构与物理化学性能时，也要大量应用岩石学的研究方法。不难理解，地质作用的性质及进行的环境，决定着矿物彼此组合的关系，亦即矿物在岩石中的分布情况。换句话说，决定着岩石的外貌，并以此作为鉴别三大类岩石的主要根据之一，这些关系表现在岩石的结构和构造两个方面。,2.1 岩石的基本特征,二、岩石的结构与构造 1、岩石的结构 岩石的结构是指岩石中矿物

10、的结晶程度、颗粒大小和形状以及彼此间的组合方式。这主要决定于地质作用进行的环境，在同一大类岩石中，由于他们生成的环境不同，就产生了种种不同的结构。2、岩石的构造 岩石的构造是指岩石中矿物集合体之间或矿物集合体与岩石的其他组成部分之间的排列方式以及充填方式。这反映着地质作用的性质。由岩浆作用生成的岩浆岩大多具有块状构造；由变质作用生成的变质岩，多数情况下他们的组成矿物一般都依一定方向平行排列，具有片理状构造；由外力地质作用生成的沉积岩，是逐层沉积的，多具有层状构造。,2.1 岩石的基本特征,二、岩石的结构与构造 3、岩石的结构构造研究意义 研究岩石的结构构造，不仅对划分岩类、正确识别岩石有着实际

11、的意义，而且在采掘工艺中，对于研究岩体稳定、井巷支护、爆破措施及选择采掘机械起着重要作用。,2.1 岩石的基本特征,三、岩石的分类 工程中的岩石分类方式较多，现就常见的几种分类方式介绍如下。1、按其成因划分 按其成因划分，可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。三大类岩石的具体概念及特征参加矿物岩石学教材,2.1 岩石的基本特征,三、岩石的分类 工程中的岩石分类方式较多，现就常见的几种分类方式介绍如下。2、按照其坚固性划分 按照岩石的坚固性划分可分为两类：硬质岩石和软质岩石。（1）硬质岩石是指其饱和单轴极限抗压强度30MPa 的岩石。常见的硬质岩石有花岗岩、石灰岩、石英岩、闪长岩、玄武岩、石英砂岩

12、、硅质砾岩和花岗片麻岩等。（2）软质岩石是指其饱和单轴极限抗压强度30MPa的岩石。常见的软质岩石有页岩、泥岩、绿泥石片岩和云母片岩等。除此之外，岩石按照其风化程度可分为五类，即未风化、微风化、弱风化、中等风化和强风化。（也有资料分三类/四类，即微风化/弱风化、中等风化和强风化。）,2.1 岩石的基本特征,四、岩石与开采有关的技术 研究岩石主要是研究岩石的矿物成分和结构构造特点等，这些不仅是岩石进行分类和命名的主要依据，而且也是决定该类岩石开采技术的重要因素。1、岩石的矿物成分 岩浆岩、沉积岩及变质岩的种类繁多，组成其岩石的矿物成分也各不相同。对于岩浆岩，其中最常见的矿物是石英、长石、角门石、

13、辉石、橄榄石及黑云母。这些矿物除黑云母外，都是硬度较大的矿物，所以未经强烈蚀变和剧烈错动的岩浆岩一般强度都较大，稳定性都比较好，有利于采用高速度、高效率的采掘方法。此外，在酸性岩中，含有较大量的游离的二氧化硅，在其中进行采掘作业时，有产生矽肺病的可能，必须加强通风防尘措施，以预防矽肺病。,2.1 岩石的基本特征,四、岩石与开采有关的技术 1、岩石的矿物成分 沉积岩中对采掘影响的矿物成分有以下几类：（1）二氧化硅类矿物：主要有石英、燧石和蛋白石等。含这类矿物特多的岩石有石英砂岩、硅质灰石和陵石灰石。该类矿物的特点是硬而脆，所以，当岩石中这些矿物含量高时，岩石的稳固性好。在掘进过程中，虽难于凿岩，

14、但爆破效果好，且一般不需要支护，但因含游离的二氧化硅多，要特别注意防尘。（2）碳酸盐类矿物：主要有方解石、白云石、菱镁矿、菱锰矿等。含这类矿物多的岩石有石灰岩、白云岩和泥质灰岩等。这类岩石凿岩及爆破性能均好，岩体稳固性也较强，有利于采用快速掘进的方法，但由于含方解石较多，易于溶解而产生溶孔和溶洞，常是地下水活动的通道和储存的场所，矿山开采时，可能引起矿坑突然涌水而造成重大事故。因此，必须加强水文地质工作，搞好防排水措施。,2.1 岩石的基本特征,四、岩石与开采有关的技术 1、岩石的矿物成分 沉积岩中对采掘影响的矿物成分有以下几类：（3）黏土类矿物：主要有高岭石、蒙脱石和水云母等。含这类矿物多的

15、岩石有各种动土岩、页岩及泥岩。这类岩石的特点是硬度小，具有可塑性，遇水膨胀、软化和粘结，具有凿岩性好（不包括黏土）、稳固性差、爆破性也差的特点。同时，他们长期受水浸泡时，会使地下坑道变形、露天边坡不稳、矿车结底、溜井和凿岩机水眼堵塞等。但是，只要加强防排水措施，就可以避免或减少上述问题的发生。变质岩类岩石的矿物组成中，常因含一定数量的滑石、绿泥石和云母等，对采掘影响较大，这些矿物光滑柔软，且多呈片状，因而稳定性极差，不少矿山常因此而冒顶片帮，故在采矿过程中必须引起足够的重视。至于所含其他矿物组分，大多与岩浆岩和沉积岩相似，其采掘特点参见岩浆岩和沉积岩。,2.1 岩石的基本特征,四、岩石与开采有

16、关的技术 2、岩石的结构 岩石具有许多结构，但对采掘影响最大的是颗粒的粗细。对于岩浆岩而言，在其他条件相似的条件下，隐晶质、细粒、均粒的岩石比粗粒和斑状的岩石强度大。例如玄武岩为隐晶质结构，而辉长岩为粗粒结构，所以玄武岩的抗压强度可到达500MPa，而辉长岩的抗压强度仅为120-360MPa。又如花岗斑岩为斑状结构，其抗压强度只有120MPa，而同一成分的细粒花岗岩因具有等粒结构，其抗压强度可达260MPa。强度大的岩石虽然较难凿岩，但却容易维护，甚至可以不支护，给采掘工作带来很大的方便。沉积岩与岩浆岩相似，但对于碎屑岩，其物理机械性质主要取决于胶结物的成分和性质，泥质胶结比铁质或硅质胶结的岩

17、石硬度小，稳固性差。而变质岩的结构对采掘的影响不太突出。,2.1 岩石的基本特征,四、岩石与开采有关的技术 3、岩石的构造 岩浆岩多具有块状构造。这种构造的最大特点是岩石各个方向的强度相近，从而增加了岩石的稳定性，所以岩浆岩的块状构造不像沉积岩的层理构造和变质岩的片理构造那样对凿岩、爆破和支护等有明显的影响。值得注意的是，岩浆岩的原生节理（即岩浆岩生成时冷凝收缩所产生的裂隙）发育，如玄武岩的柱状节理、细碧岩的枕状节理等，这些节理的存在，降低了岩石的稳固性，影响了岩石的爆破效果。,2.1 岩石的基本特征,四、岩石与开采有关的技术 3、岩石的构造 沉积岩最大的特点是具有层理构造，这种构造的存在，使

18、岩石在各个方向的强度不同，在其他条件相同或相似的情况下，层理愈发育，岩石的稳固性愈低，各个方向的强度差异也愈大。一般是平行岩石层理方向的抗压和抗剪强度小，抗张强度大，而垂直于岩石层理方向，则情况正好相反。在这类岩石中开掘巷道时，若顺着层理方向掘进，不仅爆破效果不好，而且容易产生冒顶、片帮事故，给采掘带来不利的影响；如果斜交，特别是垂直层理方向掘进时，则可以提高爆破效果，也可增加顶板及两帮的稳固性。,2.1 岩石的基本特征,四、岩石与开采有关的技术 3、岩石的构造 变质岩的构造尤其是片理构造对采掘影响更大，其影响同沉积岩的层理构造相似。如千枚岩、片岩及板岩的片理比较发育，岩石沿片理延伸方向结合力

19、较低，故其稳定性极差。一般情况下，岩石的片理愈发育，各个方向的强度相差愈大，在平行片理的方向抗压和抗剪强度小，抗拉强度大；垂直片理方向则恰好相反。岩石片理发育时，对采掘极为不利，必须加强支护，其有效的办法是在垂直片理的方向上采用锚杆喷浆，即可增强该类岩石的稳定性，避免冒顶和片帮。露天矿开采时，一方面，因片理所造成的岩石稳定性差，从而影响岩体的边坡稳定，但另一方面有时可以提高爆破效果。,2.1 岩石的基本特征,一、概述 岩石的基本性质是岩石内部组成矿物成分、结构、构造的综合反映，研究岩石的基本性质对研究工程体的稳定性是有重要意义的，其研究内容包括岩石的物理性质和力学性质。其中，物理性质是自然状态

20、下所表现出的特征，而力学性质则是反映在外力作用下所表现出的相应特征，不同的岩石其物理力学性质是不同的，即使是同一种性质的岩石，由于其形成过程及赋存环境等多种外界因素的不同，其所表现出的性质也有差别。岩石的物理性质是其内部矿物基本性质、结构与构造的综合反映，研究主要包括以下几方面的内容：,2.2 岩石的物理与水理性质,二、岩石的密度 岩石的密度是指单位体积岩石的质量。又可分为颗粒密度和块体密度。,2.2 岩石的物理与水理性质,三、岩石的相对密度 岩石的相对密度是指单位体积岩石固体部分的重量与同体积水（4C）的重量之比，即,2.2 岩石的物理与水理性质,岩石的相对密度取决于组成岩石的矿物相对密度及

21、其在岩石中的相对含量。常见岩石的相对密度参见下表,2.2 岩石的物理与水理性质,三、岩石的相对密度,四、岩石的容重,2.2 岩石的物理与水理性质,按岩石的含水情况不同，容重也可分为天然容重、干容重和饱和容重，其意义参见岩石密度中的天然密度、干密度和饱和密度。岩石的天然容重取决于组成岩石的矿物成分、空隙发育程度及其含水情况。大多数岩石的天然容重在2.3-3.1 g/cm3之间，参见下表,四、岩石的容重,2.2 岩石的物理与水理性质,四、岩石的容重,2.2 岩石的物理与水理性质,4-1-3 常见岩石的天然容重（g/cm3）,五、岩石空隙性,2.2 岩石的物理与水理性质,岩石的空隙性是岩石孔隙性和裂

22、隙性的统称。岩石空隙性的度量通常有两种：一种用空隙率（度）来表示，也可以用孔隙率（度）和裂隙率（度）来表示；另一种用岩石的空隙比来表示。岩石的空隙性对岩石的其他性质有重要的影响，如岩石的密度、含水性、透水性、变形性质等。,六、岩石空隙性,2.2 岩石的物理与水理性质,一般工程中所提到的岩石空隙率是指总空隙率。岩石因形成条件及其后期经受的变化和埋藏深度不同，空隙率变化范围很大，可自小于百分之一到百分之几十。新鲜的结晶岩类的空隙率一般小于3%，而沉积岩则较高，为1%-10%，但有些胶结不良的砂砾岩，空隙率可以达到10%-20%，甚至更大。常见岩石的空隙率如下表,七、岩石的吸水性,2.2 岩石的物理

23、与水理性质,由于岩石是一种多孔介质，在工程环境条件下，如井下潮湿的环境、坝体的处水环境等，内部常常含有一定的水，由于水的侵入使得岩石的物理力学性质发生很大的变化，这在岩体工程体中是经常要考虑的。岩石的吸水性是指岩石在一定试验条件下的吸水性能。它取决于岩石的空隙数量、大小、开闭程度和分布情况。表征岩石吸水性的指标有吸水率、饱水率和饱水系数。,八、岩石的透水性,2.2 岩石的物理与水理性质,岩石能被水透过的性质，称为岩石的透水性，常用渗透系数表示。它的大小取决于空隙的数量、大小、方向及连通情况。一般认为，水在岩石中的流动服从达西定律，因此，可用达西渗透仪在室内测定完整岩石试件的渗透系数。某些岩石的

24、渗透系数参见表,2.2 岩石的物理与水理性质,八、岩石的透水性,八、岩石的透水性,2.2 岩石的物理与水理性质,岩石的透水性对岩石的工程稳定性影响很大，一般来说，地下的岩石处于流体（液体和气体）的环绕之中，相对处于平衡状态，而受到人类工程活动影响时，其原始的平衡状态被打破，岩石系统为寻求新的平衡就要发生相应的状态调整，在调整过程中流体的流动对岩石是有很大影响的，二者是处于耦合状态下的调整，这一点在坝体工程、地下岩石中的核废料处理、地下土体中的水污染处理等问题中经常要涉及到，那里所提到的渗透性是多孔介质对流体通过能力的综合反映，这里所提到的岩石透水性只不过是将液体和多孔介质给界定了而已。,九、岩

25、石的软化性,2.2 岩石的物理与水理性质,岩石遇水之后其强度往往会降低，我们将岩石浸水后其强度降低的性质称为岩石软化性。岩石的软化性取决于它的矿物组成及空隙性。当岩石中含有较多的亲水性矿物以及大开空隙较多时，则其软化性较强。表征岩石软化性的指标是软化系数（KR），为岩石饱水抗压强度（cw）与干抗压强度（cd）之比，即,显然，KR值愈小则岩石的软化性愈强。当岩石的KR0.75 时，软化性弱，同时也可说明其抗冻性和抗风化能力强。常见岩石的软化系数参见表。由表可知：岩石的软化系数均小于1.0，说明岩石都具有不同程度的软化性。,九、岩石的软化性,2.2 岩石的物理与水理性质,2.2 岩石的物理与水理性

26、质,九、岩石的软化性,九、岩石的软化性,2.2 岩石的物理与水理性质,岩石的软化性对工程体的稳定性影响很大，如水工建筑、地表各种工程边坡、地下软岩工程体的维护等，在设计中是必须要考虑的。另外，在地下采矿活动中有时也充分利用水对岩石所产生的软化作用来防治地质灾害的发生，如煤与瓦斯突出防治中的水力处理措施、大面积来压中坚硬顶板的注水软化处理等。,十、岩石的抗冻性,2.2 岩石的物理与水理性质,岩石抵抗冻融破坏的性质，称为岩石的抗冻性。岩石浸水后，当水的温度降至0C以下时，空隙中的水将冻结使体积增大（可达9%），对岩石产生冻胀力，使其结构和连结遭到破坏。反复冻融后，将使岩石的强度降低。岩石的抗冻性常

27、用抗冻系数和质量损失率两个指标表示。抗冻系数（Rd）是指岩石冻融实验后干抗压强度（cd2）与冻融前干抗压强度（cd1）之比，以百分数表示，即,质量损失率（Km）是指冻融前后岩样干质量之差（ms1-ms2）与冻融前干质量（ms1）之比，以百分率表示，即,十、岩石的抗冻性,2.2 岩石的物理与水理性质,实验时，要求先将试件浸水饱和，然后在-20温度下冷冻，冻后融化，融化后再冷冻，如此反复冻融25 次或更多。冻融次数可以根据工程地区的气候条件决定。岩石的抗冻性，主要取决于岩石中大开空隙的发育情况、亲水性和可溶性矿物的含量及矿物颗粒间的连结力。大开空隙越多、亲水性和可溶性矿物含量越高时，岩石的抗冻性越

28、低；反之越高。一般认为，抗冻系数大于75%，质量损失率小于2%时，为抗冻性好的岩石；吸水率小于5%、软化系数大于0.75以及饱水系数小于0.8 的岩石，具有足够的抗冻能力。在四季温差比较大的地区，岩石的抗冻性在砌石坝体的设计以及建筑物基础（砌石基础）设计中尤其重要，往往其抗冻性直接影响到工程体的安全、稳定以及使用寿命。,十一、岩石的膨胀性和崩解性,2.2 岩石的物理与水理性质,膨胀性和崩解性主要是松软岩石所表现的特征。前者是指软岩浸水后体积增大和相应地引起压力增大的性能，后者是指软岩浸水后发生的解体现象。岩石的膨胀和崩解作用往往对地下工程和隧道工程的施工和巷道工程的稳定性带来不良影响。岩石的膨

29、胀性和崩解性主要取决于其胶结程度及造岩矿物的亲水性，一般含有大量黏土矿物（如蒙脱石、高岭土和水云母等）的软岩遇水后极易产生膨胀和崩解。,十一、岩石的膨胀性和崩解性,2.2 岩石的物理与水理性质,岩石的膨胀性可用膨胀应力和膨胀率来表示。岩石与水进行物理化学反应后，随时间变化会产生体积增大现象，这时使试件体积保持不变所需要的压力称为岩石的膨胀应力，而增大后的体积与原体积的比率称为岩石的膨胀率。这些指标是在实验室内借助于膨胀应力测定仪和膨胀仪按规定的测定方法加以确定。岩石的崩解性用耐崩解性指标表示，它是指岩石试件在承受干燥和湿润两个标准循环之后，岩样对软化和崩解作用所表现出的抵抗能力。这个指标也可在

30、实验室内借助耐崩解仪按有关规定确定。,十二、岩石的碎胀性和压实性,2.2 岩石的物理与水理性质,岩石的碎胀性是指破碎后的岩石较破碎前的岩石其体积增大的性质，而岩石的压实性是指岩石破碎后在外力作用下，随着时间的推移能够逐步被重新压实的性质。对于岩石的碎胀性通常用岩石的碎胀性系数来表示，岩石的碎胀性系数是指岩石破碎后的体积与破碎前的体积之比，表示为,十二、岩石的碎胀性和压实性,2.2 岩石的物理与水理性质,另外，有时还要用到岩石的残余碎胀系数，所谓岩石的残余碎胀系数是指破碎后的岩石经过一段时间压实后，此时的体积和破碎前原体积之比，表示为,十二、岩石的碎胀性和压实性,2.2 岩石的物理与水理性质,岩

31、石的碎胀系数和残余碎胀系数对工作面矿体采出后直接顶垮落形成的堆积体的高度，以及随后老顶结构失稳造成工作面顶板来压的影响很大，在计算顶板来压强度时往往要考虑到直接顶岩层的厚度以及其碎胀系数，借此可以了解到其对采空区的充填程度及来压状况。另外在路基的碎石垫层设计中也要考虑到岩石的压实性。,主要内容,2.1 岩石的基本特征,2.2 岩石的物理水理性质,2.3 岩石的变形性质,2.0 概述,2.4 岩石的强度性质,下一页,一、概述,2.3 岩石的变形性质,岩石的力学性质是指岩石在外力作用下所表现出来的性质，岩石的力学性质包括岩石的变形性质和强度性质。岩石的变形性质所表现的是岩石对外力的尺寸响应，而强度

32、性质所表现的是岩石抵抗外力破坏的能力。在外力作用下岩石首先产生变形，随着力的不断增加，达到或超过某一极限值时，便产生破坏，岩石遭受破坏时的应力称为岩石的强度。研究岩石的力学性质，主要是要研究岩石的变形、破坏与强度等性质。研究岩石的变形性质，主要是研究岩石在外力作用下所表现出来的应力应变关系，而岩石的应力应变关系又与岩石的受力状态有关，下面就岩石的变形性质加以阐述。,二、单向受压条件下的岩石变形,2.3 岩石的变形性质,在外力作用下，岩石内部应力状态发生变化，由于质点位置的改变，引起岩石变形。岩石的变形可分为弹性变形和塑性变形两种。按固体力学定义，弹性变形是指物体受力发生相应的全部变形，并在外力

33、解除的同时，变形立即消失，因而是可逆变形。塑性变形是指物体受力变形，在外力解除后，变形不再恢复，是不可逆变形，又称为永久变形或残余变形。岩石的变形规律，可通过外力作用下的变形过程及变形参数说明。所以，首先来研究岩石的应力应变关系。,二、单向受压条件下的岩石变形,2.3 岩石的变形性质,1.岩石的应力应变曲线特征 岩石在连续加载条件下的应变，可分为轴向应变（L）、横向应变（d）和体积应变（v）。前两者可用电阻应变仪测量。体积应变则用 v=L-2 d来进行计算求得。求得了各级应力下的这三种应变值，就可绘出相应的应力应变曲线，也有的是由XY绘图仪直接自动绘出。该曲线是分析研究岩石变形机理的主要依据，

34、其中以压应力轴向应变曲线-L曲线应用最广。根据大量的实验研究，在单向压力作用下，典型的应力应变全程曲线，即反映单轴压缩岩石试件在破裂前后全过程的应力应变关系的曲线如下图所示。,二、单向受压条件下的岩石变形,2.3 岩石的变形性质,1.岩石的应力应变曲线特征,下一页,二、单向受压条件下的岩石变形,2.3 岩石的变形性质,1.岩石的应力应变曲线特征,从图可以将岩石的变形过程划分为六个阶段。,（1）微裂隙及孔隙闭合阶段（图中oa 段）。在载荷作用初期，岩石中的裂隙及孔隙被逐渐压密，形成早期非线性变形。曲线呈上凹型，即斜率随着应力增大而逐渐增大，表明裂隙、孔隙压密开始较快，随后逐渐减慢。本阶段变形对裂

35、隙化岩石来说比较明显，但对坚硬少裂隙的岩石则不明显，甚至不显现。,（2）可恢复弹性变形阶段（图中ab 段）。随载荷增加，轴向变形成比例增长，斜率保持不变，并在很大程度上是可恢复的弹性变形。这一阶段的上界应力称为弹性极限，其值约等于峰值强度的30-40%。此阶段中有微量新型隙随之产生。,返回,二、单向受压条件下的岩石变形,2.3 岩石的变形性质,1.岩石的应力应变曲线特征,从图可以将岩石的变形过程划分为六个阶段。,（3）部分弹性变形至微裂隙扩展阶段（图中bc 段）。这一阶段的特点可由开始膨胀和近似性增长的体积应变来表征。这是由于岩石连续压缩所造成的。曲线-L仍呈近似直线，而曲线-v则明显偏离直线

36、。这一阶段的上界应力称为屈服极限，这时岩石压密至最密实状态，体积应变趋于零，该点出现在80%峰值强度处。（4）非稳定裂隙扩展至岩石结构破坏阶段（图中cd段）。这一阶段的特点是微裂隙迅速增加和不断扩展，形成局部拉裂或剪裂面。体积变形由压缩转变为膨胀，最终导致岩石结构完全破坏。本阶段的上界应力称为峰值强度或单轴抗压强度。,返回,二、单向受压条件下的岩石变形,2.3 岩石的变形性质,1.岩石的应力应变曲线特征,从图可以将岩石的变形过程划分为六个阶段。,（5）微裂隙聚结与扩展阶段（图中de 段）。岩石通过峰值应力阶段，虽然其内部结构完全破坏，但岩石仍呈整体。到本阶段裂隙扩展成分叉状，并相互联合形成宏观

37、断裂面。此时由于应变软化效应，应力随着应变增加面降低。（6）沿破断面滑移阶段（图中ef段）。本阶段岩石基本上已经分离成一系列碎块体，并在外力作用下相互滑移，随之变形不断增加。而应力则降低到某一稳定值，这一稳定值称为残余强度，其大小等于块体间的摩擦阻力。,返回,二、单向受压条件下的岩石变形,2.3 岩石的变形性质,1.岩石的应力应变曲线特征,从图可以将岩石的变形过程划分为六个阶段。,以上讨论了岩石在单向压力作用下变形的全过程。这是一条典型的曲线，反映了岩石一般的变形性质。但自然界中的岩石，因其矿物组成及结构不同，应力应变曲线特征也不尽相同。就岩石本身而言，每一种矿物都有各自的应力应变关系。不同矿

38、物的弹性极限也各不相同，同一种矿物在不同受力方向上的弹性极限也不同。空隙越发育岩石变形越容易，空隙的分布、形态等也都将导致应力应变关系的复杂化。有的岩石应力应变关系与上述典型曲线相同或类似，有的则不同。如当岩石裂隙发育轻微时，则裂隙压密阶段表现不明显，曲线oa 段就可能不存在。,返回,二、单向受压条件下的岩石变形,2.3 岩石的变形性质,1.岩石的应力应变曲线特征,通过各种岩石的实验研究，将岩石在单向压力作用下的应力应变曲线归纳为6种类型（如下图）：,下一页,二、单向受压条件下的岩石变形,2.3 岩石的变形性质,1.岩石的应力应变曲线特征,类型（弹性），表现为近似于直线的特点，直到发生突发性破

39、坏。这是玄武岩、石英岩、辉绿岩、白云岩及坚硬石灰岩等的特征变形曲线。类型（弹塑性），开始为直线，末端出现非弹性屈服段。较软而少裂隙的岩石，如石灰岩、粉砂岩和凝灰岩等常呈这种变形曲线。类型（塑一弹性），开始为上凹型曲线，然后转变为直线。坚硬而裂隙较发育的岩石，如砂岩、花岗岩等，在垂直微裂隙方向加载时常具有这种变形曲线。,返回,二、单向受压条件下的岩石变形,2.3 岩石的变形性质,1.岩石的应力应变曲线特征,类型和类型（塑弹塑性）为S型曲线。曲线中段的斜率大小与岩性软硬程度有关。岩性较软且含有微裂隙者，如片麻岩、大理岩和片岩等常具有这种变形特性。类型（弹塑蠕变性），开始为直线，很快变为非线性变形和

40、连续缓慢的蠕变变形，是岩盐和其他蒸发岩的特征变形曲线。,返回,二、单向受压条件下的岩石变形,2.3 岩石的变形性质,2.循环载荷条件下的岩石变形特征,岩石在循环加载作用下的应力一应变关系，随着加卸载方法及卸载应力的不同而异。（1）弹性段卸载 当在同一载荷条件下对试件加载、卸载时，如果卸载点的应力低于岩石的弹性极限，则卸载曲线将基本上沿加载曲线回到原点，表现为弹性恢复，没有残余应变；但不同的岩石又分为三种情况，如图所示。,返回,2.3 岩石的变形性质,2.循环载荷条件下的岩石变形特征,（1）弹性段卸载,返回,线弹性：弹性段为直线。完全弹性（非线性弹性）：弹性段为几何非线性的，但卸载后应力应变沿原

41、来加载曲线返回原点，没有残余应变。滞弹性：弹性段为几何非线性的，卸载时应力应变曲线不沿原来加载曲线返回，但最终回到原点，没有残余应变。但应注意，大部分弹性变形在卸载后能很快恢复，而小部分（约10-20%），需要经过一段时间后才能恢复，这种现象称为弹性后效。,2.3 岩石的变形性质,（2）塑性段加卸载 在塑性段重复加卸载，分两种情况：恒载条件下加卸载 每次加、卸载量相等，并重复加卸载多次，实验获得应力应变关系曲线如图a所示。可以看到如下特点：最初应力应变关系曲线很弯曲，且卸载后不能恢复的塑性变形较大；以后塑性变形逐渐减小，应力应变关系曲线越陡，也越接近直线；后一级与前一级曲线分别近似平行。说明岩

42、石经过多次加载、卸载后，越易呈现弹性性质。,返回,2.3 岩石的变形性质,（2）塑性段加卸载 变量重复加、卸载应力应变曲线 每次卸载后再重新加载时，其载荷量是变化的，一般采取逐级加大载荷的方法。如此重复加载、卸载实验，获得应力应变关系曲线，如图b所示，可以看到如下特点：前一级卸载与后一级加载之间，出现回滞环，说明了卸载时弹性变形恢复的滞后现象。如果每级卸载后的下一级加载量有规律地递增，则各级峰值应力连线基本呈现一有规律的直线或曲线，并且其形态与前述逐级加载下的应力应变曲线相似；与恒量重复加载、卸载一样，最初应力应变曲线很弯曲，越后越近似直线；各级相邻两加载、卸载的应力应变曲线，分别近似平行。,

43、返回,2.3 岩石的变形性质,3.岩石的变形参数 根据弹性理论，岩石的变形特征可用变形模量和泊松比两个基本参数表示。（1）变形模量 指岩石在单向受压时，轴向应力（d）与轴向应变（L）之比。当压应力应变为直线时，变形模量为常量，如图a所示，数值上等于直线的斜率。由于其变形为弹性变形，所以该模量又称为弹性模量。,返回,2.3 岩石的变形性质,3.岩石的变形参数（1）变形模量 当应力应变为曲线关系时，变形模量为变量，即不同应力阶段上的模量不同。常用初始模量、切线模量和割线模量三种模量来表示，如图b所示。,返回,2.3 岩石的变形性质,3.岩石的变形参数（1）变形模量 初始模量（Ei）：是指曲线原点处

44、的切线斜率，即 切线模量（Et）：是指曲线中段直线的斜率，即 割线模量（Es）：是指曲线上某特定点与原点连线的斜率。通常取相当于抗压强度50%,的应变点与原点连线的斜率，即,返回,2.3 岩石的变形性质,3.岩石的变形参数（1）变形模量 对于卸载点的应力高于弹性极限时，则卸载曲线从原来的加载曲线偏离出来，如下图所示。,返回,2.3 岩石的变形性质,3.岩石的变形参数（1）变形模量,返回,2.3 岩石的变形性质,3.岩石的变形参数,返回,(2）泊松比（）,是指岩石在单向受压时，横向应变（d）与轴向应变（L）之比，即,在实际工作中，常采用抗压强度的50%的应变点的横向应变与轴向应变来计算泊松比。常

45、见岩石的变形模量和油松比参见下表。,2.3 岩石的变形性质,返回,(2）泊松比（）,3.岩石的变形参数,2.3 岩石的变形性质,返回,(2）泊松比（）,3.岩石的变形参数,实验研究表明，岩石的变形模量和泊松比往往具有各向异性的特征。当平行于微结构面加载时，变形模量最大；而垂直微结构面的变形模量最小。两者的比值，沉积岩一般为1.08-2.05，变质岩一般为2.0左右。,2.3 岩石的变形性质,返回,二、岩石在三轴压缩条件下的变形性质三、岩石的流变性,参见教材P66-P68此处略,2.4 岩石的强度性质,返回,岩石在外力作用下所表现的力学性质中，除了变形性质以外，还有一个重要的性质就是岩石的强度性

46、质，它主要是反映岩石抵抗外力破坏的能力。岩石在外力作用下，当达到或超过某一极限值时，便发生破坏。通常把岩石抵抗外力破坏的能力称为岩石的强度。由于岩石的强度不仅因岩石的种类不同而有差异，即使同一类岩石甚至同一层的岩石，由于其形成过程的外力作用、矿物的组成成分含量等的不同，其强度也是不同的。所以，一般根据所研究工程体的具体情况而进行实验室压力试验确定。,一、概述,2.4 岩石的强度性质,返回,岩石在外力作用下发生破坏时，按外力的性质不同可将岩石的强度分为抗压强度、抗拉强度和抗剪强度三类。1、单轴抗压强度单轴抗压强度是指岩石单向受压时，能够承受的最大压应力，即,二、岩石强度的种类,2.4 岩石的强度

47、性质,返回,2、岩石的抗拉强度,二、岩石强度的种类,岩石单向受拉时，能承受的最大拉应力，称为岩石的抗拉强度。虽然在工程实践中，通常不允许拉应力出现，但拉断破坏仍是工程岩体及自然界岩体主要的破坏方式之一。而且岩石抵抗拉应力的能力最低，因此，抗拉强度是一个非常重要的岩石力学指标。测定岩石抗拉强度的方法有直接拉伸法和间接拉伸法两种。由于直接拉伸法的试件制备困难且实验技术复杂，目前多采用间接拉伸法，其中又以劈裂法和点载荷实验最常用。,2.4 岩石的强度性质,返回,2、岩石的抗拉强度,二、岩石强度的种类,劈裂法是把圆柱体或立方体试件横置于专门的抗拉夹具内，然后以一定加载速率加压，直至试件破坏，如图所示。

48、,2.4 岩石的强度性质,返回,2、岩石的抗拉强度,二、岩石强度的种类,岩石的抗拉强度按下式进行计算：,需要说明的是，岩石的抗拉强度测试方法由于制样困难和实验技术复杂，且存在不少问题需要进一步解决，因此，目前除有条件者外，一般利用它与抗压强度的比例关系间接确定。,2.4 岩石的强度性质,返回,3、岩石的抗剪强度,二、岩石强度的种类,岩石受到剪力作用时抵抗剪切破坏的最大剪应力，称为剪切强度。岩石的剪切强度与土一样，也是由内聚力（C）和内摩擦阻力（tan）两部分组成的，只是他们都比土的相应部分大，这与岩石具有牢固的连结有关。按实验方法的不同，所测定的剪切强度的含义也不同，通常分为以下几种：（1）抗

49、切强度 剪切面上不加法向载荷时岩石的抗剪强度，通常称为抗切强度，其加载方式和强度特性关系参见图。在这种情况下，剪切破坏面上岩石的内聚力就等于抗切强度，属于纯剪强度，即,2.4 岩石的强度性质,返回,3、岩石的抗剪强度,二、岩石强度的种类,（2）抗剪强度 剪切面上加法向载荷的剪切实验称为压剪实验，这种实验得出的强度指标，即在某一法向压应力作用下试件能抵抗的最大剪应力，称为抗剪强度，其加载方式和强度特性关系参见图（b）。由图中曲线可以看出，这种情况下岩石的抗剪强度是一个变量，它与试件破坏时作用在剪裂面上的正应力有关，即,2.4 岩石的强度性质,返回,3、岩石的抗剪强度,二、岩石强度的种类,（3）摩

50、擦强度 摩擦强度是指岩石试件内已经有断裂面时，在某一法向压力作用下所能抵抗剪切破坏的能力。由于岩石试件已经剪断而失去粘结内聚力（C=0），这时得出的抗剪强度仅是由内摩擦阻力所造成的，故称为摩擦强度，又称为残余抗剪强度。其加载方式和强度特性关系参见图c。此时其值为：（4）重剪强度 重剪强度是指岩石试件内部存在不完全断裂面时，在某一法向压力作用下抵抗剪切破坏的能力。这种情况与自然界岩石或多或少都存在裂隙面相近似，所以更能较为实际地反应岩石的实际抗剪强度。其加载方式和强度特性关系参见图d，此时：,2.4 岩石的强度性质,返回,3、岩石的抗剪强度,二、岩石强度的种类,2.4 岩石的强度性质,返回,二、