岩石物理力学性质Word格式文档下载.docx
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岩石密度的测定方法：
量积法；
水中称重法；
蜡封法等。
5、工程意义
岩石的重度可在一定程度上反映出岩石的力学性质情况。
通常，岩石的重度越大，则它的性质越好，反之越差。
图1-1是各种碳酸盐类岩石的单轴抗压强度与重度的相关关系曲线图。
从图上可以看出，随着岩石重度的增加，极限抗压强度也相应地增大。
在岩石力学计算中，经常用到重度这个指标。
岩石的重度一般在26.5~28.0（kN/m3）的范围内变化（表1-1）。
图1-1碳酸盐岩的抗压强度与重度的关系
1—大理岩；
2—大理岩化石灰岩；
3—石灰岩和白云岩
图1-2碳酸盐岩的抗压强度与孔隙率关系
表1-1常见岩石的容重、比重、孔隙率
岩石
重度
比密度
孔隙率
（%）
花岗岩
粗玄岩
流纹岩
安山岩
辉长岩
玄武岩
砂岩
26-27
30-30.5
24-26
22-23
30-31
28-29
20-26
2.5-2.84
2.4-2.8
2.7-3.2
2.6-3.3
2.6-2.75
0.5-1.5
0.1-0.5
4-6
10-15
0.1-0.2
0.1-1.0
5-25
页岩
石灰岩
白云岩
片麻岩
大理岩
石英岩
板岩
20-24
22-26
25-26
29-30
26.5
2.57-2.77
2.48-2.85
2.2-2.9
2.63-3.07
2.6-2.8
2.53-2.84
2.68-2.76
10-30
5-20
1-5
0.5-2
1.1.2岩石颗粒密度
岩石颗粒密度：
单位体积岩石颗粒（固体部分）所具有的质量。
其中，Ms—为岩石固体颗粒的质量，Vs—为固体颗粒的体积。
3、比密度（过去称为比重）：
有时为了单位换算的方便，可采用比密度的概念：
岩石固体部分的质量与同体积4C时纯水的质量之比值。
即
（无单位）
其中，为4C时纯水的密度，=1g/cm3。
在数值上s与s相等。
4、影响因素
影响岩石颗粒密度的因素：
岩石颗粒密度取决于矿物成分及其在岩石中的含量。
一般岩石是由多种矿物组成的，因此，岩石颗粒密度实际上是组成岩石的矿物密度的加权平均值。
大部分岩石的比密度在2.50~2.80之间，而且随着岩石中重矿物含量的增加而提高。
因此，基性和超基性岩石的比密度可达3.00~3.40甚至更高，酸性岩石如花岗岩的比密度仅为2.50~2.84。
某些岩石的比密度见表1-1。
5、测定方法
岩石颗粒密度的测定：
比重瓶法。
1.1.3岩石的孔隙性
岩石中存在各种各样的孔隙和细微裂隙，称为孔隙性。
孔隙的发育极大地影响岩石的工程性质。
岩石孔隙发育程度一般以孔隙率表示。
岩石的（总）孔隙率n是指岩石孔隙的体积Vn与岩石总体积V（包括岩石固体颗粒体积与孔隙体积）的比值。
以百分数表示。
3、其他孔隙率
总开孔隙率n0：
所有与大气相连同的孔隙裂隙体积占岩石总体积的比值。
大开孔隙率nb：
大开孔隙裂隙体积占岩石总体积的比值。
小开孔隙率ns：
小开孔隙裂隙体积占岩石总体积的比值。
闭孔隙率nc：
封闭的、与大气不相连同的孔隙占岩石总体积的比值。
如此划分是与岩石的水理性质有关。
4、孔隙率的研究意义
衡量岩石致密程度和工程质量的重要物理性质指标。
图1-2为几种碳酸盐类岩石的孔隙率与极限抗压强度的相关关系曲线。
孔隙率n越大，岩石中孔隙和细微裂隙越发育，工程性质越差。
5、影响因素
组成成分、成因类型、形成条件、形成时代、后期变化。
某些岩石的孔隙率见表1-1。
1.2岩石的水理性质
水理性质是岩石与水相互作用而表现出来的性质，即与水有关的岩石性质。
主要有岩石的吸水性、透水性、软化性和抗冻性。
1.2.1岩石的天然含水率
天然状态下岩石中所含有的水的质量M与岩石的烘干质量Mrd的比值。
气候、地形地貌、地质与水文地质环境。
1.2.2岩石的吸水性
岩石在一定条件下吸收水分的性能称为吸水性。
吸水性的大小用吸水率a和饱水率表示。
吸水率a是指岩石在常温常压下吸入水的质量与其烘干质量Mdr的比值。
其中，M0是烘干岩样浸水48小时后的总质量。
反映大开孔隙发育程度。
岩石的空隙越发育、连通性越好，则吸入的水量越多，吸水率越高。
因此，有时将吸水率称为孔隙指数。
3、其他吸水率
饱和吸水率sa：
岩石在强制状态（高压（一般是150个大气压）或真空、煮沸）下，岩石吸入的水的质量与岩样烘干质量的比值，以百分数表示，即
其中，Msa—真空抽气饱和或煮沸后岩石试件的质量，Mdr—岩样在105~110C温度下烘干24小时的质量。
饱和吸水率反映可总开孔隙的发育程度。
岩石饱水系数k是指岩石吸水率与饱水率的比值，以百分数表示，即
通常将岩石的吸水率与饱水率之比称为岩石的饱水系数。
一般岩石的饱水系数在0.5~0.8之间。
饱水系数对判断岩石抗冻性具有重要意义。
当饱水系数<
0.91时，表示岩石在冻结过程中，水还有膨胀和挤入剩余的敞开空隙的余地；
而当饱水系数>
0.91时，在冻结过程中形成的冰会对岩石的空隙产生冰劈作用，从而对岩石产生胀裂破坏。
4、影响岩石吸水率的因素
孔隙裂隙的多少、大小、分布及其连通情况。
工程上常用岩石的吸水率作为判断岩石的抗冻性和风化程度的指标，并广泛地与其他的物理力学特征值建立关系。
1.2.3岩石的透水性
岩石能被水透过的能性。
岩石的透水性用渗透系数K表示。
根据达西定律，某岩石断面上的水渗透流速与水力坡度成正比，即
v=KI
其中，比例系数K即为渗透系数。
在数值上，K等于水力坡度等于1时的渗透流速。
由于水力坡度的单位为1，所以渗透系数的单位取速度的单位，一般为m/d或cm/s表示。
水皮坡度是水流方向上单位流动距离上的水头降，反映水流的阻力大小（流动过程中能量的消耗情况）。
渗透流速是单位岩石断面（该断面包括岩石固体部分的面积和空隙的面积）在单位时间内流过的水的体积。
岩石的透水性好坏取决于空隙的多少、大小、方向及连通情况，同时也与流过的流体性质有关。
1.2.4岩石的软化性
岩石浸水后强度降低的性能称为岩石的软化性。
软化性常用软化系数来表示。
软化系数c是岩样饱水状态的抗压强度c与自然风干状态下的抗压强度c之比值，以小数表示，即：
c一般情况下小于1。
岩石的软化性与岩石的物质组成有很大的关系，通常含较多粘土矿物的岩石，其软化系数小，即饱水后强度下降多。
1.2.5岩石的抗冻性
岩石抵抗冻融破坏的性能称为岩石的抗冻性。
是评价岩石抗风化稳定性的重要指标。
岩石的抗冻性的高低，取决于造岩矿物的热物理性质、粒间联结强度及岩石的含水特征等因素。
由坚硬岩石的刚联结组成的致密岩石的空冻性能高，而富含长石、云母和绿泥石类矿物及结构不致密的岩石的抗冻性能低。
岩石的抗冻性通常用抗冻系数和质量损失率表示。
岩石的抗冻系数cf是指岩样在25C的温度区间内，反复降温冻结、升温融解，其抗压强度有所下降，岩样抗压强度的下降值c-cf（cf是反复冻融后的抗压强度）与冻融前的抗压强度c之比值即为抗冻系数，以百分数表示，即
岩石在反复冻融后强度降低的原因在于：
构成岩石的各种矿物热膨胀系数不同，当温度变化时，由于矿物胀、缩差异导致岩石结构破坏；
当温度降到0C以下时，空隙中的水分将冻结成冰，其体积约增大9%，会产生很大的膨胀压力，使岩石结构发生改变，直至破坏。
质量损失率是岩石冻融前后干试样的质量差与冻融前干试样的质量的比值，用百分数表示，即
岩石的冻融实验是在实验室内进行的。
一般要求按规定制备6~8块试样，分两组。
一组进行规定次数的冻融实验，另一组做干燥状态下的抗压强度实验。
一般要求，抗压强度降低不大于25%、质量损失率不大于15%，才算是抗冻性能好的岩石。
1.3岩石的强度
强度的概念：
岩石在各种荷载作用下达到破坏时所能承受的最大应力称为岩石的强度。
岩石同其他材料一样，也具有一定的抵抗外力作用的能力，但是，这种能力是有限的，当外力超过一定的极限时，岩石就要发生破坏。
外力作用的方式不同，抵抗破坏的能力也不同，因而，通常根据外力的类型可划分强度的类型，如单轴强度、三轴强度等。
强度的确定：
岩石的强度通过强度试验确定。
不同类型的强度均有相应的试验方法，同时也有相应的试验技术和要求。
研究岩石强度的意义：
（1）岩石强度是各种岩石分类、分级中的重要数量指标。
（2）可作为强度准则，以判断：
①当前计算点所处全应力应变曲线的哪个区；
②所计算或测定处的岩土工程是否稳定。
（3）在简单地下工程条件下，可作为极限平衡条件（塑性条件），求解弹塑性问题的塑性区范围，以及弹性区和塑性区的应力与位移。
1.3.1岩石的破坏形式
根据大量的试验和观察证明，岩石的破坏常常表现为下列各种形式：
1、脆性破坏——大多数坚硬岩石在一定的条件下都表现出脆性破坏的性质。
也就是说，这些岩石在荷载作用下没有显著觉察的变形就突然破坏。
产生这种破坏的原因可能是岩石中裂隙的发生和发展的结果。
例如，地下洞室开挖后，由于洞室周围的应力显著增大，洞室围岩可能产生许多裂隙，尤其是洞顶的张裂隙，这些都是脆性破坏的结果。
2、延性破坏——岩石在破坏之前的变形很大，且没有明显的破坏荷载，表现出显著的塑性变形、流动或挤出，这种破坏称为延性破坏或韧性破坏。
塑性变形是岩石内结晶晶格错位的结果。
在一些软弱岩石中这种破坏较为明显。
有些洞室的底部岩石隆起，两侧围岩向洞内鼓胀都属延性破坏的例子。
坚硬岩石一般属脆性破，但在两向或三向受力较大的情况下，或者在高温的影响下，也可能延性破坏（或称塑性破坏）。
3、弱面剪切破坏——由于岩层中存在节理、裂隙、层理、软弱夹层等软弱结构面，岩层的整体性受到破坏。
在荷载作用下，这些软弱结构面上的剪应力大于该面上的强度时，岩体就发生沿着弱面的剪切破坏。
岩基和岩坡沿着裂隙和软弱层的滑动以及小块试件沿着潜在破坏面的滑动，都属于这种破坏的例子。
图1-3示有这几种破坏形式的简图。
图1-3岩石的破坏形式
（a）、（b）脆性断裂破坏；
（c）脆性剪切破坏；
（d）延性破坏；
（e）弱面剪切破坏
1.3.2岩石强度试验的基本要求
进行岩石强度试验所选用的试件必须是完整岩块，而不应该包含节理裂隙。
这是因为，在一个小的试样中的节理裂隙是随机的，不具有代表性。
要做含节理裂隙的试件的强度，需作现场大型原位测试，试验所得的结果是岩体的强度。
各种强度均需要通过试验确定，试验所获得的结果除与岩石本身的特性有关以外，还常受到下列因素的影响：
（1）试件尺寸
一般情况下，岩石试件的尺寸愈大，则强度愈低，反之愈高，这一现象称为尺寸效应。
这是由于试件内分布着从微观到宏观的细微裂隙，它们是岩石破坏的基础。
试件尺寸愈大，细微裂隙愈多，破坏的概率也增大，因而强度降低。
（2）试件形状
一般而言，圆柱形试件的强度高于棱柱形试件的强度，这是因为后者应力集中之故。
而在棱柱形试件中，截面为六角形试件的强度高于四角形，而四角形的又高于三角形。
这种影响称为形态效应。
因此，试件形状不同，试验所得的强度也不同。
（3）试件三维尺寸比例
一般情况下，宽度与高度之比大的试件测得的强度指标值较宽度与高度之比小的试件测得的强度指标值要高得的多。
（4）加载速率
加载速率愈快，岩石的强度愈大，它们之间基本成正比关系。
这是因为快速加载具有动力的特性之故。
表1-2列出了两种岩石的试验结果，可看出加荷速率的重大影响。
（5）湿度
水对岩石的抗压强度有显著的影响。
当水侵入岩石时，水就顺着裂隙孔隙进入润湿岩石全部自由面上的每个矿物质颗粒，由于水分子的侵入从而削弱了粒间联系，使强度降低。
其降低程度取决于孔隙和裂隙的状况、组成岩石的矿物成分的亲水性和水分含量、水的物理化学性质等。
因此，岩石受水饱和状态试件的抗压强度（饱和抗压强度）和干燥状态试件的抗压强度是不同的，它们的比值称为软化系数。
部分岩石的软化系数见表1-3。
表1-2加荷速率对岩石抗压强度的影响
岩石名称
抗压强度（MPa）
到破坏的时间30s
到破坏的时间0.03s
增加强度%
56
84
50
218
282
30
表1-3部分岩石的软化系数
软化系数
凝灰岩
0.52~0.86
0.58~0.94
辉绿岩
0.44~0.90
0.24~0.55
0.75~0.97
闪长岩
0.60~0.74
0.44~0.97
0.71~0.92
0.96
为了保证不同岩石强度试验所获得的岩石强度指标具有可比性，国际岩石力学学会（ISRM）自1979年起陆续发表了关于岩石强度试验所使用的试件的形状、尺寸、数量、加工精度、加载速率、加载时间和湿度等的建议（标准），以及其他各种岩石力学性质测试方法的建议（标准）。
对不符合标准试件和标准试件试验条件所获得的强度指标值，必须根据国际标准作相应的修正。
有关岩块性质试验的标准见表1-4。
表1-4SRM（1979）有关建议表
项目
单轴压缩
单轴拉伸
三轴压缩
直接
间接
试件形状
圆柱体
试件直径mm
54
高径比
2.5~3.0
试件直径与最大粒径之比
10:
1
试件数量
5
10
含水量
天然
保存天数d
加工精度要求
端面磨平度mm
0.02
0.25
轴线垂直度
0.001弧度或3.5”或每50mm不超过0.005mm
同左
0.25
同单轴压缩
侧面不平度mm
0.3
0.1
厚度不平度<
0.025
加载速度MPa/s
0.49~0.98
>
200N/s
加载时间min
5~10
15~30s
我国煤炭、地质部门规定可采取直径为50mm，高径比为1~2.5的圆柱体试件，也可采用555cm3或777cm3的立方体试件；
端面磨平度要求不大于0.1mm。
1.3.3单轴抗压强度
岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所能承受的最大压应力称为岩石的单轴抗比强度（uniaxialpressivestrength），或称为非限制性抗压强度（unconfinedpressivestrength）。
因为试件只受轴向压力作用，侧向没有压力，因此试件变形没有受到限制，如图1-4（a）所示。
图1-4单轴压缩试验试件受力图和破坏状态示意图
国际上通常把单轴抗压强度表示为UCS，我国习惯上将单轴抗压强度表示为c，其值等于达到破坏时的最大轴向压力P除以试件的横截面积A，即
（N/m2、Pa、kPa、mPa）
试件在单轴压缩荷载作用下破坏时，在试件中可产生三种破坏形式：
（1）X状共轭斜面剪切破坏，如图1-4（b）所示。
破坏面法线与荷载轴线（即试件轴线）的夹角
，式中为岩石的内摩擦角。
这是最常见的破坏形式。
（2）单斜面剪切破坏，如图1-4（c）所示。
角定义与图1-4（b）相同。
上述两种破坏都是由于破坏面上的剪应力超过极限引起的，因而被视为剪切破坏。
但破坏前破坏面所须承受的最大剪应力也与破坏面上的正应力有关，因而也可称为该类破坏为压—剪破坏。
图1-5试验测得的单轴抗压强度值c’与试件L/D之间的关系示意图
（3）拉伸破坏，如图1-4（d）所示。
在轴向压应力作用下，在横向将产生拉应力，这是泊松效应的结果。
这种类型的破坏就是横向拉应力超过岩石抗拉极限引起的。
试件形状可以是立方体（5cm5cm5cm或7cm7cm7cm），也可以是圆柱体，但使用最广泛的是圆柱体。
圆柱体直径一般不小于5cm。
圆柱体试件高度与直径之比（L/D）对试验结果有很大影响。
以c表示实际的岩石单轴抗压强度，以c’表示试验所测得的岩石单轴抗压强度，则c和c’之间的关系可由下式和图1-5表示。
由图1-5可见，当L/D2.5~3时，c曲线趋于稳定，试验结果（c’）值不随L/D的变化而明显变化。
因此，ISRM建议进行岩石单轴抗压强度试验时所使用的试件高度L与直径D之比为2.5~3（见上述表）。
压缩试验设备见图1-6。
进行压缩试验时，试件的端部效应也应注意。
如图1-6所示，当试件由上下两个铁板加压时，铁板与试件端面之间存在摩擦力，因此，在试件端部存在剪应力，并阻止试件端部的侧向变形，所以试件端部的应力状态不是非限制性的，也是不均匀的。
只有在离开端面一定距离的部位，才会出现均匀应力状态。
为了减少端部效应，必须在试件与铁板之间加润滑剂，以充分减少铁板与试件端面之间的摩擦力。
同时必须使试件长度达到规定的要求，以保证在试件中部出现均匀应力状态。
如铁板与试件端面之间不存在摩擦力，则均匀应力状态将在整个试件中出现。
图1-6压缩试验设备示意图
单轴抗压强度试验的要求：
（1）ISRM（国际岩石力学学会）的建议值：
试件形状为圆柱体，试件直径54mm，径高比2.5~3.0，试件直径与最大粒径之比为10:
1，平行作5个以上的试验，保持试件的天然含水量，试件保存不得超过30d，端面磨平度为0.02mm，轴线垂直度为0.001弧度或3.5”或每50mm不超过0.005mm，侧面不平度0.3mm，试验时加载速率控制在0.49~0.98MPa/s，加载时间为5~10min。
（2）我国煤炭、地矿系统的规定：
试件可采用直径50mm、高径比1~2.5的圆柱体或5cm5cm5cm的立方体，端面磨平度不大于0.1mm，其余规定同
（1）。
（3）试验最好采用刚性试验机或伺服试验机。
试件上下加垫层，垫层直径等于试件的直径或比直径大2mm，垫块厚度不得小于试件直径的1/3。
也可以在加压铁板与试件接触面上加润滑剂以充分减少两者之间的摩擦力。
较大的高径比、加垫层以及加润滑剂等措施的目的在于减少“端面效应”，使试件中部应力分布均匀。
以便测定的数据相互对比。
（4）试验数据的整理：
n个试件抗压强度试验数据为ci（i=1，2，……，n）
求平均值
求偏差ei＝ci-
（i=1，2，……，n）
求标准差
求离散系数（偏差系数、变异系数）
整理的结果，应提供的数据是
，离散系数cv是衡量试验数据优劣的标准。
cv的大小取决于岩石试样的均匀性和试验的操作过程的规范性。
由于岩石的均匀性较其他材料差，所以岩石一般要求cv<
15%~20%即可，而金属材料要求cv<
3%~5%。
当试件的高径比（L/D）不符合ISRM的建议时，可按照下式修正到高径比为2的数据：
c’为高径比为L/D的试件的单轴抗压强度。
目前还没有从任意高径比L/D修正到高径比为2.5~3.0的单轴抗压强度的经验公式。
1.3.4三轴抗压强度
岩石在三向压缩荷载作用下，达到破坏时所能承受的最大压应力称为岩石的三轴抗压强度（triaxialpressivestrength）。
与单轴压缩试验相比，试件除受轴向压力外，还受侧向压力。
侧向压力限制试件的横向变形，因而三轴试验是限制性抗压强度（confinedpressivestrength）试验。
三轴压缩试验的加载方式有两种：
一种是真三轴加载，试件为立方体，加载方式如图1-7（a）所示。
其中1主压应力（轴向压力），2和3为侧向压应力，这种加载方式试验装置繁杂，且六个面均可受到由加压铁板所引起的摩擦力，对试验结果有很大影响，因而实用意义不大，故极少有人做这样的三轴试验。
常规的三轴试验是伪三轴试捡，试件为圆柱体，试件直径为25~150mm，长度与直径之比为2:
1或3:
1，加载方式如图1-7（b）所示，轴向压力1的加载方式与单轴压缩试验时相同，但由于有了侧向压力，其加载时的端部效应比单轴加载时要轻微得多，侧向压力（2=3）由圆柱形液压油缸施加，由于试件侧表面已被加压油缸的橡皮套包住，液压油不会在试件表面造成摩擦力，因而侧向压力可以均匀施加在试件中。
其试验装置示意图见图1-8。
在上述两种试验条件下，三轴抗压强度均为试件达到破坏时所能承受的最大1值。
图1-7三轴试验加载示意图
图1-8常规三轴试验装置图
第一个经典性的三轴压缩试验是由意大利人冯卡门于1911年完成的，试验使用的是白色圆柱体大理石试件，该大理石具有很细的颗粒并且是非常均质的。
试验发现，在围压为零或较低时，大理石试件以脆性方式破坏，沿一组倾斜的裂隙破坏。
随着围压的增加，试件的延性变形和强度都不断增加，直至出现完全延性或塑性流动变形，并伴随应变硬化，试件也变成粗腰桶形。
在试验开始阶段，试件体积减小，当1达到抗压强度的一半时，出现扩容，泊松比迅速增大。
三轴压缩试验的最重要的成果就是对于同一种岩石的不
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