岩石的物理力学性质上岩石力学.ppt

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1、1 2.12.1 岩石的结构和构造岩石的结构和构造岩石的结构和构造岩石的结构和构造 构造构造：各种不同结构的矿物集合体的各种分布和排列方式。各种不同结构的矿物集合体的各种分布和排列方式。结构结构：矿物颗粒的形状、大小和联结方式所决定的结构特征。：矿物颗粒的形状、大小和联结方式所决定的结构特征。粒间联结粒间联结结晶联结结晶联结：矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，：矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，它是通过共用原子或离子使不同晶粒紧密接触。它是通过共用原子或离子使不同晶粒紧密接触。胶结联结胶结联结：矿物颗粒通过胶结物联结在一起。：矿物颗粒通过胶结物联结在一起。硅质胶结铁质、钙质泥质胶结硅质胶结铁质、钙

2、质泥质胶结第第第第2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质Mar,20072第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 物理性质物理性质参数参数质量指标质量指标容重、密度、比重容重、密度、比重孔隙性孔隙性孔隙率、孔隙比孔隙率、孔隙比水理性质水理性质含水率、吸水率、饱水率、渗透性含水率、吸水率、饱水率、渗透性抗风化指标抗风化指标膨胀性、崩解性、软化性、抗冻性膨胀性、崩解性、软化性、抗冻性Mar,20073第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性

3、质岩石的物理力学性质 2.22.2 岩石的基本物理性质岩石的基本物理性质岩石的基本物理性质岩石的基本物理性质岩岩石石单单位位体体积积(包包括括岩岩石石中中孔孔隙隙体体积积)的的重重量量称称为为容容重重（重度（重度，unitweight）。岩石容重的表达式为：）。岩石容重的表达式为：（2-1）式中，式中，岩石容重（岩石容重（kN/m3）；）；岩样的重量（岩样的重量（kN）；）；岩样的体积（岩样的体积（m3）。）。质量指标质量指标Mar,20074第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 根根据据岩岩石石的的含含水水状状况况，将将容容

4、重重分分为为天天然然容容重重、干干容容重重和饱和容重和饱和容重。岩岩石石容容重重取取决决于于组组成成岩岩石石的的矿矿物物成成分分、孔孔隙隙发发育育程程度度及及其其含含水水量量。岩岩石石容容重重的的大大小小，在在一一定定程程度度上上反反映映出出岩岩石石力力学学性性质质的优劣。的优劣。测测定定岩岩石石的的容容重重可可采采用用量量积积法法（直直接接法法）、水水中中法法或或蜡蜡封封法法。具体采取何种方法，应根据岩石的性质和岩样形态来确定。具体采取何种方法，应根据岩石的性质和岩样形态来确定。Mar,20075Faculty of Civil Engineering,Chongqing Universit

5、y第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 Mar,20076Faculty of Civil Engineering,Chongqing University第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 Mar,20077第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 岩岩石石的的密密度度定定义义为为岩岩石石单单位位体体积积(包包括括岩岩石石中中孔孔隙隙体体积积)的的质质量量，用用表表示示，单单位位一一般般为为k

6、g/m3。它它与与岩岩石石容重之间存在如下关系：容重之间存在如下关系：（2-2）式中，式中，重力加速度，重力加速度，m/s2。Mar,20078第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 岩石的比重，在数值上等于其密度，它取决于组成岩石的矿物比重及其在岩岩石的比重，在数值上等于其密度，它取决于组成岩石的矿物比重及其在岩石中的相对含量。石中的相对含量。岩石的比重，可采用比重瓶法进行测定，试验时先将岩石研磨成粉末，烘干岩石的比重，可采用比重瓶法进行测定，试验时先将岩石研磨成粉末，烘干后用比重瓶法测定。岩石的比重一般为后用比重瓶法测定。岩

7、石的比重一般为2.52.8。specificgravityMar,20079第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 孔隙性孔隙性porosityMar,200710第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 WaterAirRockVaVwVsVvVma=0mwmsm质量质量体积体积Mar,200711第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 三相草图三相草图WaterWaterAirAirRockRoc

8、kVaVwVsVvVma=0mwmsm质量质量体积体积已知关系五个已知关系五个:共有九个参数共有九个参数:VVvVsVaV/msmmam剩下三个独立变量剩下三个独立变量三相草图法三相草图法物性指标是比例关系物性指标是比例关系:可假设任一参数为可假设任一参数为1实验室测定实验室测定其它指标其它指标是一种简单而实用的方法是一种简单而实用的方法Mar,200712第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 水理性质水理性质Mar,200713第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力

9、学性质 Mar,200714第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 岩石的岩石的渗透性渗透性是指在水压力作用下，岩石的孔隙和裂隙透过水的能力。岩是指在水压力作用下，岩石的孔隙和裂隙透过水的能力。岩石的渗透性可用渗透系数来衡量。渗透系数的物理意义是介质对某种特定石的渗透性可用渗透系数来衡量。渗透系数的物理意义是介质对某种特定流体的渗透能力。因此，对于水在岩石中渗流来说，渗透系数的大小取决流体的渗透能力。因此，对于水在岩石中渗流来说，渗透系数的大小取决于岩石的物理特性和结构特征，例如岩石中孔隙和裂隙的大小、开闭程度于岩石的物理特性和

10、结构特征，例如岩石中孔隙和裂隙的大小、开闭程度以及连通情况等。以及连通情况等。根据达西（根据达西（Darcy）定律，）定律，渗流速度与水力坡度成正比渗流速度与水力坡度成正比坚硬的花岗岩、致密的石灰岩的渗透系数低于坚硬的花岗岩、致密的石灰岩的渗透系数低于1010-10-10厘米厘米/秒秒砂岩、多裂隙的页岩的渗透系数大于砂岩、多裂隙的页岩的渗透系数大于1010-3-3厘米厘米/秒秒permeabilityMar,200715第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 岩岩石石的的膨膨胀胀性性是是指指岩岩石石浸浸水水后后体体积积增增大大的

11、的性性质质。某某些些含含粘粘土土矿矿物物(如如蒙蒙脱脱石石、水水云云母母及及高高岭岭石石)成成分分的的软软质质岩岩石石，经经水水化化作作用用后后在在粘粘土土矿矿物物的的晶晶格格内内部部或或细细分分散散颗颗粒粒的的周周围围生生成成结结合合水水溶溶剂剂腔腔(水水化化膜膜)，并并且且在在相相邻邻近近的的颗颗粒粒间间产产生楔劈效应，当楔劈作用力大于结构联结力，岩石显示膨胀性。生楔劈效应，当楔劈作用力大于结构联结力，岩石显示膨胀性。岩石膨胀性大小一般用膨胀力和膨胀率两项指标表示，目前国内大多采用岩石膨胀性大小一般用膨胀力和膨胀率两项指标表示，目前国内大多采用土的固结仪和膨胀仪测定岩石的膨胀性，测定岩石膨

12、胀力和膨胀率的试验土的固结仪和膨胀仪测定岩石的膨胀性，测定岩石膨胀力和膨胀率的试验方法常用的有平衡加压法、压力恢复法和加压膨胀法。方法常用的有平衡加压法、压力恢复法和加压膨胀法。膨胀压力曲线膨胀压力曲线自由膨胀率：无约束条件下，浸自由膨胀率：无约束条件下，浸水后水后膨膨胀变形与原尺寸之比胀变形与原尺寸之比轴向自由膨胀轴向自由膨胀 径向自由膨胀径向自由膨胀 抗风化指标抗风化指标Mar,200716第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 岩石的岩石的崩解性崩解性是指岩石与水相互作用时失去粘结性并变成完全丧失强度的是指岩石与水相互作用

13、时失去粘结性并变成完全丧失强度的松散物质的性能。这种现象是由于水化过程中削弱了岩石内部的结构联结松散物质的性能。这种现象是由于水化过程中削弱了岩石内部的结构联结引起的，常见于由可溶盐和粘土质胶结的沉积岩地层中。岩石崩解性一般引起的，常见于由可溶盐和粘土质胶结的沉积岩地层中。岩石崩解性一般用岩石的用岩石的耐崩解性指数耐崩解性指数表示，这个指标可以在实验室内做干湿循环试验确表示，这个指标可以在实验室内做干湿循环试验确定。定。试验时，将烘干的试块，约试验时，将烘干的试块，约500g，分成，分成10份，放入带有筛孔的圆筒内，使份，放入带有筛孔的圆筒内，使圆筒在水槽中以圆筒在水槽中以20rs速度连续转速

14、度连续转10分钟，然后将留在圆筒内的石块取出分钟，然后将留在圆筒内的石块取出烘干称重。如此反复进行两次，按试验前的试件烘干质量和残留在筒内的烘干称重。如此反复进行两次，按试验前的试件烘干质量和残留在筒内的试件烘干质量计算耐崩解性指数。试件烘干质量计算耐崩解性指数。干湿循环测定仪干湿循环测定仪1 1 圆筒；圆筒；2 2 轴；轴；3 3 水槽水槽disintegrationMar,200717第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 softeningcoefficientMar,200718第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理

15、力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 frostresistanceMar,200719Faculty of Civil Engineering,Chongqing University第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 Mar,200720Faculty of Civil Engineering,Chongqing University第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 岩岩石石在在荷荷载载作作用用下下破破坏坏时时所所承承受受的

16、的最最大大荷荷载载应应力力称称为为岩岩石石的的强强度度。岩岩石石的的强强度度取取决决定定于于很很多多因因素素，岩岩石石结结构构、风风化化程程度度、水水、温温度度、围围压压大大小小、各各向向异异性性等等都影响岩石的强度。都影响岩石的强度。岩石的力学性质是岩石的力学性质是物理性质的延伸物理性质的延伸万能材料试验机万能材料试验机万能材料试验机万能材料试验机Mar,200721第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 1.1.单轴抗压强度单轴抗压强度 岩石岩石单轴抗压强度单轴抗压强度就是岩石试件在单轴压力作用下就是岩石试件在单轴压力作用下

17、(无围压，只在轴向无围压，只在轴向加压力加压力)所能承受的最大压应力。单轴抗压强度等于达到破坏时最大轴向压所能承受的最大压应力。单轴抗压强度等于达到破坏时最大轴向压力除以试件的横截面积，即力除以试件的横截面积，即 圆柱形试件：圆柱形试件：4.84.85.2cm 5.2cm，高，高H=H=（2 22.5)2.5)长方体试件：边长长方体试件：边长L=4.8L=4.85.2cm,5.2cm,高高H=H=（2 22.5)L2.5)L 试件两端不平度试件两端不平度0.5 mm0.5 mm；尺寸误差；尺寸误差0.3mm 0.3mm；两端面垂直于轴线两端面垂直于轴线0.250.25o o试件标准：compr

18、essivestrengthMar,200722第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 岩石的抗压强度试验岩石的抗压强度试验（1 1）承压板端部的摩擦力及其刚度（加垫块的依）承压板端部的摩擦力及其刚度（加垫块的依据）据）（2 2）试件的形状和尺寸）试件的形状和尺寸 形状：圆形试件不易产生应力集中，好加工形状：圆形试件不易产生应力集中，好加工 尺寸：大于矿物颗粒的尺寸：大于矿物颗粒的1010倍；倍；5050的依据的依据 高径比：研究表明；高径比：研究表明；h/d(2h/d(23)3)较合理较合理（3 3）加载速度）加载速度 加载速

19、度越大，表现强度越高加载速度越大，表现强度越高 我国规定加载速度为我国规定加载速度为0.51.0MPa/s（4 4）环境）环境 含水量：含水量越大强度越低；岩石越软越含水量：含水量越大强度越低；岩石越软越明显，对泥岩、粘土等软弱岩体，干燥强度是明显，对泥岩、粘土等软弱岩体，干燥强度是饱和强度的饱和强度的2 23 3倍。倍。温度：温度增加，岩石强度降低。温度：温度增加，岩石强度降低。Mar,200723第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 破坏形态是表现破坏机理的重要特征，其主要影响因素：破坏形态是表现破坏机理的重要特征，其主要

20、影响因素：应力状态应力状态试验条件试验条件单轴压力作用下试件的劈裂；单轴压力作用下试件的劈裂；单斜面剪切破坏；单斜面剪切破坏；多个共轭斜面剪切破坏多个共轭斜面剪切破坏Mar,200724第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 Mar,200725岩石名称岩石名称抗压强度抗压强度（MPa）岩石名称岩石名称抗压强度抗压强度（MPa）岩石名称岩石名称抗压强度抗压强度（MPa）辉长岩辉长岩180300辉绿岩辉绿岩200350页岩页岩10100花岗岩花岗岩100250玄武岩玄武岩150300砂岩砂岩20200流纹岩流纹岩180300石英岩

21、石英岩150350砾岩砾岩10150闪长岩闪长岩100250大理岩大理岩100250板岩板岩60200安山岩安山岩100250片麻岩片麻岩50200千枚岩、千枚岩、片岩片岩10100白云岩白云岩80250灰岩灰岩20200第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 Mar,200726常常规规三三轴轴压压力力试试验验是是使使圆圆柱柱体体试试件件周周边边受受到到均均匀匀压压力力（），而而轴轴向向则则用用压压力力机机加加载载（）。三三轴轴压压力力试试验验测测得得的的岩岩石石强强度度和和围围压压关关系系很很大大，岩岩石石抗抗压压强强度度随

22、随围围压压的的增增加加而而提提高高。通通常常岩岩石石类类脆脆性性材料随围压的增加而具有延性。材料随围压的增加而具有延性。第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 100T大型动静三轴试验机大型动静三轴试验机Mar,200727第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 Mar,200728第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 真真三三轴轴压压力力试试验验加加载载是是使使试试件件成成为为 的的应应力力状状

23、态态。真真三三轴轴压压力力试试验验可可得得到到许许多多不不同同应应力力路路径径下下的的力力学学结结果果，可可为为岩岩石石力力学学理理论论研研究究提提供供较较多多的的资资料料。但但是是真真三三轴轴试试验验装装置置复复杂杂，试试件件六六面面均均可可受受到到加加压压引引起起的的摩摩擦力，影响试验结果，故较少进行该类试验。擦力，影响试验结果，故较少进行该类试验。Mar,200729岩石的岩石的抗剪强度抗剪强度是岩石抵抗剪切破坏的极限能力，它是岩石力学中重要是岩石抵抗剪切破坏的极限能力，它是岩石力学中重要指标之一，常以指标之一，常以内聚力内聚力和和内摩擦角内摩擦角这两个抗剪参数表示。这两个抗剪参数表示。

24、1.1.直接剪切试验直接剪切试验第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 岩石剪力仪岩石剪力仪shearstrengthMar,200730第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 图图2-5抗剪强度抗剪强度与正应力与正应力的关系的关系Mar,200731第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 Mar,200732第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石

25、的物理力学性质 Mar,200733第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 Mar,200734常常见见岩岩石石的的剪剪切切强强度度 第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 岩石名称岩石名称内摩擦角内摩擦角（）内聚力内聚力（MPa）岩石名称岩石名称内摩擦角内摩擦角（）内聚力内聚力（MPa）辉长岩辉长岩50551050花岗岩花岗岩45601450辉绿岩辉绿岩55602560流纹岩流纹岩45601050玄武岩玄武岩48552060闪长岩闪长岩53551050石英岩石英

26、岩50602060安山岩安山岩45501040大理岩大理岩35501530片麻岩片麻岩305035页岩页岩1530320灰岩灰岩35501050砂岩砂岩3550840白云岩白云岩35502050砾岩砾岩3550850千枚岩、千枚岩、片岩片岩2665120板岩板岩4560220Mar,200735岩石的岩石的抗拉强度抗拉强度就是岩石试件在单轴拉力作用下抵抗破坏的极限能力，它在数就是岩石试件在单轴拉力作用下抵抗破坏的极限能力，它在数值上等于破坏时的最大拉应力值。值上等于破坏时的最大拉应力值。第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 直

27、接拉伸法直接拉伸法关键技术试件和夹具之间的连接加力P与试件同心tensilestrengthMar,200736第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 间接方法间接方法（巴西法）（巴西法）Mar,200737第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 （梁的三点弯曲试验）抗拉强度岩石是各向同性的线弹性材料满足平面假设的对称面内弯曲适用条件：M 作用在试件上的最大弯矩C 梁边缘到中性轴的距离I 梁截面绕中性轴的惯性矩 Mar,200738第第第第2 2 2 2章章章章

28、岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 试件：任何形状，尺寸大致试件：任何形状，尺寸大致5cm5cm，不做任何加工。，不做任何加工。试验：在直接带到现场的点荷载仪上，加载劈裂破坏。试验：在直接带到现场的点荷载仪上，加载劈裂破坏。计算：计算：式中：式中：P P 试件破坏时的极限荷载试件破坏时的极限荷载 D D 加载点试件的厚度加载点试件的厚度统计公式：统计公式：要求要求:（由于离散性大），每组（由于离散性大），每组1515个，取均值，即个，取均值，即建议：用建议：用5cm5cm的钻孔岩芯为试件。的钻孔岩芯为试件。Mar,200739第第第第2 2 2 2章章章章

29、 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 岩石名称岩石名称抗拉强度抗拉强度（MPa）岩石名称岩石名称抗拉强度抗拉强度（MPa）岩石名称岩石名称抗拉强度抗拉强度（MPa）辉长岩辉长岩1536花岗岩花岗岩725页岩页岩210辉绿岩辉绿岩1535流纹岩流纹岩1530砂岩砂岩425玄武岩玄武岩1030闪长岩闪长岩1025砾岩砾岩215石英岩石英岩1030安山岩安山岩1020灰岩灰岩520大理岩大理岩720片麻岩片麻岩520千枚岩、千枚岩、片岩片岩110白云岩白云岩1525板岩板岩715Mar,200740岩块的几种强度与抗压强度比值 第第第第2 2 2 2章章章章 岩

30、石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 岩石名称岩石名称 与抗压强度的比值与抗压强度的比值 抗拉强度抗拉强度 抗剪强度抗剪强度 抗弯强度抗弯强度 煤煤 0.0090.060.250.5页岩页岩 0.060.060.325 0.325 0.250.250.48 0.48 0.220.220.51 0.51 砂质页岩砂质页岩 0.090.180.330.330.545 0.545 0.10.10.24 0.24 砂岩砂岩 0.020.170.060.060.44 0.44 0.060.060.19 0.19 石灰岩石灰岩 0.010.0670.080.080.10

31、0.10 0.15 0.15 大理岩大理岩 0.080.2260.272 0.272 花岗岩花岗岩 0.020.020.08 0.08 0.08 0.08 0.09 0.09 石英岩石英岩 0.060.060.11 0.11 0.176 0.176 Mar,200741岩石破坏有两种基本类型：岩石破坏有两种基本类型：1.1.脆性破坏脆性破坏(格里菲斯强度理论格里菲斯强度理论)，它的特点是岩石达到破坏时不产生明显的，它的特点是岩石达到破坏时不产生明显的变形，岩石的脆性破坏是由于应力条件下岩石中裂隙的产生和发展的结果；变形，岩石的脆性破坏是由于应力条件下岩石中裂隙的产生和发展的结果；2.2.塑性破

32、坏塑性破坏(莫尔莫尔库仑强度理论库仑强度理论)，破坏时会产生明显的塑性变形而不呈现，破坏时会产生明显的塑性变形而不呈现明显的破坏面。塑性破坏通常是在塑性流动状态下发生的，这是由于组成明显的破坏面。塑性破坏通常是在塑性流动状态下发生的，这是由于组成物质颗粒间相互滑移所致。物质颗粒间相互滑移所致。第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 Mar,200742第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 最大正应力理论最大正应力理论最大正应变理论最大正应变理论最大剪应力理论最大

33、剪应力理论八面体剪应力理论八面体剪应力理论Mar,200743Coulomb(1773)把土及岩石看成摩擦材料。Tresca(1864)作了一系列的挤压实验，发现金属材料在屈服时，可以看到有很细的痕纹；而这些痕纹的方向接近于最大剪应力方向。第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 Mar,200744Mises(1913)Mises指出Tresca试验结果在平面上得到六个点，六个点之间的连线是直线？曲线？还是圆？Mises采用了圆形，并为金属材料试验所证实。Drucker and Prager(1952)Drucker和Prage

34、r首先把不考虑2影响的Coulomb屈服准则与不考虑静水压力p影响的Mises屈服准则联系在一起，提出了广义的Mises模型，后被称为D-P模型。第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 平面Mar,200745第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 Mises&Tresca这两种屈服条件都主要适用于金属材料，对于岩土类介质材料一般不能很好适用，因为岩土类材料的屈服与体积变形或静水应力状态有关。Mar,200746第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩

35、石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 破破坏坏机机理理：材材料料属属压压剪剪破破坏坏，剪剪切切破破坏坏力力的的一一部部分分用用来来克克服服与与正正应应力力无无关关的的粘粘聚聚力力，使使材材料料颗颗粒粒间间脱脱离离联联系系；另另一一部部分分剪剪切切破破坏坏力力用用来来克克服服与与正正应应力成正比的摩擦力，使面内错动而最终破坏。力成正比的摩擦力，使面内错动而最终破坏。上盒上盒下盒下盒PSTAMar,200747第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 Oc c c 粘聚力粘聚力 内摩擦角内摩擦角 =100KPa S=2

36、00KPa=300KPa库仑公式：库仑公式：f：抗剪强度抗剪强度 tg：摩擦强度摩擦强度-正比于压力正比于压力 c：粘聚强度粘聚强度-与所受压力无关与所受压力无关Mar,200748NT=NT滑动摩擦滑动摩擦 n滑动摩擦滑动摩擦第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 Mar,200749滑动摩擦滑动摩擦 咬合摩擦引起的剪胀咬合摩擦引起的剪胀摩擦强度摩擦强度 tgtg n咬合摩擦引起的剪胀咬合摩擦引起的剪胀第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 Mar,200750

37、滑动摩擦 NT颗粒破碎与重排列颗粒破碎与重排列咬合摩擦引起的剪胀咬合摩擦引起的剪胀摩擦强度摩擦强度 tgtg n颗粒的破碎与重排列颗粒的破碎与重排列第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 Mar,200751p粘聚强度机理粘聚强度机理n静电引力（库仑力）静电引力（库仑力）n范德华力范德华力n颗粒间胶结颗粒间胶结n假粘聚力（毛细力等）假粘聚力（毛细力等）-+第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 Mar,200752PSTAc c 粘聚力粘聚力 内摩擦角内摩擦角 f

38、：抗剪强度抗剪强度 tg：摩擦强度摩擦强度-正比于压力正比于压力 c：粘聚强度粘聚强度-与所受压力无关与所受压力无关固定滑裂面固定滑裂面一般应力状态如何判断一般应力状态如何判断是否破坏？是否破坏？借助于莫尔圆借助于莫尔圆第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 Mar,200753=三维应力状态三维应力状态二维应力状态二维应力状态第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 Mar,200754 O z+zx-xz x2 1 3rR+-1 大主应力：大主应力：小主应力小主

39、应力:圆心：圆心：半径：半径：z z按顺时针方向旋转按顺时针方向旋转x x按顺时针方向旋转按顺时针方向旋转莫尔圆：代表一个单元的应力状态；圆周莫尔圆：代表一个单元的应力状态；圆周上一点代表一个面上的两个应力上一点代表一个面上的两个应力 与与 第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 Mar,200755 有一对面上的应力状态达到有一对面上的应力状态达到 =f f强度包线：强度包线：所有达到极限平衡状态的莫尔园的公切线。所有达到极限平衡状态的莫尔园的公切线。f第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的

40、物理力学性质岩石的物理力学性质 Mar,200756 f强度包线以内：任何一个面上强度包线以内：任何一个面上的一对应力的一对应力 与与 都没有达到都没有达到破坏包线，不破坏；破坏包线，不破坏；与破坏包线相切：有一个面上与破坏包线相切：有一个面上的应力达到破坏；的应力达到破坏；与破坏包线相交：有一些平面与破坏包线相交：有一些平面上的应力超过强度；不可能发上的应力超过强度；不可能发生。生。第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 Mar,200757 O c 1f 32 3 1f45/2破裂面破裂面2与大主应力面夹角：与大主应力面夹角

41、：=45+/2第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 Mar,200758 1f 3 O c第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 Mar,200759第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 Mar,200760第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 Mar,200761第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学

42、性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 Mar,200762对于对于为负值（拉应力），由实验知，可能会在垂直为负值（拉应力），由实验知，可能会在垂直平面内发生张平面内发生张性破裂。特别在单轴拉伸（性破裂。特别在单轴拉伸（）中，当拉应力值达到岩石）中，当拉应力值达到岩石抗拉强度抗拉强度时，岩石发生张性断裂。但是，这种破裂行为完全不同于时，岩石发生张性断裂。但是，这种破裂行为完全不同于剪切破裂，而这在库仑准则中没有描述。剪切破裂，而这在库仑准则中没有描述。第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 Mar,200763第第第第2 2

43、2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 破破坏坏机机理理：材材料料的的强强度度是是应应力力的的函函数数，在在极极限限时时滑滑动动面面上上的的剪剪应应力力达达到到最最大大值值（即即抗抗剪剪强强度度），并并取取决决于于法法向向压压力力和和材材料料的的特特性性。强强度度曲曲线线由由试试验验确定，即在不同应力状态下达到破坏时的应力圆的包络线。确定，即在不同应力状态下达到破坏时的应力圆的包络线。Mar,200764第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 （1 1）二次抛物线型）二次抛物线型

44、（2 2）双曲线型）双曲线型Mar,200765第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 优点优点同时考虑了拉剪和压剪应力状态；可判断破坏面的方向。强度曲线向压区开放，说明 与岩石力学性质符合。强度曲线倾斜向上说明抗剪强度与压应力成正比。受拉区闭合，说明受三向等拉应力时岩石破坏；受压区开放，说明三向等压应力不破坏。Mar,200766第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 库仑准则是建立在实验基础上的破坏判据，未从破裂机制上作出解释。忽略了中间主应力的影响（中间主应

45、力对强度影响在15%左右）。库仑准则和莫尔准则都是以剪切破坏作为其物理机理，但是岩石试验证明：岩石破坏存在着大量的微破裂，这些微破裂是张拉破坏而不是剪切破坏。莫尔库仑准则适用于低围压的情况。不足不足Mar,200767或该式又可表示为第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 Mar,200768当时，如上式再时，当时，Tresca条件Mises条件广义Mises条件第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 Mar,200769当时，受拉破坏：当顶式对微分，并使之为零，

46、此时F取极小Drucker-Prager条件当时，受压破坏：第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 Mar,200770第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 D-P准则准则 C-M准则准则 Mises准则准则 D-P准则计入了中间主应力的影响，又考虑了静水压力的作用，克准则计入了中间主应力的影响，又考虑了静水压力的作用，克服了服了C-M准则的主要弱点，已在国内外岩土力学与工程的数值计准则的主要弱点，已在国内外岩土力学与工程的数值计算分析中获得广泛的应用。算分析中

47、获得广泛的应用。Mar,200771假定材料中存在着许多随机分布的微小裂隙，材料在荷载作用下，裂隙尖端产生高度的假定材料中存在着许多随机分布的微小裂隙，材料在荷载作用下，裂隙尖端产生高度的应力集中。当方向最有利的裂隙尖端附近的最大应力达到材料的特征值时，会导致裂隙应力集中。当方向最有利的裂隙尖端附近的最大应力达到材料的特征值时，会导致裂隙不稳定扩展而使材料脆性破裂。因此，格里菲斯准则认为：脆性破坏是拉伸破坏，而不不稳定扩展而使材料脆性破裂。因此，格里菲斯准则认为：脆性破坏是拉伸破坏，而不是剪切破坏。是剪切破坏。平面压缩的平面压缩的Griffith裂纹模型裂纹模型 第第第第2 2 2 2章章章章

48、 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 裂隙末端的应力集中裂隙末端的应力集中 裂隙扩展裂隙扩展 裂隙相互联结裂隙相互联结 形成宏观破裂形成宏观破裂Mar,200772第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 两个关键点：两个关键点：1.最容易破坏的裂隙方向；2.最大应力集中点（危险点）。最有利破裂的方向角最有利破裂的方向角在压应力条在压应力条件下裂隙开件下裂隙开裂及扩展方裂及扩展方向向Mar,200773第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的

49、物理力学性质 Mar,200774第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 与抛物线型莫尔包络线类似与抛物线型莫尔包络线类似对 求导得Mar,200775优点：优点：岩石抗压强度为抗拉强度的8倍，反映了岩石的真实情况；证明了岩石在任何应力状态下都是由于拉伸引起破坏；指出微裂隙延展方向最终与最大主应力方向一致。不足：不足：仅适用于脆性岩石，对一般岩石，莫尔强度准则适用性远大于Griffith准则。对裂隙被压闭合，抗剪强度增高解释不够。Griffith准则是岩石微裂隙扩展的条件，并非宏观破坏。第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理

50、力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 Mar,200776一、库仑判据一、库仑判据适用条件：低应力或坚硬、较坚硬的岩石的剪切破坏适用条件：低应力或坚硬、较坚硬的岩石的剪切破坏二、莫尔判据二、莫尔判据1.斜直线型：同库仑判据斜直线型：同库仑判据2.二次抛物线型：二次抛物线型：适用条件：高应力或软弱、较软弱岩石的剪切破坏适用条件：高应力或软弱、较软弱岩石的剪切破坏适用条件第第第第2 2 2 2章章章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 Mar,2007773.双曲线型：双曲线型：适用条件：中等应力或较坚硬岩的剪切破坏适用条件：中等应