巖石力學(xué)講義巖石的物理性質(zhì)

1、本次課的課程提綱,一、巖石的組構(gòu)特征二、巖石中的結(jié)構(gòu)面（軟弱面）三、巖石的四個性質(zhì)四、巖石的物理五、巖石的水理性能,1 巖石的物質(zhì)組成,粘土礦物,硅酸鹽類礦物,碳酸鹽類礦物,氧化物類礦物,組成巖石的礦物,,組成巖石的礦物成分及其相對含量在一定程度上決定著巖石的力學(xué)性質(zhì),二、巖石的組構(gòu)特征,物質(zhì)組成對力學(xué)性質(zhì)的影響,一般硅酸鹽礦物有石英、長石、角閃石、輝石、橄欖石（粒狀）及云母和粘土礦物（片狀）等含硬度大的粒狀礦物愈多，巖石強(qiáng)度

2、高－花崗巖、閃長巖、玄武巖含硬度小的片狀礦物愈多，巖石強(qiáng)度愈低－粘土巖、泥巖,碳酸鹽類礦物主要包括石灰?guī)r和白云巖類，巖石的物理力學(xué)性質(zhì)取決于巖石中的CaCO3及酸不溶物的含量CaCO3含量愈高，如純灰?guī)r、白云巖強(qiáng)度高泥質(zhì)含量高的，如泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r等力學(xué)性質(zhì)差,物質(zhì)組成對力學(xué)性質(zhì)的影響,碎屑巖的力學(xué)性質(zhì)與膠結(jié)物成分的關(guān)系：強(qiáng)度上：硅質(zhì)>鐵質(zhì)>鈣質(zhì)>泥質(zhì),物質(zhì)組成對力學(xué)性質(zhì)的影響,泥頁巖的粘土礦物組成,蒙脫石

3、伊利石綠泥石高嶺石伊蒙混層,粘土礦物,蒙脫石含量高→軟，易變形，易水化 伊利石含量高→硬脆，不易變形，不易水化,2 巖石的結(jié)構(gòu),巖石的結(jié)構(gòu)：巖石內(nèi)礦物顆粒的大小、形狀、排列方式及微結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況與粒間連結(jié)方式等反映在巖塊構(gòu)成上的特征。其中，粒間連結(jié)分結(jié)晶連結(jié)與膠結(jié)連結(jié),二、巖石的組構(gòu)特征,顆粒形狀 強(qiáng)度： 粒狀、柱狀>片狀>鱗狀,顆粒大小 強(qiáng)度： 粗粒<細(xì)粒,排列形式 強(qiáng)度： 等粒>不等

4、粒,2 巖石的結(jié)構(gòu),微結(jié)構(gòu)面：指存在于礦物顆粒內(nèi)部或礦物顆粒間的軟弱面或缺陷，包括礦物解理、晶格缺陷、粒間空隙、微裂隙、微層理及片理面、片麻理面等,① 降低巖石強(qiáng)度② 導(dǎo)致巖石力學(xué)性質(zhì)各向異性,二、巖石的組構(gòu)特征,2 巖石的結(jié)構(gòu),結(jié)晶連結(jié)：礦物顆粒通過結(jié)晶相互嵌合在一起，它是通過共用原子或離子使不同晶粒緊密接觸－巖漿巖、變質(zhì)巖、沉積巖中的碳酸巖,膠結(jié)連結(jié)：礦物顆粒通過膠結(jié)物連結(jié)在一起－碎屑巖,二、巖石的組構(gòu)特征,二、巖石的組構(gòu)特征,基

5、底型：彼此不發(fā)生接觸的礦物顆粒埋在玻璃體重，這種情況下膠結(jié)程度很高，巖石強(qiáng)度與膠結(jié)物有關(guān)接觸型：僅僅在顆粒的接觸點(diǎn)存在膠結(jié)物，這種膠結(jié)程度低，巖石強(qiáng)度也不大間隙型：礦物顆粒彼此直接接觸，而顆粒的孔隙被膠結(jié)物充填溶蝕型：膠結(jié)物不僅充填在礦物顆粒之間，而且進(jìn)入到礦物顆粒本身中，膠結(jié)強(qiáng)度很高。,巖石的主要膠結(jié)類型：,A）基底型 B）間隙型 C）接觸型 D）溶蝕型,3 巖石的構(gòu)造,巖石的構(gòu)造：巖石的構(gòu)造是指巖石組成成分在空間上相互

6、排列及所占的位置。巖漿巖的構(gòu)造：塊狀構(gòu)造、流紋狀構(gòu)造、氣孔狀構(gòu)造、杏仁狀構(gòu)造沉積巖的構(gòu)造：層理構(gòu)造變質(zhì)巖的構(gòu)造：片理構(gòu)造,二、巖石的組構(gòu)特征,三、巖石中的結(jié)構(gòu)面（軟弱面）,結(jié)構(gòu)面就是巖石內(nèi)具有一定方向性、延展性較大、厚度較小的兩維面狀地質(zhì)界面，包括物質(zhì)的異面和不連續(xù)面（如層理、斷裂面等）結(jié)構(gòu)面的成因類型結(jié)構(gòu)面的規(guī)模與分級結(jié)構(gòu)面特征及其對巖石性質(zhì)的影響,一）結(jié)構(gòu)面的成因類型,地質(zhì)成因類型原生結(jié)構(gòu)面構(gòu)造結(jié)構(gòu)面次生結(jié)構(gòu)面力

7、學(xué)成因類型張性結(jié)構(gòu)面剪性結(jié)構(gòu)面,結(jié)構(gòu)面的地質(zhì)成因類型,原生結(jié)構(gòu)面：在巖石形成過程中形成的軟弱面巖漿巖的流動構(gòu)造面、冷縮形成的原生裂隙面、侵入體與圍巖的接觸面；沉積巖體內(nèi)的層理面、不整合面；變質(zhì)巖體內(nèi)的片理面，以及片麻構(gòu)造面等。在原生結(jié)構(gòu)面中，除了原生裂隙，以及由于受構(gòu)造運(yùn)動和風(fēng)化作用的影響，已經(jīng)脫開的軟弱面外，多具有一定的連結(jié)力和較高的強(qiáng)度。,結(jié)構(gòu)面的地質(zhì)成因類型,構(gòu)造結(jié)構(gòu)面：巖石形成后的構(gòu)造運(yùn)動過程中產(chǎn)生的各種破裂面斷裂

8、面、層間錯動面構(gòu)造作用形成的軟弱夾層，以及構(gòu)造裂隙面等這類軟弱面除了已經(jīng)膠合者以外，絕大部分都是脫開的規(guī)模較大的，多充填有厚度不等、類型和連續(xù)程度不同的充填物，其中大部分已泥化，或者已變成了軟弱夾層就一般情況而言，除了部分構(gòu)造裂隙以外，大部分構(gòu)造軟弱面的特性都很壞，強(qiáng)度多接近于巖體的剩余強(qiáng)度，往往導(dǎo)致復(fù)雜。,結(jié)構(gòu)面的地質(zhì)成因類型,次生結(jié)構(gòu)面：巖體在外力作用下產(chǎn)生的軟弱面如風(fēng)化裂隙面、卸荷裂隙面等。風(fēng)化裂隙面發(fā)育深度不大，方向紊亂

9、，連續(xù)性很低。但可降低巖體的強(qiáng)度和變形模量。卸荷裂隙是由于卸荷作用引起巖體在垂直于卸荷自由面方向發(fā)生伸長而形成。卸荷裂隙面基本上平行于巖體卸荷自由面。一般來說，次生結(jié)構(gòu)面主要影響地面附近巖體的穩(wěn)定性。,結(jié)構(gòu)面的力學(xué)成因類型,這里所說的結(jié)構(gòu)面是指巖體中的破裂面而言所謂軟弱面的力學(xué)成因類型，是指按照形成破裂面的破壞應(yīng)力的不同，所劃分的破裂面的類型。根據(jù)野外觀察到的事實(shí)、大量巖體力學(xué)試驗(yàn)的結(jié)果以及莫爾庫倫破壞理論的分析，認(rèn)為巖體的破壞只有剪

10、切破壞和拉斷破壞兩種類型。破裂面的力學(xué)成因，應(yīng)劃分為剪性和張性兩大類別。,結(jié)構(gòu)面的力學(xué)成因類型,張性破裂面：是由張力形成的，在破壞過程中，破壞面兩側(cè)巖體僅沿破裂面法向發(fā)生分離位移。張性破裂面，一般張開度大，連續(xù)性差，形態(tài)多不規(guī)則，多呈折線或鋸鑿狀。斷面凹凸不平，粗糙度大，破碎帶寬度變化大，且易被巖脈、礦脈充填，有時并有巖漿沿之入侵。張性破裂面常常具有含水豐富，導(dǎo)水性強(qiáng)以及剪切強(qiáng)度高等特征,結(jié)構(gòu)面的力學(xué)成因類型,剪性破裂面：是由剪應(yīng)力而形

11、成的，破裂面兩側(cè)巖體沿破裂面切線方向發(fā)生有不同程度的滑錯位移。具有擦痕、共軛性、規(guī)律的位移方向以及斷面比較光滑，是剪性破裂面共有的特征，也是鑒定剪性破裂面的主要依據(jù)。,正斷層——上盤相對下盤向下滑動的斷層,,上盤下降,下盤上升,三）結(jié)構(gòu)面特征及其對巖體性質(zhì)的影響,產(chǎn)狀連續(xù)性密度張開度形態(tài)充填膠結(jié)情況組合關(guān)系,軟弱面的影響,巖石軟弱面對巖體物理力學(xué)特性如巖體強(qiáng)度、變形性、滲透性，力學(xué)上的連續(xù)性及巖體應(yīng)力分布等都有顯著影響。因此

12、，在很多情況下，軟弱面是巖體力學(xué)問題的一個主要控制因素。從本質(zhì)上說，軟弱面使巖體變得更加軟弱，更易于變形而且表現(xiàn)為高度的各向異性。,三、巖石的不連續(xù)性、非均勻性、各向異性和滲透性,巖石的不連續(xù)性,巖石中普遍存在的結(jié)構(gòu)面，無論是物質(zhì)分異面還是物質(zhì)不連續(xù)面，都會使結(jié)構(gòu)面兩側(cè)附近的巖石物理力學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)不連續(xù)變化。 對于裂隙性巖石，通常采用裂縫率作為定量評價巖石被裂隙切割后破碎程度的指標(biāo)。,巖石的不連續(xù)性,a、單向裂隙(或裂隙頻率)單向裂

13、隙指一組結(jié)構(gòu)面的法線方向上每單位長度(m)內(nèi)，法線與結(jié)構(gòu)面的交割數(shù)目，以Kd(1/m)表示。即單向裂隙率的倒數(shù)為成組結(jié)構(gòu)面之間的平均間距，以d表示：,式中：Kd --單向裂隙（1/m）d -- 結(jié)構(gòu)面間平均間距(m),巖石的不連續(xù)性,式中：li -- 第i條裂隙面長度(m)；ti -- 第i條裂隙面的寬度(m)；A -- 被測量的巖石總面積（m）,b、平面裂隙率 平面裂隙率KA是指巖石單位面積上諸裂隙所占有的面積總

14、和，亦即,巖石的不均勻性,不均勻性是指天然巖體的物理、力學(xué)性質(zhì)隨空間位置不同而異的特性。分析現(xiàn)場巖體試驗(yàn)資料時可采用綜合性的統(tǒng)計(jì)特征--偏差系數(shù)V(%)來估算巖體的不均勻性，即：,式中： --各觀測值xi的算術(shù)平均值。σ--標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)值。,式中：N -- 試驗(yàn)觀測點(diǎn)(次)數(shù)。,,巖石的各向異性,巖石各向異性是指天然巖體的物理力學(xué)性質(zhì)隨空間方位不同而異的特性，具體表現(xiàn)在它的強(qiáng)度及變形特性等各方面。在天然巖體條件下，使巖體具有各向

15、異性的基本原因是由于巖石內(nèi)普遍存在著層理、片理、夾層和定向裂隙（斷層）系統(tǒng)所致。目前在實(shí)際工程中對于成層巖體往往考慮其平行于層理和垂直于層理方向的差異性。然而對于不具有層理的巖體，則把它視為各自同性體。,巖石的滲透性,有壓水可以透過巖石的孔隙、裂隙而流動，巖石能透過水的能力稱為巖石的滲透性。不同巖石或裂隙性不同的巖石的滲透性不同，滲透性的大小用滲透系數(shù)K表示。巖石的滲透系數(shù)不僅與水的物理性質(zhì)有關(guān)，也與巖石的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。,,,,,巖石

16、軸向滲透性試驗(yàn)原理,巖石滲透儀(軸向滲透)1-注水管路；2-圍壓室；3-巖樣；4-放水閥,巖石軸向滲透性試驗(yàn)原理,假定巖體滲流符合達(dá)西定律，則滲透系數(shù)可計(jì)算如下式中 K－巖石滲透系數(shù)(m/s)； Q－單位時間里透過試樣的水量(m^3)； L－試樣長度(m)；A－試樣截面積(m^2)； P－試樣兩端的水壓力差(KPa)；γw－水的容重(KN/m^3）,巖石徑向滲透性試驗(yàn)原理,徑向滲透試驗(yàn)時

17、，其滲透系數(shù)計(jì)算式中 P－試樣外壁上的水壓力(KPa)； L－試驗(yàn)段(小孔)長度(m)； R1－試件內(nèi)半徑(m)； R2－試件外半徑(m)； π－圓周率。,四、巖石的物理性質(zhì),巖石和土一樣，也是由固體、液體和 氣體三相組成的。物理性質(zhì)是指巖石由于三相組成的相對比例關(guān)系不同所表現(xiàn)的物理狀態(tài)。1、巖石的密度2、巖石的孔隙性,（一）、巖石的密度,1、顆粒密度(ρs)：巖石固體部

18、分的質(zhì)量與其體積的比值。它不包含孔隙在內(nèi)，因此其大小僅取決于組成巖石的礦物密度及其含量： ρs= ms/Vsρs—為巖石的顆粒密度ms—為巖石固體部分的質(zhì)量Vs—為巖石固體部分的體積,（一）、巖石的密度,2、塊體密度（或巖石密度）是指巖石單位體積內(nèi)的質(zhì)量，按巖石的含水狀態(tài)，又有干密度（ρd）、飽和密度（ρsat）和天然密度（ρ）之分，在未指明含水狀態(tài)時一般指巖石的天然密度。 ρd=ms/V

19、 ρsat=msat/V ρ=m/V,常見巖石的密度,巖石的物理性質(zhì),孔隙度：巖石中孔隙體積與巖石總體積之比 (多用百分?jǐn)?shù)表示)。 裂隙率：巖石中各種節(jié)理、裂隙的體積與巖石總體積之比稱裂隙率。孔隙度與裂隙率含義相同，孔隙度多用于松散土、石，裂隙率多用于結(jié)晶連接的堅(jiān)硬巖石。 一般巖石的孔隙度在0.1-0.35之間,巖石的物理性質(zhì),孔隙比：巖石中孔隙的體積與固體顆粒體積之比稱巖石的孔隙比(多以小數(shù)表示)孔隙比和孔隙度可以互相換算：

20、 式中： e －孔隙比; n－孔隙度 密度是試驗(yàn)指標(biāo)，只有通過試驗(yàn)才能得到具體數(shù)值,而孔隙度和孔隙比是計(jì)算指標(biāo)。,,,五、巖石的水理性質(zhì),巖石在水溶液作用下表現(xiàn)出來的性質(zhì)，稱為水理性質(zhì)。主要有： 1.吸水性 2.軟化性 3.抗凍性 4.透水性,（一）、巖石的吸水性,巖石在一定的試驗(yàn)條件下吸收水分的能力，稱為巖石的吸水性。 1.吸水率(Wa)：巖石試件在大氣

21、壓力和室溫條件下自由吸入水的質(zhì)量(mw1)與巖樣干質(zhì)量(ms)之比，用百分?jǐn)?shù)表示,巖石的飽和吸水率(Wp)是指巖石試件在高壓(一般壓力為15MPa)或真空條件下吸入水的質(zhì)量(mw2)與巖樣干質(zhì)量(ms)之比，用百分?jǐn)?shù)表示，即,3.飽水系數(shù)巖石的吸水率(Wa)與飽和吸水率(Wp)之比，稱為飽水系數(shù)。它反映了巖石中大、小開空隙的相對比例關(guān)系。,（2）飽和吸水率,（二）、巖石的軟化性,巖石浸水飽和后強(qiáng)度降低的性質(zhì)，稱為軟化性軟化系數(shù)(K

22、R)為巖石試件的飽和抗壓強(qiáng)度(σcw)與干抗壓強(qiáng)度(σc)的比值,巖石中含有較多的親水性和可溶性礦物，大開空隙較多，巖石的軟化性較強(qiáng)，軟化系數(shù)較小。KR＞0.75，巖石的軟化性弱，工程地質(zhì)性質(zhì)較好KR＜0.75，巖石軟化性較強(qiáng)，工程地質(zhì)性質(zhì)較差,（三）、巖石的抗凍性,巖石抵抗凍融破壞的能力，稱為抗凍性?？箖鱿禂?shù)(Rd)：巖石試件經(jīng)反復(fù)凍融后的干抗壓強(qiáng)度(σc2)與凍融前干抗壓強(qiáng)度(σc1)之比，用百分?jǐn)?shù)表示,（三）、巖石的抗凍性,

23、質(zhì)量損失率(Km)：凍融試驗(yàn)前后干質(zhì)量之差(ms1－ms2)與試驗(yàn)前干質(zhì)量(ms1)之比，以百分?jǐn)?shù)表示,Rd＞75％，Km＜2％，抗凍性高吸水率Wa＜5％、軟化系數(shù)KR＞0.75，飽水系數(shù)小于0.8的巖石，抗凍性高。,巖石的水理性質(zhì),可溶性：是指巖石被水溶解的性能。它與巖石的礦物成分、水中CO2含量及水的溫度等因素有關(guān)。膨脹性：巖石吸水后體積增大引起巖石結(jié)構(gòu)破壞的性能稱膨脹性。一般含有粘土礦物的巖石具有—定的膨脹性，特別是含有蒙脫