第3章 岩石物理力学性质.pptx

课程主讲人：第3章 岩石物理力学性质第 3 章 岩石物理力学性质岩石岩石力学力学岩石物理性质1提 纲岩石的流变4岩石变形特性3岩石强度特性2第三章 岩石物理力学性质影响岩石力学性质的因素5岩石物理性质第 一 部分岩石密度与比重岩石的水理性岩石的热学特性岩石的孔隙性l岩石的密度与比重岩石物理性质1u 天然密度u 饱和密度u 干密度u 天然重度u 饱和重度u 干重度u 浮重度 岩石密度是指单位体积岩石的质量，通常用岩石试件质量与体积之比表示，主要包括天然密度、饱和密度和干密度。 岩石密度岩石物理性质1饱和密度式中： sat为饱和密度，g/cm3 ; msat为岩石强制饱和(煮沸法或真空抽气法)后的质量，g。satsatmV岩石在饱和状态下单位体积的质量式中：0为天然密度，g/cm3 ；m为岩石的质量，g ；V为岩石的体积， cm3。天然密度0mV岩石在天然状态下单位体积的质量干密度式中： d为干密度，g/cm3 ； ms为岩石固相颗粒的质量，g。sdmV岩石在干燥状态下单位体积的质量岩石名称天然密度岩石名称天然密度 岩石名称天然密度 花岗岩2.302.80新鲜花岗片麻岩2.903.30砾岩2.402.66闪长岩2.522.96角闪片麻岩2.763.05石英砂岩2.612.70辉长岩2.552.98混合片麻岩2.402.63硅质砂岩2.402.60硅长斑岩2.202.74片麻岩2.303.00砂岩2.202.60玢岩2.402.86片岩2.302.60页岩2.402.80辉绿岩2.532.97石英岩2.803.30硅质灰岩2.812.90粗面岩2.302.77片状石英岩2.802.90白云质灰岩2.702.90安山岩2.703.10大理岩2.602.70泥质灰岩2.302.50玄武岩2.603.10白云岩2.102.70灰岩2.302.77凝灰岩2.332.94板岩2.312.75 凝灰角砾岩2.202.90蛇纹岩2.502.70 -30(g cm )常见岩石的天然密度岩石物理性质1 量积法适用于规则岩石试件密度的测定，试件可采用圆柱体、方柱体或立方体。测湿密度每组试验试件数量应不少于5个，测干密度每组试验试件数量应不少于3个。u 常见测量密度的方法l 量积法钻石机、切石机、磨石机和砂轮机等烘箱和干燥器天平(感量0.01g)测量平台游标卡尺试验设备立方体试件圆柱体试件岩石物理性质1岩石密度试验过程详见教材媒体3-2，P52量测试件两端和中间三个断面上相互垂直的两个直径(或边长)，应按平均值计算截面积；一量测两端面周边对称四点和中心点的5个高度，计算高度平均值；二将试件置于烘箱中，在105110温度下烘24h，取出放入干燥器内冷却至室温，称烘干试件质量；三长度测量应准确至0.02mm ，称重应准确至0.01g。四测量试件尺寸试件称重岩石物理性质1n 试验步骤试验步 骤 (1) 该方法简便、成果准确、且不受环境的影响，建议与单轴、三轴压缩等力学性质试验采用同一试件，以利于建立各指标间的相互关系。注意事项 (2) 用量积法测定岩石密度时，对于具有干缩湿胀的岩石，试件体积量测应在烘干前进行，以此避免试件烘干对计算密度的影响。 (3) 鉴于岩石属不均质体，并受节理裂隙等因素影响，因此同组岩石的每个试件试验成果值存在一定差异。岩石物理性质1n 注意事项l 蜡封法 不能采用量积法或水中称重法进行测定的岩石，宜采用蜡封法，蜡封法试件宜为边长4060mm的浑圆状岩块；测湿密度每组试验试件数量应不少于5个，测干密度每组试验试件数量应不少于3个。钻石机、切石机、磨石机和砂轮机等烘箱和干燥器天平(感量0.01g)测量平台游标卡尺水中称重装置石蜡和熔蜡设备浑圆状岩石试件试验设备岩石物理性质1测湿密度时，应取有代表性的岩石制备试件并称量；测干密度时，试件应在105110温度下烘24h，取出放入干燥器内冷却至室温，称烘干试件质量；15234试验步骤6将试件系上细线，置于温度60左右的熔蜡中约l2s，使试件表面均匀涂上一层蜡膜，其厚度约1mm；当试件上蜡膜有气泡时，应用热针刺穿并用蜡液涂平，待冷却后称蜡封试件质量；将蜡封试件置于水中称量；取出试件，擦干表面水分后再次称量；当浸水后的蜡封试件质量增加时，应重做试验；湿密度试件在剥除密封蜡膜后，需测定岩石含水率：首先称量试件烘干前的质量，然后将试件置于烘箱内，在105110的温度下烘24h，从烘箱中取出放入干燥器内冷却至室温后，称量烘干后试件的质量，岩石含水率即为试件烘干前后的质量差除以烘干后的试件质量；称量均应准确至0.01g。岩石物理性质1n 试验步骤注意二 蜡封法一般采用不规则试件，试件表面有明显棱角或缺陷时，对测试成果有一定影响，因此要求试件加工成浑圆状。注意三 用蜡封法测定岩石密度时，需掌握好熔蜡温度，温度过高容易使蜡液浸入试件缝隙中；温度过低会使试件封闭不均，不易形成完整蜡膜。因此，本试验规定的熔蜡温度略高于蜡的熔点(约57)。由于蜡的密度变化较大，在进行蜡封法试验时，需测定蜡的密度，其方法与岩石密度试验中水中称重法相同。注意四 鉴于岩石属不均质体，并受节理裂隙等因素影响，因此同组岩石的每个试件试验成果值存在一定差异。注意一 对于不能用量积法和直接在水中称量进行测定的干缩湿胀类岩石采用密封法。选用石蜡密封试件时，由于石蜡的熔点较高，在蜡封过程中可能会引起试件含水率的变化，同时试件也会产生干缩现象，这些都将影响岩石含水率和密度测定的准确性。高分子树脂胶是在常温下使用的涂料，能确保试件含水率和体积不变，在取得经验的基础上，可以代替石蜡作为密封材料。岩石物理性质1n 注意事项l 水中称重法 适用于除遇水崩解、溶解和干缩湿胀的岩石外的其他岩石，可测定岩石块体干密度和岩石颗粒密度。试件可采用规则或不规则形状，最小试件质量不宜小于150g，测湿密度每组试验试件数量应不少于5个，测干密度每组试验试件数量应不少于3个。钻石机、切石机等烘箱和干燥器煮沸设备水中称重装置天平(感量0.01g)真空抽气设备水槽试验设备真空抽气设备煮沸设备岩石物理性质1 将试件置于烘箱内，在105110的恒温下烘干，烘干时间不应少于24h；将试件从烘箱中取出，放入干燥器内冷却至室温，称试件质量；重复该步骤，直到相邻两次称量之差不超过后一次称量的0.1%；干密度 采用自由吸水法测定岩石自然吸水率时，应将试件放入水槽，先注水至试件高度的1/4处，以后每隔2h分别注水至试件高度的1/2和3/4处，6h后全部浸没试件；试件应在水中自由吸水48h后取出，并用湿毛巾擦拭表面水分后称量；自然吸水率 对自由吸水后的试件应强制饱和，并应符合下列规定： (a) 采用煮沸法饱和试件时，煮沸容器内的水面应始终高于试件，煮沸时间不得少于6h。经煮沸的试件应放置在原容器中冷却至室温，取出并用湿毛巾擦拭表面水分后称量；强制饱和岩石物理性质1n 试验步骤 将强制饱和的试件置于水中称重装置上，称其在水中的质量;1-电子天平；2-盛水容器；3-试件；4-细线；5-固定试件支架电子天平水中称重法示意图 (b) 采用真空抽气法饱和试件时，饱和容器内的水面应高于试件，真空压力表读数宜为当地大气压值。抽气直至无气泡逸出为止，但抽气时间不得少于4h。经真空抽气的试件应放置在原容器中，在大气压力下静置4h，取出并用湿毛巾擦拭表面水分后称量；饱和密度岩石物理性质1 称量应准确至0.01g，温度应准确至0.5。数值精度 水中称重法可以同时测定岩石吸水性、块体密度、颗粒密度等指标，对简化试验步骤、建立岩石指标相关关系具有明显的优点；由于在岩石中可能存在闭型孔隙，水中称重法测得的岩石颗粒密度值等于或小于比重瓶法；经对比试验，饱和吸水率小于0.30时，误差一般不大于0.02。 试件形状对岩石吸水率的试验成果有一定影响，不规则试件的吸水率可达规则试件的两倍以上，主要与试件和水的接触面积有关；采用单轴抗压强度试验的试件作为吸水性试验的标准试件，可与抗压强度等指标建立良好的相关性；因此，只有在试件制备困难时，才允许采用不规则试件，且为有一定尺寸要求(4060mm)的浑圆状试件，才能确保试验成果的精度。注意事项二注意事项二注意事项一注意事项一岩石物理性质1n 注意事项岩石物理性质1 颗粒密度是指在温度105110下烘至恒量时岩石固相颗粒单位体积的质量 颗粒密度 相对密度是指岩石固相颗粒的质量与同体积纯蒸馏水在4时的质量之比 相对密度sssmV式中：d 为相对密度； W,4为4时纯蒸馏水的密度， g/cm3 。 sssw 4 Cw 4 CmdV，岩石名称颗粒密度岩石名称颗粒密度 岩石名称颗粒密度 花岗岩2.502.84玢岩2.602.90石英片岩2.602.80正长岩2.602.90安山岩2.402.90蛇纹岩2.402.80辉绿岩2.603.10玄武岩2.503.30砾岩2.602.80辉长石2.703.20角闪岩2.903.10砂岩2.602.75凝灰岩2.562.78片麻岩2.603.10页岩2.632.73闪长岩2.603.10大理岩2.702.87石灰岩2.482.76流纹岩2.602.80板岩2.702.84泥质灰岩2.702.80橄榄岩2.903.40千枚岩2.812.96白云岩2.602.90粗面岩2.402.70石英岩2.632.84 斑岩2.302.80绿泥石片岩2.802.90 3s(g cm )3s(g cm )3s(g cm )常见岩石的颗粒密度岩石物理性质1u 测量颗粒密度的方法比重瓶法孔径为0.25mm的筛短颈比重瓶恒温水槽煮沸设备烘箱和干燥器天平(感量0.001g)瓷研钵或玛瑙研钵粉碎机、磁铁块温度计真空抽气设备试验设备岩石物理性质1 岩石颗粒密度试验应采用比重瓶法或水中称重法，各类岩石均可采用比重瓶法。将岩石用粉碎机粉碎成岩粉，使之全部通过0.25mm筛孔，并用磁铁吸去铁屑；对含有磁性矿物的岩石，应采用瓷研钵或玛瑙研钵粉碎，使之全部通过0.25mm筛孔。岩石颗粒密度试验过程(比重瓶法)详见教材媒体3-3，P52将制备好的岩粉置于105110温度下烘干，烘干时间不应少于6h，然后放入干燥器内冷却至室温；1用四分法取两份岩粉，每份岩粉质量应为15g；2将岩粉装入烘干的比重瓶内，注入试液(蒸馏水或煤油)至比重瓶容积的一半处；对含水溶性矿物的岩石，应使用煤油作试液；3恒温水槽短颈比重瓶岩石物理性质1l 试验步骤当使用蒸馏水作试液时，可采用煮沸法或真空抽气法排除气体；当使用煤油作试液时，应采用真空抽气法排除气体；4当采用煮沸法排除气体时，在加热沸腾后煮沸时间不应少于1h；5当采用真空抽气法排除气体时，真空压力表读数宜为当地大气压；抽气至无气泡逸出时，继续抽气时间不宜少于1h；6岩石物理性质1l 试验步骤将经过排除气体的试液注入比重瓶至近满，然后置于恒温水槽内，应使瓶内温度保持恒定并待上部悬液澄清；7塞上瓶塞，使多余试液自瓶塞毛细孔中溢出，将瓶外擦干，称瓶、试液和岩粉的总质量，并应测定瓶内试液的温度；8导出溶液并洗净该比重瓶，注入经排除气体并与试验同温度的试液至比重瓶内，按本试验第(7)、(8)条步骤称瓶和试液的质量，再称量。9岩石物理性质1l 试验步骤注意事项一l岩石颗粒密度试验的试件一般采用块体密度试验后的试件粉碎成岩粉，其目的是减少岩石不均一性的影响。l试件粉碎后的最大粒径，不含闭合裂隙；l当最大粒径为1mm时，对试验成果影响甚微；l岩石粉碎成岩粉后需全部通过0.25mm筛孔。l采用容积为100mL的短颈比重瓶，是考虑岩石的不均一性和通用的试验条件。注意事项二注意事项三岩石物理性质1l 注意事项重力密度(也称为重度、容重)是指单位体积岩石的重量(kN/m3 )，常用 表示。岩石物理性质1 重力密度重力密度天然重度饱和重度干重度浮重度u 天然重度是指岩石在天然状态下单位体积的重量u 饱和重度是指岩石在饱和状态下单位体积的重量岩石物理性质1式中： 为天然重度，kN/m3 为岩石的重量, kN，W=mg 为重力加速度，一般取 0Wg210m s式中： 为饱和重度，kN/m3 为岩石强制饱和后的重量， kNsatsatW0WVsatsatWVu 干重度是指岩石在干燥状态下单位体积的重量式中： 为干重度， 为岩石固相颗粒的重量，d3kN mkNsWu 浮重度是指岩石在水中单位体积的重量式中： 为浮重度， 为水的重力密度； 3kN mw3kN m岩石物理性质1sdWVwWVV岩石物理性质1岩石密度与重度的大小，在一定程度上反映了岩石力学性质的优劣，一般情况下岩石密度、重度越大，其力学性质越好。 u 干重度与天然重度的关系式中： 为岩石天然含水率，%。 在工程应用中，岩石的重度等于岩石密度乘以重力加速度，即0d0(10.01)0g比重是指岩石固相颗粒的重量与同体积纯蒸馏水在4时的重量之比式中： 为4时纯蒸馏水的重度， 。3kN m 岩石颗粒密度、相对密度、比重三者在数值上相等，其大小取决于组成岩石矿物的密度及其相对含量。成岩矿物的密度越大，则岩石的比重和相对密度越大。岩石物理性质1 比重w,4 Csssw,4 CWGVl岩石的孔隙性岩石物理性质1岩石的孔隙性是指天然岩石中包含孔洞与裂隙的程度及状态的特性。反映岩石孔洞、裂隙的发育程度，通常采用孔隙比和孔隙率表示。孔隙性孔隙比孔隙率岩石中孔隙体积与固相颗粒体积之比岩石中孔隙体积与岩石总体积的之比，以百分数表示vds100%(1) 100%VnV根据岩石的三相比例关系，孔隙比与孔隙率有如下关系：岩石物理性质1大开型孔隙开型孔隙闭型孔隙小开型孔隙岩石中与大气连通的孔隙与大气不连通的孔隙在常温常压下，水能进入的这部分孔隙在高压(一般为15MPa)或真空条件下，水才能进入的这部分孔隙小开型孔隙率孔洞与裂隙的类型总开孔隙率大开型孔隙率闭孔隙率岩石物理性质1u 孔隙率对岩石的水理性质、热学性质及力学性质有较大影响，孔隙率越大，反映岩石中孔洞与裂隙数量越多，岩石的强度越低，变形和渗透性越大，抗风化能力越低，碳酸盐岩的岩溶发育程度越强。u 岩石的孔隙性指标一般难以直接测定，需要通过岩石密度与吸水性等实测指标换算得到，也可以通过CT扫描进行测试分析。常见岩石的孔隙率岩石名称岩石名称孔隙率孔隙率/%岩石名称岩石名称孔隙率孔隙率/%岩石名称岩石名称孔隙率孔隙率/%花岗岩花岗岩0.042.80火山角砾岩火山角砾岩4.4011.20蛇纹岩蛇纹岩0.102.50闪长岩闪长岩0.185.00片麻岩片麻岩0.302.00凝灰岩凝灰岩1.5025.00斑岩斑岩0.292.75花岗片麻岩花岗片麻岩0.302.40砾岩砾岩0.8010.00辉长岩辉长岩0.291.13石英片岩、角闪岩石英片岩、角闪岩0.703.00砂岩砂岩1.6028.30辉绿岩辉绿岩0.295.00 云母片岩、云母片岩、 绿泥石片岩绿泥石片岩0.802.10泥岩泥岩3.007.00玢岩玢岩1.885.00千枚岩千枚岩0.403.60泥质页岩泥质页岩0.4010.00安山岩安山岩1.104.50板岩板岩0.100.45石灰岩石灰岩0.5327.00玄武岩玄武岩0.507.20大理岩大理岩0.106.00泥灰岩泥灰岩1.0010.00火山集块岩火山集块岩2.207.00石英岩石英岩0.108.70白云岩白云岩0.3025.00岩石物理性质1l岩石水理性岩石物理性质1崩解性含水率吸水性渗流性软化性抗冻性膨胀性岩石与水相互作用时所表现出来的性质 含水率是指岩石在温度105110下烘至恒量时所失去水的质量与岩石固相颗粒的质量之比，以百分数表示ws100%mm 岩石含水率的大小主要取决于岩石中孔隙率、细微裂隙的连通情况以及亲水性矿物的含量。在软岩工程中，由于组成软岩的矿物成分中往往含有较多的亲水性黏土矿物，遇水易软化，对岩石的变形和强度有显著影响。式中：为岩石含水率， %；mw为岩石烘干后所失去水的质量， g。岩石物理性质1 含水率岩石含水率影响因素 吸水性岩石物理性质1u 岩石的吸水性是指岩石在一定条件下吸收水分的能力，常用吸水率、饱和吸水率和饱水系数表示，可采用水中称重法测定。u 吸水率是指岩石在大气压力和室温条件下吸入水的质量与岩石固相颗粒的质量之比，以百分数表示asas100%mmm式中：a为岩石吸水率, %; ma为浸水48h后岩石的质量, g。u 岩石的吸水率取决于岩石孔隙的数量、大小、闭合程度和分布情况，同时也受岩石成因、地质年代及岩性的影响;u 通常，岩石中的孔隙越大、数量越多、连通性越好，则岩石吸水率越大、力学性质越差。岩石吸水率影响因素常见岩石的吸水率岩石名称岩石名称吸水率吸水率/%岩石名称岩石名称吸水率吸水率/%岩石名称岩石名称吸水率吸水率/%花岗岩花岗岩0.100.70混合片麻岩混合片麻岩0.643.15蛇纹岩蛇纹岩0.202.50花岗闪长岩花岗闪长岩0.300.38花岗片麻岩花岗片麻岩0.100.70凝灰岩凝灰岩0.507.50辉绿岩辉绿岩0.805.00石英片岩石英片岩0.100.20砾岩砾岩1.005.00玢岩玢岩0.070.65云母片岩云母片岩0.100.60砂岩砂岩0.207.00安山岩安山岩0.304.50千枚岩千枚岩0.501.80页岩页岩0.503.20玄武岩玄武岩0.200.40板岩板岩0.100.30石灰岩石灰岩0.104.45火山集块岩火山集块岩0.501.70大理岩大理岩0.100.80泥灰岩泥灰岩2.148.16火山角砾岩火山角砾岩0.205.00石英岩石英岩0.101.45白云岩白云岩0.103.00 吸水性岩石物理性质1 饱和吸水率是指岩石在强制饱和条件下的最大吸水量与岩石固相颗粒的质量之比，以百分数表示satssats100%mmm式中：sat 为岩石饱和吸水率，%；msat 为强制饱和后岩石的质量，g。 在强制饱和条件下，通常认为水能进入所有开型孔隙中，因此可利用岩石饱和吸水率计算总开孔隙率v,0dsat0w100%VnV 饱水系数是指岩石吸水率与饱和吸水率之比asatK式中：K 为岩石的饱水系数。岩石物理性质1 吸水性步骤一将试件置于烘箱内，在105110温度下烘24h，取出放入干燥器内冷却至室温后称量；自由浸水法 应将试件放入水槽，先注水至试件高度的1/4处，以后每隔2h分别注水至试件高度的1/2和3/4处，6h后全部浸没试件；试件应在水中自由吸水48h后取出，并用湿毛巾擦拭表面水分后称量。步骤三将经煮沸或真空抽气饱和的试件置于水中称重装置上，称其在水中的质量；称量应准确至0.01g。岩石物理性质1岩石吸水性试验过程详见教材媒体3-4，P56u 试验步骤 煮沸容器内的水面应始终高于试件，煮沸时间不得少于6h；经煮沸的试件应放置在原容器中冷却至室温，取出并用湿毛巾擦拭表面水分后称量。煮沸法 饱和容器内的水面应高于试件，真空压力表读数宜为当地大气压值；抽气直至无气泡逸出为止，但抽气时间不得少于4h；经真空抽气的试件，应放置在原容器中，在大气压力下静置4h，取出并用湿毛巾擦拭表面水分后称量。真空抽气法步骤二使试件饱和，可采用自由浸水法、煮沸法和真空抽气法；u 岩石渗透性是指在一定的水力梯度作用下，岩石的孔洞与裂隙通过水的能力，间接反映孔洞与裂隙相互连通的程度，常用渗透系数表示。u 渗透系数是指单位水力梯度条件下水在岩石中的渗流速度。一般认为，水流在大多数岩石孔洞与裂隙中流动状态可近似为层流状态，服从达西定律。岩石物理性质1 渗透性ddHQkAlQukJA式中： 为单位时间内沿渗流路径的流量，m3/s；H 为水头高度，m；A 为垂直于渗流方向的截面面积，m2 ；u 为渗流速度，m/ s；k 为岩石的渗透系数，m/ s；J 为渗流路径 l 方向的水力梯度， ； l 为渗流路径长度，m； 为水头差，m。QHJlH(1) 测定岩石渗透系数的室内试验仪器与土的渗透仪类似，但试验时压力差较大。岩石渗透仪的结构和试验原理wQLkpA式中：L 为试件长度，m； p 为试件两端的压力差，kPa； A 为试件的截面面积，m2 。岩石物理性质1 渗透性l 渗透系数：(2) 岩石的渗透系数也可采用径向渗透试验测定径向渗透试验示意图岩石物理性质1径向辐合渗透试验 径向辐散渗透试验 将岩样制成直径为60mm、长为150mm的圆柱体试件，并在中间钻一个直径为12mm、长为125mm的轴向孔。l 试件要求l 径向辐合渗透试验 l 径向辐散渗透试验 l 渗透系数 式中：P为试件外壁上压力，kPa；l为内孔长度，m；r1和r2分别为试件的内、外半径，m。w21ln2QrklPr常见岩石的渗透系数岩石名称岩石名称孔隙发育情况孔隙发育情况渗透系数渗透系数 k/(cms-1) 岩石名称岩石名称孔隙发育情况孔隙发育情况 渗透系数渗透系数k/(cms-1) 花岗岩花岗岩较致密、微裂隙1.1010-129.5010-11辉绿岩辉绿岩玄武岩玄武岩砂岩砂岩致密10-13含微裂隙1.1010-122.5010-10较致密10-132.5010-12微裂隙及部分粗裂隙2.8010-97.0010-8孔隙较发育5.5010-6 石灰岩石灰岩致密3.0010-126.0010-10页岩页岩微裂隙发育2.0010-108.0010-9微裂隙、孔洞2.0010-93.0010-6片岩片岩微裂隙发育1.0010-95.0010-5孔隙较发育9.0010-53.0010-4石英岩石英岩微裂隙1.2010-101.8010-10 片麻岩片麻岩致密10-13 微裂隙9.0010-84.0010-7 微裂隙发育2.0010-63.0010-5 岩石物理性质1 软化性u 岩石的软化性是指岩石浸水后强度降低的性质，取决于岩石的矿物成分、联结特性和微裂隙发育程度等，常用软化系数表示。u 软化系数定义为岩石饱和单轴抗压强度与其干燥单轴抗压强度之比。岩石物理性质1cdRR式中： 为岩石软化系数； 为岩石饱和单轴抗压强度，常用 表示，MPa； 为岩石干燥单轴抗压强度，MPa。cRdRcl理论上软化系数总是小于1，软化系数大于1均为岩石不均一性所导致。l当软化系数等于或小于0.75 时，属于软化岩石。l一般情况下，未风化的岩浆岩和某些变质岩，软化系数较大并接近于1；泥岩、泥质或含泥质砂岩、砾岩和泥灰岩等沉积岩的软化系数常为0.40.6，甚至更低。常见岩石的软化系数岩石名称岩石名称软化系数软化系数岩石名称岩石名称软化系数软化系数岩石名称岩石名称软化系数软化系数花岗岩花岗岩0.720.97安山凝灰集块岩安山凝灰集块岩0.610.74砾岩砾岩0.500.96闪长岩闪长岩0.600.80凝灰岩凝灰岩0.520.86石英砂岩石英砂岩0.650.97闪长玢岩闪长玢岩0.780.81片麻岩片麻岩0.750.97泥质砂岩、泥质砂岩、粉砂岩粉砂岩0.210.75辉绿岩辉绿岩0.330.90石英片麻岩石英片麻岩0.440.84泥岩泥岩0.400.60流纹岩流纹岩0.750.95云母片岩云母片岩0.530.69页岩页岩0.240.74安山岩安山岩0.810.91千枚岩千枚岩0.670.96石灰岩石灰岩0.700.94玄武岩玄武岩0.300.95硅质板岩硅质板岩0.750.79泥灰岩泥灰岩0.440.54火山集块岩火山集块岩0.600.80泥质板岩泥质板岩0.390.52 火山角砾岩火山角砾岩0.570.95石英岩石英岩0.940.96 岩石物理性质1 在工程中，岩石的软化系数间接反映岩石抗水性、抗风化性、抗冻能力，对评价坝基岩体及隧洞围岩稳定性具有重要意义。用作天然建筑材料的岩石，软化系数应大于0.75。 为试验前岩石的烘干质量，g；rd2s100%mIm式中：d2I为两次循环试验求得的耐崩解性指数，%；smrm为残留试件的烘干质量，g。u 岩石的崩解性是指岩石与水相互作用时失去黏结力，岩石崩散、解体后，完全丧失强度变成松散物质的性质，可溶盐和泥质胶结的沉积岩容易崩解，常用耐崩解性指数 表示。u 耐崩解性指数是指测定岩石在经过干燥和浸水循环后残留试件烘干质量与原试件烘干质量之比，以百分数表示dI岩石物理性质1 崩解性1-水槽；2-主轴；3-电动机；4-沉淀物；5-筛筒(内装试件)u 岩石耐崩解性试验筛筒水槽岩石耐崩解性试验仪实物图岩石物理性质1l 适用于在干、湿交替环境中易崩解的岩石，岩石胶结程度越高耐崩解能力越强l 评价岩石在浸水和温度变化环境下抗风化作用的能力岩石耐崩解性试验示意图 主要适用于在干、湿交替环境中易崩解的岩石，对于坚硬完整岩石一般不需进行此项试验，试件应在现场采取保持天然含水状态并密封； 并应制成浑圆状，且每个质量应为4060g；每组试件的数量应不少于10个。浑圆状岩石试件试验设备烘箱和干燥器天平(感量0.01g)温度计耐崩解性试验仪岩石物理性质1u 岩石耐崩解性试验岩石耐崩解性试验过程详见教材媒体3-5，P5915234试验步骤6称量均应准确至0.01g。称圆柱形筛筒质量后，将试件装入岩石耐崩解性试验仪的圆柱形筛筒内，在105110的温度下烘24h，取出后应放入干燥器内冷却至室温称量；将装有试件的筛筒放入水槽，向水槽内注入蒸馏水，水面应在转动轴下约20mm；筛筒以20r/min的转速转动10min后，将装有残留试件的筛筒在105110的温度下烘24h后，在干燥器内冷却至室温称量；重复步骤(2)，求得第二次循环后的筛筒和残留试件质量；根据需要，可进行5次循环；试验过程中，水温应保持在202范围内；试验结束后，应对残留试件、水的颜色和水中沉淀物进行描述；根据需要，应对水中沉淀物进行颗粒分析、界限含水率测定和黏土矿物成分分析；岩石物理性质1l 试验步骤l 甘布尔崩解耐久性分类标准级别一次10min旋转后留下的百分数(按干重计)/%两次10min旋转后留下的百分数(按干重计)/%极高耐久性9998高耐久性98999598中高耐久性95988595中等耐久性85956085低耐久性60853060极低耐久性60=123 常规三轴压缩试验1-密封压头；2-岩石试件；3-球状底座；4-出油口；5-隔离膜；6-进油口；常规三轴试验装置示意图岩石强度特性2123=试件最大主应力：1PA式中：P 为试件破坏时的最大轴向力，N A 为试件的初始横截面面积，mm2 u 常规三轴压缩试验过程岩石强度特性2l 试件尺寸及要求(1) 试件可用钻孔岩芯或岩块制备；(2) 圆柱体试件直径应为试验机承压板直径的0.961.00，应大于岩石中最大颗粒直径的10倍，宜为4854mm；高度与直径之比宜为2.02.5；(3) 试件含水状态可根据需要选择天然含水状态、烘干状态、饱和状态或其他状态。三轴试验机试验设备岩石三轴试验机测量平台钻石机、切石机、磨石机等烘箱、水槽、干燥器等岩石强度特性2试件制备试件破坏确定各试件侧压力安装变形测表同步施加侧向和轴向压力施加轴向荷载逐级测读轴向荷载及轴向变形在不同测压下重复试验一次逐级加载法岩石常规三轴压缩试验过程及视频详见教材媒体3-14和媒体3-15 ，P66u 试验步骤岩石强度特性2片麻岩试件破坏示例砂岩花岗岩不同围压0MPa5MPa10MPa20MPa40MPa 真三轴压缩试验岩石强度特性2作用在试件表面的三个方向主应力：iiiPA式中：i 为试件的第i主应力，MPa； Pi 为第i主应力方向的荷载，N； Ai 为荷载Pi对试件的作用面积，mm； i 为1、2、3。岩石真三轴试验机123岩石强度特性2岩石抗拉强度是指岩石试件在拉伸荷载作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力。抗拉强度试验直接拉伸试验间接拉伸试验巴西圆盘劈裂试验弯曲梁试验研究岩石抗拉性能对隧道、边坡及地下工程洞室岩体有重要意义。l岩石抗拉强度将制备的岩石试件置于专用夹具中，通过试验机对试件施加轴向拉力直至破坏。岩石抗拉强度按下式计算：式中：Rt 为岩石抗拉强度，也常用t表示，MPa ；Pt 为岩石受拉破坏时的最大拉力，N ； A 为与施加拉力相垂直且试件发生断裂处的横截面面积，mm2 。直接拉伸试验ttPRA(a) 圆柱状试件 (b) “狗骨头”状试件直接拉伸试验不同类型试件岩石强度特性21-钢索(不扭动的)和球铰(不锈钢)；2-螺旋连接器(不锈钢) ；3-铝环；4-岩石试件；5-束带；6-黏结物；7-夹具注意事项l 试验时施加的拉力作用方向必须与岩石试件轴向重合；常 采 用 间 接 拉 伸 试 验 测 定 岩 石 抗 拉 强 度局限性l 直接拉伸试验试件制备精度要求较高；岩石强度特性2l 黏接接触控制严格；l 容易产生扭曲破坏和应力集中。l 夹具应保证安全、可靠；l 夹具具有防止偏心荷载造成试验失败的能力。u 巴西圆盘劈裂试验：1943年，巴西学者F.L.L. B.Carneiro和日本学者T. Akazawa提出了用于测试混凝土抗拉强度的试验方法。巴西圆盘劈裂试验装置间接拉伸试验 试 件 尺 寸 要 求 ： 圆 柱 体 试 件 直 径 宜 为4854mm，试件厚度宜为直径的0.51.0倍，并应大于岩石中最大颗粒直径的10倍。岩石强度特性2巴西圆盘劈裂试验(线荷载加载)：通过垫条对圆柱体试件施加径向线荷载直至破坏，从而间接求取岩石抗拉强度：式中：Rt 为岩石抗拉强度，MPa；P 为岩石受拉破坏时的最大荷载，N；t 为试件的厚度，mm ；D 为试件的直径，mm 。(a) 平面加载板加载；(b) 线荷载加载；(c) 带垫板的平面加载板加载；(d) 弧形加载板加载 典型的巴西圆盘劈裂试验加载方式t2PRDt岩石强度特性2垫条安装：通过试件直径的两端，沿轴线方向画两条相互平行的加载基线，并将2根垫条沿加载基线固定在试件两侧；试验简单且测得抗拉强度与直接拉伸试验很接近，常用此法。岩石强度特性2123试验步骤加载：以0.30.5MPa/s的速度加载直至破坏。试件安装：将试件置于材料试验机承压板中心，调整球形座，使试件均匀受力，并使垫条与试件在同一加荷轴线上；u 试验步骤岩石巴西圆盘劈裂试验过程及视频详见教材媒体3-16和媒体3-16，P68岩石强度特性2试件应力分布：l 在圆盘上下加载边缘处，沿加载方向的y和垂直于加载方向的x均为压应力；l 离开边缘后，沿加载方向的y仍为压应力，但应力值比边缘处显著减小，并趋于均匀化；l 垂直于加载方向的x变成拉应力，并趋于均一分布。巴西圆盘劈裂试验试件应力分布岩石强度特性2破坏形式：l 拉应力x达到岩石抗拉强度，试件开始破坏；l 试件沿加载方向劈裂破坏，理论上破坏是从试件中心开始；l 沿加载直径方向逐渐扩展至试件两端。试件破坏形式垫条可采用直径为4mm左右的钢丝或胶木棍，其长度大于试件厚度。垫条的硬度与岩石试件硬度相匹配，垫条硬度过大，易贯入试件；垫条硬度过低，自身将严重变形，从而影响试验结果。试件最终破坏为沿试件直径贯穿破坏。如未贯穿整个截面，产生局部脱落，属无效试验试件无效破坏形式示意图u 注意事项岩石强度特性2岩石强度特性2u 弯曲梁试验 常采用三点加载弯曲梁试验。l 在压力P作用下，梁的下部(中性轴以下)出现拉伸应力；l 当拉伸应力达到极限后，梁的中部下边缘处开始出现拉伸断裂；l 岩石试件受弯至折断时所能承受的最大应力称为岩石的抗折强度。间接拉伸试验三点加载弯曲梁试验示意图岩石强度特性2弯曲梁试验采用的试件可以是圆柱梁，也可以是长方形截面的棱柱梁。计算公式如下：式中：R0 为岩石的抗折强度，MPa；D 为梁的横截面直径，mm ； a、b 为梁的横截面高度和宽度，mm ； L 为梁下方两支点间的跨距，mm。(a) 圆柱梁038=PLRD023=2PLRba(b) 棱柱梁三点加载弯曲梁试验不同破坏形式岩石强度特性2三点弯曲拉伸试验岩石三点弯曲拉伸试验方法的计算公式简单，试验规范性和可操作性强，试验数据有代表性。与直接拉伸相比，制样和试验难度较低，且成功率高。与劈裂拉伸相比，可绘制应力应变关系曲线和计算拉伸弹性模量。在岩体工程和建筑材料中具有广泛的应用前景，可作进一步地完善及推广。岩石强度特性2l岩石抗剪强度岩石抗剪强度是指岩石试件在剪切荷载作用下破坏时所能承受的最大剪应力，它与岩石的抗压、抗拉强度不同，可通过多组岩石抗剪试验数据，并利用库仑-奈维表达式确定。研究岩石抗剪性能对隧道、边坡及地下工程洞室岩体有重要意义抗剪强度抗剪断强度摩擦强度抗切强度岩石强度特性2( )f非限制性剪切强度试验在剪切面上只有剪应力，没有正应力；限制性剪切强度试验在剪切面上同时有剪应力和正应力。剪切强度试验分为非限制性剪切强度试验和限制性剪切强度试验。岩石强度特性2非限制性剪切强度试验限制性剪切强度试验抗剪断强度是指试件在一定的法向应力作用下，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力。抗剪强度试验直接剪切试验角模剪断试验三轴压缩试验岩石强度特性2岩石直剪试验过程详见教材媒体3-18，P72 直接剪切试验(直剪试验)试件尺寸及要求：u 试件的直径(或边长)不得小于50mm，试件高度应与直径(或边长)相等；u 同一含水状态每组试件应不少于5个。岩石直剪试验装置示意图岩石强度特性2 岩石直剪试验是在不同的法向荷载下对岩石试件进行剪切。1-包封材料；2-岩石试件；3-试验层位；4-试件模盒；5-底摩擦系统；6-剪切荷载；7-法向荷载岩石直剪试验常采用平推法岩石强度特性2摩擦试验试件安装施加法向荷载施加剪切荷载试件破坏试件置于剪切盒内间隙用填料填实对称布置测表预留剪切缝逐级施加法向荷载测读各法向位移保持法向荷载恒定确定最大剪切荷载逐级施加剪切荷载测读剪切位移和法向位移u 试验步骤剪切面上的法向应力和剪应力应分别按下列公式计算：式中：为作用于剪切面上的法向应力，MPa；P为作用于剪切面上的法向荷载，N ；A为有效剪切面面积，mm2；为作用于剪切面上的剪应力，MPa；Q为作用于剪切面上的剪切荷载，N。PAQA岩石强度特性2将不同法向应力下的抗剪强度f绘制在-坐标系中，采用最小二乘法拟合，求取岩石抗剪强度参数:tancu 计算 角模剪断试验 角模剪断试验适用于除坚硬岩(60)外的可制成规则试件的各类岩石。l 一般采用不同角度()夹具的角模剪断试验仪进行试验。l 一般为4565，常选用45、50、55、60、65五种角度中的三种角度，且每种角度的试件至少3个。岩石角模剪断试验示意图岩石强度特性2试件尺寸及要求：l 试件规格宜为边长为50mm或70mm的立方体，也可采用直径为50mm或70mm、径高比为1的圆柱体。l 试件两端面不平整度允许偏差为0.05mm，试件高度、直径或边长的允许偏差为0.03mm端面应垂直于试件轴线，允许偏差为0.25。岩石强度特性2岩石角模剪断试验过程详见教材媒体3-19，P72试验设备岩石角模剪切试验装置测量平台钻石机、切石机、磨石机等角尺、游标卡尺等烘箱、干燥器和饱和设备u 岩石角模剪断试验过程岩石强度特性2设置剪切角试件安装加载试件破坏选用45、50、55、60、65五种角度中的三种角度。将装好试件的角模剪断装置平置于承压板中心，调整球形底座。以0.30.5MPa/s的速度加载。岩石角模剪断试验机l 试验步骤也可用最小二乘法直接计算岩石抗剪强度参数c、值作用在剪切面上的正应力和剪应力可按下式求得，绘制-关系曲线，再据图求取岩石抗剪强度参数c、值。式中：A为试件剪切面面积，mm2；为试件放置角度，即试件剪切面与水平面的夹角，()； f 为滚轴摩擦系数；n为滚轴根数；d为滚轴直径，mm。角模剪断试验抗剪强度包络线示意图(sincos )PfA(cossin)PfA1fn d岩石强度特性2u 抗剪强度参数计算 三轴压缩试验 由于三轴压缩试验中试件表现为剪切破坏，因此也是一种常用的抗剪强度试验方法：u 利用三轴压缩试验获得试件破坏时的最大主应力1及相应的侧向应力3，在-坐标系中以(1+3)/2为圆心、(1-3)/2为半径绘制不同侧向压力条件下的莫尔应力圆；u 根据莫尔-库仑强度准则确定岩石的抗剪强度参数。莫尔应力圆确定抗剪强度参数岩石强度特性2注：莫尔应力圆相关内容详见第六章莫尔-库仑强度另一种抗剪强度参数的确定方法：根据各组试验试件破坏时的1、3值，以主应力1为纵坐标、侧向压力3为横坐标绘图，拟合1-3最佳关系曲线并建立下列线性方程式：式中：F 为1-3关系曲线的斜率；R为1-3关系曲线在1轴上的