第二章巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)第一節(jié)概述第二節(jié)巖石的基本物理性質(zhì)一巖石的密度指標(biāo)1巖石的密度:巖石試件的質(zhì)量與試件的體積之比，即單位體積內(nèi)巖石的質(zhì)量。（1）天然密度：是指巖石在自然條件下，單位體積的質(zhì)量，即（2）飽和密度：是指巖石中的孔隙全部被水充填時(shí)單位體積的質(zhì)量，即（3）干密度：是指巖石孔隙中液體全部被蒸發(fā)，試件中只有固體和氣體的狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量，即（4）重力密度：單位體積中巖石的重量，簡稱重度。2巖石的顆粒密度：是指巖石固體物質(zhì)的質(zhì)量與固體的體積之比值。公式二巖石的孔隙性1巖石的孔隙比：是指巖石的孔隙體積與固體體積之比，公式2巖石的孔隙率：是指巖石的孔隙體積與試件總體積的比值，以百分率表示，公式孔隙比和孔隙率的關(guān)系式：三巖體的水理性質(zhì)1巖石的含水性質(zhì)（1）巖石的含水率：是指巖石孔隙中含水的質(zhì)量與固體質(zhì)量之比的百分?jǐn)?shù)，即（2）巖石的吸水率：是指巖石吸入水的質(zhì)量與試件固體的質(zhì)量之比。2巖石的滲透性：是指巖石在一定的水力梯度作用下，水穿透巖石的能力。它間接地反映了巖石中裂隙間相互連通的程度。四巖體的抗風(fēng)化指標(biāo)1軟化系數(shù)：是指巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度與干燥狀態(tài)下的單軸抗壓強(qiáng)度的比值。它是巖石抗風(fēng)化能力的一個(gè)指標(biāo)，反映了巖石遇水強(qiáng)度降低的一個(gè)參數(shù)：2巖石耐崩解性：巖石與水相互作用時(shí)失去粘結(jié)性并變成完全喪失強(qiáng)度的松散物質(zhì)的性能。巖石耐崩解性指數(shù)：是通過對巖石試件進(jìn)行烘干，浸水循環(huán)試驗(yàn)所得的指數(shù)。它直接反映了巖石在浸水和溫度變化的環(huán)境下抵抗風(fēng)化作用的能力。3巖石的膨脹性：巖石浸水后體積增大的性質(zhì)。（1）巖石的自由膨脹率：是指巖石試件在無任何約束的條件下浸水后所產(chǎn)生膨脹變形與試件原尺寸的比值。（2）巖石的側(cè)向約束膨脹率：是將具有側(cè)向約束的試件浸入水中，使巖石試件僅產(chǎn)生軸向膨脹變形而求得膨脹率。（3）膨脹壓力:巖石試件浸水后，使試件保持原有體積所施加的最大壓力。五巖體的其他特性1巖石的抗凍性:巖石抵抗凍融破壞的性能。（1）巖石的抗凍性系數(shù)：凍融后巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度與凍融前巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度的比值。是在正負(fù)25的溫度區(qū)間內(nèi)，反復(fù)降溫、冷凍、升溫、溶解多次后。進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，用單軸抗壓強(qiáng)度下降的比例，表示抗凍系數(shù)。（2）強(qiáng)度損失的原因：各種礦物的膨脹系數(shù)的差異；孔隙中水在零下溫度下結(jié)冰，造成體積增大。第三節(jié)巖體的強(qiáng)度特性一巖石的單軸抗壓強(qiáng)度定義：巖石試件在無側(cè)限條件下，受軸向力作用破壞時(shí)單位面積上所承受的荷載。（一）單軸抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)方法（二）在單向壓縮荷載作用下試件的破壞形態(tài)1圓錐形破壞：試件兩端面與試驗(yàn)機(jī)承壓板之間摩擦力增大造成的。試件端面與承壓板之間的摩擦力影響試件的破壞形態(tài)，在試驗(yàn)加壓過程中，試件的應(yīng)力分布如圖，與承壓板接觸的兩個(gè)面上由于摩擦力的存在，使得試件的端部形成壓應(yīng)力的三角形區(qū)域，而其他區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)為拉應(yīng)力。由于試件端面與承壓板的摩擦力，使試件端面部分形成了一個(gè)箍的作用，而這一作用隨遠(yuǎn)離承壓板而減弱，使其表現(xiàn)為拉應(yīng)力。在無側(cè)限的條件下，由于側(cè)向的部分巖石可自由地向外變形、剝離，最終形成圓錐形破壞的形態(tài)。2柱狀劈裂破壞：單軸壓縮應(yīng)力作用下自身所具有的破壞特性。（三）單軸抗壓強(qiáng)度的影響因素1承壓板對單軸抗壓強(qiáng)度的影響除了上述試件端面與承壓板之間的摩擦力影響試件的破壞形態(tài)以外，還有承壓板的剛度也影響試件端面的應(yīng)力分布狀態(tài)。當(dāng)承壓板剛度很大時(shí)，其接觸面的應(yīng)力分布很不均勻，呈山字型，當(dāng)承壓板的剛度較小，呈柔性鋼板時(shí)，則巖石端面的應(yīng)力分布為拋物線形。顯然，這將影響整個(gè)試件的受力狀態(tài)。因此，試驗(yàn)機(jī)承壓板（或墊塊）應(yīng)該盡可能采用與巖石剛度相接近的材料，避免由于剛度的不同引起變形不協(xié)調(diào)造成應(yīng)力分布不均勻的現(xiàn)象，減少巖石的端面對強(qiáng)度的影響。2巖石試件尺寸及形狀對單軸抗壓強(qiáng)度的影響（2009年簡述：尺寸和形狀對單軸抗壓強(qiáng)度的影響）（1）巖石試件的形狀方形試件的四個(gè)邊角會產(chǎn)生很明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這將影響整個(gè)試件在受力后的應(yīng)力分布狀態(tài)。此外，方柱體的試件加工要比圓柱體試件加工困難，不容易達(dá)到有關(guān)加工精度的要求。因此，目前，絕大多數(shù)國家都采用圓柱形的巖石試件。（2）巖石試件的尺寸——尺寸效應(yīng)（2010年概念）：試件的強(qiáng)度通常隨其尺寸的增大而減小，這在巖石力學(xué)中被稱為尺寸效應(yīng)。試件的尺寸對其強(qiáng)度的影響在很大程度上取決于組成巖石的礦物顆粒的大小。研究表面，若巖石試件的直徑為4~6cm，且滿足試件直徑大于其最大礦物顆粒直徑的10倍以上，其強(qiáng)度值相對比較穩(wěn)定。因此，目前采取直徑為4.8~5.4cm且直徑大于最大礦物顆粒直徑的10倍以上的巖石試件作為其標(biāo)準(zhǔn)尺寸。（3）巖石試件的高徑比3加載速率對單軸抗壓強(qiáng)度的影響（2009年簡述、2011年簡述：加載速率對巖石特性的影響）4環(huán)境對巖石單軸抗壓強(qiáng)度的影響（1）含水率對巖石單軸抗壓強(qiáng)度的影響（2）溫度對巖石單軸抗壓強(qiáng)度的影響5此外，巖石中的礦物成分、微粒尺寸、孔隙率等都將影響巖石的強(qiáng)度。二巖石的抗拉強(qiáng)度定義：巖石的抗拉強(qiáng)度是指巖石試件在受到軸向拉應(yīng)力后其試件發(fā)生破壞時(shí)的單位面積所能承受的拉力。1直接拉伸法2抗彎法3劈裂法4點(diǎn)荷載試驗(yàn)法（2008年概念：巖石的點(diǎn)荷載強(qiáng)度）點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)：三巖石的抗剪強(qiáng)度巖石的抗剪強(qiáng)度是指巖石在一定的應(yīng)力條件下（主要指壓應(yīng)力）所能抵抗的最大剪應(yīng)力，通常用表示。公式：四巖石在三向壓縮應(yīng)力作用下的強(qiáng)度三向壓縮應(yīng)力作用下的強(qiáng)度是指在不同的三向壓縮應(yīng)力作用下巖石抵抗外荷載的最大應(yīng)力。（一）三向壓縮試驗(yàn)方法簡介：真三軸試驗(yàn)、假三軸試驗(yàn)（二）三向壓縮試驗(yàn)的破壞類型（2009年簡述）1巖石試件在低圍壓作用下，破壞形式主要表現(xiàn)為劈裂破壞，這時(shí)圍壓的作用沒有明顯地顯現(xiàn)出來；2中等圍壓作用下，試件主要表現(xiàn)為斜面剪切破壞，剪切破壞面與最大主應(yīng)力作用面的夾角通常為45+3高圍壓作用下，試件出現(xiàn)塑性流動破壞，試件不出現(xiàn)宏觀上的破壞破裂面而呈現(xiàn)腰鼓形。（三）強(qiáng)度的影響因素1側(cè)向壓力的影響2試件尺寸與加載速率的影響3加載路徑對巖石三軸壓縮強(qiáng)度的影響4孔隙壓力對巖石三軸壓縮強(qiáng)度的影響（溫度、各向異性）第四節(jié)巖石的變形特征一巖石在單向壓縮應(yīng)力作用下的變形特性1典型的巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線分析單軸壓縮條件下巖石變形特征（2010年簡述）1OA——壓密階段：應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈上凹型，即應(yīng)變隨應(yīng)力的增加而減小，形成這一特性的主要原因是：存在于巖石內(nèi)的微裂隙在外力作用下發(fā)生閉合所致。2AB——彈性階段：這一階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本呈直線。若在這一階段卸荷，應(yīng)變可以恢復(fù)，由此稱為彈性階段。由于巖石是一個(gè)帶有缺陷的介質(zhì)，經(jīng)過大量的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，巖石在直線階段，由于受荷后不斷出現(xiàn)新的裂縫和原有的裂紋拓展，使巖石產(chǎn)生一些不可逆變形。因此，從某種意義上來說，它并不是真正的彈性特性，只能是一種近似的彈性介質(zhì)。B點(diǎn)是該巖石的屈服點(diǎn)，當(dāng)應(yīng)力超過B點(diǎn)，則將進(jìn)入第三階段。3BC——塑性階段:當(dāng)應(yīng)力值超出B點(diǎn)（屈服應(yīng)力）之后，隨著應(yīng)力的增大，曲線呈下凹狀，明顯地表現(xiàn)出應(yīng)變增大的現(xiàn)象，這也就是常說的進(jìn)入了塑性階段，巖石產(chǎn)生明顯的不可逆塑性變形。4CD——軟化階段：此時(shí)應(yīng)力超出了峰值應(yīng)力，但巖石仍具有一定的承載能力，而這一承載力將隨著應(yīng)變的增大而逐漸減小，表現(xiàn)出明顯的軟化現(xiàn)象。2反復(fù)循環(huán)荷加、卸載應(yīng)力、應(yīng)變曲線分析3巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線形態(tài)的類型4巖石在剛性試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)時(shí)的變形特征（1）剛性試驗(yàn)機(jī)工作原理（見考題）（2）應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程的曲線形態(tài)（3）應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線的特征及其類型特征：1巖石達(dá)到峰值應(yīng)力后，有一定承載能力，突然“崩潰”是一種假象。2反復(fù)家-卸載，曲線有塑性滯環(huán)，且塑性滯環(huán)的平均斜率逐漸降低。二巖石在三向壓縮應(yīng)力作用下的變形特性（一）在圍壓相等條件下的變形特性（假三軸試驗(yàn)）1隨著圍壓的增加，巖石的屈服應(yīng)力將隨之提高。2總體來說，巖石的彈性模量變化不大，有隨圍壓的增大而增大的趨勢。3隨著圍壓的增加，峰值應(yīng)力所對應(yīng)的應(yīng)變值有所增大，巖石的變形特性明顯地表現(xiàn)出低圍壓下的脆性向高圍壓的塑性特性轉(zhuǎn)變的規(guī)律。（二）在圍壓不相等條件下的變形特性（真三軸試驗(yàn)）1當(dāng)σ3為常數(shù)，不同σ2作用下，巖石的變形特征有以下特點(diǎn)：（1）隨著σ2的增大，巖石的屈服應(yīng)力有所提高（2）彈性模量基本不變，不受σ2變化的影響（3）當(dāng)σ2不斷增大時(shí)，巖石的變形特性由塑性逐漸向脆性過渡。2當(dāng)σ2為常數(shù)，不同σ3作用下，巖石的變形特征有以下特點(diǎn)：（1）巖石的屈服應(yīng)力幾乎不變（2）巖石的彈性模量基本不變（3）巖石在如此應(yīng)力狀態(tài)下，始終保持著塑性破壞的特性。（三）巖石的體積應(yīng)變特性1擴(kuò)容：巖石受外力作用后，發(fā)生非線性的體積膨脹，且這一體積膨脹是不可逆的。2擴(kuò)容產(chǎn)生的原因：巖石試件在不斷加載過程中，由于試件中微裂紋的張開、擴(kuò)展、貫通等現(xiàn)象的出現(xiàn)，使巖石內(nèi)的孔隙不斷地增大，促使其在宏觀上表現(xiàn)為體積也隨之增大。三巖石彈、塑性變形機(jī)理的微觀分析四巖石的流變特性巖石的流變性包括：巖石的蠕變；巖石的應(yīng)力松弛；巖石的長期強(qiáng)度1巖石的蠕變：巖石在恒定外力作用下，應(yīng)變隨時(shí)間的增大而增大的特性。2巖石的應(yīng)力松弛：在應(yīng)變保持不變的條件下，應(yīng)力隨時(shí)間的增長而減小的特性。3巖石的長期強(qiáng)度：指在長期荷載作用下巖石的強(qiáng)度。4彈性后效：指加載或卸載時(shí)，彈性應(yīng)變滯后于應(yīng)力的現(xiàn)象。（一）典型的蠕變曲線——時(shí)間為橫坐標(biāo)，應(yīng)變?yōu)榭v坐標(biāo)1AB階段：瞬態(tài)蠕變階段在施加外荷載并當(dāng)外荷載維持一定的時(shí)間后，巖石將產(chǎn)生一部分隨時(shí)間而增大的應(yīng)變，此時(shí)的應(yīng)變速率隨時(shí)間的增長逐漸減小，蠕變曲線呈下凹型，并向直線階段過渡。在此階段，若卸去外荷載，則最先恢復(fù)的是巖石的瞬時(shí)應(yīng)變（PQ段），之后隨著時(shí)間的增加，其剩余應(yīng)變也能逐漸地恢復(fù)（QR段）。QR段曲線的存在，說明巖石具有隨時(shí)間的增長應(yīng)變逐漸恢復(fù)的特性，這一特性被稱為彈性后效。2BC階段：穩(wěn)定蠕變階段這個(gè)階段最明顯的特點(diǎn)是應(yīng)變隨時(shí)間的關(guān)系近似成直線變化，應(yīng)變速率為一常數(shù)。若在此階段外荷卸去，同樣出現(xiàn)與第一階段卸載時(shí)一樣的現(xiàn)象，部分應(yīng)變將逐漸恢復(fù)，彈性后效依然存在，但是此時(shí)的應(yīng)變無法完全恢復(fù)，存在著部分不能恢復(fù)的永久變形。第二階段去曲線斜率與作用在試件上的外荷載大小和巖石的粘滯系數(shù)有關(guān)?？衫脦r石的蠕變曲線，推算巖石的粘滯系數(shù)。3C點(diǎn)以后，非穩(wěn)態(tài)蠕變當(dāng)應(yīng)變達(dá)到C點(diǎn)后，巖石進(jìn)入非穩(wěn)態(tài)蠕變階段，C點(diǎn)為一拐點(diǎn)，之后巖石的應(yīng)變速率劇烈增加，整個(gè)曲線呈上凹型，經(jīng)過短暫時(shí)間后巖石試件將發(fā)生破壞。C點(diǎn)被稱為蠕變極限應(yīng)力，其意義類似于屈服應(yīng)力。（二）影響巖石蠕變的主要因素組成巖石的礦物成分的不同造成的差異，還有1水平應(yīng)力對蠕變的影響當(dāng)在稍低的應(yīng)力作用下，蠕變曲線只存在前兩個(gè)階段，不產(chǎn)生非穩(wěn)態(tài)蠕變。他表明在這樣的應(yīng)力作用下，試件不會破壞，變形最后將趨于一個(gè)穩(wěn)定值。在較高應(yīng)力作用下，試件經(jīng)過短暫的第二階段，立即進(jìn)入非穩(wěn)態(tài)蠕變階段，直至破壞。只要在中等應(yīng)力水平（巖石峰值應(yīng)力的60%~90%）作用下，才能包含三個(gè)階段完整的蠕變曲線。選擇合理的應(yīng)力水平是保證蠕變試驗(yàn)成功與否的重要條件。2溫度、濕度對蠕變的影響不同的溫度將對蠕變的總變形以及穩(wěn)定蠕變的曲線斜率產(chǎn)生較大的影響。第一，在高溫條件下，總應(yīng)變量低于低溫條件下的應(yīng)變量；第二，蠕變曲線的第二階段的斜率，高溫條件下要比低溫時(shí)小得多。不同的濕度條件同樣對蠕變特性產(chǎn)生較大影響。飽和試件的第二階段蠕變應(yīng)變速率和總應(yīng)變量都大于干燥狀態(tài)下的試驗(yàn)結(jié)果。（三）蠕變特性和瞬時(shí)變形特性的聯(lián)系五巖石介質(zhì)力學(xué)模型（一）基本的力學(xué)介質(zhì)模型1彈性介質(zhì)模型2塑性介質(zhì)模型（1）理想的塑性變形（2）具有硬化特性的塑性變形3粘性介質(zhì)模型（二）常用的巖石介質(zhì)模型1彈塑性介質(zhì)模型2粘塑性介質(zhì)模型（1）圣維南體（2）馬克斯韋爾模型（3）凱爾文模型（4）廣義凱爾文模型（5）飽依丁湯姆遜體（6）理想粘塑體（7）伯格斯體（8）西原體（9）賓漢姆體第五節(jié)巖石的強(qiáng)度理論一一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)（一）正負(fù)號的規(guī)定（二）一點(diǎn)應(yīng)力的表示方法（三）平面問題的簡化（四）基本應(yīng)力公式（五）經(jīng)典強(qiáng)度理論1最大正應(yīng)力理論2最大正應(yīng)變理論3最大剪應(yīng)力理論4最大應(yīng)變能理論二莫爾強(qiáng)度理論1莫爾強(qiáng)度理論的基本思想摩爾強(qiáng)度理論認(rèn)為：巖石不是在簡單的應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生破壞，而是在不同的正應(yīng)力和剪應(yīng)力組合作用下，才使其喪失承載能力。假設(shè)：巖石的強(qiáng)度值與中間主應(yīng)力σ2的大小無關(guān)；巖石的宏觀破裂面基本平行于中間主應(yīng)力的作用方向。2莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線3莫爾庫倫強(qiáng)度理論優(yōu)點(diǎn)：莫爾-庫倫準(zhǔn)則實(shí)質(zhì)上是一種剪應(yīng)力強(qiáng)度理論。比較全面地反映了巖石的強(qiáng)度特性，它既適用于塑性巖石也適用于脆性巖石的剪切破壞。使用方便，物理意義明確。它只適用于剪破壞，受拉區(qū)的適用性還值得進(jìn)一步探討。缺點(diǎn)：不能從巖石的破壞機(jī)理上解釋其破壞的特征；中間主應(yīng)力對巖石的強(qiáng)度也