岩石力学之岩石的力学性质.doc

第一章岩石的力学性质岩石和岩体的力学性质，是矿山岩体力学的基本问题。岩石的力学性质主要指：在各种载荷作用下，它们的变形特征，出现塑性流动和发生破坏的条件。表征岩石力学性质的参数如下：变形参数：岩石的变形摸量，弹性摸量，切变摸量，泊松比和流变性等。强度特性参数：岩石抗拉，抗弯，抗煎，抗压等各种强度极限。第一节、岩石的成分及结构与其力学性质的关系岩石是多种矿物颗粒的集合体。岩石一般有下列十余中主要矿物组成，即长石(正长石、斜长石)、石英、云母(黑云母、白云母)、角闪石、辉石、橄榄石、方解石、白云石、高岭土、赤铁矿等。它们在矿石中的含量按岩石成因而异。岩层按成因分类为：岩浆岩—系由岩浆在地壳内不同深度冷凝而成；沉积岩—是由已有岩体经风化、崩溃、搬迁、再胶结或化学作用而形成；变质岩—则由已有岩石在高温高压条件下经过改变而形成的。基本概念(1)、岩石的结构：岩石的矿物颗粒的大小、形状、表面特征、颗粒相互关系、胶结类型等特征。(2)、岩石的构造：岩石的组成部分在定向的排列情况。如层面、断层（几何特征）。晶体结构是岩浆岩和变质岩的最大特征，也是很多沉积岩的特征。(3)、矿物的晶体：构成矿物的各种化学元素的原子（离子）在空间一定规律排列，使其具有规则的几何形状的固体称为晶体。(4)、矿物的晶体的结构类型：等粒结构，不等粒结构，斑状结构。图1-1是典型晶体结构类型岩浆岩和变质岩的晶体结构与岩石力学性质的关系：晶粒细小，等粒状，岩石强度大。颗粒大的斑状结构晶体内部或晶粒间含有缺陷，岩石强度低。沉积岩的结构与力学性质的关系沉积岩中的岩石碎屑之间由胶结物将连结在一起。其力学性质取决于胶结物和胶结类型。图1-2基质胶结：岩石碎屑被胶结物包围，强度取决于胶结物。接触胶结：仅颗粒接触处有胶结物，胶结不牢，强度低，透水性强。孔隙胶结：胶结物完全成部分地充填与颗粒孔隙之间。胶结牢固，所以岩石强度和透水性主要由胶结物性质及充填程度确定。胶层物分类：硅质和铁质强度高，钙质次之，泥质最低。沉积强度主要取决于胶结物性质及充填程度。除构成岩石的矿物颗粒大小，结合方式对其力学性质有影响外，矿物的排列方式（构造）及沉积顺序亦表现出影响。如云母片岩、片麻岩、页岩等，则表现出力学性质的各向异性。第二节影响岩石力学性质的物理特性一、容重和比重1、容重式中—容重；W—岩石试件重量；V—岩石试件体积岩石容重与岩性和成因有关。从岩石力学的角度，岩石的容重和比重影响到岩石的自重应力场和惯性质量岩石容重的测试方法。2、比重岩石比重是扣除孔隙的岩石干重和其实体积之比，再与4℃水的容重之比。式中—岩石比重；Wd—岩石试件在烘箱中烘至105℃保持恒温、恒重时，岩石固体重量；V—扣除孔隙的岩石试件固体部分的体积；—4℃时水的容重。二、岩石的孔隙度岩石的孔隙度是岩石试件中孔隙体积与包括孔隙的岩石体积之比，直接测量孔隙体积是困难的，一般通过测量岩石重量，再通过一些换算公式测量岩石的孔隙式中Ws—为水饱和的岩石试件重量(如某种岩石与水有化学反应时，应改用与岩石无化学反应的液体)；Wd—干燥岩石试件的重量；V—岩石试件体积；—液体的密度。几种岩石的容重、比重、孔隙度见下表三、岩石的水理性质实践表明，水能瞬时地或逐渐地改变岩石的力学性质和性态。岩石在水溶液作用下所表现出的力学的、物理的、化学的性质称为岩石的水理性质。(1)、岩石的渗透性水通过岩石流动的难易程度，在一维条件下，有式中v—渗流速度，也称比流量；p—孔隙水压力；K—渗透系数。岩石的渗透性通常用渗透系数K衡量，K越大，渗透性越好。(2)、软化性岩石被水湿润后，强度降低，柔度增加(弹性模量降低)的特性。(3)、溶蚀性由于水的化学作用，岩石中的某些成分被水流带走的现象。溶蚀造成岩石致密程度降低，孔隙度增大，渗透性改善，强度降低。(4)、膨胀性岩石受水浸湿后，体积膨胀的现象。岩石膨胀造成强度降低、柔度增加并导致应力的不均匀。第三节岩石的变形特征岩石在载荷作用下首先发生的现象是变形。岩石的变形性对采矿工程和岩石工程有重要影响。岩石的单向、二向、三向变形特征不同，但研究最充分的是岩石的单向变形，岩石的变形(用应变表示)与载荷(用应力表示)有关，但有时还与时间有关。当岩石的变形不仅取决于应力还取决于时间时，需要考虑岩石的流变特性。脆性、塑性、坚硬等说法是通常用来描述岩石变形性能(有时也包括强度)的直观说法，形象但不十分严格。脆性材料—破坏具有突变性的材料。延性材料－破坏比较平缓的材料。脆性－破坏前永久变形的大小，可用脆性度度量（库克）。延性－塑性，永久变形。一、岩石在单向受压状态下的变形下面图是单向受压情况下岩石的应力应变应变的全过程曲线。图1-3是全图，图1-4是屈服以前的局部放大图。图1-3图1-4从图中可以看出在单向受载下岩石的变形可划分为四个阶段：1、