1、 巖漿巖：強度高、均質性好2.2.巖石地質分類 沉積巖：強度不穩定，各向異性 變質巖：不穩定，與變質程度和巖性有關3.3.沉積巖石的力學特性：不連續性；（物質不能充滿空間，有空隙存在）各向異性；（任一點的物理、力學性質沿不同方向均不相同）不均勻性；（由不同物質組成，各點物理力學性質都不相同）巖塊單元的可移動性；地質因素影響特性（水、氣、熱、初應力）（上述特性導致巖石力學的研究方法以實驗測試為主）第1頁/共34頁 巖石由固體，水，空氣等三相組成。（一）密度（）和重度( (體積力)： 單位體積的巖石的質量稱為巖石的密度。單位體積的巖石的重力稱為巖石的重度。所謂單位體積就是包括孔隙體積在內的體積。

2、（g/cmg/cm3 3），g(kN /mg(kN /m3 3) ) 巖石的密度可分為天然密度、干密度和飽和密度。相應地，巖石的重度可分為天然重度、干重度和飽和重度。VW 二、巖石的基本物理性質 固體水空氣第2頁/共34頁1 1、天然密度（）和天然重度（） 指巖石在天然狀態下的密度和重度。 VW （g/cm3）(kN /m3)g 式中：WW天然狀態下巖石試件的質量(g(g；) ) V V巖石試件的體積(cm(cm3 3) )； gg重力加速度（N/gN/g）。 第3頁/共34頁 干密度是指巖石孔隙中的液體全部被蒸發后單位體積巖石的質量，相應的重度即為干重度。 VWsd 2 2、干密度（d d）

3、和干重度(d d ) )（g/cmg/cm3 3）(kN/m(kN/m3 3) )gdd 式中：W Ws s巖石試件烘干后的質量(g)(g)； VV巖石試件的體積(cm(cm3 3) )； gg重力加速度。 第4頁/共34頁3 3、飽和密度（ ）和飽和重度(w w) )飽和密度就是飽水狀態下巖石試件的密度。VWww 式中：W WW W飽水狀態下巖石試件的質量 (g)(g)； VV巖石試件的體積(cm(cm3 3) )； gg重力加速度。 gww （g/cm3）(kN /m3)第5頁/共34頁（二）比重（相對密度）()() 巖石的比重就是指巖石固體的質量與同體積水的質量之比值。巖石固體體積，就是

4、指不包括孔隙體積在內的體積。巖石的比重可在實驗室進行測定，其計算公式為： 式中：巖石的比重； W Ws s干燥巖石的質量(g)(g); ; V Vs s巖石固體體積(cm(cm3 3);); W 40C時水的密重。 wssVW 第6頁/共34頁（三）巖石的空隙性 空隙：巖石中孔隙和裂隙的總稱。小開型空隙空隙閉型空隙開型空隙大開型空隙 閉型空隙：巖石中不與外界相通的空隙。 開型空隙：巖石中與外界相通的空隙。包括大開型空隙和小開型空隙。 在常溫下水能進入大開型空隙，而不能進入小開型空隙。只有在真空中或在150150個大氣壓以上，水才能進入小開型空隙。空隙度：指巖石的裂隙和孔隙發育程度，其衡量指標為

5、空隙率(n)(n)或空隙比（e e）。第7頁/共34頁根據巖石空隙類型不同，巖石的空隙率分為： ( (1)1)總空隙率n n (2) (2)大開空隙率n nb b (3) (3)小開空隙率n nl l (4) (4)總開空隙率n n0 0 ( (5)5)閉空隙率n nc c一般提到巖石的空隙率時系指巖石的總空隙率。1 1、空隙率第8頁/共34頁(1)(1)總空隙率n: 即巖石試件內空隙的體積（V VV V) )占試件總體積( (V)V)的百分比。 (2)(2)大開空隙率n nb b: :即巖石試件內大開型空隙的體積（V Vnbnb) )占試件總體積( (V)V)的百分比。 %100 VVnV%

6、100 VVnnbb( (3 3) )小開空隙率n nl l: :即巖石試件內小開型空隙的體積（V Vnlnl) )占試件總體積( (V)V)的百分比。 %100 VVnnll第9頁/共34頁(4)(4)總開空隙率（孔隙率）n0: 即巖石試件內開型空隙的總體積（V Vn0n0) )占試件總體積( (V)V)的百分比。 ( (5 5) )閉空隙率n nc c: : 即巖石試件內閉型空隙的體積（V Vncnc) )占試件總體積( (V)V)的百分比。 %10000 VVnn%100 VVnncc第10頁/共34頁 所謂空隙比是指巖石試件內空隙的體積（V V V V) )與巖石試件內固體礦物顆粒的體

7、積（V Vs s) )之比。 nnVVVVVesssV 12 2 、空隙比(e)(e)第11頁/共34頁（四）巖石的水理性質 巖石遇水后會引起某些物理、化學和力學性質的改變，巖石的這種性質稱為巖石的水理性。1 1、巖石的吸水性 巖石吸收水分的性能稱為巖石的吸水性，其吸水量的大小取決于巖石孔隙體積的大小及其密閉程度。巖石的吸水性指標有吸水率、飽水率和飽水系數。第12頁/共34頁（1 1）巖石吸水率(1 1) )： 是指巖石試件在標準大氣壓力下吸入水的重量W W1 1與巖石干重量W Ws s之比。 巖石的吸水率的大小，取決于巖石所含孔隙、裂隙的數量、大小、開閉程度及其分布情況，并且還與試驗條件（整

8、體和碎塊，浸水時間等）有關。 根據巖石的吸水率可求得巖石的大開空隙率n nb b：%10011 sWWsnbsnbbWVVWVVn 式中：W W s s為干燥巖石的重量；d d,w w分別為干燥巖石和水的重度。wdnbsWVVW 111 第13頁/共34頁（2 2）巖石的飽水率（2 2） 巖石的飽水率指在高壓（150150個大氣壓）或真空條件下，巖石吸入水的重量W W2 2與巖石干重量W Ws s之比，即： %10022 sWW 根據飽水率求得巖石的總開空隙率n n0 0：wdsnsnWVVWVVn 2000 式中：W Ws s為干燥巖石重量；d d,w w干燥巖石和水的重度。第14頁/共34

9、頁（3 3）巖石的飽水系數（K Ks s） 巖石吸水率與飽水率之比稱為巖石的飽水系數，即 21 sK 飽水系數反映了巖石中大開空隙和小開空隙的相對含量。飽水系數越大，巖石中的大開空隙越多，而小開空隙越少。 吸水性較大的巖石吸水后往往會產生膨脹，給井巷支護造成很大壓力。 第15頁/共34頁2 2、巖石的軟化性 巖石的軟化性是指巖石在飽水狀態下其強度相對于干燥狀態下降低的性能，可用軟化系數表示。 軟化系數指巖石試樣在飽水狀態下的抗壓強度cbcb與在干燥狀態下的抗壓強度c c之比，即ccbc 各類巖石的c c=0.45=0.450.90.9之間。c c 0.75, 0.75,巖石軟化性弱、抗水、抗風

10、化能力強；c c 0.75 0.75，巖石的工程地質性質較差。第16頁/共34頁3 3、巖石的膨脹性 巖石的膨脹性是指巖石浸水后體積增大的性質。巖石的膨脹性大小一般用膨脹力和膨脹率指標表示。其測定方法是平衡加壓法。 試驗中不斷加壓，并保持體積不變，所測得的最大壓力即為巖石的最大膨脹力；然后逐級減壓，直至荷載為0 0，測定其最大膨脹變形量，膨脹變形量與試件原始厚度的比值即為膨脹率。第17頁/共34頁4 4、巖石的崩解性 巖石的崩解性是指巖石與水相互作用時失去粘結性并變為完全喪失強度的松散物質的性質。 巖石的崩解性一般用耐崩解指數 I Id2d2 的表示。其指標可在實驗室用干濕循環試驗確定。 試驗

11、過程：將經過烘干的試塊（500500g,g,分成約1010塊），放在帶有篩孔的圓筒內，使該圓筒在水槽中以2020r/min,r/min,連續旋轉10 10 min,min,然后將留在圓筒內的巖塊取出烘干稱重，如此反復進行兩次，按下試計算耐崩解指數。第18頁/共34頁%10001022 WWWWmmIdrd式中：I Id2 d2 兩次循環試驗求得的耐崩解指數，在0 0100% 100% 之間變化；m md d試驗前試塊的烘干質量；m mr r殘留在圓筒內試塊的烘干質量；W W1 1 試驗前試件和圓筒的烘干重量；W W2 2第二次循環后試件和圓筒的烘干重量；W W0 0試驗結束沖洗干凈后圓筒的烘干

12、重量。 巖石的崩解性指數反映了巖石在浸水和溫度變化的環境下抵抗風化作用的能力。第19頁/共34頁5 5、巖石的抗凍性 巖石的抗凍性是指巖石抵抗凍融破壞的性能，是評價巖石抗風化穩定性的重要指標。 巖石的抗凍性用抗凍系數C Cf f表示，指巖石試樣在25250 0C C的溫度期間內，反復降溫、凍結、融解、升溫，然后測量其抗壓強度的下降值（c c-cfcf）, ,以此強度下降值與融凍試驗前的抗壓強度c c之比的百分比代表抗凍系數C Cf f ，即%100 ccfcfC 可見：抗凍系數C Cf f 越小，巖石抗凍融破壞的能力越強。第20頁/共34頁6 6、巖石的透水性 地下水存在于巖石孔隙、裂隙之中，

13、而且大多數巖石的孔隙裂隙是連通的，因而在一定的壓力作用下，地下水可以在巖石中滲透。巖石的這種能透水的性能稱為巖石的透水性。巖石的透水性大小不僅與巖石的孔隙度大小有關，而且還與孔隙大小及其貫通程度有關。 衡量巖石透水性的指標為滲透系數(K)(K)。一般來說，完整密實的巖石的滲透系數往往很小。巖石的滲透系數一般是在鉆孔中進行抽水或壓水試驗而測定的。第21頁/共34頁（五）巖石的碎脹性 巖石破碎后的體積V VP P比原體積V V增大的性能稱為巖石的碎脹性，用碎脹系數來表示。VVP 碎脹系數不是一個固定值，是隨時間而變化的。 永久碎脹系數（殘余碎脹系數）不能再壓密時的碎脹系數稱為永久碎脹系數. .第2

14、2頁/共34頁第23頁/共34頁彈性：指物體在外力作用下發生變形，當外力撤出后變形能夠恢復的性質。塑性：指物體在外力作用下發生變形，當外力撤出后變形不能恢復的性質。粘性（流變性）：物體受力后變形不能在瞬間完成，且應變速度（d/dtd/dt）隨應力大小而變化的性質。脆性：物體在外力作用下變形很小時就發生破壞的性質。延性：物體能夠承受較大的塑性變形而不喪失其承載能力的性質。第二節 巖石的強度和變形特性 第24頁/共34頁巖石的力學性質包括： 變形性質：研究巖石在受力情況下的變形規律 強度特性：研究巖石受力破壞的規律第25頁/共34頁一、巖石的彈性和塑性： 變形分析的重要性（直觀、易測、建立模型、準

15、則） 1、 彈性變形：線彈性非線彈性 滯彈性第26頁/共34頁 線彈性直線型；當巖石致密，強度大，壓力不高時，為此狀態。 非線彈性單向曲線型； 基本沒有。 滯彈性雙向曲線型，巖石多屬滯彈性：滯彈性應力應變不是唯一的對應關系，應變的產生（變化）較應力 的變化有一段時間的滯后。 原因：物理學認為，當作用在滯彈性體上的力發生改變時，由于受力體內部物質的粘性或內摩擦的原因，引起變形效應滯后和遲延。 滯彈性體具有兩個重要性質： 彈性滯后由于內摩擦原因，巖石隨應力變化出現的變形滯后。 彈性后效由于熱傳導等原因，外力停止變化，而變形仍隨時間而緩慢變化。 第27頁/共34頁理想塑性具有應變硬化的塑性2、塑性變

16、形： 巖石塑性普遍存在； 巖石塑性與巖石的組成、結構、構造及外界環境有關。 （顆粒及膠結物物質成分、排列結合、含水、溫度、應力等） 理想塑性超過彈性極限，進入完全塑性狀態（極少）； 應變硬化超過彈性極限，承載能力隨應變增加而增加。第28頁/共34頁 3、一般巖石的變形：、一般巖石的變形： 瞬時彈性變形 后效彈性變形 塑性變形 巖石與其它金屬及晶體礦物不同，因其有節理、裂隙存在，在應力不高階段，內部結構即有破壞，在產生彈性變形的同時，產生塑性變形。 第29頁/共34頁巖石不是理想的彈性體、塑性體、粘性體，是混合體。 有彈塑；塑彈；彈粘塑；粘彈等多種變形特性。 （粘性變形不能在瞬間完成， 變形速率隨應力變化。）典型變形性質：直線型彈脆彈塑下凹型塑彈上凹型彈粘平緩 型塑彈塑S 型第30頁/共34頁二、巖石單向壓縮變形性質： 1