學習情境一巖石強度的測定任務一巖石及巖體性質的測定

任務二巖石強度的測定方法

任務一巖石及巖體性質的測定

1.概念巖石：礦物或巖屑在地質作用下按一定規律聚集形成的自然物體。

（巖石=礦物顆粒+膠結物+孔隙+水）礦物：存在地殼中的具有一定化學成分和物理性質的自然元素和化合物。結構：組成巖石的物質成分、顆粒大小和形狀以及其相互結合的情況。

(結晶、膠結)

構造:

組成成分的空間分布及其相互間排列關系。

（節理、裂隙、孔隙、邊界、缺陷）礦物、結構、構造是影響巖石力學性質和物理性質的三個重要因素。一、巖石的基本概念

巖漿巖：強度高、均質性好

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.沉積巖石的力學特性：①不連續性；（物質不能充滿空間，有孔隙存在）②各向異性；（任一點的物理、力學性質沿不同方向均不相同）③不均勻性；（由不同物質組成，各點物理力學性質都不相同）④巖塊單元的可移動性；⑤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）

巖石由固體，水，空氣等三相組成。（一）密度（ρ）和重度(體積力γ)：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。（g/cm3），γ＝ρg(kN/m3)

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。二、巖石的基本物理性質

固體水空氣1、天然密度（ρ）和天然重度（γ）

指巖石在天然狀態下的密度和重度。

（g/cm3）(kN/m3)式中：W――天然狀態下巖石試件的質量(g；)V——巖石試件的體積(cm3)；

g——重力加速度（N/g）。

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。

2、干密度（ρd）和干重度(γd)（g/cm3）(kN/m3)式中：Ws——巖石試件烘干后的質量(g)；

V——巖石試件的體積(cm3)；

g——重力加速度。

3、飽和密度（ρ

）和飽和重度(γw)飽和密度就是飽水狀態下巖石試件的密度。式中：WW——飽水狀態下巖石試件的質量(g)；

V——巖石試件的體積(cm3)；

g——重力加速度。

（g/cm3）(kN/m3)（二）比重（相對密度）(Δ)

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：Δ——巖石的比重；

Ws——干燥巖石的質量(g);Vs——巖石固體體積(cm3);ΔW

—

40C時水的密重。

（三）巖石的孔隙性

孔隙：巖石中孔隙和裂隙的總稱。小開型孔隙孔隙閉型孔隙開型孔隙大開型孔隙

閉型孔隙：巖石中不與外界相通的孔隙。

開型孔隙：巖石中與外界相通的孔隙。包括大開型孔隙和小開型孔隙。在常溫下水能進入大開型孔隙，而不能進入小開型孔隙。只有在真空中或在150個大氣壓以上，水才能進入小開型孔隙?？紫抖龋褐笌r石的裂隙和孔隙發育程度，其衡量指標為孔隙率(n)或孔隙比（e）。根據巖石孔隙類型不同，巖石的孔隙率分為：

(1)總孔隙率n(2)大開孔隙率nb(3)小開孔隙率nl(4)總開孔隙率n0(5)閉孔隙率nc一般提到巖石的孔隙率時系指巖石的總孔隙率。1、孔隙率(1)總孔隙率n:

即巖石試件內孔隙的體積（VV)占試件總體積(V)的百分比。

(2)大開孔隙率nb:即巖石試件內大開型孔隙的體積（Vnb)占試件總體積(V)的百分比。

(3)小開孔隙率nl:即巖石試件內小開型孔隙的體積（Vnl)占試件總體積(V)的百分比。

(4)總開孔隙率（孔隙率）n0:即巖石試件內開型孔隙的總體積（Vn0)占試件總體積(V)的百分比。

(5)閉孔隙率nc:即巖石試件內閉型孔隙的體積（Vnc)占試件總體積(V)的百分比。

所謂孔隙比是指巖石試件內孔隙的體積（VV)與巖石試件內固體礦物顆粒的體積（Vs)之比。

2、孔隙比(e)（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、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。（1）巖石吸水率(ω1)：

是指巖石試件在標準大氣壓力下吸入水的重量Wω1與巖石干重量Ws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孔隙率nb：

式中：Ws為干燥巖石的重量；γd,γw分別為干燥巖石和水的重度。（2）巖石的飽水率（ω2）

巖石的飽水率指在高壓（150個大氣壓）或真空條件下，巖石吸入水的重量Wω2與巖石干重量Ws之比，即：

根據飽水率求得巖石的總開孔隙率n0：

式中：Ws為干燥巖石重量；γd,γw干燥巖石和水的重度。（3）巖石的飽水系數（Ks）巖石吸水率與飽水率之比稱為巖石的飽水系數，即

飽水系數反映了巖石中大開孔隙和小開孔隙的相對含量。飽水系數越大，巖石中的大開孔隙越多，而小開孔隙越少。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。

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η表示。

軟化系數指巖石試樣在飽水狀態下的抗壓強度σcb與在干燥狀態下的抗壓強度σc之比，即各類巖石的ηc=0.45～0.9之間。ηc>0.75,巖石軟化性弱、抗水、抗風化能力強；ηc<0.75，巖石的工程地質性質較差。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，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。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

Id2

的表示。其指標可在實驗室用干濕循環試驗確定。

試驗過程：將經過烘干的試塊（500g,分成約10塊），放在帶有篩孔的圓筒內，使該圓筒在水槽中以20r/min,連續旋轉10min,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。式中：Id2——兩次循環試驗求得的耐崩解指數，在0～100%之間變化；md——試驗前試塊的烘干質量；mr——殘留在圓筒內試塊的烘干質量；W1——試驗前試件和圓筒的烘干重量；W2——第二次循環后試件和圓筒的烘干重量；W0——試驗結束沖洗干凈后圓筒的烘干重量。

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。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Cf表示，指巖石試樣在±250C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（σc-σcf）,以此強度下降值與融凍試驗前的抗壓強度σc之比的百分比代表抗凍系數Cf

，即可見：抗凍系數Cf

越小，巖石抗凍融破壞的能力