岩石的基本物理力学性质及其试验方法
岩石力学重点提示
第一章绪论岩石和岩体都是岩体力学的直接研究对象。
但在岩体力学中，这是两个既有联系又有区别的两个基本概念。
所谓岩石就是由矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集而形成的自然物体；所谓岩体则是指在一定的地质条件下，含有诸如节理、裂隙、层理和断层等地质结构面的复杂地质体。
岩石就是指岩块，在一般情况下，不含有地质结构面。
因此，岩石和岩体的力学性质也是不同的，前者可在实验室条件下进行试验，而后者一般在野外现场的实验场地完成实验。
从实验的精确度来看，后者更接近岩体的实际情况，反映了岩体的实际强度，前者则相差甚远。
第二章岩石的基本物理力学性质（一）岩石的基本物理性质这部分内容比较直观、容易掌握，但要注意各性质指标的定义和归类，避免引起混淆。
为便于记忆，列出基本物理力学性质的归类树，读者应将对应的公式（或注释）填充。
岩浆岩１．岩石（按地质成因）沉积岩变质岩２．岩体＝岩石（或岩块）＋结构面（二）岩石的强度特性1．强度试验基本内容单向抗压强度试验 抗剪强度2． 单向抗压强度试验（1）试件：直径D ＝50mm ±0.3mm ；高H=(2～2.5)D ±0.3mm ；两端法线与试件轴线偏差不大于025.0；端面不平整度不大于0.5mm 。
（2）单向抗压强度 AP=σ P －岩石试件无侧限条件下的破坏载荷 A －试件承载面积（3）试件破坏形态圆柱单向压缩有两种可能的破坏形态：圆锥形破坏和圆柱形劈裂破坏（见图２-1）（a ）圆锥形破坏 （b ）柱状劈裂破坏 图２-1 单轴压缩破坏形态破坏原因：①圆锥形破坏形状是由于试件两端与试验机承压板之间摩擦力增大造成的。
②柱状劈裂破坏，如图２-1b 所示。
若采用有效方法消除岩石试件两端面的摩擦力，则试件的破坏形态成为柱状劈裂破坏。
（4）试件单向抗压强度的主要影响因素①试验机铁板的刚度；②试件的形状；③试件的尺寸；③试件的高径比；④加载速度 3. 单向抗拉强度试验 （1）直接拉伸法对岩石试件直接施加拉力至破坏，抗拉强度为AP t =σ 式中：P －试件破坏时承受的最大压力；A －与拉力垂直的横截面积。
岩石试验检测
3.掌握烘干试样的标准及结晶水的失水条件：试样在规定
的温度和时间范围内达到恒重。恒重的标准—两次称量之 差不超过后一次称量的0.1%。同时温度要控制在石料的 结晶水的失水温度以下，以保证矿物的结构不发生变化 的前提下，测定其含水率。
摩氏硬度计
矿物 滑石 石膏 方解 萤石 磷灰 正长 石英 黄玉 刚玉 金刚
名称
石
石石
石
摩氏 1
2
3
4
5
6
78
9 10
硬度
4.在新鲜断面上滴几滴稀盐酸，观察滴酸的岩石部位表面 变化，有无泡沫产生等。分析岩石的矿物组成和结构， 确定岩石的名称或类别。
五.结果整理：按岩石学鉴定记录表所列项目进行岩相描述， 根据岩相特征确定岩石的名称或类别。
在干燥器中冷却至室温，称取盒及试样总质量。
四.结果计算及整理:按公式计算石料含水率，精确至0.1%。 以5个试件的算术平均值作为测定值。（注意试验记录 表格的填写）
五.试验中的重点和难点：
1.试样天然状态的含水率很难测准，因石料天然状态的含 水量很难保持，在试验时，要注意采样方法，采好样后， 应立刻包装蜡封密实，尽快送试验室试验；
c.测定天然密度：应在岩样开封后，在保持天然湿度的条 件下，立即加工试件和称量。测定后的试件，可作为天 然状态单轴抗压强度试验用的试件。
d.测定饱和密度：试件的饱和过程和称量。测定后的试件， 可作为饱和状态单轴抗压强度试验用的试件。
e.测定干密度：将试件放入烘箱内，在105 ℃ ~110℃温度 下烘12~24h，取出放入干燥器中冷却至室温，称其质量。 测定后的试件，可作为干燥状态单轴抗压强度试验用的 试件。
岩石变形物理学岩石力学性质
岩石力学性质的一些基本概念（二）
塑性变形是指物体在外力施加过程中产生的变形， 在外力解除后，永远不会自动恢复到原状的变形。 具有这种性能的变形体称为塑性变形体。
在应力不超过某一临界值（即屈服应力）σy的条 件下，理想塑性材料可以持续永久变形，在这一 临界值之下，材料不发生永久变形。
应力
σy
地壳及地幔岩石具有非常缓慢的流动性。因而粘度 是衡量地球动力学的一个重要参数。
人们把物体具有的这些力学性质概括为物质的流变 性（rheological properties），并形成一门新兴学科 －流变学（rheology）。流变学是研究固体物质流 动的科学。
τ=ηdů/dy η粘度（Pa·s）
（1）
（1）式中可作下列变换
du d ( du ) d ( du ) d （2）
dy dy t dt y dt
（1）改写为
t （3） t （4）
（1）、（3）式称为牛顿粘性定律，它表示剪切应力与剪切 应变速率成正比。服从牛顿粘性定律的材料称为牛顿流体 （或线粘性流体）。具牛顿粘性变形称为粘性流体变形。
脆性变形
天然岩石变形
韧性变形
实验室岩石变形实验
0.1MPa高温流变仪
样品装置示意图
σ1 σ2=σ3 =围压
σ3 σ1=σ2 =围压
σ1
σ3
差（异）应力（differential stress）σ=σ1-σ3
岩岩石石变变形形的的应应力力－－应应变变曲曲线线
当受到外应力作用时，对于不同的固体材 料，其力学响应具有很大变化性。即使对 某种特定的固体材料，它的力学响应也要 取决于变形的物理和化学条件。
地壳岩石在长期力作用下通常表现为一种同时具 有弹性和塑性的物质，这种弹性和塑性是指在弹 性范围内显现的弹性和塑性，而且当岩层具有高 度塑性时还能发生半粘性流动。
1.5岩石的工程地质性质
在风干状态下极限抗压强度的比。用小数表示。其值越小， 表明岩石在水作用下的强度和稳定性越差。
岩石的软化性决定于岩石的矿物成分、结构和构造特征。 岩浆岩和变质岩的软化系数大都接近于1.0；粘土矿物含量 高、孔隙度大、吸水率高的岩石，软化系数越小，如泥灰 岩和页岩。
降低岩石的强度。在工程中应当重视岩石中这些低强度 矿物含量的增长对岩石强度的降低作用。
但也不能简单地认为，含有高强度矿物的岩石，其强度一定就 高。因为岩石受力作用后，内部应力是通过矿物颗粒的直接接 触来传递的，如果强度较高的矿物在岩石中互不接触，则应力 的传递必然会受中间低强度矿物的影响，岩石不一定就能显示 出高的强度。
180~300
岩石名称 辉绿岩
抗压强度 （MPa）
200~350
岩石名称 页岩
抗压强度 （MPa）
10~100
100~250
玄武岩
150~300
砂岩
20~200
180~300
石英岩
150~350
砾岩
10~150
100~250 100~250 80~250
大理岩 片麻岩 灰岩
100~250 50~200 20~200
岩体 = 结构面 + 结构体
岩块的强度高，岩体的强度不一定高。
结构面的发育程度、性质、充填情况以 及连通程度等，对岩体的工程性质有很 大的影响。
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1. 结构面
结构面：存在于岩体中的各种地质界面。
（1）结构面类型： 原生结构面：成岩时形成
沉积结构面：层面、层理、夹层等 火成结构面：原生节理、流纹面、接触面等等 变质结构面：片麻理、片理等等
岩石力学ppt课件第三章 岩体力学性质
含软弱夹层的层状岩体及裂隙岩体 （3）上凸型（弹-塑性岩体）
结构面发育且有泥质充填的岩体。
（4）复合型：阶梯或“S”型（塑-弹-塑性岩体)
20结21/8构/17面发育不均或岩性不均匀的岩体。
23
（二）剪切变形特征：
(a)沿软弱结 构面剪切
(b)沿粗糙结构面、 软弱岩体及强风
化岩体剪切
(c)坚硬岩体 受剪切
峰前变形平均斜 率小，破坏位移 大；峰后强度损 失小。
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峰前变形平均斜 率较大，峰值强 度较高；峰后有 明显应力降。
峰前变形斜率大，
峰值强度高，破坏
位移小；峰后残余 强度较低。
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（三）各向异性变形特征：（P101蔡）
岩石的全部或部分物理、力学特性随方向不同而 表现出差异的现象称为岩石的各向异性。
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2
§3.1 概述
岩体=结构面（弱面）+结构体（岩石块体） 结构面：断层、褶皱、节理……统称
影响岩体力学性质的基本因素：
结构体(岩石)力学性质、结构面力学性质、岩体 结构力学效应和环境因素(特别是水和地应力的作用)
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3
§3.2岩体结构的基本类型 （地质学、复习、了解）
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孔隙静水压力作用
（三）力学作用：
孔隙动水压力作用
当多孔连续介质岩土体中存在孔隙地下水时， 未充满孔隙的地下水使岩土体的有效应力增加：
p
σα有效应力，σ 总应力，p 孔隙静水水压力
当地下水充满多孔连续介质岩土体时，使有效 应力减小：
p
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σα，σ ，p ： 含义同上
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岩石弯曲试验方法与分析
岩石弯曲试验方法与分析岩石是地球地壳中主要的构成物质之一，了解其力学性质对于地质工程和岩石工程等领域具有重要意义。
本文将探讨岩石弯曲试验的方法与分析，旨在帮助读者更好地理解岩石的弯曲性能。
一、引言岩石的弯曲行为是岩石力学中的重要研究内容之一。
岩石在地壳运动过程中，经历了各种力的作用，其中弯曲是常见的一种。
了解岩石弯曲的性能与行为，对于预测和评估地质灾害，设计地下工程结构以及合理的岩石开采等都具有重要意义。
二、岩石弯曲试验方法岩石弯曲试验通常采用三点弯曲试验和四点弯曲试验。
1. 三点弯曲试验三点弯曲试验是一种常用的岩石力学试验方法，其基本原理是在岩石试样两个支撑点之间施加集中力，使其产生曲线形变。
试验时，将岩石试样放置于两个支撑点之间，施加一定的荷载，通过测量试样的变形和荷载大小，来判断岩石的弯曲性能。
2. 四点弯曲试验四点弯曲试验相较于三点弯曲试验来说，更加接近实际应力状态。
通过在试样两端加入两个集中载荷点，并在试样中间加入两个支撑点，来模拟真实的应力状态。
通过该试验方法，可以更准确地分析岩石试样的弯曲行为。
三、岩石弯曲试验参数与分析进行岩石弯曲试验后，需要分析试验参数以获得准确的结果。
1. 弯曲强度弯曲强度是岩石的一个重要力学参数，它表示岩石在弯曲过程中最大承载荷载的能力。
通过弯曲试验，可以测得岩石试样的弯曲强度，这对于岩石的评估和设计具有重要参考价值。
2. 应变与变形特性岩石在受力后，会发生一定的应变和变形。
通过岩石弯曲试验获得的应变与变形数据，可以对岩石的变形特性进行分析，从而更好地了解岩石的物理特性。
3. 岩石的弯曲模量弯曲模量是指单位应变下的应力变化率。
通过弯曲试验中反映的应变和荷载关系，可以计算出岩石的弯曲模量，以便更加准确地评估岩石的力学性能。
四、岩石弯曲试验结果的应用岩石弯曲试验的结果可以应用于多个领域。
1. 地质灾害评估地质灾害如滑坡、斜坡等与岩石的力学性能密切相关。
通过岩石弯曲试验的结果，可以评估岩石的弯曲稳定性，进一步预测和评估地质灾害风险。
第四章岩体的基本力学性质
结构面的状态对岩体的工程性质的影响是指结构面的产状、形 态、延展尺度、发育程度、密集程度。 结构面的产状：结构面的产状对岩体是否沿某一结构面滑动起控 制作用。 结构面的形态：结构面的形态决定结构面抗滑力的大小，当结构 面的起伏程度较大，粗糙度高时，其抗滑力就大。 结构面的延展尺度：在工程岩体范围内，延展尺度大的结构面， 完全控制岩体的强度。 结构面的密集程度：以岩体的裂隙度和切割度表征岩体结构面的 密集程度。
又A=h2，节理面的法向弹性变形量δ0=2δ，代入Boussnisq解，得 接触面为方形时，m=0.95，μ≅0.25，则上式变为
（二）节理的闭合变形 含啮合变形（配称实验）和压碎变形（非配称实验）。 下面介绍Goodman方法：
（1）结构面闭合试验（VmC的确定） 步骤： 1）备制试件； 2）作ζ-ε曲线（a）； 3）将试件切开，并配 称接触再作曲线（b）； 4）非配称接触，作曲线（c）; 5）两种节理的可压缩性法向 Nhomakorabea切向
（1）有n个点接触,每个接触 面边长为h
（2）每个接触面受力相同
（3）每个接触面力学特性 相同
2、计算公式 半无限体上作用一个集中力的布辛涅斯克（Boussnisq）解
δ－变形量；Q－荷载；A－荷载作用面积；E、μ－弹性模量、泊 松比；m－与荷载面积形状因素有关的系数，方形面积m=0.95 设节理面的边长为d，作用于节理面上的应力为ζ，则作用 在每一个接触面上的荷载
统计结构面 实测结构面
V 级结构面--细小的结构面
• Ⅰ级 指大断层或区域性断层。控制工程建设地区的地壳稳 定性，直接影响工程岩体稳定性；
• Ⅱ级 指延伸长而宽度不大的区域性地质界面。 • Ⅲ级 指长度数十米至数百米的断层、区域性节理、延伸较 好的层面及层间错动等。 Ⅱ、Ⅲ级结构面控制着工程岩体力学作用的边界条件 和破坏方式，它们的组合往往构成可能滑移岩体的边界面 ，直接威胁工程安全稳定性
高地应力地区的主要岩石力学问题
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工程应用
通过对高地应力地区岩石的强度与稳定性进行分析，可以为相关工程提供重要的设计依据和施工 建议，确保工程的安全性和经济性。
03 高地应力地区主要岩石力 学问题
岩爆现象及产生条件
岩爆现象
岩爆是高地应力地区岩石在开挖过程中因应力释放而导致的 突然、猛烈破坏现象，常伴随岩石弹射、剥落和破裂声。
对象包括各种天 然岩石和人工岩石，如地壳中的 岩层、矿山中的矿体、水利工程 中的坝基和岸坡等。
高地应力地区特点
高地应力
高地应力是指地壳内部由于自重、 构造运动等因素产生的应力，其
大小和方向随时间和空间而变化。
复杂地质环境
高地应力地区通常伴随着复杂的地 质环境，如断层、褶皱、节理等， 这些地质构造对岩石的力学性质产 生重要影响。
高地应力地区的主要岩石力学问题
目录
• 岩石力学基础概念 • 高地应力地区岩石力学性质 • 高地应力地区主要岩石力学问题 • 岩石力学实验方法与技术应用 • 高地应力地区工程实践案例分析 • 预防措施与治理方案设计
01 岩石力学基础概念
岩石力学定义与研究对象
岩石力学定义
岩石力学是研究岩石在外界因素 （如荷载、温度、湿度等）作用 下，岩石的应力、应变、破坏、 稳定性及其加固的学科。
治理方案制定原则和目标
原则
安全可靠、经济合理、技术可行、环保可持续。治理方案应确保高地应力地区 的稳定性和安全性，同时考虑经济成本和技术实现的可行性，并符合环保要求。
目标
降低地应力、改善岩石力学性质、提高工程稳定性。通过治理方案实施，旨在 降低高地应力地区的应力水平，改善岩石的力学性质，提高工程的整体稳定性。
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第一讲 岩石的基本物理力学性质及其试验方法(之一)
一、内容提要：
本讲主要讲述岩石的物理力学性能等指标及其试验方法，岩石的强度特性。
二、重点、难点：
岩石的强度特性，对岩石的物理力学性能等指标及其试验方法作一般了解。
一、概述
岩体力学是研究岩石和岩体力学性能的理论和应用的科学，是探讨岩石和岩体对其周 围物理环境(力场)的变化作出
反应的一门力学分支。
所谓的岩石是指由矿物和岩屑在长期的地质作用下，按一定规律聚集而成的自然体。由于成因的不同，岩石可分成火
成岩、沉积岩、变质岩三大类。岩体是指在一定工程范围内的自然地质体。通常认为岩体是由岩石和结构面组成。所
谓的结构面是指没有或者具有极低抗拉强度的力学不连续面，它包括一切地质分离面。这些地质分离面大到延伸几公
里的断层，小到岩石矿物中的片理和解理等。从结构面的力学来看，它往往是岩体中相对比较薄弱的环节。因此，结
构面的力学特性在一定的条件下将控制岩体的力学特性，控制岩体的强度和变形。
【例题1】岩石按其成因可分为( )三大类。
A. 火成岩、沉积岩、变质岩
B. 花岗岩、砂页岩、片麻岩
C. 火成岩、深成岩、浅成岩
D. 坚硬岩、硬岩、软岩 答案：A
【例题2】片麻岩属于( )。
A. 火成岩
B. 沉积岩
C. 变质岩
答案：C
【例题3】在一定的条件下控制岩体的力学特性，控制岩体的强度和变形的是( )。
A. 岩石的种类
B. 岩石的矿物组成
C. 结构面的力学特性
D. 岩石的体积大小 答案：C
二、岩石的基本物理力学性质及其试验方法
(一)岩石的质量指标
与岩石的质量有关的指标是岩石的最基本的，也是在岩石工程中最常用的指标。
1 岩石的颗粒密度(原称为比重)
岩石的颗粒密度 是指岩石的固体物质的质量与其体积之比值。 岩石颗粒密度通常采用比重瓶法来求得。其试验方法
见相关的国家标准。岩石颗粒密度可按下式计算
2 岩石的块体密度
岩石的块体密度是指单位体积岩块的质量。按照岩块含水率的不同，可分成干密度、饱和密度和湿密度。
(1)岩石的干密度
岩石的干密度通常是指在烘干状态下岩块单位体积的质量。该指标一般都采用量积法求得。即将岩块加工成标准试件
(所谓的标准试件是指满足圆柱体直径为48～54mm，高径比为2.0～2.5，含大颗粒的岩石，其试件直径应大于岩石最
大颗粒直径的10倍；并对试件加工具有以下的要求；沿试件高度，直径或边长的误差不得大于0.3mm；试件两端面的
不平整度误差不得大于0.05mm；端面垂直于试件轴线，最大偏差不得大于0.25。)。测量试件直径或边长以及高度后，
将试件置于烘箱中，在105～110℃的恒温下烘24h，再将试件放入干燥器内冷却至重温，最后称试件的质量。岩块干
密度可按下式分式计算求得：
(2)岩块的饱和密度
岩块的饱和密度是指岩块的空隙中充满水的状态下(饱和状态)所测得的密度。饱和密度的试验方法，通常也可采用量
积法，只是在岩块称重前，使试件成为饱和状态。一般可采用真空抽气法和水浸法两种使试件饱和。而有关规范中建
议采用真空抽气法，由此求得的指标偏差较小。
(3)湿密度
湿密度一般认为是指岩块在天然状态下的密度。由于岩块在取样，加工过程中都用水来冷却切割工具，因此在工程中
不太采用这个参数而很少求该指标。但是，在有些工程中的特殊需要，必须提供该指标时，通常采用蜡封法求该指标。
蜡封法可按下式计算岩块的干密度与湿密度。
【例题4】岩石的质量指标包括岩石的( )。
A. 颗粒密度和块体密度
B. 干密度和湿密度
C. 干密度、饱和密度和湿密度
D. 颗粒密度和干密度
答案：A
【例题5】测试岩石的干密度时，需将标准试件置于烘箱中，在( )的恒温下烘24h，再将试件放入干燥器内冷却
至重温，最后称试件的质量。
A. 105～110℃
B. 70～90℃
C. 90～110℃
D. 80～120℃
答案：A
【例题6】某岩石中颗粒最大粒径为1cm，用该岩石制作标准试件时，试件直径为( )。
A. 48mm
B. 50mm
C. 54mm
D. 12cm
答案：D
(二)岩石的水理性质
1 岩石的含水率
岩石的含水率是指岩石试件中含水的质量与固体质量的比值。由于大都岩块的含水率比较小，因此对岩块含水率试验
也提出了相对比较高的要求，采集试样不得采用爆破或钻孔法。在试件采取、运输、储存和制备过程中，其含水率的
变化不得大于1％。
岩块的含水率试验采用烘干法，即将从现场采取的试件加工成不小40g的岩块，放入烘箱内在105～110℃的恒温下将
试件烘干，后将其放置在干燥器内冷却至室温称其质量，重复上述过程直至将试件烘干至恒重为止。恒重的判断条件
是相邻24h两次称量之差不超过后一次称量的0.1％，最后可按下式计算岩石的含水率：