岩体力学 第二章 岩石物理力学性质
岩石的物理性质及分类
c cf Cf 100% c
可见：抗冻系数Cf 越小，岩石抗冻融破坏的能力越强。
五、岩石的透水性
地下水存在于岩石孔隙、裂隙之中，而且大多数岩
石的孔隙裂隙是连通的，因而在一定的压力作用下，地
下水可以在岩石中渗透。岩石的这种能透水的性能称为 岩石的透水性。岩石的透水性大小不仅与岩石的孔隙度 大小有关，而且还与孔隙大小及其贯通程度有关。 衡量岩石透水性的指标为渗透系数(K)。一般来说，完 整密实的岩石的渗透系数往往很小。岩石的渗透系数一 般是在钻孔中进行抽水或压水试验而测定的。
2、干密度（ρd）和干重度(γd )
干密度是指岩石孔隙中的液体全部被蒸发后单位体积岩 石的质量，相应的重度即为干重度。
Ws d V
（g/cm3） (kN /m3)
d d g
式中：Ws——岩石试件烘干后的质量(g)； V——岩石试件的体积(cm3)； g——重力加速度。
3、饱和密度（ρ）和饱和重度(γw)
要求：
1、须掌握本章重点难点内容； 2、了解几种有代表性的岩体分类方法；
3、了解我国工程岩体分级标准（GB50218－94）
§2－1 岩石的基本物理性质
岩石由固体，水，空气等三相组成。
一、密度（ρ）和重度(γ)： 单位体积的岩石的质量称为岩石的密度。单位体积的岩 石的重力称为岩石的重度。所谓单位体积就是包括孔隙体 积在内的体积。
Id2 m r W2 W0 100% m d W1 W 0
5、岩石的抗冻性
岩石的抗冻性是指岩石抵抗冻融破坏的性能，是
评价岩石抗风化稳定性的重要指标。
岩石的抗冻性用抗冻系数Cf 表示，指岩石试样在 ±250C的温度期间内，反复降温、冻结、融解、升温，
岩石的基本物理力学性质
岩石的基本物理力学性质岩石的基本物理力学性质是岩体最基本、最重要的性质之一，也是岩体力学中研究最早、最完善的力学性质。
岩石密度：天然密度、饱和密度、质量指标密度、重力密度岩石颗粒密度孔隙性孔隙比、孔隙率含水率、吸水率水理指标渗透系数抗风化指标软化系数、耐崩解性指数、膨胀率抗冻性抗冻性系数单轴抗压强度单轴抗拉强度抗剪强度三向压缩强度岩石的基本物理力学性质◆岩石的变形特性◆岩石的强度理论试验方法参照标准：《工程岩体试验方法标准》（GB/T 50266-99）。
第二章岩石的基本物理力学性质第一节岩石的基本物理性质第二节岩石的强度特性第三节岩石的变形特性第四节岩石的强度理论回顾----岩石的基本构成岩石是自然界中各种矿物的集合体，是天然地质作用的产物，一般而言，大部分新鲜岩石质地均坚硬致密，空隙小而少，抗水性强，透水性弱，力学强度高。
岩石是构成岩体的基本组成单元。
相对于岩体而言，岩石可看作是连续的、均质的、各向同性的介质。
岩石的基本构成：由组成岩石的物质成分和结构两大方面来决定的。
回顾----岩石的基本构成一、岩石的物质成分●岩石是自然界中各种矿物的集合体。
●岩石中主要的造岩矿物有：正长石、斜长石、石英、黑云母、角闪石、辉石、方解石、白云石、高岭石等。
●岩石中的矿物成分会影响岩石的抗风化能力、物理性质和强度特性。
●岩石中矿物成分的相对稳定性对岩石抗风化能力有显著的影响，各矿物的相对稳定性主要与化学成分、结晶特征及形成条件有关。
回顾----岩石的基本构成二、岩石的结构是指岩石中矿物（及岩屑）颗粒相互之间的关系，包括颗粒的大小、性状、排列、结构连结特点及岩石中的微结构面（即内部缺陷）。
其中，以结构连结和岩石中的微结构面对岩石工程性质影响最大。
回顾----岩石的基本构成●岩石结构连结结晶连结和胶结连结。
结晶连结：岩石中矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，如岩浆岩、大部分变质岩及部分沉积岩的结构连结。
这种连结结晶颗粒之间紧密接触，故岩石强度一般较大，但随结构的不同而有一定的差异。
习题答案(岩体力学)
岩体力学—第二章 岩石的基本物理力学性质
2-14解
（1）由题意
c
2c cos 28.0MPa 1 sin
岩体力学—第二章 岩石的基本物理力学性质
例题：图示的岩石边坡坡高12m，坡面AB坡率为1:0.5，坡顶 BC水平，岩体重度γ=23kN/m3。已查出坡体内软弱夹层形成 的滑面AC的倾角为β=42度，测得滑面材料保水时的内摩擦 角φ=18度。问边坡的滑动安全系数为1.0时，滑面的粘结力 为多少？
岩体力学—第二章 岩石的基本物理力学性质
岩体力学—第二章 岩石的基本物理力学性质
【解答】 （1）计算岩体的完整性指数， K
v
2 V pm 3800 0.71 V 4500 pr
2
（2） 90 K v 30 90 0.71 30 93.9 Rc 72
1 2 2 W zW 5Z w 2
[ H 2 sin(i ) Z 2 sin i cos ] W 109951.6kN 2sin i sin
cos 200 050 0.47
ZW 20.3
45
2
60
30
c 28.0 (1 sin 30) 8.08 2 cos 30
（2）由题意 1 28.0MPa, 3 0 正应力 剪应力 （3）由题意 （4）
1 1 1 1 2 2 2 2 1 1 ( 1 3 )sin 2 28.0 0.886 12.12 MPa 2 2
岩体力学考试重点(经典)分析
第二章 岩石的基本物理力学性质1、全应力—应变曲线（岩石试件在（刚性试验机）单轴压缩载荷作用下产生变形的全过程）（1）OA 阶段，通常被称为孔隙裂隙压密阶段。
其特征是应力—应变曲线呈上凹型，在此阶段岩石试件中原有的张开型结构面和微裂隙逐渐闭合，横向膨胀较小，试件体积随载荷的增大而减小。
本阶段对节理裂隙丰富的岩石表现较为明显，对坚硬少裂隙的岩石不明显。
（2）AC 阶段，通常称此阶段为弹性变形阶段。
其中AB 阶段为线弹性变形阶段；BC 为非线性变形阶段。
BC 阶段中出现了微裂隙的破裂，因此也称为破裂稳定发展阶段。
（3）CD 阶段，非稳定破裂发展阶段或称累积性破坏阶段。
C 点是岩石从弹性变为塑性的转折点，称为屈服点，其相应的应力称为屈服应力（屈服极限），数值约为峰值应力的三分之二左右。
进入此阶段后，微破裂的发展出现了质的变化，它们不断聚合形成了宏观裂隙，直至岩石试件完全破坏。
此时，试件由体积压缩转为扩容，轴向应变和体积应变速率迅速增大。
当达到D 点时，岩石已经破坏，此时的强度称为峰值强度。
（4）DE 阶段称为破坏后阶段。
当载荷达到D 点后，岩石试件内部结构已遭到破坏，但试件基本保持整体形状。
进入本阶段后，宏观裂隙快速发展，并且相互交叉联合形成宏观断裂面，岩块的变形主要表现为沿宏观断裂面的块体滑移，试件的承载能力迅速下降，但不会到零，岩石仍具有一定的承载能力。
应该指出，对于坚硬的岩石来说，这一塑性阶段很短，有的几乎不存在，它所表现的是脆性破坏的特征。
所谓脆性是指应力超出了屈服应力却并不表现出明显的塑性变形的特性，而因此达到破坏，即为脆性破坏。
2、单轴压缩条件下的岩石变形特征：①岩石的变形特性通常可以从试验时所记录下来的应力—应变曲线中获得；②岩石的应力—应变曲线反映了各种不同应力水平下所对应的应变(变形)规律；③岩石试件在（刚性试验机）单轴压缩载荷作用下产生变形的全过程，可全应力-应变曲线来表示。
3、三轴压缩条件下的岩石变形特征A 、 时岩石变形特征①岩石的强度随围压（ ）的增加，岩石的屈服应力随之提高；②总体来说，岩石的弹性模量变化不大，有随围压增大而增大的趋势；③随着围压的增加，峰值应力所对应的应变值23σσ=23σσ=有所增大，其变形特征表现出低围压的脆性向高围压的塑性转换的规律。
岩体力学第2章..
1 15 Rt 0.96I i 15 i 1
建议：用Φ5cm的钻孔岩芯为试件。
三
岩石的抗剪强度
1. 定义 指一定的应力条件下（主要指压应力），所能抵抗的 最大剪应力常用 表示 2. 类型：
a.抗剪断试验
b.抗切断试验
c.弱面抗剪试验
3. 室内试验（抗剪断试验）
①试验 楔形剪切仪，加载装置 ②计算公式：
N P cos f sin F F Q P sin f cos F F
岩石的抗剪断σ－τ曲线（强度曲线）
• 改变夹具倾角α；α在30度到70度之间 • 做一组（大于5次）不同α的试验，记录所得 的σ ，τ值；由该组值作曲线近似直线得方 程
tan c
（m3/s）
——水头变化率；
qx——沿x方向水的流量；h——水头高度； A——垂直x方向的截面面积；k——渗透系数。
达西实验
四、岩石的抗风化指标（3类）
(1)软化系数（表示抗风化能力的指标） Rcd——干燥单轴抗压强度、 Rcc
R / R cc cd ——饱和单轴抗压强度；
（ 1 ）越小，表示 岩石受水的影响越大。
（3）塑性变形阶段（BC） 特点：① 1 1 曲线 ，软化现象；②塑 性变形，变形不可恢复；③应变速率 1 不 断增大。 原因：新裂纹产生，原生裂隙扩展。
岩石越硬，BC段越短，脆性性质越显著。
脆性：应力超出屈服应力后，并不表现出明 显的塑性变形的特性，而破坏，即为脆性破 坏。
b.弹性常数与强度的确定
（2）应力、应变全过程曲线形态 在刚性机下，峰值前后的全部应力、应变曲线 分四个阶段：1-3阶段同普通试验机。 4阶段应变软化阶段
岩土所考博复习资料岩石力学(个人总结)第二章 岩石的基本物理力学性质
第二章岩石的基本物理力学性质第一节概述第二节岩石的基本物理性质一岩石的密度指标1 岩石的密度:岩石试件的质量与试件的体积之比，即单位体积内岩石的质量。
（1）天然密度：是指岩石在自然条件下，单位体积的质量，即（2）饱和密度：是指岩石中的孔隙全部被水充填时单位体积的质量，即（3）干密度：是指岩石孔隙中液体全部被蒸发，试件中只有固体和气体的状态下，单位体积的质量，即（4）重力密度：单位体积中岩石的重量，简称重度。
2 岩石的颗粒密度：是指岩石固体物质的质量与固体的体积之比值。
公式二岩石的孔隙性1 岩石的孔隙比：是指岩石的孔隙体积与固体体积之比，公式2 岩石的孔隙率：是指岩石的孔隙体积与试件总体积的比值，以百分率表示，公式孔隙比和孔隙率的关系式：三岩体的水理性质1 岩石的含水性质（1）岩石的含水率：是指岩石孔隙中含水的质量与固体质量之比的百分数，即（2）岩石的吸水率：是指岩石吸入水的质量与试件固体的质量之比。
2 岩石的渗透性：是指岩石在一定的水力梯度作用下，水穿透岩石的能力。
它间接地反映了岩石中裂隙间相互连通的程度。
四岩体的抗风化指标1 软化系数：是指岩石饱和单轴抗压强度与干燥状态下的单轴抗压强度的比值。
它是岩石抗风化能力的一个指标，反映了岩石遇水强度降低的一个参数：2 岩石耐崩解性：岩石与水相互作用时失去粘结性并变成完全丧失强度的松散物质的性能。
岩石耐崩解性指数：是通过对岩石试件进行烘干，浸水循环试验所得的指数。
它直接反映了岩石在浸水和温度变化的环境下抵抗风化作用的能力。
3 岩石的膨胀性：岩石浸水后体积增大的性质。
（1）岩石的自由膨胀率：是指岩石试件在无任何约束的条件下浸水后所产生膨胀变形与试件原尺寸的比值。
（2）岩石的侧向约束膨胀率：是将具有侧向约束的试件浸入水中，使岩石试件仅产生轴向膨胀变形而求得膨胀率。
（3）膨胀压力:岩石试件浸水后，使试件保持原有体积所施加的最大压力。
五岩体的其他特性1 岩石的抗冻性:岩石抵抗冻融破坏的性能。
2-2岩石力学性质-强度性质
2.5 岩块强度
2.5.1 岩石的单轴抗压强度
所谓岩石的单轴抗压强度是指岩石在单轴压缩载 荷作用下，达到破坏前所能承受的最大压应力。 亦即岩石受轴向力作用破坏时单位面积上所承受 的荷载。即： P c （2-18）
c
式中：
A
c —单轴抗压强度；
P—只有轴向载荷时的破坏荷载； A—试件的截面面积。
图2-4 在刚性承压板之间压缩时岩石端面的应力分布 图2-5 粗面岩的抗压强度与h／d的关系
（4）加载速度 加载速度越大，表现强度越高) 我国规定加载速度为0.5～0.8MPa/s （5）环境 含水量：含水量越大强度越低；岩石越软越明显， 对泥岩、粘土等软弱岩体，干燥强度是饱和强度 的2－3倍。 温度：180℃以下不明显：大于180℃，温度越高 强度越小。
由于试件端面与承压板之间的摩擦力，使试件端 面部分形成了约束作用，而这一作用随远离承压 板而减弱，使其表现为拉应力。 在无侧限的条件下，由于侧向的部分岩石可自由 地向外变形、剥离，最终形成圆锥形破坏的形态。 因此，在试验时一般要求在试件的端面与承压板 之间加润滑剂，以减少试验时的端部效应。
c
c
c d 0.788 0.22 h
（2-19）
由图2—5可见，当 试验结果
h / d 2.0 3.0
时， 曲线趋于稳定，
c
c
值不随
h/d
的变化而明显变化。
国际岩石力学学会实验室和现场试验标准化委员 会制定的《岩石力学试验建议方法》中，建议岩
石单轴抗压强度试验试件的高径比为2.5～3.0。
（1）单轴抗压强度的试验方法 在岩石力学中，岩石的单轴抗压强度是研究 最早、最完善的特性之一。按中华人民共 和国岩石试验方法标准的要求，单轴抗压 强度的试验是在带有上、下块承压板的试 验机上进行，按一定的加载速度单向加压 直至试件破坏。
岩体力学第二章岩石的基本物理力学性质PPT课件
岩石的强度和破坏
强度
岩石抵抗外力破坏的能力， 通常分为抗压、抗拉和抗 剪强度。
破裂准则
描述岩石在不同应力状态 下从弹性到破坏的过渡规 律。
破裂模式
岩石破坏时的形态和方式， 如脆性、延性、剪切等。
04
岩石的物理力学性质与岩体力学应用
岩石的物理力学性质在岩体工程设计中的应用
岩石的物理性质在岩体工程设计中具有重要影响， 如密度、孔隙率、含水率等参数，决定了岩体的承 载能力和稳定性。
岩石的物理力学性质在岩体工程治理中的应用
在岩体工程治理中，需要根据岩石的 物理力学性质制定相应的治理方案。
在治理过程中，还需要根据岩石的变形和 破坏模式，采取相应的监测和预警措施， 以确保工程治理的有效性和安全性。
如对于软弱岩体，可以采用加固、注浆等措 施提高其承载能力和稳定性；对于破碎岩体 ，可以采用锚固、支撑等措施防止其崩塌和 滑移。
弹性波速
表示岩石中弹性波传播速度， 与岩石的密度和弹性模量等有 关。
岩石的塑性和流变
01
02
03
塑性
当应力超过岩石的屈服点 时，岩石会发生塑性变形， 不再完全恢复到原始状态。
流变
在长期应力作用下，岩石 的变形不仅与当前应力状 态有关，还与应力历史有 关。
蠕变
在恒定应力作用下，岩石 变形随时间逐渐增加的现 象。
岩体力学第二章岩石的基本物 理力学性质ppt课件
目
CONTENCT
录
• 引言 • 岩石的物理性质 • 岩石的力学性质 • 岩石的物理力学性质与岩体力学应
用 • 结论
01
引言
岩石的基本物理力学性质在岩体力学中的重要性
岩石的基本物理力学性质是岩体力学研究的基础，对于理解岩体 的变形、破坏和稳定性至关重要。
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——本章所说的岩石是指岩石块体，即岩块
§2.1 岩石的地质特征 §2.2 岩石的物理与水理性质 §2.3 岩石的强度特性 §2.4 岩石的变形特性 §2.5 影响岩石物理力学性质的主要因素 §2.6 岩石强度理论
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1
§2.1 岩石的地质特征 —物质组成及结构
量比
0
L
低模量 比
＜200
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8
2 国标《岩土工程勘察规范》 （GB50021-2002）分类
分类指标：新鲜岩块的饱和单轴抗压强度（cw）
类别
亚类
饱和单轴抗压强 度(MPa)
代表性岩石
硬质 岩石
极硬岩石 次硬岩石
＞60 30~60
花岗岩、花岗片麻岩、闪长岩、玄 武岩、石灰岩、石英砂岩、石英岩、
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5
岩石风化程度评价指标：
风化空隙率指标(Iw)：快速浸水后风 化岩石吸入水后的质量mw与干燥岩石
质量mrd之比。
波速指标：风化岩石弹性波纵波波速
（cp）。
波速比(kv)：风化岩石弹性波纵波波 速 （（rp）cp之）比与的新平鲜方岩。块弹性波纵波波速 风化系数(kf)：风化岩石的饱和单轴
结晶连结：矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起， 它是通过共用原子或离子使不同晶粒紧密接触。
胶结连结：矿物颗粒通过胶结物连结在一起。
胶结连结的 岩块强度
硅质胶结>铁质、钙质>泥质胶结
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3
微结构面 削弱岩块的强度，导致各向异性 颗粒形状 强度： 粒状、柱状>片状>鳞状 颗粒大小 强度： 粗粒<细粒
类别 A B C D E
岩块分类 极高强度
高强度 中等强度
低强度 极低强度
σc(MPa) ＞200
100~200 50~100 25~50 1~25
岩石类型举例 石英岩、辉长岩、
玄武岩 大理岩、花岗岩、
片麻岩 砂岩、板岩
煤、粉砂岩、片岩
白垩、盐岩
类别
Et/σc分 类
Et/σc
H
高模量 比
＞500
M
中等模 200~50
抗轴压抗强压度 强（ 度（cw’c）w）与之新比鲜。岩石饱和单
Iw
mw mrd
kv
vcp vrp
2
kf
' cw
cw
硬质岩石按波速指标的风化分级表
风化程度 全风化 强风化
中等风化 微风化 未风化
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vcp（m/s）
kv
kf
500~1000
0.2~0.4
-
1000~2000 0.4~0.6
大理岩、硅质砾岩等
软质 岩石
次软岩石 极软岩石
5~30 ＜5
粘土岩、页岩、千枚岩、绿泥石片 岩、云母片岩等
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§2.2 岩石的物理与水理性质
岩石和土一样，也是由固体、液体和气体三相组成 的。岩石的力学性质常与岩石中三相的比例关系及 固相与水相互作用有密切的关系。
物理性质定义：是指岩石由于三相组成的相对比例
ρ=m/V
V—岩石块体体积；m—岩石质量
岩石块体的密度越大， 其工程性质越好。影响 因素是矿物成分、孔隙
3、注意： （1）ρs与ρ的区别 (ρs>ρ)
与微裂隙发育程度以及 含水量。
（2）ρs与ρ的单位 （g/cm3，t/m3）
（3）测试方法（ρs---比重瓶法；ρ--量积法，包括水中称重法和蜡封法等）
4、重力密度（简称重度）（）
=ρg
单位为KN/m3；g为重力加速度，工程计算时一般取10m/s2。
常见岩石的物理性质指标值
（二）岩石的空隙性
开空隙 岩石的空隙 (裂隙、孔隙) 闭空隙
总空隙率(n)
岩 总开空隙率(no) 石
空 大开空隙率(nb)
隙 率
小开空隙率(na)
闭空隙率(nc)
孔隙比
e VV s 1 Vs d
件 比，下用自百由分吸数入表水示的。质量(mw1)与岩样干质量(ms)之
Wa
mw1 mw2
100%
nb
VVb V
100%
dWa w
dWa
2、饱和吸水率(Wp)
岩石的饱和吸水率(Wp)是指岩石试件在高压(一
般压力为15MPa)或真空条件下吸入水的质量(mw2) 与岩样干质量(ms)之比，用百分数表示，即
一、岩石(块)的物质组成
岩块的力学性质主要取决于组成岩石的矿物成分 及其相对含量
硅酸盐类矿物
组成岩石 的矿物
粘土矿物 碳酸盐类矿物
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氧化物类矿物
2
二、岩块的结构特征
岩块的结构：岩石内矿物颗粒的大小、形状、排
列方式及微结构面发育情况与粒间连结方式等反 映在岩块构成上的特征。
岩石的粒间连结分结晶连结与胶结连结
Wp
mw2 ms
100%
n0
VV 0 V
100%
dW p w
dWp
3、饱水系数(Wa)
岩石的吸水率(Wa)与饱和吸水率(Wp)之比，称为
饱水系数。它反映了岩石中大、小开空隙的相对
比例关系。
几种岩石的吸水性指标值
（二）岩石的软化性
岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性，
大开空隙 小开空隙
n Vv 100% (1 d ) 100%
V
s
n0
Vv 0 V
100%
nb
Vvb V
100%
na
Vva V
100% n0
nb
nc
Vvc V
100% n n0
二、岩石的水理性质 （一）岩石的吸水性
定义：岩石在一定的试验条件下吸收水分的能力， 称为岩石的吸水性。
1、吸水率(Wa)：岩石试件在大气压力和室温条
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4
三、岩块的风化
风化
岩石====>矿物组成和结构改变==>岩块的物理力 学性质改变（强度降低、抗变形性能减弱、空隙 率增大，渗透性加大）。
衡量岩块的风化程度的指标： 定性指标主要有：颜色、矿物蚀变程度、破碎程
度及开挖锤击技术特征等。 定量指标主要有风化空隙率指标和波速指标等。
关系不同所表现的物理状态。主要有岩石的密度和 空隙性。
岩石水理性质定义：岩石在水溶液作用下所表现出
来的性质。主要有吸水性、软化性、抗冻性、透水 性。
一、岩石的物理性质
（一）岩石的密度
1、颗粒密度(ρs)
ρs= ms/Vs
Vs—颗粒体积；ms—颗粒质量
岩石颗粒密度只 取决于矿物成分。
2、块体密度(ρ)
<0.4
2000~4000 0.6~0.8
0.4~0.8
4000~5000
0.8~0.9
ห้องสมุดไป่ตู้
0.8~0.9
>5000
0.9~1.0
0.9~1.0
《岩土工程勘察规范》（GB50021-2002）
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四、岩块的工程分类
1、Deere &Miller 双指标分类 分类指标：岩块抗压强度（c）、模量比（Et/c）