2(第二章)-矿山岩石和岩体的力学属性.ppt

第二章 矿山岩石和岩体的力学属性 2.1岩石的基本概念及物理性质 一、岩石的一般概念 岩石是矿物的集合体，具有一定的结构与构造 二、岩石的基本分类 按成因：岩浆岩，沉积岩，变质岩 按结构： 按矿物颗粒联系方式：固结性，粘结性，散粒状；流动状 按矿物颗粒大小：砾岩；砂岩；页岩，粉砂岩，泥岩，粘土 按构造：整体状；多孔状，层状 按坚实性：坚硬岩石（Rc=50MPa）；松软岩石(Rc50MPa） 注： 由结构特性（颗粒大小，胶结性质）决定了岩石的非均质性 由构造特性（多孔，层理）决定了岩石非连续性与各向异性 物理性质是岩石重力性与结构性质统一 1、重力性 密度 ρ　kg/m3 ρ=Ms/Vs 视密度　 ρ/　kg/m3 依含水、孔隙状态不同： 天然ρ/=M/V； 干ρ/d=Ms/V ， 岩石100℃～110℃下干燥24h后的密度； 饱和ρ/sat=(Ms+Mv)/V 岩石吸水饱和状态下的密度； 注： 一般情况下，岩石的密度ρ》岩石的视密度ρ/ 可根据视密度ρ /换算出岩石的容重γ(kN/m3) 岩石密度ρ测定一般用研磨法；岩石视密度ρ/测定一般用蜡封法 2、结构特性 孔隙率 n n=(Va+Vw)/V=(V-Vs)/V=(1-ρ/d/ρ) ×100% 一般n增加，ρ/下降，γ下降，塑变增加，透水性增加 孔隙比 e e=(Va+Vw)/Vs=(V-Vs)/V=(Va+Vw)/(V-(Va+Vw))=n/(1-n)吸水率ω 按吸入水份能力 自然：ω=Mw/Ms×100%（大气压作用下） 强制：ωsat=Mvs/Ms×100%真空或加压（15MPa） 饱和系数Ks=ω/ωsat 工程上，一般用ω来评价岩石抗冻性能，ω0.5%时，认为耐冻 渗透系数K cm/s K=Q/AI Q为单位时间渗透水量 A为渗透面积 I为水力坡度 K一般是通过钻孔中进行抽水试验或压水试验测定。 抗冻系数 Cf=(σc-σcf)/ σc×100% σc—岩样冻融前 σcf —岩样冻融后 3、软化特性 软化系数 ηc=RcW/Rcd=1 研究ηc对于高压注水软化顶板具有重要意义0.45-0.9 4、碎胀特性 碎胀系数 Kp=V//V1 Kp与岩石紧硬度，破碎块度及排列状态有关 残余碎胀系数： Kp/=V///V1 V//与岩石本身性质，外加荷载大小及经历时间长短有关 研究Kp,Kp/对于采场顶板管理具有重要意义 2.2 岩石的破坏机理和强度理论 2.2.1 岩石的破坏机理 （1）岩石的应力应变全过程曲线 l0－试件原长度；l－变形后长度；p－压力； A0－试件原断面积。 一般实验机很难获得上述全过程曲线，而只有C段以前的曲线。见右图。 原因：普通实验机的刚性较小。对试件加载过程中，自身变形较大，积蓄了大量的变形能，当试件达到强度极限后，承载能力下降，压力机内的变性能突然释放，施加于试件上，导致试件突然破裂，常伴有炸裂的响声和碎块飞出。 （2）岩石强度特征 三向抗压双向抗压单向抗压抗剪抗拉 （3）岩石破坏机理 岩石在外力作用下，首先产生不同形式的变形，继而产生微裂隙和破裂，裂隙扩展到一定阶段，岩石破坏。岩石破坏的基本形式如下： 1）压裂破坏：加压板与试件端面间摩擦阻力小时，试件横向变形，变形量达到变形极限时，试件拉裂，形成平行于加压方向的拉裂缝，试件破坏原因为拉裂破坏。 2）剪破坏：加压板与试件端面有摩擦力较大时，产生剪切破坏（一组或几组剪切面）。 3）塑性流动破坏：加压板与试件端面有很大摩擦力时，试件二端面变形受到强阻碍时，出现了多组剪切面，试件会逐渐缓慢地膨胀成桶形。最后因塑性流动而导致破坏。该破坏形式是岩石颗粒产生微小剪切滑移的结果，仍是一种剪应力造成的剪切错动。 2.2.2 岩石的强度理论 岩石的强度理论：研究岩石在复杂应力作用下破坏的原因、规律及建立破坏的判据。目前已提出了很多种强度理论，但在目前岩石工程中常用的有两种：莫尔－库仑强度理论和格里菲斯强度理论。 （1）莫尔－库仑强度理论 莫尔（Mohr）强度理论认为（1900）：固体材料发生破坏的主要原因是由于破坏面上的剪力达到一定限度。这个剪力除了与材料本身的性质有关外，还与破坏面上的正应力造成的摩擦阻力有关。例如，某一点材料发生破坏，不仅取决于该点的剪应力，同时也取决于该点的正应力。因此，岩石沿某一个面剪断时所需要的剪应力与该面上的正应力存在某种函数关系： 该式为莫尔提出的一般形式，也称为莫尔强度理论的普遍形式。具体应用中