《岩石的力学性质.doc

第一章 岩石的力学性质 岩石和岩体的力学性质，是矿山岩体力学的基本问题。岩石的力学性质主要指：在各种载荷作用下，它们的变形特征，出现塑性流动和发生破坏的条件。表征岩石力学性质的参数如下： 变形参数：岩石的变形摸量，弹性摸量，切变摸量，泊松比和流变性等。 强度特性参数：岩石抗拉，抗弯，抗煎，抗压等各种强度极限。 第一节、岩石的成分及结构与其力学性质的关系 岩石是多种矿物颗粒的集合体。岩石一般有下列十余中主要矿物组成，即长石(正长石、斜长石)、石英、云母(黑云母、白云母)、角闪石、辉石、橄榄石、方解石、白云石、高岭土、赤铁矿等。它们在矿石中的含量按岩石成因而异。 岩层按成因分类为： 岩浆岩 — 系由岩浆在地壳内不同深度冷凝而成； 沉积岩 — 是由已有岩体经风化、崩溃、搬迁、再胶结或化学作用而形成； 变质岩 — 则由已有岩石在高温高压条件下经过改变而形成的。 基本概念 (1)、岩石的结构：岩石的矿物颗粒的大小、形状、表面特征、颗粒相互关系、胶结类型等特征。 (2)、岩石的构造：岩石的组成部分在定向的排列情况。如层面、断层（几何特征）。 晶体结构是岩浆岩和变质岩的最大特征，也是很多沉积岩的特征。 (3)、矿物的晶体：构成矿物的各种化学元素的原子（离子）在空间一定规律排列，使其具有规则的几何形状的固体称为晶体。 (4)、矿物的晶体的结构类型：等粒结构，不等粒结构，斑状结构。 图1-1是典型晶体结构类型 岩浆岩和变质岩的晶体结构与岩石力学性质的关系：晶粒细小，等粒状，岩石强度大。颗粒大的斑状结构晶体内部或晶粒间含有缺陷，岩石强度低。 沉积岩的结构与力学性质的关系 沉积岩中的岩石碎屑之间由胶结物将连结在一起。其力学性质取决于胶结物和胶结类型。 基质胶结：岩石碎屑被胶结物包围，强度取决于胶结物。 接触胶结：仅颗粒接触处有胶结物，胶结不牢，强度低，透水性强。 孔隙胶结：胶结物完全成部分地充填与颗粒孔隙之间。胶结牢固，所以岩石强度和透水性主要由胶结物性质及充填程度确定。 胶层物分类：硅质和铁质强度高，钙质次之，泥质最低。 沉积强度主要取决于胶结物性质及充填程度。 除构成岩石的矿物颗粒大小，结合方式对其力学性质有影响外，矿物的排列方式（构造）及沉积顺序亦表现出影响。如云母片岩、片麻岩、页岩等，则表现出力学性质的各向异性。 第二节 影响岩石力学性质的物理特性 一、容重和比重 1、容重 式中 —容重；W—岩石试件重量；V—岩石试件体积 岩石容重与岩性和成因有关。从岩石力学的角度，岩石的容重和比重影响到岩石的自重应力场和惯性质量 岩石容重的测试方法。 2、比重 岩石比重是扣除孔隙的岩石干重和其实体积之比，再与4℃水的容重之比。 式中—岩石比重；Wd—岩石试件在烘箱中烘至105℃保持恒温、恒重时，岩石固体重量；V—扣除孔隙的岩石试件固体部分的体积；—4℃时水的容重。 二、岩石的孔隙度 岩石的孔隙度是岩石试件中孔隙体积与包括孔隙的岩石体积之比，直接测量孔隙体积是困难的，一般通过测量岩石重量，再通过一些换算公式测量岩石的孔隙 式中Ws—为水饱和的岩石试件重量(如某种岩石与水有化学反应时，应改用与岩石无化学反应的液体)；Wd—干燥岩石试件的重量；V—岩石试件体积；—液体的密度。 几种岩石的容重、比重、孔隙度见下表 三、岩石的水理性质 实践表明，水能瞬时地或逐渐地改变岩石的力学性质和性态。 岩石在水溶液作用下所表现出的力学的、物理的、化学的性质称为岩石的水理性质。 (1)、岩石的渗透性 水通过岩石流动的难易程度，在一维条件下，有 式中v — 渗流速度，也称比流量；p — 孔隙水压力；K — 渗透系数。 岩石的渗透性通常用渗透系数K衡量，K越大，渗透性越好。 (2)、软化性 岩石被水湿润后，强度降低，柔度增加(弹性模量降低)的特性。 (3)、溶蚀性 由于水的化学作用，岩石中的某些成分被水流带走的现象。溶蚀造成岩石致密程度降低，孔隙度增大，渗透性改善，强度降低。 (4)、膨胀性 岩石受水浸湿后，体积膨胀的现象。岩石膨胀造成强度降低、柔度增加并导致应力的不均匀。 第三节 岩石的变形特征 岩石在载荷作用下首先发生的现象是变形。岩石的变形性对采矿工程和岩石工程有重要影响。岩石的单向、二向、三向变形特征不同，但研究最充分的是岩石的单向变形，岩石的变形(用应变表示)与载荷(用应力表示)有关，但有时还与时间有关。当岩石的变形不仅取决于应力还取决于时间时，需要考虑岩石的流变特性。脆性、塑性、坚硬等说法是通常用来描述岩石变形性能(有时也包括强度)的直观说法，形象但不十分严格。 脆性材料 — 破坏具有突变性的材料。