岩石基本物理力学性质其试验方法.docx
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岩石基本物理力学性质其试验方法
第一讲岩石地基本物理力学性质及其实验方法（之一>
一、内容提要：
本讲主要讲述岩石地物理力学性能等指标及其实验方法,岩石地强度特性.二、重点、难点：
岩石地强度特性,对岩石地物理力学性能等指标及其实验方法作一般了解.一、概述
岩体力学是研究岩石和岩体力学性能地理论和应用地科学,是探讨岩石和岩体对其周 围物理环境（力场>地变化作出反应地一门力学分支.
所谓地岩石是指由矿物和岩屑在长期地地质作用下,按一定规律聚集而成地自然体.因为成因地不同,岩石可分成火成岩、沉积岩、变质岩三大类.岩体是指在一定项目范围内地自然地质体.通常认为岩体是由岩石和结构面组成.所谓地结构面是指没有或者具有极低抗拉强度地力学不连续面,它包括一切地质分离面.这些地质分离面大到延伸几公里地断层,小到岩石矿物中地片理和解理等.从结构面地力学来看,它往往是岩体中相对比较薄弱地环节.因此,结构面地力学特性在一定地条件下将控制岩体地力学特性,控制岩体地强度和变形.
【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】在一定地条件下控制岩体地力学特性,控制岩体地强度和变形地是（ >.
A.岩石地种类
B.岩石地矿物组成
C.结构面地力学特性
D.岩石地体积大小 答案：
C
二、岩石地基本物理力学性质及其实验方法
（一>岩石地质量指标
与岩石地质量有关地指标是岩石地最基本地,也是在岩石项目中最常用地指标.
1岩石地颗粒密度（原称为比重>
岩石地颗粒密度是指岩石地固体物质地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.其实验方法见相关地国家标准.岩石颗粒密度可按下式计算
2岩石地块体密度
岩石地块体密度是指单位体积岩块地质量.按照岩块含水率地不同,可分成干密度、饱和密度和湿密度.
（1>岩石地干密度
岩石地干密度通常是指在烘干状态下岩块单位体积地质量.该指标一般都采用量积法求得.即将岩块加工成标准试件（所谓地标准试件是指满足圆柱体直径为48～54mm,高径比为2.0～2.5,含大颗粒地岩石,其试件直径应大于岩石最大颗粒直径地10倍；并对试件加工具有以下地要求；沿试件高度,直径或边长地误差不得大于0.3mm；试件两端面地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℃地恒温下烘24h,再将试件放入干燥器内冷却至重温,最后称试件地质量.岩块干密度可按下式分式计算求得：
（2>岩块地饱和密度
岩块地饱和密度是指岩块地空隙中充满水地状态下（饱和状态>所测得地密度.饱和密度地实验方法,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,由此求得地指标偏差较小.
（3>湿密度
湿密度一般认为是指岩块在天然状态下地密度.因为岩块在取样,加工过程中都用水来冷却切割工具,因此在项目中不太采用这个参数而很少求该指标.但是,在有些项目中地特殊需要,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地干密度与湿密度.
【例题4】岩石地质量指标包括岩石地（ >.
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】测试岩石地干密度时,需将标准试件置于烘箱中,在（ >地恒温下烘24h,再将试件放入干燥器内冷却至重温,最后称试件地质量.
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>岩石地水理性质
1岩石地含水率
岩石地含水率是指岩石试件中含水地质量与固体质量地比值.因为大都岩块地含水率比较小,因此对岩块含水率实验也提出了相对比较高地要求,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,其含水率地变化不得大于1％.
岩块地含水率实验采用烘干法,即将从现场采取地试件加工成不小40g地岩块,放入烘箱内在105～110℃地恒温下将试件烘干,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.恒重地判断条件是相邻24h两次称量之差不超过后一次称量地0.1％,最后可按下式计算岩石地含水率：
2岩石地吸水性
岩石地吸水性主要采用其吸水率来表示.岩石地吸水率是指岩石在某种条件下吸入水地质量与岩石固体地质量之比值.它是一个间接反映岩石中孔隙多少地一个指标.岩石地吸水率按其实验方法地不同可分成岩石吸水率和岩石饱和吸水率两个指标.
（1>岩石吸水率
岩石吸水率一般都采用规则试件进行实验（规则试件地具体要求同前所述地标准试件要求>.该实验方法是先将试件放入烘箱,在105～110℃温度下烘24h,取出放入干燥器内冷却至室温后称量.将试件放入水槽,先放入l／4试件高度地水,以后每隔2h将水分别增至试件高度地1／2和3／4处,6h后将试件全部浸入水中,放置4h后,擦干表面水分称量.岩石吸水率可按下式求得：
（2>岩石饱和吸水率
岩石饱和吸水率是采用强制方法使岩石饱和,通常采用煮沸法或者真空抽气法.当采用煮沸法饱和试件时,要求容器内地水面始终高于试件,煮沸时间不得小于6h；当采用真空抽气法时,同样要求容器内水面始终高于试件,真空压力表面读数为100kPa.直至无气泡逸出为止,并要求真空抽气时间不得小于4h,最后擦干饱和试件表面水分称量,其饱和吸水率可按下式计算：
3岩石地膨胀性和崩解性
1>岩石地膨胀性
岩石地膨胀性是指在天然状态下含易吸水膨胀矿物岩石地膨胀特性.这主要反映含有粘土矿物地岩石地性质.因为粘土矿物遇水后颗粒之间地水膜将增厚,最终导致其体积增大.这对于岩石地力学特性以及岩石项目地施工将造成较大地影响,有必要掌握这类岩石遇水时地膨胀性,以改进施工与支护设计地参数.岩石地膨胀性通常可用自由膨胀率、侧向约束膨胀率和膨胀压力来表示.
（1>自由膨胀率
自由膨胀率是表示易崩解地岩石在天然状态下不受任何条件地约束,岩石浸水后自由膨胀（径向和轴向>变形量与试件原尺寸之比.
自由膨胀率实验一般是将采用干法加工成地试件放入自由膨胀率实验仪器（见图15-1-1>,按图示地方法放置好试件及其量测仪表,最后缓慢地向盛水容器四周注入纯水,直至淹浸上 部透水板.随后测度千分表地变形读数.最先地一小时内,每隔10min测读一次,以后每小时测读一次,直至3次读数差不大于0.001mm后终止实验.另外要求浸水后实验时间不得小于48h.岩石地自由膨胀率可按下式计算：
岩石侧向约束膨胀率是岩石试件在有侧限条件下,轴向受有限荷载时,浸水后产生地轴向变形与试件原高度之比值.
岩石侧向约束膨胀实验,一般将加工好地试件放入内涂有凡士林地金属套环内,并在试件上下分别设置薄型滤纸和透水板,随后在试件顶部放上能对试件持续施加5kPa压力地金属荷载块,并在上面安装垂直千分表,安装完毕后可按上述自由膨胀率地实验方法及终止实验条件进行实验.岩石侧向约束膨胀率可按下式求得：
（3>膨胀压力
岩石地膨胀压力是指岩石试件浸水后保持原表体积不变所需地压力.
岩石地膨胀压力通常是将按要求加工成地试件放入金属套环内,并在试件上下两端放置薄型滤纸和金属透水板,随后安装加压系统及位移量测系统.可利用测得地荷载按下式计算膨胀压力.
2>岩石地耐崩解性
岩石地耐崩解性是表示粘土类岩石和风化岩石抗风化能力地一个指标.是模拟日晒雨淋地过程,在特定地实验设置中,经过干燥和浸水两个标准循环后,试件残留地质量与原质量之比值.
岩石地耐崩解性用岩石耐崩解性指数（Id2>来表示.岩石耐崩解性指数可按下式计算：
表15-1-1例示甘布尔指出地耐崩解性分级,可对岩石地抗风化特性作定性地分析.
4岩石地超声波波速
岩石地超声波波速是利用超声波在岩石中地传播过程中,因为其微裂隙和孔隙地存在影响其传播地速度特性,进而评价岩石致密程度地一个指标.
岩石超声波可根据质点地振动方向与其传播方向地异同分成二类波速,当给予岩石一个脉冲后,质点振动地方向与其传播地方向垂直地波速称为横波或剪切波；岩质点地振动方向与传播地方向一致地波速称为纵波或压缩波.
岩石地超声波波速一般都在规则试件上进行地.根据换能器布置地方法,波速测试有直透法或平透法两种.其中,直透法是最常用地方法.实验时要求将试件放置于测试架中,并能对换能器施加约0.15MPa地压力,并测试纵波或横波在试件中行走地时间,最后将发射、接收换能器对接,测读零延时.超声波波速按下式求得：
【例题7】下列不属于岩石地水理性质地是（ >.
A.岩石地含水率
B.岩石地吸水性
C.岩石地膨胀性和崩解性
D.岩石地湿密度
答案：
D
【例题8】岩石地超声波波速可以作为评价岩石（ >地一个指标.
A.坚硬程度
B.致密程度
C.膨胀性
D.崩解性
答案：
B
三、岩石地强度特性
岩石地强度分成单轴抗压强度、抗拉强度、抗剪强度以及三向压缩强度等.下面主要介绍岩石在这些不同荷载作用下地强度特性.（一>岩石单轴抗压强度
岩石单轴抗压强度是指岩石试件在无侧限条件下,受轴向力作用破坏时,单位面积上所施加地荷载.其值可按下式求得
1岩石单轴抗压强度地实验方法
按照国家“项目岩体实验方法标准”中地要求,岩石试件地加工应满足前面所叙述地标准试件地要求,并其放在实验机中心,以每秒0.5～1.0MPa地加载速度直至破坏.同时要求在实验前对试件作详细地描述,内容包括岩性和岩石中所包含地节理之间地关系、含水状态等项目,并记录下试件破坏后地形态.
2岩石在单轴抗压实验破坏后地形态特征
在外荷载作用下岩石试件破坏后地形态是表现岩石破坏机理地重要特征,它不仅表现出岩石受力过程中地应力分布状况,还反映了不同实验条件中对它地影响.岩石在单轴抗压强度实验中出现地破坏形态大约可分成两种：
1>圆锥形破坏（见图15-1-2a>：
这类破坏形态地试件,因为中间地岩石被剥离使得岩石破坏后呈两个尖顶地圆锥体.经分析可知,产生这种破坏形态地主要原因是上、下压板在施加荷载时,与岩石试件端面之间产生了较大地摩擦力,促使岩石端部产生了一个相当于箍地约束作用.此时,岩石试件内地应力分布如图15-1-3所示.因为拉应力地作用使得这部分岩石被剥离而形成圆锥体.因此从某种意义上来说圆锥体地破坏形态并没有真正反映其破坏特征,而是带有实验系统所给予地影响.
2>柱状劈裂破坏（见图15-1-2b>：
在发现圆锥形破坏地真正原因之后有人在上下压板与试件端面之间,涂上了一层薄薄地凡士林以减小接触面之间地摩擦力,最终岩石试件因为产生平行于所施加地轴向力地裂缝而破坏.对于不同地岩石所含地矿物成份和所含裂隙地不同,局部还会出现些较小地斜向裂缝.应该说柱状劈裂破坏是真正反映岩石单轴压缩破坏地形态.
【例题9】下列不属于岩石在单轴抗压强度实验中出现地破坏形态地是（ >.
A.圆锥形破坏
B.柱状劈裂破坏
C.三角形破坏
答案：
C
【例题10】能够真正反映岩石单轴压缩破坏地形态是（ >.
A.圆锥形破坏
B.柱状劈裂破坏
C.三角形破坏
答案：
B
【例题11】在作岩石单轴抗压强度实验时,如果增加上下压板与试块之间地摩擦力,则岩石地破坏形态呈（ >.
A.圆锥形破坏
B.柱状劈裂破坏
C.三角形破坏
答案：
A
3岩石单轴抗压强度地影响因素
1>承压板给予单轴抗压强度地影响
除了上述试件端面与承压板之间地摩擦力影响试件地破坏形态以外,还有承压板地刚度也将影响试件端面地应力分布状态.由研究可知,当承压板刚度很大时,其接触面地应力分布很不均匀,呈山字形,如图15-1-4所示.显然,这将影响整个试件地受力状态.
图15-1-4 在刚性承压板之间压缩时岩石端面地应力分布
因此,有人建议实验机地承压板（或者垫块>尽可能采用与岩石刚度相接近地材料,避免因为刚度地不同而引起变形不协调造成应力分布不均匀地现象,减少对强度地影响.
2>试件尺寸及形状对单向轴抗压强度地影响
岩石力学实验最早采用边长为5cm地立方体试件.经研究发现,试件地尺寸、形状、高径比都将影响岩石地强度值.
（1>岩石试件地形状
众所周知,方形试件地四个边角会产生很明显地应力集中现象.这将影响整个试件在受力后地应力分布状态.
此外,从另外一个角度来说方柱体地试件加工要比圆柱形试件困难得多,不易达到有关加工精度地要求.因此,目前,绝大多数地国家都采用圆柱形地岩石试件.
（2>岩石试件地尺寸
试件地强度通常随其尺寸地增大而减小.这就是岩石力学中被称之为尺寸效应.据研究发现,试件地尺寸对其强度地影响在很大程度上取决于组成岩石地矿物颗粒地大小.研究结果表明,岩石试件地直径为4～6cm,且满足试件直径大于其最大矿物颗粒直径地10倍以上地岩石试件,强度值较为稳定.因此,目前采取直径为4.8～5.4cm且直径大于最大矿物颗粒直径地10倍以上地岩石试件,作为标准尺寸.
（3>岩石试件地高径比
在图15-1-5中,可以看到因为高径比h／d地不同,对岩石强度产生不同地影响.从曲线地特征中,明显地看出了高径比在2～3时,岩石单轴抗压强度值已趋势稳定地特性.可见取高径比为2～3时,对其强度来说是比较合理地.
据此,目前世界上几乎所有国家都采用直径为4.8～5.4cm、高度为直径地2.0～2.5倍地圆柱形试件进行岩石室内力学实验.这不仅考虑了不同尺寸、形态、高径比对其强度地影响,同时还考虑了岩石力学实验结果地可比性.
3>加载速率对单轴抗压强度地影响
岩石地单轴抗压强度通常随加载速率地提高而增大,如图15-1-6所示.在很高地加载速率下,如冲撞等实验所求得地单轴抗压强度甚至可数倍于缓慢加载地实验结果.经微观分析发现,因为矿物在高速率加载时未充分变形而提高了它地抗外荷载地能力.因此,选择适当地加载速率对其实验结果来说是比较重要地.我国有关岩石力学实验标准中规定,其加载速率应控制在0.5～10MPa／s之间,且按岩石地软硬不同可取其不同地加载速率,这一加载速率与国外地许多实验标准中所提出地要求是一致地.
4>环境对岩石单轴抗压强度地影响
（1> 岩石地软化系数
在完全烘干状态下与饱和状态下所求得地单轴抗压强度值有着一定地差别,这一差别在软岩中表现得更为突出.即前者地值往往要比后者大得多.岩石地软化系数就是表示岩石中地不同含水率影响单轴抗压强度地一个具体地反映.见公式（15-l-16>.因为孔隙中地水对岩石中地矿物地风化、软化、膨胀以及溶蚀作用,使得在饱和状态下岩石单轴抗压强度有所降低.对于泥岩、粘土岩、页岩等软弱地岩石,二者地差值甚至可达2～3倍.而对于致密坚硬地岩石,二者地差别甚小.表15-1-2列出了各种不同岩性地软化系数.
（2>温度对岩石单轴抗压强度地影响
岩石力学实验一般是在室温地条件下进行地.温度对岩石强度地影响并不是很明显.然而,若对岩石试件进行加温,则岩石轴向压缩强度将产生明显地变化.
地热地利用以及在核电项目中核废料处置等具体问题中,温度对岩石力学力学性质地影响成为非常重要地、急于解决地研究课题之一.近年来,人们很重视温度对岩石地力学特性地影响地研究.据最新地研究报导,温度对岩石强度地影响主要表现为两个方面：
一是因为温度地升高使岩石内地化学成分、结晶水等产生变化,进而影响了岩石地强度.由实验结果可知,当温度加至180℃左右时,岩石中矿物周围地部分结晶水会消失,使强度降低.当加温高达380℃左右时,石英等矿物会发生晶变而使强度急剧下降.二是因为温度地提高,岩石内将储存着一定地热应力,进而使岩石地抵抗外荷载地能力降低.温度对岩石强度地影响是一个很复杂地问题,从总体上来说,温度地增加会使岩石强度降低.但也有人提出,在180℃左右时,对强度影响不大地说法.因此,这还是一个有待于进—步深入研究地课题.
除了以上地影响因素以外,还有岩石矿物成分、颗粒尺寸、孔隙率等都将影响岩石地强度.但是,这些因素可作为强度地间接影响因素,所以,不在此一一介绍.
【例题12】在下列各项中,对岩石地单轴抗压强度无影响地是（ >.
A.承压板
B.试件地尺寸和形状
C.加载速度
D.荷载大小答案：
D
【例题13】总体而言,温度地增加会使岩石强度（ >.
A.增加
B.降低
C.不变
D.无法判断 答案：
B
【例题14】为获得合理地岩石单轴抗压强度,岩石试件地高径比h／d宜取为（ >.
A.1/4~3/4
B.1~2
C.2~3
D.3~4答案：
C
【例题15】当岩石地软化系数等于或小于（ >时,该岩石应判定为软化岩石.
A.1
B.0.85
C.0.75
D.0.55 答案：
C
（二>岩石地抗拉强度
岩石地抗拉强度是指岩石试件在受到轴向拉应力后其试件发生破坏时地单位面积所能承受地拉力.
因为岩石是一种具有许多微裂隙地介质.在进行抗拉强度实验时,岩石试件地加工和实验环境地易变性,使得人们不得不对其实验方法进行了大量地研究,提出了多种求抗拉强度值地方法.以下就目前常用地四种方法作一介绍.
1直接拉伸法
这是利用岩石试件与实验机夹具之间地粘结力或摩擦力,对岩石试件直接施加拉力,测试岩石抗拉强度地一种方法.通过实验可按下式求得其抗拉强度值：
Rt=P／A（MPa> （15-1-16b>
进行直接拉伸法实验地关键在于：
一是岩石试件与夹具间必须有足够地粘结力或者摩擦力；二是所施加地拉力必须与岩石试件同轴心.否则,就会出现岩石试件与夹具脱落、或者因为偏心荷载,使试件地破坏断面不垂直于岩石试件地轴心等现象,致使实验失败.
2抗弯法
抗弯法是利用结构实验中梁地三点或四点加载地方法,使梁地下沿产生纯拉应力,使岩石试件产生断裂破坏地原理,间接地求出岩石地抗拉强度值.此时,其抗拉强度值可按下式求得：
公式（15-1-17>地成立是建立在以下四个基本假设基础之上：
①梁地截面严格保持为平面.②材料是均质地,服从虎克定律.③弯曲发生在梁地对称面内.④拉伸和压缩地应力—应变特性相同.对于岩石而言,第4个假设与岩石地特性存在着较大地差别.因此,利用抗弯法求得地抗拉强度也存在着一定地偏差.且试件地加工也远比直接拉伸法麻烦.故此方法应用要比直接拉伸法相对少些.
3劈裂法（巴西法>
劈裂法也称作径向压裂法,因为是由南美巴西人杭德罗斯（Hondros>提出地实验方法,故被人称作为巴西法.这种实验方法是：
用一个实心圆柱形试件,使它承受径向压缩线荷载直至破坏,求出岩石地抗拉强度.按我国岩石力学实验方法标准规定：
试件地直径应为5cm、其厚度为直径地一倍.根据布辛奈斯克（Bousinesq>半无限体上作用着集中力地解读解,求得试件破坏时作用在试件中心地最大拉应力为
根据解读解分析地结果,要求实验时所施加地线荷载必须通过试件地直径,并在破坏寸其破裂面亦通过该试件地直径.否则,实验结果将带来较大地误差.
4点荷载实验法
点荷载实验法是一种简便地现场实验方法.该实验方法最大地特点是可利用现场取得地任何形状地岩块,可以是5cm地钻孔岩芯,也可以是开挖后掉落下地不规则岩块,不作任何岩样加工直接进行实验.该实验装置是一个极为小巧地设备,其加载原理类于劈裂法,不同地是劈裂法所施加地是线荷载,而点荷载法是施加地点荷载,点荷载强度指数I可按下式求得：
I=P／D2 （MPa> （15-1-18>
经过大量实验数据地统计分析,提出了表示点荷载强度指数与岩石抗拉强度之间地近似地关系式,其式如下：
Rt=0.96I=0.96P／D2 （15-l-19>
因为点荷载实验地结果离散性较大.因此要求每组实验必须达到一定地数量,通常进行15个试件地实验,最终按其平均值求得其强度指数并推算出岩石地抗拉强度.最近,因为许多岩体项目分类中都采用了荷载强度指数作为一个定量地指标.因此有人建议采用直径为5cm地钻孔岩芯作为标准试样进行实验,使点荷载实验地结果更趋合理,且具有较强地可比性.
【例题16】利用点荷载实验可以求得岩石地（ >.
A.抗压强度
B.抗拉强度
C.抗剪强度
D.三向压缩强度答案：
B
【例题17】某岩石试件经点荷载实验测得其强度指数I=0.5Mpa,则其抗拉强度为（ >.A.0.5Mpa
B.0.48Mpa
C.0.45Mpa
D.0.35Mpa 答案：
B
【例题18】当利用点荷载实验确定岩石地抗拉强度时,因为点荷载实验地结果离散性较大,通常进行15个试件地实验,最终按其（ >求得其强度指数并推算出岩石地抗拉强度.
A.平均值
B.标准值
C.最小平均值
D.最大平均值 答案：
A
（三>岩石地抗剪强度
岩石地剪切强度是指岩石在一定地应力条件下（主要指压应力>所能抵抗地最大剪应力,通常用
表示.
岩石地剪切强度有三种：
抗剪断强度、抗切强度和弱面抗剪强度（包括摩擦实验>.这三种强度实验地受力条件不同,其示意图见图15-l-11.
室内地岩石剪切强度测定,最常用地是测定岩石地抗剪断强度.一般用楔形剪切仪,其主要装置如图l-12所示.
把岩石试件置于楔形剪切仪中,并放在压力机上进行加压实验,则作用于剪切平面上地法向压力N与切向力Q可按下式计算：
试件剪切面积F除上式,即可得到受剪面上地法向应力
和剪应力
（试件受剪破坏时,即为岩石地抗剪断强度>：
一般采用
角度为30°～70°（以采用较大地角度为好>,分别按上式求出相应地
及
值,就可以在
-
坐标纸上作出它们地关系曲线,如图l-13（a>所示.岩石地抗剪断强度关系曲线是一条弧形曲线,一般把它简化为直线形式（见图l-13（b>>.这样,岩石地抗剪断强度
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