物理性质省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、第二章 岩块物理力学性质一、岩石物理性质岩石密度(容重、比重)、空隙性二、岩石水理性质岩石吸水性、软化性、透水性、抗冻性第1页Physical properties of rock定义:物理性质是指岩石三相组成部分相对百分比关系不一样所表现物理状态。一样,也是由固体、液体和气体三相组成。msmwo水气V0VWVSVV固一、岩石基本物理性质从物质成份上来说,岩石和土第2页kN m3Gs =WsVs w岩石固体部分体积 m3测试方法:比重瓶法岩石固体部分重量 kN4C时单位体积水重量岩石比重(Gs )岩石固体部分重量和4C时同体积纯水重量比值。无单位与其体积比值。g/cm31.岩石密度、比重、容重
2、(1)岩石颗粒密度(s )岩石固体相部分质量第3页天然密度=天然容重 9.80kN m(2)岩块密度(岩石密度)、岩石容重 岩块密度(岩石密度)岩块单位体积质量。与矿物组成、岩石孔隙性及含水状态相关。按试件含水状msVmsatVd =sat =3单位:g/cm干密度 105110C,烘24h饱和密度容重是工程岩体稳定性分析计算及岩体压力计算基本参数态分干容重 d容重 饱和容重 satmV单位:kN m3=g3测试方法:量积法(规则试样)水中法或蜡封法(不规则试样)第4页常见岩石物理性质指标值(部分)颗粒密度与块体密度不一样:颗粒密度不包含孔隙,其大小只与矿物密度及其含量相关。块体密度,不但与矿
3、物组成有关,还与岩石空隙性及含水状态亲密相关。第5页空隙100%n=100%=1V空隙性是岩石孔隙性与裂隙性统称,用空隙率表示,符号为 n。2.岩石空隙性空隙率工程意义:是岩石物理性质一个重要指标。对岩块和岩体水理、热学性质及力学性质影响很大。空隙率愈大岩石中孔隙和裂隙愈多岩石力学性质越差(岩石强度愈小、塑性变形越大),渗透性愈大,抗风化能力愈差等。空隙率指岩石总空比值,以百分数表示。s隙体积与岩石总体积 Vv d 封闭空隙大开空隙小开空隙类型 开空隙第6页吸水率(Wa)mw1二、岩石水理性质定义:岩石在水溶液作用下表现出来性质,称为水理性质。主要有:吸水性、软化性、抗冻性和透水性。1.岩石吸
4、水性吸水性指岩石在一定条件下吸收水分能力。惯用吸水率、饱和吸水率与饱水系数表示。岩样在常温常压条件下吸入水质量Wa =100%ms岩样烘干质量烘干温度:105110C,时间:二十四小时水只能进入大开空隙,不能小开空隙和闭空隙第7页饱和吸水率()pW2wm吸水率、饱和吸水率与饱水系数岩石吸水率大小,主要取决于岩石中空隙数量、大小及其连通情况。空隙率愈大空隙大、数量多、连通性好岩石吸水率越大力学性质差。msWp =100%岩样在高压(15MPa)或真空条件下吸入水质量岩样烘干质量在高压或真空条件下,水能进入全部开空隙中。饱和吸水率反应岩石总开空隙发育程度,可用来判断岩石抗风化能力和抗冻性,是岩石物
5、理性质一个主要指标。第8页WaWp吸水率、饱和吸水率与饱水系数饱水系数(kw)吸水率kw =100%饱和吸水率反应岩石中大、小开空隙相对数量。普通情况下,饱水系数愈大,余留空隙愈少,岩石愈易被冻胀破坏。几个岩石吸水性指标值第9页 cw c用软化系数表示。软化系数(K R)K R =岩样饱和单轴抗压强度岩样干抗压强度工程意义:1.岩石软化系数愈小,说明岩石吸水饱和后其抗压强度降低越多,岩石软化性愈强。岩石软化性取决于岩石矿物组成和空隙性。亲水性矿物和可溶性矿物愈多,且岩石大开空隙较多时,岩石软化性较强,软化系数愈小。软化性软化系数2.岩石软化性软化性指岩石浸水饱和后强度降低性质,第10页软化性软
6、化系数2.软化系数KR0.75时,岩石软化性弱,也说明岩石抗冻性和抗风化能力强。而KR 0.75岩石则是软化性较强和工程地质性质较差岩石,如粘土岩和泥质胶结岩石,其软化系数普通为0.40.6。3.软化系数是评价岩石力学性质一个主要物理性质指标。第11页常见岩石物理性质指标值第12页抗冻系数():dR2c1c1 2s sm m抗冻性指岩石抵抗冻融破坏能力,用抗冻系数和质量损失率表示。3.岩石抗冻性抗冻性K m =100%质量损失率(K m):岩样冻融后干质量ms1 岩样冻融前干质量Rd =100%岩样经重复冻融后岩样冻融前干抗压强度干抗压强度 20 20oC,25次以上第13页岩石在冻融作用下强
7、度降低和破坏原因 岩石矿物组分膨胀系数不一样,及温度不均匀,造成产生内应力;岩石空隙水冻胀作用。使岩石产生更多裂隙,结构破坏,强度降低。抗冻性抗冻系数、质量损失率透水性在一定水力梯度或压力差作用下,岩石能被水透过性质。岩石透水性大小用渗透系数衡量。4.岩石透水性第14页透水性渗透系数线性渗透规律达西定律:渗透系数数值上等于水力梯度为1时渗透流速,cm/s或m/d水力梯度U=KJ渗透流速渗透系数是表征岩石透水性主要指标,其大小主要取决于岩石空隙数量、大小、方向及其连通性等,水只能经过连同空隙渗透。对于工程岩体,裂隙岩体渗透系数(透水性)远大于岩块渗透系数,岩体渗透规律非常复杂。第15页岩 石 名
8、 称空 隙 情 况(cm/s)花岗岩较致密、微裂隙-12 -111.110 9.510含微裂隙-11 -111.110 2.510微裂隙及部分粗裂隙-9 -82.810 710石灰岩致密-12 -10310 610微裂隙、孔隙-6210-9 310空隙较发育-4910-5 310片麻岩致密-1310微裂隙-7910-8 410微裂隙发育-5210-6 310辉绿岩、玄武岩致密-1310砂岩较致密-1010-13 2.510空隙发育-65.510页岩微裂隙发育-9210-10 810片岩微裂隙发育-510-9 510石英岩微裂隙-101.210-10 1.810透水性渗透系数几个岩石渗透系数值第
9、16页膨胀性 指岩石浸水后体积增大性质。5.岩石膨胀性抗冻性含粘土矿物(如蒙脱石、水云母及高岭石等)成份一些岩石(如泥岩),经水化作用后在粘土矿物晶格内部或细分散颗粒周围生成结合水溶剂腔(水化膜),而且在相邻近颗粒间产生楔劈效应,当楔劈作用力大于结构联结力,岩石显示膨胀性。岩石膨胀特征通常以岩石自由膨胀率、侧向约束膨胀率、膨胀压力等来表示。第17页崩解性 指岩石与水相互作用时失去粘结性,并变成完全丧失强度涣散物质性能。岩石崩解性普通用岩石耐崩解性指数表示。6.岩石崩解性抗冻性崩解现象是因为水化过程中减弱了岩石内部结构联结引发,常见于由可溶盐和粘土质胶结沉积岩地层中。第18页地层岩性桩号岩块密度
10、3(g/cm)吸水率()孔隙率(%)抗压强度(MPa)点荷载强度(MPa)垂直层面方向加载软化系数(Kp)试件加载方向点荷载强度指标换算单轴抗压强度点荷载强度指标换算单轴抗压强度软化系数(Kp)天然饱和饱和/天然天然饱和天然饱和寒武系石牌组粉砂质页岩ZK45+240110YK44+9808002.742.741.01/0.892.7547.528.90.61垂直层面5.4564.93.3339.60.612.742.740.85/0.702.3273.849.70.672.732.740.93/0.742.5370.760.60.862.732.740.97/0.752.6255.348.80
11、.8862.752.20.83顺层面1.8522.01.3416.00.7361.452.80.8674.553.40.7271.650.50.71寒武系水井沱组粉砂质页岩ZK44+193187YK43+7937402.732.740.85/0.692.31垂直层面4.351.1顺层面1.5118.01.3015.50.86湖北沪蓉西高速公路扁担垭隧道岩石物理力学试验参数第19页宜万铁路全长376.99km,共有隧道124座,总长224.88km,约占线路总长 59.65,其中310km长隧道22座,大于10km专长隧道3座,隧道最大埋深约800m。一、宜万铁路工程概况与工程地质条件宜万铁路深
12、部岩溶问题1.宜万铁路工程概况第20页2.宜万铁路沿线区域地貌特征宜万铁路主要穿行在溶蚀侵蚀中低山区,自然坡度普通大于30,河谷深切,断崖纵横,最大高程1800余米,相对高差200800m。第21页3.宜万铁路沿线地层分布概况碳酸盐岩地层约占全线70。共有岩溶隧道75座,长约157.7km。第22页4.岩溶地貌特征二迭、三迭及寒武碳酸盐岩地层中,岩溶地貌尤其发育,岩溶类型齐全形态各异,地下岩溶洞穴、暗河尤其发育。第23页5.隧道工程特征 碳酸盐岩隧道达75座,长157.7km,岩溶尤其发育。隧道埋深大,普通在500600m,最大埋深达800余米。在22座长、专长隧道中灰岩隧道达19座。多座长大
13、岩溶隧道穿越暗河,在地下水水平循环带中经过。多座隧道穿越区域大断裂。受地形影响,多座隧道设计为单面坡,不利于隧道排水,增加施工难度。第24页6.隧道工程主要地责问题 岩溶、岩溶水 高地应力 断层破碎带 煤层瓦斯及天然气宜万铁路被定义为世界上最复杂山区铁路,它复杂点就在于岩溶和岩溶水。采取地面勘察与施工超前地质预报来处理该问题。第25页二、宜万铁路隧道施工岩溶问题工程实例例1.别岩槽隧道第26页例1.别岩槽隧道进口000突水淹井出口422突水溶腔第27页例2.齐岳山隧道第28页例2.齐岳山隧道齐岳山隧道PDK361+870炮孔突水第29页例2.齐岳山隧道涌水后抽排现场第30页例3.马麓箐隧道第3
14、1页例3.马麓箐隧道第32页例3.马麓箐隧道第33页作业1.什么是岩体?岩体结构普通依据什么来划分?岩体结构能够分为哪几个结构类型?2.什么是结构面?结构面按地质成因分为哪几个?各有什么特征?3.结构面含有哪些特征?结构面存在对岩体力学性质和岩体稳定性有什么影响?试举例说明。4.岩块主要物理性质(包含水理性质)有哪些?各有什么工程意义?第34页相关基本概念岩块变形性质岩块强度性质岩石破坏判据第四章 岩块变形与强度性质第35页第一节 概述(一)研究岩块力学性质意义环境(水)岩块结构面岩体岩石力学性质(地应力)主要力学性质:变形与强度、破坏研究岩块力学性质主要方法:室内试验第36页(二)材料受力所
15、表现出几个基本力学性质 弹性 物体受外力作用产生变形,除去外力(荷载)后,变形立刻完全恢复性质,称为弹性。该变形为弹性变形,该物体为弹性介质。0岩石力学性质直线关系 塑性 物体受外力作用产生变形,除去外力(荷载)后,变形不能完全恢复性质,称为塑性。不能恢复变形称为塑性变形(永久变形或残余变形)。在外力作用下,或者在一定应力范围内,只发生塑性变形物体称为塑性介质。线弹性(理想弹性)s0 理想弹塑性材料第37页&dt岩石力学性质 粘性物体受外力作用后变形不能在瞬间 完成,且变形速率随应力增加而增加性质,称为粘性。d0理想粘性材料 脆性 物体受外力作用后,变形很小时就发生破裂性质,称为脆性。对应破坏
16、称为脆性破坏。物体受外力作用后,发生较大变形时发生破坏,称为塑性破坏。脆性破坏与塑性破坏区分:以材料受力破坏前总应变和全应力-应变曲线上负坡坡降大小划分。破坏前总应变小,负坡较陡为脆性破坏,反之为塑性破坏。工程上以5进行划分。脆性破坏-破坏前总应变5。第38页岩石力学性质 延性物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力性质,称为延性。延性反应是屈服后变形能力。需要温习概念:内力与外力;应力与应变、应力状态;强度与变形、破坏;莫尔应力圆等等。第39页 d LABC第二节 岩块(岩石)变形性质一、单轴压缩条件下岩块变形(一)连续加载 V =L 2 d岩块经典应力-应变曲线V D(+)(-)LEdo应力
17、-应变全过程曲线压缩扩容第40页应力-应变全过程曲线.孔隙、裂隙压密阶段(OA):曲线呈上凹型,曲线斜率随应力增加而逐步增大。表明在力作用下,试件中张性结构面或微裂隙闭合,岩石被压密,表现出非线性变形特征。横向膨胀较小,试件体积随荷载增加而减小。.弹性变形阶段(AB):呈线性关系,变形可恢复,B点应力为弹性极限。该变形由固体颗粒被压缩而产生弹性变形。1.岩块变形、破坏过程ABCDE(-)LVdo应力-应变全过程曲线压缩(+)扩容第41页(-)全过程曲线应力-应变曲线呈下凹型,伴随应力增加,变形速率增大。原因:岩石破裂过程中,应力发生重分布,裂隙处应力集中显著;并使裂隙不停产生、延展和贯通;荷载
18、不变时,微破裂仍发展;继续增加荷载,试件会发生破坏。试件体积由压缩转变为扩容。D点应力为峰值强度或单轴抗压强度。其应力为屈服极限(屈服强度).非稳定破裂发展阶段(CD)Vo(+)LE.微裂隙稳定发展阶段(BC):L 曲线呈近似线性关系,d v 为曲线,体积压缩率减小。产生新微裂隙,随应力增加而发展;荷载不变时,微裂隙停顿发展;为塑性变形。上界C点为屈服点,应力-应变全过程曲线 cDCBA第42页L形增大快速降低,但仍保(-)全过程曲线VoE(+)d.破坏后阶段(DE):岩块承载力到达峰值,其内部结构基本破坏,仍保持整体状。裂隙快速发展、贯通,形成一条或几条宏观断裂面。破坏岩块沿宏观断裂面滑移,
19、承载力随变持一定承载力。岩块变形、破坏过程是一个渐进式发展过程,总体分为两个阶段:峰值前阶段和峰值后阶段。应力-应变全过程曲线 峰值前 峰值后DCBA第43页应力-应变全过程曲线第44页横向应变轴向应变体积应变第45页单轴压缩破坏特征第46页弹性型塑-弹性型弹性-蠕变型花岗岩、玄武岩、石英岩等石灰岩、砂砾岩等裂隙较多坚硬岩石花岗岩、砂岩等坚硬变质岩石(微层理、片理)大理岩、压缩性高岩石(片理)2.峰值前岩块变形特征应力应变曲线类型及其特征(缪勒 6种曲线类型,28种岩石)oooooo片岩塑-弹-塑性型2片麻岩塑-弹-塑性型1弹-塑性型 裂隙少较坚硬岩石 无裂隙坚硬、极坚硬岩软弱岩石第47页应力
20、o应变3.峰值后岩块变形特征葛修润等提出P脆性不显著脆性第48页(二)循环加载条件下变形特征特点:加载路径(曲线)与卸载路径(曲线)基本重合,回到原点弹性恢复卸荷后弹性变形恢复现象弹性后效卸荷后大部分弹性变形很快恢复,而少部分须经过一段时间才能恢复现象。1.一次加、卸载(1)荷载点在弹性极限点以下弹性极限荷载点一次加、卸载 曲线oPA第49页(2)荷载点在弹性极限点以上特点:加载路径(曲线)与卸载路径(曲线)不重合,不回到原点=p +e塑性变形 弹性变形 p e总变形一次加、卸载 曲线荷载点PoA弹性极限第50页 滞回环2.循环加、卸载(1)不停增大荷载 滞回环:每次加载、卸载曲线围成一环形面
21、积 岩石记忆(岩石变形记忆):指循环加载条件下,应力-应变曲线外包络线与连续加载应力-应变曲线一致现象。(a)不停增大荷载回滞环o第51页2.循环加、卸载 滞回环(2)弹性极限以上加等荷载 滞回环:面积变小 累积变形 疲劳破坏、疲劳强度(b)等荷载o第52页二、三轴压缩条件下岩块变形(一)三轴压缩试验 真三轴试验:常规三轴试验:12312=3112、32、3塑-弹性型(轴向)曲线及变形模量3)强度曲线及剪切强度C、试验结果:1)3不一样,三轴抗压强度1m不一样2)应力(应力差 1 3 )-应变第53页MPa)-1 3((二)围压对岩块变形破坏影响应变硬化塑性流动塑性 岩石峰值强度随3增大而增大
22、 岩石破坏前应变随3增大而增大 岩石塑性随围压增大而增加,且逐步由塑性转为延性。随3增大岩石变形模量增大,软岩增大显著,致密硬岩增大不显著 随3增大,岩石塑性不停增大,随3增大到一定值时,岩石由脆性转变为塑性。破坏类型:随3增大,岩块从脆性劈裂破坏逐步向塑性剪切及塑性流动破坏方式过渡。塑性塑-弹性型 2 =3 3 =0脆性(%)不一样围压下大理岩应力应变曲线第54页抵达破坏时应变(%)10破坏型式脆性破坏 脆性破坏过渡型破坏延性破坏延性破坏试件破坏情况13应力-应变曲线基本类型破裂破坏机制张拉破裂以张拉为主破裂剪切破裂 剪切流动破裂塑性流动岩石在三轴压缩条件下破坏类型:脆性破坏、塑性剪切破坏和
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