岩体力学和土力学dpo

第一讲岩石的基本物理力学性质及其试验方法(之一)

一、内容提要：

本讲主要讲述岩石的物理力学性能等指标及其试验方法，岩石的强度特性。

二、重点、难点：

岩石的强度特性，对岩石的物理力学性能等指标及其试验方法作一般了解。

一、概述

岩体力学是研究岩石和岩体力学性能的理论和应用的科学，是探讨岩石和岩体对其

周围物理环境(力场)的变化作出反应的一门力学分支。

所谓的岩石是指由矿物和岩屑在长期的地质作用下，按一定规律聚集而成的自然体。由于成因的不同，岩石可分成火成岩、沉积岩、变质岩三大类。岩体是指在一定工程范围内的自然地质体。通常认为岩体是由岩石和结构面组成。所谓的结构面是指没有或者具有极低抗拉强度的力学不连续面，它包括一切地质分离面。这些地质分离面大到延伸几公里的断层，小到岩石矿物中的片理和解理等。从结构面的力学来看，它往往是岩体中相对比较薄弱的环节。因此，结构面的力学特性在一定的条件下将控制岩体的力学特性，控制岩体的强度和变形。

【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】在一定的条件下控制岩体的力学特性，控制岩体的强度和变形的是

( )。

A. 岩石的种类

B. 岩石的矿物组成

C. 结构面的力学特性

D. 岩石的体积大小答案：C

二、岩石的基本物理力学性质及其试验方法

(一)岩石的质量指标

与岩石的质量有关的指标是岩石的最基本的，也是在岩石工程中最常用的指标。

1 岩石的颗粒密度(原称为比重)

岩石的颗粒密度是指岩石的固体物质的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。其试验方法见相关的国家标准。岩石颗粒密度可按下式计算

2 岩石的块体密度

岩石的块体密度是指单位体积岩块的质量。按照岩块含水率的不同，可分成干密度、饱和密度和湿密度。

(1)岩石的干密度

岩石的干密度通常是指在烘干状态下岩块单位体积的质量。该指标一般都采用量积法求得。即将岩块加工成标准试件(所谓的标准试件是指满足圆柱体直径为48～54mm，高径比为2.0～2.5，含大颗粒的岩石，其试件直径应大于岩石最大颗粒直径的10倍；并对试件加工具有以下的要求；沿试件高度，直径或边长的误差不得大于0.3mm；试件两端面的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℃的恒温下烘24h，再将试件放入干燥器内冷却至重温，最后称试件的质量。岩块干密度可按下式分式计算求得：

(2)岩块的饱和密度

岩块的饱和密度是指岩块的空隙中充满水的状态下(饱和状态)所测得的密度。饱和密度的试验方法，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，由此求得的指标偏差较小。

(3)湿密度

湿密度一般认为是指岩块在天然状态下的密度。由于岩块在取样，加工过程中都用水来冷却切割工具，因此在工程中不太采用这个参数而很少求该指标。但是，在有些工程中的特殊需要，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的干密度与湿密度。

【例题4】岩石的质量指标包括岩石的( )。

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】测试岩石的干密度时，需将标准试件置于烘箱中，在( )的恒温下

烘24h，再将试件放入干燥器内冷却至重温，最后称试件的质量。

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)岩石的水理性质

1 岩石的含水率

岩石的含水率是指岩石试件中含水的质量与固体质量的比值。由于大都岩块的含水率比较小，因此对岩块含水率试验也提出了相对比较高的要求，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，其含水率的变化不得大于1％。

岩块的含水率试验采用烘干法，即将从现场采取的试件加工成不小40g的岩块，放入烘箱内在105～110℃的恒温下将试件烘干，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。恒重的判断条件是相邻24h两次称量之差不超过后一次称量的0.1％，最后可按下式计算岩石的含水率：

2 岩石的吸水性

岩石的吸水性主要采用其吸水率来表示。岩石的吸水率是指岩石在某种条件下吸入水的质量与岩石固体的质量之比值。它是一个间接反映岩石中孔隙多少的一个指标。岩石的吸水率按其试验方法的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试验(规则试件的具体要求同前所述的标准试件要求)。该试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试件高度的水，以后每隔2h将水分别增至试件高度的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，要求容器内的水面始终高于试件，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 岩石的膨胀性和崩解性

1)岩石的膨胀性

岩石的膨胀性是指在天然状态下含易吸水膨胀矿物岩石的膨胀特性。这主要反映含有粘

土矿物的岩石的性质。由于粘土矿物遇水后颗粒之间的水膜将增厚，最终导致其体积增大。这对于岩石的力学特性以及岩石工程的施工将造成较大的影响，有必要掌握这类岩石遇水时的膨胀性，以改进施工与支护设计的参数。岩石的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的岩石在天然状态下不受任何条件的约束，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。

自由膨胀率试验一般是将采用干法加工成的试件放入自由膨胀率试验仪器(见图

15-1-1)，按图示的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。随后测度千分表的变形读数。最先的一小时内，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后终止试验。另外要求浸水后试验时间不得小于48h。岩石的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，浸水后产生的轴向变形与试件原高度之比值。

岩石侧向约束膨胀试验，一般将加工好的试件放入内涂有凡士林的金属套环内，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压力的金属荷载块，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的试验方法及终止试验条件进行试验。岩石侧向约束膨胀率可按下式求得：

(3)膨胀压力

岩石的膨胀压力是指岩石试件浸水后保持原表体积不变所需的压力。

岩石的膨胀压力通常是将按要求加工成的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。可利用测得的荷载按下式计算膨胀压力。

2)岩石的耐崩解性

岩石的耐崩解性是表示粘土类岩石和风化岩石抗风化能力的一个指标。是模拟日晒雨淋的过程，在特定的试验设置中，经过干燥和浸水两个标准循环后，试件残留的质量与原质量之比值。

岩石的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例示甘布尔指出的耐崩解性分级，可对岩石的抗风化特性作定性的分析。