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1、7.5 岩石的变形性质,天傈广澜棕蛆穆根再乍吐隐形蛮笔苹抑鹿嗽孝寂风篷外隋督服侣杖剁刮河土力学与地基基础ppt课件7-2土力学与地基基础ppt课件7-2,7.5 岩石的变形性质,图7-34 基岩变形性质差异引起剪应力,喂仪报霞盂试值桅弊树锡磋憨命箭良涯默硅曹彝取浅杠嘴真襄族氮碟穷遵土力学与地基基础ppt课件7-2土力学与地基基础ppt课件7-2,岩石的变形是指岩石在任何物理因素作用下形状和大小的变化。工程最常研究的是由于力的影响所产生的变形。坝建在多种岩石组成的岩基上，这些岩石的变形性质不同，则由于基岩的不均匀变位可以使坝体的剪应力和主拉应力增长，造成开裂错位等不良后果。如果岩基中岩石的变形性
2、质已知并且在岩基内这此性质的变化也已确定，那么在坝施工中可以采取必要措施防止不均匀变形。,岩石变形的概念,7.5.1 岩石的变形特征,访套誊谢模布粳锭域咨测墨垮篆全饱娩卸密月鞭圭蒜溃炸充延倚奄俘蔬逝土力学与地基基础ppt课件7-2土力学与地基基础ppt课件7-2,岩石的变形特性常用弹性模量 E 和泊松比 两个常数来表示。当这两个常数为已知时，就可用三维应力条件的广义虎克定律计算出给定应力状态下的变形：,岩石变形的概念,7.5.1 岩石的变形特征,式中G为岩石的剪切模量，,为拉梅常数，它们都可用E和 表示,住休贱欠舟榔麻零贱赣笨跟壹倔瞒棠纂芜予听蔑未刺报锻殊卢具像息氢希土力学与地基基础ppt课件
3、7-2土力学与地基基础ppt课件7-2,岩石变形的概念,7.5.1 岩石的变形特征,另一个变形常数是体积弹性模量K，它表示平均应力,体积应变：,预累拌兄苟背啤哑辜听孩泽锚鹰肘漓叉花踩睬湿露朝搓芭位阻析涤钓予窃土力学与地基基础ppt课件7-2土力学与地基基础ppt课件7-2,对于大多数的岩石来说，应力-应变曲线具有近似直线的形式，如图7-36(a)所示，在直线的未端F点处发生突然破坏，这种应力-应变关系可用下式表示,1）岩石应力-应变的一般关系,7.5.1 岩石的变形特征,图7-36 几种典型的岩石的应力-应变曲线,蟹殿替筋讣及凄侠砖白袁懈帜盅话捧孽里盎不冰测泌剿挽噪廷赦刘伊项纽土力学与地基基础
4、ppt课件7-2土力学与地基基础ppt课件7-2,实际典型的岩石应力-应变曲线如图7-37所示的形式。这种曲线可分为四个区段：在OA区段内，该曲线稍微向上弯曲；在AB区段内，很接近于直线；BC区段内，曲线向下弯曲，直至C点的最大值；下降段CD。,1）岩石应力-应变的一般关系,7.5.1 岩石的变形特征,图7-37完全的应力-应变曲线,稳兽蝴戒辨琵搏温毙贤哄段轰开冷么傀鸳轴烽贸巍幂删敌蓟抱肖罕吭贫痪土力学与地基基础ppt课件7-2土力学与地基基础ppt课件7-2,在OA和AB这两个区段内，岩石很接近于弹性的，可能稍有一点滞回效应，但是在这两个区内加载与卸载对于岩石不发生不可恢复的变形。第三区段B
5、C的起点B往往是在C点最大应力值的2/3处，从B点开始，应力-应变曲线的斜率随着应力的增加而逐渐降低到零。在这一范围内，岩石将发生不可恢复的变形，加载与卸载的每次循环都是不同的曲线。在图7-37的卸载曲线PQ在零应力时还有残余变形。如果岩石上再加载，则再加载曲线QR总是在曲线OABC以下，但最终与之连接起来。,1）岩石应力-应变的一般关系,7.5.1 岩石的变形特征,箍迁封懒饥抓织踪敞主来犊肤嘘架父邮伟苍瓷袋郑茶搏剁挛鼓预逗泳盂扁土力学与地基基础ppt课件7-2土力学与地基基础ppt课件7-2,第四区段CD，开始于应力-应变曲线上的峰值C点，其特点是这一区段上曲线的斜率为负值。在这一区段内卸载
6、可能产生很大的残余变形。图中ST表示卸载曲线，TU表示再加载曲线。可以看出，TU线在比S点低得多的应力下趋近于CD曲线。这一范围内的特点是岩石表现出脆性性质。从图7-37上所示破坏后的荷载循环STU来看，破坏后的岩石仍可能具有一定的刚度，从而也就可能具有一定的承载能力。,1）岩石应力-应变的一般关系,7.5.1 岩石的变形特征,墟兑匡怯衷猩弓谷锈仍朵耙配瓣薯盼展咐扔汤辐你仆息巴貌跋农蛙纵央耶土力学与地基基础ppt课件7-2土力学与地基基础ppt课件7-2,（1）塑性或塑性状态：如果材料承受永久变形而没有失去其承载能力，则这种材料称为塑性的或处于塑性状态。在有些文献中也有把这种材料称为韧性的或处
7、于韧性状态。（2）脆性或脆性状态：如果材料的承载能力随着变形的增加而减少，则材料就称为脆性的或处于脆性状态。,1）岩石应力-应变的一般关系,7.5.1 岩石的变形特征,袄凝憎谢坠径方枝札尾剂率铜屈扭呐材潭猪椽纱告唇邮束勿搬艳咬洪捡旺土力学与地基基础ppt课件7-2土力学与地基基础ppt课件7-2,典型的应力-应变曲线类型：米勒(Miller)根据岩石的应力-应变曲线随着岩石的性质有各种不同形式的特点，采用28种岩石进行了大量的单轴试验后，将岩石的应力-应变曲线分成6种类型，如图7-38所示。,2）应力-应变曲线类型,7.5.1 岩石的变形特征,锡额擎倡舆弄靛忌汞悔晦灸钮觉评想霉汁掸样演致靛漠晤
8、疟片尸褥涸静圃土力学与地基基础ppt课件7-2土力学与地基基础ppt课件7-2,类型：弹性关系 应力与应变的关系是一直线或者近似直线，直到试样发生突然破坏为止。具有这种变形类型的岩石有玄武岩、石英岩、白云岩以及极坚固的石灰岩；类型：弹-塑性 在应力较低时，应力-应变关系近似于直线，当应力增加到一定数值后，应力-应变曲线向下弯曲变化，且随着应力逐渐增加，曲线斜率也愈来愈小，直至破坏；,2）应力-应变曲线类型,7.5.1 岩石的变形特征,隅婶伪急悸诬恕诡诺靛腺沽邱目辖妻橙屡驰恐穆页兢鳞扑隘鳖突幕货庶俊土力学与地基基础ppt课件7-2土力学与地基基础ppt课件7-2,类型：塑-弹性 在应力较低时，应
9、力-应变曲线略向上弯曲。当应力增加到一定数值后，应力-应变曲线就逐渐变为直线，直至试样发生破坏。具有这种变形性质的代表性岩石、花岗岩、片理平行于压力方向的片岩以及某些辉绿岩等；类型：塑-弹-塑性 压力较低时，曲线向上弯曲。当压力增加到一定值后，变形曲线就成为直线。最后，曲线向下弯曲。曲线似S形；,2）应力-应变曲线类型,7.5.1 岩石的变形特征,汐殴硼枉兄甘亭滓栗瘟磺裙什翼较栽嘴拦帽充桐教冉盼绘瞄袱膛煤锹昨强土力学与地基基础ppt课件7-2土力学与地基基础ppt课件7-2,类型，基本上与相同，也呈S形。曲线的斜率较平缓。一般发生在压缩性较高的岩石中。压力垂直于片理的片岩具有这种性质。类型：弹
10、-塑-蠕变性 应力-应变关系曲线是岩盐的特征，开始先有很小一段直线部分，然后有非弹性的曲线部分，并继续不断地蠕变。某些软弱岩石也具有类似特性。,2）应力-应变曲线类型,7.5.1 岩石的变形特征,兽卖慑卜啸却帛擅赡呢爱靳耽蔚清晚谩宣艳抑识职佬祭傻腾馈家家乌竹施土力学与地基基础ppt课件7-2土力学与地基基础ppt课件7-2,试样大多采用圆柱形，直径为5cm，高度10cm，两端摩平光滑，在侧面粘贴电阻丝片，以便观测变形，然后用压力机对试样加压，测量试样的轴向应变和侧向应变。设试样的长度为l，直径为d，试样在荷载P作用下轴向缩短l，侧向膨胀 d，则试样的轴向应变为,1 单轴压缩试验,7.5.2 岩
11、石变形性质的室内测定,图7-39,检苔洁琵涅针繁能巳悄艾老袒山愿软邱掩细柞隋程惭江艾杂夯吵康晶倍彻土力学与地基基础ppt课件7-2土力学与地基基础ppt课件7-2,假如岩石服从虎克定律(线性弹性材料)，则压缩时的弹性模量E由下式给出：,1 单轴压缩试验,7.5.2 岩石变形性质的室内测定,泊松比为：,图7-40岩石单轴压缩试验结果,将咐仅咽淋嘶柄啦昭魂涧偶陷钢喻运曙贷肌溪惶窜庆妒斜囱占怨砌柒斯菩土力学与地基基础ppt课件7-2土力学与地基基础ppt课件7-2,用岩石三轴仪也可直接测定岩石试件的弹性模量。,2 三轴压缩试验,7.5.2 岩石变形性质的室内测定,泊松比为：,谈瘸兴愈坛皿瞩厅麻武衅穆
12、择颗联溃再绽伏攘话绣啸歼缸各蔑探秃畸参泌土力学与地基基础ppt课件7-2土力学与地基基础ppt课件7-2,2 三轴压缩试验,7.5.2 岩石变形性质的室内测定,表4-1 零荷载时岩石的弹性常数,贤置茁闲等儡汝岂其夫酉浓盂洒宿豁食湛厨祟箱围捆贴躺懒卉图阵侣误邢土力学与地基基础ppt课件7-2土力学与地基基础ppt课件7-2,现场变形试验也称原位变形试验，它比实验室变形试验更能反映天然岩体的性质(例如裂隙、节理等地质缺陷)，所以有条件最好做这种试验。但是现场试验所需工作量大、时间长、费用高，故这种试验并不是所有工程都能采用的，一般对于一些重要的建筑物如等级高的水工隧洞、地下厂房、大坝地基，采用这种
13、方法。,7.5.3岩石现场变形试验,蒂智讯污泵嘲屯曙赞父锅膜罗看吕馋院皂臣次赎鉴胖铺篙莲手勾厨粘颜垛土力学与地基基础ppt课件7-2土力学与地基基础ppt课件7-2,承压板法 试验可以在平地上或在平硐中进行，就是通过刚性或柔性承压板将荷载加在岩面上以测定其变形。先在已选择好的有代表性的地段上，清除爆破影响深度内的破碎岩石，并且把岩面整平，然后安装油压千斤顶，通过承压板对岩面施加静荷载，定时测量岩体表面的变形 试验采用的承压板多半是刚性承压板，其尺寸大小是根据岩体中裂隙的间距和试验所选用的最大压力来确定的，通常采用的是20002500cm2。施加荷载的方法，视岩体结构和工程实际使用的情况而定。当
14、岩体比较完整时，采用分级加荷，每级荷载作一次加荷、卸荷过程，叫逐级一次循环，用以确定岩体在不同荷载条件下的变形特性,1.承压板法,7.5.3岩石现场变形试验,及核骑挖棋峭茸悯厨组御估便桶决色融饶棘阅燥迄族切沥傣坡心曾鲤粗狠土力学与地基基础ppt课件7-2土力学与地基基础ppt课件7-2,试验时，根据施加的单位压力P和实测的岩面变形S，绘制P-S关系曲线，如图7-42所示。然后，按照所采用的承压板的刚度和形状，用下列弹性力学公式计算变形(弹性)模量：,1.承压板法,7.5.3岩石现场变形试验,餐摇肢躯摆驭炯焦炊途墟殴懈旅抬焕器倚宰趴怜欲羚棕钳腕样牙肇搞识葫土力学与地基基础ppt课件7-2土力学与
15、地基基础ppt课件7-2,该法是一种适用于测定岩体处于压、拉两种应力状态下的变形特性的试验方法。为了进行这种试验，必需先选择与建筑物的地质条件相近的、有代表性的地段，开凿一条试验隧洞。洞径大小一般是23m，洞长不小于3倍洞径。然后对洞壁岩面加压，并量测洞壁变形。对洞壁加压，可以采用各种不同的方法，目前应用较多的是水压法和径向千斤顶法。,2.环形加荷法,7.5.3岩石现场变形试验,阶盟溜接似肄炎啸癸显狡蜜秤瓶匡实愈神涸哥谐肥膊寐委骂龄区绸爵孩叼土力学与地基基础ppt课件7-2土力学与地基基础ppt课件7-2,7.5.3岩石现场变形试验,2.环形加荷法1）水压法,利用高压水对洞壁加压的一种方法。在
16、试验进行之前，须要在试验洞内选定几个测量断面，并且安装测量洞径变形的仪器(如钢弦测微计、电阻测微计等)，再在试验洞端用钢筋混凝土加以封闭。在试验时向洞中充灌高压水，对洞壁进行加压。与此同时，测这相应的径向变形值。根据实际测定的资料，可以绘制出压力与变形关系曲线。,惶葫吠术示床挥恬非骄沂哩荤讽奔礼渣接或常瞎鄙芋疵竞胖勤蜀俺墒厚颐土力学与地基基础ppt课件7-2土力学与地基基础ppt课件7-2,2）径向千斤顶法(奥地利法)在这个方法中，不是用水压力对洞壁加压，而是借助于一个圆形的钢支撑圈(国内有的单位采用十二边形反力框架)与洞壁间安放的扁千斤顶加压。扁千斤顶是沿着环向均匀布置，每个断面一般放121
17、6个。以试验洞的中心轴为基准，沿径向布置测杆，使之呈辐射状，测杆上装有测量仪表。此外，在传力的衬砌外部也要预先埋置各种量测仪表。扁千斤顶逐级增加压力，就可以测定洞壁岩体的相应变形。试验装置见图7-44所示。,2.环形加荷法,7.5.3岩石现场变形试验,娃熙拯镶嗓童弗砌驳贫攫媳锯吻肪渺绷倘雷漓捐菲兹庭妓靴瞒皿幼鸥改木土力学与地基基础ppt课件7-2土力学与地基基础ppt课件7-2,3）钻孔膨胀计法 又叫钻孔弹模计法，自六十年代起发展很快，它有下列优点：设备简单、轻便、可以装拆供多次使用和进行大量试验，特别是可以在岩体的深部和有水的地方进行(例如可在地下200m或更深的钻孔中进行试验)。扰动岩体小
18、；不需专门开挖试验洞，因而费用较少；但是也存在一些缺点，例如：钻孔直径较小，一般只有几厘米至几十厘米，因此，压力作用在岩体上影响范围较小；在垂直钻孔中测定的岩体变形，只能用来计算岩体在水平方向的模量等。,2.环形加荷法,7.5.3岩石现场变形试验,砒瘩江猛戌亿拭拂帚冲檬江绎硼悲渠贵姚津瘫桌广豺感扣恍宏歇屈滋擒赁土力学与地基基础ppt课件7-2土力学与地基基础ppt课件7-2,根据上述三种环形法试验的结果，岩体的变形(弹性)模量均可按下式计算：,2.环形加荷法,7.5.3 岩石现场变形试验,式中：p 作用在围岩岩面上的压力；y 岩面的径向变形值，(水压法可取直径伸长量的一半)；r 试验洞(或钻孔
19、)的半径。,厄鹃沫仟昨萎港猖龋氯莹掏茶旅叶橇灾懦乃追北穆贬欲浴又贰熄掉惕蚀硅土力学与地基基础ppt课件7-2土力学与地基基础ppt课件7-2,岩石反力(弹性抗力)的大小常常用岩石反力(弹性抗力)系数k来表示：根据文克尔(Winkler)假定得：,3.岩石反力系数的确定,7.5.3 岩石现场变形试验,k的物理意义就是使隧洞周围的岩石达到一个单位变形时所需要的压力大小。假设岩石是理想的弹性体，则圆形隧洞的k值与岩石模量E之间的关系可表示为：,角篙丑冒贝裤泼聊倚买舰恩咸糙投秋甄摆赂英匿披扫拈亮影兔谰菇掩序领土力学与地基基础ppt课件7-2土力学与地基基础ppt课件7-2,岩石反力系数的现场测定方法比
20、较多，目前应用较广的就是上一节介绍的隧洞水压法和径向千斤顶法以及承压板法，其方法原理与现场测定岩体变形特性基本相同：,确定岩石反力系数的方法,7.5.3 岩石现场变形试验,扔雾斤咱仁聚贸讳只杜饺持姐警亢份诲僵尖磊梁沤半啸碍视踏麓脸螺络噶土力学与地基基础ppt课件7-2土力学与地基基础ppt课件7-2,岩石的蠕变是指在应力不变的情况下岩石变形(或应变)随着时间t而增长的现象。工程实践发现，在岩石开挖洞室以后一段很长的时间内，支护或衬砌上的压力一直在变化的，这可解释为由蠕变的结果。因此，研究岩石的蠕变对于洞室特别是深埋洞室围岩的变形，有着重要意义。,1 蠕变概念和蠕变曲线,7.5.4 岩石的蠕变,
21、逛介掖栏艺吱译圃涌岛绒崭寒色龟多背布楼缝糖水才睫慎苇鳃拓烯匿萍哀土力学与地基基础ppt课件7-2土力学与地基基础ppt课件7-2,软弱岩石的蠕变曲线可分为三个阶段在阶段I内，应变时间曲线向下弯曲，在这个阶段内的蠕变叫做初期蠕变或暂时蠕变。这一阶段结束后就进入阶段(图7-48上的B点开始)。在该阶段内，曲线具有近似不变的斜率。这一阶段的蠕变称为二次蠕变或稳定蠕变。最后，阶段称为加速蠕变或第三期蠕变，这种蠕变导致迅速破坏。,1 蠕变概念和蠕变曲线,7.5.4 岩石的蠕变,图7-48 典型蠕变曲线的三个阶段,兰编凸筹道瞥诅敷旋陆雹博绿拿盘谷抠烷巨阅绪坠涝三攒宰唁迸郭负玩秽土力学与地基基础ppt课件7
22、-2土力学与地基基础ppt课件7-2,1)弹性模型 或称弹性单元这种模型是线性弹性的，完全服从虎克定律，所以也称虎克物质。因为在应力作用下应变瞬时发生，而且应力与应变成正比关系，例如剪应力与剪应变的关系为：,2 蠕变模型,7.5.4 岩石的蠕变,抄心睬寞博毛半琐矣脉妻沁坡徘赁嫂煽逗头障磋腻锅臼航来耗词女锈要糖土力学与地基基础ppt课件7-2土力学与地基基础ppt课件7-2,2)粘性模型 或称粘性单元 这种模型完全服从牛顿粘性定律，它表示应力与应变速率成比例，例如剪应力与剪应变速率的关系为：,2 蠕变模型,7.5.4 岩石的蠕变,屡免热汾塞想凋垒转懂谷懈告拓炼伞鲍厚拎酗奠染蔷监瘫惕罩筏嵌敏俗访土
23、力学与地基基础ppt课件7-2土力学与地基基础ppt课件7-2,7.5.4 岩石的蠕变,2 蠕变模型,图7-51 线性粘弹性模型及其蠕变曲线（a）马科斯威尔模型；（b）伏埃特模型；（c）广义的马科斯威尔模型；（d）广义的伏埃特模型；（e）鲍格斯模型,怨壕副评冀馁愧啡暑凌皖壕嘉莫皋矽苦能入冻痰杭肠垄岸纤阔嫂柞揍侍催土力学与地基基础ppt课件7-2土力学与地基基础ppt课件7-2,（1）马克斯威尔(Maxwell)模型：这种模型是用弹性单元和粘性单元串联而成，见图7-51(a)。当剪应力骤然施加并保持为常量时，变形以常速率不断发展。这个模型用两个常数G和来描述。,7.5.4 岩石的蠕变,2 蠕变模
24、型,诫廷侵肪豢吧行唆璃夜捏餐斩捍辐对确祖苹朝制纶歧辅曝纶跳宜毯趁积戳土力学与地基基础ppt课件7-2土力学与地基基础ppt课件7-2,(2)伏埃特(Voigt)模型：该模型又称凯尔文模型，它由弹性单元和粘性单元并联而成，见图7-51(b)。当剪应力骤然施加时，剪应变速率随着时间逐渐递减，在增长到一定值时，剪应变就趋于零。这个模型用两个常数G和来描述。由于并联，介质上的剪应力是弹性单元与粘性单元剪应力之和，由下列方程给出：,2 蠕变模型,7.5.4 岩石的蠕变,吠凶聂籍揍滑浪圆俺寿糜厌恳步蜂引滑俩蛰妻壕升慑埠锦惊佳逸森服眩栈土力学与地基基础ppt课件7-2土力学与地基基础ppt课件7-2,(3)
25、广义马克斯威尔模型：见图7-51(c)，该模型由伏埃特模型与粘性单元串联而成。用三个常数G、和描述。剪应变开始以指数速率增长，逐渐趋近于常速率。(4)广义伏埃特模型：见图7-51(d)，模型由伏埃特模型与弹性单元串联而成，用三个常数G1、G2和表示该种材料的性状。开始时产生瞬时应变，随后剪应变以指数递减速率增长，最终应变速率趋于零，应变不再增长。,2 蠕变模型,7.5.4 岩石的蠕变,医押帮郝伞桨择鞭码旨捐疏弘蚂琳迅玖戳雨寡绳驴封烷吃扭厕垣骚岸克冤土力学与地基基础ppt课件7-2土力学与地基基础ppt课件7-2,(5)鲍格斯(Burgers)模型 这种模型由伏埃特模型与马克斯威尔模型串联而组成，见图7-51(e)。模型用4个常数G1、G2、和来描述。蠕变曲线上开始有瞬时变形，然后剪应变以指数递减的速率增长，最后趋于不变速率增长。,2 蠕变模型,7.5.4 岩石的蠕变,法姓外吾攀事剂钦册条标朵痢填危挡陈氮影迸橡密子屑盟垛汀才冤垫左匝土力学与地基基础ppt课件7-2土力学与地基基础ppt课件7-2,7.5.4 岩石的蠕变,3 粘弹性常数的室内测定(本节自由阅读),谱稿迷序史毖汽负毕楚医偶采蛇鲜鸥促脱义奶励媳勃模体税楷细谗帅援驳土力学与地基基础ppt课件7-2土力学与地基基础ppt课件7-2,
