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1、1,1 岩石的力学性质岩石的变形,上节课讲过：岩石的强度：岩石抵抗外力作用的能力，岩石破坏时能够承受的最大应力。本节课接着讲：岩石的变形：岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变化。岩石在荷载作用下，首先发生的物理力学现象是变形。随着荷载的不断增加，或在恒定载荷作用下，随时间的增长，岩石变形逐渐增大，最终导致岩石破坏。岩石变形过程中表现出弹性、塑性、粘性、脆性和延性等性质。,2,1.5 岩石变形性质的几个基本概念1）弹性(elasticity)：物体在受外力作用的瞬间即产生全部变形，而去除外力(卸载)后又能立即恢复其原有形状和尺寸的性质称为弹性。弹性体按其应力应变关系又可分为两种类型：线弹性体
2、：应力应变呈直线关系。非线性弹性体：应力应变呈非直线的关系。,3,线弹性体，其应力应变呈直线关系=E非线性弹性体，其应力应变呈非直线的关系=f(),4,2）塑性（plasticity）：物体受力后产生变形，在外力去除（卸载）后变形不能完全恢复的性质，称为塑性。不能恢复的那部分变形称为塑性变形，或称永久变形，残余变形。在外力作用下只发生塑性变形的物体，称为理想塑性体。理想塑性体，当应力低于屈服极限时，材料没有变形，应力达到后，变形不断增大而应力不变，应力应变曲线呈水平直线.,5,理想塑性体的应力应变关系:当 s 时，=0当 s 时，s o,6,3）黏性(viscosity):物体受力后变形不能在
3、瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质，称为粘性。应变速率与时间有关，黏性与时间有关其应力应变速率关系为过坐标原点的直线的物质称为理想粘性体（如牛顿流体），如图所示。应力应变速率关系：=d/dt o d/dt,7,4）脆性(brittle):物体受力后，变形很小时就发生破裂的性质。工程上一般以5为标准进行划分，总应变大于5者为塑性材料，反之为脆性材料。赫德(Heard，1963)以3和5为界限，将岩石划分三类：总应变小于3者为脆性岩石；总应变在35者为半脆性或脆塑性岩石；总应变大于5者为塑性岩石。按以上标准，大部分地表岩石在低围压条件下都是脆性或半脆性的。当然岩石的塑性与脆性是相对的，在一
4、定的条件下可以相互转化，如在高温高压条件下，脆性岩石可表现很高的塑性。,8,5）延性(ductile):物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力的性质，称为延性。岩石是矿物的集合体，具有复杂的组成成分和结构，因此其力学属性也是很复杂的。这一面受岩石成分与结构的影响；另一方面还和它的受力条件，如荷载的大小及其组合情况、加载方式与速率及应力路径等密切相关。例如，在常温常压下，岩石既不是理想的弹性材料，也不简单的塑性和粘性材料，而往往表现出弹一塑性、塑一弹性、弹一粘一塑或粘一弹性等性质。此外，岩体赋存的环境条件，如温度、地下水与地应力对其性状的影响也很大。,9,1.6 单轴压缩条件岩石应力应变曲线6种
5、类型岩石的应力应变曲线随着岩石性质不同有各种不同的类型。米勒（Mller）采用28种岩石进行大量的单轴试验后，据峰值前应力应变曲线将岩石分成六种类型，如图所示。,10,类型 应力与应变关系是一直线或者近似直线，直到试件发生突然破坏为止。由于塑性阶段不明显，这些岩石被称为弹性岩石。例如：玄武岩、石英岩、白云岩以及极坚固的石灰岩。类型 应力较低时，应力应变曲线近似于直线，当应力增加到一定数值后，应力应变曲线向下弯曲，随着应力逐渐增加而曲线斜率也就越变越小，直至破坏。由于这些岩石低应力时表现出弹性，高应力时表现出塑性，所以被称为弹塑性岩石。例如：较弱的石灰岩、泥岩以及凝灰岩等。类型 在应力较低时，应
6、力应变曲线略向上弯曲。当应力增加到一定数值后，应力应变曲线逐渐变为直线，直至发生破坏。由于这些岩石低应力时表现出塑性，高应力时表现出弹性，所以被称为塑弹性岩石。例如：砂岩、花岗岩、片理平行于压力方向的片岩以及某些辉绿岩等。,11,类型 应力较低时，应力应变曲线向上弯曲，当压力增加到一定值后，变形曲线成为直线，最后，曲线向下弯曲，曲线似S型。由于这些岩石低应力时表现出塑性，高应力时表现出弹性，破坏前又表现出塑性，所以被称为塑弹塑性岩石。例如：大多数为变质岩（大理岩、片麻岩等）。类型 基本上与类型相同，也呈S型，不过曲线斜率较平缓。一般发生在压缩性较高的岩石中。应力垂直于片理的片岩具有这种性质。类
7、型 应力应变曲线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。这类材料被称为弹粘性岩石。例如：岩盐、某些软弱岩石。,12,1.7 岩石变形指标及其确定岩石的变形特性通常用弹性模量、变形模量和泊松比等指标表示。1)弹性模量和变形模量,13,a.线弹性岩石应力应变曲线具有近似直线的形式。弹性模量：直线的斜率,也即应力（）与应变（）的比率被称为岩石的弹性模量，记为E。其应力应变关系：=E反复加卸载应力应变曲线仍为直线。,14,b.完全弹性岩石岩石的应力应变关系不是直线，而是曲线。对于任一应变，都有唯一的应力与之对应，应力是应变的函数关系，即=f（）切线模量、初始模量和割线模量：
8、由于应力应变是一曲线关系，所以这里没有唯一的模量。但对于曲线上任一点的值，都有一个。譬如对应于P点的值，切线模量就是P点在曲线上的切线PQ的斜率Et，曲线原点处的切线斜率Eo即为初始模量，而割线模量就是割线OP的斜率Es，通常取c/2处的割线模量。Et=d/d;Es=/反复加卸载当荷载逐渐施加到任何点P，得加载曲线OP。如果在P点将荷载卸去，则卸载曲线仍沿原曲线OP路线退到原点O。,15,c.弹性岩石岩石的应力应变关系不是直线，而是曲线，且卸载曲线不沿原加载路径返回原点。对于任一应变，不是唯一的应力与之对应，应力不是应变的函数关系。切线模量和割线模量：卸载曲线P点的切线PQ的斜率就是相应于该应
9、力的卸载切线模量，它与加载切线模量不同。而加、卸载的割线模量相同。反复加卸载当荷载逐渐施加到任何点P，得加载曲线OP。如果在P点将荷载卸去，则卸载曲线不沿原曲线OP路线退到原点O，如图中虚线所示，这时产生了所谓滞回效应。,16,d.弹塑性岩石岩石的应力应变关系不是直线，而是曲线，卸载曲线不沿原加载路径返回，且应变也不能恢复到原点O。对于任一应变，不是唯一的应力与之对应，应力不是应变的函数关系。弹性模量和变形模量：弹性变形，以e表示；塑性变形，以p表示；总变形，以表示。弹性模量E：把卸载曲线的割线的斜率作为弹性模量，即:E=PM/NM=/e 变形模量Eo：是正应力与总应变()之比，即：Eo=PM
10、/OM=/=/(e+p)塑性滞回环：加载曲线与卸载曲线所组成的环，叫做塑性滞回环。,17,1.8 弹塑性岩石在循环荷载条件下的变形特征在循环荷载条件下，弹性岩石变形如何？非弹性岩石（弹塑性）的变形又如何呢？,18,1)弹塑性岩石等荷载循环加载变形特征,等荷载循环加载：如果多次反复加载与卸载，且每次施加的最大荷载与第一次施加的最大荷载一样。塑性滞回环：则每次加、卸载曲线都形成一个塑性滞回环。这些塑性滞回环随着加、卸载的次数增加而愈来愈狭窄，并且彼此愈来愈近，岩石愈来愈接近弹性变形，一直到某次循环没有塑性变形为止，如图中的HH环。临界应力：当循环应力峰值小于某一数值时，循环次数即使很多，也不会导致
11、试件破坏；而超过这一数值岩石将在某次循环中发生破坏（疲劳破坏），这一数值称为临界应力。此时，给定的应力称为疲劳强度。,19,2)弹塑性岩石增荷载循环加载变形特征,增荷载循环加载：如果多次反复加载、卸载循环，每次施加的最大荷载比前一次循环的最大荷载为大。塑性滞回环：每次加、卸载曲线都形成一个塑性滞回环。随着循环次数的增加，塑性滞回环的面积也有所扩大，卸载曲线的斜率（它代表着岩石的弹性模量）也逐次略有增加，表明卸载应力下的岩石材料弹性有所增强。岩石的记忆性：每次卸载后再加载，在荷载超过上一次循环的最大荷载以后，变形曲线仍沿着原来的单调加载曲线上升（图中的OC线），好象不曾受到反复加载的影响似的，这
12、种现象称为岩石的变形记忆。,20,1.9 单轴压缩条件下的岩石全应力应变曲线1）全应力应变曲线产生的背景普通柔性实验机只能获得峰值以前的应力应变曲线。1966年以前所获的的岩石应力应变曲线均是峰值以前的曲线。在普通柔性实验机上的试验现象是：岩石破坏的形式都是突发的：瞬间崩裂、碎块四面飞射、伴有很大声响。o,21,在普通的试验机上，岩石达到其峰值强度后发生突发性破坏的根本原因：是试验机的刚度不够大，这类试验机称为“柔”性试验机（Soft testing machine）。由于试验机的刚度不够大，在试验过程中试件受压，试验机框架受拉，如图所示。试验机受拉产生的弹性变形以应变能的形式存在机器中。当施
13、加的压缩应力超过岩石抗压强度后，试件破坏。此时，试验机架迅速回弹，并将其内部贮存的应变能释放到岩石试件上，从而引起岩石试件的急剧破裂和崩解。,22,普通柔性实验机获得结果与工程的矛盾：试验结果表明，岩石超过其峰值强度后就完全破坏了，没有任何承载能力了。与事实矛盾。事实上，岩石超过其峰值强度后，发生了破坏，内部出现破裂，其承载能力因而下降，但并没有降到零，而是仍然具有一定的强度。特别是在具有限制应力的条件下，情况更是如此。岩石开挖工程的围岩一般都处在周围岩石的限制中，因而破坏时不可能发生突然崩解现象。从另一方面看，地下岩石在漫长的地质年代中受到过各种力场的作用，经历过多次破坏，因而我们在岩石工程
14、中面对的就是已经发生过破坏的岩石（岩体）。研究岩石超过其峰值强度破坏后的强度特征对岩石工程本身具有重要意义。,23,试验改进途径提高试验机刚度，降低岩石试件刚度，增加伺服控制系统。试验系统组成：钢架构件、液压柱、岩石试件。a.提高试验机钢架构件的刚度：钢架构件的刚度系数 Ks=EA/L.增加钢构件的截面积 A，减小其长度L。因此在许多刚性试验机上使用了几个粗矮钢柱以加强。b.提高试验机液压柱刚度：液压柱刚度系数Kf=kA/H.应增加液压柱的截面积A，减小其长度H；同时要增大液压油的体积模量K。为此，在少数刚性试验机的液压系统中用水银代替普通液压油。c.减少岩石试件的刚度：减小试件截面积，增加其
15、长度。d.增加伺服控制系统，控制岩石变形速度恒定。,24,2）全应力应变曲线的特征1966年库克（Cook)教授利用自制的刚性试验机获得了的一条大理岩的全应力应变曲线,可将岩石变形分为下列四个阶段:,孔隙裂隙压密阶段（OA段）：即试件中原有张开性结构面或微裂隙逐渐闭合，岩石被压密，形成早期的非线性变形，曲线呈上凹型。在此阶段试件横向膨胀较小，试件体积随载荷增大而减小。本阶段变形对裂隙化岩石来说较明显，而对坚硬少裂隙的岩石则不明显，甚至不显现。弹性变形至微弹性裂隙稳定发展阶段（AC段：该阶段的应力应变曲线成近似直线型。其中，AB段为弹性变形阶段，BC段为微破裂稳定发展阶段。,25,非稳定破裂发展
16、阶段，或称累进性破裂阶段（CD段）：C点是岩石从弹性变为塑性的转折点，称为屈服点。相应于该点的应力为屈服极限，其值约为峰值强度的2/3。进入本阶段后，微破裂的发展出现了质的变化，破裂不断发展，直至试件完全破坏。试件由体积压缩转为扩容，轴向应变和体积应变速率迅速增大。本阶段的上界应力称为峰值强度。破裂后阶段（D点以后段）：岩块承载力达到峰值强度后，其内部结构遭到破坏，但试件基本保持整体状。到本阶段，裂隙快速发展，交叉且相互联合形成宏观断裂面。此后，岩块变形主要表现为沿宏观断裂面的块体滑移，试件承载力随变形增大迅速下降，但并不降到零，说明破裂的岩石仍有一定的承载力。,26,3）全应力应变曲线的工程
17、意义,揭示岩石试件破裂后，仍具有一定的承载能力。,27,预测岩爆。若AB，会产生岩爆若BA，不产生岩爆。,28,关于“岩爆”发生机理的解释,29,预测蠕变破坏。当应力水平在H点以下时保持应力恒定，岩石试件不会发生蠕变。应力水平在G H点之间保持恒定。蠕变应变发展会和蠕变终止轨迹相交，蠕变将停止，岩石试件不会破坏。若应力水平在G点及以上保持恒定，则蠕变应变发展就和全应力应变曲线的右半部，试件将发生破坏。,30,预测循环加载条件下岩石的破坏。循环荷载：爆破，而且是动荷载。在高应力水平下循环加载，岩石在很短时间内就破坏。在低应力水平下循环加载，岩石可以经历相对较长一段时间，岩石工程才会发生破坏。所以
18、，根据岩石受力水平，循环荷载的大小、周期、全应力应变曲线来预测循环加载条件下岩石破坏时间。,31,1.10 三轴压缩条件下的岩石变形特征,如图所示的大理岩，在围压为零或较低的情况下，岩石呈脆性状态；当围压增大至50MPa时，岩石显示出由脆性到塑性转化的过渡状态：把岩石由脆性转化为塑性的临界围压称为转化压力。围压增加到68.5MPa时，呈现出塑性流动状态；围压增至165MPa时,试件承载力则随围压稳定增长，出现所谓应变硬化现象。,32,围压对岩石变形的影响得出如下结论：随着围压的增大，岩石的抗压强度显著增加；随着围压的增大，岩石的变形显著增大；随着围压的增大，岩石的弹性极限显著增大；随着围压的增
19、大，岩石的应力应变曲线形态发生明显改变；岩石的性质发生了变化：由弹脆性弹塑性应变硬化。,花岗岩应力应变曲线,33,1.11 岩石的扩容,扩容：当外力继续增加，岩石试件的体积不是减小，而是大幅度增加，且增长速率越来越大，最终将导致岩石试件的破坏，这种体积明显扩大的现象称为扩容。实验表明：体积应变曲线可以分为三个阶段：体积变形阶段 体积应变在弹性阶段内随应力增加而呈线性变化（体积减小），在此阶段内，轴向压缩应变大于侧向膨胀。称为体积变形阶段。在此阶段后期，随应力增加，岩石的体积变形曲线向左转弯，开始偏离直线段，出现扩容。在一般情况下，岩石开始出现扩容时的应力约为其抗压强度的1/31/2左右。,34
20、,体积不变阶段 在这一阶段内，随着应力的增加，岩石虽有变形，但体积应变增量近于零，即岩石体积大小几乎没有变化。在此阶段内可认为轴向压缩应变等于侧向膨胀，因此称为体积不变阶段。扩容阶段 当外力继续增加，岩石试件的体积不是减小，而是大幅度增加，且增长速率越来越大，最终将导致岩石试件的破坏，这种体积明显扩大的现象称为扩容，此阶段称为扩容阶段。在此阶段内，当试件临近破坏时，两侧向膨胀变形之和超过最大主应力方向上的压缩变形值。这时，岩石试件的泊松比已经不是一个常量。,35,1.12影响岩石力学性质的主要因素,1)水对岩石力学性质的影响 结合水：产生三种作用：连结作用、润滑作用、水楔作用。连结作用：将矿物
21、颗粒拉近、接紧，起连结作用。润滑作用：可溶盐溶解，胶体水解，使原有的连结变成水胶连结，导致矿物颗粒间连结力减弱，摩擦力减低，水起到润滑剂的作用。水楔作用：当两个矿物颗粒靠得很近，有水分子补充到矿物表面时，矿物颗粒利用其表面吸着力将水分子拉到自己周围，在两个颗粒接触处由于吸着力作用使水分子向两个矿物颗粒之间的缝隙内挤入。,36,当岩石受压时：如压应力大于吸着力，水分子就被压力从接触点中挤出。反之如压应力减小至低于吸着力，水分子就又挤入两颗粒之间，使两颗粒间距增大。这样便产生两种结果：一是岩石体积膨胀，如岩石处于不可变形的条件，便产生膨胀压力；二是水胶连结代替胶体及可溶盐连结，产生润滑作用，岩石强
22、度降低。,37,重力水：对岩石力学性质的影响主要表现在孔隙水压力作用和溶蚀、潜蚀作用。孔隙压力作用：孔隙压力，减小了颗粒之间的压应力，从而降低了岩石的抗剪强度，使岩石的微裂隙端部处于受拉状态从而破坏岩石的连结。溶蚀潜蚀作用：岩石中渗透水在其流动过程中可将岩石中可溶物质溶解带走，有时将岩石中小颗粒冲走，使岩石强度大为降低，变形加大。除了上述五种作用外，水在冻融时的胀缩作用对岩石力学强度破坏很大。,38,39,2)温度对岩石力学性质的影响 一般地热每增加100米深度，温度升高3。高硫矿山、自燃矿物温度高地下深部研究、核废料处理研究一般来说，随着温度的增高，岩石的延性加大，屈服点降低，强度降低。如图
23、所示即为三种不同岩石在围压为500MPa，温度由25升高到800时应力应变特征。,40,玄武岩 花岗岩 白云岩,41,3)加载速率对岩石力学性质的影响 加载速率愈大，弹性模量愈大；加荷速率愈小，弹性模量愈小。加载速率越大，获得的强度指标值越高。国际岩石力学学会（ISRM）建议：加载速率为0.51MPa/秒，一般从开始试验直至试件破坏的时间为510分钟。,42,4)围压对岩石力学性质的影响 由三轴压缩试验可知：岩石的脆性和塑性并非岩石固有的性质，它与其受力状态有关，随着受力状态的改变，其脆性和塑性是可以相互转化的。在三轴压缩条件下，岩石的变形、强度和弹性极限都有显著增大。例如：欧洲阿尔卑斯山的山
24、岭隧道穿过很坚硬的花岗岩，由于山势陡峭，花岗岩处于很高的三维地应力状态下，表现出明显的塑性变形。,43,5)风化对岩石力学性质的影响 风化作用：是一种表生的自然营力和人类作用的共同产物，是一种很复杂的地质作用，将涉及到气温、大气、水分、生物、原岩的成因、原岩的矿物成分、原岩的结构和构造等诸因素的综合作用。风化作用降低岩体的物理力学性质：降低岩体结构面的粗糙程度,产生新的裂隙，破坏岩体的完整性。岩石结构连结被削弱,坚硬岩石变为半坚硬岩石、疏松土。在化学风化过程中，矿物成分发生变化，原生矿物经受水解、水化、氧化等作用，逐渐为次生矿物，特别是产生粘土矿物（如蒙脱石、高岭石等）。成分结构和构造的变化,
25、导致抗水性降低、亲水性增高（如膨胀性、崩解性、软化性增强）；力学强度降低，压缩性加大。,44,风化作用程度的评价方法：1964年以来，水电部成都勘察设计研究院科研所提出用岩石风化程度系数(Ky)来评定岩石的风化程度。Ky(Kn Kr Kw)/3式中：Kn=n1/n2(孔隙率系数)；Kr=r2/r1(强度系数)；Kw=1/2(吸水率系数)；n1，r1，1新鲜岩石的孔隙率、抗压强度、吸水率；n2，r2，2风化岩石的孔隙率、抗压强度、吸水率；,45,岩石风化程度分级如下:Ky0.1剧风化Ky0.10.35 强风化 Ky0.350.65弱风化Ky0.650.90微风化Ky0.901.00新鲜岩石岩石风化程度Ky的概念，是表示岩石风化程度深浅的一个相对指标，不是绝对值。,
