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1、1,岩石力学,辽宁科技大学,Rock Mechanics,2,第一章岩石物理力学性质,3,1.1 岩石的基本构成和地质分类,一、岩石的主要矿物成份,岩石中主要的造岩矿物有：正长石、斜长石、石英、黑云母、白云母、角闪石、辉石、橄榄石、方解石、白云石、高岭石、赤铁矿等等。,黄铁矿和石英,萤石,一、岩石的主要矿物成份,岩石中的矿物成分会影响岩石的抗风化能力、物理性质和强度特性。岩石中矿物成分的相对稳定性对岩石抗风化能力有显著的影响，而矿物的相对稳定性主要与其化学成分、结晶特征及形成条件有关。,二、岩石的常见结构类型,岩石的结构是指岩石中矿物和岩屑颗粒相互之间的关系，包括颗粒的大小、形状、排列、结构连
2、结特点及岩石中的微结构面。岩石结构连结类型：结晶连结和胶结连结。,二、岩石的常见结构类型,岩石中矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，如岩浆岩、大部分变质岩及部分沉积岩的结构连结。晶体颗粒之间紧密接触，岩石强度一般较大，但随结构的不同而有一定的差异。等粒结晶结构一般比非等粒结晶结构的强度大，细粒结晶结构比粗粒的强度高，细粒基质比玻璃基质的强度高。粗粒斑晶的酸性深成岩强度较低，细粒微晶而无玻璃质的基性喷出岩强度最高，如粗粒花岗岩抗压强度一般只有120 MPa，而同一成分的细粒花岗岩则可达260 Mpa。,结晶连结,二、岩石的常见结构类型,颗粒与颗粒间通过胶结物连在一起的连接。如沉积碎屑岩，部分粘土岩的
3、结构连结。胶结连结岩石强度取决于胶结物和胶结类型胶结物：硅质、铁质胶结强度钙质泥质胶结类型：1、基质胶结类型:岩石碎屑被胶结物包围，强度取决于胶结物；2、接触胶结类型:仅颗粒接触处有胶结物，胶结不牢，强度低，透水性强；3、孔隙胶结类型:胶结物完全或部分地充填与颗粒孔隙之间，胶结牢固，岩石强度和透水性主要由胶结物性质及充填程度确定。,胶结连结,二、岩石的常见结构类型,微结构面,岩石中的微结构面，是指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒及矿物集合体之间微小的弱面及空隙。包括矿物的解理、晶格缺陷、晶粒边界、粒间空隙、微裂隙等。岩石中的微结构面一般是很小的，通常需在显微镜下观察才能见到，但它们对岩石工程性质的
4、影响却是相当大的。有些专家认为缺陷是影响岩石力学性质的决定性因素。,三、岩石的地质成因分类,岩浆岩,岩浆岩：主要由地壳深处或上地幔中形成的高温熔融的岩浆，上升到地下浅处或喷出地表冷凝而成的岩石叫岩浆岩。根据冷凝成岩浆岩地质环境，岩浆岩分为三大类：深成者、浅成岩和喷出岩(火山岩)。,三、岩石的地质成因分类,常见的岩浆岩,橄榄岩(超基性侵入岩),三、岩石的地质成因分类,岩浆岩,1、深成岩深成岩颗粒均匀，多为粗中粒状结构，致密坚硬，孔隙很少，力学强度高，透水性较弱，抗水性较强，所以深成岩体的工程地质性质一般比较好。花岗岩、闪长岩、花岗闪长岩、石英闪长岩等均属常见的深成岩体，常被选作大型建筑场地。如举
5、世瞩目的长江三峡大坝的坝基就是坐落在花岗闪长岩体之上。,三、岩石的地质成因分类,岩浆岩,2、浅成岩 成分一般与相应的深成岩相似，但其产状和结构都不相同，多为岩床、岩墙、岩脉等小侵入体，岩体均一性差，岩体结构常呈镶嵌式结构，而岩石多呈斑状结构和均粒中细粒结构，细粒岩石强度比深成岩高，抗风化能力强，斑状结构岩石则差一些。,三、岩石的地质成因分类,岩浆岩,3、喷出岩喷出岩是岩浆喷出后才凝固，岩石中含有较多的玻璃及气孔构造、杏仁构造，岩石颗粒很细，多呈致密结构。喷出岩是在急骤冷却条件下凝固形成的，原生节理比较发育，例如，玄武岩的柱状节理、流纹岩的板状节理等。喷出岩的结构比较复杂，岩性不均一，各向异性显
6、著，岩体连续件较差，透水性较强，软弱夹层和弱结构面比较发育，成为控制岩体稳定性的主要因素。,三、岩石的地质成因分类,沉积岩,沉积岩是由风化剥蚀作用或火山作用形成的物质，在原地或被外力搬运，在适当条件下沉积下来，经胶结和成岩作用而形成的，其矿物成分主要是粘土矿物、碳酸盐和残余的石英长石等。,三、岩石的地质成因分类,三、岩石的地质成因分类,沉积岩,沉积岩具有层理构造，岩性一般具有明显的各向异性。,按形成条件及结构特点，沉积岩可分为：火山碎屑岩、胶结碎屑岩、粘土岩，化学岩和生物化学岩等。,三、岩石的地质成因分类,沉积岩,1、火山碎屑岩 具有岩浆岩及普通沉积岩的双重特性和过渡关系，包括火山集块岩、火山
7、角砾岩、凝灰岩等，各类火山碎屑岩的性质差别很大，与火山碎屑物、沉积物及熔岩的相对含量、层理和胶结压实程度相关。大多数凝灰岩和凝灰质岩石结构疏松，极易风化，强度很低，往往具有遇水膨胀的特性，必须加以特殊注意。,三、岩石的地质成因分类,沉积岩,2、胶结碎屑岩沉积物经胶结、成岩固结硬化而形成的岩石，包括各种砾岩、砂岩、粉砂岩。胶结碎屑岩的性质主要取决于胶结物的成分、胶结形式、碎屑物成分和特点。硅质胶结碎屑岩强度最高，抗水性强；钙质、石膏质和泥质胶结的岩石强度较低，抗水性弱，在水作用下可被溶解或软化。基质胶结岩石较坚硬，透水性较弱；接触胶结岩石强度较低，透水性较强。,三、岩石的地质成因分类,沉积岩,3
8、、粘土岩 包括两种类型：页岩和泥岩。总的来说粘土岩的性质是较差的，特别是红色岩层中的泥岩，厚度薄，抗水性差，强度低，易软化和泥化。,三、岩石的地质成因分类,沉积岩,4、化学岩和生物岩 最常见的是碳酸盐类岩石，以石灰岩分布最广，石灰岩和白云岩结构致密、坚硬、强度较高。在地下水的作用下能被溶蚀，形成溶蚀裂隙、溶洞、暗河等，成为渗漏或涌水的通道，给工程带来极大的危害。,三、岩石的地质成因分类,变质岩,变质岩是由原岩石（岩浆岩、沉积岩或变质岩）在地壳中受到高温、高压或化学成分的渗入，在基本保持固态的情况下使岩石的结构、构造或矿物成分发生变化，形成新的岩石。简单地说变质岩就是由变质作用形成的岩石。,三、
9、岩石的地质成因分类,变质岩,1、接触变质岩 接触变质岩体出现在侵入体的周围，其范围和性质取决于侵入体大小、类型和原岩质。岩石受重结晶作用，强度一般比原来的岩石高，但由于侵入体的挤压，接触带附近易发生断裂，使岩体透水性增加，抗风化能力降低。,三、岩石的地质成因分类,变质岩,2、动力变质岩 动力变质岩是构造作用形成的断裂带及其附近受影响的岩石，岩石包括压碎岩、角砾岩、糜棱者、断层泥等。动力变质岩的性质取决于破碎物质成分、大小和压密胶结程度。通常这类岩石胶结不好，裂隙、孔隙发育，强度低，透水性强，在岩体中常形成软弱结构面或软弱岩体。,三、岩石的地质成因分类,变质岩,3、区域变质岩 这类变质岩分布范围
10、较广，岩石厚度较大，变质程度较为均一，最常见的有片麻岩、片岩、千枚岩、板岩、石英岩和大理岩，混合岩是介于片麻岩与岩浆岩之间的一种岩石。,1.1节结束，谢谢！,27,1.2 岩石物理性质与试验,28,岩石的基本物理力学性质是岩体最基本、最重要的性质之一，也是岩体力学中研究最早、最完善的部分。参照标准：工程岩体试验方法标准（GB/T 50266-99）。,29,Vs,Vv,ms,mw,mass,water,gas,岩石含：固相、液相、气相。三相比例不同而密度不同。,Vw,一、岩石的质量指标,30,1.比重岩石的比重是岩石固体部分的质量和4时同体积纯水质量的比值（颗粒密度：岩石固相的质量与固相体积之
11、比。它不包括孔隙在内，因此其大小仅取决于组成岩石的矿物密度及其含量）,:岩石固相的质量:固相的体积:4水的密度,一、岩石的质量指标,31,试验方法:比重瓶法步骤:粉碎过筛烘干称重放入比重瓶 排气 读数(计算),0.25mm,105-110,50g,一、岩石的质量指标,32,一、岩石的质量指标,比重瓶,33,m1瓶和装满的试液质量 ms岩粉质量 m2瓶、试液、岩粉质量 0试验温度下试液的密度,一、岩石的质量指标,34,2.岩石的密度岩石试件的质量与体积之比，即单位体积的岩石质量(T/m3、g/cm3)。岩石的重度岩石试件的重力与体积之比，即单位体积岩石产生的重力(KN/m3)。,一、岩石的质量指
12、标,35,(1)、天然密度岩石在天然条件下，单位体积的质量,W:岩石试件总质量V:试件总体积,一、岩石的质量指标,36,(2)、饱和密度岩石中的孔隙都被水填充时单位体积的质量,:孔隙体积,一、岩石的质量指标,37,(3)、干密度岩石孔隙中的液体全部被蒸发，试件中仅有固相和气相的状态下，单位体积的质量,密度测定法：量积法；水中称重法；蜡封法。,一、岩石的质量指标,38,岩石密度测定方法一：量积法凡能制备成规则试样的岩石均宜采用量积法测定其密度。量积法测定岩石密度时，需测定规则试样的平均断面积A，平均高度h以及试样的质量W，可得岩石的密度。当试样在105一110温度下烘干24小时称重，可测定岩石的
13、干密度（d）：,式中，d为岩石的干密度（gcm3）；gs为被测岩样在105一110的温度下烘干24 小时的质量（g）；A为被测岩样的平均断面积（cm2）；h为被测岩样平均高度（cm）。,一、岩石的质量指标,39,岩石密度测定方法二：水中称重法首先称量不规则岩样的质量（gs），再浸入水中称其质量（gw），根据阿基米德原理计算出不规则岩样的体积（V），即可计算出岩样密度（）。遇水崩解、溶解和干缩湿胀的岩石不能用此法测其密度。,一、岩石的质量指标,40,岩石密度测定方法三：蜡封法蜡封法适于不能用量积法或水中称重法测定密度的岩石。首先选取有代表性岩样在105110温度下烘干24小时。取出，系上细线，称
14、岩样质量（gs），持线将岩样缓缓浸入刚过熔点的蜡液中，浸后立即提出，检查试样周围的蜡膜，若有气泡应用针刺破，再用蜡液补平，冷却后称蜡封岩样的质量（g1），然后将蜡封岩样浸没于纯水中称其质量（g2），则岩石的干密度（d）为：,式中，n为蜡的密度。,一、岩石的质量指标,41,天然岩石中包含着数量不等、成因各异的孔隙和裂隙，是岩石的重要结构待征之一，通称为岩石的孔隙性。1.孔隙率 n：孔隙的体积与总体积的比值2.孔隙比 e：孔隙的体积与固体的体积之比,二、岩石的孔隙性,42,3.孔隙比和孔隙率的关系,孔隙率是衡量岩石工程质量的重要物理性质指标之一，岩石的孔隙率反映了孔隙和裂隙在岩石中所占的百分率，孔
15、隙率愈大，岩石中的孔隙和裂隙就愈多，岩石的力学性能则愈差,二、岩石的孔隙性,43,1.含水量W岩石孔隙中含水的质量与岩石总质量之比的百分数,:孔隙中含水的质量,岩石与水相互作用时所表现的性质称为岩石的水理性。包括岩石的吸水性、透水性、软化性和抗冻性。,三、岩石的水理性质,44,含水率岩石孔隙中含水的质量与固相质量之比的百分数,:孔隙中含水的质量,含水量较为常用，有天然含水量、饱和含水量等。,三、岩石的水理性质,45,2.吸水率（自然吸水率）烘干岩石自由浸水48小时后吸入水的质量与固相质量之比的百分数 m0烘干岩石浸水48小时后的质量,岩石吸水率的大小取决于岩石中孔隙的多少及其连通情况，岩石的吸
16、水率愈大，表明岩石中的孔隙大，数量多，并且连通性好，岩石的力学性质差。,三、岩石的水理性质,46,3.饱水率（饱和或强制吸水率）烘干岩石经高压、煮沸或真空抽气饱和后吸入水的质量与试件固体的质量之比的百分数。,三、岩石的水理性质,47,3.饱水系数kW岩石饱水系数是指岩石吸水率与饱水率的比值，以百分率表示。,在高压条件下，通常认为水能进入岩石中所有张开的孔隙和裂隙中，国外采用高压设备，测定岩石的饱和吸水率；国内常用真空抽气法或沸煮法测定饱和吸水率。饱水率反映岩石中总的张开型孔隙和裂隙的发育程度，对岩石的抗冻性和抗风化能力具有较大影响,三、岩石的水理性质,48,4.岩石的渗透性岩石在一定的水压力作
17、用下，水穿透岩石的能力。水只能沿连通孔隙渗透，岩石透水的大小可用渗透系数衡量，它主要决定于岩石孔隙的大小、方向及其相互连通情况。,:沿x方向水的流量h:水头的高度A:垂直x方向的截面面积K:岩石的渗透系数(cm/s),三、岩石的水理性质,49,三、岩石的水理性质,1.2节结束，谢谢！,51,1.3 岩石的强度特性与试验,一、岩石强度试验的基本要求,工程师对材料提出两个问题 1 最大承载力许用应力？2 最大允许变形许用应变？强度：岩石在各种荷载作用下达到破坏时所能承受的最大应力。,强度,单轴抗压强度单轴抗拉强度抗剪强度三轴强度,真三轴假三轴,一、岩石强度试验的基本要求,岩石的固有性质凡是不受试件
18、的形状、尺寸、采集地、采集人等影响而保持不变的特征。如岩石的颜色，密度等都是岩石的固有性质。各种强度都不是岩石的固有性质，而是一种指标值，通过试验所确定的各种岩石强度指标值都要受一些因素的影响。,一、岩石强度试验的基本要求,岩石强度试验的影响因素：1试件尺寸：随试件尺寸的缩小抗压强度提高，相反，随试件尺寸加大强度值降低。长沙矿冶研究院测定结果可看出，试件断面边长20厘米时，测定结果基本稳定。,一、岩石强度试验的基本要求,岩石强度试验的影响因素：2试件形状：正方体、长方体、圆柱体试件进行试验所获得的强度指标值是不相同的。,岩石强度试验的影响因素：3三维尺寸：高径比(LD)（试件高度与直径之比）对
19、试验结果有很大影响。LD 2.53时，试验结果趋于稳定。,一、岩石强度试验的基本要求,一、岩石强度试验的基本要求,4加载速率：岩石的单轴抗压强度与加载速率成正比，即加载速率越大，所测得的强度指标值越高 加载速率对岩石强度的影响表,一、岩石强度试验的基本要求,试验标准及规范为了保证不同的岩石强度试验所获得的岩石强度指标具有可比性，国际岩石力学学会(ISRM)对岩石强度试验所使用的试件的形状、尺寸、加载速率和湿度等先后制定了标准，对不符合标准试件和标准试验条件所获得的强度指标值，必须根据实际标准作相应的修正。,二、单轴抗压强度,（一）定义：岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所能承受的最大压应力称为
20、岩石的单轴抗压强度。国际上通常把单轴抗压强度表示为UCS，我国习惯于将单轴抗压强度表示为C，其值等于达到破坏时的最大轴向压力P除以试件的横截面积A。,二、单轴抗压强度,二、单轴抗压强度,(二)实验方法 1.标准试件(1)通常为圆柱体（或立方体）(2)试件直径必须大于矿物颗粒最大直径10倍，一般试件直径或边长为50mm。,二、单轴抗压强度,2.试件加工精度(1)试件直径或边长4.85.4 cm，高度为直径的2.02.5倍(2)试件两端面的不平整度0.05mm，在试件高度上直径或边长的误差0.3mm(3)两端面应垂直于试件轴线，最大偏差0.25,二、单轴抗压强度,二、单轴抗压强度,3.加载速率要求
21、0.51.0 MPa/s；510分钟发生破坏。,二、单轴抗压强度,(三)试件破坏形态 1、劈裂破坏；2、单斜面剪切破坏；3、X状共轭斜面剪切破坏。,三、抗拉强度,（一）、定义岩石在单轴拉伸荷载作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力称为岩石的单轴抗拉强度，或简称为抗拉强度。通常以T或t表示抗拉强度，其值等于达到破坏时的最大轴向拉伸荷载Pt除以试件的横截面积A。,三、抗拉强度,（二）、试验分类试件在拉伸荷载作用下的破坏通常是沿其横截面的断裂破坏，岩石的拉伸破坏试验分直接试验和间接试验两类。,三、抗拉强度,（三）、直接拉伸试验直接进行拉伸试验是很困难的，因为不可能像压缩试验那样将拉伸荷载直接施加到试件
22、的两个端面上，而只能将两端固定在材料机的拉伸夹具内。图示夹具内所产生的应力过于集中，往往引起试件两端破裂。若夹具施加夹持力不够大，试件就会从夹具中拉出。,三、抗拉强度,使用“狗骨头”形状的岩石试件进行直接拉伸试验，在液压P的作用，由于试件两端和中间部位截面积的差距，在试件中引起拉伸应力3。,三、抗拉强度,（三）、间接拉伸试验由于进行直接拉伸试验在准备试件方面要花费大量的人力、物力和时间，因此取而代之的一些间接拉伸试验方法涌现出来，在间接试验方法中，最著名的是巴西试验法，俗称劈裂试验法，另外还有三点加载弯曲试验等。,三、抗拉强度,1、巴西劈裂试验法：试件为一岩石圆盘，施加荷载P劈裂试件。,三、抗
23、拉强度,压力P作用下，圆盘边缘沿y方向y和x均为压应力，而离开边缘后y仍为压应力，但应力值比边缘处显著减小并趋于均匀化；x变成拉应力并在沿y很长一段距离上均匀分布，虽然拉应力值比压应力低很多，但因岩石的抗拉强度很低，所以试件还是由于拉应力而导致试件沿直径的劈裂破坏。,三、抗拉强度,2、三点加载弯曲试验试件可以是园柱梁，也可以是长方形截面棱柱梁。,园柱梁,棱柱梁,R0为岩石的弯曲强度，一般为直接拉伸试验抗拉强度的23倍。,四、点荷载试验,点荷载强度指标试验是布鲁克和弗兰克林1972年发明的，是一种最简单的岩石强度试验。其试验所获得的强度指标值可用做岩石分级的一个指标，有时可代替单轴抗压强度。,点
24、荷载强度试验的设备比较简单，小型点荷载试验装置由一个手动液压泵、一个液压干斤顶和一对圆锥形加压头组成。,四、点荷载试验,四、点荷载试验,小型点荷载试验装置是便携式的，可带到现场试验，这是点荷载试验能够广泛采用的重要原因。大型点荷载试验装置的原理和小型点荷载试验装置的原理是相同的，只是能提供更大的压力，适合于大尺寸的试件。点荷载试验的另一个重要优点是对试件的要求不严格，不需要像做抗压强度试验那样精心准备试件，最好的试件就是直径为25100 mm的岩芯，没有岩芯时，不规则岩块也可以。,四、点荷载试验,点荷载强度指标：ISRM将直径为50 mm的圆柱体试件径向加裁点荷载试验的强度指标值IS(50)确
25、定为标准试验值，其他尺寸试件的试验结果需据进行修正。,四、点荷载试验,点荷载强度标准值Is(50)可用于岩体质量分级、岩体强度空间变异性研究等。Is(50)可由下式转换为单轴抗压强度和抗拉强度：,五、抗剪切强度,（一）、定义岩石在剪切荷载作用下达到破坏前所能承受的最大剪应力称为岩石的抗剪切强度。剪切强度试验可分为二类：1、剪切试验在剪切面上只有剪应力存在，没有正应力存在（抗切试验）；2、剪切试验在剪切面上除了存在剪应力外，还存在正应力。,五、抗剪切强度,（二）、四种典型的抗切强度试验（剪切强度记为S0)1、单面剪切试验,五、抗剪切强度,2、双面剪切试验,五、抗剪切强度,3、冲力剪切试验,五、抗
26、剪切强度,4、扭转剪切试验,五、抗剪切强度,（三）、典型剪切强度试验1、立方体试件单面剪试验,五、抗剪切强度,2、双面剪试验,五、抗剪切强度,3、变角剪试验（角模压剪）,变角剪是利用压力机施加垂直荷载，通过一套特制的夹具使试件沿某一剪切面产生剪切破坏，然后通过静力平衡条件解析剪切面上的法向压应力和剪应力，从而绘制法向压应力（）与剪应力（）之关系曲线，求得岩石的内聚力c和内摩擦角。,五、抗剪切强度,(1)、试验所需仪器设备,五、抗剪切强度,(2)、试件制备试件为直径50mm、高、50mm的圆柱体试件或50 5050mm立方体，每组加工6-9块。试件加工精度要求：相邻面间应互相垂直，偏差不超过0.
27、25；相对两面须互相平行，不平行度不得大于0.005cm。卡尺：精度为0.002cm。,五、抗剪切强度,(3)、试件描述试件描述内容为：岩石名称、颜色、矿物成分、结构、风化程度、胶结物性质等；加荷方向与岩石试件内层理、节理、裂隙的关系及试件加工中出现的问题。,五、抗剪切强度,(4)、安装试件 将变角板剪切夹具用绳子栓在压力机承压板间，应注意使夹具的中心与压力机的中心线相重合，然后调整夹具上的夹板螺丝，使刻度达到所要求的角度，将试件安装于变角板内。,五、抗剪切强度,(5)、施加载荷开动压力机，同时降下压力机横梁，使剪切夹具与压力机承压板接触上，然后调整压力表指针到零点，以每秒的加荷速度加荷，直至
28、试件破坏，记录破坏荷载（P）。(6)、破坏试件描述 升起压力机横梁，取出被剪破的试件进行描述，内容包括破坏面的形态及破坏情况等。,五、抗剪切强度,(7)、重复试验 变换变角板夹具的角度，一般在4570内选择，取得不同角度下的破坏荷载。,五、抗剪切强度,(8)、成果整理 计算作用在剪切面上的剪应力和正应力：,根据不同倾角下得到i和i值。在坐标系内绘制岩石强度曲线。,五、抗剪切强度,岩石的内聚力C和内摩擦角确定：1、绘制岩石强度曲线近似得到；2、线性回归分析。回归系数按下式计算。,内聚力C=a内摩擦角=arctgbCtg,五、抗剪切强度,4、直剪仪压剪试验,(1)、小型剪切试验：剪切面1010 1
29、515(cm)，试件用砂浆整形，轻便剪切仪现场进行。(2)、中型剪切试验：剪切面20205035(cm)，在试验室剪切盒内进行。(3)、大型剪切试验：剪切面5050100100cm，一般采用砂浆整形，在现场原位制备试件进行试验。,五、抗剪切强度,五、抗剪切强度,做一组（大于3次）不同的试验。,五、抗剪切强度,岩石的抗剪断曲线,记录对应于各个下的峰值强度值，由该组值作曲线近似直线得方程（摩尔库仑准则）,六、三轴抗压强度,岩石在三向压缩荷载作用下，达到破坏时所能承受的最大压应力称为岩石的三轴抗压强度。与单轴压缩试验相比，试件除受轴向压力外，还受侧向压力，侧向压力限制试件的横向变形，因而三轴试验是限
30、制性抗压强度试验。,六、三轴抗压强度,真三轴123 假三轴123,六、三轴抗压强度,三轴试验试件为圆柱体，直径25150mm，高径比为2：1或3：1，轴向压力的加载方式与单轴压缩试验时相同，但由于有了侧向压力，侧向压力（23)由圆柱形液压油缸施加，由于试件侧表面己被加压油缸的橡皮套包住，液压油不会在试件表面造成摩擦力，因而侧向压力可以均匀施加到试件，三轴抗压强度为试件达到破坏时所能承受的最大1值。,六、三轴抗压强度,试验发现：围压较低时大理石试件脆性破坏，沿一组倾斜的裂隙破坏。随围压增加，试件延性变形和强度都不断增加，直至出现完全延性或塑性流动变形，并伴随有工作硬化，试件也变成粗腰桶形。试验开
31、始时试件体积减小、当1达抗压强度一半时，出现扩容。,六、三轴抗压强度,三轴压缩试验的最重要的成果就是对于同一种岩石的不同试件或不同的试验条件给出强度指标值，通常以莫尔强度包络线的形式给出。,六、三轴抗压强度,相关系数：,内摩擦角和内聚力C分别按下式计算：,1.3节结束，谢谢！,106,1.4 岩石的变形性质,一、岩石变形的基本构成,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，首先发生的物理现象是变形，随着荷载的不断增加，随时间的增长，岩石变形逐渐增大，最终导致岩石破坏。岩石变形有弹性、塑件和粘性变形三种。,一、岩石变形的基本构成,1、弹性：物体在受外力作用的瞬间即
32、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。产生的变形称为弹性变形。具有弹性性质的物体称为弹性体。弹性体按其应力应变关系又可分为两种类型：线弹性体(或称理想弹性体)，呈直线关系；非线性弹性体，呈非直线的关系。,2、塑性：物体受力后产生变形，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。理想塑性体的应力应变关系为：当应力低于屈服极限0时，材料没有变形，应力达到0后变形不断增大而应力不变，应力应变曲线呈水平直线。,一、岩石变形的基本构成,一、岩石变形的
33、基本构成,3、粘性：物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质，称为粘性。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(牛顿流体)。,一、岩石变形的基本构成,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。在常温常压下，岩石既不是理想的弹性体，也不是简单的塑性体和粘性体，而往往表现出弹塑性，塑弹性，弹粘塑或粘弹性等复合性质。,二、岩石变形指标及测定,岩石的变形特性通常用弹性模量和泊松比指标表示（或用剪切模量、体积模量等）。（一）弹性模量的定义对于直线型应力应变曲线，直线的斜率，即应力()与应变()的比率被称为岩石的弹性模量E。,二、岩石
34、变形指标及测定,切线模量：割线模量：初始模量：,对于非直线型本构模型,二、岩石变形指标及测定,（二）、泊松比的定义：岩石的横向应变x与纵向应变y的比值。在岩石的弹性工作范围内，泊松比一般为常数，但超越弹性范围以后，泊松比将随应力的增大而增大，直到0.5为止。岩石的E、受岩石矿物组成、结构构造、风化程度、空隙性、含水率、微结构面及与荷载方向的关系等多种因素的影响，变化较大。,二、岩石变形指标及测定,（三）、完全弹性材料：岩石的应力应变关系是曲线，但应力与应变之间有着唯一对应的关系。,完全弹性材料的应力应变曲线上，没有唯一的模量，对于曲线上任一点P都有一个切线模量和割线模量（PQ和OP斜率）。,二
35、、岩石变形指标及测定,（四）、加卸载形成滞回环的弹性材料：卸载曲线与加载曲线并不重合，但回到原点，产生滞回效应。卸载曲线P点的卸载切线模量与加载切线模量不同，加卸载的割线模量相同。,二、岩石变形指标及测定,（五）、弹塑性材料：卸载曲线不走加载曲线路线，且应变也不恢复到零能够恢复的变形叫弹性变形，以e表示；不可恢复的变形称为塑性变形(或残余变形、永久变形），以p表示；加载曲线与卸载曲线组成的环，叫塑性滞回环。,二、岩石变形指标及测定,弹性模量E是加载曲线直线段的斜率，加载曲线直线段大致与卸载曲线的割线相平行，一般可将卸载曲线的割线的斜率作为弹性模量。,二、岩石变形指标及测定,二、岩石变形指标及测
36、定,（六）.弹性常数的测定国际岩石力学学会（ISRM）建议三种方法 初始模量 割线模量 切线模量,二、岩石变形指标及测定,（1）、实验所用设备和备品,二、岩石变形指标及测定,（2）、试件制备及尺寸测量、采用圆柱体试件，试件直径50mm，高100mm。、沿试件高度，直径误差不超过0.3mm，试件两端面不平行度误差最大不超过0.05mm；、端面应垂直于轴线，最大偏差不超过0.25；、直径测量应分别量测两端面和中点三个断面的直径，取其平均值作试件直径；高度应在两端等距取三点量测试件的高，取其平均值，作为试件的高，同时检验两端面的不平整度。尺寸测量、均应精确到0.1mm。,二、岩石变形指标及测定,（3
37、）、试件描述、岩石名称、颜色、矿物成分、结构、风化程度、胶结物性质等；、加荷方向与岩石试件内层理、节理、裂隙的关系及试件加工中出现的问题。,二、岩石变形指标及测定,（4）、电阻应变片粘贴、选择合适的应变片,用细沙布打磨试件需贴片表面，用棉球蘸少量丙酮擦洗贴片位置，用铅笔画出贴片位置的方位线，然后再用棉球擦一次。,二、岩石变形指标及测定,电阻应变片粘贴、在应变片上涂一薄层501粘结剂，迅速将应变片平放于粘贴位置，稍稍移动应变片，让粘结剂均匀分布在整个粘贴面上，并使应变片的轴线对准试件的定位线，将一小片塑料布盖在应变片上，用大母指挤压应变片一分钟，压时不能使应变片错动。、用万用表检查应变片的电阻值
38、，焊接引线，并进行防潮处理。,二、岩石变形指标及测定,（5）、YJ31型静态电阻应变仪的工作原理应变仪是将非电量的变化转换成电量变化的测量仪器，当被测试件受到外力作用长度发生变化时，粘贴在试件上的应变片的电阻值也随着发生了变化，这样就把机械量变形转换成电量。这个变化量通过一定的组桥方式经放大器放大，通过A/D转换后，就可以直接读出应变值，完成了非电量的电测。,二、岩石变形指标及测定,二、岩石变形指标及测定,（6）、组桥方式,二、岩石变形指标及测定,（7）、施加荷载、开动试验机，使承压板与试件接触。、以0.50.8MPa/s的速度施加荷载，直至试件破坏或至少超过抗压强度之50%，在加压过程中，测
39、记各级压力下岩石试件的纵向和横向应变值。、纵向、横向应变值的测读，各读数即为微应变值，正值代表压缩，负值代表拉伸，为求得完整的应力应变曲线，所测应变值不应小于10个。,二、岩石变形指标及测定,假如岩石服从虎克定律(线性弹性材料)，则压缩时的割线弹性模量E由下式给出：,泊松比为：,（8）、计算,二、岩石变形指标及测定,（七）、其它弹性参数：弹性模量和泊松比是两个最基本的参数。剪切模量G、体积模量K、拉梅常数，从不同角度反映岩石变形的性质。,三、单轴压缩条件下岩石变形特性,1、典型全应力应变曲线的特征：岩石试件在单轴压缩荷载作用下产生变形的全过程可由全应力应变曲线表示，由全应力应变曲线可将岩石的变
40、形分为四个阶段：(1)孔隙裂隙压密阶段；(2)弹性变形至微弹性裂隙稳定发展阶段；(3)非稳定破裂发展阶段；(4)破裂后阶段。,三、单轴压缩条件下岩石变形特性,(1)、孔隙裂隙压密阶段(OA段)：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，试件体积随荷载增大而减小，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。,三、单轴压缩条件下岩石变形特性,(2)、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。,三、单轴压缩
41、条件下岩石变形特性,(3)、非稳定破裂发展阶段(CD段)：C点是屈服点。本段中微破裂的发展出现了质的变化，破裂不断发展，直至完全破坏。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。,三、单轴压缩条件下岩石变形特性,(4)、破裂后阶段(D点以后段)：岩块承载力达到峰值强度时，内部结构遭到破坏，但试件基本保持整体状，本段中裂隙快速发展，交叉联合形成宏观断裂面。此后岩块变形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，破裂的岩石仍有一定的承载力。,三、单轴压缩条件下岩石变形特性,2、岩石的应力应变曲线的类型：岩石的应力应变曲线随着岩
42、石性质不同有各种不同的类型，米勒采用28种岩石进行大量的单轴试验后，根据峰值前的应力应变曲线将岩石分成六种类型。,三、单轴压缩条件下岩石变形特性,类型I（弹性）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。,这种变形性质的岩石有玄武岩、石英岩、白云岩以及极坚固的石灰岩，由于塑性阶段不明显，这些材料被称为弹性体。,三、单轴压缩条件下岩石变形特性,类型（弹塑性）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。,具有这种变形性质的岩石有较弱的石灰岩、泥岩以及凝灰岩等。这些材料被称为弹塑性体。,三、单轴
43、压缩条件下岩石变形特性,类型（塑弹性）应力较低时、应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。,具有这种变形性质的代表岩石有砂岩、花岗岩、片理平行于压力方向的片岩以及某些辉绿岩等，这些材料被称为塑弹性体。,三、单轴压缩条件下岩石变形特性,类型（塑弹塑性）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。,具有这种变形特性的岩石大多数为变质岩，如大理岩、片麻岩等，这些材料被称为塑弹塑性体,三、单轴压缩条件下岩石变形特性,类型V（塑-弹-塑性）基本与类型相同，也呈S型，不过曲线斜率较平缓一般发生在压缩
44、性较高的岩石中，应力垂直于片理的片岩具有这种性质。,三、单轴压缩条件下岩石变形特性,类型（弹粘性）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。这是岩盐的应力应变特征曲线，某些软弱岩石也具有类似特性。这类材料被称为弹粘性体。,三、单轴压缩条件下岩石变形特性,3、全应力应变曲线与刚性压力机普通压力机：半程压缩曲线刚性压力机：全程压缩曲线,三、单轴压缩条件下岩石变形特性,在传统的压缩试验中，岩石达到其峰值强度后发生突发性破坏。根本原因：试验机的刚度不够大，试验过程中试件受压，试验机框架受拉，试验机受拉产生的弹性变形以应变能的形式存在机器中，当施加的压缩应力超过岩石
45、抗压强度后，试件破坏，此时，试验机架迅速回弹，以便返回其原始位置，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，产生突发性破坏。,三、单轴压缩条件下岩石变形特性,刚性试验机为了减少在试验过程中试验机的弹性变形及贮存在其中的变形能，就必须增加试验机的刚度，为此出现了刚性试验机。使用刚性试验机，就能获得岩石在受压过程中的全应力应变曲线，获得岩石在超过峰值强度破坏后的变形和强度特征。,三、单轴压缩条件下岩石变形特性,增加试验机刚度的措施：1、增加液压柱的截面积，减小其长度；2、增大液压油的体积模量，少数刚性试验机的液压系统中用水银代替普通液压油。3、试验机和岩石试件组成一个系统
46、，试验机刚度是相对于岩石试件刚度而言的，也可考虑减少岩石试件的刚度，减小试件截面积，增加其长度。4、采用液压伺服系统。,三、单轴压缩条件下岩石变形特性,全应力应变曲线用途：（1）能全面显示岩石在受压破坏过程中的应力、变形特征，特别是破坏后的强度与力学性质变化规律；（2）预测岩爆；（3）预测蠕变破坏；（4）预测循环加载条件下岩石的破坏。,四、循环荷载条件下岩石变形特征,对于线弹性岩石，加载路径与卸载路径完全重合，多次反复加载、卸载时，其应力应变路径是相同的、都沿同一直线往返。,四、循环荷载条件下岩石变形特征,对于完全弹性岩石，其加载、卸载路径也完全重合，但应力应变关系是曲线，不是直线，反复多次加
47、载与卸载，其应力应变路径仍服从此曲线关系。,四、循环荷载条件下岩石变形特征,对于加载、卸载形成滞回圈的弹性岩石，虽然加载曲线与卸载曲线不重合，但是反复加载与卸载时，应力应变关系曲线总是服从此环路的规律。,四、循环荷载条件下岩石变形特征,对于非弹性岩石，例如弹塑性岩石，如果卸载点P超过屈服点，则卸载曲线不与加载曲线重合，形成塑性滞回环。根据经验，卸载曲线的平均斜率一般与加载曲线直线段的斜率相同，或者和原点切线斜率相同。如果多次反复加载卸载，且每次施加的最大荷载与第一次施加的最大荷载一样，则每次加、卸载曲线都形成一个塑性滞回环。,四、循环荷载条件下岩石变形特征,塑性滞回环随着加、卸载的次数增加而愈
48、来愈狭窄，并且彼此愈来接近，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。,循环应力峰值小于某一数值时，循环次数即使很多，也不会导致试件破坏。疲劳破坏；临界应力；疲劳强度,四、循环荷载条件下岩石变形特征,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，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(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。,四、循环荷载条件下岩石变形特征,每次卸裁后再加载，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，好像不曾受到反复加载的影响似的，这种现象称为岩
49、石的变形记忆现象。,五、三轴压缩条件下岩石变形特征,大理岩试验结果：1、低围压，脆性状态；2、围压增至50MPa，脆性到塑性转化的过渡状态；3、围压增至68.5MPa时，塑性流动状态；4、围压增至165MPa时，试件承载力(13)则随围压稳定增长，出现应变硬化现象。,岩石由脆性转化为塑性的临界围压称为转化压力。岩石越坚硬，转化压力越大。,五、三轴压缩条件下岩石变形特征,几种岩石的转化压力,三轴压缩条件下，随着围压（23)的增大，岩石的变形特征为：、抗压强度显著增加；、变形显著增大；、弹性极限显著增大；、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。,五、三轴压缩条
50、件下岩石变形特征,花岗岩应力应变曲线,六、岩石的扩容,岩石的扩容现象是岩石具有的一种普遍性质，是岩石在荷载作用下，在其破坏之前产生的一种明显的非弹性体积变形。研究岩石的扩容不仅可以深入地了解岩石的性质，同时还可以预测岩石的破坏。,六、岩石的扩容,1、岩石体积应变V：取一微小的立方体岩石试件，设各边长dx、dy、dz，其体积为dv=dxdydz,受载后各边的长度为:,变形后的体积为:,六、岩石的扩容,变形后的体积增量为:,岩石试件的体积应变为:,展开，略去高阶微量，可得:,六、岩石的扩容,2、弹性范围体变与应力关系：弹性本构关系:,六、岩石的扩容,六、岩石的扩容,六、岩石的扩容,(2)体积不变阶
