巖石力學(xué)性質(zhì)-巖石變形

1、11 巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石的變形巖石的變形上節(jié)課講過(guò)：上節(jié)課講過(guò)：巖石的強(qiáng)度：巖石的強(qiáng)度：巖石抵抗外力作用的能力，巖石破壞時(shí)能夠承受的最大應(yīng)力。本節(jié)課接著講：本節(jié)課接著講：巖石的變形：巖石的變形：巖石在外力作用下發(fā)生形態(tài)（形狀、體積）變化。巖石在荷載作用下，首先發(fā)生的物理力學(xué)現(xiàn)象是變形。隨著荷載的不斷增加，或在恒定載荷作用下，隨時(shí)間的增長(zhǎng)，巖石變形逐漸增大，最終導(dǎo)致巖石破壞。巖石變形過(guò)程中表現(xiàn)出彈性、塑性、粘性、脆性和延性等性質(zhì)。2 1.5 巖石變形性質(zhì)的幾個(gè)基本概念巖石變形性質(zhì)的幾個(gè)基本概念 1）彈性）彈性(elasticity)： 物體在受外力作用的瞬間即產(chǎn)生全部變形，而去除外力(卸載)后又

2、能立即恢復(fù)其原有形狀和尺寸的性質(zhì)稱(chēng)為彈性。 彈性體按其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系又可分為兩種類(lèi)型： 線(xiàn)彈性體：應(yīng)力應(yīng)變呈直線(xiàn)關(guān)系。 非線(xiàn)性彈性體：應(yīng)力應(yīng)變呈非直線(xiàn)的關(guān)系。3 線(xiàn)彈性體，其應(yīng)力應(yīng)變呈直線(xiàn)關(guān)系 =E 非線(xiàn)性彈性體，其應(yīng)力應(yīng)變呈非直線(xiàn)的關(guān)系 =f()4 2）塑性（）塑性（plasticity） ：物體受力后產(chǎn)生變形，在外力去除（卸載）后變形不能完全恢復(fù)的性質(zhì)，稱(chēng)為塑性。 不能恢復(fù)的那部分變形稱(chēng)為塑性變形，或稱(chēng)永久變形，殘余變形。 在外力作用下只發(fā)生塑性變形的物體，稱(chēng)為理想塑性體。 理想塑性體，當(dāng)應(yīng)力低于屈服極限時(shí)，材料沒(méi)有變形，應(yīng)力達(dá)到后，變形不斷增大而應(yīng)力不變，應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)呈水平直線(xiàn). 5 理想

3、塑性體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系: 當(dāng) 黏性與時(shí)間有關(guān) 其應(yīng)力應(yīng)變速率關(guān)系為過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的直線(xiàn)的物質(zhì)稱(chēng)為理想粘性體（如牛頓流體），如圖所示。 應(yīng)力應(yīng)變速率關(guān)系： = d/dt o d/dt7 4）脆性）脆性 (brittle): 物體受力后，變形很小時(shí)就發(fā)生破裂的性質(zhì)。 工程上一般以5為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分，總應(yīng)變大于5者為塑性材料，反之為脆性材料。 赫德(Heard，1963)以3和5為界限，將巖石劃分三類(lèi)：總應(yīng)變小于3者為脆性巖石；總應(yīng)變?cè)?5者為半脆性或脆延性巖石；總應(yīng)變大于5者為延性巖石。 按以上標(biāo)準(zhǔn)，大部分地表巖石在低圍壓條件下都是脆性或半脆性的。 當(dāng)然巖石的延性與脆性是相對(duì)的，在一定的條件下可以相互轉(zhuǎn)化

4、，如在高溫高壓條件下，脆性巖石可表現(xiàn)很高的延性。8 5）延性）延性 (ductile): 物體能承受較大塑性變形而不喪失其承載力的性質(zhì)，稱(chēng)為延性。 巖石是礦物的集合體，具有復(fù)雜的組成成分和結(jié)構(gòu)，因此其力學(xué)屬性也是很復(fù)雜的。這一面受巖石成分與結(jié)構(gòu)的影響； 另一方面還和它的受力條件，如荷載的大小及其組合情況、加載方式與速率及應(yīng)力路徑等密切相關(guān)。 例如，在常溫常壓下，巖石既不是理想的彈性材料，也不簡(jiǎn)單的塑性和粘性材料，而往往表現(xiàn)出彈一塑性、塑一彈性、彈一粘一塑或粘一彈性等性質(zhì)。 此外，巖體賦存的環(huán)境條件，如溫度、地下水與地應(yīng)力對(duì)其性狀的影響也很大。9 1.6 單軸壓縮條件巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)單軸壓縮條件

5、巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)6種類(lèi)型種類(lèi)型 巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)隨著巖石性質(zhì)不同有各種不同的類(lèi)型。 米勒（Mller）采用28種巖石進(jìn)行大量的單軸試驗(yàn)后，據(jù)峰值前應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)將巖石分成六種類(lèi)型，如圖所示。 10 類(lèi)型類(lèi)型 應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系是一直線(xiàn)或者近似直線(xiàn)，直到試件發(fā)生突然破壞為止。 由于塑性階段不明顯，這些巖石被稱(chēng)為彈性巖石彈性巖石。 例如：玄武巖、石英巖、白云巖以及極堅(jiān)固的石灰?guī)r。 類(lèi)型類(lèi)型 應(yīng)力較低時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)近似于直線(xiàn)，當(dāng)應(yīng)力增加到一定數(shù)值后，應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)向下彎曲，隨著應(yīng)力逐漸增加而曲線(xiàn)斜率也就越變?cè)叫?，直至破壞?由于這些巖石低應(yīng)力時(shí)表現(xiàn)出彈性，高應(yīng)力時(shí)表現(xiàn)出塑性，所以被稱(chēng)為彈彈塑性巖石塑性巖

6、石。 例如：較弱的石灰?guī)r、泥巖以及凝灰?guī)r等。 類(lèi)型類(lèi)型 在應(yīng)力較低時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)略向上彎曲。當(dāng)應(yīng)力增加到一定數(shù)值后，應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)逐漸變?yōu)橹本€(xiàn)，直至發(fā)生破壞。 由于這些巖石低應(yīng)力時(shí)表現(xiàn)出塑性，高應(yīng)力時(shí)表現(xiàn)出彈性，所以被稱(chēng)為塑塑彈性巖石彈性巖石。 例如：砂巖、花崗巖、片理平行于壓力方向的片巖以及某些輝綠巖等。11 類(lèi)型類(lèi)型 應(yīng)力較低時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)向上彎曲，當(dāng)壓力增加到一定值后，變形曲線(xiàn)成為直線(xiàn)，最后，曲線(xiàn)向下彎曲，曲線(xiàn)似S型。 由于這些巖石低應(yīng)力時(shí)表現(xiàn)出塑性，高應(yīng)力時(shí)表現(xiàn)出彈性，破壞前又表現(xiàn)出塑性，所以被稱(chēng)為塑彈塑性巖石。 例如：大多數(shù)為變質(zhì)巖（大理巖、片麻巖等）。 類(lèi)型類(lèi)型 基本上與類(lèi)型相同

7、，也呈S型，不過(guò)曲線(xiàn)斜率較平緩。一般發(fā)生在壓縮性較高的巖石中。應(yīng)力垂直于片理的片巖具有這種性質(zhì)。 類(lèi)型類(lèi)型 應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)開(kāi)始先有很小一段直線(xiàn)部分，然后有非彈性的曲線(xiàn)部分，并繼續(xù)不斷地蠕變。 這類(lèi)材料被稱(chēng)為彈粘性巖石。 例如：巖鹽、某些軟弱巖石。12 1.7 巖石變形指標(biāo)及其確定巖石變形指標(biāo)及其確定 巖石的變形特性通常用彈性模量、變形模量和泊松比等指標(biāo)表示。 1)彈性模量和變形模量彈性模量和變形模量13 a. 線(xiàn)彈性巖石線(xiàn)彈性巖石 應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)具有近似直線(xiàn)的形式。 彈性模量：直線(xiàn)的斜率,也即應(yīng)力（ ）與應(yīng)變（）的比率被稱(chēng)為巖石的彈性模量，記為E。 其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系： =E 反復(fù)加卸載應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)仍

8、為直線(xiàn)。14 b.完全彈性巖石完全彈性巖石 巖石的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系不是直線(xiàn)，而是曲線(xiàn)。 對(duì)于任一應(yīng)變，都有唯一的應(yīng)力與之對(duì)應(yīng)，應(yīng)力是應(yīng)變的函數(shù)關(guān)系，即 =f（） 切線(xiàn)模量、初始模量和割線(xiàn)模量：由于應(yīng)力應(yīng)變是一曲線(xiàn)關(guān)系，所以這里沒(méi)有唯一的模量。但對(duì)于曲線(xiàn)上任一點(diǎn)的值，都有一個(gè)。譬如對(duì)應(yīng)于P點(diǎn)的值，切線(xiàn)模量就是P點(diǎn)在曲線(xiàn)上的切線(xiàn)PQ的斜率Et，曲線(xiàn)原點(diǎn)處的切線(xiàn)斜率Eo即為初始模量，而割線(xiàn)模量就是割線(xiàn)OP的斜率Es，通常取c/2處的割線(xiàn)模量。 Et = d/d; Es = / 反復(fù)加卸載當(dāng)荷載逐漸施加到任何點(diǎn)P，得加載曲線(xiàn)OP。如果在P點(diǎn)將荷載卸去，則卸載曲線(xiàn)仍沿原曲線(xiàn)OP路線(xiàn)退到原點(diǎn)O。15 c.彈性

9、巖石彈性巖石 巖石的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系不是直線(xiàn)，而是曲線(xiàn)，且卸載曲線(xiàn)不沿原加載路徑返回原點(diǎn)。 對(duì)于任一應(yīng)變，不是唯一的應(yīng)力與之對(duì)應(yīng)，應(yīng)力不是應(yīng)變的函數(shù)關(guān)系。 切線(xiàn)模量和割線(xiàn)模量：卸載曲線(xiàn)P點(diǎn)的切線(xiàn)PQ的斜率就是相應(yīng)于該應(yīng)力的卸載切線(xiàn)模量，它與加載切線(xiàn)模量不同。 而加、卸載的割線(xiàn)模量相同。 反復(fù)加卸載當(dāng)荷載逐漸施加到任何點(diǎn)P，得加載曲線(xiàn)OP。如果在P點(diǎn)將荷載卸去，則卸載曲線(xiàn)不沿原曲線(xiàn)OP路線(xiàn)退到原點(diǎn)O，如圖中虛線(xiàn)所示，這時(shí)產(chǎn)生了所謂滯回效應(yīng)滯回效應(yīng)。16 d.彈塑性巖石彈塑性巖石 巖石的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系不是直線(xiàn)，而是曲線(xiàn)，卸載曲線(xiàn)不沿原加載路徑返回，且應(yīng)變也不能恢復(fù)到原點(diǎn)O。 對(duì)于任一應(yīng)變，不是唯一的應(yīng)力

10、與之對(duì)應(yīng)，應(yīng)力不是應(yīng)變的函數(shù)關(guān)系。 彈性模量和變形模量： 彈性變形，以e表示；塑性變形，以p表示；總變形，以表示。 彈性模量E：把卸載曲線(xiàn)的割線(xiàn)的斜率作為彈性模量，即:E =PM/NM=/e 變形模量Eo：是正應(yīng)力與總應(yīng)變()之比，即： Eo =PM/OM=/=/(e+p) 塑性滯回環(huán)塑性滯回環(huán)：加載曲線(xiàn)與卸載曲線(xiàn)所組成的環(huán)，叫做塑性滯回環(huán)塑性滯回環(huán)。17 1.8 彈塑性巖石在循環(huán)荷載條件下的變形彈塑性巖石在循環(huán)荷載條件下的變形特征特征 在循環(huán)荷載條件下， 彈性巖石變形如何？如何？ 非彈性巖石（彈塑性） 的變形又如何呢？又如何呢？181)彈塑性巖石彈塑性巖石等荷載等荷載循環(huán)加載變形特征循環(huán)加載

11、變形特征 等荷載循環(huán)加載：等荷載循環(huán)加載：如果多次反復(fù)加如果多次反復(fù)加載與卸載，且每次施加的最大荷載與載與卸載，且每次施加的最大荷載與第一次施加的最大荷載一樣。第一次施加的最大荷載一樣。 塑性滯回環(huán)：塑性滯回環(huán)：則每次加、卸載曲線(xiàn)則每次加、卸載曲線(xiàn)都形成一個(gè)塑性滯回環(huán)。這些塑性滯都形成一個(gè)塑性滯回環(huán)。這些塑性滯回環(huán)隨著加、卸載的次數(shù)增加而回環(huán)隨著加、卸載的次數(shù)增加而愈來(lái)愈來(lái)愈狹窄愈狹窄，并且彼此愈來(lái)愈近，并且彼此愈來(lái)愈近，巖石愈巖石愈來(lái)愈接近彈性變形來(lái)愈接近彈性變形，一直到某次循環(huán)，一直到某次循環(huán)沒(méi)有塑性變形為止，如圖中的沒(méi)有塑性變形為止，如圖中的HH環(huán)。環(huán)。 臨界應(yīng)力：臨界應(yīng)力：當(dāng)循環(huán)應(yīng)力峰

12、值小于某當(dāng)循環(huán)應(yīng)力峰值小于某一數(shù)值時(shí)，循環(huán)次數(shù)即使很多，也不一數(shù)值時(shí)，循環(huán)次數(shù)即使很多，也不會(huì)導(dǎo)致試件破壞；而超過(guò)這一數(shù)值巖會(huì)導(dǎo)致試件破壞；而超過(guò)這一數(shù)值巖石將在某次循環(huán)中發(fā)生破壞（疲勞破石將在某次循環(huán)中發(fā)生破壞（疲勞破壞），這一數(shù)值稱(chēng)為臨界應(yīng)力。此時(shí)，壞），這一數(shù)值稱(chēng)為臨界應(yīng)力。此時(shí)，給定的應(yīng)力稱(chēng)為給定的應(yīng)力稱(chēng)為疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度。 192)彈塑性巖石彈塑性巖石增荷載增荷載循環(huán)加載變形特征循環(huán)加載變形特征 增荷載循環(huán)加載：增荷載循環(huán)加載：如果多次反復(fù)加如果多次反復(fù)加載、卸載循環(huán)，每次施加的最大荷載載、卸載循環(huán)，每次施加的最大荷載比前一次循環(huán)的最大荷載為大。比前一次循環(huán)的最大荷載為大。 塑性滯回

13、環(huán)：塑性滯回環(huán)：每次加、卸載曲線(xiàn)都每次加、卸載曲線(xiàn)都形成一個(gè)塑性滯回環(huán)。隨著循環(huán)次數(shù)形成一個(gè)塑性滯回環(huán)。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，塑性滯的增加，塑性滯回環(huán)的面積也有所擴(kuò)回環(huán)的面積也有所擴(kuò)大大，卸載曲線(xiàn)的斜率（它代表著巖石卸載曲線(xiàn)的斜率（它代表著巖石的彈性模量）也逐次略有增加的彈性模量）也逐次略有增加，表明，表明卸載應(yīng)力下的巖石材料彈性有所增強(qiáng)。卸載應(yīng)力下的巖石材料彈性有所增強(qiáng)。 巖石的記憶性：巖石的記憶性：每次卸載后再加載，每次卸載后再加載，在荷載超過(guò)上一次循環(huán)的最大荷載以在荷載超過(guò)上一次循環(huán)的最大荷載以后，變形曲線(xiàn)仍沿著原來(lái)的單調(diào)加載后，變形曲線(xiàn)仍沿著原來(lái)的單調(diào)加載曲線(xiàn)上升（圖中的曲線(xiàn)上升（圖中的

14、OC線(xiàn)），好象不線(xiàn)），好象不曾受到反復(fù)加載的影響似的，這種現(xiàn)曾受到反復(fù)加載的影響似的，這種現(xiàn)象稱(chēng)為巖石的變形記憶。象稱(chēng)為巖石的變形記憶。20 1.9 單軸壓縮條件下的巖石單軸壓縮條件下的巖石全應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)全應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn) 1）全應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)產(chǎn)生的背景）全應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)產(chǎn)生的背景 普通柔性實(shí)驗(yàn)機(jī)只能獲得峰值以前的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)。1966年以前所獲的的巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)均是峰值以前的曲線(xiàn)。 在普通柔性實(shí)驗(yàn)機(jī)上的試驗(yàn)現(xiàn)象是：巖石破壞的形式都是突發(fā)的：瞬間崩裂、碎塊四面飛射、伴有很大聲響。 o 21 在普通的試驗(yàn)機(jī)上，巖石達(dá)到其峰值強(qiáng)度后發(fā)生突發(fā)性破壞的根本原因根本原因：是試驗(yàn)機(jī)的剛度不夠大，這類(lèi)試驗(yàn)機(jī)稱(chēng)為“

15、柔”性試驗(yàn)機(jī)（Soft testing machine）。 由于試驗(yàn)機(jī)的剛度不夠大，在試驗(yàn)過(guò)程中試件受壓，試驗(yàn)機(jī)框架受拉，如圖所示。試驗(yàn)機(jī)受拉產(chǎn)生的彈性變形以應(yīng)變能的形式存在機(jī)器中。 當(dāng)施加的壓縮應(yīng)力超過(guò)巖石抗壓強(qiáng)度后，試件破壞。此時(shí)，試驗(yàn)機(jī)架迅速回彈，并將其內(nèi)部貯存的應(yīng)變能釋放到巖石試件上，從而引起巖石試件的急劇破裂和崩解。22 普通柔性實(shí)驗(yàn)機(jī)獲得結(jié)果與工程的矛盾：工程的矛盾： 試驗(yàn)結(jié)果表明，巖石超過(guò)其峰值強(qiáng)度后就完全破壞了，沒(méi)有任何承載能力了。與事實(shí)矛盾。 事實(shí)上，巖石超過(guò)其峰值強(qiáng)度后，發(fā)生了破壞，內(nèi)部出現(xiàn)破裂，其承載能力因而下降，但并沒(méi)有降到零，而是仍然具有一定的強(qiáng)度。 特別是在具有限制

16、應(yīng)力的條件下，情況更是如此。巖石開(kāi)挖工程的圍巖一般都處在周?chē)鷰r石的限制中，因而破壞時(shí)不可能發(fā)生突然崩解現(xiàn)象。 從另一方面看，地下巖石在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代中受到過(guò)各種力場(chǎng)的作用，經(jīng)歷過(guò)多次破壞，因而我們?cè)趲r石工程中面對(duì)的就是已經(jīng)發(fā)生過(guò)破壞的巖石（巖體）。 研究巖石超過(guò)其峰值強(qiáng)度破壞后的強(qiáng)度特征對(duì)巖石工程本身具有重要意義。 23 試驗(yàn)改進(jìn)試驗(yàn)改進(jìn)途徑途徑 提高試驗(yàn)機(jī)剛度，降低巖石試件剛度，增加伺服控制系統(tǒng)。試驗(yàn)系統(tǒng)組成：鋼架構(gòu)件、液壓柱、巖石試件。 a.提高試驗(yàn)機(jī)鋼架構(gòu)件的剛度：鋼架構(gòu)件的剛度系數(shù) Ks=EA/L . 增加鋼構(gòu)件的截面積 A，減小其長(zhǎng)度L。因此在許多剛性試驗(yàn)機(jī)上使用了幾個(gè)粗矮鋼柱以加強(qiáng)

17、。 b.提高試驗(yàn)機(jī)液壓柱剛度：液壓柱剛度系數(shù)Kf=kA/H. 應(yīng)增加液壓柱的截面積A，減小其長(zhǎng)度H；同時(shí)要增大液壓油的體積模量K。為此，在少數(shù)剛性試驗(yàn)機(jī)的液壓系統(tǒng)中用水銀代替普通液壓油。 c.減少巖石試件的剛度：減小試件截面積，增加其長(zhǎng)度。 d.增加伺服控制系統(tǒng)，控制巖石變形速度恒定。242）全應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)的特征）全應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)的特征1 1966年庫(kù)克（庫(kù)克（Cook)Cook)教授利用自制的剛性試驗(yàn)機(jī)獲得了的一條大理巖的全應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn),可將巖石變形分為下列四個(gè)階段: 孔隙裂隙壓密階段（OA段）：即試件中原有張開(kāi)性結(jié)構(gòu)面或微裂隙逐漸閉合，巖石被壓密，形成早期的非線(xiàn)性變形，曲線(xiàn)呈上凹型。在此階段

18、試件橫向膨脹較小，試件體積隨載荷增大而減小。本階段變形對(duì)裂隙化巖石來(lái)說(shuō)較明顯，而對(duì)堅(jiān)硬少裂隙的巖石則不明顯，甚至不顯現(xiàn)。 彈性變形至微彈性裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段（AC段：該階段的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)成近似直線(xiàn)型。其中，AB段為彈性變形階段，BC段為微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段。 25 非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段，或稱(chēng)累進(jìn)性破裂階段（CD段）：C點(diǎn)是巖石從彈性變?yōu)樗苄缘霓D(zhuǎn)折點(diǎn)，稱(chēng)為屈服點(diǎn)。相應(yīng)于該點(diǎn)的應(yīng)力為屈服極限，其值約為峰值強(qiáng)度的2/3。進(jìn)入本階段后，微破裂的發(fā)展出現(xiàn)了質(zhì)的變化，破裂不斷發(fā)展，直至試件完全破壞。試件由體積壓縮轉(zhuǎn)為擴(kuò)容，軸向應(yīng)變和體積應(yīng)變速率迅速增大。本階段的上界應(yīng)力稱(chēng)為峰值強(qiáng)度。 破裂后階段（D點(diǎn)以后段）：

19、巖塊承載力達(dá)到峰值強(qiáng)度后，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，但試件基本保持整體狀。到本階段，裂隙快速發(fā)展，交叉且相互聯(lián)合形成宏觀(guān)斷裂面。此后，巖塊變形主要表現(xiàn)為沿宏觀(guān)斷裂面的塊體滑移，試件承載力隨變形增大迅速下降，但并不降到零，說(shuō)明破裂的巖石仍有一定的承載力。263）全應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)的工程意義）全應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)的工程意義 揭示巖石試件破裂后，仍具有一定的承載能力。揭示巖石試件破裂后，仍具有一定的承載能力。27 預(yù)測(cè)巖爆。預(yù)測(cè)巖爆。 若AB，會(huì)產(chǎn)生巖爆 若BA，不產(chǎn)生巖爆。28關(guān)于關(guān)于“巖爆巖爆”發(fā)生機(jī)理的解釋發(fā)生機(jī)理的解釋29 預(yù)測(cè)蠕變破壞。預(yù)測(cè)蠕變破壞。 當(dāng)應(yīng)力水平在H點(diǎn)以下時(shí)保持應(yīng)力恒定，巖石試件不會(huì)發(fā)生蠕

20、變。 應(yīng)力水平在G H點(diǎn)之間保持恒定。蠕變應(yīng)變發(fā)展會(huì)和蠕變終止軌跡相交，蠕變將停止，巖石試件不會(huì)破壞。 若應(yīng)力水平在G點(diǎn)及以上保持恒定，則蠕變應(yīng)變發(fā)展就和全應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)的右半部，試件將發(fā)生破壞。30 預(yù)測(cè)循環(huán)加載條件下巖石的破壞。預(yù)測(cè)循環(huán)加載條件下巖石的破壞。 循環(huán)荷載：爆破，而且是動(dòng)荷載。 在高應(yīng)力水平下循環(huán)加載，巖石在很短時(shí)間內(nèi)就破壞。 在低應(yīng)力水平下循環(huán)加載，巖石可以經(jīng)歷相對(duì)較長(zhǎng)一段時(shí)間，巖石工程才會(huì)發(fā)生破壞。 所以，根據(jù)巖石受力水平，循環(huán)荷載的大小、周期、全應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)來(lái)預(yù)測(cè)循環(huán)加載條件下巖石破壞時(shí)間。311.10 三軸壓縮條件下的巖石變形特征三軸壓縮條件下的巖石變形特征 如圖所示的大

21、理巖大理巖，在圍壓為零或較低的情況下，巖石呈脆性狀態(tài)； 當(dāng)圍壓增大至50MPa時(shí)，巖石顯示出由脆性到塑性轉(zhuǎn)化的過(guò)渡狀態(tài)： 把巖石由脆性轉(zhuǎn)化為塑性的臨界圍壓稱(chēng)為轉(zhuǎn)化壓力。 圍壓增加到68.5MPa時(shí)，呈現(xiàn)出塑性流動(dòng)狀態(tài)； 圍壓增至165MPa時(shí),試件承載力則隨圍壓穩(wěn)定增長(zhǎng)，出現(xiàn)所謂應(yīng)變硬化現(xiàn)象。32 圍壓對(duì)巖石變形的影響得出如下結(jié)論： 隨著圍壓的增大，巖石的抗壓強(qiáng)度顯著增加； 隨著圍壓的增大，巖石的變形顯著增大； 隨著圍壓的增大，巖石的彈性極限顯著增大； 隨著圍壓的增大，巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)形態(tài)發(fā)生明顯改變；巖石的性質(zhì)發(fā)生了變化：由彈脆性彈塑性應(yīng)變硬化。 花崗巖花崗巖應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)331.11 巖石

22、的擴(kuò)容巖石的擴(kuò)容 擴(kuò)容：擴(kuò)容：當(dāng)外力繼續(xù)增加，巖石試件的體積不是減小，而是大幅度增加，且增長(zhǎng)速率越來(lái)越大，最終將導(dǎo)致巖石試件的破壞，這種體積明顯擴(kuò)大的現(xiàn)象稱(chēng)為擴(kuò)容 。 實(shí)驗(yàn)表明：體積應(yīng)變曲線(xiàn)可以分為三個(gè)階段： 體積變形階段 體積應(yīng)變?cè)趶椥噪A段內(nèi)隨應(yīng)力增加而呈線(xiàn)性變化（體積減?。?，在此階段內(nèi)，軸向壓縮應(yīng)變大于側(cè)向膨脹。稱(chēng)為體積變形階段。在此階段后期，隨應(yīng)力增加，巖石的體積變形曲線(xiàn)向左轉(zhuǎn)彎，開(kāi)始偏離直線(xiàn)段，出現(xiàn)擴(kuò)容。 在一般情況下，巖石開(kāi)始出現(xiàn)擴(kuò)容時(shí)的應(yīng)力約為其抗壓強(qiáng)度的1/31/2左右。34 體積不變階段 在這一階段內(nèi)，隨著應(yīng)力的增加，巖石雖有變形，但體積應(yīng)變?cè)隽拷诹?，即巖石體積大小幾乎沒(méi)有變

23、化。 在此階段內(nèi)可認(rèn)為軸向壓縮應(yīng)變等于側(cè)向膨脹，因此稱(chēng)為體積不變階段。 擴(kuò)容階段 當(dāng)外力繼續(xù)增加，巖石試件的體積不是減小，而是大幅度增加，且增長(zhǎng)速率越來(lái)越大，最終將導(dǎo)致巖石試件的破壞，這種體積明顯擴(kuò)大的現(xiàn)象稱(chēng)為擴(kuò)容，此階段稱(chēng)為擴(kuò)容階段。 在此階段內(nèi)，當(dāng)試件臨近破壞時(shí)，兩側(cè)向膨脹變形之和超過(guò)最大主應(yīng)力方向上的壓縮變形值。 這時(shí)，巖石試件的泊松比已經(jīng)不是一個(gè)常量。351.12影響巖石力學(xué)性質(zhì)的主要因素影響巖石力學(xué)性質(zhì)的主要因素1)水對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響水對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響 結(jié)合水：產(chǎn)生三種作用：連結(jié)作用、潤(rùn)滑作用、水楔作用。 連結(jié)作用：將礦物顆粒拉近、接緊，起連結(jié)作用。 潤(rùn)滑作用：可溶鹽溶解，膠

24、體水解，使原有的連結(jié)變成水膠連結(jié)，導(dǎo)致礦物顆粒間連結(jié)力減弱，摩擦力減低，水起到潤(rùn)滑劑的作用。 水楔作用：當(dāng)兩個(gè)礦物顆?？康煤芙?，有水分子補(bǔ)充到礦物表面時(shí)，礦物顆粒利用其表面吸著力將水分子拉到自己周?chē)趦蓚€(gè)顆粒接觸處由于吸著力作用使水分子向兩個(gè)礦物顆粒之間的縫隙內(nèi)擠入。36 當(dāng)巖石受壓時(shí)： 如壓應(yīng)力大于吸著力，水分子就被壓力從接觸點(diǎn)中擠出。 反之如壓應(yīng)力減小至低于吸著力，水分子就又?jǐn)D入兩顆粒之間，使兩顆粒間距增大。 這樣便產(chǎn)生兩種結(jié)果：一是巖石體積膨脹，如巖石處于不可變形的條件，便產(chǎn)生膨脹壓力；二是水膠連結(jié)代替膠體及可溶鹽連結(jié)，產(chǎn)生潤(rùn)滑作用，巖石強(qiáng)度降低。37 重力水：對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響主要

25、表現(xiàn)在孔隙水壓力作用和溶蝕、潛蝕作用。 孔隙壓力作用：孔隙壓力作用：孔隙壓力，減小了顆粒之間的壓應(yīng)力，從而降低了巖石的抗剪強(qiáng)度，使巖石的微裂隙端部處于受拉狀態(tài)從而破壞巖石的連結(jié)。 溶蝕潛蝕作用：溶蝕潛蝕作用：巖石中滲透水在其流動(dòng)過(guò)程中可將巖石中可溶物質(zhì)溶解帶走，有時(shí)將巖石中小顆粒沖走，使巖石強(qiáng)度大為降低，變形加大。 除了上述五種作用外，水在凍融時(shí)的脹縮作用對(duì)巖石力學(xué)強(qiáng)度破壞很大。38巖漿巖沉積巖變質(zhì)巖巖石名稱(chēng)軟化系數(shù)巖石名稱(chēng)軟化系數(shù)巖石名稱(chēng)軟化系數(shù)花崗巖0.720.97火山集塊巖0.60.8片麻巖0.750.97閃長(zhǎng)巖0.600.80火山角礫巖0.570.95石英片麻巖0.440.84閃長(zhǎng)玢巖

26、0.780.81安山凝灰集塊巖0.610.74角閃片巖0.440.84輝綠巖0.330.90凝灰?guī)r0.520.86云母片巖0.530.69流紋巖0.750.95礫巖0.500.96綠泥石片巖0.530.69安山巖0.810.91石英砂巖0.650.97千枚巖0.670.96玄武巖0.300.95泥質(zhì)砂巖，粉砂巖0.210.75硅質(zhì)板巖0.750.79泥巖0.400.60泥質(zhì)板巖0.390.52頁(yè)巖0.240.74石英巖0.940.96石灰?guī)r0.700.94泥灰?guī)r0.440.54392)溫度對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響溫度對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響 一般地?zé)崦吭黾?00米深度，溫度升高3。 高硫礦山、自燃礦物溫度高 地下深部研究、核廢料處理研究 一般來(lái)說(shuō)，隨著溫度的增高，巖石的延性加大，屈服點(diǎn)降低，強(qiáng)度降低。 如圖所示即為三種不同巖石在圍壓為500MPa，溫度由25升高到800時(shí)應(yīng)力應(yīng)變特征。40 玄武巖玄武巖 花崗巖花崗巖 白云巖白云巖 413)加載速率對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響加載速率對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響 加載速率愈大，彈性模量愈大； 加荷速率愈小，彈性模量愈小。 加載速率越大，獲得的強(qiáng)度指標(biāo)值越高。 國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)