巖石力學(xué)的性質(zhì)2ppt課件

1、1 巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石的變形上節(jié)課講過：上節(jié)課講過：巖石的強(qiáng)度：巖石抵抗外力作用的能力，巖石破壞巖石的強(qiáng)度：巖石抵抗外力作用的能力，巖石破壞時能夠承受的最大應(yīng)力。時能夠承受的最大應(yīng)力。本節(jié)課接著講：本節(jié)課接著講：巖石的變形：巖石在外力作用下發(fā)生形態(tài)形狀、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。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，形。隨著荷載的不斷增加，或在恒定載荷作用下，隨時間的增長，巖石變形逐漸增大，最終導(dǎo)致巖石隨時間的增長，巖石變形逐漸增大，最終導(dǎo)致巖石破壞。破壞。巖石變形

2、過程中表現(xiàn)出彈性、塑性、粘性、脆性和巖石變形過程中表現(xiàn)出彈性、塑性、粘性、脆性和延性等性質(zhì)。延性等性質(zhì)。 1.5 巖石變形性質(zhì)的幾個基本概念巖石變形性質(zhì)的幾個基本概念 1彈性彈性(elasticity)： 物體在受外力物體在受外力作用的瞬間即產(chǎn)生全部變形，而去除作用的瞬間即產(chǎn)生全部變形，而去除外力外力(卸載卸載)后又能立即恢復(fù)其原有形后又能立即恢復(fù)其原有形狀和尺寸的性質(zhì)稱為彈性。狀和尺寸的性質(zhì)稱為彈性。 彈性體按其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系又可分為彈性體按其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系又可分為兩種類型：兩種類型： 線彈性體：應(yīng)力應(yīng)變呈直線關(guān)系。線彈性體：應(yīng)力應(yīng)變呈直線關(guān)系。 非線性彈性體：應(yīng)力非線性彈性體：應(yīng)力應(yīng)變呈非直線

3、應(yīng)變呈非直線的關(guān)系。的關(guān)系。 線彈性體，其應(yīng)力應(yīng)變呈直線關(guān)系 =E 非線性彈性體，其應(yīng)力應(yīng)變呈非直線的關(guān)系 =f() 2塑性塑性plasticity） ：物體受力后產(chǎn)生：物體受力后產(chǎn)生變形，在外力去除卸載后變形不能完變形，在外力去除卸載后變形不能完全恢復(fù)的性質(zhì)，稱為塑性。全恢復(fù)的性質(zhì)，稱為塑性。 不能恢復(fù)的那部分變形稱為塑性變形，或不能恢復(fù)的那部分變形稱為塑性變形，或稱永久變形，殘余變形。稱永久變形，殘余變形。 在外力作用下只發(fā)生塑性變形的物體，稱在外力作用下只發(fā)生塑性變形的物體，稱為理想塑性體。為理想塑性體。 理想塑性體，當(dāng)應(yīng)力低于屈服極限時，材理想塑性體，當(dāng)應(yīng)力低于屈服極限時，材料沒有變形

4、，應(yīng)力達(dá)到后，變形不斷增大料沒有變形，應(yīng)力達(dá)到后，變形不斷增大而應(yīng)力不變，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈水平直線而應(yīng)力不變，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈水平直線. 理想塑性體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系: 當(dāng) 黏性與時間有關(guān)黏性與時間有關(guān) 其應(yīng)力應(yīng)變速率關(guān)系為過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線的物其應(yīng)力應(yīng)變速率關(guān)系為過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線的物質(zhì)稱為理想粘性體如牛頓流體），如下圖。質(zhì)稱為理想粘性體如牛頓流體），如下圖。 應(yīng)力應(yīng)變速率關(guān)系：應(yīng)力應(yīng)變速率關(guān)系： = d/dt o d/dt 4脆性脆性 (brittle): 物體受力后，變形很小物體受力后，變形很小時就發(fā)生破裂的性質(zhì)。時就發(fā)生破裂的性質(zhì)。 工程上一般以工程上一般以5為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分，總應(yīng)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分，

5、總應(yīng)變大于大于5者為塑性材料，反之為脆性材料。者為塑性材料，反之為脆性材料。 赫德赫德(Heard，1963)以以3和和5為界限，為界限，將巖石劃分三類：總應(yīng)變小于將巖石劃分三類：總應(yīng)變小于3者為脆性者為脆性巖石；總應(yīng)變在巖石；總應(yīng)變在35者為半脆性或脆者為半脆性或脆塑性巖石；總應(yīng)變大于塑性巖石；總應(yīng)變大于5者為塑性巖石。者為塑性巖石。 按以上標(biāo)準(zhǔn)，大部分地表巖石在低圍壓條按以上標(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。件下都是脆性或半脆性的。 當(dāng)然巖石的塑性與脆性是相對的，在一定當(dāng)然巖石的塑性與脆性是相對的，在一定的條件下可以相互轉(zhuǎn)化，如在高溫高壓條的條件下可以相互轉(zhuǎn)化，如在高溫

6、高壓條件下，脆性巖石可表現(xiàn)很高的塑性。件下，脆性巖石可表現(xiàn)很高的塑性。 5延性延性 (ductile): 物體能承受較大塑性變形而不物體能承受較大塑性變形而不喪失其承載力的性質(zhì)，稱為延性。喪失其承載力的性質(zhì)，稱為延性。 巖石是礦物的集合體，具有復(fù)雜的組成成分和結(jié)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；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)力路徑等密切相組合情況、加載方式與速率及應(yīng)力路徑等密切相關(guān)

7、。關(guān)。 例如，在常溫常壓下，巖石既不是理想的彈性材例如，在常溫常壓下，巖石既不是理想的彈性材料，也不簡單的塑性和粘性材料，而往往表現(xiàn)出料，也不簡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彈一塑性、塑一彈性、彈一粘一塑或粘一彈性等性質(zhì)。性質(zhì)。 此外，巖體賦存的環(huán)境條件，如溫度、地下水與此外，巖體賦存的環(huán)境條件，如溫度、地下水與地應(yīng)力對其性狀的影響也很大。地應(yīng)力對其性狀的影響也很大。 1.6 單軸壓縮條件巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線單軸壓縮條件巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線6種類型種類型 巖石的應(yīng)力巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線隨著巖石性質(zhì)不同有各種應(yīng)變曲線隨著巖石性質(zhì)不同有各種不同的類型。不同的類型。

8、 米勒米勒Mller采用采用28種巖石進(jìn)行大量的單軸試種巖石進(jìn)行大量的單軸試驗(yàn)后，據(jù)峰值前應(yīng)力驗(yàn)后，據(jù)峰值前應(yīng)力應(yīng)變曲線將巖石分成六種應(yīng)變曲線將巖石分成六種類型，如下圖。類型，如下圖。 類型類型 應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系是一直線或者近似直線，直到試應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系是一直線或者近似直線，直到試件發(fā)生突然破壞為止。件發(fā)生突然破壞為止。 由于塑性階段不明顯，這些巖石被稱為彈性巖石。由于塑性階段不明顯，這些巖石被稱為彈性巖石。 例如：玄武巖、石英巖、白云巖以及極堅(jiān)固的石灰?guī)r。例如：玄武巖、石英巖、白云巖以及極堅(jiān)固的石灰?guī)r。 類型類型 應(yīng)力較低時，應(yīng)力應(yīng)力較低時，應(yīng)力應(yīng)變曲線近似于直線，當(dāng)應(yīng)應(yīng)變曲線近似于直線，當(dāng)應(yīng)

9、力增加到一定數(shù)值后，應(yīng)力力增加到一定數(shù)值后，應(yīng)力應(yīng)變曲線向下彎曲，隨著應(yīng)變曲線向下彎曲，隨著應(yīng)力逐漸增加而曲線斜率也就越變越小，直至破壞。應(yīng)力逐漸增加而曲線斜率也就越變越小，直至破壞。 由于這些巖石低應(yīng)力時表現(xiàn)出彈性，高應(yīng)力時表現(xiàn)出塑由于這些巖石低應(yīng)力時表現(xiàn)出彈性，高應(yīng)力時表現(xiàn)出塑性，所以被稱為彈性，所以被稱為彈塑性巖石。塑性巖石。 例如：較弱的石灰?guī)r、泥巖以及凝灰?guī)r等。例如：較弱的石灰?guī)r、泥巖以及凝灰?guī)r等。 類型類型 在應(yīng)力較低時，應(yīng)力在應(yīng)力較低時，應(yīng)力應(yīng)變曲線略向上彎曲。當(dāng)應(yīng)變曲線略向上彎曲。當(dāng)應(yīng)力增加到一定數(shù)值后，應(yīng)力應(yīng)力增加到一定數(shù)值后，應(yīng)力應(yīng)變曲線逐漸變?yōu)橹本€，應(yīng)變曲線逐漸變?yōu)橹本€，

10、直至發(fā)生破壞。直至發(fā)生破壞。 由于這些巖石低應(yīng)力時表現(xiàn)出塑性，高應(yīng)力時表現(xiàn)出彈由于這些巖石低應(yīng)力時表現(xiàn)出塑性，高應(yīng)力時表現(xiàn)出彈性，所以被稱為塑性，所以被稱為塑彈性巖石。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。某些輝綠巖等。 類型類型 應(yīng)力較低時，應(yīng)力應(yīng)力較低時，應(yīng)力應(yīng)變曲線向上彎曲，應(yīng)變曲線向上彎曲，當(dāng)壓力增加到一定值后，變形曲線成為直線，最當(dāng)壓力增加到一定值后，變形曲線成為直線，最后，曲線向下彎曲，曲線似后，曲線向下彎曲，曲線似S型。型。 由于這些巖石低應(yīng)力時表現(xiàn)出塑性，高應(yīng)力時表由于這些巖石低應(yīng)力時表現(xiàn)出塑性

11、，高應(yīng)力時表現(xiàn)出彈性，破壞前又表現(xiàn)出塑性，所以被稱為現(xiàn)出彈性，破壞前又表現(xiàn)出塑性，所以被稱為塑塑彈彈塑性巖石。塑性巖石。 例如：大多數(shù)為變質(zhì)巖大理巖、片麻巖等）。例如：大多數(shù)為變質(zhì)巖大理巖、片麻巖等）。 類型類型 基本上與類型基本上與類型一樣，也呈一樣，也呈S型，不過曲型，不過曲線斜率較平緩。一般發(fā)生在壓縮性較高的巖石中。線斜率較平緩。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)。應(yīng)力垂直于片理的片巖具有這種性質(zhì)。 類型類型 應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變曲線開始先有很小一段直線應(yīng)變曲線開始先有很小一段直線部分，然后有非彈性的曲線部分，并繼續(xù)不斷地部分，然后有非彈性的曲線部分，并繼續(xù)不斷地蠕變

12、。蠕變。 這類材料被稱為彈這類材料被稱為彈粘性巖石。粘性巖石。 例如：巖鹽、某些軟弱巖石。例如：巖鹽、某些軟弱巖石。 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。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 a. 線彈性巖石線彈性巖石 應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變曲線具有近似直線的形式。應(yīng)變曲線具有近似直線的形式。 彈性模量：直線的斜率彈性模量：直線的斜率,也即應(yīng)力（也即應(yīng)力（ ）與應(yīng)變與應(yīng)變的比率被稱為巖石的彈性模量，的比率被稱為巖石的彈性模量，記為記為E。 其應(yīng)力其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系：應(yīng)變關(guān)系

13、： =E 反復(fù)加卸載應(yīng)力反復(fù)加卸載應(yīng)力應(yīng)變曲線仍為直線。應(yīng)變曲線仍為直線。 b.完全彈性巖石完全彈性巖石 巖石的應(yīng)力巖石的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系不是直線，而是應(yīng)變關(guān)系不是直線，而是曲線。曲線。 對于任一應(yīng)變對于任一應(yīng)變，都有唯一的應(yīng)力，都有唯一的應(yīng)力與之與之對應(yīng)，應(yīng)力是應(yīng)變的函數(shù)關(guān)系，即對應(yīng)，應(yīng)力是應(yīng)變的函數(shù)關(guān)系，即 =f） 切線模量、初始模量和割線模量：由于切線模量、初始模量和割線模量：由于應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變是一曲線關(guān)系，所以這里沒有應(yīng)變是一曲線關(guān)系，所以這里沒有唯一的模量。但對于曲線上任一點(diǎn)的值，唯一的模量。但對于曲線上任一點(diǎn)的值，都有一個。譬如對應(yīng)于都有一個。譬如對應(yīng)于P點(diǎn)的值，切線模量點(diǎn)的值，切線模量

14、就是就是P點(diǎn)在曲線上的切線點(diǎn)在曲線上的切線PQ的斜率的斜率Et，曲，曲線原點(diǎn)處的切線斜率線原點(diǎn)處的切線斜率Eo即為初始模量，而即為初始模量，而割線模量就是割線割線模量就是割線OP的斜率的斜率Es，通常取，通常取c/2處的割線模量。處的割線模量。 Et = d/d; Es = / 反復(fù)加卸載當(dāng)荷載逐漸施加到任何點(diǎn)反復(fù)加卸載當(dāng)荷載逐漸施加到任何點(diǎn)P，得加載曲線得加載曲線OP。如果在。如果在P點(diǎn)將荷載卸去，點(diǎn)將荷載卸去，則卸載曲線仍沿原曲線則卸載曲線仍沿原曲線OP路線退到原點(diǎn)路線退到原點(diǎn)O。 c.彈性巖石彈性巖石 巖石的應(yīng)力巖石的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系不是直線，而是應(yīng)變關(guān)系不是直線，而是曲線，且卸載曲線不沿原

15、加載路徑返回原曲線，且卸載曲線不沿原加載路徑返回原點(diǎn)。點(diǎn)。 對于任一應(yīng)變對于任一應(yīng)變，不是唯一的應(yīng)力，不是唯一的應(yīng)力與之與之對應(yīng)，應(yīng)力不是應(yīng)變的函數(shù)關(guān)系。對應(yīng)，應(yīng)力不是應(yīng)變的函數(shù)關(guān)系。 切線模量和割線模量：卸載曲線切線模量和割線模量：卸載曲線P點(diǎn)的切點(diǎn)的切線線PQ的斜率就是相應(yīng)于該應(yīng)力的卸載切的斜率就是相應(yīng)于該應(yīng)力的卸載切線模量，它與加載切線模量不同。線模量，它與加載切線模量不同。 而加、卸載的割線模量相同。而加、卸載的割線模量相同。 反復(fù)加卸載當(dāng)荷載逐漸施加到任何點(diǎn)反復(fù)加卸載當(dāng)荷載逐漸施加到任何點(diǎn)P，得加載曲線得加載曲線OP。如果在。如果在P點(diǎn)將荷載卸去，點(diǎn)將荷載卸去，則卸載曲線不沿原曲線則

16、卸載曲線不沿原曲線OP路線退到原點(diǎn)路線退到原點(diǎn)O，如圖中虛線所示，這時產(chǎn)生了所謂滯回效如圖中虛線所示，這時產(chǎn)生了所謂滯回效應(yīng)。應(yīng)。 d.彈塑性巖石彈塑性巖石 巖石的應(yīng)力巖石的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系不是直線，而是曲線，應(yīng)變關(guān)系不是直線，而是曲線，卸載曲線不沿原加載路徑返回，且應(yīng)變也不能恢卸載曲線不沿原加載路徑返回，且應(yīng)變也不能恢復(fù)到原點(diǎn)復(fù)到原點(diǎn)O。 對于任一應(yīng)變對于任一應(yīng)變，不是唯一的應(yīng)力，不是唯一的應(yīng)力與之對應(yīng)，與之對應(yīng)，應(yīng)力不是應(yīng)變的函數(shù)關(guān)系。應(yīng)力不是應(yīng)變的函數(shù)關(guān)系。 彈性模量和變形模量：彈性模量和變形模量： 彈性變形，以彈性變形，以e表示；塑性變形，以表示；塑性變形，以p表示；總表示；總變形，以變形

17、，以表示。表示。 彈性模量彈性模量E：把卸載曲線的割線的斜率作為彈性：把卸載曲線的割線的斜率作為彈性模量，即模量，即:E =PM/NM=/e 變形模量變形模量Eo：是正應(yīng)力與總應(yīng)變：是正應(yīng)力與總應(yīng)變()之比，即：之比，即： Eo =PM/OM=/=/(e+p) 塑性滯回環(huán)：加載曲線與卸載曲線所組成的環(huán)，塑性滯回環(huán)：加載曲線與卸載曲線所組成的環(huán)，叫做塑性滯回環(huán)。叫做塑性滯回環(huán)。 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，在循環(huán)荷載條件下， 彈性巖石變形如何？彈性巖石變形如何？ 非彈性巖石彈塑性）非彈性巖石彈塑性） 的變形又如何呢？的變形又

18、如何呢？1)彈塑性巖石等荷載循環(huán)加載變形特征彈塑性巖石等荷載循環(huán)加載變形特征 等荷載循環(huán)加載：如果多次反復(fù)加等荷載循環(huán)加載：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)：則每次加、卸載曲線塑性滯回環(huán)：則每次加、卸載曲線都形成一個塑性滯回環(huán)。這些塑性滯都形成一個塑性滯回環(huán)。這些塑性滯回環(huán)隨著加、卸載的次數(shù)增加而愈來回環(huán)隨著加、卸載的次數(shù)增加而愈來愈狹窄，并且彼此愈來愈近，巖石愈愈狹窄，并且彼此愈來愈近，巖石愈來愈接近彈性變形，一直到某次循環(huán)來愈接近彈性變形，一直到某次循環(huán)沒有塑性變形為止，如圖中的沒

19、有塑性變形為止，如圖中的HHHH環(huán)。環(huán)。 臨界應(yīng)力：當(dāng)循環(huán)應(yīng)力峰值小于某臨界應(yīng)力：當(dāng)循環(huán)應(yīng)力峰值小于某一數(shù)值時，循環(huán)次數(shù)即使很多，也不一數(shù)值時，循環(huán)次數(shù)即使很多，也不會導(dǎo)致試件破壞；而超過這一數(shù)值巖會導(dǎo)致試件破壞；而超過這一數(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)值稱為臨界應(yīng)力。此時，壞），這一數(shù)值稱為臨界應(yīng)力。此時，給定的應(yīng)力稱為疲勞強(qiáng)度。給定的應(yīng)力稱為疲勞強(qiáng)度。 2)彈塑性巖石增荷載循環(huán)加載變形特征彈塑性巖石增荷載循環(huán)加載變形特征 增荷載循環(huán)加載：如果多次反復(fù)加增荷載循環(huán)加載：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

20、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。 塑性滯回環(huán)：每次加、卸載曲線都塑性滯回環(huán)：每次加、卸載曲線都形成一個塑性滯回環(huán)。隨著循環(huán)次數(shù)形成一個塑性滯回環(huán)。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，塑性滯回環(huán)的面積也有所擴(kuò)的增加，塑性滯回環(huán)的面積也有所擴(kuò)大，卸載曲線的斜率它代表著巖石大，卸載曲線的斜率它代表著巖石的彈性模量也逐次略有增加，表明的彈性模量也逐次略有增加，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：每次卸載后再加載，巖石的記憶性：每次卸載后再加載，在荷載超過上一次循環(huán)的最大荷載以在荷載超過上一次循環(huán)的最大荷載以后，變形曲線仍沿著原來的單調(diào)加載后

21、，變形曲線仍沿著原來的單調(diào)加載曲線上升圖中的曲線上升圖中的OCOC線），好象不曾線），好象不曾受到反復(fù)加載的影響似的，這種現(xiàn)象受到反復(fù)加載的影響似的，這種現(xiàn)象稱為巖石的變形記憶。稱為巖石的變形記憶。 1.9 單軸壓縮條件下的巖石全應(yīng)力應(yīng)變曲線單軸壓縮條件下的巖石全應(yīng)力應(yīng)變曲線 1全應(yīng)力應(yīng)變曲線產(chǎn)生的背景全應(yīng)力應(yīng)變曲線產(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。曲線。1966年以前所獲的的巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線年以前所獲的的巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線均是峰值以前的曲線。均是峰值以前的曲線。 在普通柔性實(shí)驗(yàn)機(jī)上的試驗(yàn)現(xiàn)象是：巖石破壞的形在普通柔性實(shí)驗(yàn)機(jī)上的試驗(yàn)

22、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、伴有很式都是突發(fā)的：瞬間崩裂、碎塊四面飛射、伴有很大聲響。大聲響。 o 在普通的試驗(yàn)機(jī)上，巖在普通的試驗(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：突發(fā)性破壞的根本原因：是試驗(yàn)機(jī)的剛度不夠大，是試驗(yàn)機(jī)的剛度不夠大，這類試驗(yàn)機(jī)稱為這類試驗(yàn)機(jī)稱為“柔性柔性試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)機(jī)Soft testing Soft testing machinemachine）。）。 由于試驗(yàn)機(jī)的剛度不夠大，由于試驗(yàn)機(jī)的剛度不夠大，在試驗(yàn)過程中試件受壓，在試驗(yàn)過程中試件受壓，試驗(yàn)機(jī)框架受拉，如下圖。試驗(yàn)機(jī)框架受拉，如下圖。試驗(yàn)機(jī)受拉產(chǎn)生的彈

23、性變試驗(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)形以應(yīng)變能的形式存在機(jī)器中。器中。 當(dāng)施加的壓縮應(yīng)力超過巖當(dāng)施加的壓縮應(yīng)力超過巖石抗壓強(qiáng)度后，試件破壞。石抗壓強(qiáng)度后，試件破壞。此時，試驗(yàn)機(jī)架迅速回彈，此時，試驗(yàn)機(jī)架迅速回彈，并將其內(nèi)部貯存的應(yīng)變能并將其內(nèi)部貯存的應(yīng)變能釋放到巖石試件上，從而釋放到巖石試件上，從而引起巖石試件的急劇破裂引起巖石試件的急劇破裂和崩解。和崩解。 普通柔性實(shí)驗(yàn)機(jī)獲得結(jié)果與工程的矛盾：普通柔性實(shí)驗(yàn)機(jī)獲得結(jié)果與工程的矛盾： 試驗(yàn)結(jié)果表明，巖石超過其峰值強(qiáng)度后就完全破試驗(yàn)結(jié)果表明，巖石超過其峰值強(qiáng)度后就完全破壞了，沒有任何承載能力了。與事實(shí)矛盾。壞了，沒有任何承載能力了。與事

24、實(shí)矛盾。 事實(shí)上，巖石超過其峰值強(qiáng)度后，發(fā)生了破壞，事實(shí)上，巖石超過其峰值強(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，但并沒有內(nèi)部出現(xiàn)破裂，其承載能力因而下降，但并沒有降到零，而是仍然具有一定的強(qiáng)度。降到零，而是仍然具有一定的強(qiáng)度。 特別是在具有限制應(yīng)力的條件下，情況更是如此。特別是在具有限制應(yīng)力的條件下，情況更是如此。巖石開挖工程的圍巖一般都處在周圍巖石的限制巖石開挖工程的圍巖一般都處在周圍巖石的限制中，因而破壞時不可能發(fā)生突然崩解現(xiàn)象。中，因而破壞時不可能發(fā)生突然崩解現(xiàn)象。 從另一方面看，地下巖石在漫長的地質(zhì)年代中受從另一方面看，地下巖石在漫長的地質(zhì)年代中受到過各種力場的作用，經(jīng)

25、歷過多次破壞，因而我到過各種力場的作用，經(jīng)歷過多次破壞，因而我們在巖石工程中面對的就是已經(jīng)發(fā)生過破壞的巖們在巖石工程中面對的就是已經(jīng)發(fā)生過破壞的巖石巖體）。石巖體）。 研究巖石超過其峰值強(qiáng)度破壞后的強(qiáng)度特征對巖研究巖石超過其峰值強(qiáng)度破壞后的強(qiáng)度特征對巖石工程本身具有重要意義。石工程本身具有重要意義。 試驗(yàn)改進(jìn)途徑試驗(yàn)改進(jìn)途徑 提高試驗(yàn)機(jī)剛度，降低巖石試件剛度，增加伺服提高試驗(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、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。巖石試件。 a.a.提高試驗(yàn)機(jī)鋼架構(gòu)件的剛度：鋼架構(gòu)件的剛度提高試驗(yàn)機(jī)鋼架構(gòu)件的剛度：鋼架構(gòu)件

26、的剛度系數(shù)系數(shù) Ks=EA/L .Ks=EA/L . 增加鋼構(gòu)件的截面積增加鋼構(gòu)件的截面積 A A，減小其長度，減小其長度L L。因此在。因此在許多剛性試驗(yàn)機(jī)上使用了幾個粗矮鋼柱以加強(qiáng)。許多剛性試驗(yàn)機(jī)上使用了幾個粗矮鋼柱以加強(qiáng)。 b.b.提高試驗(yàn)機(jī)液壓柱剛度：液壓柱剛度系數(shù)提高試驗(yàn)機(jī)液壓柱剛度：液壓柱剛度系數(shù)Kf=kA/H.Kf=kA/H. 應(yīng)增加液壓柱的截面積應(yīng)增加液壓柱的截面積A A，減小其長度，減小其長度H H；同時要；同時要增大液壓油的體積模量增大液壓油的體積模量K K。為此，在少數(shù)剛性試。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。驗(yàn)機(jī)的液壓系統(tǒng)中用水銀代替普通液壓油。

27、c.c.減少巖石試件的剛度：減小試件截面積，增加減少巖石試件的剛度：減小試件截面積，增加其長度。其長度。 d.d.增加伺服控制系統(tǒng)，控制巖石變形速度恒定。增加伺服控制系統(tǒng)，控制巖石變形速度恒定。2全應(yīng)力應(yīng)變曲線的特征全應(yīng)力應(yīng)變曲線的特征1966年庫克年庫克Cook)教授利用自制的剛性試驗(yàn)機(jī)獲得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)變曲線了的一條大理巖的全應(yīng)力應(yīng)變曲線,可將巖石變形分可將巖石變形分為下列四個階段為下列四個階段: 孔隙裂隙壓密階段孔隙裂隙壓密階段OAOA段）：即段）：即試件中原有張開性結(jié)構(gòu)面或微裂隙逐試件中原有張開性結(jié)構(gòu)面或微裂隙逐漸閉合，巖石被壓密，形成早期的非漸閉

28、合，巖石被壓密，形成早期的非線性變形，線性變形，曲線呈上凹型。在曲線呈上凹型。在此階段試件橫向膨脹較小，試件體積此階段試件橫向膨脹較小，試件體積隨載荷增大而減小。本階段變形對裂隨載荷增大而減小。本階段變形對裂隙化巖石來說較明顯，而對堅(jiān)硬少裂隙化巖石來說較明顯，而對堅(jiān)硬少裂隙的巖石則不明顯，甚至不顯現(xiàn)。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)展彈性變形至微彈性裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段階段ACAC段：該階段的應(yīng)力段：該階段的應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)變曲線成近似直線型。其中，曲線成近似直線型。其中，ABAB段為彈段為彈性變形階段，性變形階段，BCBC段為微破裂穩(wěn)定發(fā)展段為微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段。階段。 非穩(wěn)

29、定破裂發(fā)展階段，或稱累非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段，或稱累進(jìn)性破裂階段進(jìn)性破裂階段CDCD段）：段）：C C點(diǎn)是巖點(diǎn)是巖石從彈性變?yōu)樗苄缘霓D(zhuǎn)折點(diǎn)，稱石從彈性變?yōu)樗苄缘霓D(zhuǎn)折點(diǎn)，稱為屈服點(diǎn)。相應(yīng)于該點(diǎn)的應(yīng)力為為屈服點(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)度的屈服極限，其值約為峰值強(qiáng)度的2/32/3。進(jìn)入本階段后，微破裂的發(fā)。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。本階段體積應(yīng)變速率迅速增大。本階段的上界應(yīng)力稱為峰值強(qiáng)度。的上界應(yīng)力

30、稱為峰值強(qiáng)度。 破裂后階段破裂后階段D D點(diǎn)以后段）：巖點(diǎn)以后段）：巖塊承載力達(dá)到峰值強(qiáng)度后，其內(nèi)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)合形成宏觀發(fā)展，交叉且相互聯(lián)合形成宏觀斷裂面。以后，巖塊變形主要表斷裂面。以后，巖塊變形主要表現(xiàn)為沿宏觀斷裂面的塊體滑移，現(xiàn)為沿宏觀斷裂面的塊體滑移，試件承載力隨變形增大迅速下降，試件承載力隨變形增大迅速下降，但并不降到零，說明破裂的巖石但并不降到零，說明破裂的巖石仍有一定的承載力。仍有一定的承載力。3全應(yīng)力應(yīng)變曲線的工程意義全應(yīng)力應(yīng)變曲線的

31、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。 預(yù)測巖爆。預(yù)測巖爆。 若若ABAB，會產(chǎn)生巖爆，會產(chǎn)生巖爆 若若BABA，不產(chǎn)生巖爆。，不產(chǎn)生巖爆。關(guān)于關(guān)于“巖爆發(fā)生機(jī)理的解釋巖爆發(fā)生機(jī)理的解釋 預(yù)測蠕變破壞。預(yù)測蠕變破壞。 當(dāng)應(yīng)力水平在當(dāng)應(yīng)力水平在H H點(diǎn)以下時保持應(yīng)力恒定，巖石試點(diǎn)以下時保持應(yīng)力恒定，巖石試件不會發(fā)生蠕變。件不會發(fā)生蠕變。 應(yīng)力水平在應(yīng)力水平在G G H H點(diǎn)之間保持恒定。蠕變應(yīng)變發(fā)點(diǎn)之間保持恒定。蠕變應(yīng)變發(fā)展會和蠕變終止軌跡相交，蠕變將停止，巖石試展會和蠕變終止軌跡相交，蠕變將停止，巖石試件不會破壞。件不會破壞。 若應(yīng)力水平

32、在若應(yīng)力水平在G G點(diǎn)及以上保持恒定，則蠕變應(yīng)變點(diǎn)及以上保持恒定，則蠕變應(yīng)變發(fā)展就和全應(yīng)力發(fā)展就和全應(yīng)力應(yīng)變曲線的右半部，試件將發(fā)應(yīng)變曲線的右半部，試件將發(fā)生破壞。生破壞。 預(yù)測循環(huán)加載條件下巖石的破壞。預(yù)測循環(huán)加載條件下巖石的破壞。 循環(huán)荷載：爆破，而且是動荷載。循環(huán)荷載：爆破，而且是動荷載。 在高應(yīng)力水平下循環(huán)加載，巖石在很短時間內(nèi)就在高應(yīng)力水平下循環(huán)加載，巖石在很短時間內(nèi)就破壞。破壞。 在低應(yīng)力水平下循環(huán)加載，巖石可以經(jīng)歷相對較在低應(yīng)力水平下循環(huán)加載，巖石可以經(jīng)歷相對較長一段時間，巖石工程才會發(fā)生破壞。長一段時間，巖石工程才會發(fā)生破壞。 所以，根據(jù)巖石受力水平，循環(huán)荷載的大小、周所以，根

33、據(jù)巖石受力水平，循環(huán)荷載的大小、周期、全應(yīng)力期、全應(yīng)力應(yīng)變曲線來預(yù)測循環(huán)加載條件下巖應(yīng)變曲線來預(yù)測循環(huán)加載條件下巖石破壞時間。石破壞時間。1.10 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，巖石顯示出由脆性到塑性轉(zhuǎn)化的過渡狀態(tài)： 把巖石由脆性轉(zhuǎn)化為塑性的臨界圍壓稱為轉(zhuǎn)化壓力。 圍壓增加到68.5MPa時，呈現(xiàn)出塑性流動狀態(tài)； 圍壓增至165MPa時,試件承載力則隨圍壓穩(wěn)定增長，出現(xiàn)所謂應(yīng)變硬化現(xiàn)象。 圍壓對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

34、，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。 花崗巖應(yīng)力應(yīng)變曲線1.11 巖石的擴(kuò)容巖石的擴(kuò)容 擴(kuò)容：當(dāng)外力繼續(xù)增加，巖石擴(kuò)容：當(dāng)外力繼續(xù)增加，巖石試件的體積不是減小，而是大試件的體積不是減小，而是大幅度增加，且增長速率越來越幅度增加，且增長速率越來越大，最終將導(dǎo)致巖石試件的破大，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)象壞，這種體積明顯擴(kuò)大的現(xiàn)象稱為擴(kuò)容稱為擴(kuò)容 。 實(shí)驗(yàn)表明：體積應(yīng)變曲線可以實(shí)驗(yàn)表明：體積應(yīng)變曲線可以分為三個階段：分為三個階段： 體積變形階段體積變形

35、階段 體積應(yīng)變在彈體積應(yīng)變在彈性階段內(nèi)隨應(yīng)力增加而呈線性性階段內(nèi)隨應(yīng)力增加而呈線性變化體積減小），在此階段變化體積減?。?，在此階段內(nèi)，軸向壓縮應(yīng)變大于側(cè)向膨內(nèi)，軸向壓縮應(yīng)變大于側(cè)向膨脹。稱為體積變形階段。在此脹。稱為體積變形階段。在此階段后期，隨應(yīng)力增加，巖石階段后期，隨應(yīng)力增加，巖石的體積變形曲線向左轉(zhuǎn)彎，開的體積變形曲線向左轉(zhuǎn)彎，開始偏離直線段，出現(xiàn)擴(kuò)容。始偏離直線段，出現(xiàn)擴(kuò)容。 在一般情況下，巖石開始出現(xiàn)在一般情況下，巖石開始出現(xiàn)擴(kuò)容時的應(yīng)力約為其抗壓強(qiáng)度擴(kuò)容時的應(yīng)力約為其抗壓強(qiáng)度的的1/31/2左右。左右。 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)變增量近于零

36、，即巖石體積大小幾乎沒有變化。 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，且增長速率越來越大，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)象稱為擴(kuò)容，此階段稱為擴(kuò)容階段。 在此階段內(nèi)，當(dāng)試件臨近破壞時，兩側(cè)向膨脹變形之和超過最大主應(yīng)力方向上的壓縮變形值。 這時，巖石試件的泊松比已經(jīng)不是一個常量。1.12影響巖石力學(xué)性質(zhì)的主要因素1)水對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響水對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響 結(jié)合水：產(chǎn)生三種作用：連結(jié)作用、潤滑作用、水楔作結(jié)合水：產(chǎn)生三種作用：連結(jié)作用、潤滑作用、水楔作用。用。連結(jié)作用：將礦物顆粒拉近

37、、接緊，起連結(jié)作用。連結(jié)作用：將礦物顆粒拉近、接緊，起連結(jié)作用。潤滑作用：可溶鹽溶解，膠體水解，使原有的連結(jié)變成潤滑作用：可溶鹽溶解，膠體水解，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，水起到潤滑劑的作用。水起到潤滑劑的作用。水楔作用：當(dāng)兩個礦物顆?？康煤芙?，有水分子補(bǔ)充到水楔作用：當(dāng)兩個礦物顆?？康煤芙?，有水分子補(bǔ)充到礦物表面時，礦物顆粒利用其表面吸著力將水分子拉礦物表面時，礦物顆粒利用其表面吸著力將水分子拉到自己周圍，在兩個顆粒接觸處由于吸著力作用使水到自己周圍，在兩個顆粒接觸處由于吸著力作用使水分子向兩個礦物顆粒之間的

38、縫隙內(nèi)擠入。分子向兩個礦物顆粒之間的縫隙內(nèi)擠入。 當(dāng)巖石受壓時： 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)生潤滑作用，巖石強(qiáng)度降低。 重力水：對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響主要表現(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，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：巖石中滲透水在其流動過程中可將巖石中可溶物質(zhì)溶解帶

39、走，有時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，水在凍融時的脹縮作用對巖石力學(xué)強(qiáng)度破壞很大。巖漿巖沉積巖變質(zhì)巖巖石名稱軟化系數(shù)巖石名稱軟化系數(shù)巖石名稱軟化系數(shù)花崗巖0.720.97火山集塊巖0.60.8片麻巖0.750.97閃長巖0.600.80火山角礫巖0.570.95石英片麻巖0.440.84閃長玢巖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.

40、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頁巖0.240.74石英巖0.940.96石灰?guī)r0.700.94泥灰?guī)r0.440.542)溫度對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響溫度對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響 一般地?zé)崦吭黾右话愕責(zé)崦吭黾?00米深度，溫度升高米深度，溫度升高3。高硫礦山、自燃礦物溫度高高硫礦山、自燃礦物溫度高地下深部研究、核廢料處理研究地下深部研究、核廢料處理研究一般來說，隨著溫度的增高，巖石的延性加大，屈一般來說，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。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如圖所示即為三種不同巖石在圍壓為500MPa，溫，溫度由度由25升高到升高到800時應(yīng)力應(yīng)變特征。時應(yīng)力應(yīng)變特征。 玄武巖 花崗巖 白云巖 3)加載速率對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響加載速率對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響 加載速率愈大，彈性模量愈大；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。加載速率越大，獲得的強(qiáng)度指標(biāo)值越高。國際巖石力學(xué)學(xué)會國際巖石力學(xué)學(xué)會ISRM建議：建議：加載速率為加載速率為0.51MP