第3講巖石的力學(xué)性質(zhì)(2016版)

1、第三講第三講 巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石的力學(xué)性質(zhì)3.1 巖石的強度性質(zhì)巖石的強度性質(zhì)3.1 巖石的強度性質(zhì)巖石的強度性質(zhì) 巖石強度巖石強度 巖石在一定荷載條件下達到破壞時所能承受的最大應(yīng)力量值巖石在一定荷載條件下達到破壞時所能承受的最大應(yīng)力量值稱為巖石的強度稱為巖石的強度（strength of rockstrength of rock）。）。根據(jù)荷載條件不同，可分為根據(jù)荷載條件不同，可分為：l單軸抗壓強度（單軸抗壓強度（ uniaxial compressive strength uniaxial compressive strength）l三軸抗壓強度（三軸抗壓強度（triaxial compr

2、essive strengthtriaxial compressive strength）l抗剪強度抗剪強度( shear strength )( shear strength )l抗拉強度（抗拉強度（tensile strengthtensile strength） 主要是指巖石在天然含水量、飽和及自然風(fēng)干三種狀態(tài)下的主要是指巖石在天然含水量、飽和及自然風(fēng)干三種狀態(tài)下的強度。國際巖石力學(xué)學(xué)會試驗方法委員會在試驗建議方法中強度。國際巖石力學(xué)學(xué)會試驗方法委員會在試驗建議方法中對試驗的標準條件作了明確規(guī)定，試驗必須按照標準條件的對試驗的標準條件作了明確規(guī)定，試驗必須按照標準條件的要求進行。要求進行

3、。 1 1、巖石單軸抗壓強度、巖石單軸抗壓強度 APc巖石的單軸抗壓強度巖石的單軸抗壓強度 （uniaxial compressive strengthuniaxial compressive strength，UCSUCS），），為巖石試件達到破壞時的最大軸向壓力為巖石試件達到破壞時的最大軸向壓力P P與試件橫截面積之比與試件橫截面積之比A A c巖石單軸抗壓強度受到試件的端部條件影響巖石單軸抗壓強度受到試件的端部條件影響，在試驗的在試驗的準備過程中必須做好試件端部的準備過程中必須做好試件端部的平整度和光滑度平整度和光滑度處理，處理，以消除端部約束效應(yīng)，確保試件完全處于單向受壓狀態(tài)。以消除端

4、部約束效應(yīng)，確保試件完全處于單向受壓狀態(tài)。同時必須使試件長度達到規(guī)定要求，以保證在試件中部同時必須使試件長度達到規(guī)定要求，以保證在試件中部出現(xiàn)均勻應(yīng)力狀態(tài)。巖石單軸強度出現(xiàn)均勻應(yīng)力狀態(tài)。巖石單軸強度 隨著試件的長徑比隨著試件的長徑比（L/DL/D，高度與直徑之比）的增大而降低，當(dāng)長徑比，高度與直徑之比）的增大而降低，當(dāng)長徑比L/DL/D2.532.53時，時， 趨于穩(wěn)定。國際巖石力學(xué)學(xué)會巖石力趨于穩(wěn)定。國際巖石力學(xué)學(xué)會巖石力學(xué)試驗建議方法建議試件長徑比學(xué)試驗建議方法建議試件長徑比L/DL/D為為2.532.53。我國。我國水利水電工程巖石試驗規(guī)程建議試件長徑比水利水電工程巖石試驗規(guī)程建議試件長

5、徑比L/DL/D宜為宜為2.02.02.52.5。通常在單軸壓縮和三軸壓縮試驗中所用的標準。通常在單軸壓縮和三軸壓縮試驗中所用的標準圓柱體試件的尺寸為直徑圓柱體試件的尺寸為直徑50mm50mm，高度，高度100mm100mm。 單軸受壓的完整巖石試件可能發(fā)生的最常見的破壞形單軸受壓的完整巖石試件可能發(fā)生的最常見的破壞形式是單斜面剪切破壞或式是單斜面剪切破壞或X X狀共軛斜面剪切破壞。狀共軛斜面剪切破壞。 對于其它的破裂形式，多數(shù)是由于端部處理不當(dāng)造成對于其它的破裂形式，多數(shù)是由于端部處理不當(dāng)造成的，也可能是試件中含有節(jié)理、裂隙或?qū)永淼冉Y(jié)構(gòu)面的的，也可能是試件中含有節(jié)理、裂隙或?qū)永淼冉Y(jié)構(gòu)面的原因

6、，一旦出現(xiàn)，應(yīng)仔細檢查試驗條件是否符合要求。原因，一旦出現(xiàn)，應(yīng)仔細檢查試驗條件是否符合要求。 以上兩種主要的破壞形式以上兩種主要的破壞形式都是由于破壞面的應(yīng)力達到極都是由于破壞面的應(yīng)力達到極限狀態(tài)引起的，此時破裂面上既承受壓應(yīng)力，又承受剪應(yīng)限狀態(tài)引起的，此時破裂面上既承受壓應(yīng)力，又承受剪應(yīng)力，因而也力，因而也稱為壓剪破壞稱為壓剪破壞。通過分析可知，。通過分析可知，破壞面法線破壞面法線與載荷軸線（即試件軸線）的夾角為與載荷軸線（即試件軸線）的夾角為 242、巖石三軸抗壓強度、巖石三軸抗壓強度 巖石的三軸抗壓強度是指三軸壓縮狀態(tài)下巖石試件達到巖石的三軸抗壓強度是指三軸壓縮狀態(tài)下巖石試件達到破壞時的

7、最大主應(yīng)力量值破壞時的最大主應(yīng)力量值，或最大差應(yīng)力或最大差應(yīng)力（differential differential stressstress）量值量值。 三軸壓縮試驗有兩種方式：三軸壓縮試驗有兩種方式： 常規(guī)三軸試驗：常規(guī)三軸試驗：三個主應(yīng)力中有兩個是相等的，試件為三個主應(yīng)力中有兩個是相等的，試件為圓柱體。圓柱體。 真三軸試驗：真三軸試驗：試驗過程中三個主應(yīng)力互不相等，試件為試驗過程中三個主應(yīng)力互不相等，試件為長方體或立方體，可以考慮中間主應(yīng)力對巖石力學(xué)性質(zhì)的長方體或立方體，可以考慮中間主應(yīng)力對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響。影響。 常規(guī)三軸試驗常規(guī)三軸試驗：圍壓一般通過液壓油施加。由于試件側(cè)表面圍壓一般

8、通過液壓油施加。由于試件側(cè)表面被密封套包住，液壓油不會在試件表面造成摩擦力，因而側(cè)被密封套包住，液壓油不會在試件表面造成摩擦力，因而側(cè)向壓力可以均勻施加到試件表面。常規(guī)三軸試驗中的軸壓加向壓力可以均勻施加到試件表面。常規(guī)三軸試驗中的軸壓加載方式與單軸壓縮試驗相同，但由于圍壓的作用，加載時的載方式與單軸壓縮試驗相同，但由于圍壓的作用，加載時的端部效應(yīng)比單軸加載時要輕微得多端部效應(yīng)比單軸加載時要輕微得多。這就是三軸試驗結(jié)果比。這就是三軸試驗結(jié)果比單軸試驗結(jié)果離散性小的主要原因。單軸試驗結(jié)果離散性小的主要原因。 隨著圍壓的增加，巖石的強度相應(yīng)增高。隨著圍壓的增加，巖石的強度相應(yīng)增高。通過不同圍壓下的

9、三軸壓縮試驗，可以得到通過不同圍壓下的三軸壓縮試驗，可以得到莫爾強度包絡(luò)莫爾強度包絡(luò)線線（Mohrs strength envelopMohrs strength envelop）。在一定的圍壓范圍內(nèi)，莫）。在一定的圍壓范圍內(nèi)，莫爾強度包絡(luò)線基本上呈直線型；在更寬的圍壓范圍內(nèi)，莫爾強度包絡(luò)線基本上呈直線型；在更寬的圍壓范圍內(nèi)，莫爾強度包絡(luò)線近似呈拋物線型。爾強度包絡(luò)線近似呈拋物線型。直線型莫爾強度包絡(luò)線與剪應(yīng)力軸的截距稱為巖石的粘結(jié)力直線型莫爾強度包絡(luò)線與剪應(yīng)力軸的截距稱為巖石的粘結(jié)力(conhesion(conhesion，或稱內(nèi)聚力，或稱內(nèi)聚力) )，與正應(yīng)力軸的夾角稱為巖石的內(nèi)，與正應(yīng)力

10、軸的夾角稱為巖石的內(nèi)摩擦角（摩擦角（friction anglefriction angle）。）。而對拋物線型莫爾強度包絡(luò)線，工程上為了方便起見常常作而對拋物線型莫爾強度包絡(luò)線，工程上為了方便起見常常作一些近似處理，例如取中間近似直線段的延長線與剪應(yīng)力軸一些近似處理，例如取中間近似直線段的延長線與剪應(yīng)力軸的截距為粘結(jié)力，與正應(yīng)力軸的夾角為內(nèi)摩擦角；或取莫爾的截距為粘結(jié)力，與正應(yīng)力軸的夾角為內(nèi)摩擦角；或取莫爾強度包絡(luò)線上與實際應(yīng)力狀態(tài)對應(yīng)點上的切線與剪應(yīng)力軸的強度包絡(luò)線上與實際應(yīng)力狀態(tài)對應(yīng)點上的切線與剪應(yīng)力軸的截距為粘結(jié)力，與正應(yīng)力軸的夾角為內(nèi)摩擦角等等。截距為粘結(jié)力，與正應(yīng)力軸的夾角為內(nèi)摩擦

11、角等等。真三軸試驗真三軸試驗：最小主應(yīng)力通過液壓油施加，另外兩個主應(yīng)力通最小主應(yīng)力通過液壓油施加，另外兩個主應(yīng)力通過剛性壓板（過剛性壓板（platenplaten）施加。由于）施加。由于兩個方向存在端部效應(yīng)兩個方向存在端部效應(yīng)，而且，而且在兩個在兩個剛性加載面剛性加載面的的角點處應(yīng)力狀態(tài)極其復(fù)雜角點處應(yīng)力狀態(tài)極其復(fù)雜，因而試驗結(jié)果，因而試驗結(jié)果離散性大。要解決這個問題，比較好的辦法可能是在剛性壓板離散性大。要解決這個問題，比較好的辦法可能是在剛性壓板與試件表面之間增加一層既能減摩又能傳遞應(yīng)力的柔性接觸，與試件表面之間增加一層既能減摩又能傳遞應(yīng)力的柔性接觸，但這樣做的同時將會進一步增加試驗裝置的

12、設(shè)計難度。這就是但這樣做的同時將會進一步增加試驗裝置的設(shè)計難度。這就是國內(nèi)外極少有人做這種試驗的原因。國內(nèi)外極少有人做這種試驗的原因。 3、巖石抗剪強度、巖石抗剪強度 巖石的抗剪強度（巖石的抗剪強度（shear strengthshear strength）也叫剪切強度，是指）也叫剪切強度，是指巖石在剪切力作用下破壞前所能抵抗的最大剪應(yīng)力。巖石在剪切力作用下破壞前所能抵抗的最大剪應(yīng)力。 工程中應(yīng)用最多的是工程中應(yīng)用最多的是直剪儀壓剪試驗直剪儀壓剪試驗和和角模壓剪試驗角模壓剪試驗。 PATA巖樣巖樣砂漿砂漿PTTAfP/ )cos(sinAfP/ )sin(cos4、巖石的抗拉強度、巖石的抗拉強

13、度 巖石在單軸拉伸荷載作用下達到破壞時所能承受的最大巖石在單軸拉伸荷載作用下達到破壞時所能承受的最大拉應(yīng)力稱為巖石的抗拉強度（拉應(yīng)力稱為巖石的抗拉強度（tensile strengthtensile strength），其值等于），其值等于達到破壞時的最大軸向拉伸荷載除以試件的橫截面積。達到破壞時的最大軸向拉伸荷載除以試件的橫截面積。aPtt dtPt23.2 巖石的強度性質(zhì)巖石的強度性質(zhì) 一、巖石的單軸壓縮變形特性一、巖石的單軸壓縮變形特性 1、巖石的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線、巖石的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線在剛性壓力機或伺服控制試驗機上可以得到在單軸壓縮荷在剛性壓力機或伺服控制試驗機上可以得到在單軸壓縮

14、荷載作用下巖石的全過程應(yīng)力應(yīng)變曲線載作用下巖石的全過程應(yīng)力應(yīng)變曲線 lABAB段：孔隙裂隙壓密階段，上凹段：孔隙裂隙壓密階段，上凹lBCBC段：彈性變形、縱向微裂隙張開段：彈性變形、縱向微裂隙張開階段階段lCDCD段：非穩(wěn)定破裂累進發(fā)展階段，段：非穩(wěn)定破裂累進發(fā)展階段，C C點為屈服點（擴容點，約為峰值強度點為屈服點（擴容點，約為峰值強度的三分之二），標志著巖石開始從彈的三分之二），標志著巖石開始從彈性變?yōu)樗苄孕宰優(yōu)樗苄詌DEDE段（破裂后階段）：裂隙快速發(fā)段（破裂后階段）：裂隙快速發(fā)展形成宏觀斷裂面，內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破展形成宏觀斷裂面，內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，試件承載力隨變形增大迅速下降，壞，試件承載

15、力隨變形增大迅速下降，但并不完全降到零，說明破裂后仍有但并不完全降到零，說明破裂后仍有殘余強度。殘余強度。 巖石應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線分類巖石應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線分類 單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線典型類型單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線典型類型、線彈性型線彈性型：玄武巖、石英巖、：玄武巖、石英巖、白云巖等極堅硬巖石具有這種性質(zhì)白云巖等極堅硬巖石具有這種性質(zhì)、彈彈- -塑性型塑性型： 石灰?guī)r、泥巖、凝石灰?guī)r、泥巖、凝灰?guī)r等較弱巖石具有這種性質(zhì)灰?guī)r等較弱巖石具有這種性質(zhì)、塑塑- -彈性型彈性型： 砂巖、花崗巖、片砂巖、花崗巖、片理平行于壓力方向的片巖及某些輝理平行于壓力方向的片巖及某些輝綠巖等具有這種性質(zhì)綠巖等具有這種性質(zhì)、塑塑-

16、 -彈彈- -塑型塑型： 如大理巖、片麻如大理巖、片麻巖等變質(zhì)巖具有這種性質(zhì)巖等變質(zhì)巖具有這種性質(zhì)、與與基本相同基本相同，只是曲線斜率，只是曲線斜率較平緩。壓縮性較高的巖石具有這較平緩。壓縮性較高的巖石具有這種性質(zhì)，如片理垂直于壓力方向的種性質(zhì)，如片理垂直于壓力方向的片巖片巖、彈彈- -粘型粘型：如鹽巖等軟弱巖石具：如鹽巖等軟弱巖石具有這種性質(zhì)有這種性質(zhì)假如巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系服從虎克定律（線彈性材料），假如巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系服從虎克定律（線彈性材料），則壓縮彈性常數(shù)則壓縮彈性常數(shù)彈性模量彈性模量 和泊松比和泊松比 可由下式計可由下式計算：算：/E12/E12 ， 為軸向應(yīng)變和橫向應(yīng)變?yōu)檩S向應(yīng)變和橫

17、向應(yīng)變事實上，事實上，自然界真正意義上的彈性巖石是不存在的自然界真正意義上的彈性巖石是不存在的，因為無，因為無論在任何應(yīng)力水平卸載，都不可能完全恢復(fù)到加載前的初始論在任何應(yīng)力水平卸載，都不可能完全恢復(fù)到加載前的初始應(yīng)變狀態(tài)；無論在應(yīng)力應(yīng)變曲線上的任一段上，其變形模量應(yīng)變狀態(tài)；無論在應(yīng)力應(yīng)變曲線上的任一段上，其變形模量都不完全相同，橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的比值也不是一個確定都不完全相同，橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的比值也不是一個確定的常數(shù)。的常數(shù)。所謂巖石的彈性模量、泊松比等，都是人為假定的變形參數(shù)，所謂巖石的彈性模量、泊松比等，都是人為假定的變形參數(shù)，嚴格意義上是不存在的。作這樣的人為假定，完全是為了解嚴

18、格意義上是不存在的。作這樣的人為假定，完全是為了解決實際問題的簡化需要。決實際問題的簡化需要。所謂的所謂的巖石彈性模量，是指應(yīng)力應(yīng)變曲線中間近似線性段上巖石彈性模量，是指應(yīng)力應(yīng)變曲線中間近似線性段上的應(yīng)力增量與應(yīng)變增量之比或其平均值的應(yīng)力增量與應(yīng)變增量之比或其平均值（采用切線模量或割（采用切線模量或割線模量）；所謂的線模量）；所謂的泊松比，是指應(yīng)力應(yīng)變曲線中間近似線性泊松比，是指應(yīng)力應(yīng)變曲線中間近似線性段上的橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的比值或其平均值段上的橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的比值或其平均值。 2、幾種理想的巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型、幾種理想的巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型從理論上將，巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系存在以下理想情況

19、：從理論上將，巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系存在以下理想情況：線彈性巖石線彈性巖石：加載路徑與卸載路徑完全重合，多次反復(fù)加：加載路徑與卸載路徑完全重合，多次反復(fù)加卸載時，其應(yīng)力應(yīng)變路徑完全沿著同一直線往返。卸載時，其應(yīng)力應(yīng)變路徑完全沿著同一直線往返。完全彈性巖石完全彈性巖石：加卸載路徑完全重合，多次反復(fù)加卸載時，：加卸載路徑完全重合，多次反復(fù)加卸載時，其應(yīng)力應(yīng)變路徑完全沿著同一條曲線而不是直線往返。其應(yīng)力應(yīng)變路徑完全沿著同一條曲線而不是直線往返。2、幾種理想的巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型、幾種理想的巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型彈性巖石彈性巖石：雖然加卸載曲線不重合，但反復(fù)加載與卸載時，：雖然加卸載曲線不重合，但反復(fù)加載與卸

20、載時，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線總是服從此環(huán)路的規(guī)律。其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線總是服從此環(huán)路的規(guī)律。2、幾種理想的巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型、幾種理想的巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型彈塑性巖石彈塑性巖石：卸載曲線不沿加載路徑返回，且應(yīng)變也不能：卸載曲線不沿加載路徑返回，且應(yīng)變也不能恢復(fù)到原點恢復(fù)到原點O 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 與之對與之對應(yīng)，應(yīng)力應(yīng)，應(yīng)力- -應(yīng)變關(guān)系不是單值函數(shù)關(guān)系。應(yīng)變關(guān)系不是單值函數(shù)關(guān)系。2、幾種理想的巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型、幾種理想的巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型3、巖石的擴容、巖石的擴容巖石在荷載作用下發(fā)生破壞之前產(chǎn)生體積膨脹大于體積壓巖石在荷載作用下發(fā)生破壞之前產(chǎn)

21、生體積膨脹大于體積壓縮的非線性體積變形，這種現(xiàn)象稱為巖石的擴容縮的非線性體積變形，這種現(xiàn)象稱為巖石的擴容（dilatancydilatancy）。）。巖石的體積應(yīng)變曲線相應(yīng)于巖石的軸向應(yīng)力軸向應(yīng)變曲巖石的體積應(yīng)變曲線相應(yīng)于巖石的軸向應(yīng)力軸向應(yīng)變曲線、軸向應(yīng)力側(cè)向應(yīng)變曲線和巖石的微裂紋體積應(yīng)變曲線、軸向應(yīng)力側(cè)向應(yīng)變曲線和巖石的微裂紋體積應(yīng)變曲線可以分為四個階段：線可以分為四個階段： OEOE階段：試件內(nèi)橫向微裂紋閉合，體積應(yīng)變呈線性壓縮。階段：試件內(nèi)橫向微裂紋閉合，體積應(yīng)變呈線性壓縮。EFEF階段：豎向微裂紋穩(wěn)定張開，橫向體積膨脹抵消了一部分階段：豎向微裂紋穩(wěn)定張開，橫向體積膨脹抵消了一部分軸向

22、體積壓縮，體積變形曲線開始偏離直線段，出現(xiàn)擴容的軸向體積壓縮，體積變形曲線開始偏離直線段，出現(xiàn)擴容的初始階段。初始階段。F F點附近（出現(xiàn)一個很短暫的階段）：橫向膨脹與軸向壓縮的點附近（出現(xiàn)一個很短暫的階段）：橫向膨脹與軸向壓縮的速率幾乎相等，體積應(yīng)變增量近于零。為體積不變階段。速率幾乎相等，體積應(yīng)變增量近于零。為體積不變階段。F F點點的出現(xiàn)意味著巖石開始屈服。的出現(xiàn)意味著巖石開始屈服。F F點以后：微裂紋急劇擴展，橫向體積膨脹超過軸向體積壓縮，點以后：微裂紋急劇擴展，橫向體積膨脹超過軸向體積壓縮，試件內(nèi)部出現(xiàn)宏觀裂隙，體積明顯增大，速率越來越大，最試件內(nèi)部出現(xiàn)宏觀裂隙，體積明顯增大，速率越

23、來越大，最終導(dǎo)致試件破壞，為擴容迅速發(fā)展階段。終導(dǎo)致試件破壞，為擴容迅速發(fā)展階段。 012340100200300400500600700800t/senergy/108aJ020406080100120140160180s1/MPa研究巖石的擴容不僅可以深入了解巖石的性質(zhì)，同時還可以研究巖石的擴容不僅可以深入了解巖石的性質(zhì)，同時還可以預(yù)測巖石的破壞。巖石擴容的急劇發(fā)展意味著巖石即將破壞。預(yù)測巖石的破壞。巖石擴容的急劇發(fā)展意味著巖石即將破壞。地震發(fā)生前往往伴隨著巖石的急劇擴容地震發(fā)生前往往伴隨著巖石的急劇擴容，導(dǎo)致地下水位、水，導(dǎo)致地下水位、水壓發(fā)生明顯變化，有時還會造成局部地表發(fā)生隆起，并且

24、伴壓發(fā)生明顯變化，有時還會造成局部地表發(fā)生隆起，并且伴隨著聲發(fā)射事件頻率的急劇升高。研究擴容與這些現(xiàn)象之間隨著聲發(fā)射事件頻率的急劇升高。研究擴容與這些現(xiàn)象之間的聯(lián)系，對揭示地震發(fā)生規(guī)律，的聯(lián)系，對揭示地震發(fā)生規(guī)律，預(yù)測地震預(yù)測地震等災(zāi)害具有重要意等災(zāi)害具有重要意義。義。對對預(yù)測巖爆、礦井沖擊地壓預(yù)測巖爆、礦井沖擊地壓具有重要意義。具有重要意義。4 4、 巖石的破壞類型巖石的破壞類型穩(wěn)定型破裂（穩(wěn)定型破裂（型破裂）型破裂）：達到峰值：達到峰值應(yīng)力以后，試件內(nèi)貯存的變形能并不應(yīng)力以后，試件內(nèi)貯存的變形能并不能使破裂繼續(xù)擴展，只有試驗機繼續(xù)能使破裂繼續(xù)擴展，只有試驗機繼續(xù)作功才能導(dǎo)致試件進一步破壞，

25、并由作功才能導(dǎo)致試件進一步破壞，并由于試件的有效面積隨著破裂而減小，于試件的有效面積隨著破裂而減小，才使試件的承載能力相應(yīng)降低。特點：才使試件的承載能力相應(yīng)降低。特點：即使當(dāng)外力超過了巖石的最大承載力即使當(dāng)外力超過了巖石的最大承載力以后，仍保持一定的強度以后，仍保持一定的強度。非穩(wěn)定型破裂（非穩(wěn)定型破裂（型破裂）型破裂）：當(dāng)達到峰值應(yīng)力以后，盡管試驗機：當(dāng)達到峰值應(yīng)力以后，盡管試驗機不再對試件做功，但試件內(nèi)貯存的變形能也能使破裂繼續(xù)擴展，不再對試件做功，但試件內(nèi)貯存的變形能也能使破裂繼續(xù)擴展，并最終導(dǎo)致試件的整體破壞。特點：并最終導(dǎo)致試件的整體破壞。特點：當(dāng)外力超過了巖石的最大承當(dāng)外力超過了巖

26、石的最大承載力以后，巖石迅速失去其承載能力，巖石表現(xiàn)出具有更大的脆載力以后，巖石迅速失去其承載能力，巖石表現(xiàn)出具有更大的脆性。性。 5、 巖石的循環(huán)荷載變形特性巖石的循環(huán)荷載變形特性在工程中經(jīng)常會遇到巖石受循環(huán)荷載作用（地震、機器振在工程中經(jīng)常會遇到巖石受循環(huán)荷載作用（地震、機器振動）的情況，為了正確認識這種情況下巖石的變形破壞機動）的情況，為了正確認識這種情況下巖石的變形破壞機理，評價其穩(wěn)定性，需要研究巖石在循環(huán)荷載作用下的疲理，評價其穩(wěn)定性，需要研究巖石在循環(huán)荷載作用下的疲勞變形特性及損傷演化規(guī)律。有時，為了研究巖石的本構(gòu)勞變形特性及損傷演化規(guī)律。有時，為了研究巖石的本構(gòu)關(guān)系和強度理論，也

27、需要對巖石在反復(fù)加卸載循環(huán)條件下關(guān)系和強度理論，也需要對巖石在反復(fù)加卸載循環(huán)條件下的變形特性進行研究。的變形特性進行研究。對大多數(shù)巖石，其應(yīng)力應(yīng)變曲線的加載與卸載路徑不相重合，對大多數(shù)巖石，其應(yīng)力應(yīng)變曲線的加載與卸載路徑不相重合，形成滯回環(huán)（形成滯回環(huán)（hysteresis loophysteresis loop）。滯回環(huán)的面積逐次擴大，但卸）。滯回環(huán)的面積逐次擴大，但卸載曲線斜率基本上維持常量。而且每次卸載后再加載到原來的載曲線斜率基本上維持常量。而且每次卸載后再加載到原來的應(yīng)力再繼續(xù)加載時，則加載曲線仍然沿著單調(diào)連續(xù)加載曲線上應(yīng)力再繼續(xù)加載時，則加載曲線仍然沿著單調(diào)連續(xù)加載曲線上升升稱為巖

28、石的稱為巖石的變形記憶效應(yīng)變形記憶效應(yīng)。利用這一性質(zhì)，可以獲得巖。利用這一性質(zhì)，可以獲得巖石穩(wěn)定的卸載模量參數(shù)。石穩(wěn)定的卸載模量參數(shù)。 對于等荷載下的循環(huán)加卸載試驗（每循環(huán)加卸載增量相等），對于等荷載下的循環(huán)加卸載試驗（每循環(huán)加卸載增量相等），當(dāng)卸載點應(yīng)力明顯低于屈服應(yīng)力時，滯回環(huán)是穩(wěn)定的，每循環(huán)當(dāng)卸載點應(yīng)力明顯低于屈服應(yīng)力時，滯回環(huán)是穩(wěn)定的，每循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變路徑幾乎重復(fù)第一個滯回環(huán)的規(guī)律，巖石不發(fā)生破壞。應(yīng)力應(yīng)變路徑幾乎重復(fù)第一個滯回環(huán)的規(guī)律，巖石不發(fā)生破壞。但當(dāng)卸載點應(yīng)力接近或超過屈服應(yīng)力時，隨著加卸載循環(huán)次數(shù)但當(dāng)卸載點應(yīng)力接近或超過屈服應(yīng)力時，隨著加卸載循環(huán)次數(shù)增加，滯回環(huán)應(yīng)變逐漸增大，滯

29、回環(huán)的相對位置呈現(xiàn)增加，滯回環(huán)應(yīng)變逐漸增大，滯回環(huán)的相對位置呈現(xiàn)“疏密疏密疏疏”的規(guī)律，直至巖石發(fā)生疲勞破壞。的規(guī)律，直至巖石發(fā)生疲勞破壞。二、巖石的三軸壓縮變形特性二、巖石的三軸壓縮變形特性 巖石的強度及變形特征與巖石的應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)巖石的強度及變形特征與巖石的應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)。在單軸壓。在單軸壓縮或低圍壓條件下表現(xiàn)出脆性，隨圍壓增加：縮或低圍壓條件下表現(xiàn)出脆性，隨圍壓增加：（1 1）破壞前巖石的應(yīng)變增加；）破壞前巖石的應(yīng)變增加；（2 2）彈性極限和抗壓強度增加；）彈性極限和抗壓強度增加；（3 3）巖石的塑性增大，逐漸由脆性轉(zhuǎn)化為延性：脆性破壞）巖石的塑性增大，逐漸由脆性轉(zhuǎn)化為延性：脆性破

30、壞脆脆塑性轉(zhuǎn)化的過渡狀態(tài)塑性轉(zhuǎn)化的過渡狀態(tài)塑性流動特征塑性流動特征應(yīng)變硬化現(xiàn)象。應(yīng)變硬化現(xiàn)象。 Carrara大理巖大理巖的應(yīng)力應(yīng)變曲線的應(yīng)力應(yīng)變曲線 花崗巖三軸壓縮試驗中的圍壓效應(yīng)花崗巖三軸壓縮試驗中的圍壓效應(yīng) 巖石由脆性向塑性轉(zhuǎn)化的臨界圍壓稱為轉(zhuǎn)化壓力巖石由脆性向塑性轉(zhuǎn)化的臨界圍壓稱為轉(zhuǎn)化壓力（brittle-ductile brittle-ductile transition pressuretransition pressure）。）。強度越高的巖石，轉(zhuǎn)化壓力越大。強度越高的巖石，轉(zhuǎn)化壓力越大。巖石的脆性延性轉(zhuǎn)化壓力還和溫度相關(guān)，溫度越高，越利于巖石的脆性延性轉(zhuǎn)化壓力還和溫度相關(guān)，溫度

31、越高，越利于巖石向延性轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化壓力越低。巖石向延性轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化壓力越低?；◢弾r是質(zhì)地堅硬的脆性巖石，常溫下花崗巖在圍壓高達花崗巖是質(zhì)地堅硬的脆性巖石，常溫下花崗巖在圍壓高達300MPa300MPa時，仍然沒有出現(xiàn)穩(wěn)定的塑性流動和應(yīng)變硬化特征時，仍然沒有出現(xiàn)穩(wěn)定的塑性流動和應(yīng)變硬化特征 3.3 巖石力學(xué)性質(zhì)的主要影響因素巖石力學(xué)性質(zhì)的主要影響因素 1 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 水溶液與巖石的物理化學(xué)作用導(dǎo)致巖石力學(xué)性質(zhì)的改變。水溶液與巖石的物理化學(xué)作用導(dǎo)致巖石力學(xué)性質(zhì)的改變。巖石中的水通常以兩種形式存在：結(jié)合水，自由水，它巖石中的水通常以兩種形式存在：結(jié)合水，自由水，它

32、們對巖石力學(xué)性質(zhì)的劣化產(chǎn)生不同的影響：們對巖石力學(xué)性質(zhì)的劣化產(chǎn)生不同的影響：（1 1）結(jié)合水產(chǎn)生的）結(jié)合水產(chǎn)生的軟化、水楔作用軟化、水楔作用，使顆粒間粘結(jié)力降低。，使顆粒間粘結(jié)力降低。巖石中親水性最強的是粘土礦物，含巖石中親水性最強的是粘土礦物，含粘土礦物多的巖石受水的粘土礦物多的巖石受水的影響就大影響就大。如粘土巖在浸水后其強度最多可降低。如粘土巖在浸水后其強度最多可降低9090，而含粘，而含粘土礦物少（或不含）的巖石如花崗巖、石英巖等，浸水后強度土礦物少（或不含）的巖石如花崗巖、石英巖等，浸水后強度變化則小得多。變化則小得多。當(dāng)兩個礦物顆?？康煤芙?，有水分子補充到礦物表面時，在礦當(dāng)兩個礦物

33、顆?？康煤芙?，有水分子補充到礦物表面時，在礦物顆粒表面吸著力作用下，水分子擠入礦物顆粒間的縫隙中，物顆粒表面吸著力作用下，水分子擠入礦物顆粒間的縫隙中，產(chǎn)生產(chǎn)生水楔作用水楔作用，導(dǎo)致巖石體積膨脹或產(chǎn)生膨脹壓力。巖石吸水，導(dǎo)致巖石體積膨脹或產(chǎn)生膨脹壓力。巖石吸水后發(fā)生膨脹主要是由于粘土類礦物（如蒙脫石、伊犁石）的水后發(fā)生膨脹主要是由于粘土類礦物（如蒙脫石、伊犁石）的水楔作用，所以蒙脫石、伊犁石的存在與否及其含量的多少也是楔作用，所以蒙脫石、伊犁石的存在與否及其含量的多少也是判斷巖石有無膨脹性及膨脹性大小的基本指標。判斷巖石有無膨脹性及膨脹性大小的基本指標。（2 2）自由水的）自由水的孔隙壓力作用

34、孔隙壓力作用和和溶蝕、潛蝕作用溶蝕、潛蝕作用。自由水不受礦物表面吸著力控制，其運動主要受重力作用控制。自由水不受礦物表面吸著力控制，其運動主要受重力作用控制。它對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響主要表現(xiàn)在孔隙壓力作用和溶蝕、潛它對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響主要表現(xiàn)在孔隙壓力作用和溶蝕、潛蝕作用。蝕作用。對于孔隙和微裂隙中含有自由水的巖石，當(dāng)其突然受載，由于對于孔隙和微裂隙中含有自由水的巖石，當(dāng)其突然受載，由于水來不及排除，巖石孔隙或微裂隙中就產(chǎn)生一定的孔隙壓力。水來不及排除，巖石孔隙或微裂隙中就產(chǎn)生一定的孔隙壓力。孔隙壓力的存在減小了巖石顆粒之間的壓應(yīng)力，從而降低巖石孔隙壓力的存在減小了巖石顆粒之間的壓應(yīng)力，從而降低巖石的抗剪強度，甚至的抗剪強度，甚至使巖石微裂隙尖端出現(xiàn)拉應(yīng)力使巖石微裂隙尖端出現(xiàn)拉應(yīng)力，從而破壞巖，從而破壞巖石的連接。石的連接。如果巖石中包含易溶的巖石礦物，滲流水（尤其是酸性或堿性如果巖石中包含易溶的巖石礦物，滲流水（尤其是酸性或堿性水）可水）可將部分礦物溶解（溶蝕），將部分礦物溶解（溶蝕），并并把剝離的小顆粒帶走（潛把剝離的小顆粒帶走（潛蝕）蝕），從而，從而削弱削弱巖石巖石顆粒間的連結(jié)力顆粒間的連結(jié)力，降低巖石強度降低巖石強度，使得巖，使得巖石石變形增大變形增大。 2 2、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