巖體力學(xué)-第一章巖石的力學(xué)特性.PPT

1、第一章巖石的力學(xué)特性本章內(nèi)容：巖石的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系(靜力學(xué)瞬時和長期荷載荷載作用下);巖石彈性參數(shù)確定;巖石的本構(gòu)關(guān)系;巖石的破壞準則;以及介紹影響巖石力學(xué)性質(zhì)因素，常見巖石試驗方法。本章重點與難點：強度與變形特征 .靜力學(xué)特性.流變特性.影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素.破壞判據(jù)應(yīng)力應(yīng)變的概念：單軸應(yīng)力和應(yīng)變計算：典型的低碳鋼材應(yīng)力應(yīng)變曲線（材料力學(xué)）;NlAl1.彈性階段Ob(Elastic range)A點稱為比例極限(propertional limit )，b點稱為彈性極限(Elastic limit)。彈性極限表示材料處于彈性變形狀態(tài)范圍內(nèi)。2.屈服階段bc(Yield range)屈服極限(

2、Yield point)：屈服極限表示材料進入塑性變形。3.強化階段cd(Hardening rang)強度極限(Ultimate strength)：強度極限表示材料抵抗 破壞的能力。4.頸縮階段de(Necking range)1.1 靜力學(xué)特性1.1 靜力學(xué)特性1.鋼材單軸拉伸2.鋼材單軸壓縮3.脆性材料(混凝土、鑄鐵)單軸壓縮1.1 靜力學(xué)特性類 型 塑 彈 性 的類 型 彈 塑 性 的類 型 塑 彈 塑 性 的類 型 塑 彈 塑 的類 型 彈 塑 蠕 變 的類 型 彈 性 的普通材料試驗機：l柔性試驗機；l剛度較??；l不能控制荷載和變形；l只能做出巖石受力在達 到極限強度以前的變形

3、特征。1.1.1 巖石單軸壓縮力學(xué)特性 (uniaxial compressive)米勒用普通試驗機做了28種巖石的單軸壓縮試驗，歸給為以下六類類型：直線型； 包括玄武巖，石英巖，輝綠巖，白云巖和非常堅硬的石灰?guī)r 類型：直線彎曲下降； 石灰?guī)r，粉砂巖，凝灰?guī)r等致密但巖性較軟的巖石類型：下凹直線 ； 花崗巖和砂巖等具有孔隙和微裂隙堅硬巖石類型：型直線陡且長，曲線較短 堅硬致密的變質(zhì)巖，如大理巖，片麻巖等類型：型直線平且短，曲線長； 壓縮性較高的巖石，片巖在垂直片理方向受壓類型：直線彎曲； 鹽巖作業(yè) P20 表中巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線類型？剛性試驗機或伺服控制試驗機上的全應(yīng)力應(yīng)變曲線剛性試驗機或伺服控

4、制試驗機l剛度大；l能控制荷載和變形；l能反映巖石從受力開始 到靜態(tài)破壞的全過程變 形特征全應(yīng)力應(yīng)變曲線作用l預(yù)測巖爆巖爆是在高地應(yīng)力條件下,地下工程開挖工程中硬脆性圍巖因開挖卸載導(dǎo)致應(yīng)力分異,從而使儲存于巖體中的彈性應(yīng)變能突然釋放,產(chǎn)生爆裂、松脫、剝落、彈射甚至拋擲現(xiàn)象的一種動力失穩(wěn)地質(zhì)災(zāi)害l預(yù)測蠕變破壞l預(yù)測循環(huán)加載條件下巖石破壞普通試驗機液壓伺服試驗機普通試驗機 剛性試驗機 剛度K是物體產(chǎn)生單位位移(總體變形)所需要的力(載荷)。巖石試驗機在其工作范圍內(nèi)總體的力學(xué)特性是彈性的，否則試驗機不能正常工作。 試驗機的剛度小于巖樣的平均剛度，當(dāng)巖樣進入過過峰值強度后的變形區(qū)，使巖樣繼續(xù)壓縮所需要

5、的載荷減小，試驗機釋放的能量超過了使巖樣繼續(xù)變形所需要的能量，儲存在試驗機中彈性變形能突然釋放，對巖樣產(chǎn)生沖擊作用，導(dǎo)致巖石的突然破壞。無法得到巖樣的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線。反之，如果試驗機的剛度更大，當(dāng)巖樣進入過峰值強度后的變形區(qū)，巖樣繼續(xù)變形的過程中，試驗機釋放的彈性能小于巖樣繼續(xù)壓縮的變形能。試驗機的載荷也小于巖樣的載荷，必須外界繼續(xù)對試驗系統(tǒng)作功，巖樣才能繼續(xù)壓縮。剛度很大的試驗機叫剛性試驗機 現(xiàn)在有了更先進的伺服試驗機能使試驗機施于巖石的載荷與巖樣強度的衰減同步降低。 全應(yīng)力應(yīng)變曲線ABCDGEFHKIJEcDB全應(yīng)力應(yīng)變曲線分為兩大區(qū)段和5個階段(Complete Stress-Str

6、ain Curve) OD段破壞前區(qū)段破壞前區(qū)1.OA段上凹曲線，叫微裂隙壓密段，A點為微裂隙嚴密極限；2.AB段近于直線，彈性變形階段，B點為彈性極限；3.BC段微裂隙分枝和穩(wěn)定發(fā)展階段，C點為屈服極限；4.CD段微裂隙不穩(wěn)定擴展到破壞階段，D為峰值強度DE段破壞后區(qū)段破壞后區(qū)5. DE為試件破壞，微裂隙繼續(xù)擴展，宏觀破裂面WAWER SIK研究宏觀破壞后的形態(tài)，將其分為兩類類型和類型.類型：試件仍保留一定的強度，需要進一步做功，孔隙率大的 沉積巖和部分結(jié)晶巖；.類型：儲存的彈性變形能足以使試件破壞，需要卸載，細粒結(jié) 晶巖石。循環(huán)加載條件下全應(yīng)力應(yīng)變曲線1. 彈性后效彈性后效 (elasti

7、c after-effect): :在加載或卸載時，應(yīng)變不是瞬時達到其平衡值，而是通過一種弛豫過程來完成其變化的。這種在彈性極限范圍內(nèi)，應(yīng)變滯后于外加應(yīng)力，并和時間有關(guān)的現(xiàn)象稱為彈性后效或滯彈性。2.塑性滯環(huán)塑性滯環(huán)(plasticity hysteresis): 塑彈性或塑彈塑性巖石，卸載曲線和下一次加載曲線不重合，形成塑性滯環(huán)。隨著循環(huán)次數(shù)增加，塑性滯環(huán)面積越來越窄趨于消失。3. 臨界應(yīng)力臨界應(yīng)力(critical stress): 當(dāng)循環(huán)應(yīng)力峰值超過某一數(shù)值時，巖石在某次循環(huán)中發(fā)生破壞，該應(yīng)力叫臨界應(yīng)力。巖石彈性模量 泊松比初始彈性模量初始彈性模量反映巖石的微裂隙的多少；切線彈性模量切線

8、彈性模量反映巖石的彈性變形特征；割線彈性模量割線彈性模量反映巖石的總體變形特征。 21212121(initial elastic modulus) (tangent elastic modulus) (secant elastic modulus) ;2(poissons ratio) iiitaajcsjjccaaiEEE 初始彈性模量切線彈性模量割線彈性模量 泊松比過原點切212121212150iiaajjjcc線上任一點的軸向應(yīng)力對應(yīng)于的軸向應(yīng)變、直線段上任意兩點的軸向應(yīng)力、對應(yīng)于、的軸向應(yīng)變相當(dāng)于極限強度的應(yīng)力對應(yīng)于的軸向應(yīng)變、對應(yīng)于、的橫向應(yīng)變泊松比泊松比是巖石單軸壓縮條件下橫向

9、應(yīng)變和縱向應(yīng)變比，其分別取直線段的縱向應(yīng)變和對應(yīng)橫向應(yīng)變。由于結(jié)構(gòu)構(gòu)造的影響，巖石橫觀各向同性。 單軸抗壓強度(uniaxial compressive strength)cPA單軸抗壓強度:單軸壓縮條件下發(fā)生破壞時試件橫斷面上極 限壓應(yīng)力。單軸壓縮荷載作用下破壞時，可產(chǎn)生三種破壞形式，X狀共軛斜面剪切破壞，單斜面剪切破壞，拉伸破壞。ppX 狀 共 軛 斜 面 剪 切 破 壞單 斜 面 剪 切 破 壞pp拉 伸 破 壞pp單軸壓縮試驗試件:立方體(50mm50mm50mm或70mm70mm70mm)，圓柱體直徑不小于50mm，試件長度與直徑的比值(h/d)對試驗結(jié)果有很大影響。2.5210c3

10、c1h/d10.7780.222ccdh端部效應(yīng)端部效應(yīng)(end effect)：1.在單軸壓縮條件下，2.上下墊板剛度大于試件剛度3.試件端面與墊板間存在摩擦泊松效應(yīng)受到約束，兩端形成錐形壓縮區(qū)，區(qū)內(nèi)巖石處于三軸受壓狀態(tài)。消除方法消除方法: 潤滑試件端部（如墊云母片；涂黃油在端部） 加長試件224 2csscsPIIDI為h/d為 的試件單軸抗壓強度點荷載強度指標，點荷載強度指標點荷載強度指標(point load strength index)：點荷載試驗優(yōu)點：點荷載試驗優(yōu)點：1.裝置便攜式；2.對試件要求不嚴格；3.試驗可在現(xiàn)場進行4.常用于巖石風(fēng)化程度評價。巖石單軸拉伸的力學(xué)特性研究不

11、多，主要研究巖石單軸抗拉強度及其測定方法tPA測定方法有直接測量方法和間接測量方法劈裂方法（巴西試驗方法）和點荷載試驗單軸抗拉強度(tensile strength)劈裂方法（巴西試驗方法,Brazilian test）2tPdh 02 46 81 01 2- 21 . 00 . 20 . 40 . 60 . 82 P / d hrtPA222 2ttPPddhda 20.96tPD c/a0光 彈 試 驗常 位 移 條 件 壓 力 分 布均 勻 壓 力 分 布拋 物 線 型 壓 力 分 布方形試件劈裂試驗：試件邊長為a

12、,壓條寬度為c當(dāng)c/a小于等于0.25時，理論計算壓力與壓條下壓力分布方式無關(guān)。圓柱梁彎曲試驗法測定單軸抗拉強度點荷載試驗法測定單軸抗拉強度,試件直徑為1.37cm至3.05cm38tPLD 巖石剪切試驗主要研究抗剪強度(shear strength)。分為有剪切面無壓應(yīng)力和有壓應(yīng)力單面剪(single shear test):在同一試件上可進行多次重復(fù)試驗，無 法測量彎曲拉應(yīng)力，產(chǎn)生應(yīng)力集中雙面剪(dual shear test ):不能在同一試件上重復(fù)試驗，能減小彎 曲拉應(yīng)力，不能消除應(yīng)力集中直剪試驗(direct shear test):能消除彎曲拉應(yīng)力，是一種典型的剪 切面上有壓應(yīng)力的

13、剪切試驗。壓剪試驗(compression-shear test):能消除彎曲拉應(yīng)力，最簡單的剪 切面上有壓應(yīng)力的剪切試驗。 NTAAsin cosPPAAtanc直剪試驗：壓剪試驗：根據(jù)直剪試驗和壓剪試驗測得一系列的不同法向和切向條件下的抗剪強度，得到抗剪強度曲線（shear strength curve）巖石剪切試驗裝置直剪壓剪雙面剪單面剪剪切面上存在壓應(yīng)力的剪切試驗：1.剪切面上剪應(yīng)力超過峰值剪切強度后，剪切破壞發(fā)生；2.較小的剪切力作用是使得巖石沿著剪切面滑動，該力是破壞面上 殘余強度；3.正應(yīng)力越大，殘余強度越高；4.只要正應(yīng)力存在，巖石剪切破壞面上仍有抗剪切能力。巖石三軸試驗主要研

14、究三個主應(yīng)力對強度的影響，分為常規(guī)三軸常規(guī)三軸(triaxial test)和真三軸試驗真三軸試驗(true triaxial test) 123常規(guī)三軸試驗對應(yīng)的應(yīng)力狀態(tài)：真三軸試驗對應(yīng)的應(yīng)力狀態(tài):123常規(guī)三軸試驗基本結(jié)論：1.隨著圍壓3的增大，巖石的塑性變形增大，三軸抗壓強度增大。2.巖石越堅硬，其轉(zhuǎn)化圍壓越大；3.對應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響，堅硬的巖石，圍壓影響不大；軟弱的巖石，曲率隨圍壓增大而增大。轉(zhuǎn)化圍壓：轉(zhuǎn)化圍壓：圍壓增大到某一數(shù)值時，巖石的變形特征接近理想彈塑性，其破壞形式由脆性破壞轉(zhuǎn)為塑性破壞，對應(yīng)圍壓稱為轉(zhuǎn)化圍壓。茂木清夫真三軸試驗基本結(jié)論：1.圍壓3不變，2增大，1增大，屈服極

15、限增大，塑性變形減小；2.2不變，圍壓3增大，1增大，屈服極限不變，塑性變形增大。真三軸試驗是20世紀60年代末期才開始的，以日本茂木清夫做的工作較多，我國330工程局也開展了該項研究。3 5 5 M P a2 5 3 M P a8 2 M P a1 0 7 M P a1 6 7 M P a2 3 1 M P a123451 1 0 3(1-3)MPa(1-3)MPa1 1 0 3543215 5 M P a4 0 M P a2 2 5 M P a2 1 8 0 M P a注意：真三軸壓縮試驗成果需要進一步驗證國內(nèi)330工程局真三軸試驗基本結(jié)論：2在一定范圍內(nèi)增大，2增大，1增大；超過，則反之

16、。常見的巖石力學(xué)性能1.巖漿巖抗壓強度大，孔隙度小，密度大，彈性模量大，摩擦角和粘結(jié)力都大；2.沉積巖抗壓強度低，密度小，孔隙度大，彈性模量小，摩擦角和粘結(jié)力都小；3.變質(zhì)巖居中。巖石變形和強度特征單軸壓縮剪切試驗三軸壓縮單軸拉伸點荷載試驗伺服試驗機普通試驗機直接拉伸巴西劈裂試驗點荷載試驗無壓力剪切試驗雙面剪切有壓力剪切試驗單面剪切壓剪試驗直剪試驗常規(guī)三軸真三軸全應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線流變試驗機三軸流變流變曲線流變曲線單軸抗壓強度1.2 巖石流變特性應(yīng)力不變，應(yīng)變隨時間增大的現(xiàn)象叫蠕變(creep)應(yīng)變不變，應(yīng)力隨時間減小的現(xiàn)象叫松弛(relaxation)統(tǒng)稱為流變(rheology)典型

17、蠕變曲線： 瞬時彈性應(yīng)變，線彈性應(yīng)變； 階段為瞬態(tài)蠕變段，應(yīng)變率下降到定值，包括彈性應(yīng)變和粘彈性應(yīng)變； 階段為穩(wěn)態(tài)蠕變段，應(yīng)變率為常數(shù)，包括彈性應(yīng)變、粘彈性應(yīng)變和粘塑性應(yīng)變；1. 階段為加速蠕變段，應(yīng)變率增大，巖石破壞。實際巖石蠕變曲線類型：只包含瞬態(tài)蠕變和穩(wěn)定蠕變(穩(wěn)定蠕變)類型：典型蠕變，包括三階段；類型：加速蠕變，只包括加速蠕變階段。典型蠕變和加速蠕變統(tǒng)稱為不穩(wěn)定蠕變。同一種巖石，在壓力很小時，為穩(wěn)定蠕變；在壓力較大時，為不穩(wěn)定蠕變。長期強度(long-term strength)： 使巖石由穩(wěn)定蠕變轉(zhuǎn)化為不穩(wěn)定蠕變的恒定應(yīng)力。與巖性有關(guān)。兩種加載方法：恒定荷載試驗和梯級荷載試驗恒定荷載

18、試驗:采用相同的一組試件，每個試件施加不同的壓力，結(jié)果離散性很大但比較可靠。梯級荷載試驗:采用同一試件，施加梯級增長荷載，每級延續(xù)相同時間結(jié)果離散性小，試驗時間長，上一級荷載對下一級變形有影響，比如硬化作用。1.2.3 巖石本構(gòu)模型(constitutive model)巖石本構(gòu)模型:本構(gòu)模型是應(yīng)力應(yīng)變時間的關(guān)系，分為經(jīng)驗公式、組合模型和積分形式模型。經(jīng)驗公式有三類：冪函數(shù)型，對數(shù)型和指數(shù)型冪函數(shù)型對數(shù)型指數(shù)型( )ntAt( )lgetBtD ( )1 exptAf tA,n是試驗常數(shù)，由應(yīng)力水平、材料物理常數(shù)及溫度條件e是瞬時彈性變形，B、D是試驗常數(shù)A是試驗常數(shù)，f(t)是時間函數(shù)經(jīng)驗公

19、式： 簡單實用 對具體的巖石提出的，難以推廣； 不能描述應(yīng)力松弛；1.不方便數(shù)值計算。某巖石在應(yīng)力為1MPa恒定應(yīng)力條件下，蠕變數(shù)據(jù)和蠕變曲線如下：組合模型：是目前常采用的模型，通過各種流變模型元件組合成流變力學(xué)模型，推導(dǎo)除相應(yīng)的本構(gòu)方程，研究蠕變，松弛和卸荷等特性，求得模型參數(shù)。流變模型元件：彈性元件(elastic element) ，塑性元件(plastic element )和粘性元件(viscous element )Ed / d t = fa r c t a n 彈性元件特點以及性能：1.彈簧表示；2.可以模擬理想線彈性體。a.瞬變性 b.無彈性后效c.無應(yīng)力松弛 d.無蠕變流動材

20、料性質(zhì)：物體在荷載作用下，其變形完全符合虎克(Hooke)定律。稱其為虎克體，是理想的線性彈性體。塑性元件 (plastic element )d / d t = fa r c t a n 塑性元件0,ff 材料性質(zhì)：物體受應(yīng)力達到屈服極限s0時便開始產(chǎn)生塑性變形，即使應(yīng)力不再增加，變形仍不 斷增長，其變形符合庫侖摩擦定律，稱其為庫侖(Coulomb)體。是理想的塑性體。1.摩擦片表示；2.可以模擬理想的剛塑性體的變形粘性元件(viscous element )d / d t = fa r c t a n 粘性元件 tC 材料性質(zhì)：物體在外力作用下，應(yīng)力與應(yīng)變速率成正比，符合牛頓(Newton

21、)流動定律。稱其為牛頓流體，是理想的粘性體。特點以及性能：1.粘壺表示；2.可以模擬牛頓流體；3. 應(yīng)變常數(shù)，元件不受力；4.初應(yīng)變?yōu)榱?，元件沒有瞬時變形。各種元件比較圖一階線性微分方程( )( )( )( )( )( )P x dxP x dxP x dxyP x yQ xyCeeQ x edx簡單流變力學(xué)模型：簡單流變力學(xué)模型：馬克斯韋爾模型，凱爾文模型，波英庭湯姆遜模型，賓漢模型。馬克斯韋爾模型(Maxwell model)：有彈性元件和粘性元件串聯(lián)而成，模擬理想的彈粘性體以上各種模型的注意事項：依據(jù)狀態(tài)方程，求解不同條件下的曲線方程。 1.蠕變：應(yīng)力為常數(shù)，考查應(yīng)變與時間的關(guān)系，注意初

22、始條件2.松弛：應(yīng)變?yōu)槌?shù)，考查應(yīng)力與時間的關(guān)系，注意初始條件3.卸載：應(yīng)力為零，考查應(yīng)變與時間的關(guān)系，注意初始條件兩種曲線圖：蠕變和卸載曲線一個圖，松弛一個圖簡單流變力學(xué)模型：簡單流變力學(xué)模型：馬克斯韋爾模型，凱爾文模型，波英庭湯姆遜模型，賓漢模型。馬克斯韋爾模型(Maxwell model)：有彈性元件和粘性元件串聯(lián)而成，模擬理想的彈粘性體12121122EE00tE0Ete01t00E00t蠕變方程卸載方程松弛方程參數(shù)E、的確定1.瞬時彈性應(yīng)變求出E2.在蠕變曲線上任取一點(t0)，下式求出粘性系數(shù)t00卸載曲線松弛曲線e0t1e蠕變曲線0/t0松弛時間()：0tE000 EEe1.在蠕

23、變曲線上，t0時的彈性應(yīng)變和粘性應(yīng)變各占一半；2.在松弛曲線上，t0時的應(yīng)力為0e.00010 100eEtEdtCEEtEteE 蠕變：應(yīng)力為定值 ,初始具有彈性應(yīng)變=，卸載：t=t ,彈性變形立刻恢復(fù)，剩余粘塑性不可恢復(fù)松弛：應(yīng)變?yōu)槎ㄖ?，初始具有?yīng)力為 =，解得： 凱爾文凱爾文(Kelvin)(Kelvin)模型：模型：由彈性元件和粘性元件并聯(lián)而成，能夠模擬彈性后效，是一種粘彈性模型。12121122EE 0(1)EteE1tE10(1)EEtteeE0()Et 00lnEtE蠕變方程卸載方程松弛方程t00蠕變曲線卸載曲線松弛曲線Et1參數(shù)E、的確定1.蠕變曲線變形穩(wěn)定后應(yīng)變求出E2.在蠕

24、變曲線上任取一點(t0)，下式求出粘性系數(shù)1111111000000001,000C;(1)0; ,(1);0 EEEEdtdtdttEtEttEEdttEEtttttEtEdtCeECEEeEtteEECeCeCee 狀態(tài)方程：蠕變： 時， Ceee卸載方程： Ce；11()1,EttttE松弛： 波英庭湯姆遜（Poynting-Thomson model)模型：彈性元件和馬克斯韋爾模型并聯(lián)而成，是一種彈性粘彈性模型。1212112222EE112EEE212 12()E EEEE 2112()0201112()E EtEEEeEE EE2211()()110(1)EEt tt ttEee2

25、1112()()0112()E Et tEEteEE蠕變方程卸載方程松弛方程t00蠕變曲線卸載曲線松弛曲線E1t1參數(shù)E、的確定1.蠕變曲線變形穩(wěn)定后應(yīng)變求出E1212121212121212121220012120121()()()()001100021211210021()0,()11()(EEEEEEEEdtdtdttE EE EE EE EEEE EEtEEEEE EECeeedtCeEEECEEEEE EEE狀態(tài)方程：蠕變： ，；C=-121212112112121211212121111()121()00211121()()()()01201222)0; ,;();()(),EEt

26、E EEEtE EtEEEEEEttttE EE EE EtttteEE EEtteEEE ECeCeeEEE EEE1卸載方程： 松弛方程：t=t1222211221112222111111121211001()()01101;();()(1)tEEEEdtdtdttttEEttttEEEEtttttttttE EE ECeeedtCeECeECeEeEeEeEe11212 sssEE賓漢模型：由粘性元件和塑性元件并聯(lián)后，再與一個彈性元件串聯(lián)而成。 sE00t sE1()0()Et tsse01t s蠕變方程卸載方程松弛方程t0e0e蠕變曲線卸載曲線松弛曲線t0參數(shù)E、的確定1.蠕變曲線變形

27、穩(wěn)定后應(yīng)變求出Et0e0e蠕 變 曲 線卸 載 曲 線松 弛 曲 線t0t00卸 載 曲 線松 弛 曲 線e0t1e蠕 變 曲 線0/t0t00蠕 變 曲 線卸 載 曲 線松 弛 曲 線Et1t00蠕 變 曲 線卸 載 曲 線松 弛 曲 線E1t1串聯(lián)模型并聯(lián)模型并串聯(lián)模型并塑串聯(lián)模型串聯(lián)應(yīng)變相加，應(yīng)力相加；并聯(lián)應(yīng)變相等，應(yīng)力相等。能否采用牛頓定律進行解釋？ 模型識別：根據(jù)流變試驗曲線確定模型組合。 元件確定： 瞬時彈性應(yīng)變可通過串聯(lián)彈性元件實現(xiàn)； 瞬態(tài)蠕變可由并聯(lián)粘性元件實現(xiàn)；穩(wěn)態(tài)蠕變可由串聯(lián)粘性元件實現(xiàn)； 應(yīng)力完全松弛可由串聯(lián)粘性元件實現(xiàn)；應(yīng)力完全不松弛可由并聯(lián)粘性元件實現(xiàn)；應(yīng)力不完全松弛

28、可由串聯(lián)塑性元件實現(xiàn) 。 卸載塑性可由并聯(lián)塑性元件實現(xiàn)；彈性后效可由串聯(lián)塑性元件實現(xiàn)元件確定的另一種說法 ：串聯(lián)彈性元件可實現(xiàn)瞬時彈性應(yīng)變；串聯(lián)粘性元件可實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)蠕變，應(yīng)力完全松弛和卸載塑性；并聯(lián)粘性元件可實現(xiàn)瞬態(tài)蠕變 、應(yīng)力完全不松弛和卸載彈性后效；并聯(lián)一個塑性元件可實現(xiàn)應(yīng)力不完全松弛。組合確定： 卸載后應(yīng)變能夠隨時間恢復(fù)，有彈性元件和粘性元件并聯(lián)組合巖石一般是不完全松弛，因此模型中一般有并聯(lián)塑性元件或者并串聯(lián)粘性元件。1.3 影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素包括礦物成分、巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造、水、溫度、風(fēng)化作用1.3.1 礦物成分1. 包含有石英、長石、角閃石、輝石和橄欖石等硬度大的顆粒和柱狀礦物的巖石，隨

29、著這些礦物含量的增多，彈性愈明顯，強度愈高。2. 包含有云母、綠泥石、滑石、蛇紋石、蒙脫石、高嶺石等硬度較小的礦物的巖石，隨著這些礦物含量增多，強度降低越明顯。3. 包含有化學(xué)上不穩(wěn)定的礦物的巖石，其力學(xué)性質(zhì)隨時間而變化。4 .含有斑脫土等粘土礦物的粘土巖遇水時強度降低很多。1.3.2 巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造巖石結(jié)構(gòu)：巖石礦物的結(jié)晶程度，晶粒大小，形狀及其相互結(jié)合的情況。巖漿巖有粒狀結(jié)構(gòu)、斑狀結(jié)構(gòu)和玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu)；沉積巖有粒狀結(jié)構(gòu)、片架結(jié)構(gòu)、班基結(jié)構(gòu)；變質(zhì)巖有板理結(jié)構(gòu)、片理結(jié)構(gòu)和片麻理結(jié)構(gòu)。構(gòu)造是指礦物在巖石中的組合方式和空間分布情況。1.3.3.水對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響表現(xiàn)為軟化、膨脹、崩解，與巖石的孔隙

30、性和水理性質(zhì)有關(guān)?？紫堵剩簬r石中的孔隙、裂隙總稱為空隙；巖石中空隙體積與巖石總體積之比叫孔隙率。一般提到的巖石空隙率系指總空隙率 . 空 隙(Voids Ratio)(n)開型空隙(no)小開型空隙(nl)閉型空隙(nc)大開型空隙(nb)VVnoVncVsVv%100)1 (%100sdvVVn%10000VVnv%100VVnvbbbvaannVVn0%1000%100nnVVnvcc 1.新鮮結(jié)晶巖類的n一般小于3；2.沉積巖的n較高，為1-10 ； 3.一些膠結(jié)不良的砂礫巖，其n可達10-20，甚至更大；4.一般來說，空隙率愈大，巖塊的強度愈大、塑性變形和滲透性愈大，反之愈?。?5.巖

31、石由于空隙的存在，使之更易遭受各種風(fēng)化營力作用，導(dǎo)致巖石的工程地質(zhì)性質(zhì)進一步惡化； 6.對可溶性巖石來說，空隙率大，可以增強巖體中地下水的循環(huán)與聯(lián)系，使巖溶更加發(fā)育，從而降低了巖石的力學(xué)強度并增強其透水性；7.當(dāng)巖體中的空隙被粘土等物質(zhì)充填時，則又會給工程建設(shè)帶來諸如泥化夾層或夾泥層等巖體力學(xué)問題； 8.巖石的空隙性指標一般不能實測，只能通過密度與吸水性等指標換算求得。水理性質(zhì):巖石在水溶液作用下表現(xiàn)出來的性質(zhì)。主要有吸水性、軟化性、膨脹性和崩解性，以及抗凍性和滲透性等。11100% sWWW吸水率(Water Absorption)(1)是指巖石試件在大氣壓力和室溫條件下自由吸入水的質(zhì)量(W

32、1)與巖樣干質(zhì)量(Ws)之比，用百分數(shù)表示。%100)1 (%100wadvbbWVVn飽水率(Water Absorption)(2)是指巖石試件在高壓下（150個大氣壓力）或真空中吸入水的質(zhì)量(W2)與巖樣干質(zhì)量(Ws)之比，用百分數(shù)表示。22100%wsWW%100%10000spdvWVVn飽水系數(shù)(Water Absorption)(Ks)：巖石的吸水率和飽水率的比值12sK反映了巖石總開空隙的發(fā)育程度，因此亦可間接地用它來判定巖石的抗風(fēng)化能力和抗凍性。 軟化性:巖石浸水飽和后強度降低的性質(zhì)，用軟化系數(shù)(c)表示，定義為巖石試件的飽和抗壓強度(cb)與干抗壓強度(c)的比值。cbcc

33、軟化系數(shù)愈小則巖石軟化性愈強，巖石的軟化系數(shù)都小于1.0 。一般認為，軟化系數(shù)0.75時，巖石的軟化性弱，同時也說明巖石的抗凍性和抗風(fēng)化能力強。軟化系數(shù)0.75時，巖石是軟化性較強和工程地質(zhì)性質(zhì)較差的巖石。軟化系數(shù)是評價巖石力學(xué)性質(zhì)的重要指標，特別是在水工建設(shè)中，對評價壩基巖體穩(wěn)定性時具有重要意義。巖石的軟化性取決于巖石的礦物組成與空隙性。當(dāng)巖石中含有較多的親水性和可溶性礦物，且含大開空隙較多時，巖石的軟化性較強，軟化系數(shù)較小。如粘土巖、泥質(zhì)膠結(jié)的砂巖、礫巖和泥灰?guī)r等巖石，軟化性較強，軟化系數(shù)一般為0.40.6，甚至更低。巖石的膨脹性：巖石浸水后體積增大的性質(zhì)，用膨脹力和膨脹率表示。楔劈效應(yīng)：

34、當(dāng)兩個礦物顆?？康煤芙兴肿友a充到礦物表面時，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中擠出。反之如壓應(yīng)力減小至低于吸著力，水分子就又擠入兩顆粒之間，使兩顆粒間距增大，導(dǎo)致巖石體積膨脹，如巖石處于不可變形的條件，便產(chǎn)生膨脹壓力。巖石的崩解性：巖石與水相互作用時失去粘結(jié)性并變成完全喪失強度的松散物質(zhì)的性能，用巖石的耐崩解性指數(shù)表示。對于可溶鹽和粘土膠結(jié)的沉積巖與水作用，可溶性鹽溶解，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，使得巖

35、石的強度降低。溫度對巖石力學(xué)性能的影響：2.高溫高壓下巖石的變形破壞機理與常溫不一樣。 高溫高壓下巖石變形破壞形式包括微破碎帶，粒間微透鏡帶，短程破裂，扭折帶邊界破裂，晶內(nèi)破裂，粒間邊界破裂。3.研究的必要性：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 隨著溫度的升高巖石的變形特性和強度發(fā)生變化。一般來說，隨著溫度的增高，巖石的延性加大，屈服點降低，強度降低。 玄武巖玄武巖 花崗巖花崗巖 白云巖白云巖 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；加荷速率愈小，彈性模量愈小;加載速率越大，獲得的強度指標值越高。國際巖石力學(xué)學(xué)會（ISRM）建議：加載速率為0.5-1MPa/秒，一般從開始試驗直至試件破壞的時間為5-10分鐘。材料力學(xué)四個古典強度理論1.脆性斷裂材料最大拉應(yīng)力理