巖石的基本物理力學性質

關于巖石的基本物理力學性質第一頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一第一章巖石的基本物理力學性質主講內容：第一節(jié)巖石的物理性質第二節(jié)巖石的強度性質第三節(jié)巖石的變形特征第四節(jié)巖石的流變特性第五節(jié)巖石的強度理論第二頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一一、巖石的容重 二、巖石的比重三、巖石的孔隙性四、巖石的水理性質第一節(jié)巖石的基本物理性質含水性吸水性透水性軟化性抗凍性膨脹性崩解性第三頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一

一、巖石的容重： 巖石單位體積（包括巖石內孔隙體積）的重量稱為巖石的容重，容重的表達式為：巖石的容重取決于組成巖石的礦物成分、孔隙發(fā)育程度及其含水量。巖石容重的大小，在一定程度上反映出巖石力學性質的優(yōu)劣。根據(jù)巖石的含水狀況，將容重分為天然容重、干容重、和飽和容重。測定方法：量積法（直接法）、水中法、蠟封法第一節(jié)巖石的基本物理性質第四頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一巖石的比重：巖石固體重量（Ws）與同體積水在4℃時的重量比Vs——固體體積；——水的比重二、巖石的比重第五頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一三、巖石的孔隙性：反映裂隙發(fā)育程度的指標巖石中的空隙有開型空隙和閉型空隙之分；開型空隙按其開啟程度又有大、小開型空隙之分?？偪障堵剩╪）總開空隙率（n0）大開空隙率（nb）小開空隙率（ns）閉空隙率(nc)一般提到的巖石空隙率系指總空隙率第六頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一第二節(jié)巖石的強度特性強度單向抗壓強度單向抗拉強度剪切強度三軸壓縮真三軸假三軸PPPP第七頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一一、巖石的單軸抗壓強度1.定義：巖石在單軸壓縮荷載作用下達到破壞前所能承受的最大壓應力稱為巖石的單軸抗壓強度

式中：P——無側限的條件下的軸向破壞荷載

A——試件截面積σc=P/APPA第八頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一二、巖石的抗拉強度定義：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力稱為巖石的單軸抗拉強度(Tensilestrength)。

試件在拉伸荷載作用下的破壞通常是沿其橫截面的斷裂破壞。直接試驗間接試驗試驗方法第九頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一三巖石的抗剪強度1.定義巖石在剪切荷載作用下達到破壞前所能承受的最大剪應力稱為巖石的抗剪切強度（Shearstrength）。所能抵抗的最大剪應力常用表示剪切強度試驗分為非限制性剪切強度試驗（Unconfinedshearstrengthtest）和限制性剪切強度試驗（Confinedshearstrengthtest）二類。非限制性剪切試驗在剪切面上只有剪應力存在，沒有正應力存在；限制性剪切試驗在剪切面上除了存在剪應力外，還存在正應力。第十頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一四.三軸抗壓強度1)定義：巖石在三向壓縮荷載作用下，達到破壞時所能承受的最大壓應力稱為巖石的三軸抗壓強度(Triaxialcompressivestrength)。與單軸壓縮試驗相比，試件除受軸向壓力外，還受側向壓力。側向壓力限制試件的橫向變形，因而三軸試驗是限制性抗壓強度(confinedcompressivestrength)試驗。第十一頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一第三節(jié)巖石的變形性質巖石的變形有彈性變形、塑性變形和粘性變形三種.

彈性：物體在受外力作用的瞬間即產(chǎn)生全部變形，而去除外力后又能立即恢復其原有形狀和尺寸的性質。塑性：物體受力后變形，在外力去除后變形不能完全恢復.

粘性：物體受力后變形不能在瞬時完成，且應變速率隨應力增加而增加的性質彈性塑性粘性第十二頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一巖石變形指標及其確定1.彈性模量E

的定義為，由于單向受壓情況下巖石的應力應變關系是非線性的，因此變形模量不是常數(shù)，常用的變形模量有以下幾種：1）初始模量，用應力應變曲線坐標原點的切線斜率表示3）割線模量，由應力應變曲線的起始點與曲線上另一點作割線，割線的斜率就是割線模量，一般選強度為50%的應力點

2）切線模量，用應力應變曲線任一點的切線斜率表示：

第十三頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一第四節(jié)巖石的流變理論流變現(xiàn)象：材料應力-應變關系與時間因素有關的性質，稱為流變性。材料變形過程中具有時間效應的現(xiàn)象，稱為流變現(xiàn)象。蠕變流變的種類：松弛彈性后效彈性元件(H)流變學中的基本元件:塑性元件(Y)粘性元件(N)第十四頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一流變的概念流變現(xiàn)象：材料應力-應變關系與時間因素有關的性質，稱為流變性。材料變形過程中具有時間效應的現(xiàn)象，稱為流變現(xiàn)象。流變的種類：蠕變松弛彈性后效應力不變，應變隨時間增加而增長第十五頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一流變的概念流變現(xiàn)象：材料應力-應變關系與時間因素有關的性質，稱為流變性。材料變形過程中具有時間效應的現(xiàn)象，稱為流變現(xiàn)象。流變的種類：蠕變

松弛彈性后效應變不變，應力隨時間增加而減小第十六頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一流變的概念流變現(xiàn)象：材料應力-應變關系與時間因素有關的性質，稱為流變性。材料變形過程中具有時間效應的現(xiàn)象，稱為流變現(xiàn)象。流變的種類：蠕變松弛

彈性后效加載或卸載時，彈性應變滯后于應力的現(xiàn)象第十七頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一（1）彈性元件（N）(b)(a)彈性元件的模型簡圖與應力應變關系從上圖可以看出彈性元件的力學特點為：應力僅僅依賴于應變，與時間無關，彈性變形瞬間完成，只要受力不變，變形就不變。簡而言之，彈性元件有受力瞬間變形，應力應變一一對應的特點。流變學中的基本元件本構方程：注：將描述應力-應變或與時間（t）的關系式叫本構方程。第十八頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一描述流變性質的三個基本元件(1)彈性元件力學模型：材料性質：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。本構方程：s=ke應力應變曲線（見右圖）：模型符號：H虎克體的性能：a.瞬變性b.無彈性后效

c.無應力松弛d.無蠕變流動第十九頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一描述流變性質的三個基本元件(2)塑性元件材料性質：物體受應力達到屈服極限s0時便開始產(chǎn)生塑性變形，即使應力不再增加，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。力學模型：

本構方程：

ε=0，（當s<s0時）

ε→∞，（當ss0時）第二十頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一描述流變性質的三個基本元件(2)塑性元件應力－應變曲線

模型符號：Y

庫侖體的性能：當s<s0時，ε=0，低應力時無變形當ss0時，ε→∞，達到塑性極限時有蠕變第二十一頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一描述流變性質的三個基本元件(3)粘性元件材料性質：物體在外力作用下，應力與應變速率成正比，符合牛頓(Newton)流動定律。稱其為牛頓流體，是理想的粘性體。力學模型：

本構方程：應力－應變速率曲線（見右圖）模型符號：N第二十二頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一描述流變性質的三個基本元件(3)粘性元件牛頓體的性能：

a.有蠕變

即有蠕變現(xiàn)象應變-時間曲線應力與應變無關，應力與應變速率一一對應，受力瞬間不變形，隨時間流逝變形趨于無限的特點第二十三頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一(3)粘性元件牛頓體的性能：

b.無瞬變

c.無松弛

d.無彈性后效

描述流變性質的三個基本元件應變-時間曲線第二十四頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一組合模型及其性質(1)串聯(lián)和并聯(lián)的性質

第二十五頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一組合模型及其性質（2）馬克斯威爾(Maxwell)體①本構方程：由串聯(lián)性質：

σ=σ1=σ2

模型符號：M=H-N第二十六頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一（3）開爾文（kelvin）體模型符號：K=H|N四、組合模型及其性質第二十七頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一第五節(jié)巖石的強度理論1強度理論概述2Coulomb強度準則3Mohr強度理論4Griffith強度理論第二十八頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一巖石的強度理論一、庫倫準則：

由庫侖（C·A·Coulomb）1773年提出，最簡單、最重要的準則，應用簡便

認為：巖石的破壞主要是剪切破壞，巖石的強度等于巖石本身抗剪切摩擦的粘結力和剪切面上法向力產(chǎn)生的摩擦力。實驗基礎：巖土材料壓剪或三軸試驗和純剪。破壞機理：（基本思想）材料屬壓剪破壞，剪切破壞力的一部分用來克服與正應力無關的粘結力，使材料顆粒間脫離聯(lián)系；另一部分剪切破壞力用來克服與正應力成正比的摩摩力，使面內錯動而最終破壞。第二十九頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一一、庫倫準則：數(shù)學表達式：——內摩擦系數(shù)庫侖準則的應用:解決在壓力（應力）作用下的破壞判推，不適應于拉破壞。破壞判斷2個方面：一個是判斷材料在何種應力環(huán)境下破壞，二是判斷破壞面的方位角。當然，這種判斷是在材料特征常數(shù)[f,,c]為已知的條件下去判斷。表示在破壞面上的正應力與剪應力的組合關系滿足上式.參數(shù)意義第三十頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一三.格里菲斯強度理論（1920、1921