第76講巖體力學(xué)與工程三2015年

2．基本要(1)要求在同樣的試驗標(biāo)準(zhǔn)下，采用標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行試驗，以利于交流和比較（包括單軸抗壓試驗和常規(guī)三軸抗壓試驗50mm直徑的2.0～2.5倍，試件兩端面的不平整度不得大于0.5mm，在試件的高度上直徑或邊長的誤差不得大于0.3m，兩端面垂直于試件軸線，最大偏差不得大于0.2o。劈裂試驗采用薄圓盤形試件，試件直徑為50mm，厚度為直徑的1/250mm(2)(3)加載速度應(yīng)非常緩慢，而且應(yīng)盡可能采用等速度加載（二）巖石的單軸壓縮試試驗設(shè)備與儀測試內(nèi)應(yīng)力d，和軸向應(yīng)變e，以及徑向應(yīng)變e?？捎靡韵掠嬎?σ=σ

=P(19-19)= ΔD(19-= = ΔH(19-= 試件的軸向荷載P—試件的軸向荷載D、H---分別為試件的直徑和高度也可以用電阻應(yīng)變片直接測量試件的軸向應(yīng)變εy，和徑向應(yīng)變由于εy=ε1,εx=ε2巖體力學(xué)中規(guī)定壓應(yīng)力和壓縮應(yīng)變?yōu)檎瓚?yīng)力和拉應(yīng)變?yōu)樨?fù)以體積應(yīng)變

εv=εy?2εx(19-由此可以獲得巖石的軸向應(yīng)力一軸向應(yīng)變關(guān)系曲線、軸向應(yīng)力一徑向應(yīng)變關(guān)系曲線軸向應(yīng)變一徑所謂巖石的單軸抗壓強(qiáng)度是指巖石試件在無側(cè)限條件下，受軸向壓應(yīng)力作用破壞時面積的荷載，

= 4Pmax= 式中 巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，有時也稱作無側(cè)限抗壓強(qiáng)度19-4有峰后段曲線。當(dāng)應(yīng)力超過了巖石的極限強(qiáng)度以后，巖石并沒有完全失去承載能力，仍然具有一定的強(qiáng)度，并隨著塑性變形的增大，強(qiáng)度逐漸減小，最終達(dá)到巖石的殘余強(qiáng)度巖石具有峰后強(qiáng)度，這是巖石的一個重要特性。它表示巖石破壞以后，并不是完失去承載能力，而是仍然具有一定的強(qiáng)度。在隧道洞壁上經(jīng)常可以發(fā)現(xiàn)有的巖石已經(jīng)非常破碎隧道仍然穩(wěn)定，不需要任何支護(hù)。因此，在巖石工程設(shè)計時，應(yīng)充分利用巖石的這一特性，讓巖石處于峰后區(qū)工作，這樣既可以節(jié)省支護(hù)費(fèi)用，降低工程造價，也不會影響巖石的穩(wěn)定性從對爆裂條件的分析，可以發(fā)現(xiàn)克服爆裂現(xiàn)象的途徑主要有提高試驗機(jī)剛度，改變峰值前后的加目前較為常用的主要是電液伺服控制的剛性試驗機(jī)。峰前區(qū)巖石的變形特根據(jù)(Miller;1965)對28種巖石的試驗成果，可將峰值前應(yīng)力與應(yīng)變曲線劃分為6類（見19-9：類型V(塑彈塑性)：是中部較緩的s形曲線，是某些壓縮性較高的巖石如垂直片理加荷的片巖常的曲線類型以上曲線中類型IIIIVV裂隙微層理等壓密閉合后即出現(xiàn)一直線段當(dāng)試件破壞時則逐漸呈現(xiàn)出不同程度的屈服段。(Farmer1968)19-10。準(zhǔn)彈性巖石多為細(xì)粒致密塊狀巖石，如元?dú)饪讟?gòu)造的噴出巖、巖漿巖和變的應(yīng)力一應(yīng)變近似呈線性關(guān)系，具有彈性脆性性質(zhì)。半彈性巖石多為孔隙率低且具有較大內(nèi)聚力的粗粒S形。峰值后巖石的變形與破壞特試驗研究和工程實(shí)踐都表明，巖石即使在破裂且變形很大的情況下，也還具有一定的承載能力，即應(yīng)力一應(yīng)變曲線不與水平軸相交，在有側(cè)向壓力的情況下更是如此。因此，研究巖石變形的全過程曲線，特別是峰后區(qū)變形特征是近四十年來巖石力學(xué)界十分關(guān)注的熱點(diǎn)問題。①第1類巖石（穩(wěn)定斷 型）一一峰后 的應(yīng)變能不能使破裂繼續(xù)發(fā)展，只有再增加②第II類巖石（非穩(wěn)定斷裂型）——在峰后段，即使外力不對試件做功，試件中所的能圖19-12是大久保誠介等得出的幾種巖石的全應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線等人(1994)對此提出了不同的看法，他們根據(jù)在自己研制的電液伺服控制巖石試驗機(jī)上進(jìn)（見圖19-13II19-14（即軸向應(yīng)變控制）的情況下，絕大部分巖石的峰后區(qū)曲線位于過峰值點(diǎn)P的陡度不同而已。越是脆性的巖石（如新鮮花崗巖、玄武巖、輝綠巖、石英巖等，其后區(qū)曲線越陡，即越靠近P點(diǎn)垂直線且曲線上有明顯的臺階狀。越是塑性大的巖石（如頁巖、泥巖、泥灰?guī)r、紅砂巖等，峰后區(qū)曲線越緩（見圖19-14循環(huán)荷載作用條件下巖石的變形特荷載下對巖石加、卸荷載時，如果卸荷點(diǎn)(P)的應(yīng)力低于巖石的彈性極限(A)，則卸荷曲線加荷曲線回到原點(diǎn)，表現(xiàn)為彈性恢復(fù)但應(yīng)當(dāng)注意，多數(shù)巖石的大部分彈性變形在卸荷后能很快恢復(fù)，而小部分(須經(jīng)一段時間才能恢復(fù)。這種現(xiàn)象稱為彈性后效在反復(fù)加、卸荷的條件下，可得到如圖19-17（見圖19-17a卸荷過程并未改變巖石變形的基本習(xí)性這種現(xiàn)象也稱為巖石（2每次加荷卸荷曲線都重合，且圍成一環(huán)形面積，稱為回滯環(huán)。③當(dāng)應(yīng)力在彈性極限某一較下反復(fù)加荷、卸荷時，由圖19-17b19-17b）一個比巖石單軸抗壓強(qiáng)度低且與循環(huán)持續(xù)時間等因素有關(guān)的值。在單向壓縮荷載作用下試件的破壞形在荷載作用下，巖石試件的破壞形態(tài)是表現(xiàn)巖石破壞機(jī)理的重要特征。它不僅表現(xiàn)了巖石受力過(2)柱狀劈裂破壞，其破壞形態(tài)如圖19-18b）所示。若采用有效方法消除巖石的破壞過最終失去承載能力的整個過程。根據(jù)巖石的變形，把全應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線分成6階段（見圖19-20OABBCB石產(chǎn)生不可逆非線性變形的原因所在巖石破壞過程中的體積變(19-22)計算。圖19-21巖石在壓應(yīng)力作用下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線對應(yīng)圖。其中圖19-21b）為體積應(yīng)變與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線。可以發(fā)現(xiàn)，在BB點(diǎn)體積減至最小。之后，橫向應(yīng)變速度開始大于軸向巖石在壓應(yīng)力作用下會產(chǎn)生體積變形表現(xiàn)為先縮后脹。研究表明，體積開始增大的應(yīng)力水平大約與圖中B點(diǎn)一致，即巖石開始出現(xiàn)塑性變形時將出現(xiàn)體積增大。這是因為巖石中開始出現(xiàn)大量新產(chǎn)生的微裂紋所致。隨著裂紋數(shù)量的增加和裂紋的張開與貫通，巖石體積會越來越大。巖石體積增大（或膨脹）的現(xiàn)象稱為擴(kuò)容或剪脹，一般認(rèn)為這是裂隙開始出現(xiàn)或迅速擴(kuò)展的標(biāo)志，它是巖石材料的特有屬性。巖石變形參數(shù)的確根據(jù)各類應(yīng)力一應(yīng)變曲線，可以確定巖塊的變形模量和泊松比等變形參數(shù)變形模量是指單軸壓縮條件下軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變之比當(dāng)巖石應(yīng)力一應(yīng)變?yōu)橹本€關(guān)系時的變形模量E

E=σy=

=PH(19-

不能采用上述方法確定彈性變形參數(shù)。國際巖石力學(xué)與工程學(xué)會（ISRD）建議用下列三種一種，作為非線性彈性巖石的模量（見圖19-22(1)切線模如圖19-22a）所示，把應(yīng)力水于0.5抗壓強(qiáng)度時的切線斜率作為巖yyE=(dε)σy=1σc(19- yσyE=(ε)σy=1σc(19- （3）平均模另外，有時也采用初始模量來表示巖石彈性模量，即用應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線原點(diǎn)處的曲巖石的彈性模量值一般為20-50GPa，約為軟鋼彈性模量(206GPa)的10%～24%。表19-7列出了一荷時，變形模量最小，而平行微結(jié)構(gòu)面加荷時，其變形模量最大。兩者的比值，沉積巖一般為1.08～2.055，變質(zhì)巖為2.0右。除變形模量和泊松比兩個最基本的參數(shù)外，還有一些從不同角度反映巖石變形性質(zhì)的參數(shù)（三）巖石的三向壓縮試三向壓縮試驗根據(jù)圍壓狀態(tài)的不同，可分成真三軸試驗 （見圖19-23a）和在常圍下的壓縮試驗（）或稱常規(guī)三軸抗壓試驗（見圖19-23b，此兩者的區(qū)別在于圍壓。前者兩個水平方向施加的圍壓相等，而后者不等。而常規(guī)三軸試驗要比真三軸試驗容易得多，因此成為巖石力學(xué)中最常用的試驗方法之一。常圍壓下的巖石三軸壓縮試為了模擬三向受壓狀態(tài)，采用如圖19-24所示的裝置（三軸室）對試件施加三向壓應(yīng)力，加式如圖19-23b）所示，試件內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)滿足即采用試驗機(jī)對圓柱形試件施加軸向荷載，通過液體對試件施加圍壓。試驗時，首先把經(jīng)過加工的圓柱形巖石試件用乳膠或橡膠制成的薄膜壓圍壓達(dá)到設(shè)定值以后保持恒定不變，再通過試驗機(jī)的千斤頂施加軸向荷載。隨著軸向壓力的逐增大同時量測試件的軸向和橫向變形直至試件完全破壞由于試件的兩個方向應(yīng)力相同即，三向受壓時巖石的變圖19-25為大理巖和花崗巖在三向壓縮條件下的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線，縱坐標(biāo)是主應(yīng)力差（σ1-σ2由圖可見不論圍壓等于零，或大于零，在巖石的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的初始階段都表現(xiàn)為近似直線關(guān)系，說明了當(dāng)主應(yīng)力差的數(shù)值在一定范圍內(nèi)，巖石的變形特征還是符合彈性階段特征，而當(dāng)主應(yīng)力差超過了某一范圍時，巖石變形才合乎塑性變形的特征剪脹現(xiàn)象將隨著圍壓的增長而逐漸減弱，當(dāng)圍壓超過了某個值以后，剪脹現(xiàn)象將會。這是由于圍壓限制了試件的橫向膨脹。三軸抗壓強(qiáng)（見圖19-5石的強(qiáng)度會接近無限大，這就是地球深部巖石為什么不會發(fā)生破壞的原因所在。這是巖石材料的一個（本章后面將會介紹的應(yīng)力圓繪制在同一個圖中，如圖19-26所示。由此可見，正應(yīng)力越大，巖石的強(qiáng)度也越大。如圖所示，如果