巖體力學(xué)-23巖石的變形性質(zhì)課件

巖石變形性質(zhì)的幾個(gè)基本概念1）彈性(elasticity)：物體在受外力作用的瞬間即產(chǎn)生全部變形，而去除外力(卸載)后又能立即恢復(fù)其原有形狀和尺寸的性質(zhì)稱為彈性。彈性體按其應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系又可分為兩種類型：線彈性體：應(yīng)力－應(yīng)變呈直線關(guān)系,σ=Eε非線性彈性體：應(yīng)力—應(yīng)變呈非直線的關(guān)系,σ=f(ε)2.3巖石的變形特性（2/44）1巖石變形性質(zhì)的幾個(gè)基本概念2.3巖石的變形特性（2/442）塑性（plasticity）

：物體受力后產(chǎn)生變形，在外力去除（卸載）后變形不能恢復(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，稱為理想塑性體。理想塑性體，當(dāng)應(yīng)力低于屈服極限時(shí)，材料沒(méi)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.

理想塑性體的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系:σ當(dāng)σ<σs時(shí)，ε=0當(dāng)σ≥σs時(shí)，ε→∞σs

ε2.3巖石的變形特性（3/44）22）塑性（plasticity）：物體受力后產(chǎn)生變形，在外3）黏性(viscosity):物體受力后變形不能在瞬時(shí)完成，且應(yīng)變速率隨應(yīng)力增加而增加的性質(zhì)，稱為粘性。應(yīng)變速率與時(shí)間有關(guān)，→黏性與時(shí)間有關(guān)其應(yīng)力－應(yīng)變速率關(guān)系為過(guò)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），如圖所示。

σ應(yīng)力－應(yīng)變速率關(guān)系：σ=ηdε/dtodε/dt2.3巖石的變形特性（4/44）33）黏性(viscosity):物體受力后變形不能在瞬4）脆性(brittle):

物體受力后，變形很小時(shí)就發(fā)生破裂的性質(zhì)。工程上一般以5％為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分，總應(yīng)變大于5％者為塑性材料，反之為脆性材料。赫德(Heard，1963)以3％和5％為界限，將巖石劃分三類：總應(yīng)變小于3％者為脆性巖石；總應(yīng)變?cè)?％～5％者為半脆性或脆－塑性巖石；總應(yīng)變大于5％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(duì)的，在一定的條件下可以相互轉(zhuǎn)化，如在高溫高壓條件下，脆性巖石可表現(xiàn)很高的塑性。2.3巖石的變形特性（5/44）44）脆性(brittle):物體受力后，變形很小時(shí)就發(fā)5）延性(ductile):

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。巖石變形性能影響因素:

巖石成分與結(jié)構(gòu):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。

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)力路徑等密切相關(guān)。例如，在常溫常壓下，巖石既不是理想的彈性材料，也不是簡(jiǎn)單的塑性和粘性材料，而往往表現(xiàn)出彈-塑性、塑-彈性、彈-粘-塑或粘-彈性等性質(zhì)。

環(huán)境條件:如溫度、地下水與地應(yīng)力對(duì)其性狀的影響也很大。2.3巖石的變形特性（6/44）55）延性(ductile):物體能承受較大塑性變形而不單軸壓縮條件巖石應(yīng)力－應(yīng)變曲線6種類型巖石的應(yīng)力—應(yīng)變曲線隨著巖石性質(zhì)不同有各種不同的類型。米勒（Müller）采用28種巖石進(jìn)行大量的單軸試驗(yàn)后，據(jù)峰值前應(yīng)力—應(yīng)變曲線將巖石分成六種類型，如圖所示。

2.3巖石的變形特性（7/44）6單軸壓縮條件巖石應(yīng)力－應(yīng)變曲線6種類型2.3巖石的變形特性類型Ⅰ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。由于塑性階段不明顯，這些巖石被稱為彈性巖石。致密堅(jiān)硬巖石如玄武巖、石英巖、白云巖以及極堅(jiān)固的石灰?guī)r。2.3巖石的變形特性（8/44）7類型Ⅰ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)生突然類型Ⅱ應(yīng)力較低時(shí)，應(yīng)力—應(yīng)變曲線近似于直線，當(dāng)應(yīng)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)力逐漸增加而曲線斜率也就越變?cè)叫?，直至破壞。由于這些巖石低應(yīng)力時(shí)表現(xiàn)出彈性，高應(yīng)力時(shí)表現(xiàn)出塑性，所以被稱為彈—塑性巖石。致密但巖性較軟巖石如較弱的石灰?guī)r、泥巖以及凝灰?guī)r等。2.3巖石的變形特性（9/44）8類型Ⅱ應(yīng)力較低時(shí)，應(yīng)力—應(yīng)變曲線近似于直線，當(dāng)應(yīng)力增加到一類型Ⅲ在應(yīng)力較低時(shí)，應(yīng)力—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)變曲線逐漸變?yōu)橹本€，直至發(fā)生破壞。由于這些巖石低應(yīng)力時(shí)表現(xiàn)出塑性，高應(yīng)力時(shí)表現(xiàn)出彈性，所以被稱為塑—彈性巖石。具孔隙和微裂隙的堅(jiān)硬巖石如砂巖、花崗巖、片理平行于壓力方向的片巖以及某些輝綠巖等。2.3巖石的變形特性（10/44）9類型Ⅲ在應(yīng)力較低時(shí)，應(yīng)力—應(yīng)變曲線略向上彎曲。當(dāng)應(yīng)力增加到類型Ⅳ應(yīng)力較低時(shí)，應(yīng)力—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，最后，曲線向下彎曲，曲線似S型。由于這些巖石低應(yīng)力時(shí)表現(xiàn)出塑性，高應(yīng)力時(shí)表現(xiàn)出彈性，破壞前又表現(xiàn)出塑性，所以被稱為塑—彈—塑性巖石。較堅(jiān)硬致密巖石如大多數(shù)為變質(zhì)巖（大理巖、片麻巖等）。2.3巖石的變形特性（11/44）10類型Ⅳ應(yīng)力較低時(shí)，應(yīng)力—應(yīng)變曲線向上彎曲，當(dāng)壓力增加到一類型Ⅴ基本上與類型Ⅳ相同，也呈S型，不過(guò)曲線斜率較平緩。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)。2.3巖石的變形特性（12/44）11類型Ⅴ基本上與類型Ⅳ相同，也呈S型，不過(guò)曲線斜率較平緩。類型Ⅵ應(yīng)力—應(yīng)變曲線開(kāi)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)不斷地蠕變。這類材料被稱為彈—粘性巖石。巖鹽、某些軟弱巖石。2.3巖石的變形特性（13/44）12類型Ⅵ應(yīng)力—應(yīng)變曲線開(kāi)始先有很小一段直線部分，然后有非彈巖石變形指標(biāo)及其確定巖石的變形特性通常用彈性模量、變形模量和泊松比等指標(biāo)表示。1)彈性模量和變形模量2.3巖石的變形特性（14/44）13巖石變形指標(biāo)及其確定2.3巖石的變形特性（14/44）13a.線彈性巖石①應(yīng)力—應(yīng)變曲線具有近似直線的形式。②彈性模量：直線的斜率,也即應(yīng)力（σ）與應(yīng)變（ε）的比率被稱為巖石的彈性模量，記為E。③其應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系：

σ=Eε即：E=σ/ε④反復(fù)加卸載應(yīng)力—應(yīng)變曲線仍為直線。2.3巖石的變形特性（15/44）14a.線彈性巖石2.3巖石的變形特性（15/44）14b.完全彈性巖石①應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為曲線，對(duì)于任一應(yīng)變?chǔ)?，都有唯一的?yīng)力σ與之對(duì)應(yīng)，應(yīng)力是應(yīng)變的函數(shù)關(guān)系，即

σ=f（ε）②切線模量、初始模量和割線模量：由于應(yīng)力—應(yīng)變是一曲線關(guān)系，所以這里沒(méi)有唯一的模量。對(duì)于曲線上任一點(diǎn)的值，都有一個(gè)。譬如對(duì)應(yīng)于P點(diǎn)的值，切線模量就是P點(diǎn)在曲線上的切線PQ的斜率Et，曲線原點(diǎn)處的切線斜率Eo即為初始模量，而割線模量就是割線OP的斜率Es，通常取σc/2（即極限應(yīng)力的50%）處的割線模量。

Et=dσ/dε;Es=σ/ε③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OP。如果在P點(diǎn)將荷載卸去，則卸載曲線仍沿原曲線OP路線退到原點(diǎn)O。2.3巖石的變形特性（16/44）15b.完全彈性巖石2.3巖石的變形特性（16/44）15c.彈性巖石①巖石的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系不是直線，而是曲線，且卸載曲線不沿原加載路徑返回原點(diǎn)。②對(duì)于任一應(yīng)變?chǔ)?，不是唯一的?yīng)力σ與之對(duì)應(yīng)，應(yīng)力不是應(yīng)變的函數(shù)關(guān)系。③切線模量和割線模量：卸載曲線P點(diǎn)的切線PQ′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。而加、卸載的割線模量相同。④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OP。如果在P點(diǎn)將荷載卸去，則卸載曲線不沿原曲線OP路線退到原點(diǎn)O，如圖中虛線所示，這時(shí)產(chǎn)生了所謂滯回效應(yīng)。2.3巖石的變形特性（17/44）16c.彈性巖石2.3巖石的變形特性（17/44）16d.彈塑性巖石①巖石的應(yīng)力—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)變也不能恢復(fù)到原點(diǎn)O。②對(duì)于任一應(yīng)變?chǔ)?，不是唯一的?yīng)力σ與之對(duì)應(yīng)，應(yīng)力不是應(yīng)變的函數(shù)關(guān)系。③彈性模量和變形模量：彈性變形，以εe表示；塑性變形，以εp表示；總變形，以ε表示。彈性模量E：把卸載曲線的割線的斜率作為彈性模量，即:E=PM/NM=σ/εe

變形模量Eo：是正應(yīng)力與總應(yīng)變(ε)之比，即：Eo=PM/OM=σ/ε=σ/(εe+εp)④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)。2.3巖石的變形特性（18/44）17d.彈塑性巖石2.3巖石的變形特性（18/44）17彈塑性巖石在循環(huán)荷載條件下的變形特征在循環(huán)荷載條件下，彈性巖石變形如何？非彈性巖石（彈塑性）的變形又如何呢？2.3巖石的變形特性（19/44）18彈塑性巖石在循環(huán)荷載條件下的變形特征2.3巖石的變形特性（彈塑性巖石等荷載循環(huán)加載變形特征①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第一次施加的最大荷載一樣。②塑性滯回環(huán)：則每次加、卸載曲線都形成一個(gè)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(lái)愈狹窄，并且彼此愈來(lái)愈近，巖石愈來(lái)愈接近彈性變形，一直到某次循環(huán)沒(méi)有塑性變形為止，如圖中的HH‘環(huán)。③臨界應(yīng)力：當(dāng)循環(huán)應(yīng)力峰值小于某一數(shù)值時(shí)，循環(huán)次數(shù)即使很多，也不會(huì)導(dǎo)致試件破壞；而超過(guò)這一數(shù)值巖石將在某次循環(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(shí)，給定的應(yīng)力稱為疲勞強(qiáng)度。2.3巖石的變形特性（20/44）19彈塑性巖石等荷載循環(huán)加載變形特征2.3巖石的變形特性（20彈塑性巖石非等荷載循環(huán)加載變形特征①增荷載循環(huán)加載：多次反復(fù)加載、卸載循環(huán)，每次施加的最大荷載比前一次循環(huán)的最大荷載為大。②塑性滯回環(huán)：每次加、卸載曲線都形成一個(gè)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)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，表明卸載應(yīng)力下的巖石材料彈性有所增強(qiáng)。③巖石的記憶性：每次卸載后再加載，在荷載超過(guò)上一次循環(huán)的最大荷載以后，變形曲線仍沿著原來(lái)的單調(diào)加載曲線上升（圖中的OC線），好象不曾受到反復(fù)加載的影響似的，這種現(xiàn)象稱為巖石的變形記憶。2.3巖石的變形特性（21/44）20彈塑性巖石非等荷載循環(huán)加載變形特征2.3巖石的變形特性（2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①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。1966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。在普通柔性實(shí)驗(yàn)機(jī)上的試驗(yàn)現(xiàn)象是：巖石破壞的形式都是突發(fā)的：瞬間崩裂、碎塊四面飛射、伴有很大聲響。

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oε2.3巖石的變形特性（22/44）21單軸壓縮條件下的巖石全應(yīng)力－應(yīng)變曲線2.3巖石的變形特性（②在普通的試驗(yàn)機(jī)上，巖石達(dá)到其峰值強(qiáng)度后發(fā)生突發(fā)性破壞的根本原因：是試驗(yàn)機(jī)的剛度不夠大，這類試驗(yàn)機(jī)稱為“柔”性試驗(yàn)機(jī)（Softtestingmachine）。由于試驗(yàn)機(jī)的剛度不夠大，在試驗(yàn)過(guò)程中試件受壓，試驗(yàn)機(jī)框架受拉，如圖所示。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)器中。當(dāng)施加的壓縮應(yīng)力超過(guò)巖石抗壓強(qiáng)度后，試件破壞。此時(shí)，試驗(yàn)機(jī)架迅速回彈，并將其內(nèi)部貯存的應(yīng)變能釋放到巖石試件上，從而引起巖石試件的急劇破裂和崩解。2.3巖石的變形特性（23/44）22②在普通的試驗(yàn)機(jī)上，巖石達(dá)到其峰值強(qiáng)度后發(fā)生突發(fā)性破壞的根本③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(guò)其峰值強(qiáng)度后就完全破壞了，沒(méi)有任何承載能力了。與事實(shí)矛盾。事實(shí)上，巖石超過(guò)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(méi)有降到零，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。巖石開(kāi)挖工程的圍巖一般都處在周?chē)鷰r石的限制中，因而破壞時(shí)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(zhǎng)的地質(zhì)年代中受到過(guò)各種力場(chǎng)的作用，經(jīng)歷過(guò)多次破壞，因而我們?cè)趲r石工程中面對(duì)的就是已經(jīng)發(fā)生過(guò)破壞的巖石（巖體）。研究巖石超過(guò)其峰值強(qiáng)度破壞后的強(qiáng)度特征對(duì)巖石工程本身具有重要意義。2.3巖石的變形特性（24/44）23③普通柔性實(shí)驗(yàn)機(jī)獲得結(jié)果與工程的矛盾：2.3巖石的變形特性④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。a.提高試驗(yàn)機(jī)鋼架構(gòu)件的剛度：鋼架構(gòu)件的剛度系數(shù)Ks=EA/L.增加鋼構(gòu)件的截面積A，減小其長(zhǎng)度L。因此在許多剛性試驗(yàn)機(jī)上使用了幾個(gè)粗矮鋼柱以加強(qiáng)。b.提高試驗(yàn)機(jī)液壓柱剛度：液壓柱剛度系數(shù)Kf=kA/H.應(yīng)增加液壓柱的截面積A，減小其長(zhǎng)度H；同時(shí)要增大液壓油的體積模量K。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。c.減少巖石試件的剛度：減小試件截面積，增加其長(zhǎng)度。d.增加伺服控制系統(tǒng)，控制巖石變形速度恒定。2.3巖石的變形特性（25/44）24④試驗(yàn)改進(jìn)途徑2.3巖石的變形特性（25/44）24

全應(yīng)力－應(yīng)變曲線的特征

1966年庫(kù)克（Cook)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,可將巖石變形分為下列四個(gè)階段:①孔隙裂隙壓密階段（OA段）：即試件中原有張開(kāi)性結(jié)構(gòu)面或微裂隙逐漸閉合，巖石被壓密，形成早期的非線性變形，σ－ε曲線呈上凹型。在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(duì)裂隙化巖石來(lái)說(shuō)較明顯，而對(duì)堅(jiān)硬少裂隙的巖石則不明顯，甚至不顯現(xiàn)。②彈性變形至微彈性裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段（AC段〕：該階段的應(yīng)力—應(yīng)變曲線成近似直線型。其中，AB段為彈性變形階段，BC段為微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段。2.3巖石的變形特性（26/44）25全應(yīng)力－應(yīng)變曲線的特征

1966年庫(kù)克（Cook)教③非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段，或稱累進(jìn)性破裂階段（CD段）：C點(diǎn)是巖石從彈性變?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)力為屈服極限，其值約為峰值強(qiáng)度的2/3。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，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。④破裂后階段（D點(diǎn)以后段）：巖塊承載力達(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)合形成宏觀斷裂面。此后，巖塊變形主要表現(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，但并不降到零，說(shuō)明破裂的巖石仍有一定的承載力。2.3巖石的變形特性（27/44）26③非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段，或稱累進(jìn)性破裂階段（CD段）：C點(diǎn)是巖全應(yīng)力－應(yīng)變曲線的工程意義①揭示巖石試件破裂后，仍具有一定的承載能力。2.3巖石的變形特性（28/44）27全應(yīng)力－應(yīng)變曲線的工程意義2.3巖石的變形特性（28/44②預(yù)測(cè)巖爆。A代表達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)積累在試件內(nèi)部的應(yīng)變能；B代表試件從破裂到破壞整個(gè)過(guò)程所消耗的能量。若A>B，會(huì)產(chǎn)生巖爆若B>A，不產(chǎn)生巖爆。2.3巖石的變形特性（29/44）28②預(yù)測(cè)巖爆。2.3巖石的變形特性（29/44）28③預(yù)測(cè)蠕變破壞。當(dāng)應(yīng)力水平在H點(diǎn)以下時(shí)保持應(yīng)力恒定，巖石試件不會(huì)發(fā)生蠕變。應(yīng)力水平在G－H點(diǎn)之間保持恒定。蠕變應(yīng)變發(fā)展會(huì)和蠕變終止軌跡相交，蠕變將停止，巖石試件不會(huì)破壞。若應(yīng)力水平在G點(diǎn)及以上保持恒定，則蠕變應(yīng)變發(fā)展就和全應(yīng)力—應(yīng)變曲線的右半部，試件將發(fā)生破壞。蠕變終止軌跡線：即在不同應(yīng)力水平下蠕變終止點(diǎn)的連線，由大量試驗(yàn)獲得，表示在試件加載到一定的應(yīng)力水平后，保持應(yīng)力恒定，試件將發(fā)生蠕變。在適當(dāng)?shù)膽?yīng)力水平下蠕變發(fā)展到一定程度，即應(yīng)變達(dá)到某一值時(shí)，蠕變就停止了，巖石試件處于穩(wěn)定狀態(tài)。2.3巖石的變形特性（30/44）29③預(yù)測(cè)蠕變破壞。蠕變終止軌跡線：即在不同應(yīng)力水平下蠕變終止點(diǎn)④預(yù)測(cè)循環(huán)加載條件下巖石的破壞。循環(huán)荷載：爆破，而且是動(dòng)荷載。在高應(yīng)力水平下循環(huán)加載，巖石在很短時(shí)間內(nèi)就破壞。如A→B在低應(yīng)力水平下循環(huán)加載，巖石可以經(jīng)歷相對(duì)較長(zhǎng)一段時(shí)間，巖石工程才會(huì)發(fā)生破壞。所以，根據(jù)巖石受力水平，循環(huán)荷載的大小、周期、全應(yīng)力—應(yīng)變曲線來(lái)預(yù)測(cè)循環(huán)加載條件下巖石破壞時(shí)間。2.3巖石的變形特性（31/44）30④預(yù)測(cè)循環(huán)加載條件下巖石的破壞。2.3巖石的變形特性（31三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(shí)，巖石顯示出由脆性到塑性轉(zhuǎn)化的過(guò)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(shí)，呈現(xiàn)出塑性流動(dòng)狀態(tài)；圍壓增至165MPa時(shí),試件承載力則隨圍壓穩(wěn)定增長(zhǎng)，出現(xiàn)所謂應(yīng)變硬化現(xiàn)象。2.3巖石的變形特性（32/44）31三軸壓縮條件下的巖石變形特征2.3巖石的變形特性（32/4圍壓對(duì)巖石變形的影響①隨著圍壓的增大，巖石的抗壓強(qiáng)度顯著增加；②隨著圍壓的增大，巖石的變形顯著增大；③隨著圍壓的增大，巖石的彈性極限顯著增大；④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2.3巖石的變形特性（33/44）32圍壓對(duì)巖石變形的影響2.3巖石的變形特性（33/44）32巖石的擴(kuò)容擴(kuò)容：當(dāng)外力繼續(xù)增加，巖石試件的體積不是減小，而是大幅度增加，且增長(zhǎng)速率越來(lái)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。實(shí)驗(yàn)表明：體積應(yīng)變曲線可以分為三個(gè)階段：①體積變形階段

體積應(yīng)變?cè)趶椥噪A段內(nèi)隨應(yīng)力增加而呈線性變化（體積減小），在此階段內(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(kāi)始偏離直線段，出現(xiàn)擴(kuò)容。在一般情況下，巖石開(kāi)始出現(xiàn)擴(kuò)容時(shí)的應(yīng)力約為其抗壓強(qiáng)度的1/3～1/2左右。2.3巖石的變形特性（34/44）33巖石的擴(kuò)容2.3巖石的變形特性（34/44）33②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?cè)隽拷诹?，即巖石體積大小幾乎沒(méi)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。③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(zhǎng)速率越來(lái)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(shí)，兩側(cè)向膨脹變形之和超過(guò)最大主應(yīng)力方向上的壓縮變形值。這時(shí)，巖石試件的泊松比已經(jīng)不是一個(gè)常量。2.3巖石的變形特性（35/44）34②體積不變階段在這一階段內(nèi)，隨著應(yīng)力的增加，巖石雖有變形影響巖石力學(xué)性質(zhì)的主要因素1)水對(duì)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(rùn)滑作用、水楔作用。連結(jié)作用：將礦物顆粒拉近、接緊，起連結(jié)作用。潤(rùn)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，水起到潤(rùn)滑劑的作用。水楔作用：當(dāng)兩個(gè)礦物顆?？康煤芙兴肿友a(bǔ)充到礦物表面時(shí)，礦物顆粒利用其表面吸著力將水分子拉到自己周?chē)趦蓚€(gè)顆粒接觸處由于吸著力作用使水分子向兩個(gè)礦物顆粒之間的縫隙內(nèi)擠入。

2.3巖石的變形特性（36/44）35影響巖石力學(xué)性質(zhì)的主要因素2.3巖石的變形特性（36/44當(dāng)巖石受壓時(shí)：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(rùn)滑作用，巖石強(qiáng)度降低。2.3巖石的變形特性（37/44）36當(dāng)巖石受壓時(shí)：2.3巖石的變形特性（37/44）36重力水：對(duì)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?？紫秹毫ψ饔茫嚎紫秹毫?，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(dòng)過(guò)程中可將巖石中可溶物質(zhì)溶解帶走，有時(shí)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(shí)的脹縮作用對(duì)巖石力學(xué)強(qiáng)度破壞很大。2.3巖石的變形特性（38/44）37重力水：對(duì)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、2)溫度對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響

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、核廢料處理研究一般來(lái)說(shuō)，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。如圖所示即為三種不同巖石在圍壓為500MPa，溫度由25℃升高到800℃時(shí)應(yīng)力－應(yīng)變特征。

玄武巖花崗巖白云巖

2.3巖石的變形特性（39/44）382)溫度對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響玄武巖3)加載速率對(duì)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(qiáng)度指標(biāo)值越高。國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)（ISRM）建議：加載速率為0.5-1MPa/秒，一般從開(kāi)始試驗(yàn)直至試件破壞的時(shí)間為5~10分鐘。2.3巖石的變形特性（40/44）393)加載速率對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響2.3巖石的變形特性（44)圍壓對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響

由三軸壓縮試驗(yàn)可知：巖石的脆性和塑性并非巖石固有的性質(zhì)，它與其受力狀態(tài)有關(guān)，隨著受力狀態(tài)的改變，其脆性和塑性是可以相互轉(zhuǎn)化的。在三軸壓縮條件下，巖石的變形、強(qiáng)度和彈性極限都有顯著增大。例如：歐洲阿爾卑斯山的山嶺隧道穿過(guò)很堅(jiān)硬的花崗巖，由于山勢(shì)陡峭，花崗巖處于很高的三維地應(yīng)力狀態(tài)下，表現(xiàn)出明顯的塑性變形。2.3巖石的變