1、2.1巖石的基本物理性質(zhì)2.12.1概述概述2.1 巖石的基本物理性質(zhì)質(zhì)質(zhì) 量量孔孔 隙隙 性性含含 水水 性性軟軟 化化 性性膨膨 脹脹 性性VsVVVmsm2.1巖石的基本物理性質(zhì)質(zhì)質(zhì) 量量 密密 度度 天然密度天然密度 飽和密度飽和密度 干密度干密度 重力密度重力密度3( /)mg cmV3( /)sVwsamVg cmV3( /)ssamg cmV3(/)WkN mV 顆粒密度顆粒密度3( /)sssmg cmV2.1巖石的基本物理性質(zhì)ssad 密度試驗(yàn)通常用稱重法。先測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)試件的尺寸，然后放在感量精度為密度試驗(yàn)通常用稱重法。先測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)試件的尺寸，然后放在感量精度為0.01g的天平上

2、稱重，計(jì)算密度參數(shù)。的天平上稱重，計(jì)算密度參數(shù)。 天然密度天然密度：首先應(yīng)該保持被測(cè)巖石的含水量，如巖石含有遇水溶解、遇水膨：首先應(yīng)該保持被測(cè)巖石的含水量，如巖石含有遇水溶解、遇水膨脹的礦物成分，應(yīng)采用水下稱重的方法進(jìn)行試驗(yàn)，即先將試件的外表涂上一層厚脹的礦物成分，應(yīng)采用水下稱重的方法進(jìn)行試驗(yàn)，即先將試件的外表涂上一層厚度均勻的石蠟，然后放在水中稱物體的重量，計(jì)算天然密度；度均勻的石蠟，然后放在水中稱物體的重量，計(jì)算天然密度； 飽和密度飽和密度：采用：采用48h浸水法、抽真空法或者煮沸法使巖石試件飽和，然后再浸水法、抽真空法或者煮沸法使巖石試件飽和，然后再稱重；稱重； 干密度干密度：把試件放入

3、：把試件放入105-110烘箱中，將巖石烘至恒重烘箱中，將巖石烘至恒重(一般約為一般約為24h左左右右) ，再進(jìn)行稱重試驗(yàn)。，再進(jìn)行稱重試驗(yàn)。 巖石的顆粒密度巖石的顆粒密度: 首先，將巖石粉碎，并使巖粉通過直徑為首先，將巖石粉碎，并使巖粉通過直徑為0.25mm0.25mm的篩網(wǎng)篩選，的篩網(wǎng)篩選，然后，將其烘干至恒重，稱出一定量的巖粉，將巖粉倒入已注入一定量煤油然后，將其烘干至恒重，稱出一定量的巖粉，將巖粉倒入已注入一定量煤油( (或或純水純水) )的比重瓶?jī)?nèi)，搖晃比重瓶將巖粉中的空氣排出，靜置的比重瓶?jī)?nèi)，搖晃比重瓶將巖粉中的空氣排出，靜置4h 4h 后，由于加入巖粉后，由于加入巖粉使液面升高，

4、讀出其刻度，即加入巖粉后體積的增量使液面升高，讀出其刻度，即加入巖粉后體積的增量; ;最后，必須測(cè)量液體的溫最后，必須測(cè)量液體的溫度，修正由于液體溫度的不同而造成的誤差，并按要求計(jì)算出巖石的顆粒密度。度，修正由于液體溫度的不同而造成的誤差，并按要求計(jì)算出巖石的顆粒密度。 2.1巖石的基本物理性質(zhì)孔孔 隙隙 性性孔孔 隙隙 比比孔孔 隙隙 率率VsVeV100%VVnV1nen1dsn? 孔隙率是衡量巖石工孔隙率是衡量巖石工程質(zhì)量的重要物理性質(zhì)指程質(zhì)量的重要物理性質(zhì)指標(biāo)之一。巖石的孔隙率反標(biāo)之一。巖石的孔隙率反映了孔隙和裂隙在巖石中映了孔隙和裂隙在巖石中所占的百分率，孔隙率愈所占的百分率，孔隙率

5、愈大，巖石中的孔隙和裂隙大，巖石中的孔隙和裂隙就愈多，巖石的力學(xué)性能就愈多，巖石的力學(xué)性能則愈差。則愈差。2.1巖石的基本物理性質(zhì)2.1巖石的基本物理性質(zhì)含含 水水 性性含含 水水 率率吸吸 水水 率率滲滲 透透 性性100%wsmwm100%100%saspssasmmwmmmwm3(/ )xdhqAKmsdx2.1巖石的基本物理性質(zhì) 相互連通程度相互連通程度 裂隙張開程度裂隙張開程度 裂隙大小和形狀裂隙大小和形狀工工 程程 價(jià)價(jià) 值值l將水、油或者氣體泵人多孔隙的巖體中；將水、油或者氣體泵人多孔隙的巖體中；l為了能量轉(zhuǎn)換而在地下洞室中貯存液體；為了能量轉(zhuǎn)換而在地下洞室中貯存液體；l評(píng)價(jià)水庫(kù)

6、的滲水性；評(píng)價(jià)水庫(kù)的滲水性；l排除深埋洞室的滲水等等。排除深埋洞室的滲水等等。2.1 巖石的基本物理性質(zhì)水水 和和 巖巖 石石 相相 互互 作作 用用2.1 巖石的基本物理性質(zhì)軟軟 化化 性性cccdRR礦物成分和風(fēng)化程度礦物成分和風(fēng)化程度崩崩 解解 性性2rdsmIm失去粘結(jié)性失去粘結(jié)性膨膨 脹脹 性性黏土礦物黏土礦物100%100%HDHVHDVD2.1巖石的基本物理性質(zhì)抗抗 凍凍 性性ffsRKR各種礦物膨脹系數(shù)不同各種礦物膨脹系數(shù)不同孔隙中水結(jié)冰，體積膨脹孔隙中水結(jié)冰，體積膨脹0.75軟化巖石軟化巖石2.2 巖石的強(qiáng)度u 巖石在巖石在荷載荷載作用下作用下破壞破壞時(shí)所承受的時(shí)所承受的最大

7、最大荷載應(yīng)力稱為巖荷載應(yīng)力稱為巖石的強(qiáng)度。石的強(qiáng)度。 破壞強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的區(qū)別？為什么是巖石強(qiáng)度，巖體強(qiáng)度？ 2.2巖石的強(qiáng)度p巖石的抗壓強(qiáng)度(compressive strength) 巖石單軸抗壓強(qiáng)度巖石單軸抗壓強(qiáng)度就是巖石試件在單軸壓力作用下所能承受的最大壓應(yīng)力。ccPRA2.2 巖石的強(qiáng)度影響巖石單軸試驗(yàn)結(jié)果的主要因素有：承壓板端部的摩擦力及其剛度（加墊塊的依據(jù)）試件的形狀和尺寸 形狀：圓形試件不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，好加工 尺寸：大于礦物顆粒的10倍； 50的依據(jù) 高徑比：研究表明；h/d(23)較合理 試件標(biāo)準(zhǔn)：試件標(biāo)準(zhǔn)： 圓柱形試件：圓柱形試件：4.85.2cm ，高，高H=（22.5

8、) 長(zhǎng)方體試件：邊長(zhǎng)長(zhǎng)方體試件：邊長(zhǎng)L= 4.85.2cm , 高高H=（22.5)L 試件兩端不平度試件兩端不平度0.5 mm；尺寸誤差；尺寸誤差0.3mm ；兩端面垂直于軸線兩端面垂直于軸線0.25o 加載速度 加載速度越大，表現(xiàn)強(qiáng)度越高 我國(guó)規(guī)定加載速度為0.5 1.0 MPa/s 環(huán)境 含水量：含水量越大強(qiáng)度越低；巖石越軟越明顯，對(duì)泥巖、粘土等軟弱巖體，干燥強(qiáng)度是飽和強(qiáng)度的23倍。 溫度：溫度增加，巖石強(qiáng)度降低。2.2 巖石的強(qiáng)度2.2巖石的強(qiáng)度巖石單軸壓縮時(shí)的常見破壞形式：巖石單軸壓縮時(shí)的常見破壞形式：2.2巖石的強(qiáng)度2.2 巖石的強(qiáng)度根據(jù)加載應(yīng)力的不同可分為常規(guī)三軸和真三軸試驗(yàn)：常

9、規(guī)三軸壓力試驗(yàn)是使圓柱體試件周邊受到均勻壓力，而軸向則用壓力機(jī)加載。三軸壓力試驗(yàn)測(cè)得的巖石強(qiáng)度和圍壓關(guān)系很大，巖石抗壓強(qiáng)度隨圍壓的增加而提高。通常巖石類脆性材料隨圍壓的增加而具有延性。 2.2 巖石的強(qiáng)度根據(jù)加載應(yīng)力的不同可分為常規(guī)三軸和真三軸試驗(yàn)：2.2 巖石的強(qiáng)度2.2 巖石的強(qiáng)度巖石的三軸抗壓強(qiáng)度與巖性及圍壓組合的關(guān)系2.2 巖石的強(qiáng)度圍壓脆性破壞向塑性流動(dòng)過脆性破壞向塑性流動(dòng)過渡同圍壓的關(guān)系！？渡同圍壓的關(guān)系！？2.2 巖石的強(qiáng)度p巖石的抗拉強(qiáng)度（tensile strength） 巖石的抗拉強(qiáng)度巖石的抗拉強(qiáng)度就是巖石試件在單軸拉力作用下抵抗破壞的極限能力，它在數(shù)值上等于破壞時(shí)的最大拉

10、應(yīng)力值。 直接法直接法 試樣抗拉強(qiáng)度為: 直接法存在的幾個(gè)缺點(diǎn)： 巖樣與夾具間要有足夠的粘結(jié)力； 施加的軸力必須與巖石試件同軸； 試樣制備困難； 試件固定附近常出現(xiàn)應(yīng)力集中，同時(shí)難免 在試件兩端面有彎曲力矩。ttPRA該方法用的不多該方法用的不多2.2 巖石的強(qiáng)度間接法間接法- -巴西法）巴西法） 2211221222121222112212sincossincos22coscos22cossincossin2xyxyPPtrrdtPPtrrdtPtrr12221120 xyxyPdtPPtrrdt 2.2 巖石的強(qiáng)度在圓心處產(chǎn)生的豎向應(yīng)力為而水平方向的拉應(yīng)力均值為 ，巖石的抗壓強(qiáng)度為其抗拉強(qiáng)

11、度的10倍，所以巖石試樣在此種條下的破壞為受拉破壞受拉破壞。巖石的抗拉強(qiáng)度為：6yPdt2xPdtmax2tPRdt （3 3）抗彎法）抗彎法 四個(gè)基本假設(shè)：梁的截面嚴(yán)格保持為平面，材料是均四個(gè)基本假設(shè)：梁的截面嚴(yán)格保持為平面，材料是均質(zhì)、符合胡克定律，彎曲發(fā)生在梁的對(duì)稱平面內(nèi)，質(zhì)、符合胡克定律，彎曲發(fā)生在梁的對(duì)稱平面內(nèi)，拉伸拉伸和壓縮的應(yīng)力和壓縮的應(yīng)力- -應(yīng)變特性相同。應(yīng)變特性相同。tMCI2.2 巖石的強(qiáng)度 （4 4）點(diǎn)荷載試驗(yàn)法）點(diǎn)荷載試驗(yàn)法 點(diǎn)荷載試驗(yàn)法是在點(diǎn)荷載試驗(yàn)法是在2020世紀(jì)世紀(jì)70 70 年代發(fā)展起來(lái)年代發(fā)展起來(lái)的一種簡(jiǎn)便的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法。該試驗(yàn)方法最大的一種簡(jiǎn)便的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

12、方法。該試驗(yàn)方法最大的特點(diǎn)是的特點(diǎn)是可利用現(xiàn)場(chǎng)取得的任何形狀的巖塊可利用現(xiàn)場(chǎng)取得的任何形狀的巖塊，可以是可以是5cm5cm的鉆孔巖芯，也可以是開挖后掉落下的鉆孔巖芯，也可以是開挖后掉落下的不規(guī)則巖塊，不作任何巖樣加工直接進(jìn)行試的不規(guī)則巖塊，不作任何巖樣加工直接進(jìn)行試驗(yàn)。驗(yàn)。 加載原理類似于劈裂法，不同的是劈裂法加載原理類似于劈裂法，不同的是劈裂法所施加的是線荷載，而點(diǎn)荷載法所施加的是點(diǎn)所施加的是線荷載，而點(diǎn)荷載法所施加的是點(diǎn)荷載。荷載。 點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù): :2sePID0.96tsRI2.2 巖石的強(qiáng)度2.2 巖石的強(qiáng)度p巖石的抗剪強(qiáng)度(shear strength) 巖石的抗剪

13、強(qiáng)度是巖石抵抗剪切破壞的極限能力，它是巖石力學(xué)中重要指標(biāo)之一。 直接剪切試驗(yàn)( )ftanc2.2巖石的強(qiáng)度楔形剪切試驗(yàn) 楔形剪切試驗(yàn)又稱變角板剪切試驗(yàn)，根據(jù)試件的受力情況，可得下列方程式： 整理后得到：cossinsincosPfAPfAcossin0cossin0NPPfQPfP2.2巖石的強(qiáng)度2.2巖石的強(qiáng)度2.2巖石的強(qiáng)度 2.3 巖石的強(qiáng)度準(zhǔn)則p巖石強(qiáng)度準(zhǔn)則 巖石破壞機(jī)制： 張裂破壞剪切破壞塑性流動(dòng)巖石破壞類型：脆性破壞塑性破壞123(,)f2.3 巖石的強(qiáng)度準(zhǔn)則2.3 巖石的強(qiáng)度準(zhǔn)則p經(jīng)典材料強(qiáng)度準(zhǔn)則 最大正應(yīng)力理論最大正應(yīng)力理論最大正應(yīng)變理論最大正應(yīng)變理論最大剪應(yīng)力理論最大剪應(yīng)力

14、理論 最大應(yīng)變能理論最大應(yīng)變能理論 1312 2221223311()()() 6UE2.3巖石的強(qiáng)度準(zhǔn)則p巖石強(qiáng)度準(zhǔn)則M-C準(zhǔn)則 Mohr認(rèn)為，破壞不僅取決于破壞面上的剪切應(yīng)力，還和法向應(yīng)力有關(guān)系。 nn()0nnfmax()0nnf2.3 巖石的強(qiáng)度準(zhǔn)則怎么確定？怎么確定？實(shí)驗(yàn)！實(shí)驗(yàn)！2.3 巖石的強(qiáng)度準(zhǔn)則Coulomb將所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)概況成一直線關(guān)系 tanc2.3 巖石的強(qiáng)度準(zhǔn)則u建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上u物理意義明確u形式簡(jiǎn)單，使用方便u破壞機(jī)理不明確u沒有考慮到第二主應(yīng)力的影響2.3 巖石的強(qiáng)度準(zhǔn)則pGriffith準(zhǔn)則 格里菲斯強(qiáng)度理論基本思想：l在固體材料的內(nèi)部存在著許多隨機(jī)分布的裂紋

15、，外力作用下，在裂紋尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)聚集的能量達(dá)到一定值時(shí)，裂紋開始擴(kuò)展；l裂紋擴(kuò)展方向，開始沿著與最大拉應(yīng)力成直角的方向擴(kuò)展，逐漸向最大主應(yīng)力方向過渡；l當(dāng)作用在裂紋尖端的有效應(yīng)力達(dá)到形成新裂紋所需要能量時(shí)，裂紋開始擴(kuò)展 1/22()tGEa2.3 巖石的強(qiáng)度準(zhǔn)則 格里菲斯考慮了兩種情況格里菲斯考慮了兩種情況 有張力作用的情況有張力作用的情況1/22()GEa 有推壓力作用的情況有推壓力作用的情況2.3 巖石的強(qiáng)度準(zhǔn)則根據(jù)彈性力學(xué)中橢圓孔的應(yīng)力解，得格里菲斯強(qiáng)度準(zhǔn)則 2131313133()308()30tt 2.3 巖石的強(qiáng)度準(zhǔn)則優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：巖石抗壓強(qiáng)度為抗拉強(qiáng)度的8倍，反映了巖石

16、的真實(shí)情況；證明了巖石在任何應(yīng)力狀態(tài)下都是由于拉伸引起破壞；指出微裂隙延展方向最終與最大主應(yīng)力方向一致。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：僅適用于脆性巖石，對(duì)一般巖石，莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則適用性遠(yuǎn)大于Griffith準(zhǔn)則。對(duì)裂隙被壓閉合，抗剪強(qiáng)度增高解釋不夠。Griffith準(zhǔn)則是巖石微裂隙擴(kuò)展的條件，并非宏觀破壞。2.3 巖石的強(qiáng)度準(zhǔn)則p巖石經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度準(zhǔn)則 E. Hoek E. Hoek 和和E. T. Brown E. T. Brown 根據(jù)巖石性態(tài)的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了根據(jù)巖石性態(tài)的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了巖巖體體的破壞判據(jù)，其極限主應(yīng)力的表達(dá)式為的破壞判據(jù)，其極限主應(yīng)力的表達(dá)式為: : 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)， 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)

17、， 當(dāng)用莫爾圓表示時(shí)，當(dāng)用莫爾圓表示時(shí)， 與莫爾強(qiáng)度很接近，能用曲線來(lái)表示巖石的強(qiáng)度是它最大的優(yōu)點(diǎn)，只是表達(dá)式稍顯復(fù)雜。2133ccms 3021()cmccss巖體的單軸抗壓強(qiáng)度130,t 21(4 )2tmtcmms （）3() 14cmm2.3 巖石的強(qiáng)度準(zhǔn)則p巖石屈服理論(Tresca) 人們從鋼材的破壞中發(fā)現(xiàn)，這些材料的破壞是由于內(nèi)部晶格之間發(fā)生了剪切滑移，這些破壞線通常發(fā)生在與軸向成45的斜面上，該處也是剪應(yīng)力最大的地方。由此提出材料的破壞是剪切破壞，破壞準(zhǔn)則為： 2.3 巖石的強(qiáng)度準(zhǔn)則p巖石強(qiáng)度準(zhǔn)則最大剪應(yīng)力理論(Tresca) 所以在三向受力情況下，已知三個(gè)方向的主應(yīng)力時(shí)有：2

18、222221312230RRR2.3 巖石的強(qiáng)度準(zhǔn)則Mises屈服準(zhǔn)則(1913) Tresca試驗(yàn)結(jié)果在平面上得到六個(gè)點(diǎn)，六個(gè)點(diǎn)之間的連線是直線Mises采用了圓形，并為金屬材料試驗(yàn)所證實(shí)。 米賽斯準(zhǔn)則認(rèn)為:當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)， 巖石材料開始進(jìn)人塑性狀態(tài)。 2222122331()()()2k2.4 巖石的變形(Rock deformation) 巖石的變形巖石的變形是指巖石在物理因素作用下形狀和大小的變化。工程中通常研究的變形有兩類：由于外力作用引起的變形和由于巖石二次應(yīng)力分布引起的變形。2.4 巖石的變形 剛性壓力機(jī)剛性壓力機(jī)2.4 巖石的變形p彈性模量(modulus of el

19、asticity)：加載曲線直線段的斜率，加載曲線直線段大致與卸載曲線的割線相平行。 p變形模量(modulus of deformation)：取決于總的變形量，即彈性變形與塑性變形之和，它是正應(yīng)力與總的正應(yīng)變之比，它相應(yīng)于割線OP的斜率。n切線模量切線模量就是曲線上的切線的斜率；就是曲線上的切線的斜率； n割線模量割線模量就是割線的斜率；就是割線的斜率； n卸載模量卸載模量就是卸載曲線上的切線斜率。就是卸載曲線上的切線斜率。 ddEE 切割2.4 巖石的變形p巖石峰前變形特征 彈性模量： 對(duì)于線彈性巖石而言： 對(duì)于非線性彈性巖石而言：E ddEE 切割2.4 巖石的變形p巖石峰前變形特征

20、對(duì)于粘彈性巖石而言： 巖石卸載后變形能夠全部恢復(fù)，但具有滯后性，因此加載路線和卸載路線不一。 對(duì)于彈塑性巖石而言： 巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線大致與卸載曲線一致，工程中常取極限強(qiáng)度的50%對(duì)應(yīng)點(diǎn)的割線模量作為巖石彈性模量。2.4 巖石的變形p巖石變形指標(biāo) 彈性模量（彈性模量（ modulus of elasticity) 泊松比泊松比(poissonratio)剪切模量剪切模量(shear modulus)拉梅常數(shù)拉梅常數(shù) (Lame constant)體積模量體積模量(bulk modulus)2.4 巖石的變形p常見巖石的變形模量和泊松比2.4 巖石的變形p剛性試驗(yàn)機(jī) 一般試驗(yàn)機(jī)在對(duì)試件加載的同時(shí)，

21、本身會(huì)產(chǎn)生很大變形，此時(shí)積蓄在壓力機(jī)中的能量在巖石試樣達(dá)到極限強(qiáng)度的瞬間得到大量釋放，得到試件猛烈破壞飛濺，從而得不到巖石的殘余強(qiáng)度。巖石的殘余強(qiáng)度必須在剛性試驗(yàn)機(jī)上試驗(yàn)才能得到。材料剛度不同，在相同外力作用下，儲(chǔ)存的能量是不同的！2.4 巖石的變形p剛性試驗(yàn)機(jī) 對(duì)于試驗(yàn)機(jī)-試件系統(tǒng)來(lái)說(shuō)： 所以儲(chǔ)存于試驗(yàn)機(jī)中的能量為： 如果， ，儲(chǔ)存于試驗(yàn)機(jī)內(nèi)部的能量是試件的5倍！()MRMRMRMRPPPKKK KKK2111122RMWPPKK43.5 10RKMPa cm40.7 10MKMPa cm2.4 巖石的變形p剛性試驗(yàn)機(jī) 在巖石材料達(dá)到峰值強(qiáng)度后，試驗(yàn)機(jī)和試件之間產(chǎn)生的是一種同步變形，相同的變

22、形條件下，剛性試驗(yàn)機(jī)和柔性試驗(yàn)機(jī)釋放的能量不同！符合壓力機(jī)剛度大于試件剛度的壓力試驗(yàn)機(jī)稱為符合壓力機(jī)剛度大于試件剛度的壓力試驗(yàn)機(jī)稱為剛性壓力試驗(yàn)機(jī)剛性壓力試驗(yàn)機(jī)2.4 巖石的變形p反復(fù)加載與卸載條件下的巖石變形特性 卸載應(yīng)力水平一定時(shí)，每次循環(huán)中的塑性應(yīng)變?cè)隽恐饾u減小，加、卸載循環(huán)次數(shù)足夠多后，塑性應(yīng)變?cè)隽繉②呌诹恪＜有遁d循環(huán)次數(shù)足夠多時(shí)，卸載曲線與其后一次再加載曲線之間所形成的滯回環(huán)的面積將愈變愈小，且愈靠攏而又愈趨于平行。2.4 巖石的變形p反復(fù)加載與卸載條件下的巖石變形特性 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，卸載曲線的斜率也逐次略有增加（強(qiáng)化）。 每次卸載后再加載，在荷載超

23、過上一次循環(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，好像不曾受到反復(fù)加卸荷載的影響似的，這就是所謂的巖石具有記憶效應(yīng)。 2.4 巖石的變形p三軸壓縮狀態(tài)下巖石的變形特性隨著圍壓的增大，巖石的抗壓強(qiáng)度顯著增加；隨著圍壓的增大，巖石的變形顯著增大；隨著圍壓的增大，巖石的彈性極限顯著增大；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。 不同圍壓情況下石英巖全應(yīng)力-應(yīng)變曲線2.4 巖石的變形p真三軸壓縮試驗(yàn)巖石的變形特性 巖石的真三軸壓縮試驗(yàn) ， 可充分反映中間主應(yīng)力對(duì)巖石變形 及強(qiáng)度的影響。日本茂木清夫?qū)ι?口縣大理巖進(jìn)行了真三軸試

24、驗(yàn)：當(dāng) 時(shí)，隨圍壓增加，巖 石塑性和破壞強(qiáng)度同時(shí)增加。 常數(shù)， 增加，巖石強(qiáng)度屈 服強(qiáng)度有所增加，塑性減小。 常數(shù)，隨 增加，強(qiáng)度塑性 增加，屈服極限無(wú)變化。123()2332232.4 巖石的變形p真三軸壓縮試驗(yàn)巖石的變形特性巖石的體積應(yīng)變?nèi)缦率剑?隨壓力增加，體積應(yīng)變開始偏離彈性，并逐漸減小，實(shí)際體積卻在增加，接近破裂時(shí)體積超過原來(lái)體積，產(chǎn)生負(fù)壓縮變形，稱之為擴(kuò)容。（擴(kuò)容形成原因？） 0123VV V 2.4 巖石的變形p真三軸壓縮試驗(yàn)巖石的變形特性巖石擴(kuò)容 2.4 巖石的變形p真三軸壓縮試驗(yàn)巖石的變形特性體積應(yīng)變曲線可以分為三個(gè)階段：體積應(yīng)變曲線可以分為三個(gè)階段： 體積變形階段體積變形階

25、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（體積應(yīng)變?cè)趶椥噪A段內(nèi)隨應(yīng)力增加而呈線性變化（體體積減小積減小），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），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彎曲，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彎曲，開始偏離直線段，出現(xiàn)擴(kuò)容。在一般情況下，巖石開始出現(xiàn)擴(kuò)容時(shí)的開始偏離直線段，出現(xiàn)擴(kuò)容。在一般情況下，巖石開始出現(xiàn)擴(kuò)容時(shí)的應(yīng)力約為其抗壓強(qiáng)度的應(yīng)力約為其抗壓強(qiáng)度的1/31/2左右。左右。體積不變階段體積不變階段 在這一階段內(nèi)，隨著應(yīng)力的增加，巖石雖有變形，但在這一階

26、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诹悖磶r石體積大小幾乎沒有變化。在此階段內(nèi)可體積應(yīng)變?cè)隽拷诹悖磶r石體積大小幾乎沒有變化。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，因此稱為體積不變體積不變階段。階段。擴(kuò)容階段擴(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，此階段稱增加，且增長(zhǎng)速率越來(lái)越大，最終將導(dǎo)致巖石試件的破壞，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)向膨脹變形之和為擴(kuò)容階段。在此階段內(nèi)，當(dāng)試件臨近破壞時(shí)

27、，兩側(cè)向膨脹變形之和超過最大主應(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)超過最大主應(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。不是一個(gè)常量。2.4 巖石的變形p巖石的各向異性 實(shí)際上許多巖石的全部或部分物理、力學(xué)性質(zhì)隨方向的不同而表現(xiàn)出顯著的差異，稱為巖石的各向異性。 2.4 巖石的變形p巖石的各向異性極端各向異性體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 在物體內(nèi)的任一點(diǎn)沿任何兩個(gè)不同方向的彈性性質(zhì)都互不相同，任何一個(gè)應(yīng)力分量都會(huì)引起六個(gè)應(yīng)變分量。三向應(yīng)力狀態(tài)下，彈性矩陣為對(duì)稱矩陣，36個(gè)彈性常數(shù)只有21個(gè)是獨(dú)立的。2.4 巖石的變形p巖石的各向異性正交各向異性體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 在彈性體中

28、存在著三個(gè)互相正交的彈性對(duì)稱面，在各個(gè)面兩邊的對(duì)稱方向上，彈性相同，但在這個(gè)彈性主向上彈性并不相同，這種物體稱為正交各向異性體。 由于對(duì)稱的關(guān)系，正應(yīng)力分量只能引起線應(yīng)變，不會(huì)引起剪應(yīng)變；剪應(yīng)力分量只能引起與其相應(yīng)的剪應(yīng)變，不會(huì)引起線應(yīng)變。 正交各向異性體只有9個(gè)獨(dú)立的彈性常數(shù)。2.4 巖石的變形p巖石的各向異性橫觀各向同性體 在巖石某一平面內(nèi)的各方向彈性性質(zhì)相同，這個(gè)面稱為各向同性面，而垂直此面方向的力學(xué)性質(zhì)是不同的，具有這種性質(zhì)的物體稱為橫觀各向同性體（Z方向和X方向的彈性性質(zhì)相同）。 2.4 巖石的變形p巖石的各向異性各向同性體 若物體內(nèi)的任一點(diǎn)沿任何方向的彈性都相同，則這樣的物體稱為各

29、向同性體。各向同性體的彈性參數(shù)中只有2個(gè)是獨(dú)立的，即彈性模量E 和泊松比v。2.5 巖石的流變(Rock Rheology)p流變概念流變(Rheology)巖石在力作用下發(fā)生的與時(shí)間相關(guān)的變形性質(zhì)，主要包含蠕變、松弛和彈性后效。蠕變(Creep)指應(yīng)力恒定的情況下巖石變形隨時(shí)間發(fā)展的現(xiàn)象；松弛(Relaxation)指在應(yīng)變保持恒定的情況下巖石的應(yīng)力隨時(shí)間而減小的現(xiàn)象；彈性后效指在卸載過程中彈性應(yīng)變滯后于應(yīng)力的現(xiàn)象。2.5 巖石的流變p2.5.1 巖石的蠕變性質(zhì) 一般蠕變曲線類型典型蠕變破壞曲線分段2.5 巖石的流變p2.5.1 巖石的蠕變性質(zhì)-蠕變曲線 低應(yīng)力蠕變漸趨穩(wěn)定，高應(yīng)力蠕變導(dǎo)致破

30、壞；臨界荷載的存在，其大小為巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度。石膏蠕變與單軸壓應(yīng)力的關(guān)系2.5 巖石的流變p2.5.1 巖石的蠕變性質(zhì)-蠕變曲線經(jīng)驗(yàn)方程法： 根據(jù)巖石蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果，由數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)的回歸擬合方法建立經(jīng)驗(yàn)方程。微分方程法：2.5 巖石的流變p2.5.1 巖石的蠕變性質(zhì)-單元蠕變模型 為描述巖石的蠕變現(xiàn)象，目前常采用簡(jiǎn)單模型進(jìn)行組合得到較復(fù)雜的模型，描述巖石蠕變的基本單元有三種：彈性單元、塑性單元以及粘性單元。 虎克（Hooke）體(彈性單元) 材料在荷載作用下完全符合虎克定律，其力學(xué)模型以彈簧表示： 其性能有：瞬時(shí)變形、應(yīng)力-應(yīng)變隨時(shí)間保持一致。2.5 巖石的流變p2.5.1 巖石的蠕變性質(zhì)-單元蠕變

31、模型 庫(kù)倫（Coulomb）體（塑性單元） 物體受力小于某臨界值時(shí)，物體內(nèi)部存在應(yīng)力但不會(huì)產(chǎn)生變形，當(dāng)應(yīng)力大于臨界值時(shí)，應(yīng)力雖不增加也會(huì)使得變形不斷進(jìn)行下去。00:0: 2.5 巖石的流變p2.5.1 巖石的蠕變性質(zhì)-單元蠕變模型 牛頓（Newton）體（粘性單元） 粘性體，符合牛頓流動(dòng)定義，即應(yīng)力與應(yīng)變速率成正比，所以有： 求解上式可得： 當(dāng)時(shí)間為零，應(yīng)變?yōu)榱悖校篸dt或1tC1t2.5 巖石的流變p2.5.1 巖石的蠕變性質(zhì)-組合蠕變模型 將以上若干子模型串聯(lián)或并聯(lián)可得到不同的組合模型，串聯(lián)時(shí)：?jiǎn)卧Ｐ蛽?dān)負(fù)著同一總荷載，應(yīng)變之和等于總應(yīng)變；并聯(lián)時(shí)：?jiǎn)卧Ｐ蛽?dān)負(fù)荷載之和等于總荷載，而它們的應(yīng)變相等。 麥克斯韋（Maxwell）模型 對(duì)于彈性原件