1、第二章 巖石的物理力學(xué)性質(zhì)2.3.2 巖石的變形性質(zhì)一、巖石的單軸壓縮變形特性 1、巖石的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線在剛性壓力機或伺服控制試驗機上可以得到在單軸壓縮荷載作用下巖石的全過程應(yīng)力應(yīng)變曲線 單軸壓縮下的變形OA：孔隙裂隙壓密段AB：彈性變形段BC：微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段CD：累計性破裂階段D點以后：破裂后階段屈服點典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈性模量：泊松比：3事實上，自然界真正意義上的彈性巖石是不存在的，因為無論在任何應(yīng)力水平卸載，都不可能完全恢復(fù)到加載前的初始應(yīng)變狀態(tài)；無論在應(yīng)力應(yīng)變曲線上的任一段上，其變形模量都不完全相同，橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的比值也不是一個確定的常數(shù)。所謂巖石的彈性模量、泊松比等，

2、都是人為假定的變形參數(shù)，嚴格意義上是不存在的。作這樣的人為假定，完全是為了解決實際問題的簡化需要。所謂的巖石彈性模量，是指應(yīng)力應(yīng)變曲線中間近似線性段上的應(yīng)力增量與應(yīng)變增量之比或其平均值（采用切線模量或割線模量）；所謂的泊松比，是指應(yīng)力應(yīng)變曲線中間近似線性段上的橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的比值或其平均值。 巖石應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線分類 單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線典型類型、線彈性型：玄武巖、石英巖、白云巖等極堅硬巖石具有這種性質(zhì)、彈-塑性型： 石灰?guī)r、泥巖、凝灰?guī)r等較弱巖石具有這種性質(zhì)、塑-彈性型： 砂巖、花崗巖、片理平行于壓力方向的片巖及某些輝綠巖等具有這種性質(zhì)、塑-彈-塑型： 如大理巖、片麻巖等變質(zhì)巖具有這種性質(zhì)

3、、與基本相同，只是曲線斜率較平緩。壓縮性較高的巖石具有這種性質(zhì)，如片理垂直于壓力方向的片巖、彈-粘型：如鹽巖等軟弱巖石具有這種性質(zhì)2、幾種巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系概念模型從理論上將，巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系存在以下理想情況：線彈性巖石：加載路徑與卸載路徑完全重合，多次反復(fù)加卸載時，其應(yīng)力應(yīng)變路徑完全沿著同一直線往返。完全彈性巖石：加卸載路徑完全重合，多次反復(fù)加卸載時，其應(yīng)力應(yīng)變路徑完全沿著同一條曲線而不是直線往返。2、幾種巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系概念模型彈性巖石：雖然加卸載曲線不重合，但反復(fù)加載與卸載時，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線總是服從此環(huán)路的規(guī)律。2、幾種巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系概念模型彈塑性巖石：卸載曲線不沿加載路徑返回，且應(yīng)

4、變也不能恢復(fù)到原點O。對于任一應(yīng)變，不是唯一的應(yīng)力與之對應(yīng)，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系不是單值函數(shù)關(guān)系。2、幾種理想的巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型3）體積不變階段4）擴容階段3、巖石的擴容巖石變形性質(zhì)-體積變形巖石在荷載作用下發(fā)生破壞之前產(chǎn)生體積膨脹大于體積壓縮的非線性體積變形1）體積彈性壓縮階段2）體積微破裂壓縮階段10研究巖石的擴容不僅可以深入了解巖石的性質(zhì)，同時還可以預(yù)測巖石的破壞。巖石擴容的急劇發(fā)展意味著巖石即將破壞。地震發(fā)生前往往伴隨著巖石的急劇擴容，導(dǎo)致地下水位、水壓發(fā)生明顯變化，有時還會造成局部地表發(fā)生隆起，并且伴隨著聲發(fā)射事件頻率的急劇升高。研究擴容與這些現(xiàn)象之間的聯(lián)系，對揭示地震發(fā)生規(guī)律，預(yù)測地

5、震等災(zāi)害具有重要意義。對預(yù)測巖爆、礦井沖擊地壓具有重要意義。含水率彈模或含水率泊松比體積模量：剪切模量：拉梅常數(shù)：巖石的變形指標124、 巖石的破壞類型穩(wěn)定型破裂（型破裂）：達到峰值應(yīng)力以后，試件內(nèi)貯存的變形能并不能使破裂繼續(xù)擴展，只有試驗機繼續(xù)作功才能導(dǎo)致試件進一步破壞，并由于試件的有效面積隨著破裂而減小，才使試件的承載能力相應(yīng)降低。特點：即使當外力超過了巖石的最大承載力以后，仍保持一定的強度。非穩(wěn)定型破裂（型破裂）：當達到峰值應(yīng)力以后，盡管試驗機不再對試件做功，但試件內(nèi)貯存的變形能也能使破裂繼續(xù)擴展，并最終導(dǎo)致試件的整體破壞。特點：當外力超過了巖石的最大承載力以后，巖石迅速失去其承載能力，

6、巖石表現(xiàn)出具有更大的脆性。 I型II型應(yīng)力應(yīng)變ABDEC5、 巖石的循環(huán)荷載變形特性在工程中經(jīng)常會遇到巖石受循環(huán)荷載作用（地震、機器振動）的情況，為了正確認識這種情況下巖石的變形破壞機理，評價其穩(wěn)定性，需要研究巖石在循環(huán)荷載作用下的疲勞變形特性及損傷演化規(guī)律。有時，為了研究巖石的本構(gòu)關(guān)系和強度理論，也需要對巖石在反復(fù)加卸載循環(huán)條件下的變形特性進行研究。對大多數(shù)巖石，其應(yīng)力應(yīng)變曲線的加載與卸載路徑不相重合，形成滯回環(huán)（hysteresis loop）。滯回環(huán)的面積逐次擴大，但卸載曲線斜率基本上維持常量。而且每次卸載后再加載到原來的應(yīng)力再繼續(xù)加載時，則加載曲線仍然沿著單調(diào)連續(xù)加載曲線上升稱為巖石的

7、變形記憶效應(yīng)。利用這一性質(zhì)，可以獲得巖石穩(wěn)定的卸載模量參數(shù)。 對于等荷載下的循環(huán)加卸載試驗（每循環(huán)加卸載增量相等），當卸載點應(yīng)力明顯低于屈服應(yīng)力時，滯回環(huán)是穩(wěn)定的，每循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變路徑幾乎重復(fù)第一個滯回環(huán)的規(guī)律，巖石不發(fā)生破壞。但當卸載點應(yīng)力接近或超過屈服應(yīng)力時，隨著加卸載循環(huán)次數(shù)增加，滯回環(huán)應(yīng)變逐漸增大，滯回環(huán)的相對位置呈現(xiàn)“疏密疏”的規(guī)律，直至巖石發(fā)生疲勞破壞。二、巖石的三軸壓縮變形特性 巖石的強度及變形特征與巖石的應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)。在單軸壓縮或低圍壓條件下表現(xiàn)出脆性，隨圍壓增加：（1）破壞前巖石的應(yīng)變增加；（2）彈性極限和抗壓強度增加；（3）巖石的塑性增大，逐漸由脆性轉(zhuǎn)化為延性：脆性破壞脆

8、塑性轉(zhuǎn)化的過渡狀態(tài)塑性流動特征應(yīng)變硬化現(xiàn)象。 Carrara大理巖的應(yīng)力應(yīng)變曲線 巖石由脆性向塑性轉(zhuǎn)化的臨界圍壓稱為轉(zhuǎn)化壓力（brittle-ductile transition pressure）。強度越高的巖石，轉(zhuǎn)化壓力越大。巖石的脆性延性轉(zhuǎn)化壓力還和溫度相關(guān)，溫度越高，越利于巖石向延性轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化壓力越低。花崗巖是質(zhì)地堅硬的脆性巖石，常溫下花崗巖在圍壓高達300 MPa時，仍然沒有出現(xiàn)穩(wěn)定的塑性流動和應(yīng)變硬化特征 花崗巖三軸壓縮試驗中的圍壓效應(yīng) 2.4 影響巖石力學(xué)性質(zhì)的主要因素圍壓水溫度加載速度（應(yīng)變率）19隨著圍壓的增加，巖石抗壓強度顯著提高，巖石的變形顯著增大，巖石的彈性極限顯著增大

9、，巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)發(fā)生明顯改變，巖石的塑性增大，逐漸由脆性轉(zhuǎn)化為延性，出現(xiàn)應(yīng)變硬化三軸壓縮下的變形圍壓對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響巖石由脆性向塑性轉(zhuǎn)化的臨界圍壓稱為轉(zhuǎn)化壓力，其值與巖石強度和溫度有關(guān)。20水對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響（1）結(jié)合水產(chǎn)生的軟化、潤滑與水楔作用，使得巖石內(nèi)粒間粘結(jié)力降低。（2）自由水的孔隙壓力作用和溶蝕、潛蝕作用。（3）孔隙水壓力。孔隙水壓力的增大可能導(dǎo)致顆粒間壓應(yīng)力降低，降低巖石有效應(yīng)力，造成抗剪強度下降。 （4）凍融脹縮作用。孔隙、微裂隙中的水在凍融時的脹縮作用對巖石力學(xué)強度破壞很大。211）溫度引起巖石礦物相變對巖石巖性產(chǎn)生影響；2）由于溫度的變化在巖石內(nèi)引起熱應(yīng)力的

10、變化；3）溫度條件下巖石孔隙和微裂隙中水的性態(tài)改變（如發(fā)生相變）引起巖石滲流場、應(yīng)力場和變形場的耦合變化。溫度對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響22溫度的影響高溫變形模量降低，屈服點降低，峰值強度降低延性增加，破壞后區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變曲線由應(yīng)變軟化型向應(yīng)變硬化型轉(zhuǎn)化23低溫處于0以下凍結(jié)狀態(tài)的巖石，由于其孔隙水、微裂隙水凍結(jié)成冰，凍結(jié)力的存在增強了巖石顆粒之間及裂隙隙端處的連結(jié)力，因而巖石強度顯著增高。危害：巖石中冰體的形成和發(fā)育，在裂隙、孔隙中產(chǎn)生巨大的凍脹力，導(dǎo)致孔隙、裂隙張開擴展，巖石內(nèi)部微結(jié)構(gòu)損傷、破壞，產(chǎn)生凍脹變形。溫度的影響24加載速率對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響加載速率越快，測得的變形模量和強度越高巖石破壞

11、后區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變曲線也由應(yīng)變軟化型向應(yīng)變硬化型轉(zhuǎn)化25灰?guī)r 圍壓500MPa溫度恒定，但應(yīng)變率變化玄武巖 圍壓500MPa應(yīng)變率恒定，但溫度變化 溫度不變緩慢加載加載不變溫度升高同一個力學(xué)松弛行為，具有等效性26應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)變應(yīng)力溫度=20200 500 800 應(yīng)變率=10-3 s-110-4 s-110-6 s-110-7 s-1在一定應(yīng)變率下:在一定溫度下:溫度效應(yīng)時間效應(yīng)升高溫度=延長時間27 所謂巖石的時溫等效是指，巖石在較高溫度較短時間內(nèi)的力學(xué)性質(zhì)和力學(xué)行為，與其在較低溫度較長時間內(nèi)的力學(xué)性質(zhì)和力學(xué)行為等效，即時間尺度對巖石的力學(xué)性質(zhì)和力學(xué)行為的影響可以等效為溫度尺度的影響。 因而可以方便地在短時間內(nèi)通過高溫試驗和理論分析科學(xué)地預(yù)測巖石長期的力學(xué)性質(zhì)演變規(guī)律。巖石時溫等效原理研究前沿28Logarithmic Curves of Creep Compliance vs Time of TGP Granite 三峽花崗巖蠕變?nèi)崃康臅r溫等效效應(yīng)2914-4.94-4.92-4.9-4.