岩石物理力学性质.pdf

2岩石物理力学性质2.1 岩石的基本构成和地质分类(1)岩石的地质分类1.火成岩主要由高温熔融的岩浆侵入壳或喷出地表冷凝形成的 岩石，亦称岩浆岩。2.沉积岩主要由母岩风化剥蚀的产物、火山碎屑物质、生物遗 骸等经过搬运、沉积、固结形成的岩石。112021-3-243.变质岩先以存在的火成岩、沉积岩或变质岩受物理和化学 条件变化的影响改变其结构、构造和矿物成分而形 成的新的岩石。(2)基本构成岩石的基本构成是由组成岩石的矿物质成分和 结构两大方面来决定的。222021-3-24（1）岩石的主要矿物质成分1）火成岩的矿物成分组成火成岩常见的矿物有：长石、石英、云母、角 闪石、辉石、橄榄石、霞石、白榴石、磁铁矿、磷 灰石等十余种，这些矿物约占火成岩总质量的99%,是火成岩的造矿物（其中：长石占60%以上，其次 是石英）。2）沉积岩的矿物成分沉积岩中已发现的矿物有160余种，主要矿物约20 种，如石英类、长石类、云母类、粘土矿物、碳酸 盐矿物、硫酸盐矿物以及Fe、Mn、Al的氧化物和氢 氧化物。一般沉积岩仅含56种矿物，多数仅含1 3种。332021-3-243）变质岩的矿物成分变质岩的矿物成分一方面对原岩有较大的继承性，另 一方面受到变质作用类型和强度的影响，一些矿物 是经变质作用后新生成的矿物。如：蛇纹石、滑石、软玉、硬玉等。（2）沉积岩的矿物成分与火成岩的区别1）在沉积岩中几乎看不到火成岩中大量出现的橄榄石、辉石、角闪石等铁镁矿物和基性斜长石，而粘土矿 物、氧化物矿物、氢氧化物矿物和碳酸盐矿物大量 出现；2）火成岩中长石多于石英，而沉积岩中石英多于长石,而且长石中是以钾长石为主，酸性斜长石次之，其 它种类长石罕见。4 2021-3-24 4（3）矿物组成对岩石的物理力学性质影响1）在许多岩浆岩中，其强度随暗色矿物的增加而增加；2）在沉积岩中，砂岩的强度常随石英相对含量的增加而 增大，石灰岩的强度常随其硅质混合物含量的增加而增 大，随粘土质矿物含量的增加而降低；3）在变质岩中，任何片状的硅酸盐类矿物、盐岩矿物将 使岩石强度降低；4）易溶和粘土矿物在水的作用下容易被溶蚀，使岩石的 孔隙度增大，结构变松，强度降低。5）一些矿物由于其物态变化，使其体积发生膨胀和软化,使岩石强度降低。552021-3-24（4）岩石结构类型岩石的结构是指岩石中矿物（及岩屑）颗粒相互之间的 关系，包括颗粒的大小、形状、排列、结构连结特点及 岩石中微结构面（即内部缺陷）。其中，以结构连结和 岩石中的微结构面对岩石工程性质影响最大。颗粒的大小、形状、排列岩石结构结构连结微结构面结晶连结 胶结连结 微小弱面 微小孔隙662021-3-242.2岩石的物理性质岩石的物理性质是指由岩石固有的物质组成和 结构特征所决定的比重、翌重、孔隙率等基本 属性。2.2.1 岩石的容重(1)概念岩石的容重：也叫岩石的重力密度，即岩石单位体 积(包括岩石内部孔隙体积)的重量。(2)表达式式中丫一岩石容重(kN/m3)；W-被测岩样的重量(kN)；V被测岩样的体积(m3)。772021-3-24(3)容重的分类根据岩石的含水状态，将容重又可分为：天然容重、干容重和饱和容重。M1.天然容重I：是指岩石在自然条件下，单位体积的 重量。2.干容重3：是指试件在105。110温度下烘干 24小时的试验条件下，岩石孔隙中的液体全部被蒸 发，试件中仅有固体和气体时，单位体积的重量。3,饱和容重、：是指试件在浸水48h或抽真空法，使 岩石中的孔隙都被水充填时，单位体积的重量。(4)测定的试验方法测定岩石的容重可根据岩石的性质和岩样形态采用：量积法、水中称量法或蜡封法等。882021-3-241.量积法适用条件：凡能制备成规则试样的岩石均宜采用量 积法测定其容重。试验方法：首先测定规则试样的平均断面积A,平 均高度h以及试样的重量G,代入22式即得其容重。若试样重量是自然状态的重量时，即为岩石的天然 容重；若试样重量是在105。110温度下烘干24 小时后的重量时，则为该岩石的干容重；若是采用 48h浸水法或抽真空法使岩石试件饱和的重量时，则为该岩石的饱和容重。G/二(2-2)992021-3-242,水中称量法适用条件：对于规则或不规则形状的岩样进行测量 时都可采用此方法，但对于孔隙率非常发育、遇水 崩解、溶解及干缩湿胀的岩石或岩石干容重时不能 采用此方法。试验方法：首先称量规则或不规则的岩样在浸入纯 水前的重量W,然后再测出岩样在纯水中的重量，根据阿基米德原理可得出岩样的体积（V）,就可根 据（23）式得出该试样的天然容重（丫）或饱和容 重。Wr=（2-3）w-w10102021-3-243.蜡封法适用条件：本方法适用于不能用量积法或水中称量法 测定其容重的岩石，它既可测出该岩石的干容重也可 测出其天然容重。试验方法：首先选取有代表性岩样在105。110C 温度下烘干24小时，取出，系上细线，称岩样重 量L，持细线将岩样缓慢浸入刚过熔点的蜡溶液中，浸后立即取出，检查试样周围的蜡膜，若有气泡应用 针刺破，再用蜡液补平，待试件冷却后称取其重 量，然后将蜡封岩样浸没于纯水中称其重量卜，则 岩石的干容重3为：“_&Yd 乡一当刍-为蜡的容重(kN/m3)o(2-4)1111式中2021-3-242.2.2岩石的密度(1)概念岩石的密度：即单位体积内岩石的质量。(2)计算关系式mP 二一V(2-6)式中p岩石密度(kg/m3)；W被测岩样 的质量(kg)；V一被测岩样的体积(m3)。(3)容重和岩石密度的关系W mg 丫=7=7=走(2-7)12122021-3-242.2.3岩石的比重岩石的比重是岩石固体部分的重量和4时 同体积纯水重量的比值，即：(2-8)式中，匚为岩石的比重；为体积为V的岩 石固体部分的重量（kN）；为岩石固体 部分（不包括孔隙）的体积（m3）；匕为4时单位体积纯水的重量（kN/m3）o13132021-3-24224岩石的孔隙性天然岩石中包含着数量不等，成因各异的孔隙和裂 隙，是岩石的重要结构特征之一。它们对岩石力学 性质的影响基本一致，在工程实践中很难将二者分 开，因此将它们统称为岩石的孔隙性。岩石的孔隙 性通常用孔隙率n表示。(1)岩石的孔隙率是指岩石孔隙的体积(Vv)与岩石总体积(V)的比 值，以百分数表示。其公式为：v(2-9)14142021-3-24(2)岩石的空隙比岩石孔隙的体积(Vv)与岩石固体体积(V。)的比值，以百分数表示。其公式为：e=&10C%(2-10)yc岩石的孔隙参数可通过压汞试验测得。孔隙率是衡量岩石工程质量的重要物理性质 指标之一，反映了孔隙和裂隙在该岩石中所 占的百分率，孔隙率愈大，则岩石的孔隙和 裂隙愈多，岩石的力学性能则愈差。152021-3-24 152.2.5岩石的水理性岩石的水理性：岩石与水相互作用时所表现的性质。它包括岩石的吸水性、透水性、软化性和抗冻性等。(1)岩石的天然含水率岩石的天然含水率W：天然状态下岩石中水的质量 mw与岩石的干质量mdr的比值，以百分数表示，即：77Z w=xlO(54)mdr(2-12)16162021-3-24(2)岩石的吸水性岩石的吸水性：即岩石在一定条件下吸收水分的 性能，它取决于岩石孔隙的数量、大小、开闭程度 和分布情况。表征岩石吸水性的指标有：吸水率、饱和吸水率与饱水系数。1.岩石的吸水率岩石吸水率：是指岩石在常温常压下吸入水的质 量与其烘干质量md的比值，以百分数表示，即：(2-13)式中，m0为烘干岩样浸水48小时后的总质量。17172021-3-242.岩石的饱和吸水率（或饱水率）饱和吸水率（或饱水率）：是指岩石在强制状态（高压或真空、煮沸）下，岩石吸入水的质量与岩 样在105。110。温度下烘干24h后质量md的比 值，以百分数表示，即：g（2-14）式中，Wsa为岩石的饱和吸水率；FB sa为真空饱和或 煮沸后试件的质量（kg）o强制状态：在高压条件下，通常认为水能进入岩石 中所有张开的孔隙和裂隙中，国外采用高压设备测 定岩石的饱和吸水率；国内常用真空抽气法或煮沸 法测定饱和吸水率。18182021-3-243,岩石饱水系数岩石饱水系数kw：是指岩石吸水率与饱水率的比值,以百分数表示，即：加=jxlOM(2-15)(3)岩石的透水性岩石的透水性是指岩石能被水透过的性能。它的大 小可用渗透系数来衡量，主要决定于岩石孔隙的大 小、方向及其连通情况。19192021-3-24(4)岩石的软化性岩石浸水后强度降低的性能称为岩石的软化性，通 常用软化系数来衡量。软化系数f：是岩样饱水状态的抗压强度”,kPa与 自然风干状态抗压强度L kPa的比值，用小数表示,即7c=叽(2-16)C202021-3-24 20(5)岩石的抗冻性岩石抵抗冻融破坏的性能称为岩石的抗冻性，通常 用抗冻系数表示。岩石的抗冻系数：是指岩样在25。的温度区间 内，反复降温、冻结、升温、融解，其抗压强度有 所下降，岩样抗压强度的下降值与冻融前的抗压强 度的比值，以百分数表示，即：Xl O政(2-17)式中,。，为岩样冻融前的抗压强度kPa；。1/为岩样冻 融后的抗压强度kPa。21212021-3-24岩石在反复冻融后其强度降低的主要原因 构成岩石的各种矿物的膨胀系数不同，当温 度变化时，由于矿物的胀、缩不均匀而导致岩 石结构的破坏；当温度降到0以下时，岩石孔隙中的水将结 冰，其体积增大约9%,会产生很大的膨胀压力,使岩石的结构发生改变，直至破坏。222021-3-24 222.3岩石的强度特性2.3.1 概述(1)岩石强度在研究岩石材料的力学性质时，主要是研究岩石的强度特性和岩石的变性特性两方面。1.定义岩石强度：是指岩石在各种载荷作用下达到破坏时 所能承受的极限应力，即岩石材料在受外载荷作用时 抵抗破坏的能力。2.分类岩石的强度主要包,括岩石的单轴抗压强度、单轴抗 拉强度、抗剪强度、多轴压缩强度等。23232021-3-24(2)研究岩石强度的意义1.是岩石分类、分级中的重要数量指标；2.可以判别计算处或测定处的岩土工程是否稳定；3.在简单地下工程条件下，可作为极限平衡条件(塑 性条件)，求解弹塑性问题的塑性区范围，以及弹 性区和塑性区的应力与位移。24242021-3-24(3)岩石的破坏模式从岩石的破坏模式来看，可分为五种破坏形式，如图2-1所示。(a)单轴压缩纵向劈裂破裂(b)剪切破坏(c)多重剪切破坏(d)拉伸破裂(e)由线载荷产生的拉伸破坏 252021-3-24 252.3.2岩石的单轴抗压强度(1)定义岩石的单轴抗压强度是指岩石在单轴压缩载荷 作用下，达到破坏前所能承受的最大压应力。亦即岩石受轴向力作用破坏时单位面积上所承受的荷载。即：P_瞑二 7(2-18)262021-3-24 26(2)试验方法1.实验过程单轴抗压强度的试验是在带有上、下块承压板的试验机 上进行，按一定的加载速度单向加压直至试件破坏。2.试件尺寸要求1)国际岩石力学学会规定试件标准尺寸为65 4mm，高径比为2.53.0倍。2)我国的规定试件尺寸为5 0X100mm,高度为直径的2.02.5倍、试件两端面的不平整度不得大于0.05 mm、在试件的高 度上直径或边长的误差不得大于0.3mm、两端面应垂直 于试件轴线，最大偏差不得大于0.25。272021-3-24 27(3)岩石单向压缩荷载作用下的破坏形态1,圆锥形破坏圆锥形破坏即X状共粗斜面剪切破坏，其破坏形态如图 22(a)所示。破坏面法线与载荷轴线的夹角：原因：由于试件两端面与试验机承压板之间尉察市号大,所产生的端部效应造成的。在试验加压的过程中，送 件的应力分布如图23所示。口律杉政邓(b)林状劈裂破坏 图2-2单轴压缩破坏形态 图2.3压缩圆柱体的应力分布282021-3-24 282,压剪破坏单斜面压剪破坏，如图2-1b和图2-2b所示。这种破坏 是由于破坏面上的剪应力超过极限引起的，但破坏前 破坏面所需承受的最大剪应力也与破坏面上的正应力 有关，因而称该类破坏为压剪破坏。3.纵向劈裂破坏纵向劈裂破坏即拉伸破坏，其破坏形态如图22(b)所示。这是因为在轴向压缩载荷作用下，在横向将产 生拉伸应力，这也是泊松效应的结果。纵向劈裂破坏 是岩石在单轴压缩载荷作用下的主要表现形式。29292021-3-24(4)实验条件对单轴抗压强度的影响因素1.承压板给予单轴抗压强度的影响当承压板刚度很大时，其接触面的应力分布很不均 匀，呈山字型，如下图2-4所示。因此，承压扳(或 者垫块)尽可能采用与岩石刚度相接近的材料，避免 由于刚度的不同而引起变形不协调造成应力分布不 均匀的现象。图2-4在刚性承压板之间压缩时岩石端面的应力分布30302021-3-242,试件尺寸及形状对单向轴抗压强度的影响1）试件形状的影响形试件的四个边角会产生很明显的应力集中现象，因此，目前绝大多数的国家都采用圆柱形的岩石试 件。2）试件尺寸的影响试件的强度通常随其尺寸的增大而减小，这就是岩 石力学中被称作的“尺寸效应”。据研究发现试件 的尺寸对其强度的影响在很大程度上取决于组成岩 石的矿物颗粒的大小。研究结果表明，若试件的直 径为46cm,且满足试件直径大于其最大矿物颗粒 直径的10倍以上，其强度值相对比较稳定。因此，目前对于一般岩石采取直径为5 0mm的试件作为其 标准尺寸。312021-3-24 313）岩石试件的高径比的影响圆柱形试件高度与直径之比对试验结果有很大的影 响。由图25可见，当时，丁曲线趋于稳定。oI I.1 _I_0 I 2 7高径比h/d 图2-5粗面岩的抗压强度与h/d的关系32322021-3-242.3.3岩石抗拉强度(1)定义岩石试件在单轴拉伸时能承受的最大拉应力，称为 单轴抗拉强度，简称抗拉强度；(2)测定方法直接拉伸法、劈裂法、点荷载法1.直接拉伸法1)公式 PRt=一/A式中:A,岩石的抗拉强度，MPaF一试件受拉破坏时的极限拉力；N与所施加拉力相垂直的截面面积；33332021-3-242）试件与加载系统的连接拉伸试验加载和试件示意图34342021-3-242,劈裂法（巴西法）由于实验简单，所测得的抗拉强度与直接拉伸很接 近，故常用此法。1）公式2尸。t-7idt式中：气试件中心的最大拉应力，即为抗拉强度，MPa干一试件破坏时的极限拉力；d，$承压圆盘的直径和厚度；35352021-3-242）试件与加载系统及应力分布图劈裂试验加载和应力分布示意图36362021-3-243.点荷载法1）优点：是一种简易、快速、价廉的测定岩石单轴 抗拉和抗压强度的试验方法；试件可以用不规则岩 块。2）缺点：试件结果的离散性较大。3）公式式中：p-t 破坏何载，E破坏时两加载点间的距禺，mm；L一点荷载强度，MPa；37372021-3-24同径向试验(b)轴向试验(c)不规则岩块试验点荷载试验对试件形状和尺寸的要求38382021-3-24234岩石抗男强度(1)定义岩石抵抗剪切的最大剪应力，由内聚力乙和内摩擦 阻力。匕的两部分组成；(2)测定方法直剪试验、变角板剪切试验；直剪试验装置图O a/MPa乙、0的确定示意图39392021-3-240 3.06.0 10 20 30 40o/MPa变角板剪力仪装置示意图岩块强度包洛线40402021-3-242.3.5岩石三轴压缩强度(1)定义1.试件在三轴压应力作用下能抵抗的最大轴向压力；2.公式Pm试件破坏时的轴向荷载，N；c,=_m A-试件的初始横断面面积，mm2；(2)影响因素1.侧向压力影响；2 加载途径对岩石三轴压缩强度的影响；3.孔隙水压力对岩石三轴压缩强度的影响(3)试验方法1.真二轴试验；可52.假三轴试验(y)；41 2021-3-24 41三轴试验加载示意图42422021-3-24236岩石破坏后强度曲线(1)应力-应变曲线1.普通材料试验机应力应变曲线岩石单轴抗压强度试验一般是采用普通材料试验机，通 过对岩石试件连续施加轴向载荷，直到岩石试件的破坏。因此，在普通的材料试验机条件下，试件达到峰值强度 前，试件的变形是逐步和缓慢的，当达到峰值强度后，试件将发生突发性破坏，试件被崩裂，试验突然停止，此时得到的应力应变曲线也只是峰值前的曲线。2.普通试验机得不到峰值强度后曲线的原因主要是普通试验机的刚度不够，使在试验时有很大一部 分能量以应变能形式储存在试验机的立柱和其它部件中,当试件的应力达到峰值后，其承载能力下降，此时，试 验机中的应变能快速释放所造成的。43432021-3-24（2）获得全应力应变曲线的条件1.增加试验机刚度1）增加试验机上钢构件的截面积和减小其厚度；2）增加液压柱的截面积，且减小其长度；3）增大液压油的体积模量。2.采用液压伺服系统试验机通过上述的改造后，实验中就可以实现岩石 的全程压缩试验，获得岩石的全应力-应变曲线。44442021-3-24(3)全应力应变曲线的意义1.全面显示了岩石在受压破坏过程中的应力、变形特 征，以及破坏后的强度与力学性质的变化规律；2,预测岩爆的产生图2-17全应力-应变曲线预测岩爆示意图45452021-3-243.预测蠕变破坏图2-18全应力-应变曲线预测蠕变破坏示意图4.预测循环加载条件下岩石的破坏根据岩石本身已有的受力水平，循环荷载的大小、周期、可根据全应力应变曲线来预测循环加载条件 下岩石发生破坏的时间。462021-3-24 462.5岩石的变形特性2.5.1 岩石变形的类型岩石的变形可分为弹性变形、塑性变形和粘性 变形三种形式。(1)弹性变形即物体在受到外力作用的瞬间即产生全部变形,而撤除外力后又能立即恢复其原有形状和尺寸 的性质。弹性变形又可分为线弹性变形和非线 弹性变形。47472021-3-242.塑性变形即物体受到外力后产生形变，在外力除去后变形不能 完全恢复的性质，不能恢复的那部分变形称为塑性变 形。在外力作用下只发生塑性变形的物体称为理想塑 性体。当应力低于屈服极限时，材料没有变形，当应 力达到一定值后，应变不断增加而应力不变。3.粘性变形即物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应 力增加而增加的性质。其应力-应变速率关系为过原 点的直线的物质称为理想粘性体（牛顿流体）。482.5.2单轴压缩条件下岩石的变形特性(1)单轴压缩条件下的变形特性1.应力应变曲线能反映岩石的变形特性，因此，根 据全应力应变曲线其变形过程可分为四个阶段，如图 220所示。图2-20岩石单轴压缩载荷作用下全应力-应变曲线49492021-3-242.孔隙裂隙压密阶段（0A段）其特征是应力一应变曲线呈上凹型，在此阶段岩石试 件中原有的张开型结构面和微裂隙逐渐闭合，横向 膨胀较小，试件体积随载荷的增大而减小。3.弹性变形至微弹性裂隙稳定发展阶段（AC段）AB阶段为线弹性变形阶段；B C为非线性弹性变形阶 段，此阶段中出现了微裂隙的破裂，因此也称为破 裂稳定发展阶段。50502021-3-244.非稳定破裂发展阶段（CD段）C点是岩石从弹性变为塑性的转折点，称为屈服点，其相应的应力称为屈服应力，数值约为峰值应力的 三分之二左右。进入此阶段后，微破裂不断聚合形 成宏观裂隙，直至岩石试件完全破坏。此时，试件 体积由压缩变小转为扩容增大，轴向应变和体积应 变速率迅速增大。当达到D点时，岩石已经破坏，此 时的强度称为峰值强度。5,破裂后阶段（DE段）当载荷达到D点后，岩石试件内部结构已遭到破坏，但试件基本保持整体形状。进入本阶段后，宏观裂 隙快速发展，并且相互交叉联合形成宏观断裂面，试件的承载能力迅速下降，但不会到零，岩石仍具 有一定的承载能力。51 2021-3-24 51(2)全应力应变曲线特征表表21岩石全应力应变曲线特征表区段 特OAABBCCDDEEF斜率渐增不变渐减减变号变为零裂隙状况原始裂隙 闭合，试 件与压板 间隙调整微量新 裂隙产 生应力达0.5%,以上时，新 泉隙产生 斯多(峰值 应力)应力叫65%以上时，新 裂隙急增并 互相贯穿贯穿裂隙 继续发展裂隙停止 发育声发射微量少量明显增多急增继续变化停止变化或余应变无无有有有有52522021-3-242.5.3利用应力一应变曲线形态对岩石进行分类d.塑-弹-塑性岩石 e.弹-粘性岩石图2-21峰值前岩石的典型应力-应变曲线532021-3-24 532.5.4 循环载荷条件下的岩石变形特征(1)岩石的变形特性1.岩石在循环载荷作用下，其破坏时的应力往往低 于其静力加载强度。2.对于弹性岩石，在循环载荷作用下，加载路径与 卸载路径完全重合，即其应力-应变路径是相同，都 是沿同一曲线往返。54542021-3-243.对于非弹性岩石，如果卸载点P超过屈服点，则卸 载曲线不与加载曲线重合，形成塑性滞回环。塑性 滞环反映了经过加一卸载试验后，消耗于裂隙的扩 展和裂隙面之间的摩擦所作的功。且卸载曲线的平 均斜率一般与加载曲线直线段的斜率相同，或者和 原点切线斜率相同。4.如果施加的是等大小的循环载荷，则每一次加载-卸载都会形成一个塑性滞回环，这些滞回环随着加 卸载次数的增加而愈来愈窄，并彼此愈来愈近，岩 石愈来愈接近弹性变形，直到没有塑性变形为止，如图2-22所示。55552021-3-24pa图2-22等载荷循环加、卸载时的应力-应变曲线图2-23不断增大载荷循环加、卸载时的应力-应变曲线56562021-3-245.如果循环载荷的每一次最大值超过前一次，则可得 图223所示的曲线。随着循环次数的增加，塑性滞 回环的面积也有所扩大，卸载曲线的斜率也有所增 力口，这表明卸载应力下的岩石材料弹性有所增强。止匕外，每次卸载后再加载，在载荷超过上一次循环 的最大载荷以后，变形曲线会沿着原来的单调加载 曲线上升（如0C曲线），好像不曾受到反复加载的 影响，这种现象称为岩石的变形记忆。（2）临界应力岩石在循环载荷作用下，当循环应力小于某一数值 时，循环次数即使很多，也不会导致试件的破坏；而超过这一数值时岩石将在某次循环中发生破坏（疲劳破坏），这一数值称为临界应力。它的大小 与岩石种类有关。57572021-3-242.5.5 三轴压缩条件下的岩石变形特征(1)当%=%时，岩石的变形特性1.在围压为零或较低的情况下，岩石呈脆性状态破坏；2.随着围压的升高，岩石破坏逐渐从脆性转化到塑性状态，通常 1 把岩石由脆性转化到塑性时的临：界围压称为转化压力；3随着围压的进一步升高，试件的 承载能力则随围压增长而增长，出现了应变硬化；4随着围压的增大，岩石的抗压强度显著增大，其变形也不断增大；图2-24 4应力-应变关系58582021-3-245,随围压的提高，弹性段的斜率变化不大。即E和v 与单轴基本相等。说明：可以通过简易的单轴试验,确定复杂应力状态下的弹性常数。(2)当八为常数时，岩石的变形特性1.随着。;的增大，其屈服应力有所提高；2弹性模量基本不变，不受。？变化的影响；3,当不断增大时，岩石由型性逐渐向脆性转换。2310 1 2 3 4E1(%)。J为常数时。？的影响 小59 2021-3-24 59(3)当。？为常数时岩石的变形特性1.随。I的增大，其屈服应力几乎不变；2.随。:的增大，其弹性模量也基本不变；3岩石始终保持塑性破坏的特性，只是随着。，的增大,其塑性变形量也随着增大。j(%)。2为常数时八的影响602021-3-24 602.5.6岩石变形指标及其确定(1)弹模的确定1.初始模量：=(也,d)0即过原点的切线斜率；2.切线弹模：，V de)P即过任意点P的切线斜率;3.割线弹模：E=(图2-25弹模几种定义即任意点P的纵横坐标之比;61612021-3-24(2)ISRM建议的非线性弹性岩石的弹模1。=!集点相应的切线模量，即2Ev 加 Ja=-sc 22.。=；色点相应的切线模量，即E V y(y=-Sc 23.弹性范围内近似于直线段的平均斜率；岩石的弹模，一般为205 0GPa。62 2021-3-24 62(3)泊松比1.岩石的横向应变与纵向应变之比值；2.公式%3.岩石在弹性范围内，一般为常数；超过弹性范围，将随应力的增大而增大，直到 v=Q5为止；63632021-3-24(4)体积模量平均正应力o与单位体积变形石之比，即K，e式中，天一体积变形模量，Pa；W 单位体积变形，量纲为1；(横向应变三，邑均为负值)(5)剪切模量二 E2(1+v)64642021-3-24(6)岩石的体积应变特性1公式式中，AF体积增量；V-试件的原体积；x,2,3-最大主应变，中间主应变和最小主应变;652021-3-24 65O O 80（2=%）。1|O 60XJ 4002。2=。3=100 MPa10 50 5 10 15X I o）花岗岩的应力一应变曲线66662021-3-242基本变化规律：当作用的外荷载较小时，体积应变 表现出线性变化，且岩石的体积随荷载的增大而减 小。当外荷载达到一定的值之后，体积应变经过了 保持不变的阶段，开始发生体积膨胀的现象。3.剪胀或扩容：当岩石受外力作用后，发生非线性的 体积膨胀，且这一体积膨胀是不可逆的。4产生剪胀的原因：裂隙产生、扩展、贯穿、滑移、错动、甚至张开所致。5.剪胀规律在三轴压缩和单向压缩试验中都会出现，由于围压的增大，会出现剪胀随之减弱的现象。672021-3-24 672.5.7岩石的本构关系(1)概念1.岩石的本构关系A岩石的应力一应变关系；A受众多因素影响，因而极其复杂；2.岩石的本构关系模型繁多A按均匀性分：各向同性、各向异性;A按变形特性分：线性、非线性；岩石的变形还与时间有关；68682021-3-24(2)各向同性岩石的本构关系L定义：各向同性是指岩石材料各个方向的力学性质 相同，且处于线弹性状态。2.本构关系1 r Z、1 工yzJ=高/一1/(3+4),YyZ=-七 Cr1 TJ:高 By 1/(4+4),MJ乜 Cr邑=Qz川4+叫)，/孙 E GF式中，乏弹性模量；”泊松比；g=m-2(1+y)69 2021-3-24 69（3）各向异性岩石的本构关系1.极端各向异性1）定义假定岩石是线弹性的，其中任一点沿两个不同 方向的弹性性质互不相同，岩体中的6个应力分 量中的每个应力分量都是6个应变分量的线性函 数，反之亦然。2）本构美东(、4，1/2囚3，4/5囚6%a?a?3%4。25。26%巴%2%3%4 45 口36=xy41”42”43”44,45 046%金z%a、2%3 夕54%5。56%_。61 a62 a63 44 哪5 066_、ZX,3）弹性矩阵有36个常数，可以证明弹性矩阵是一 个对称矩阵，独立的常数只有21个。70702021-3-242.正交各向异性1）定义如果在弹性体中存在三个相互正交的弹性对称面,则把这个弹性体称为正交各向异性。如果在弹性 体中存在着一个平面，该平面两边各点的弹性常 数关于它对称，或弹性常数相等，那么这个平面 称为弹性对称面。2）本构关系o-xa a2 3 0 0 0crx%a22 a23 0 0 0%3%a32 g 0 0 0 xy0 0 0%4 0 0 xy%0 0 0 0 二E2e2K(7.z%000100TG7T“再T000010L/TI 2X J百1I a J000002021-3-2472式中，一各向同性面（平面）内所有方向的弹性模量 弹性模量；一垂直于各向同性面（平面）的弹性模量；*1各向同性面内的泊松比；L 垂直于各向同性面的泊松比；一平行于各向同性面的切变模量；一垂直于各向同性面的切变模量；73732021-3-242.6影响岩石力学性质的主要因数261水对岩石力学性质的影响(1)岩石中水的赋存方式结合水或称束缚水和重力水或称自由水。1.结合水由于矿物对水分子的吸附力超过了重力而被束缚在 矿物表面的水，水分子运动主要受矿物表面势能的控制,这种水在矿物表面形成一层水膜。这种水膜对岩石力学 性质的影响主要产生连接作用、润滑作用、水楔作用等 三种作用。2.自由水它不受矿物表面吸附力的控制，其运动主要受重力 作用控制，它对岩石力学性质的影响主要表现为孔隙水 生力彳乍用和溶血及潜僮作用。742021-3-24 74(2)水对岩石的作用1.连接作用主要是将矿物颗粒拉近、接紧，连接到一起的 作用。这种作用对一般岩石影响不大，但对于 被土充填的结构面的岩石影响较大。2.润滑作用主要是对由可溶盐和胶体矿物连接的岩石影响 较大，当水侵入时，可溶盐和胶体溶解水化，使矿物颗粒间的连接力减弱，摩擦力降低，起 到润滑剂的作用。75 2021-3-24 753.水楔作用由于矿物颗粒利用其表面吸附力将水分子拉到自己 的周围，在两颗粒接触处使水分子向两颗粒之间的 缝隙内挤入，增大了颗粒间的间距，使岩石体积膨 胀，或使产生润滑作用，从而降低岩石的强度。4.孔隙压力作用对于岩石孔隙中含有重力水时，当其突然受载而水 来不及排出，岩石孔隙中的水产生很高的压力，减 小了矿物颗粒之间的压应力，从而降低了岩石的抗 剪强度，有时甚至在岩石裂隙端部处于受拉应力状 态，起到破坏岩石连接的作用。5,溶蚀潜蚀作用通过渗透水在岩体内流动过程，将岩石中的可溶矿 物溶解带走，有时将岩石中的小颗粒冲走，从而使 岩石强度大为降低，变形增大，前者属于溶蚀作用,后者属于潜蚀作用。76 2021-3-24 762.6.2 温度对岩石力学性质的影响(1)由于温度的升高使岩石内的化学成分、结晶水等产 生变化，进而影响了岩石的强度。(2)由于温度的提高，将使岩石内储存热应力，致使岩 石内部产生微观裂隙，弱化了岩石内部结构，从而使岩 石的抵抗外荷载的能力降低。从岩石工程角度来看，一般不需要研究温度对岩石 力学性质的影响，因为按一般地热增温看，每增加 100m深度，岩石的温度升高3C,这样即使是目前最深 的工程活动也只在3000m左右，岩石升温也只有90 100o这样的升温对岩石的力学性质不会产生显著的 影响。77772021-3-242.6.3 岩石的加载速率效应(D加载速率快，弹性模量较大，峰值强度较高，韧性 较小。快速加载达到破坏时的应力，称为瞬时强度。(2)加载速率慢，弹性模量较小，峰值强度较小，韧性 较小。(3)加载速率极慢，产生流变现象。经过较长时间加载 达到破坏时的应力，称为长时强度。在研究岩石准静态载荷作用下的力学性质时，选择 适当的加载速率对其试验结果来说是比较重要的。按 ISRM建议的，在进行单轴抗压强度试验时，其加载速 率应控制在0.511/2/5之间，一般从实验开始直至 试件破坏的时间为5-10min。78782021-3-242.6.4 围压对岩石力学性质的影响由三轴试验可知：围压对岩石的变形有很大的影响，岩 石的脆性和塑性并非其固有属性，它与岩石的受力状态 密切相关，随着受力状态的改变它们是可以相互转化的。因此，随着围压的改变可使岩石的变形、强度和弹性极 限都有显著的改变。2.6.5 风化对岩石力学性质的影响(1)风化可降低岩体结构面的粗糙程度，并产生大量的 新的裂隙，使岩体的完整性遭到严重的破坏，从而降低 了岩石的强度。(2)岩石经风化作用后，由于原生矿物经水解、水化、氧化等化学作用，造成岩石的矿物成分发生变化，使岩 体的结构遭到破坏，岩石的抗水性、力学强度降低，孔 隙性增加，透水性增强等。792021-3-24 79