岩石的基本物理力学质教学提纲.ppt

Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,*,武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军,*,岩石的基本物理力学质,基本内容,岩石的物理性质,1,岩石的强度特性,2,岩石的变形特性,3,岩石的强度理论,4,2024/12/19 周四,1.1,岩石的物理性质,岩石和土一样，也是由固体、液体和气体,三相组成,的。,定义：物理性质是指岩石由于,三相,组成的,相对比例关系不同,所表现的,物理状态,。,1,、岩石的密度,2,、岩石的空隙性,2024/12/19 周四,一、岩石的密度,1,、,颗粒密度,(,s,),s,=m,s,/V,s,2,、,块体密度,(),=m/V,注意：,（,1,）,s,与,的区别,(,s,),（,2,）,s,与,的单位（,g/cm,3,kN/m,3,）,（,3,）测试方法（,s,-,比重瓶法；,-,量积法）,2024/12/19 周四,密度（,）和重度,(),：,单位体积的岩石的质量称为岩石的,密度,。单位体积的岩石的重力称为岩石的,重度,。所谓单位体积就是包括孔隙体积在内的体积。,（,g/cm,3,），,g(kN/m,3,),岩石的密度可分为,天然密度,、,干密度,和,饱和密度,。相应地，岩石的重度可分为天然重度、干重度和饱和重度。,2024/12/19 周四,1,、天然密度（,）和天然重度（,）,指岩石在天然状态下的密度和重度。,（,g/cm,3,）,(kN/m,3,),式中：,W,天然状态下岩石试件的质量,(g,；,),V,岩石试件的体积,(cm,3,),；,g,重力加速度。,2024/12/19 周四,干密度是指岩石孔隙中的液体全部被蒸发后单位体积岩石的质量，相应的重度即为干重度。,2,、干密度（,d,）和干重度,(,d,),（,g/cm,3,）,(kN/m,3,),式中：,W,s,岩石试件烘干后的质量,(g),；,V,岩石试件的体积,(cm,3,),；,g,重力加速度。,2024/12/19 周四,3,、饱和密度（,）和饱和重度,(,w,),饱和密度就是饱水状态下岩石试件的密度。,式中：,W,W,饱水状态下岩石试件的质量,(g),；,V,岩石试件的体积,(cm,3,),；,g,重力加速度。,（,g/cm,3,）,(kN/m,3,),2024/12/19 周四,二、比重,(),岩石的比重就是指岩石固体的质量与同体积水的质量之比值。岩石固体体积，就是指不包括孔隙体积在内的体积。岩石的比重可在实验室进行测定，其计算公式为：,式中：,岩石的比重；,W,s,干燥岩石的质量,(g),;,V,s,岩石固体体积,(cm,3,);,W,4,0,C,时水的密重。,2024/12/19 周四,三、岩石的空隙性,空隙,：,岩石中孔隙和裂隙的总称。,小开型空隙,空隙,闭型空隙,开型空隙,大开型空隙,闭型空隙,：岩石中不与外界相通的空隙。,开型空隙,：岩石中与外界相通的空隙。包括大开型空隙和小开型空隙。,在常温下水能进入大开型空隙，而不能进入小开型空隙。只有在真空中或在,150,个大气压以上，水才能进入小开型空隙。,空隙,度,：,指岩石的裂隙和孔隙发育程度，其衡量指标为空隙率,(n),或空隙比（,e,）。,2024/12/19 周四,根据岩石空隙类型不同，岩石的空隙率分为,：,(,1)总空隙率,n,(2),大,开空隙率,n,b,(3),小,开空隙率,n,l,(4),总,开空隙,率,n,0,(,5),闭空隙率,n,c,一般提到岩石的空隙率时系指岩石的总空隙率。,1,、空隙率,2024/12/19 周四,(1)总空隙率,n:,即岩石试件内,空隙,的体积（,V,V,),占试件总体积,(,V),的百分比。,(2),大,开空隙率,n,b,:,即岩石试件内大开型空隙的体积（,V,nb,),占试件总体积,(,V),的百分比。,(,3,),小开空隙率,n,l,:,即岩石试件内小开型空隙的体积（,V,nl,),占试件总体积,(,V),的百分比。,2024/12/19 周四,(4)总开空隙率（,孔隙率）,n,0,:,即岩石试件内开型空隙的总体积（,V,n0,),占试件总体积,(,V),的百分比。,(,5,),闭,空隙率,n,c,:,即岩石试件内,闭,型空隙的体积（,V,nc,),占试件总体积,(,V),的百分比。,2024/12/19 周四,所谓空隙比是指岩石试件内空隙的体积（,V,V,),与岩石试件内固体矿物颗粒的体积（,V,s,),之比。,2,、空隙比,(e),2024/12/19 周四,常见岩石的物理性质指标值,第三章 岩石的物理、水理性质,2024/12/19 周四,1.2,岩石的水理性质,定义：岩石在,水溶液,作用下表现出来的性质，称为水理性质。主要有：,1.,吸水性,2.,软化性,3.,抗冻性,4.,透水性,2024/12/19 周四,一、岩石的吸水性,定义：岩石在一定的试验条件下,吸收水分的能力,，称为岩石的吸水性。,1.,吸水率,(W,a,),：,岩石试件在大气压力和室温条件下自由吸入水的质量,(m,w1,),与岩样干质量,(m,s,),之比，用百分数表示,2024/12/19 周四,2.,饱和吸水率,岩石的饱和吸水率,(Wp),是指岩石试件在高压,(,一般压力为,15MPa),或真空条件下吸入水的质量,(m,w2,),与岩样干质量,(m,s,),之比，用百分数表示，即,3.,饱水系数,岩石的吸水率,(Wa),与饱和吸水率,(Wp),之比，称为饱水系数。它反映了岩石中大、小开空隙的相对比例关系。,2024/12/19 周四,几种岩石的吸水性指标值,2024/12/19 周四,二、岩石的软化性,岩石浸水饱和后,强度降低,的性质，称为软化性，,软化系数,(K,R,),为岩石试件的饱和抗压强度,(,cw,),与干抗压强度,(,c,),的比值,岩石中含有较多的,亲水性,和,可溶性,矿物，大开,空隙,较多，岩石的软化性较强，软化系数较小。,K,R,0.75,，岩石的软化性弱，工程地质性质较好,K,R,0.75,，岩石软化性较强，工程地质性质较差,2024/12/19 周四,常见岩石的物理性质指标值,2024/12/19 周四,三、岩石的抗冻性,岩石抵抗,冻融破坏,的能力，称为抗冻性。,抗冻系数,(R,d,),：岩石试件经反复冻融后的干抗压强度,(,c2,),与冻融前干抗压强度,(,c1,),之比，用百分数表示,质量损失率,(K,m,),：冻融试验前后干质量之差,(m,s1,m,s2,),与试验前干质量,(m,s1,),之比，以百分数表示,R,d,75,，,K,m,2,，抗冻性高,吸水率,W,a,5,、软化系数,K,R,0.75,，饱水系数小于,0.8,的岩石，抗冻性高。,2024/12/19 周四,四、岩石的透水性,地下水存在于岩石孔隙、裂隙之中，而且大多数岩石的孔隙裂隙是连通的，因而在一定的压力作用下，地下水可以在岩石中渗透。岩石的这种能透水的性能称为,岩石的透水性,。岩石的透水性大小不仅与岩石的孔隙度大小有关，而且还与孔隙大小及其贯通程度有关。,衡量岩石透水性的指标为渗透系数,(K),。一般来说，完整密实的岩石的渗透系数往往很小。岩石的渗透系数一般是在钻孔中进行抽水或压水试验而测定的。,一般认为，水在岩石中的流动，如同水在土中流动一样，也服从于线性渗流规律,达西定律,，即,2024/12/19 周四,几种岩石的渗透系数值,2024/12/19 周四,五、岩石的耐崩解性,岩石的崩解性是指岩石与水相互作用时失去粘结性并变为完全丧失强度的松散物质的性质。,岩石的崩解性一般用耐崩解指数,I,d2,的表示。其指标可在实验室用干湿循环试验确定。,试验过程：将经过烘干的试块（,500,g,分成约10块），放在带有筛孔的圆筒内，使该圆筒在水槽中以20,r/min,连续旋转10,min,然后将留在圆筒内的岩块取出烘干称重，如此反复进行两次，按下式计算耐崩解指数。,2024/12/19 周四,五、岩石的耐崩解性,岩石的崩解性是指岩石与水相互作用时失去粘结性并变为完全丧失强度的松散物质的性质。,岩石的崩解性一般用耐崩解指数,I,d2,的表示。其指标可在实验室用干湿循环试验确定。,试验过程：将经过烘干的试块（,500,g,分成约10块），放在带有筛孔的圆筒内，使该圆筒在水槽中以20,r/min,连续旋转10,min,然后将留在圆筒内的岩块取出烘干称重，如此反复进行两次，按下式计算耐崩解指数。,2024/12/19 周四,式中：,I,d2,两次循环试验求得的耐崩解指数，在0100%之间变化；,m,d,试验前试块的烘干质量；,m,r,残留在圆筒内试块的烘干质量；,W,1,试验前试件和圆筒的烘干重量；,W,2,第二次循环后试件和圆筒的烘干重量；,W,0,试验结束冲洗干净后圆筒的烘干重量。,岩石的崩解性指数反映了岩石在浸水和温度变化的环境下抵抗风化作用的能力。,2024/12/19 周四,六、岩石的膨胀性,岩石的膨胀性是指岩石浸水后体积增大的性质。岩石的膨胀性大小一般用,膨胀力,和,膨胀率,指标表示。其测定方法是平衡加压法。,试验中不断加压，并保持体积不变，所测得的最大压力即为岩石的最大,膨胀力,；然后逐级减压，直至荷载为,0,，测定其最大膨胀变形量，膨胀变形量与试件原始厚度的比值即为,膨胀率,。,2024/12/19 周四,1、,自由膨胀率：无约束条件下，浸水后胀变形与原尺寸之比,轴向自由膨胀 （%）,H,试件高度,径向自由膨胀 （%）,D,直径,评价膨胀性岩体工程的稳定。,2024/12/19 周四,七、岩石的碎胀性,岩石破碎后的体积,V,P,比原体积,V,增大的性能称为岩石的,碎胀性,，用碎胀系数,来表示。,碎胀系数不是一个固定值，是随时间而变化的。,永久碎胀系数,（残余碎胀系数）,不能再压密时的碎胀系数称为永久碎胀系数,.,2024/12/19 周四,2,岩石的强度特性,应力、应变,应力状态、莫尔应力圆,几个基本概念,z,y,x,z,zx,zy,x,y,xz,yz,yx,xy,任意状态,主应力状态,2024/12/19 周四,2,岩石的强度特性,工程师对材料提出两个问题,1 最大承载力许用应力？,2 最大允许变形许用应变？,本节讨论,问题,强度：材料受力时抵抗破坏的能力。,Strength of rock,岩块破坏方式,脆性破坏,塑性破坏(延性破坏）,拉破坏,剪切破坏,2024/12/19 周四,2,岩石的强度特性,加荷方式,单轴加荷,三轴加荷,单轴压缩,单轴拉伸,连续加荷,循环加荷,逐级一次循环加荷,反复循环加卸荷,加剪力,t,p,t,p,t,p,2024/12/19 周四,2,岩石的强度特性,强度,单向抗压强度,单向抗拉强度,(,非限制性,),剪切强度,三轴压缩,真三轴,假三轴,受力状态如上,2024/12/19 周四,2.1,岩石的单轴抗压强度,常见岩石的抗压强度,岩石名称,抗压强度（,MPa,）,岩石名称,抗压强度（,MPa,）,岩石名称,抗压强度（,MPa,）,辉长岩,180300,辉绿岩,200350,页岩,10100,花岗岩,100250,玄武岩,150300,砂岩,20200,流纹岩,180300,石英岩,150350,砾岩,10150,闪长岩,100250,大理岩,100250,板岩,60200,安山岩,100250,片麻岩,50200,千枚岩、片岩,10100,白云岩,80250,灰岩,20200,2024/12/19 周四,2.1,岩石的单轴抗压强度,1,、定义：,指岩石试件在无侧限的条件下，受轴向压力作用破坏时单位面积上承受的荷载，简称抗压强度（,MPa,）,。,UCS un-axial compress stress,式中：,P,无侧限的条件下的轴向破坏荷载,A,试件的截面面积,2、意义:,衡量岩块基本力学性质的重要指标,岩体工程分类、建立岩体破坏判据的重要指标,用来大致估算其他强度参数,2024/12/19 周四,2.1,岩石的单轴抗压强度,点荷,载试验,对于风化严重，难以加工成试件的岩石，可根据点荷载试验计算岩石的抗压强度：,3、测定,方法,：,抗压,强度试验,试,样,p,A,式中：,I,s,点荷载强度指标，,2024/12/19 周四,2.1,岩石的单轴抗压强度,圆柱形试件：,D5cm，,高,H=（2.53),不随,H/D,变化,长方体试件：边长,L=4.85.2cm,高,H=（22.5)L,试件两端不平度0.5,mm；,尺寸误差,0.3,mm;,两端面垂直于轴线,0.25,o,（1）试件标准：,（,2,）测定仪器：,常规压力机,2024/12/19 周四,2.1,岩石的单轴抗压强度,2024/12/19 周四,2.1,岩石的单轴抗压强度,4、破坏方式,：,拉破坏、剪破坏、对顶锥破坏,2024/12/19 周四,破坏方式或形态分析：,破坏形态有两类：,（1）圆锥形破坏,原因：压板两端存在摩擦力，箍作用（又称端部效应），在工程中也会出现。,（2）柱状劈裂破坏,张拉破坏（岩石的抗拉强度远小于抗压强度）,是岩石单向压缩破坏的真实反映（消除了端部效应）,消除试件端部约束的方法,润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部）,加长试件,破坏形态是表现破坏机理的重要特征；其主要影响因素：应力状态 试验条件,2024/12/19 周四,2024/12/19 周四,2024/12/19 周四,5,、影响单轴抗压强度的主要因素,（1）,岩石自身的性质,（矿物组成、粒间连接、岩性、结构特征、颗粒大小及形状、风化程度、微结构面）,（,2,）,承压板端部,的摩擦力及其刚度（加垫块的依据）,（,3,）,试件的形状和尺寸,形状：圆形试件不易产生应力集中，好加工。强度:圆形六多边形四边形三边形试件,尺寸：大于矿物颗粒的10倍；,50,的依据。高径比：研究表明；,h/d(23),较合理。,尺寸效应：,尺寸越大，岩块强度越低。试件的高径比,h/D,增大，岩块强度降低。,加工精度：,2024/12/19 周四,（3）,加载速度,加载速度越大，表现强度越高(如,图,),我国规定加载速度为0.5,1.0,MPa/s,（4）,环境,含水量：含水量越大强度越低；岩石越软越明显，对泥岩、粘土等软弱岩体，干燥强度是饱和强度的2,3,倍。(如,表,),温度度：180以下部明显：大于180，湿度越高强度越低。,2024/12/19 周四,2024/12/19 周四,2024/12/19 周四,（,5,）,层理结构,强度各向异性,2024/12/19 周四,2.2,岩石的抗拉强度,1.定义：,岩石试件在受到轴向拉应力后其试件发生破坏时的单位面积上所受的拉力。简称抗拉强度。,2.意义：,衡量岩体力学性质的重要指标,用来建立岩石强度判据，确定强度包络线,选择建筑石材不可缺少的参数,3.测定方法：,由于试件不易加工，除研究直接的拉伸的夹具外，研究了大量的间接试验方法。,直接拉伸,间接法（劈裂法、点荷载法、三点弯曲法）,2024/12/19 周四,2.2,岩石的抗拉强度,（,1,）直接拉伸法：,是将圆柱状试件两端固定在材料试验机的拉伸夹具内，然后对试件施加轴向拉荷载至破坏。,关键技术,试件和夹具之间的连接,加力,P,与试件同心,P,t,P,t,2024/12/19 周四,单轴拉伸试验用的削脚环法,2024/12/19 周四,3.间接方法,（1）抗弯法（梁的三点弯曲试验）,抗拉强度,:,三点弯曲梁内的最大拉应力；梁发生破坏时,的 就是,M,作用在试件上的最大弯矩,岩石是各向同性的线弹性材料,满足平面假设的对称面内弯曲,适用条件：,C,梁边缘到中性轴的距离,I,梁截面绕中性轴的惯性矩,2024/12/19 周四,（2）劈裂法（巴西法），对称径向压裂法 由巴西人,Hondros,提出,劈裂试验,是用圆柱体或立方体试件，横置于压力机的承压板上，且在试件上、下承压面上各放一根垫条。然后以一定的加荷速率加压，直至试件破坏。,在线布荷载(,p),作用下，沿试件竖直向直径平面内产生的近于均布的水平拉应力，在水平向直径平面内产生的压应力。,2024/12/19 周四,2024/12/19 周四,要求,荷载沿轴向均匀分布,破坏面必须通过试件的直径,注：端部效应 并非完全单向应力,试件：实心圆柱,50mm；25mm,试验：径向压缩破坏（张开）,计算公式：由弹性力学,Boursinesq,公式,式中：,试验中心的最大拉应力，即,p ,试验中破坏时的压力,D ,试件的直径,t ,试件的厚度,t,=2p/a,2,（,方形试样）,2024/12/19 周四,方形试件,：,式中：,P,破坏时的荷载，,N;,d,试件直径；,cm；,t,试件厚度，,cm；,a，h,方形,试件边长,和厚度,，,cm。,2024/12/19 周四,不规则试件（加压方向应满足,h,/,a,1.5,）：,式中：,P,破坏时的荷载，,N;,a,加压方向的尺寸；,h,厚度；,V,不规则试件的体积。,由于岩石中的微裂隙，在间接拉伸试验中，外力都是压力，必然使部分微裂隙闭合，产生摩擦力，从而使测得的抗拉强度值比直接拉伸法测得的大。,2024/12/19 周四,（3）点荷载试验法,是上世纪发展起来的一种简便的现场试验方法。,试件：任何形状，尺寸大致5,cm，,不做任何加工。,试验：在直接带到现场的点荷载仪上，加载劈裂破坏。,点荷载试验,是将试件放在点荷载仪中的球面压头间，加压至试件破坏，利用破坏荷载求岩块的点荷载强度,。,2024/12/19 周四,计算：,式中：,P,试件破坏时的极限,D,加载点试件的厚度,试件直径1.273.05,cm,统计公式：,要求:,（由于离散性大），每组15个，取均值，即,建议：用,5cm,的钻孔岩芯为试件。,2024/12/19 周四,岩石中包含有大量的微裂隙和孔隙，岩块抗拉强度受其影响很大，直接削弱了岩块的抗拉强度。相对而言，空隙对岩块抗压强度的影响就小得多，因此，岩块的抗拉强度一般远小于其抗压强度。,通常把抗压强度与抗拉强度的比值称为脆性度,，,用以表征岩石的脆性程度。,4.影响因素：结构面的影响（裂隙空隙）,2024/12/19 周四,常见岩石的抗拉强度,岩石名称,抗拉强度,（,MPa,）,岩石名称,抗拉强度,（,MPa,）,岩石名称,抗拉强度,（,MPa,）,辉长岩,1536,花岗岩,725,页岩,210,辉绿岩,1535,流纹岩,1530,砂岩,425,玄武岩,1030,闪长岩,1025,砾岩,215,石英岩,1030,安山岩,1020,灰岩,520,大理岩,720,片麻岩,520,千枚岩、片岩,110,白云岩,1525,板岩,715,对比抗压强度,2024/12/19 周四,2、类型：,（1）抗剪断强度：指试件在一定的法向应力作用下，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力。,（2）,抗切强度：指试件上的法向应力为零时，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力。,（3）摩擦强度：指试件在一定的法向应力作用下，沿已有破裂面（层面、节理等）再次剪切破坏时的 最大剪应力。,2.3,岩石的抗剪强度,1、,定义：,指一定的应力条件下（主要指压应力），所能抵抗的最大剪应力，称为剪切强度。,2024/12/19 周四,抗剪断强度,抗切强度,摩擦强度,岩石的三种受剪方式示意图,3、意义：,反映岩块的力学性质的重要指标,用来估算岩体力学参数及建立强度判据,4、,抗剪断强度的,测试方法,：,直剪试验、变角板剪切试验、三轴试验,2024/12/19 周四,剪切面上无压应力的剪切试验,2024/12/19 周四,试件尺寸：直径或边长不小于,50mm,，高度应等于直径或边长。,改变,P,即可测得多组,、,，作出,曲线。,剪切面上有压应力的剪切试验,2024/12/19 周四,2024/12/19 周四,忽略端部摩擦力，,根据力的平衡原理，作用于剪切面上的法向力,N,和切向力,Q,可按下式计算：,N=Pcos,Q=Psin,剪切面上的法向应力,和剪应力,为：,2024/12/19 周四,2024/12/19 周四,变角板剪切试验,是将立方体试件，置于变角板剪切夹具中加压直至试件沿预定的剪切面破坏。,Q,Q,N,N,P,fP,f,为滚珠排与上下,压板的摩擦系数。,2024/12/19 周四,改变夹具倾角,；,在30度到70度之间,做一组（大于5次）不同,的试验，记录所得的,，,值；由该组值作曲线近似直线得方程,式中,tan,岩石抗剪切内摩擦系数,c,岩石的粘结力（内聚力）,岩石的抗剪断,曲线（强度曲线）,2024/12/19 周四,2024/12/19 周四,2.4,岩石在三向压缩应力作用下的强度,1、定义：,指在不同三向压缩应力作用下岩石抵抗外荷载的最大应力,2、三向压缩试验简介,（1）真三轴 见图,（2）假三轴 见图,2024/12/19 周四,2024/12/19 周四,2024/12/19 周四,2024/12/19 周四,3、三轴压缩试验的破坏类型,2024/12/19 周四,4、岩石三向压缩强度的影响因素,（1）侧压力的影响：围压越大，轴向压力越大,2024/12/19 周四,（2）加载途径对岩石三向压缩强度影响,A、B、C,三条虚线是三个不同的加载途径，加载途径对岩的最终三向压缩强度影响不大。,2024/12/19 周四,（3）孔隙水压力对岩石三向压缩强度的影响,孔隙水压力使有效应力（围压,）,减小，强度降低,2024/12/19 周四,（,4,）试件尺寸与加载速率的影响,中低围压下，与岩石单轴抗压强度试验基本一致。,高围压时，受径向限制，使得试件中微裂缝的影响逐渐减弱，尺寸影响不大。,加载速率的影响与岩石单轴抗压强度试验基本一致。,随着加载速率的增加强度有所提高。,2024/12/19 周四,3,岩块的变形特征,1、变形阶段,空隙压密阶段(,OA),峰值前变形阶段,峰值后变形阶段,o,A,B,C,D,E,(+),(-),L,V,d,破坏后阶段(,DE),全过程曲线,前过程曲线,非稳定发展阶段(,CD),D,点:峰值强度,微裂隙稳定发展阶段(,BC),C,点:屈服强度,弹性变形阶段(,AB),B,点:弹性极限,3.1,单轴压缩条件下的岩块变形,（一）连续加载,2024/12/19 周四,（,a,）原生微裂隙压密阶段（,OA,级）,特点：曲线,，,应变率随应力增加而减小；,塑性变形（变形不可恢复）,原因：微裂隙闭合（压密）,（,b,）弹性变形阶段（,AB,段）,特点：曲线是直线；弹性模量，,E,为常数（变形可恢复）；没有裂缝扩展,原因：岩石固体部分变形，,B,点开始屈服，,B,点对应的应力为屈服极限 。,2、峰值前岩块的变形特征,（,1,）前过程阶段详述,o,B,C,D,(+),(-),A,2024/12/19 周四,（,c,）塑性变形阶段（,BC）,特点：曲线 ，软化现象；塑性变形，变形不可恢复；应变速率不断增大。,裂缝形成。此时裂缝沿最大拉应力或最大剪应力的方向出现，轴向和侧向变形都在增加。,原因：新裂纹产生，原生裂隙扩展。,岩石越硬，,BC,段越短，脆性性质越显著。,脆性：应力超出屈服应力后，并不表现出明显的塑性变形的特性，而破坏，即为脆性破坏。,2024/12/19 周四,（,2,）前过程曲线类型及特征,弹性型,弹-塑性型,塑-弹性型,塑-弹-塑性型1,塑-弹-塑性型2,弹性-蠕变型,2024/12/19 周四,（,3,）变形参数,（,a),变形模量（,modulus of deformation),是指单轴压缩条件下，轴向压应力与轴向应变之比。,应力-应变曲线为直线型，,这时变形模量又称为弹性模量,L,o,2,50,1,i,1,50,2,i,o,L,i,i,应力-应变曲线为“,S”,型,初始模量(,Ei),指曲线原点处切线斜率,切线模量(,Et),指曲线上任一点处切线的斜率，在此特指中部直线段的斜率,割线模量(,Es),指曲线上某特定点与原点连线的斜率，通常取,c,处的点与原点连线的斜率,2024/12/19 周四,(b),泊松比(,)（poissons ratio,）,是指在单轴压缩条件下，横向应变（,）与轴向应变（,）之比,在实际工作中，常采用,处的,与,来计算岩块的泊松比。,岩块的变形模量和泊松比受,岩石矿物组成、结构构造、风化程度、空隙性、含水率、微结构面及其与荷载方向的关系,等多种因素的影响，变化较大。,2024/12/19 周四,常见岩石的变形模量和泊松比,岩石名称,变形模量（10,4,MPa,）,泊松比,岩石名称,变形模量（10,4,MPa,）,泊松比,初始,弹性,初始,弹性,花岗岩,26,510,0.20.3,片麻岩,18,110,0.220.35,流纹岩,28,510,0.10.25,千枚岩、片岩,0.25,18,0.20.4,闪长岩,710,715,0.10.3,板岩,25,28,0.20.3,安山岩,510,512,0.20.3,页岩,13.5,28,0.20.4,辉长岩,711,715,0.120.2,砂岩,0.58,110,0.20.3,辉绿岩,811,815,0.10.3,砾岩,0.58,28,0.20.3,玄武岩,610,612,0.10.35,灰岩,18,510,0.20.35,石英岩,620,620,0.10.25,白云岩,48,48,0.20.35,大理岩,19,19,0.20.35,2024/12/19 周四,（,4,）其他变形参数,剪切模量（）,拉梅常数（,）,体积模量（,V,),弹性抗力系数（）,2024/12/19 周四,（,5,）岩石的扩容现象,扩容：,是岩石在荷载作用下，在其破坏之前产生显著的非弹性体积膨胀。,一般认为岩石体积会随轴向压力呈线性减小，但由于扩容现象，体积变形表现出不同特征，可区分为三个阶段：,（,1,）弹性变形阶段，体积随着压缩应力的增大而减小；,（,2,）体积不变阶段，随着压缩应力的增加而体积仍然保持不变，这是一个过渡阶段，在某些情况下，也许不明显或不出现；,（,3,）扩容阶段，体积随着压缩应力的增加而增长，且增长速率越来越大，最后导致岩体的破坏。,说明：（,1,）,扩容开始时的应力约是破坏强度的,1/3-1/2,。（,2,）可用来解释地震的前兆。（,3,）由最小主应力方向的膨胀引起的。,2024/12/19 周四,轴向应变,2024/12/19 周四,轴向应变,2024/12/19 周四,体积应变,2024/12/19 周四,体积应变,2024/12/19 周四,伺服机试验结果,3.峰值后岩块的变形特征,脆性大的岩石,塑性大的岩石,2024/12/19 周四,4.,刚性试验机,普通试验机得到峰值应力前的变形特性，多数岩石在峰值后工作。注：,C,点不是破坏的开始（开始点,B），,也不是破坏的终点。,Salamon1970,年提出了刚性试验机下的曲线。,刚性试验机工作简介,压力机加压（贮存弹性应能）,岩石试件达峰点强度（释放,应变能）导致试件崩溃。,AAO,2,O,1,面积峰点后，,岩块产生微小位移所需的能。,ACO,2,O,1,面积峰点后，,刚体机释放的能（贮存的能）。,ABO,2,O,1,峰点后，,普通机释放的能（贮存的能）。,2024/12/19 周四,（二）循环加载,2.,卸荷点（,P）,的应力高于岩石的弹性极限(,A),1.卸荷点（,P）,的应力低于岩石的弹性极限(,A),2024/12/19 周四,3.,反复加卸荷(岩石记忆、回滞环、疲劳破坏）,2024/12/19 周四,（三）应力、应变全过程曲线形态,（,1,）在刚性机下，峰值前后的全部应力、应变曲线分四个阶段：1-3阶段同普通试验机。,4阶段应变软化阶段,2024/12/19 周四,特点：,岩石的原生和新生裂隙贯穿，到达,D,点，靠碎块间的摩擦力承载，故 称为残余应力。,承载力随着应变增加而减少，有明显的软化现象。,（,2,）全应力应变曲线的补充性质,近似对称性,B,点后卸载有残余应变，重复加载沿另一曲线上升形成滞环(,hysteresis),，加载曲线不过原卸载点，但邻近和原曲线光滑衔接。,2024/12/19 周四,C,点后有残余应变，重复加载滞环变大，反复加卸载随着变形的增加，塑性滞环的斜率降低，总的趋势不变。,C,点后，可能会出现压应力下的体积增大现象，称此为扩容(,dilatancy),现象。一般岩石的 =0.15-0.35，当 0.5时，就是扩容.,体积应变:,2024/12/19 周四,(3)克服岩石试件单向压缩时生产爆裂的途径,提高试验机的刚度,改变峰值后的加载方式,伺服控制试件的位移,普通试验机附加刚性组件的试验装置（提高试验的刚度）,1岩石试件；2、6电阻应变片；3金属圆筒；4位移计；5钢垫块,2024/12/19 周四,伺服试验机原理示意图,1.岩石试件；2.垫块；3.上压板；4.下压板；5.位移传感器。,2024/12/19 周四,3.2,三轴压缩条件下的岩块变形性,真三轴试验,1,2,3,常规三轴试验,1,2,=,3,（一）三轴试验,2024/12/19 周四,（二）围压对变形破坏的影响,1、岩石破坏前应变随,3,增大而增大,2、岩石的峰值强度,随,3,增大而增大,3、随,3,增大岩石变形模量增大，软岩增大明显，致密的硬岩增大不明显,2024/12/19 周四,4、随,3,增大，,岩石的塑性不断增大，随,3,增大到一定值时，岩石由弹脆性转变为塑性。这时，,3,的大小称为“转化压力”。,5、,随,3,的增大，,岩块从脆性劈裂破坏逐渐向塑性剪切及塑性流动破坏方式过渡。,2024/12/19 周四,（三）当为常数时，岩石的变形特性,（1）；,（2）,E,基本不受 变化影响,（3）由塑性向脆性转换。,（四）岩石的体积应变特性,扩容现象：,岩石在压力下，,发生非线性体积膨胀。,2024/12/19 周四,在外部条件不变的情况下，岩石的变形或应力,随时间而变化,的现象叫,流变,，主要包括蠕变、松弛。,AB,段-初始蠕变阶段,BC,段-等速蠕变阶段,CD,段-加速蠕变阶段,3.3,岩石的蠕变性质,1.蠕变曲线特征（三个阶段）,蠕变(,creep),是指岩石在恒定的荷载作用下，变形随时间逐渐增大的性质。,松驰，,应变恒定，岩石中的应力随时间减少，这种现象称“松驰”。,2024/12/19 周四,1、初始蠕变阶段（瞬变蠕变阶段）,AB。,特点：,有瞬时应变 （,OA）；,，,应变率随时间增长而减小；,卸载后，有瞬时恢复变形，后弹性后效，弹性后效，变形经过一段时间后，逐渐恢复的现象。,2、稳定蠕变阶段（,BC）（,较长）,特点：,应变率 为常量；,卸载：有瞬弹性恢复，弹后，粘流，粘性流动，不可恢复的永变形。,3、非稳定蠕变阶段（蠕变破坏阶段）,特点：,剧烈增加；,曲线；,一般此阶段比较短暂。,2024/12/19 周四,（二）岩石蠕变的影响因素,（1）岩石的力学性质,（强度，矿物组成）,应力水平,第二阶段越长；,小到一定程度，,第三蠕变不会出现；,很高，第二阶段短，,立即进入三阶段,2024/12/19 周四,（2）温度对蠕变的影响,总的应变量越小。,第二阶段的斜率，温度高，斜率越小。,（3）湿度,饱和试件第二阶段 和总应变量都将大于干燥状态下的试件结果。,2024/12/19 周四,（三）蠕变特性和常规变形特性的联系,2024/12/19 周四,3.4,岩石介质的力学模型,岩石性质变化范围大，用多种模型来表述。主要性质：弹性、塑性、粘性（流变）。,（一）基本介质模型,1、弹性模型,2、理想塑性(,屈服应力),3、有硬化的塑性,k,塑性硬化系数,2024/12/19 周四,2024/12/19 周四,4、粘性模型,粘性系数（,poise；poise=0.1N.S/m2）,（二）常用的岩石介质模型,（弹、塑、粘三种基本模型的组合）,1、弹塑性介质模型,2024/12/19 周四,（1）无塑性硬化作用（理想塑性）,（2）有塑性硬化作用,塑性硬化,2024/12/19 周四,2,、粘弹性介质模型,最简单的粘弹模型：（1）,Maxwell；（2）Kelvin,（1）Maxwell,模型,串联模型：电流相等，总电压等分电压之和;每个元素的力相等；总应变=分应变之和。,2024/12/19 周四,所以,Maxwell,的本构关系为：,蠕变方程：,松驰方程是：,性质：,有弹性变形、粘性流动，,有松驰,应变时间曲线,t,加载,卸载,t,应力时间曲线,2024/12/19 周四,（2）,kelvin,模型,基本模型，两元件并联,本构关系：,所以本构关系,为一阶常系数微分方程，,初始条件,2024/12/19 周四,解之：蠕变方程。,蠕变曲线的渐近线。,t=t,1,时卸载，则由本构关系得：,当,t=t,1,时开始卸载，,卸载蠕变方程（后效）,2024/12/19 周四,描述的性质,a.,无瞬时弹性变形,b.,无粘性流动,（无永久变形）,c.,有弹性后效,d.,无松弛,应变随时间变化曲线,松弛取应变为常数代入本构关系得：,可见无松弛。,2024/12/19 周四,基本元件与二元件模型蠕变曲线对比,2024/12/19 周四,（三）多元件模型简介,广义,kelvin,模型,广义,kelvin,模型蠕变曲线,Poynting-Thomson,2024/12/19 周四,其,他,模,型,2024/12/19 周四,Thank You!,2024/12/19 周四,此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢,