巖石物理力學(xué)性質(zhì)(1)20頁

1、1 巖石的物理力學(xué)性質(zhì)巖石是由固體相、液體相和氣體相組成的多相體系。理論認(rèn)為，巖石中固體相的組分和三相之間的比例關(guān)系及其相互作用決定了巖石的性質(zhì)。在研究和分析巖石受力后的力學(xué)表現(xiàn)時(shí)，必然要聯(lián)系到巖石的某些物理性質(zhì)指標(biāo)。巖石物理性質(zhì)：巖石由于其固體相的組分和三相之間的比例關(guān)系及其相互作用所表現(xiàn)出來的性質(zhì)。主要包括基本物理性質(zhì)和水理性質(zhì)。巖石在受到外力作用下所表現(xiàn)出來的性質(zhì)稱為巖石的力學(xué)性質(zhì)。巖石的力學(xué)性質(zhì)主要有變形性質(zhì)和強(qiáng)度性質(zhì)，在靜荷載和動荷載作用時(shí)，巖石的力學(xué)性質(zhì)是有所不同的，表現(xiàn)在性質(zhì)指標(biāo)的差異上。巖石的物理力學(xué)性質(zhì)通常通過巖石物理力學(xué)性質(zhì)測試才能確定。1.1 巖石的基本物理性質(zhì)指標(biāo)反映巖

2、石組分及結(jié)構(gòu)特征的物理量稱為巖石的物理性質(zhì)指標(biāo)，這里主要是指一些基本屬性：密度、比重、孔隙性、水理性等。反映了巖石的組分和三相之間的比例關(guān)系。為了測定這些指標(biāo)，一股都采用巖樣在室內(nèi)作試驗(yàn)，必要時(shí)也可以在天然露頭上或探洞(井)中進(jìn)行現(xiàn)場試駘。在選用巖樣時(shí)應(yīng)考慮到它們對所研究地質(zhì)單元的代表性并盡可能地保持其天然結(jié)構(gòu)。最好采用同一巖樣逐次地測定巖石的各種物理性質(zhì)指標(biāo)。下面分述各種物理性質(zhì)指標(biāo)。1.1.1 巖石的密度和重度(容重)1、定義密度：單位體積巖石(包括巖石內(nèi)空隙體積在內(nèi))所具有的質(zhì)量。重度(容重)：單位體積巖石所受的重力。2、計(jì)算式密度：(g/cm3，t/m3)容重度：(kN/m3)密度與重

3、度的關(guān)系：g=rg。上述各式中，M巖石質(zhì)量；W巖石重量；V巖石體積(包括空隙在內(nèi))；g為重力加速度，g=9.8m/s2，工程上一般取10m/s2。密度與容重的種類：天然密度r、干密度rd、飽和密度rsat。天然密度與干密度的關(guān)系：r=rd(1+0.01w)(w為含水率，以百分?jǐn)?shù)計(jì))。3、影響因素影響巖石密度大小的因素：礦物成分、孔隙及微裂隙發(fā)育程度、含水量。4、測定方法巖石密度的測定方法：量積法；水中稱重法；蠟封法等。5、工程意義巖石的重度可在一定程度上反映出巖石的力學(xué)性質(zhì)情況。通常，巖石的重度越大，則它的性質(zhì)越好，反之越差。圖1-1是各種碳酸鹽類巖石的單軸抗壓強(qiáng)度與重度的相關(guān)關(guān)系曲線圖。從圖

4、上可以看出，隨著巖石重度的增加，極限抗壓強(qiáng)度也相應(yīng)地增大。在巖石力學(xué)計(jì)算中，經(jīng)常用到重度這個(gè)指標(biāo)。巖石的重度一般在26.528.0(kN/m3)的范圍內(nèi)變化(表1-1)。圖1-1 碳酸鹽巖的抗壓強(qiáng)度與重度的關(guān)系1大理巖；2大理巖化石灰?guī)r；3石灰?guī)r和白云巖 圖1-2 碳酸鹽巖的抗壓強(qiáng)度與孔隙率關(guān)系1大理巖；2大理巖化石灰?guī)r；3石灰?guī)r和白云巖表1-1 常見巖石的容重、比重、孔隙率巖石重度(kN/m3)比密度孔隙率(%)巖石重度(kN/m3)比密度孔隙率(%)花崗巖粗玄巖流紋巖安山巖輝長巖玄武巖砂巖26-2730-30.524-2622-2330-3128-2920-262.5-2.842.4-2.

5、82.7-3.22.6-3.32.6-2.750.5-1.50.1-0.54-610-150.1-0.20.1-1.05-25頁巖石灰?guī)r白云巖片麻巖大理巖石英巖板巖20-2422-2625-2629-3026-2726.526-272.57-2.772.48-2.852.2-2.92.63-3.072.6-2.82.53-2.842.68-2.7610-305-201-50.5-1.50.5-20.1-0.50.1-0.51.1.2 巖石顆粒密度1、定義巖石顆粒密度：單位體積巖石顆粒(固體部分)所具有的質(zhì)量。2、計(jì)算式(g/cm3，t/m3)其中，Ms為巖石固體顆粒的質(zhì)量，Vs為固體顆粒的體積

6、。3、比密度(過去稱為比重)：有時(shí)為了單位換算的方便，可采用比密度的概念：巖石固體部分的質(zhì)量與同體積4C時(shí)純水的質(zhì)量之比值。即(無單位)其中，rw為4C時(shí)純水的密度，rw=1g/cm3。在數(shù)值上rs與Ds相等。4、影響因素影響巖石顆粒密度的因素：巖石顆粒密度取決于礦物成分及其在巖石中的含量。一般巖石是由多種礦物組成的，因此，巖石顆粒密度實(shí)際上是組成巖石的礦物密度的加權(quán)平均值。大部分巖石的比密度在2.502.80之間，而且隨著巖石中重礦物含量的增加而提高。因此，基性和超基性巖石的比密度可達(dá)3.003.40甚至更高，酸性巖石如花崗巖的比密度僅為2.502.84。某些巖石的比密度見表1-1。5、測定

7、方法巖石顆粒密度的測定：比重瓶法。1.1.3 巖石的孔隙性巖石中存在各種各樣的孔隙和細(xì)微裂隙，稱為孔隙性?？紫兜陌l(fā)育極大地影響巖石的工程性質(zhì)。巖石孔隙發(fā)育程度一般以孔隙率表示。1、定義巖石的(總)孔隙率n是指巖石孔隙的體積Vn與巖石總體積V(包括巖石固體顆粒體積與孔隙體積)的比值。以百分?jǐn)?shù)表示。2、計(jì)算式3、其他孔隙率總開孔隙率n0：所有與大氣相連同的孔隙裂隙體積占巖石總體積的比值。大開孔隙率nb：大開孔隙裂隙體積占巖石總體積的比值。小開孔隙率ns：小開孔隙裂隙體積占巖石總體積的比值。閉孔隙率nc：封閉的、與大氣不相連同的孔隙占巖石總體積的比值。如此劃分是與巖石的水理性質(zhì)有關(guān)。4、孔隙率的研究

8、意義衡量巖石致密程度和工程質(zhì)量的重要物理性質(zhì)指標(biāo)。圖1-2為幾種碳酸鹽類巖石的孔隙率與極限抗壓強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系曲線?？紫堵蕁越大，巖石中孔隙和細(xì)微裂隙越發(fā)育，工程性質(zhì)越差。5、影響因素組成成分、成因類型、形成條件、形成時(shí)代、后期變化。某些巖石的孔隙率見表1-1。1.2 巖石的水理性質(zhì)水理性質(zhì)是巖石與水相互作用而表現(xiàn)出來的性質(zhì)，即與水有關(guān)的巖石性質(zhì)。主要有巖石的吸水性、透水性、軟化性和抗凍性。1.2.1 巖石的天然含水率w1、定義天然狀態(tài)下巖石中所含有的水的質(zhì)量Mw與巖石的烘干質(zhì)量Mrd的比值。以百分?jǐn)?shù)表示。2、計(jì)算式3、影響因素氣候、地形地貌、地質(zhì)與水文地質(zhì)環(huán)境。1.2.2 巖石的吸水性巖石在一

9、定條件下吸收水分的性能稱為吸水性。吸水性的大小用吸水率wa和飽水率表示。1、定義吸水率wa是指巖石在常溫常壓下吸入水的質(zhì)量與其烘干質(zhì)量Mdr的比值。以百分?jǐn)?shù)表示。2、計(jì)算式其中，M0是烘干巖樣浸水48小時(shí)后的總質(zhì)量。反映大開孔隙發(fā)育程度。巖石的空隙越發(fā)育、連通性越好，則吸入的水量越多，吸水率越高。因此，有時(shí)將吸水率稱為孔隙指數(shù)。3、其他吸水率飽和吸水率wsa：巖石在強(qiáng)制狀態(tài)(高壓(一般是150個(gè)大氣壓)或真空、煮沸)下，巖石吸入的水的質(zhì)量與巖樣烘干質(zhì)量的比值，以百分?jǐn)?shù)表示，即其中，Msa真空抽氣飽和或煮沸后巖石試件的質(zhì)量，Mdr巖樣在105110C溫度下烘干24小時(shí)的質(zhì)量。飽和吸水率反映可總開

10、孔隙的發(fā)育程度。巖石飽水系數(shù)kw是指巖石吸水率與飽水率的比值，以百分?jǐn)?shù)表示，即通常將巖石的吸水率與飽水率之比稱為巖石的飽水系數(shù)。一般巖石的飽水系數(shù)在0.50.8之間。飽水系數(shù)對判斷巖石抗凍性具有重要意義。當(dāng)飽水系數(shù)0.91時(shí)，在凍結(jié)過程中形成的冰會對巖石的空隙產(chǎn)生冰劈作用，從而對巖石產(chǎn)生脹裂破壞。4、影響巖石吸水率的因素孔隙裂隙的多少、大小、分布及其連通情況。5、工程意義工程上常用巖石的吸水率作為判斷巖石的抗凍性和風(fēng)化程度的指標(biāo)，并廣泛地與其他的物理力學(xué)特征值建立關(guān)系。1.2.3 巖石的透水性巖石能被水透過的能性。巖石的透水性用滲透系數(shù)K表示。根據(jù)達(dá)西定律，某巖石斷面上的水滲透流速與水力坡度成

11、正比，即v=KI其中，比例系數(shù)K即為滲透系數(shù)。在數(shù)值上，K等于水力坡度等于1時(shí)的滲透流速。由于水力坡度的單位為1，所以滲透系數(shù)的單位取速度的單位，一般為m/d或cm/s表示。水皮坡度是水流方向上單位流動距離上的水頭降，反映水流的阻力大小(流動過程中能量的消耗情況)。滲透流速是單位巖石斷面(該斷面包括巖石固體部分的面積和空隙的面積)在單位時(shí)間內(nèi)流過的水的體積。巖石的透水性好壞取決于空隙的多少、大小、方向及連通情況，同時(shí)也與流過的流體性質(zhì)有關(guān)。1.2.4 巖石的軟化性巖石浸水后強(qiáng)度降低的性能稱為巖石的軟化性。軟化性常用軟化系數(shù)來表示。軟化系數(shù)hc是巖樣飽水狀態(tài)的抗壓強(qiáng)度scw與自然風(fēng)干狀態(tài)下的抗壓

12、強(qiáng)度sc之比值，以小數(shù)表示，即：hc一般情況下小于1。巖石的軟化性與巖石的物質(zhì)組成有很大的關(guān)系，通常含較多粘土礦物的巖石，其軟化系數(shù)小，即飽水后強(qiáng)度下降多。1.2.5 巖石的抗凍性巖石抵抗凍融破壞的性能稱為巖石的抗凍性。是評價(jià)巖石抗風(fēng)化穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。巖石的抗凍性的高低，取決于造巖礦物的熱物理性質(zhì)、粒間聯(lián)結(jié)強(qiáng)度及巖石的含水特征等因素。由堅(jiān)硬巖石的剛聯(lián)結(jié)組成的致密巖石的空凍性能高，而富含長石、云母和綠泥石類礦物及結(jié)構(gòu)不致密的巖石的抗凍性能低。巖石的抗凍性通常用抗凍系數(shù)和質(zhì)量損失率表示。巖石的抗凍系數(shù)cf是指巖樣在25C的溫度區(qū)間內(nèi)，反復(fù)降溫凍結(jié)、升溫融解，其抗壓強(qiáng)度有所下降，巖樣抗壓強(qiáng)度的下降

13、值sc-scf(scf是反復(fù)凍融后的抗壓強(qiáng)度)與凍融前的抗壓強(qiáng)度sc之比值即為抗凍系數(shù)，以百分?jǐn)?shù)表示，即巖石在反復(fù)凍融后強(qiáng)度降低的原因在于：構(gòu)成巖石的各種礦物熱膨脹系數(shù)不同，當(dāng)溫度變化時(shí)，由于礦物脹、縮差異導(dǎo)致巖石結(jié)構(gòu)破壞；當(dāng)溫度降到0C以下時(shí)，空隙中的水分將凍結(jié)成冰，其體積約增大9%，會產(chǎn)生很大的膨脹壓力，使巖石結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，直至破壞。質(zhì)量損失率是巖石凍融前后干試樣的質(zhì)量差與凍融前干試樣的質(zhì)量的比值，用百分?jǐn)?shù)表示，即巖石的凍融實(shí)驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行的。一般要求按規(guī)定制備68塊試樣，分兩組。一組進(jìn)行規(guī)定次數(shù)的凍融實(shí)驗(yàn)，另一組做干燥狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。一般要求，抗壓強(qiáng)度降低不大于25%、質(zhì)量損失

14、率不大于15%，才算是抗凍性能好的巖石。1.3 巖石的強(qiáng)度強(qiáng)度的概念：巖石在各種荷載作用下達(dá)到破壞時(shí)所能承受的最大應(yīng)力稱為巖石的強(qiáng)度。巖石同其他材料一樣，也具有一定的抵抗外力作用的能力，但是，這種能力是有限的，當(dāng)外力超過一定的極限時(shí)，巖石就要發(fā)生破壞。外力作用的方式不同，抵抗破壞的能力也不同，因而，通常根據(jù)外力的類型可劃分強(qiáng)度的類型，如單軸強(qiáng)度、三軸強(qiáng)度等。強(qiáng)度的確定：巖石的強(qiáng)度通過強(qiáng)度試驗(yàn)確定。不同類型的強(qiáng)度均有相應(yīng)的試驗(yàn)方法，同時(shí)也有相應(yīng)的試驗(yàn)技術(shù)和要求。研究巖石強(qiáng)度的意義：(1)巖石強(qiáng)度是各種巖石分類、分級中的重要數(shù)量指標(biāo)。(2)可作為強(qiáng)度準(zhǔn)則，以判斷：當(dāng)前計(jì)算點(diǎn)所處全應(yīng)力應(yīng)變曲線的哪個(gè)

15、區(qū)；所計(jì)算或測定處的巖土工程是否穩(wěn)定。(3)在簡單地下工程條件下，可作為極限平衡條件(塑性條件)，求解彈塑性問題的塑性區(qū)范圍，以及彈性區(qū)和塑性區(qū)的應(yīng)力與位移。1.3.1 巖石的破壞形式根據(jù)大量的試驗(yàn)和觀察證明，巖石的破壞常常表現(xiàn)為下列各種形式：1、脆性破壞大多數(shù)堅(jiān)硬巖石在一定的條件下都表現(xiàn)出脆性破壞的性質(zhì)。也就是說，這些巖石在荷載作用下沒有顯著覺察的變形就突然破壞。產(chǎn)生這種破壞的原因可能是巖石中裂隙的發(fā)生和發(fā)展的結(jié)果。例如，地下洞室開挖后，由于洞室周圍的應(yīng)力顯著增大，洞室圍巖可能產(chǎn)生許多裂隙，尤其是洞頂?shù)膹埩严叮@些都是脆性破壞的結(jié)果。2、延性破壞巖石在破壞之前的變形很大，且沒有明顯的破壞荷載

16、，表現(xiàn)出顯著的塑性變形、流動或擠出，這種破壞稱為延性破壞或韌性破壞。塑性變形是巖石內(nèi)結(jié)晶晶格錯(cuò)位的結(jié)果。在一些軟弱巖石中這種破壞較為明顯。有些洞室的底部巖石隆起，兩側(cè)圍巖向洞內(nèi)鼓脹都屬延性破壞的例子。堅(jiān)硬巖石一般屬脆性破，但在兩向或三向受力較大的情況下，或者在高溫的影響下，也可能延性破壞(或稱塑性破壞)。3、弱面剪切破壞由于巖層中存在節(jié)理、裂隙、層理、軟弱夾層等軟弱結(jié)構(gòu)面，巖層的整體性受到破壞。在荷載作用下，這些軟弱結(jié)構(gòu)面上的剪應(yīng)力大于該面上的強(qiáng)度時(shí)，巖體就發(fā)生沿著弱面的剪切破壞。巖基和巖坡沿著裂隙和軟弱層的滑動以及小塊試件沿著潛在破壞面的滑動，都屬于這種破壞的例子。圖1-3示有這幾種破壞形式

17、的簡圖。圖1-3 巖石的破壞形式(a)、(b)脆性斷裂破壞；(c)脆性剪切破壞；(d)延性破壞；(e)弱面剪切破壞1.3.2 巖石強(qiáng)度試驗(yàn)的基本要求進(jìn)行巖石強(qiáng)度試驗(yàn)所選用的試件必須是完整巖塊，而不應(yīng)該包含節(jié)理裂隙。這是因?yàn)椋谝粋€(gè)小的試樣中的節(jié)理裂隙是隨機(jī)的，不具有代表性。要做含節(jié)理裂隙的試件的強(qiáng)度，需作現(xiàn)場大型原位測試，試驗(yàn)所得的結(jié)果是巖體的強(qiáng)度。各種強(qiáng)度均需要通過試驗(yàn)確定，試驗(yàn)所獲得的結(jié)果除與巖石本身的特性有關(guān)以外，還常受到下列因素的影響：(1)試件尺寸一般情況下，巖石試件的尺寸愈大，則強(qiáng)度愈低，反之愈高，這一現(xiàn)象稱為尺寸效應(yīng)。這是由于試件內(nèi)分布著從微觀到宏觀的細(xì)微裂隙，它們是巖石破壞的基

18、礎(chǔ)。試件尺寸愈大，細(xì)微裂隙愈多，破壞的概率也增大，因而強(qiáng)度降低。(2)試件形狀一般而言，圓柱形試件的強(qiáng)度高于棱柱形試件的強(qiáng)度，這是因?yàn)楹笳邞?yīng)力集中之故。而在棱柱形試件中，截面為六角形試件的強(qiáng)度高于四角形，而四角形的又高于三角形。這種影響稱為形態(tài)效應(yīng)。因此，試件形狀不同，試驗(yàn)所得的強(qiáng)度也不同。(3)試件三維尺寸比例一般情況下，寬度與高度之比大的試件測得的強(qiáng)度指標(biāo)值較寬度與高度之比小的試件測得的強(qiáng)度指標(biāo)值要高得的多。(4)加載速率加載速率愈快，巖石的強(qiáng)度愈大，它們之間基本成正比關(guān)系。這是因?yàn)榭焖偌虞d具有動力的特性之故。表1-2列出了兩種巖石的試驗(yàn)結(jié)果，可看出加荷速率的重大影響。(5)濕度水對巖石的

19、抗壓強(qiáng)度有顯著的影響。當(dāng)水侵入巖石時(shí)，水就順著裂隙孔隙進(jìn)入潤濕巖石全部自由面上的每個(gè)礦物質(zhì)顆粒，由于水分子的侵入從而削弱了粒間聯(lián)系，使強(qiáng)度降低。其降低程度取決于孔隙和裂隙的狀況、組成巖石的礦物成分的親水性和水分含量、水的物理化學(xué)性質(zhì)等。因此，巖石受水飽和狀態(tài)試件的抗壓強(qiáng)度(飽和抗壓強(qiáng)度)和干燥狀態(tài)試件的抗壓強(qiáng)度是不同的，它們的比值稱為軟化系數(shù)。部分巖石的軟化系數(shù)見表1-3。表1-2 加荷速率對巖石抗壓強(qiáng)度的影響巖石名稱抗壓強(qiáng)度(MPa)到破壞的時(shí)間30s到破壞的時(shí)間0.03s增加強(qiáng)度%砂巖568450輝長巖21828230表1-3 部分巖石的軟化系數(shù)巖石名稱軟化系數(shù)巖石名稱軟化系數(shù)巖石名稱軟化

20、系數(shù)凝灰?guī)r0.520.86石灰?guī)r0.580.94輝綠巖0.440.90頁巖0.240.55花崗巖0.750.97閃長巖0.600.74砂巖0.440.97玄武巖0.710.92石英巖0.96為了保證不同巖石強(qiáng)度試驗(yàn)所獲得的巖石強(qiáng)度指標(biāo)具有可比性，國際巖石力學(xué)學(xué)會(ISRM)自1979年起陸續(xù)發(fā)表了關(guān)于巖石強(qiáng)度試驗(yàn)所使用的試件的形狀、尺寸、數(shù)量、加工精度、加載速率、加載時(shí)間和濕度等的建議(標(biāo)準(zhǔn))，以及其他各種巖石力學(xué)性質(zhì)測試方法的建議(標(biāo)準(zhǔn))。對不符合標(biāo)準(zhǔn)試件和標(biāo)準(zhǔn)試件試驗(yàn)條件所獲得的強(qiáng)度指標(biāo)值，必須根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)作相應(yīng)的修正。有關(guān)巖塊性質(zhì)試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)見表1-4。表1-4 SRM(1979)有關(guān)建議

21、表項(xiàng)目單軸壓縮單軸拉伸三軸壓縮直接間接試件形狀圓柱體圓柱體圓柱體圓柱體試件直徑mm54545454高徑比2.53.02.53.02.53.02.53.0試件直徑與最大粒徑之比10:110:110:110:1試件數(shù)量55105含水量天然天然天然天然保存天數(shù)d30303030加工精度要求端面磨平度mm0.020.020.250.02軸線垂直度0.001弧度或3.5”或每50mm不超過0.005mm同左0.25同單軸壓縮側(cè)面不平度mm0.30.1厚度不平度200N/s0.490.98加載時(shí)間min5105101530s510我國煤炭、地質(zhì)部門規(guī)定可采取直徑為50mm，高徑比為12.5的圓柱體試件，也

22、可采用555cm3或777cm3的立方體試件；端面磨平度要求不大于0.1mm。1.3.3 單軸抗壓強(qiáng)度巖石在單軸壓縮荷載作用下達(dá)到破壞前所能承受的最大壓應(yīng)力稱為巖石的單軸抗比強(qiáng)度(uniaxial pressive strength)，或稱為非限制性抗壓強(qiáng)度(unconfined pressivestrength)。因?yàn)樵嚰皇茌S向壓力作用，側(cè)向沒有壓力，因此試件變形沒有受到限制，如圖1-4(a)所示。圖1-4 單軸壓縮試驗(yàn)試件受力圖和破壞狀態(tài)示意圖國際上通常把單軸抗壓強(qiáng)度表示為UCS，我國習(xí)慣上將單軸抗壓強(qiáng)度表示為sc，其值等于達(dá)到破壞時(shí)的最大軸向壓力P除以試件的橫截面積A，即(N/m2、P

23、a、kPa、mPa)試件在單軸壓縮荷載作用下破壞時(shí)，在試件中可產(chǎn)生三種破壞形式：(1)X狀共軛斜面剪切破壞，如圖1-4(b)所示。破壞面法線與荷載軸線(即試件軸線)的夾角，式中f為巖石的內(nèi)摩擦角。這是最常見的破壞形式。(2)單斜面剪切破壞，如圖1-4(c)所示。b角定義與圖1-4(b)相同。上述兩種破壞都是由于破壞面上的剪應(yīng)力超過極限引起的，因而被視為剪切破壞。但破壞前破壞面所須承受的最大剪應(yīng)力也與破壞面上的正應(yīng)力有關(guān)，因而也可稱為該類破壞為壓剪破壞。圖1-5 試驗(yàn)測得的單軸抗壓強(qiáng)度值sc與試件L/D之間的關(guān)系示意圖(3)拉伸破壞，如圖1-4(d)所示。在軸向壓應(yīng)力作用下，在橫向?qū)a(chǎn)生拉應(yīng)力，

24、這是泊松效應(yīng)的結(jié)果。這種類型的破壞就是橫向拉應(yīng)力超過巖石抗拉極限引起的。試件形狀可以是立方體(5cm5cm5cm或7cm7cm7cm)，也可以是圓柱體，但使用最廣泛的是圓柱體。圓柱體直徑一般不小于5cm。圓柱體試件高度與直徑之比(L/D)對試驗(yàn)結(jié)果有很大影響。以sc表示實(shí)際的巖石單軸抗壓強(qiáng)度，以sc表示試驗(yàn)所測得的巖石單軸抗壓強(qiáng)度，則sc和sc之間的關(guān)系可由下式和圖1-5表示。由圖1-5可見，當(dāng)L/D2.53時(shí)，sc曲線趨于穩(wěn)定，試驗(yàn)結(jié)果(sc)值不隨L/D的變化而明顯變化。因此，ISRM建議進(jìn)行巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)所使用的試件高度L與直徑D之比為2.53(見上述表)。壓縮試驗(yàn)設(shè)備見圖1-6

25、。進(jìn)行壓縮試驗(yàn)時(shí)，試件的端部效應(yīng)也應(yīng)注意。如圖1-6所示，當(dāng)試件由上下兩個(gè)鐵板加壓時(shí)，鐵板與試件端面之間存在摩擦力，因此，在試件端部存在剪應(yīng)力，并阻止試件端部的側(cè)向變形，所以試件端部的應(yīng)力狀態(tài)不是非限制性的，也是不均勻的。只有在離開端面一定距離的部位，才會出現(xiàn)均勻應(yīng)力狀態(tài)。為了減少端部效應(yīng)，必須在試件與鐵板之間加潤滑劑，以充分減少鐵板與試件端面之間的摩擦力。同時(shí)必須使試件長度達(dá)到規(guī)定的要求，以保證在試件中部出現(xiàn)均勻應(yīng)力狀態(tài)。如鐵板與試件端面之間不存在摩擦力，則均勻應(yīng)力狀態(tài)將在整個(gè)試件中出現(xiàn)。圖1-6 壓縮試驗(yàn)設(shè)備示意圖單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的要求：(1)ISRM(國際巖石力學(xué)學(xué)會)的建議值：試件形狀

26、為圓柱體，試件直徑54mm，徑高比2.53.0，試件直徑與最大粒徑之比為10:1，平行作5個(gè)以上的試驗(yàn)，保持試件的天然含水量，試件保存不得超過30d，端面磨平度為0.02mm，軸線垂直度為0.001弧度或3.5”或每50mm不超過0.005mm，側(cè)面不平度0.3mm，試驗(yàn)時(shí)加載速率控制在0.490.98MPa/s，加載時(shí)間為510min。(2)我國煤炭、地礦系統(tǒng)的規(guī)定：試件可采用直徑50mm、高徑比12.5的圓柱體或5cm5cm5cm的立方體，端面磨平度不大于0.1mm，其余規(guī)定同(1)。(3)試驗(yàn)最好采用剛性試驗(yàn)機(jī)或伺服試驗(yàn)機(jī)。試件上下加墊層，墊層直徑等于試件的直徑或比直徑大2mm，墊塊厚度

27、不得小于試件直徑的1/3。也可以在加壓鐵板與試件接觸面上加潤滑劑以充分減少兩者之間的摩擦力。較大的高徑比、加墊層以及加潤滑劑等措施的目的在于減少“端面效應(yīng)”，使試件中部應(yīng)力分布均勻。以便測定的數(shù)據(jù)相互對比。(4)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理：n個(gè)試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)為sci(i=1，2，n)求平均值 求偏差 eisci-(i=1，2，n)求標(biāo)準(zhǔn)差 求離散系數(shù)(偏差系數(shù)、變異系數(shù)) 整理的結(jié)果，應(yīng)提供的數(shù)據(jù)是，離散系數(shù)cv是衡量試驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。cv的大小取決于巖石試樣的均勻性和試驗(yàn)的操作過程的規(guī)范性。由于巖石的均勻性較其他材料差，所以巖石一般要求cv15%20%即可，而金屬材料要求cv55mm時(shí)Is(50

28、)可用于巖石的現(xiàn)場分級。Is(50)可利用下式換算成高徑比為2:1的試件的單軸抗壓強(qiáng)度：sc=24 Is(50)點(diǎn)荷試驗(yàn)裝置較簡單，小型點(diǎn)荷試驗(yàn)裝置是由一個(gè)手動液壓泵、一個(gè)液壓千斤頂和一對圓錐形加壓頭組成。壓力由液壓千斤頂提供，加壓頭裝配在液壓千斤頂上。加壓頭還可裝備在普通試驗(yàn)機(jī)上。圖1-11 點(diǎn)載試驗(yàn)對試件的要求常用的點(diǎn)荷試驗(yàn)儀：成都理工大學(xué)生產(chǎn)的XD-1型點(diǎn)荷儀，能力為100kN。特點(diǎn)是小巧、易攜帶，容易在現(xiàn)場進(jìn)行試驗(yàn)。圖1-12 直接拉伸試驗(yàn)中國礦業(yè)大學(xué)生產(chǎn)的QY8T型點(diǎn)荷儀，也小巧輕便，除可以進(jìn)行點(diǎn)荷試驗(yàn)外，還可進(jìn)行現(xiàn)場不規(guī)則巖塊的加壓試驗(yàn)。點(diǎn)荷試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，是在光彈試驗(yàn)下，球體、立

29、方體、長方體以及圓柱體在加載軸附近的應(yīng)力光圖都很相似，而其中球體受集中力作用時(shí)的應(yīng)力分布有解析解。1.3.6 抗拉強(qiáng)度巖石在單軸拉伸荷載作用下達(dá)到破壞時(shí)所承受的最大拉應(yīng)力稱為巖石的單軸抗拉強(qiáng)度，簡稱抗拉強(qiáng)度?？估瓘?qiáng)度可通過直接拉伸試驗(yàn)(圖1-12)或間接拉伸試驗(yàn)確定。1直接拉伸試驗(yàn)對巖石試件直接施加拉力進(jìn)行的試驗(yàn)，試件通常沿橫截面斷裂破壞。若達(dá)到破壞時(shí)的軸向拉伸荷載為Pt，試件橫截面面積為A，則抗拉強(qiáng)度st為直接拉伸試驗(yàn)一般在材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。對巖石進(jìn)行直接拉伸試驗(yàn)是很困難的，因?yàn)樵嚰潭ㄔ谠囼?yàn)機(jī)的夾具中時(shí)，夾持力過大則可能將試件端部夾裂，夾持力過小則試件易脫出。通常是將巖石試件的兩端膠結(jié)在水

30、泥或環(huán)氧樹脂中，或牢固粘結(jié)在金屬帽套中，拉伸荷載作用在水泥、環(huán)氧樹脂或金屬連接帽上。IRSM對直接拉伸試驗(yàn)的建議要求基本同壓縮試驗(yàn)。2間接拉伸試驗(yàn)直接拉伸試驗(yàn)在試驗(yàn)準(zhǔn)備上費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且試驗(yàn)成功率不高。所以一般采用間接試驗(yàn)的方法測定巖石的抗拉強(qiáng)度。間接試驗(yàn)方法很多，使用最多的是劈裂試驗(yàn)法(又稱巴西試驗(yàn)法)(圖1-13)。圖1-13 劈裂試驗(yàn)加載與應(yīng)力分布劈裂法的試件是高徑比為0.5的圓盤，沿徑向加載，使之劈裂，從而求得抗拉強(qiáng)度。方法簡便易行，使用很廣泛。加載采用特制的弧形壓模進(jìn)行，開始時(shí)弧形壓模與試件呈線狀接觸，試件劈裂時(shí)二者弧形接觸面對應(yīng)的中心角應(yīng)控制在10以內(nèi)。如此加載的情況下，沿加載線巖石試

31、件內(nèi)垂向應(yīng)力維持壓應(yīng)力狀態(tài)，而橫向應(yīng)力在試件邊緣附近為壓應(yīng)力，內(nèi)部為拉應(yīng)力且很長距離上呈均勻分布。由于巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，因此，試件在橫向拉應(yīng)力的作用下可沿直徑劈裂破壞，破壞從直徑中心開始，然后逐漸向兩端發(fā)展。巖石間接抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式為P為試件劈裂時(shí)的最大壓力；D為試件的直徑；t為試件的厚度。巖石的抗拉強(qiáng)度一般為抗壓強(qiáng)度的1/41/25，平均為1/10。由于巖石抗拉強(qiáng)度很低，所以在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免出現(xiàn)拉應(yīng)力。1.3.7 抗剪強(qiáng)度巖石在剪切荷載的作用下達(dá)到破壞時(shí)所承受的最大剪應(yīng)力稱為巖石的抗剪強(qiáng)度。通過剪切試驗(yàn)測定。試驗(yàn)可分為非限制性剪切試驗(yàn)(剪斷試驗(yàn))和限制性剪切試驗(yàn)(壓剪試驗(yàn))

32、兩種類型。前者是剪切試驗(yàn)時(shí)剪切面上只有剪應(yīng)力存在而沒有正應(yīng)力存在；后者兩者均存在。1非限制性剪切試驗(yàn)(剪斷試驗(yàn))剪斷試驗(yàn)有四種(圖1-14)：單面剪切、雙面剪切、沖擊剪切和扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)。非限制性剪切強(qiáng)度S0由下列公式計(jì)算：(1)單面剪切試驗(yàn) (Fc為試件被剪斷時(shí)的最大剪力，N；A為剪切破壞面的面積，m2)；(2)雙面剪切試驗(yàn) ；(3)沖擊剪切試驗(yàn) (t為試件厚度，m；r為沖擊孔半徑，m)；(4)扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn) (Mc為試件被剪斷時(shí)的最大扭矩，Nm；D為試件直徑，m)。圖1-14 非限制性剪切試驗(yàn)2限制性剪切試驗(yàn)(壓剪試驗(yàn))常用的壓剪試驗(yàn)有(圖1-15)：直剪儀壓剪試驗(yàn)、角模壓剪試驗(yàn)、立方體試件單

33、面壓剪試驗(yàn)、試件端部受壓雙面剪試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)等。圖1-15 限制性剪切試驗(yàn)試驗(yàn)表明，剪切面上所受的正應(yīng)力越大，試件剪斷時(shí)剪切面所承受的剪應(yīng)力也越大。這是因?yàn)椋羟衅茐臅r(shí)一要克服巖石的粘結(jié)力(內(nèi)聚力)，二是克服剪切面上的摩擦力，正應(yīng)力越大，摩擦力越大。通常同一巖石制備多個(gè)試件作不同正應(yīng)力下的剪切試驗(yàn)(三軸剪切試驗(yàn)是不同的s1、s3組合)，獲得不同的試件剪斷時(shí)的剪應(yīng)力t和正應(yīng)力s數(shù)據(jù)對(對于三軸試驗(yàn)則為最大、最小主應(yīng)力值s1、s3)。將這些數(shù)據(jù)投到以剪應(yīng)力t為縱坐標(biāo)、正應(yīng)力s為橫坐標(biāo)的直角坐標(biāo)系中。對于三軸試驗(yàn)則是在該坐標(biāo)系中作試件破壞時(shí)的莫爾應(yīng)力圓。將各數(shù)據(jù)點(diǎn)連成一曲線，三軸試驗(yàn)是作各莫爾圓

34、的公切線，即得到莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線。通過限制性剪切試驗(yàn)可得到抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角j和內(nèi)聚力c。莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線是巖石試件壓剪破壞時(shí)的正應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線(圖1-16)。其形狀通常為拋物線型的，有時(shí)為直線型或其他形狀。圖1-16 正應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線(莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線)直線型時(shí)，強(qiáng)度包絡(luò)線在縱軸上的截距稱為巖石的粘結(jié)力(內(nèi)聚力)c(kPa)，與橫軸間的夾角稱為巖石的內(nèi)摩擦角j()。直線型反映抗剪強(qiáng)度與剪切面的正應(yīng)力成正比關(guān)系，c和j是常數(shù)。所以巖石的抗剪強(qiáng)度一般用c和j來表示，稱為抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。曲線型時(shí)，曲線的斜率是變化的，即巖石的c和j在不同正應(yīng)力水平下是不同的，此時(shí)，最簡便的方法

35、就是將強(qiáng)度包絡(luò)線在縱軸上的截距作為c，強(qiáng)度包絡(luò)線與縱軸交點(diǎn)的切線斜率作為tgj(內(nèi)摩擦角的正切即內(nèi)摩擦系數(shù))。另一種方法是根據(jù)實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)，在強(qiáng)度包絡(luò)上找到相應(yīng)點(diǎn)，該點(diǎn)切線的斜率作為該應(yīng)力狀態(tài)下的tgj，切線延長到縱軸的截距為相應(yīng)的c。1.3.8 破壞后的強(qiáng)度圖1-17 剪應(yīng)力與剪應(yīng)變的關(guān)系曲線前面所說的強(qiáng)度都是峰值強(qiáng)度。當(dāng)應(yīng)力超過峰值強(qiáng)度后，巖石試件進(jìn)入破壞階段了。試件破壞后，不會立即失去強(qiáng)度，即破壞后的巖石還是有一定的承載能力的。1剪切試驗(yàn)的殘余強(qiáng)度當(dāng)剪切面上的剪應(yīng)力超過了峰值強(qiáng)度后，剪切破壞發(fā)生，然后在較小的剪切力作用下就可使巖石沿剪切面滑動。能使破壞面保持滑動所需的較小剪應(yīng)力就是破壞面

36、的殘余強(qiáng)度。試驗(yàn)表明，正應(yīng)力越大，殘余強(qiáng)度就越高(圖1-17)。所以只要有正應(yīng)力存在，巖石剪切破壞面仍具有抗剪強(qiáng)度。2壓縮試驗(yàn)的破壞后強(qiáng)度問題在一般試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行壓縮試驗(yàn)時(shí)，在試件達(dá)到峰值強(qiáng)度前，試件的變形是逐步的和緩慢的，當(dāng)達(dá)到峰值強(qiáng)度后，試件將發(fā)生突然性的破壞，試件被崩裂，巖石呈碎塊飛射，并伴有很大的聲響，試驗(yàn)突然停止(圖1-18a)。這種現(xiàn)象似乎意味著巖石在破壞后就完全沒有承載力了。圖1-18 單軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線事實(shí)上，這種情況與實(shí)際是不相符合的。實(shí)際情況是巖石超過峰值強(qiáng)度后發(fā)生了破壞，內(nèi)部出現(xiàn)了裂紋，其承載力因而下降，但并不是降到零，而是仍具有一定的強(qiáng)度，特別是在具有限制應(yīng)力(側(cè)

37、向應(yīng)力)條件下。巖石開挖工程的圍巖一般都處于周圍巖石的限制中，因而破壞時(shí)不可能發(fā)生突然崩解現(xiàn)象。另外，巖石在漫長的地質(zhì)歷史中受到過各種力場的作用，經(jīng)歷了多次破壞，因而在巖石工程中我們面對的實(shí)際上是已經(jīng)發(fā)生過破壞的巖體。所以研究巖石超過其峰值強(qiáng)度破壞后的強(qiáng)度特征對巖石工程具有重要意義。為此，必須改進(jìn)測試系統(tǒng)，將半程壓縮試驗(yàn)變成全程壓縮試驗(yàn)，獲取全應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖1-18b)。傳統(tǒng)的壓力機(jī)屬于軟性壓力機(jī)，剛度不夠大，在試驗(yàn)過程中，壓力機(jī)框架受拉，產(chǎn)生的彈性變形以應(yīng)變能的形式存儲在機(jī)器中，當(dāng)施加的壓縮應(yīng)力超過巖石抗壓強(qiáng)度后，試件破壞，此時(shí)，壓力機(jī)框架迅速回彈，將所儲存的應(yīng)變能釋放到巖石試件上，從而

38、引起巖石試件的急劇破裂和崩解。顯然，如果沒有大量應(yīng)變能儲存在機(jī)器中，就不會引起試件的突發(fā)性破壞。為了減少試驗(yàn)過程中試驗(yàn)機(jī)的彈性變形及儲存在其中的應(yīng)變能，就必須增加試驗(yàn)機(jī)的剛度。為此，出現(xiàn)了剛性試驗(yàn)機(jī)，利用剛性試驗(yàn)機(jī)可得到巖石在受壓過程中的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，獲得巖石在峰值強(qiáng)度后的變形和破壞特征。在實(shí)驗(yàn)過程中沒，試驗(yàn)機(jī)和巖石試件構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，只有試驗(yàn)機(jī)的剛度遠(yuǎn)大于試件的剛度，試驗(yàn)機(jī)的變形才小，試件破壞時(shí)才是穩(wěn)定的。因此，試驗(yàn)機(jī)的剛度是相對于巖石試件的剛度的。為了提高試驗(yàn)機(jī)的剛度，也可考慮減少巖石試件的剛度，即提高試件的截面面積增加試件的高度。但在實(shí)用中，試件不可能做得很長很細(xì)，試驗(yàn)機(jī)也不能太龐大和

39、笨重。所以可考慮在試驗(yàn)機(jī)中采用液壓伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)可以根據(jù)巖石破壞和變形情況來控制變形速度，使變形速度保持恒定。適用于堅(jiān)硬巖石的試驗(yàn)。對于非常堅(jiān)硬的巖石，則考慮采用帶伺服系統(tǒng)的剛性試驗(yàn)機(jī)。1.4 巖石的變形1.4.1 材料的變形性質(zhì)材料在荷載作用下首先發(fā)生變形，即形狀和尺寸上的改變。隨著荷載的不斷增加，或在恒定荷載作用下隨著時(shí)間的增長，材料的變形逐漸增加，最終材料發(fā)生破壞。按應(yīng)力應(yīng)變時(shí)間的關(guān)系，可將材料的變形劃分為彈性、塑性和粘性等三種變形(圖1-19)。圖1-19 巖石(材料)的變形性狀(a)彈性；(b)塑性；(c)粘性1、彈性材料在荷載作用下產(chǎn)生變形，而荷載去除后立即恢復(fù)到它原來的形狀和

40、尺寸的性質(zhì)。產(chǎn)生的變形稱為彈性變形。具有彈性性質(zhì)的材料稱為彈性體。彈性變形一般認(rèn)為是瞬時(shí)完成的。彈性體按照應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系分為線彈性體(應(yīng)力應(yīng)變成直線，圖3-1a)和非彈性體(應(yīng)力應(yīng)變不成直線)。非彈性體又分為完全彈性體和彈性體。2、塑性材料在荷載作用下，應(yīng)力超過屈服應(yīng)力時(shí)仍能繼續(xù)發(fā)生變形而不斷裂，荷載去除后，變形不能完全恢復(fù)的性質(zhì)。不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形，也稱為永久變形、殘余變形。理想的塑性材料，當(dāng)應(yīng)力不超過屈服極限時(shí)呈彈性性質(zhì)；應(yīng)力達(dá)到屈服極限后，變形不斷增長而應(yīng)力不變，應(yīng)力應(yīng)變曲線為水平線(圖3-1b)。在屈服點(diǎn)以后，應(yīng)力應(yīng)變呈不斷增長的曲線，則稱為應(yīng)變硬化。3、粘性材料在荷載作用下變

41、形不能瞬時(shí)完成，應(yīng)變速率隨著應(yīng)力的增大而增大的性質(zhì)。理想的粘性材料，其應(yīng)力應(yīng)變曲線為一過原點(diǎn)的直線(圖3-1c)。這種變形稱為流動變形。巖石是礦物的集合體，具有復(fù)雜的成分和結(jié)構(gòu)。在荷載作用下，巖石呈何種變形性質(zhì)，一方面取決于其成分和結(jié)構(gòu)，另一方面還和它的受力條件如荷載大小及其組合情況、加載的方式與速率、加載的過程等密切相關(guān)。此外，巖石的變形性質(zhì)還與巖石所處的環(huán)境如溫度、水、地應(yīng)力等有關(guān)。多數(shù)情況下，巖石具有上述性質(zhì)的復(fù)合性質(zhì)。1.4.2 巖石單向壓縮條件下的變形特性對一定形狀的巖石試件，用材料試驗(yàn)機(jī)按一定的時(shí)間間隔施加單向壓力，測量加壓過程中各級應(yīng)力及相應(yīng)的軸向和橫向應(yīng)變值，并計(jì)算出體積應(yīng)變值

42、。以應(yīng)力為縱坐標(biāo)，以各種應(yīng)變?yōu)闄M坐標(biāo)，繪制出各種應(yīng)力應(yīng)變曲線(圖3-2)。該曲線反映了巖石的單向壓縮條件下的變形特性。圖1-20 巖石單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線1、應(yīng)力應(yīng)變曲線上變形階段的劃分及特征應(yīng)力值巖石在單向壓縮條件下的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程大致可分為五個(gè)階段(見全應(yīng)力應(yīng)變曲線圖)。(1)OA段：應(yīng)力軸向應(yīng)變曲線為微上凹的曲線，應(yīng)力橫向應(yīng)變曲線陡，體積隨應(yīng)力的增加而壓縮(即體積應(yīng)變?yōu)檎?。孔隙、微裂隙壓縮壓密的過程。(2)AB段：巖石的應(yīng)力軸向應(yīng)變曲線呈近似直線關(guān)系，巖石處于彈性階段。相應(yīng)于B點(diǎn)的應(yīng)力值稱為比例極限或彈性極限。(3)BC段：曲線由b點(diǎn)開始逐漸偏離直線，特別是應(yīng)力體積應(yīng)變曲線，

43、其斜率隨應(yīng)力的增大而變陡直至相反，巖石的體積變形由壓縮變成膨脹，為微破裂穩(wěn)定發(fā)展的階段。C點(diǎn)稱為屈服點(diǎn)，相應(yīng)于C點(diǎn)的應(yīng)力值稱為屈服極限。(4)CD段：過了C點(diǎn)，巖石進(jìn)入塑性變形階段，應(yīng)力軸向應(yīng)變曲線的斜率急劇減小，體積膨脹加速，變形隨應(yīng)力迅速增長(巖石發(fā)生擴(kuò)容變形)。為非穩(wěn)定破裂階段。至D點(diǎn)應(yīng)力達(dá)到最大。相應(yīng)于D點(diǎn)的應(yīng)力值稱為峰值強(qiáng)度或單軸極限抗壓強(qiáng)度(簡稱單軸抗壓強(qiáng)度)。(5)D點(diǎn)以后的階段：巖石試件承載力達(dá)到峰值強(qiáng)度后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，但基本保持整體狀，變形主要表現(xiàn)為沿宏觀破裂面的滑移，承載力隨變形增大而迅速下降，但并降到零。說明巖石破裂后仍具有一定的承載力，稱為殘余強(qiáng)度。殘余強(qiáng)度實(shí)際上

44、就是一般巖體所具有的強(qiáng)度。2、巖石軸向應(yīng)力應(yīng)變曲線基本形狀巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線隨著巖石性質(zhì)的不同而有各種不同類型。米勒采用28種巖石進(jìn)行大量的單軸試驗(yàn)后，根據(jù)峰值前應(yīng)力應(yīng)變曲線將巖石分為6種類型(圖1-21)。類型I：直線型為近似直線關(guān)系的變形特征，直到發(fā)生突發(fā)性破壞，且以彈性變形為主，是玄武巖、石英巖、白云巖及極堅(jiān)固的石灰?guī)r等堅(jiān)硬、極堅(jiān)硬巖類巖塊的特征曲線。由于塑性階段不明顯，這些材料稱為彈性體。類型II：下凹型開始為直線，至末端則出現(xiàn)非線性屈服段。較堅(jiān)硬而少裂隙的巖石如石灰?guī)r、砂礫巖和凝灰?guī)r等常呈這種變形曲線。這些材料稱為彈-塑性體。類型III：上凹型開始為上凹型曲線，隨后變?yōu)橹本€，直到破壞

45、，沒有明顯的屈服段。堅(jiān)硬而有裂隙發(fā)育的巖石如花崗巖、砂巖、平行片理加荷的片巖以及某些輝綠巖等常具這種曲線。這些材料稱為塑-彈性體。類型IV：S型應(yīng)力較低時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線向上彎曲，當(dāng)壓力增加到一定數(shù)值后，變形曲線成為直線，最后，曲線向下彎曲，曲線呈S型。具有這種變形特性的巖石大多數(shù)為變質(zhì)巖，如大理巖、片麻巖等。這些材料稱為塑-彈-塑性體。類型V：平緩S型基本上與類型IV相同，也呈S型，不過曲線斜率較平緩。一般發(fā)生在壓縮性較高的巖石中，如垂直片理加荷的片巖等。類型VI：水平型應(yīng)力-應(yīng)變曲線開始先有很小一段直線部分，然后有非彈性部分，并繼續(xù)不斷地蠕變。這是巖鹽的應(yīng)力-應(yīng)變特征曲線，某些軟弱巖石也具

46、有類似的特性。這類材料稱為彈-粘性體。圖1-21 峰前巖石典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上述曲線中，類型III、IV、V具有某些共性，如開始部分由于空隙壓密均為一上凹形曲線；當(dāng)巖塊微裂隙、片理、微層理等壓密閉合后，即出現(xiàn)一直線段；當(dāng)試件臨近破壞時(shí)，則逐漸呈現(xiàn)出不同程度的屈服段。1.4.3 巖石反復(fù)加載與卸載條件下的變形特性在巖石工程中經(jīng)常遇到循環(huán)荷載作用。在這種條件下巖石的強(qiáng)度往往低于靜力強(qiáng)度(逐級加載條件下的強(qiáng)度)。線彈性的巖石和完全彈性的巖石，加載與卸載的應(yīng)力路徑是相同的。但前者的應(yīng)力路徑是直線，后者是曲線。彈性巖石的加載曲線和卸載曲線重合，服從相同的規(guī)律。彈性的巖石，加載與卸載的應(yīng)力路徑不相同，即

47、曲線不重合，但卸載曲線的端點(diǎn)與加載曲線的端點(diǎn)重合，即卸載后變形能完全恢復(fù)。加載與卸載曲線之間形成一個(gè)環(huán)路。反復(fù)加載卸載時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線總是服從該環(huán)路。圖1-22 等荷再循環(huán)加、卸載時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線非彈性巖石，當(dāng)卸載點(diǎn)超過屈服應(yīng)力(屈服極限)時(shí)，加載與卸載曲線不重合，兩著之間形成一個(gè)環(huán)路，一般稱為塑性滯回環(huán)。一般來說，卸載曲線的平均斜率與加載曲線的直線段的斜率相同，或和原點(diǎn)切線斜率相同。反復(fù)加載卸載時(shí)，都形成一個(gè)滯回環(huán)(滯回環(huán)不重合，這是因?yàn)榇嬖谒苄宰冃渭床豢苫謴?fù)的變形)。如果反復(fù)加載卸載的應(yīng)力峰值不超過某一數(shù)值時(shí)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，滯回環(huán)越來越狹窄，說明巖石越來越彈性，一直到某次循環(huán)沒有塑

48、性為止，試件一般不會出現(xiàn)破壞(圖1-22C)。如果應(yīng)力峰值超過該數(shù)值時(shí)，巖石將在某次循環(huán)中破壞(圖1-22A)，這種破壞稱為疲勞破壞(任何材料都有這種特性)。這一數(shù)值稱為臨界應(yīng)力。不同巖石的臨界應(yīng)力是不同的。當(dāng)峰值應(yīng)力超過臨界應(yīng)力時(shí)，反復(fù)加載卸載的應(yīng)力應(yīng)變曲線將最終與全應(yīng)力應(yīng)變曲線的峰后段相交，巖石破壞，此時(shí)給定的應(yīng)力值稱為疲勞強(qiáng)度。圖1-23 不斷增大荷載循環(huán)加、卸載時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如果多次反復(fù)加載卸載循環(huán)，每次加載的最大荷載比前一次循環(huán)的最大荷載要大，則應(yīng)力應(yīng)變曲線上也存在滯回環(huán)(圖1-23)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，滯回環(huán)越來越大，卸載曲線的斜率逐次增加，表明卸載下的巖石彈性有所增強(qiáng)。此外

49、，每次卸載后再加載，在荷載超過上次循環(huán)的最大荷載后，變形曲線仍沿著單調(diào)加載曲線上升，這種現(xiàn)象稱為變形記憶。1.4.4 巖石三軸壓縮條件下的變形特性試驗(yàn)研究表明，在有圍壓作用時(shí)，巖石的變形性質(zhì)與單軸壓縮時(shí)是不同的。圖1-24為大理巖和花崗巖在不同圍壓下的(s1-s3)-e曲線。由圖可知：(a) (b)圖1-24 不同圍壓下大理巖(a)和花崗巖(b)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(1)破壞前，應(yīng)變隨著圍壓(s2、s3)的增大而增大(曲線上的峰值后移)；(2)塑性隨圍壓(s2、s3)的增大而增強(qiáng)(曲線呈現(xiàn)塑性材料的變形特征)；(3)隨著圍壓的增大，巖石由脆性轉(zhuǎn)變?yōu)檠有?。圍壓較低時(shí)，巖石成脆性；圍壓增大到一定數(shù)值后

50、，表現(xiàn)為延性破壞。脆性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄缘呐R界圍壓稱為轉(zhuǎn)化壓力，不同巖石的轉(zhuǎn)化壓力不同某些巖石的轉(zhuǎn)化壓力見表1-5。表1-5 幾種巖石的轉(zhuǎn)化壓力(室溫)巖石類型轉(zhuǎn)化壓力(MPa)巖石類型轉(zhuǎn)化壓力(MPa)巖鹽0石灰?guī)r20100白堊100密實(shí)頁巖020花崗巖100圍壓影響的結(jié)論：(1)圍壓增大，抗壓強(qiáng)度增大；(2)圍壓增大，變形增大；(3)圍壓增大，彈性極限(比例極限)增大；(4)圍壓增大，巖石變形性質(zhì)改變：彈脆性彈塑性應(yīng)變硬化。1.4.5 巖石變形指標(biāo)巖石變形特性常用彈性模量、變形模量、泊松比等指標(biāo)表示，根據(jù)巖石應(yīng)力-應(yīng)變試驗(yàn)曲線確定(圖1-25)。圖1-25 巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線1、彈性模量應(yīng)力應(yīng)變成直線時(shí)(3-7a)，直線的斜率為彈性模量，即應(yīng)力應(yīng)變成曲線，但應(yīng)力-應(yīng)變之間的關(guān)有著唯一關(guān)系，則這種材料為完全彈性材料(3-7b)。這時(shí)，模量不是唯一的，則用割線模量、切線模量表示。在曲線上任取一點(diǎn)P，該點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力為s，切線模量就是P