第2章 巖石基本物理力學性質

1、第第2 2章章 巖石的物理力學性質巖石的物理力學性質第第1 1節(jié)節(jié) 巖石的基本物理性質巖石的基本物理性質 1 1、密度和重力密度、密度和重力密度 密度是單位體積內巖石的質量。密度是單位體積內巖石的質量。 分天然、飽和及干燥三種。分天然、飽和及干燥三種。 （2 2）飽和密度：巖石中的孔隙被水充填時的單位體積質量。）飽和密度：巖石中的孔隙被水充填時的單位體積質量。 （1 1）天然密度：天然狀態(tài)下單位體積質量。）天然密度：天然狀態(tài)下單位體積質量。Vm/VVmWVsat0m 巖石質量；巖石質量； V V 總體積?？傮w積。V VV V 孔隙體積?？紫扼w積。（3）干密度：巖塊中的孔隙水全部蒸發(fā)后（）干密度

2、：巖塊中的孔隙水全部蒸發(fā)后（100-105烘干烘干 24h）的單位體積質量。的單位體積質量。 （g/cm3） Vmd/0 m0 0 巖石固體的質量。巖石固體的質量。（g/cm3）（g/cm3） 重力密度重力密度（分天然、飽和及干燥三種）（分天然、飽和及干燥三種） g 2 2、相對密度：、相對密度：巖石固體質量（巖石固體質量（m m0 0）與同體積水與同體積水 在在44時的質量比值。時的質量比值。 V VC C 固體體積；固體體積； w w 水的密度。水的密度。 )/(0sWCVm（KN/mKN/m3 3） CVVVe/VVnV/WdVVCVCVGnnnVVVVVVVVVVVe/11/3 3、孔

3、隙率和孔隙比、孔隙率和孔隙比2 2）孔隙比）孔隙比V VV V 孔隙體積?？紫扼w積。1 1）孔隙率）孔隙率e-ne-n關系關系 含水率是巖石空隙中水的質量與固體質量的比值。含水率是巖石空隙中水的質量與固體質量的比值。W = mW = mW W/m/m0 0（% %） 巖石吸入水率是試件在大氣壓力和室溫條件下吸入水的質巖石吸入水率是試件在大氣壓力和室溫條件下吸入水的質量與固體質量的比值，以百分數表示。量與固體質量的比值，以百分數表示。 巖石飽和吸入水率是試件在強制狀態(tài)下吸入水的質量與固巖石飽和吸入水率是試件在強制狀態(tài)下吸入水的質量與固體質量的比值，以百分數表示。體質量的比值，以百分數表示。（%

4、%）oammmw/ )(01osatmmmw/ )(02（% %）4、含水率、吸水率和飽和吸水率、含水率、吸水率和飽和吸水率Adxdhkqx5 5、 滲透性滲透性 在一定的水壓作用下，水穿透巖石的能力。反映了巖石中在一定的水壓作用下，水穿透巖石的能力。反映了巖石中裂隙相互連通的程度，滲透性可用達西（裂隙相互連通的程度，滲透性可用達西（DarcyDarcy）定律描述：定律描述：m3/s）q qx x 沿沿x x方向水的流量；方向水的流量； k 滲透系數滲透系數;dh/dx 水頭變化率；水頭變化率；A A 垂直垂直x x方向的截面面積。方向的截面面積。 耐崩解性指數是通過對巖石試件進行烘干，浸水循

5、環(huán)試耐崩解性指數是通過對巖石試件進行烘干，浸水循環(huán)試驗所得的指標。驗所得的指標。 試驗時將烘干的試塊（約試驗時將烘干的試塊（約500500g g，分成分成1010份）放入帶有篩份）放入帶有篩孔的圓筒內，圓筒在水槽中以孔的圓筒內，圓筒在水槽中以2020r rm m 速度連續(xù)轉速度連續(xù)轉1010分鐘，然分鐘，然后將留在圓筒內的石塊取出烘干稱重，如此反復進行兩次。后將留在圓筒內的石塊取出烘干稱重，如此反復進行兩次。按下式計算耐崩解性指數：按下式計算耐崩解性指數：6 6、崩解性、崩解性 ms - - 試驗前的試件烘干質量；試驗前的試件烘干質量； mr - - 殘留在筒內的試件烘干質量。殘留在筒內的試件

6、烘干質量。2/(% )drsImm 自由膨脹率：無約束條件下，浸水后膨脹變形與自由膨脹率：無約束條件下，浸水后膨脹變形與 原尺寸之比。原尺寸之比。 軸向自由膨脹：軸向自由膨脹： （%）H 試件高度 徑向自由膨脹：徑向自由膨脹： （%） D 直徑 /HVH HDDVD/7 7、巖石的膨脹性、巖石的膨脹性8、軟化性、軟化性/wdRRRd干燥單軸抗壓強度；干燥單軸抗壓強度；Rw 飽和單軸抗壓強度。飽和單軸抗壓強度。巖石的軟化性用軟化系數表示。巖石的軟化性用軟化系數表示。 巖石的抗凍巖石的抗凍性用性用抗凍系數來表示?？箖鱿禂祦肀硎?。9 9、巖石的抗凍性、巖石的抗凍性/ffwkRRRf 凍融后單軸抗壓強

7、度；凍融后單軸抗壓強度；Rw 凍融前單軸抗壓強度。凍融前單軸抗壓強度。第第2 2節(jié)節(jié) 巖石的強度巖石的強度 工程師對材料提出兩個問題工程師對材料提出兩個問題 1 1、最大承載力、最大承載力 許用應力許用應力 ？ 2 2、最大允許變形許用應變、最大允許變形許用應變 ？ 強度：材料受力時抵抗破壞的能力。強度：材料受力時抵抗破壞的能力。強度強度單向抗壓單向抗壓單向抗拉單向抗拉剪切剪切三軸壓縮三軸壓縮真三軸真三軸普通三軸普通三軸一、一、 巖石的單軸抗壓強度巖石的單軸抗壓強度1 1、抗壓強度抗壓強度：指巖石試件在無側限的條件下，受軸向壓：指巖石試件在無側限的條件下，受軸向壓 力作用破壞時單位面積上承受的

8、荷載。力作用破壞時單位面積上承受的荷載。 APRc/ 式中：式中：P P 無側限的條件下的軸向破壞荷載無側限的條件下的軸向破壞荷載 A A 試件截面積試件截面積2 2、試件方法：、試件方法： 圓柱體試件：圓柱體試件：4.84.85.2cm 5.2cm ， 高高 H =H =（2 22.5)2.5) 長方體試件：邊長長方體試件：邊長L 4.8L 4.85.2cm , 5.2cm , 高高 H =H =（2 22.5)L2.5)L 試件兩端不平度試件兩端不平度0.50.5mmmm；尺寸誤差尺寸誤差0.30.3mm;mm; 兩端面垂直于軸線兩端面垂直于軸線0.250.25o o （1 1）試件標準：

9、）試件標準：3 3、單向壓縮試件的破壞形態(tài)、單向壓縮試件的破壞形態(tài) 破壞形態(tài)有兩類：破壞形態(tài)有兩類： （1 1）圓錐形破壞）圓錐形破壞 圓錐形破壞的原因是壓板兩端存在摩擦力，稱端部圓錐形破壞的原因是壓板兩端存在摩擦力，稱端部 效應，在工程中也會出現(xiàn)。效應，在工程中也會出現(xiàn)。 （2 2）柱狀劈裂破壞）柱狀劈裂破壞 張拉破壞是巖石單向壓縮破壞的真實反映。張拉破壞是巖石單向壓縮破壞的真實反映。 消除試件端部約束的方法：消除試件端部約束的方法： 潤滑試件端部（如墊云母片；涂黃油在端部）潤滑試件端部（如墊云母片；涂黃油在端部） 加長試件加長試件 破壞形態(tài)是表現(xiàn)破壞機理的重要特征；其主要影響因素：破壞形態(tài)

10、是表現(xiàn)破壞機理的重要特征；其主要影響因素： 應力狀態(tài)；應力狀態(tài)； 試驗條件。試驗條件。4 4、影響單軸抗壓強度的主要因素、影響單軸抗壓強度的主要因素 （1 1）承壓板端部的摩擦力及其剛度。）承壓板端部的摩擦力及其剛度。 （2 2）試件的形狀和尺寸）試件的形狀和尺寸 形狀：圓形試件不易產生應力集中，易加工；形狀：圓形試件不易產生應力集中，易加工； 尺寸：大于礦物顆粒的尺寸：大于礦物顆粒的1010倍；倍； 高徑比：研究表明，高徑比：研究表明，h/d(2h/d(22.5)2.5)較合理。較合理。 （3 3）加載速度）加載速度 加載速度越大，表現(xiàn)強度越高；國標規(guī)定加載速加載速度越大，表現(xiàn)強度越高；國標

11、規(guī)定加載速 度為度為0.5 0.5 1.0 1.0 MPa/sMPa/s。 （4 4）含水量：含水量越大強度越低；巖石越軟越明顯，含水量：含水量越大強度越低；巖石越軟越明顯， 對粘土巖等軟巖，干燥強度是飽和強度的對粘土巖等軟巖，干燥強度是飽和強度的2 23 3倍。倍。 （5 5）溫度：）溫度：180180以下部不明顯：大于以下部不明顯：大于180180，溫度越，溫度越 高，強度越小。高，強度越小。二、巖石的抗拉強度二、巖石的抗拉強度 1 1、抗拉強度：巖石試件在受到軸向拉應力后其試件發(fā)生、抗拉強度：巖石試件在受到軸向拉應力后其試件發(fā)生 破壞時的單位面積上所受的應力。破壞時的單位面積上所受的應力

12、。 由于試件不易加工，除研究直接拉伸的夾具外，由于試件不易加工，除研究直接拉伸的夾具外， 研究了大量的間接試驗方法。研究了大量的間接試驗方法。 2 2、直接拉伸法、直接拉伸法 APRt/關鍵技術關鍵技術試件和夾具之間的連接試件和夾具之間的連接力與試件的同心力與試件的同心3 3、間接方法、間接方法IMCt/ 巖石是各向同性的線彈性材料巖石是各向同性的線彈性材料 滿足平面假設的對稱面內彎曲滿足平面假設的對稱面內彎曲適用條件：適用條件：（1 1）抗彎法（梁的三點彎曲試驗）抗彎法（梁的三點彎曲試驗） t t 三點彎曲梁內的最大拉應力；三點彎曲梁內的最大拉應力；M M 作用在試件上的最大彎矩；作用在試件

13、上的最大彎矩；C C 梁邊緣到中性軸的距離；梁邊緣到中性軸的距離；I I 梁截面繞中性軸的慣性矩。梁截面繞中性軸的慣性矩。 （2 2）劈裂法（巴西法）劈裂法（巴西法） 對稱徑向壓裂法，由巴西人對稱徑向壓裂法，由巴西人HondrosHondros提出。提出。要求要求荷載沿軸向均勻分布荷載沿軸向均勻分布破壞面必須通過試件的直徑破壞面必須通過試件的直徑注意：注意： 端部效應端部效應 并非完全單向應力并非完全單向應力 試件：圓柱體試件：圓柱體 D=50mmD=50mm，t=25mm t=25mm 試驗：徑向壓縮破壞試驗：徑向壓縮破壞 計算公式：計算公式：Dtpt/2t 試驗中心的最大拉應力；試驗中心的

14、最大拉應力； p p 試驗中破壞時的壓力；試驗中破壞時的壓力； D D 試件的直徑；試件的直徑； t t 試件的厚度；試件的厚度； （3 3）點荷載試驗法）點荷載試驗法 一種簡便的現(xiàn)場試驗方法。一種簡便的現(xiàn)場試驗方法。 試件：任何形狀，尺寸大致試件：任何形狀，尺寸大致5 5cmcm，不做任何加工。不做任何加工。 試驗：在直接帶到現(xiàn)場的點荷載儀上，加載劈裂破壞。試驗：在直接帶到現(xiàn)場的點荷載儀上，加載劈裂破壞。 2/ DPI IRt96.015196. 0151iitIR計算公式：計算公式： 式中：式中：P P 試件破壞時的極限壓力；試件破壞時的極限壓力； D D 加載點試件的厚度。加載點試件的厚

15、度。統(tǒng)計公式：統(tǒng)計公式：要求要求: :（由于離散性大），每組（由于離散性大），每組1515個，取均值，即個，取均值，即建議：用建議：用5cm5cm的鉆孔巖芯為試件。的鉆孔巖芯為試件。三三 、巖石的抗剪強度、巖石的抗剪強度1 1、定義、定義 指一定的應力條件下巖石所能抵抗的最大剪應力。指一定的應力條件下巖石所能抵抗的最大剪應力。2 2、類型、類型a.a.抗剪斷試驗抗剪斷試驗b.b.抗切試驗抗切試驗c.c.弱面抗剪試驗弱面抗剪試驗 3 3、抗剪斷試驗、抗剪斷試驗 試驗試驗 楔形剪切儀，加載裝置楔形剪切儀，加載裝置 計算公式計算公式cossinsincosfPQfPN 式中：式中：p p 壓力機的總

16、壓力；壓力機的總壓力； 試件傾角；試件傾角； f f 圓柱形滾子與上下壓板的摩擦系數。圓柱形滾子與上下壓板的摩擦系數。楔型剪斷儀楔型剪斷儀QQNNPfPcossinsincosfPQfPN剪切破壞面上的正應力剪切破壞面上的正應力和剪應力和剪應力為：為：cossinsincosfFPFQfFPFN巖石的抗剪斷強度曲線巖石的抗剪斷強度曲線 改變變腳板傾角改變變腳板傾角，在在3030度到度到7070度之間，做一組度之間，做一組（大（大于于5 5次）不同次）不同的試驗，記錄所得的的試驗，記錄所得的 ，值，由該組值值，由該組值作作曲線近似直線得方程：曲線近似直線得方程：ctan 式中：式中：tan ta

17、n 巖石抗剪切內摩擦系數；巖石抗剪切內摩擦系數； c c 巖石的粘聚力（內聚力）。巖石的粘聚力（內聚力）。 4 4、巖石在三向壓縮應力作用下的強度、巖石在三向壓縮應力作用下的強度 1 1）定義）定義 指在三向壓縮應力作用下巖石抵抗外荷載的最大應力。指在三向壓縮應力作用下巖石抵抗外荷載的最大應力。ff321, 2 2）三向壓縮試驗簡介）三向壓縮試驗簡介 （1 1） 真三軸真三軸 （2 2） 普通三軸普通三軸 3213213 3）三軸壓縮試驗的破壞類型）三軸壓縮試驗的破壞類型4 4）巖石三向壓縮強度的影響因素）巖石三向壓縮強度的影響因素（1 1）側壓力的影響）側壓力的影響 圍壓越大，軸向壓力越大圍

18、壓越大，軸向壓力越大（2 2）加載途徑對巖石三向壓縮強度影響）加載途徑對巖石三向壓縮強度影響 （3 3）孔隙水壓力對巖石三向壓縮強度的影響）孔隙水壓力對巖石三向壓縮強度的影響 孔隙水壓力使有效應力減小孔隙水壓力使有效應力減小 強度降低強度降低無水有 水 第第3 3節(jié)節(jié) 巖石的強度理論巖石的強度理論 由正應力和剪應力組合由正應力和剪應力組合 作用使巖石產生破壞（受拉破作用使巖石產生破壞（受拉破 壞、拉剪破壞，壓剪破壞）。壞、拉剪破壞，壓剪破壞）。 莫爾包絡線莫爾包絡線一、莫爾強度理論一、莫爾強度理論 （一）（一）莫爾（莫爾（MohrMohr）19001900年提出，強度準則：年提出，強度準則：

19、以脆性材料試驗數據統(tǒng)計分析為基礎；以脆性材料試驗數據統(tǒng)計分析為基礎； 不考慮中間主應力對巖不考慮中間主應力對巖 石強度的影響；石強度的影響；忽略了忽略了2 2 對強度的影響。對強度的影響。)(f（三）莫爾（三）莫爾-庫倫強度理論庫倫強度理論 庫倫（庫倫（CACoulombCACoulomb）17731773年提出，是莫爾準則的一年提出，是莫爾準則的一特例，簡潔、應用簡便。特例，簡潔、應用簡便。（二）強度曲線（二）強度曲線莫爾圖包絡線莫爾圖包絡線表達式：表達式： 由于巖石的力學性質所致，莫爾包線向應力增大的由于巖石的力學性質所致，莫爾包線向應力增大的 方向開放，抗拉強度小于抗壓強度；單向抗拉區(qū)小

20、于單方向開放，抗拉強度小于抗壓強度；單向抗拉區(qū)小于單 向抗壓區(qū)。向抗壓區(qū)。 （1 1）實驗基礎：巖土材料壓剪或三軸試驗和純剪。）實驗基礎：巖土材料壓剪或三軸試驗和純剪。 （2 2）破壞機理：材料屬壓剪破壞，剪切破壞力的一部分用）破壞機理：材料屬壓剪破壞，剪切破壞力的一部分用來克服與正應力無關的粘聚力，使材料顆粒間脫離聯(lián)系；另一來克服與正應力無關的粘聚力，使材料顆粒間脫離聯(lián)系；另一部分剪切破壞力用來克服與正應力成正比的摩擦力，使面內錯部分剪切破壞力用來克服與正應力成正比的摩擦力，使面內錯動而最終破壞。動而最終破壞。tgc tgf 內摩擦系數內摩擦系數 （3 3）數學表達式：）數學表達式： （4

21、4）主應力表示）主應力表示22sin3131ctg（2-42）c31sin1sin1sin1cos2Cc03tctc/,031222)245()245(sin1sin1tgtgctg2450由式（由式（2-422-42）推出：）推出：（2 24343）其中其中為塑性指數為塑性指數 ；當當時，時，c1；為拉壓指數。為拉壓指數。（5 5）破壞方向角）破壞方向角 強度曲線傾斜向上說明抗剪強度與壓應力成正比。強度曲線傾斜向上說明抗剪強度與壓應力成正比。 受拉區(qū)閉合，說明受三向等拉應力時巖石破壞受壓區(qū)開受拉區(qū)閉合，說明受三向等拉應力時巖石破壞受壓區(qū)開 放，說明三向等壓應力不破壞。放，說明三向等壓應力不破

22、壞。 缺點缺點: : 忽略了中間主應力的影響。忽略了中間主應力的影響。 （6 6）優(yōu)點）優(yōu)點 同時考慮了拉剪和壓剪應力狀態(tài)；可判斷破壞面的方向。同時考慮了拉剪和壓剪應力狀態(tài)；可判斷破壞面的方向。 強度曲線向壓區(qū)開放，說明強度曲線向壓區(qū)開放，說明 ，與巖石力學性質符合。，與巖石力學性質符合。tc二、格里菲斯準則（二、格里菲斯準則（Griffth 1921Griffth 1921） 斷裂力學，斷裂力學，2121年提出，年提出，7070年代，巖石力學領域年代，巖石力學領域 （1 1）實驗基礎：玻璃材料中的微裂紋張拉擴展，）實驗基礎：玻璃材料中的微裂紋張拉擴展，連接，貫通，導致材料破壞。連接，貫通，導

23、致材料破壞。 （2 2）基本思想）基本思想 ：在脆性材料的內部存在許多隨：在脆性材料的內部存在許多隨機分布的裂紋，其中有一個方向的裂紋最有利于破機分布的裂紋，其中有一個方向的裂紋最有利于破裂，在外力作用下，首先在該方向裂紋的尖端張拉裂，在外力作用下，首先在該方向裂紋的尖端張拉擴展。擴展。 兩個關鍵點：兩個關鍵點：1.1.最容易破壞的裂最容易破壞的裂隙方向；隙方向；2.2.最大應力集中點最大應力集中點（危險點）。（危險點）。在壓應力條在壓應力條件下裂隙開件下裂隙開裂及擴展方裂及擴展方向向帶橢圓孔薄板的孔邊應力集中問題 數學式數學式)(2arccos213121 GriffthGriffth準則幾

24、何表示準則幾何表示 tt8)(03033123131331時時GriffthGriffth準則準則 最有利破裂的方向角最有利破裂的方向角（3 3）GriffthGriffth準則準則（a a）在在 坐標下坐標下 當當 時，時， 即壓拉強度比為即壓拉強度比為8 8。 3103t81（b b）在在 坐標下坐標下 設設 為應力圓圓心；為應力圓圓心； 為應力圓半徑為應力圓半徑 又設又設 ，則，則GriffthGriffth強度準則第二式寫成強度準則第二式寫成 (a) (a) 應力圓方程應力圓方程: (b) : (b) （a a）代入（代入（b b）得：得： （c c） （c c）式是滿足強度判據的極限

25、莫爾應力圓的表達式式是滿足強度判據的極限莫爾應力圓的表達式 求切點：（求切點：（c c）式對式對 求導得求導得: :231m2/ )(31m0331tmmtmmt48)2 ()2 (8)(2231231222)(mmmm4)(22m Griffh Griffh準則僅考慮巖石開裂，并非宏觀上破壞，故準則僅考慮巖石開裂，并非宏觀上破壞，故 強度值偏大。另外，在巖石力學中，還會遇到強度值偏大。另外，在巖石力學中，還會遇到TrescaTresca準準 則和則和MisesMises準則。準則。tmtm24)(2 ( (d)d)ttt)2( 4)2(22( (d) d) 代入代入 ( (c c）得得 在在

26、 下的準則下的準則 與庫侖準則類似，與庫侖準則類似，拋物線型。拋物線型。 )(42tt第第4 4節(jié)節(jié) 巖石的變形巖石的變形一、巖石在單軸壓縮應力作用下的變形特性一、巖石在單軸壓縮應力作用下的變形特性 （一）普通試驗機下的變形特性（一）普通試驗機下的變形特性 1 1、典型的巖石應力、典型的巖石應力-應變應變 關系曲線關系曲線 應力應力-應變關系曲線應變關系曲線 形狀與巖性有關形狀與巖性有關A A、典型的巖石的應力、典型的巖石的應力-應變關系曲線應變關系曲線 （1 1）原生微裂隙壓密階段（）原生微裂隙壓密階段（OAOA段）段） 1 1- -1 1曲線上凹曲線上凹，應變率隨應力增加而減小；應變率隨應

27、力增加而減小；微裂隙閉合，塑性變形不可恢復。微裂隙閉合，塑性變形不可恢復。 （2 2）彈性變形階段（）彈性變形階段（ABAB段）段） 1 1- -1 1曲線是直線；彈性模量曲線是直線；彈性模量E E為常數，巖石為常數，巖石固體部分變形，變形可恢復。固體部分變形，變形可恢復。B B點開始屈服，點開始屈服，B B點對點對應的應力為屈服極限應的應力為屈服極限b b。 （3 3）塑性變形階段（）塑性變形階段（BCBC段）段） 1-1曲線下凹曲線下凹 ，軟化現(xiàn)象；塑性變形不可恢復；，軟化現(xiàn)象；塑性變形不可恢復；新裂新裂紋產生，原生裂隙擴展，紋產生，原生裂隙擴展，應變速率不斷增大。應變速率不斷增大。 巖石

28、越硬，巖石越硬，BCBC段越短，脆性性質越顯著。段越短，脆性性質越顯著。 脆性：應力超出屈服應力后，并不表現(xiàn)出明顯的塑性變脆性：應力超出屈服應力后，并不表現(xiàn)出明顯的塑性變形的特性而是破壞，即脆性破壞。形的特性而是破壞，即脆性破壞。 B B、彈性常數與強度的確定、彈性常數與強度的確定 彈性模量彈性模量 國際巖石力學學會（國際巖石力學學會（ISRMISRM）建議三種方法建議三種方法 初始模量初始模量 割線模量割線模量 切線模量切線模量00ddE5050/E50/ddEt2 2、反復循環(huán)加載曲線、反復循環(huán)加載曲線 卸載應力越大，塑性滯卸載應力越大，塑性滯回越大，其原因是裂隙的擴大，回越大，其原因是裂

29、隙的擴大，能量的消耗；能量的消耗； 卸載曲線，相互平行；卸載曲線，相互平行； 反復加卸載，曲線總趨反復加卸載，曲線總趨勢保持不變。勢保持不變。3 3、巖石應力、巖石應力- -應變曲線形態(tài)的類型應變曲線形態(tài)的類型 （1 1）直線型：彈性、脆性）直線型：彈性、脆性 石英巖、玄武巖、硬砂巖。石英巖、玄武巖、硬砂巖。 （2 2）下凹型：彈）下凹型：彈塑性塑性 石灰?guī)r、粉砂巖；石灰?guī)r、粉砂巖； （3 3）上凹型：塑）上凹型：塑彈性彈性 原生裂隙壓密，實體部分原生裂隙壓密，實體部分 堅硬的巖石。如：片麻巖。堅硬的巖石。如：片麻巖。 （4 4）S S型：塑型：塑彈彈塑型塑型 多孔隙，實體部分較軟的巖石。如：

30、頁巖。多孔隙，實體部分較軟的巖石。如：頁巖。（二）剛性試驗機下的單向壓縮的變形特性（二）剛性試驗機下的單向壓縮的變形特性 普通試驗機只能得到峰值應力前的變形特性。普通試驗機只能得到峰值應力前的變形特性。 實際上，實際上，C C點不是破點不是破 壞的開始（開始點壞的開始（開始點B B），）， 也不是破壞的終結也不是破壞的終結。 剛剛性性機機（1 1）剛性試驗機工作簡介）剛性試驗機工作簡介 壓力機加壓，貯存彈性應變能；巖石試件達到峰值強壓力機加壓，貯存彈性應變能；巖石試件達到峰值強度，釋放應變能導致試件破壞。度，釋放應變能導致試件破壞。 AAO AAO2 2O O1 1面積面積峰值后巖塊峰值后巖塊

31、產生微小位移所需的能量。產生微小位移所需的能量。 ACO ACO2 2O O1 1面積面積峰值后剛體機峰值后剛體機釋放的能量。釋放的能量。 ABO ABO2 2O O1 1峰值后普通壓力機峰值后普通壓力機釋放的能量釋放的能量。（2 2）巖石應力應變全過程曲線形態(tài)）巖石應力應變全過程曲線形態(tài) 剛性壓力機試驗結果：巖石的應力應變曲線分四個階剛性壓力機試驗結果：巖石的應力應變曲線分四個階段，段，1-31-3階段同普通試驗機，第階段同普通試驗機，第4 4階段為應變軟化階段。階段為應變軟化階段。 巖石的原生和新生裂隙巖石的原生和新生裂隙貫穿，到達貫穿，到達D點靠碎塊間的點靠碎塊間的摩擦力承載，摩擦力承載

32、，d 稱為殘余稱為殘余應力。應力。 承載力隨著應變增加而承載力隨著應變增加而減少，有明顯的軟化現(xiàn)象。減少，有明顯的軟化現(xiàn)象。(3)(3)克服巖石試件單向壓縮時生產爆裂的途徑克服巖石試件單向壓縮時生產爆裂的途徑 提高試驗機的剛度提高試驗機的剛度 改變峰值后的加載方式改變峰值后的加載方式 伺服控制試件的位移伺服控制試件的位移普通試驗機附加剛性組件的試驗裝普通試驗機附加剛性組件的試驗裝置（提高試驗的剛度）置（提高試驗的剛度）1 1巖石試件；巖石試件；2 2、6 6電阻應變片；電阻應變片；3 3金屬圓筒；金屬圓筒；4 4位移計；位移計；5 5鋼墊塊鋼墊塊伺服試驗機原理示意圖伺服試驗機原理示意圖1.1.

33、巖石試件；巖石試件；2.2.墊塊；墊塊；3.3.上壓板；上壓板；4.4.下壓板；下壓板；5.5.位移傳感器。位移傳感器。（一）（一）2 2= =3 3 時變形規(guī)律時變形規(guī)律 1 1、隨著圍壓的增加，巖、隨著圍壓的增加，巖 石的屈服應力將隨之增加；石的屈服應力將隨之增加； 2 2、巖石的彈性模量不變。、巖石的彈性模量不變。 3 3、隨著圍壓的增加，峰、隨著圍壓的增加，峰 值應力所對應的應變值有所值應力所對應的應變值有所 增大，巖石由脆性向塑性轉變。增大，巖石由脆性向塑性轉變。 二、巖石在三向壓應力下的變形特性二、巖石在三向壓應力下的變形特性 （二）當（二）當3 3為常數時巖石的變形特性為常數時巖

34、石的變形特性 1 1、隨著、隨著2 2 的增大，巖石的屈服應力有所提高；的增大，巖石的屈服應力有所提高； 2 2、彈性模量基本不變；、彈性模量基本不變； 3 3、當、當2 2 不斷增大時，巖石由塑性向脆性過渡不斷增大時，巖石由塑性向脆性過渡。（三）當（三）當2 2為常數時巖石的變形特性為常數時巖石的變形特性 1 1、巖石的屈服應力幾乎不變；、巖石的屈服應力幾乎不變； 2 2、巖石的彈性模量也基本不變；、巖石的彈性模量也基本不變； 3 3、巖石始終保持著塑性破壞的特性。、巖石始終保持著塑性破壞的特性。 （四）巖石的體積應變特性（四）巖石的體積應變特性 擴容現(xiàn)象：巖石在壓擴容現(xiàn)象：巖石在壓力作用下

35、，發(fā)生非線性體力作用下，發(fā)生非線性體積膨脹。積膨脹。321VVV三、巖石的流變特性三、巖石的流變特性 彈性（可恢復）彈性（可恢復） 與時間無關的變形與時間無關的變形 塑性（不恢復）塑性（不恢復） 與時間有關的變形與時間有關的變形 蠕變：應力恒定，巖石的應變隨時間增大，所產生的變蠕變：應力恒定，巖石的應變隨時間增大，所產生的變 形稱為蠕變（又稱為流變）。形稱為蠕變（又稱為流變）。 松馳：應變恒定，巖石中的應力隨時間減少，這種現(xiàn)松馳：應變恒定，巖石中的應力隨時間減少，這種現(xiàn)象稱松馳。象稱松馳。巖石變形巖石變形蠕變蠕變松弛松弛時間效應時間效應（一）典型的蠕變曲線（分三階段）（一）典型的蠕變曲線（分三

36、階段） 1 1、初始蠕變階段（瞬變蠕變階段）、初始蠕變階段（瞬變蠕變階段）(AB)(AB)。 有瞬時應變有瞬時應變0 0 （OAOA）；）； 應變率隨時間增長而減??；應變率隨時間增長而減小； 卸載后有瞬時恢復變形，經過一段時間后逐漸恢復。卸載后有瞬時恢復變形，經過一段時間后逐漸恢復。2 2、穩(wěn)定蠕變階段（、穩(wěn)定蠕變階段（BCBC）（）（較長）較長） 應變率為常量；應變率為常量； 卸載有瞬彈性恢復，粘性流動，卸載有瞬彈性恢復，粘性流動， 不可恢復的永變形。不可恢復的永變形。3 3、非穩(wěn)定蠕變階段（蠕變破壞階段）、非穩(wěn)定蠕變階段（蠕變破壞階段） 劇烈增加；劇烈增加； 一般此階段比較短暫。一般此階段

37、比較短暫。（二）巖石蠕變的影響因素（二）巖石蠕變的影響因素 （1 1）巖石的力學性質）巖石的力學性質 強度，礦物組成強度，礦物組成 應力水平應力水平, , 第二階段越長；第二階段越長； 小到一定程度，第三小到一定程度，第三 蠕變不會出現(xiàn)；蠕變不會出現(xiàn)； 很高，第二階段短，很高，第二階段短，立即進入三階段立即進入三階段t（2 2）溫度對蠕變的影響）溫度對蠕變的影響 隨著溫度的增加，總的應變量越小。隨著溫度的增加，總的應變量越小。 第二階段的斜率，溫度高，斜率越小。第二階段的斜率，溫度高，斜率越小。（3 3）濕度）濕度 飽和試件第二階段飽和試件第二階段 和總應變量都將大和總應變量都將大于干燥狀態(tài)下的試件結果。于干燥狀態(tài)下的試件結果。（三）蠕變特性和常規(guī)變形特性的聯(lián)系（三）蠕變特性和常規(guī)變形特性的聯(lián)系四、長期強度的的確方法四、長期強度的的確方法 1、由蠕