第二章巖塊的變形和強(qiáng)度性質(zhì)

1、1 2.5 巖塊的變形性質(zhì)巖塊的變形性質(zhì)加荷方式單軸加載三軸加載單軸壓縮單軸拉伸連續(xù)加載循環(huán)加載逐級循環(huán)加載反復(fù)循環(huán)加卸載加剪力tptptp2 一、單軸壓縮條件下的巖塊變形（一） 連續(xù)加載 1、峰值前變形階段裂紋壓密階段(OA)峰值前變形階段峰值后變形階段破壞后階段(DE)裂紋加速擴(kuò)展階段(CD) D點(diǎn):峰值強(qiáng)度裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段(BC) C點(diǎn):屈服極限彈性變形階段(AB) B點(diǎn):彈性極限(比例極限)(-) L oABCDE(+) V d 342、峰值前巖塊的變形特征（1）前過程曲線類型及特征 彈性型彈-塑性型塑-彈性型塑-彈-塑性型1塑-彈-塑性型2彈性-蠕變型5（2）變形參數(shù)1)變形模量（m

2、odulus of deformation)是指單軸壓縮條件下，軸向壓應(yīng)力與軸向應(yīng)變之比。 應(yīng)力-應(yīng)變曲線為直線型 這時變形模量又稱為彈性模量Lo2501i1502ioLiiEii應(yīng)力-應(yīng)變曲線為“S”型 初始模量(Ei)指曲線原點(diǎn)處切線斜率切線模量(Et)指曲線上任一點(diǎn)處切線的斜率，在此特指中部直線段的斜率割線模量(Es)指曲線上某特定點(diǎn)與原點(diǎn)連線的斜率，通常取c處的點(diǎn)與原點(diǎn)連線的斜率iiiE1212tE5050sE62)泊松比()（poissons ratio）是指在單軸壓縮條件下， 橫向應(yīng)變（）與軸向應(yīng)變（）之比 在實(shí)際工作中，常采用處的與來計(jì)算巖塊的泊松比。 巖塊的變形模量和泊松比受巖

3、石礦物組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、風(fēng)化程度、空隙性、含水率、微結(jié)構(gòu)面及其與荷載方向的關(guān)系等多種因素的影響，變化較大。Ld7 常見巖石的變形模量和泊松比巖石名稱變形模量（104MPa）泊松比巖石名稱變形模量（104MPa）泊松比初始彈性初始彈性花崗巖265100.20.3片麻巖181100.220.35流紋巖285100.10.25千枚巖、片巖0.25180.20.4閃長巖7107150.10.3板巖25280.20.3安山巖5105120.20.3頁巖13.5280.20.4輝長巖7117150.120.2砂巖0.581100.20.3輝綠巖8118150.10.3礫巖0.58280.20.3玄武巖610

4、6120.10.35灰?guī)r185100.20.35石英巖6206200.10.25白云巖48480.20.35大理巖19190.20.3583)其他變形參數(shù)剪切模量（）拉梅常數(shù)（）體積模量（V)彈性抗力系數(shù)（）oVREKEKEEG)1 ()21 (3)21)(1 ()1 (29剛性壓力機(jī)試驗(yàn)結(jié)果3. 峰值后巖塊的變形特征脆性大的巖石塑性大的巖石穩(wěn)定破裂傳播型非穩(wěn)定破裂傳播型10（二）（二） 循環(huán)加載循環(huán)加載2. 卸荷點(diǎn)（P）的應(yīng)力高于巖石的彈性極限(A)1. . 卸荷點(diǎn)（P）的應(yīng)力低于巖石的彈性極限(A)113.3.反復(fù)加卸荷(巖石記憶、回滯環(huán)、疲勞破壞）12二、三軸壓縮條件下的巖塊變形性（一）

5、三軸試驗(yàn) 真三軸試驗(yàn) 123 常規(guī)三軸試驗(yàn) 12=3 13 （二）圍壓對變形破壞的影響1、巖石破壞前應(yīng)變隨3增大而增大2、巖石的峰值強(qiáng)度隨3增大而增大3、隨3增大巖石變形模量增大，軟巖增大明顯，致密的硬巖增大不明顯144、隨3增大，巖石的塑性不斷增大，隨3增大到一定值時，巖石由彈脆性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄浴＿@時，3的大小稱為“轉(zhuǎn)化壓力” 。5、隨3的增大，巖塊從脆性劈裂破壞逐漸向塑性剪切及塑性流動破壞方式過渡。15三、巖石的蠕變性質(zhì)在外部條件不變的情況下，巖石的變形或應(yīng)力隨時間而變化的現(xiàn)象叫流變，主要包括蠕變、松弛。蠕變(creep)是指巖石在恒定的荷載作用下，變形隨時間逐漸增大的性質(zhì)。 1. 蠕變曲線特

6、征（三個階段）蠕變曲線特征（三個階段）AB段-初始蠕變階段BC段-等速蠕變階段CD段-加速蠕變階段162. 影響蠕變的因素影響蠕變的因素 巖性 應(yīng)力 溫度、濕度173. . 蠕變模型及本構(gòu)方程蠕變模型及本構(gòu)方程（1 1）理想物體基本模型）理想物體基本模型 彈性元件 粘性元件 塑性元件Et0s18（2）組合模型 Maxwall 模型EtdtddtddtdEdtddtddtdEdtdEoooo0112112121對于粘性元件對于彈性元件19)1 (22112121tEooeEdtdEdtddtdEEKelvin 模型20其他模型21 2.6巖巖 塊塊 的的 強(qiáng)強(qiáng) 度度 性性 質(zhì)質(zhì)巖塊強(qiáng)度：巖塊抵抗

7、外力破壞的能力。巖塊破巖塊破壞方式壞方式 脆性破壞脆性破壞塑性破壞塑性破壞(延性破壞）延性破壞）拉破壞拉破壞剪切破壞剪切破壞 一、單軸抗壓強(qiáng)度 二、單軸抗拉強(qiáng)度 三、剪切強(qiáng)度 四、三軸壓縮強(qiáng)度受力狀態(tài)22一、單軸抗壓強(qiáng)度c1、定義：、定義：在單向壓縮條件下，巖塊能承受的最大壓應(yīng)力，簡稱抗壓強(qiáng)度（MPa） 。 2 2、意義意義:衡量巖塊基本力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo) 巖體工程分類、建立巖體破壞判據(jù)的重要指標(biāo) 用來大致估算其他強(qiáng)度參數(shù) 3 3、測定方法測定方法：抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試樣pAApcc點(diǎn)荷載試驗(yàn) 75. 0)50(82.22scI23常規(guī)壓力機(jī)244 4、破壞方式破壞方式：拉破壞、剪破壞、對頂錐破壞2

8、5常見巖石的抗壓強(qiáng)度 巖石名稱抗壓強(qiáng)度（MPa）巖石名稱抗壓強(qiáng)度（MPa）巖石名稱抗壓強(qiáng)度（MPa）輝長巖180300輝綠巖200350頁巖10100花崗巖100250玄武巖150300砂巖20200流紋巖180300石英巖150350礫巖10150閃長巖100250大理巖100250板巖60200安山巖100250片麻巖50200千枚巖、片巖10100白云巖80250灰?guī)r20200265.影響因素影響因素（1）巖石自身的性質(zhì)（ 礦物組成 、 粒間連接、 巖性、結(jié)構(gòu)特征 、顆粒大小及形狀、風(fēng)化程度 、微結(jié)構(gòu)面）（2）實(shí)驗(yàn)條件試件形狀、尺寸及加工精度 斷面形狀：強(qiáng)度:圓形六多邊形四邊形三邊形試件

9、 尺寸效應(yīng)：尺寸越大，巖塊強(qiáng)度越低。 試件的高徑比h/D增大，巖塊強(qiáng)度降低。 加工精度：加荷速率 強(qiáng)度常隨加荷速率增大而增高 溫度、濕度 含水量越高,強(qiáng)度越低;溫度越高，強(qiáng)度越低。)/(222. 0778. 01Dhcc27端面條件端面效應(yīng)層理結(jié)構(gòu)強(qiáng)度各向異性28二、單軸抗拉強(qiáng)度t1.定義：定義：單向拉伸條件下，巖塊能承受的最大拉應(yīng)力，簡稱抗拉強(qiáng)度。2.意義：意義：衡量巖體力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo) 用來建立巖石強(qiáng)度判據(jù)，確定強(qiáng)度包絡(luò)線 選擇建筑石材不可缺少的參數(shù) 3.測定方法：測定方法： 直接拉伸 間接法 （劈裂法、點(diǎn)荷載法、三點(diǎn)彎曲法）APtt直接拉伸法是將圓柱狀試件兩端固定在材料試驗(yàn)機(jī)的拉伸夾具

10、內(nèi)，然后對試件施加軸向拉荷載至破壞。PtPt29劈裂試驗(yàn)是用圓柱體或立方體試件，橫置于壓力機(jī)的承壓板上，且在試件上、下承壓面上各放一根墊條。然后以一定的加荷速率加壓，直至試件破壞。在線布荷載(p)作用下，沿試件豎直向直徑平面內(nèi)產(chǎn)生的近于均布的水平拉應(yīng)力x=2p/DL在水平向直徑平面內(nèi)產(chǎn)生的壓應(yīng)力y= 6p/ DL 抗拉強(qiáng)度t= 2pt /DL （圓形試樣） t= 2pt /a2 （方形試樣）30點(diǎn)荷載試驗(yàn)是將試件放在點(diǎn)荷載儀中的球面壓頭間，加壓至試件破壞，利用破壞荷載求巖塊的點(diǎn)荷載強(qiáng)度。 點(diǎn)荷載強(qiáng)度Is=pt/D2抗拉強(qiáng)度t= kIs314.影響因素：影響因素：結(jié)構(gòu)面的影響（裂隙空隙）巖石中包

11、含有大量的微裂隙和孔隙，巖塊抗拉強(qiáng)度受其影響很大，直接削弱了巖塊的抗拉強(qiáng)度。相對而言，空隙對巖塊抗壓強(qiáng)度的影響就小得多，因此，巖塊的抗拉強(qiáng)度一般遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度。通常把抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值稱為脆性度，用以表征巖石的脆性程度。 32常見巖石的抗拉強(qiáng)度常見巖石的抗拉強(qiáng)度 巖石名稱抗拉強(qiáng)度（MPa）巖石名稱抗拉強(qiáng)度（MPa）巖石名稱抗拉強(qiáng)度（MPa）輝長巖1536花崗巖725頁巖210輝綠巖1535流紋巖1530砂巖425玄武巖1030閃長巖1025礫巖215石英巖1030安山巖1020灰?guī)r520大理巖720片麻巖520千枚巖、片巖110白云巖1525板巖71533三、剪切強(qiáng)度1、定義：定義：在

12、剪切荷載作用下，巖塊抵抗剪切破壞的最大剪應(yīng)力，稱為剪切強(qiáng)度2 2、類型、類型： （1）抗剪斷強(qiáng)度：抗剪斷強(qiáng)度：指試件在一定的法向應(yīng)力作用下，沿預(yù)定預(yù)定剪切面剪斷時的最大剪應(yīng)力。 （2）抗切強(qiáng)度：抗切強(qiáng)度： 指試件上的法向應(yīng)力為零時，沿預(yù)定剪切面剪斷時的最大剪應(yīng)力。 （3）摩擦強(qiáng)度：摩擦強(qiáng)度： 指試件在一定的法向應(yīng)力作用下，沿已有已有破裂面（層面、節(jié)理等）再次剪切破壞時的 最大剪應(yīng)力。Ctg CjjCtg343 3、意義：、意義： 反映巖塊的力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo) 用來估算巖體力學(xué)參數(shù)及建立強(qiáng)度判據(jù) 4 4、抗剪斷強(qiáng)度的抗剪斷強(qiáng)度的測試方法測試方法： 直剪試驗(yàn)、變角板剪切試驗(yàn) 、三軸試驗(yàn) 直剪試驗(yàn)在

13、直剪儀上進(jìn)行，按庫侖定律求巖塊的剪切強(qiáng)度參數(shù)C、值。35變角板剪切試驗(yàn)是將立方體試件，置于變角板剪切夾具中加壓直至試件沿預(yù)定的剪切面破壞。 )cos(sin)sin(cosfAPfAP36四、三軸壓縮強(qiáng)度1.定義：定義：試件在三向壓應(yīng)力作用下能抵抗的最大 的軸向應(yīng)力。2.2.測定方法測定方法: :在一定的圍壓3下，對試件進(jìn)行三軸試驗(yàn)時，巖塊的三軸壓縮強(qiáng)度1m(MPa)為：Apmm1373.利用三軸試驗(yàn)確定抗剪強(qiáng)度利用三軸試驗(yàn)確定抗剪強(qiáng)度 根據(jù)一組試件(4個以上)試驗(yàn)得到的三軸壓縮強(qiáng)度1m和相應(yīng)的3以及單軸抗拉強(qiáng)度t。在-坐標(biāo)系中可繪制出巖塊的強(qiáng)度包絡(luò)線。除頂點(diǎn)外，包絡(luò)線上所有點(diǎn)的切線與軸的夾角及其在軸上的截距分別代表相應(yīng)破壞面的內(nèi)摩擦角()和內(nèi)聚力(C)。 38)245(2)2