第4講 巖石的力學(xué)性質(zhì)-變形性質(zhì)

1、第四講 巖石的力學(xué)性質(zhì)3.2 巖石的變形性質(zhì)一、巖石的單軸壓縮變形特性 1、巖石的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線在剛性壓力機或伺服控制試驗機上可以得到在單軸壓縮荷載作用下巖石的全過程應(yīng)力應(yīng)變曲線 AB段：孔隙裂隙壓密階段，上凹BC段：彈性變形、縱向微裂隙張開階段CD段：非穩(wěn)定破裂累進開展階段，C點為屈服點擴容點，約為峰值強度的三分之二，標(biāo)志著巖石開始從彈性變?yōu)樗苄訢E段破裂后階段：裂隙快速開展形成宏觀斷裂面，內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，試件承載力隨變形增大迅速下降，但并不完全降到零，說明破裂后仍有剩余強度。 巖石應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線分類 單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線典型類型、線彈性型：玄武巖、石英巖、白云巖等極堅硬巖石具有這種性

2、質(zhì)、彈-塑性型： 石灰?guī)r、泥巖、凝灰?guī)r等較弱巖石具有這種性質(zhì)、塑-彈性型： 砂巖、花崗巖、片理平行于壓力方向的片巖及某些輝綠巖等具有這種性質(zhì)、塑-彈-塑型： 如大理巖、片麻巖等變質(zhì)巖具有這種性質(zhì)、與根本相同，只是曲線斜率較平緩。壓縮性較高的巖石具有這種性質(zhì)，如片理垂直于壓力方向的片巖、彈-粘型：如鹽巖等軟弱巖石具有這種性質(zhì)假設(shè)巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系服從虎克定律線彈性材料，那么壓縮彈性常數(shù)彈性模量 和泊松比 可由下式計算： ， 為軸向應(yīng)變和橫向應(yīng)變事實上，自然界真正意義上的彈性巖石是不存在的，因為無論在任何應(yīng)力水平卸載，都不可能完全恢復(fù)到加載前的初始應(yīng)變狀態(tài)；無論在應(yīng)力應(yīng)變曲線上的任一段上，其變形模量

3、都不完全相同，橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的比值也不是一個確定的常數(shù)。所謂巖石的彈性模量、泊松比等，都是人為假定的變形參數(shù)，嚴格意義上是不存在的。作這樣的人為假定，完全是為了解決實際問題的簡化需要。所謂的巖石彈性模量，是指應(yīng)力應(yīng)變曲線中間近似線性段上的應(yīng)力增量與應(yīng)變增量之比或其平均值采用切線模量或割線模量；所謂的泊松比，是指應(yīng)力應(yīng)變曲線中間近似線性段上的橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的比值或其平均值。 2、幾種巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系概念模型從理論上將，巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系存在以下理想情況：線彈性巖石：加載路徑與卸載路徑完全重合，屢次反復(fù)加卸載時，其應(yīng)力應(yīng)變路徑完全沿著同一直線往返。完全彈性巖石：加卸載路徑完全重合，屢次反復(fù)加

4、卸載時，其應(yīng)力應(yīng)變路徑完全沿著同一條曲線而不是直線往返。2、幾種巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系概念模型彈性巖石：雖然加卸載曲線不重合，但反復(fù)加載與卸載時，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線總是服從此環(huán)路的規(guī)律。2、幾種巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系概念模型彈塑性巖石：卸載曲線不沿加載路徑返回，且應(yīng)變也不能恢復(fù)到原點O。對于任一應(yīng)變，不是唯一的應(yīng)力與之對應(yīng)，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系不是單值函數(shù)關(guān)系。2、幾種理想的巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型3、巖石的擴容巖石在荷載作用下發(fā)生破壞之前產(chǎn)生體積膨脹大于體積壓縮的非線性體積變形，這種現(xiàn)象稱為巖石的擴容dilatancy。巖石的體積應(yīng)變曲線相應(yīng)于軸向應(yīng)力軸向應(yīng)變曲線、軸向應(yīng)力側(cè)向應(yīng)變曲線可以分為四個階段： OE階段

5、：試件內(nèi)橫向微裂紋閉合，體積應(yīng)變呈線性壓縮。EF階段：豎向微裂紋穩(wěn)定張開，橫向體積膨脹抵消了一局部軸向體積壓縮，體積變形曲線開始偏離直線段，出現(xiàn)擴容的初始階段。F點附近出現(xiàn)一個很短暫的階段：橫向膨脹與軸向壓縮的速率幾乎相等，體積應(yīng)變增量近于零。為體積不變階段。F點的出現(xiàn)意味著巖石開始屈服。F點以后：微裂紋急劇擴展，橫向體積膨脹超過軸向體積壓縮，試件內(nèi)部出現(xiàn)宏觀裂隙，體積明顯增大，速率越來越大，最終導(dǎo)致試件破壞，為擴容迅速開展階段。 研究巖石的擴容不僅可以深入了解巖石的性質(zhì)，同時還可以預(yù)測巖石的破壞。巖石擴容的急劇開展意味著巖石即將破壞。地震發(fā)生前往往伴隨著巖石的急劇擴容，導(dǎo)致地下水位、水壓發(fā)生

6、明顯變化，有時還會造成局部地表發(fā)生隆起，并且伴隨著聲發(fā)射事件頻率的急劇升高。研究擴容與這些現(xiàn)象之間的聯(lián)系，對揭示地震發(fā)生規(guī)律，預(yù)測地震等災(zāi)害具有重要意義。對預(yù)測巖爆、礦井沖擊地壓具有重要意義。4、 巖石的破壞類型穩(wěn)定型破裂型破裂：到達峰值應(yīng)力以后，試件內(nèi)貯存的變形能并不能使破裂繼續(xù)擴展，只有試驗機繼續(xù)作功才能導(dǎo)致試件進一步破壞，并由于試件的有效面積隨著破裂而減小，才使試件的承載能力相應(yīng)降低。特點：即使當(dāng)外力超過了巖石的最大承載力以后，仍保持一定的強度。非穩(wěn)定型破裂型破裂：當(dāng)?shù)竭_峰值應(yīng)力以后，盡管試驗機不再對試件做功，但試件內(nèi)貯存的變形能也能使破裂繼續(xù)擴展，并最終導(dǎo)致試件的整體破壞。特點：當(dāng)外力

7、超過了巖石的最大承載力以后，巖石迅速失去其承載能力，巖石表現(xiàn)出具有更大的脆性。 I型II型應(yīng)力應(yīng)變ABDEC5、 巖石的循環(huán)荷載變形特性在工程中經(jīng)常會遇到巖石受循環(huán)荷載作用地震、機器振動的情況，為了正確認識這種情況下巖石的變形破壞機理，評價其穩(wěn)定性，需要研究巖石在循環(huán)荷載作用下的疲勞變形特性及損傷演化規(guī)律。有時，為了研究巖石的本構(gòu)關(guān)系和強度理論，也需要對巖石在反復(fù)加卸載循環(huán)條件下的變形特性進行研究。對大多數(shù)巖石，其應(yīng)力應(yīng)變曲線的加載與卸載路徑不相重合，形成滯回環(huán)hysteresis loop。滯回環(huán)的面積逐次擴大，但卸載曲線斜率根本上維持常量。而且每次卸載后再加載到原來的應(yīng)力再繼續(xù)加載時，那么

8、加載曲線仍然沿著單調(diào)連續(xù)加載曲線上升稱為巖石的變形記憶效應(yīng)。利用這一性質(zhì)，可以獲得巖石穩(wěn)定的卸載模量參數(shù)。 對于等荷載下的循環(huán)加卸載試驗每循環(huán)加卸載增量相等，當(dāng)卸載點應(yīng)力明顯低于屈服應(yīng)力時，滯回環(huán)是穩(wěn)定的，每循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變路徑幾乎重復(fù)第一個滯回環(huán)的規(guī)律，巖石不發(fā)生破壞。但當(dāng)卸載點應(yīng)力接近或超過屈服應(yīng)力時，隨著加卸載循環(huán)次數(shù)增加，滯回環(huán)應(yīng)變逐漸增大，滯回環(huán)的相對位置呈現(xiàn)“疏密疏的規(guī)律，直至巖石發(fā)生疲勞破壞。二、巖石的三軸壓縮變形特性 巖石的強度及變形特征與巖石的應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)。在單軸壓縮或低圍壓條件下表現(xiàn)出脆性，隨圍壓增加：1破壞前巖石的應(yīng)變增加；2彈性極限和抗壓強度增加；3巖石的塑性增大，逐漸

9、由脆性轉(zhuǎn)化為延性：脆性破壞脆塑性轉(zhuǎn)化的過渡狀態(tài)塑性流動特征應(yīng)變硬化現(xiàn)象。 Carrara大理巖的應(yīng)力應(yīng)變曲線 巖石由脆性向塑性轉(zhuǎn)化的臨界圍壓稱為轉(zhuǎn)化壓力brittle-ductile transition pressure。強度越高的巖石，轉(zhuǎn)化壓力越大。巖石的脆性延性轉(zhuǎn)化壓力還和溫度相關(guān)，溫度越高，越利于巖石向延性轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化壓力越低?；◢弾r是質(zhì)地堅硬的脆性巖石，常溫下花崗巖在圍壓高達300 MPa時，仍然沒有出現(xiàn)穩(wěn)定的塑性流動和應(yīng)變硬化特征 花崗巖三軸壓縮試驗中的圍壓效應(yīng) 影響巖石力學(xué)性質(zhì)的主要因素 1、水對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響 水溶液與巖石的物理化學(xué)作用導(dǎo)致巖石力學(xué)性質(zhì)的改變。巖石中的水通常以

10、兩種形式存在：結(jié)合水，自由水它們對巖石力學(xué)性質(zhì)的劣化產(chǎn)生不同的影響：1結(jié)合水產(chǎn)生的軟化、水楔作用，使顆粒間粘結(jié)力降低。巖石中親水性最強的是粘土礦物，含粘土礦物多的巖石受水的影響就大。如粘土巖在浸水后其強度最多可降低90，而含粘土礦物少或不含的巖石如花崗巖、石英巖等，浸水后強度變化那么小得多。當(dāng)兩個礦物顆?？康煤芙?，有水分子補充到礦物外表時，在礦物顆粒外表吸著力作用下，水分子擠入礦物顆粒間的縫隙中，產(chǎn)生水楔作用，導(dǎo)致巖石體積膨脹或產(chǎn)生膨脹壓力。巖石吸水后發(fā)生膨脹主要是由于粘土類礦物如蒙脫石、伊犁石的水楔作用，所以蒙脫石、伊犁石的存在與否及其含量的多少也是判斷巖石有無膨脹性及膨脹性大小的根本指標(biāo)。

11、2自由水的孔隙壓力作用和溶蝕、潛蝕作用自由水不受礦物外表吸著力控制，其運動主要受重力作用控制。它對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響主要表現(xiàn)在孔隙壓力作用和溶蝕、潛蝕作用。對于孔隙和微裂隙中含有自由水的巖石，當(dāng)其突然受載，由于水來不及排除，巖石孔隙或微裂隙中就產(chǎn)生一定的孔隙壓力?？紫秹毫Φ拇嬖跍p小了巖石顆粒之間的壓應(yīng)力，從而降低巖石的抗剪強度，甚至使巖石微裂隙尖端出現(xiàn)拉應(yīng)力，從而破壞巖石的連接。如果巖石中包含易溶的巖石礦物，滲流水尤其是酸性或堿性水可將局部礦物溶解溶蝕，并把剝離的小顆粒帶走潛蝕，從而削弱巖石顆粒間的連結(jié)力，降低巖石強度，使得巖石變形增大。 2、溫度對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響 1高溫對巖石力學(xué)性質(zhì)的影

12、響實驗研究說明，隨著溫度升高，巖石的變形模量降低，變形能力增強，巖石由脆性向延性轉(zhuǎn)化；巖石的屈服和峰值強度降低，破壞后區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變曲線由應(yīng)變軟化型向理想塑性或應(yīng)變硬化型轉(zhuǎn)化。 a玄武巖 b花崗巖 c白云巖 2低溫對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響 處于0以下凍結(jié)狀態(tài)的巖石，由于其孔隙水、微裂隙水凍結(jié)成冰，凍結(jié)力的存在增強了巖石顆粒之間及裂隙面上的粘結(jié)力，因而巖石強度顯著增高。在負溫下一定范圍，隨著溫度的降低，巖石的強度明顯增高。當(dāng)溫度升高時，凍結(jié)巖石中的冰的融化，巖石強度隨之降低。 巖石中冰體的形成和發(fā)育，在裂隙、孔隙中產(chǎn)生巨大的凍脹力，導(dǎo)致孔隙、裂隙張開擴展，巖石內(nèi)部微結(jié)構(gòu)損傷、破壞，產(chǎn)生凍脹變形。隨著凍融次數(shù)的增加，凍融后飽水巖石的彈性模量和強度不斷降低。低溫條件下飽水砂巖和飽水頁巖彈性模量、強度指標(biāo)隨溫度的變化 溫條件下飽水砂巖和飽水頁巖強度指標(biāo)隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化 3、加載速率對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響 加載速率越快，測得的變形模量和強度越高。反之那么強度和變形模量越低。隨著加載速率的提高，巖石破壞后區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變曲線也由應(yīng)變軟化型向應(yīng)變硬化型轉(zhuǎn)化。應(yīng)變應(yīng)力應(yīng)變率=10-3 s-110-4 s-110-6 s-110-7 s-1加載速率與高