2.1-3-巖石力學(xué)與工程-巖石物理力學(xué)性質(zhì)

1、7/25/202212 巖石物理力學(xué)性質(zhì)2.1巖石的基本構(gòu)成和地質(zhì)分類 （1）巖石的地質(zhì)分類1.火成巖 主要由高溫熔融的巖漿侵入殼或噴出地表冷凝形成的巖石，亦稱巖漿巖。2.沉積巖 主要由母巖風(fēng)化剝蝕的產(chǎn)物、火山碎屑物質(zhì)、生物遺骸等經(jīng)過搬運(yùn)、沉積、固結(jié)形成的巖石。3.變質(zhì)巖 先以存在的火成巖、沉積巖或變質(zhì)巖受物理和化學(xué)條件變化的影響改變其結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和礦物成分而形成的新的巖石。（2）基本構(gòu)成 巖石的基本構(gòu)成是由組成巖石的礦物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)兩大方面來決定的。7/25/202227/25/20223（1）巖石的主要礦物質(zhì)成分 1）火成巖的礦物成分 組成火成巖常見的礦物有：長(zhǎng)石、石英、云母、角閃石、輝石、

2、橄欖石、霞石、白榴石、磁鐵礦、磷灰石等十余種，這些礦物約占火成巖總質(zhì)量的99%，是火成巖的造礦物（其中：長(zhǎng)石占60%以上，其次是石英）。2）沉積巖的礦物成分 沉積巖中已發(fā)現(xiàn)的礦物有160余種，主要礦物約20種，如石英類、長(zhǎng)石類、云母類、粘土礦物、碳酸鹽礦物、硫酸鹽礦物以及Fe、Mn、Al的氧化物和氫氧化物。一般沉積巖僅含56種礦物，多數(shù)僅含13種。7/25/202243）變質(zhì)巖的礦物成分 變質(zhì)巖的礦物成分一方面對(duì)原巖有較大的繼承性，另一方面受到變質(zhì)作用類型和強(qiáng)度的影響，一些礦物是經(jīng)變質(zhì)作用后新生成的礦物 。如：蛇紋石、滑石 、軟玉、硬玉 等。 （2）沉積巖的礦物成分與火成巖的區(qū)別 1）在沉積巖

3、中幾乎看不到火成巖中大量出現(xiàn)的橄欖石、輝石、角閃石等鐵鎂礦物和基性斜長(zhǎng)石，而粘土礦物、氧化物礦物、氫氧化物礦物和碳酸鹽礦物大量出現(xiàn)；2）火成巖中長(zhǎng)石多于石英，而沉積巖中石英多于長(zhǎng)石，而且長(zhǎng)石中是以鉀長(zhǎng)石為主，酸性斜長(zhǎng)石次之，其它種類長(zhǎng)石罕見。 7/25/20225（3）礦物組成對(duì)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)影響 1）在許多巖漿巖中，其強(qiáng)度隨暗色礦物的增加而增加； 2）在沉積巖中，砂巖的強(qiáng)度常隨石英相對(duì)含量的增加而增大，石灰?guī)r的強(qiáng)度常隨其硅質(zhì)混合物含量的增加而增大，隨粘土質(zhì)礦物含量的增加而降低； 3）在變質(zhì)巖中，任何片狀的硅酸鹽類礦物、鹽巖礦物將使巖石強(qiáng)度降低； 4）易溶和粘土礦物在水的作用下容易被溶蝕，

4、使巖石的孔隙度增大，結(jié)構(gòu)變松，強(qiáng)度降低。 5）一些礦物由于其物態(tài)變化，使其體積發(fā)生膨脹和軟化，使巖石強(qiáng)度降低。 7/25/20226（4）巖石結(jié)構(gòu)類型 巖石的結(jié)構(gòu)是指巖石中礦物（及巖屑）顆粒相互之間的關(guān)系，包括顆粒的大小、形狀、排列、結(jié)構(gòu)連結(jié)特點(diǎn)及巖石中微結(jié)構(gòu)面（即內(nèi)部缺陷）。其中，以結(jié)構(gòu)連結(jié)和巖石中的微結(jié)構(gòu)面對(duì)巖石工程性質(zhì)影響最大。7/25/202272.2 巖石的物理性質(zhì) 巖石的物理性質(zhì)是指由巖石固有的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征所決定的比重、容重、孔隙率等基本屬性。2.2.1 巖石的容重 （1）概念 巖石的容重：也叫巖石的重力密度，即巖石單位體積（包括巖石內(nèi)部孔隙體積）的重量。 （2）表達(dá)式（2-

5、1） 式中巖石容重（kN/m3）；W被測(cè)巖樣的重量（kN）；V被測(cè)巖樣的體積（m3）。 （3）容重的分類 根據(jù)巖石的含水狀態(tài)，將容重又可分為：天然容重 、干容重 和飽和容重 。 1.天然容重 ：是指巖石在自然條件下，單位體積的重量。 2.干容重 ：是指試件在105110溫度下烘干24小時(shí)的試驗(yàn)條件下，巖石孔隙中的液體全部被蒸發(fā)，試件中僅有固體和氣體時(shí),單位體積的重量。 3.飽和容重 ：是指試件在浸水48h或抽真空法，使巖石中的孔隙都被水充填時(shí)，單位體積的重量。（4）測(cè)定的試驗(yàn)方法 測(cè)定巖石的容重可根據(jù)巖石的性質(zhì)和巖樣形態(tài)采用：量積法、水中稱量法或蠟封法等。7/25/202281.量積法適用條件

6、：凡能制備成規(guī)則試樣的巖石均宜采用量積法測(cè)定其容重。試驗(yàn)方法：首先測(cè)定規(guī)則試樣的平均斷面積A，平均高度h以及試樣的重量G，代入2-2式即得其容重。若試樣重量是自然狀態(tài)的重量時(shí)，即為巖石的天然容重；若試樣重量是在105110溫度下烘干24小時(shí)后的重量時(shí)，則為該巖石的干容重；若是采用48h浸水法或抽真空法使巖石試件飽和的重量時(shí)，則為該巖石的飽和容重 。7/25/20229（2-2） 2.水中稱量法適用條件：對(duì)于規(guī)則或不規(guī)則形狀的巖樣進(jìn)行測(cè)量時(shí)都可采用此方法，但對(duì)于孔隙率非常發(fā)育、遇水崩解、溶解及干縮濕脹的巖石或巖石干容重時(shí)不能采用此方法。試驗(yàn)方法：首先稱量規(guī)則或不規(guī)則的巖樣在浸入純水前的重量W，然

7、后再測(cè)出巖樣在純水中的重量 ,根據(jù)阿基米德原理可得出巖樣的體積（V），就可根據(jù)（2-3）式得出該試樣的天然容重（）或飽和容重。7/25/202210（2-3） 3.蠟封法適用條件：本方法適用于不能用量積法或水中稱量法測(cè)定其容重的巖石，它既可測(cè)出該巖石的干容重也可測(cè)出其天然容重。試驗(yàn)方法：首先選取有代表性巖樣在105110溫度下烘干24小時(shí)，取出，系上細(xì)線，稱巖樣重量 ，持細(xì)線將巖樣緩慢浸入剛過熔點(diǎn)的蠟溶液中，浸后立即取出，檢查試樣周圍的蠟?zāi)?，若有氣泡?yīng)用針刺破，再用蠟液補(bǔ)平，待試件冷卻后稱取其重量 ，然后將蠟封巖樣浸沒于純水中稱其重量 ，則巖石的干容重 為：（2-4） 式中， 為蠟的容重（kN

8、/m3）。7/25/2022112.2.2 巖石的密度（1）概念巖石的密度：即單位體積內(nèi)巖石的質(zhì)量。（2）計(jì)算關(guān)系式 式中巖石密度（kg/m3）；W被測(cè)巖樣的質(zhì)量（kg）；V被測(cè)巖樣的體積（m3）。（3）容重和巖石密度的關(guān)系7/25/202212（2-6） （2-7） 2.2.3 巖石的比重 巖石的比重是巖石固體部分的重量和4時(shí)同體積純水重量的比值，即： 式中， 為巖石的比重； 為體積為V的巖石固體部分的重量（kN）； 為巖石固體部分（不包括孔隙）的體積（m3）； 為4時(shí)單位體積純水的重量（kN/m3）。 （2-8） 7/25/2022137/25/2022142.2.4巖石的孔隙性 天然巖石

9、中包含著數(shù)量不等，成因各異的孔隙和裂隙，是巖石的重要結(jié)構(gòu)特征之一。它們對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響基本一致，在工程實(shí)踐中很難將二者分開，因此將它們統(tǒng)稱為巖石的孔隙性。巖石的孔隙性通常用孔隙率n表示。 （1）巖石的孔隙率 是指巖石孔隙的體積（Vv）與巖石總體積（V）的比值，以百分?jǐn)?shù)表示。其公式為： （2-9） 7/25/202215（2）巖石的空隙比 巖石孔隙的體積（Vv）與巖石固體體積（Vc）的比值，以百分?jǐn)?shù)表示。其公式為： 巖石的孔隙參數(shù)可通過壓汞試驗(yàn)測(cè)得。 孔隙率是衡量巖石工程質(zhì)量的重要物理性質(zhì)指標(biāo)之一，反映了孔隙和裂隙在該巖石中所占的百分率，孔隙率愈大，則巖石的孔隙和裂隙愈多，巖石的力學(xué)性能則愈

10、差。 （2-10） 7/25/2022162.2.5 巖石的水理性 巖石的水理性：巖石與水相互作用時(shí)所表現(xiàn)的性質(zhì)。它包括巖石的吸水性、透水性、軟化性和抗凍性等。（1）巖石的天然含水率 巖石的天然含水率w：天然狀態(tài)下巖石中水的質(zhì)量mw與巖石的干質(zhì)量mdr的比值，以百分?jǐn)?shù)表示，即：（2-12） （2）巖石的吸水性 巖石的吸水性：即巖石在一定條件下吸收水分的性能，它取決于巖石孔隙的數(shù)量、大小、開閉程度和分布情況。表征巖石吸水性的指標(biāo)有：吸水率、飽和吸水率與飽水系數(shù)。1.巖石的吸水率 巖石吸水率 ：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，即： 式中，m0為烘干巖樣浸水4

11、8小時(shí)后的總質(zhì)量。7/25/202217（2-13） 2.巖石的飽和吸水率（或飽水率） 飽和吸水率（或飽水率）：是指巖石在強(qiáng)制狀態(tài)（高壓或真空、煮沸）下，巖石吸入水的質(zhì)量與巖樣在105110溫度下烘干24h后質(zhì)量mdr的比值，以百分?jǐn)?shù)表示，即： 式中，wsa為巖石的飽和吸水率；msa為真空飽和或煮沸后試件的質(zhì)量（kg）。 強(qiáng)制狀態(tài)：在高壓條件下，通常認(rèn)為水能進(jìn)入巖石中所有張開的孔隙和裂隙中，國外采用高壓設(shè)備測(cè)定巖石的飽和吸水率；國內(nèi)常用真空抽氣法或煮沸法測(cè)定飽和吸水率。7/25/202218（2-14） 3.巖石飽水系數(shù) 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：（3）

12、巖石的透水性 巖石的透水性是指巖石能被水透過的性能。它的大小可用滲透系數(shù)來衡量，主要決定于巖石孔隙的大小、方向及其連通情況。 （2-15） 7/25/2022197/25/202220（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，通常用軟化系數(shù)來衡量。 軟化系數(shù) ：是巖樣飽水狀態(tài)的抗壓強(qiáng)度 kPa與自然風(fēng)干狀態(tài)抗壓強(qiáng)度 kPa的比值，用小數(shù)表示，即（2-16） （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，通常用抗凍系數(shù)表示。 巖石的抗凍系數(shù) ：是指巖樣在25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)度的下降值與凍融前的抗壓強(qiáng)度的比值

13、，以百分?jǐn)?shù)表示，即： 式中， 為巖樣凍融前的抗壓強(qiáng)度kPa； 為巖樣凍融后的抗壓強(qiáng)度kPa。 （2-17） 7/25/2022217/25/202222巖石在反復(fù)凍融后其強(qiáng)度降低的主要原因 構(gòu)成巖石的各種礦物的膨脹系數(shù)不同，當(dāng)溫度變化時(shí)，由于礦物的脹、縮不均勻而導(dǎo)致巖石結(jié)構(gòu)的破壞； 當(dāng)溫度降到0以下時(shí)，巖石孔隙中的水將結(jié)冰，其體積增大約9%，會(huì)產(chǎn)生很大的膨脹壓力，使巖石的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，直至破壞。 7/25/2022232.3巖石的強(qiáng)度特性2.3.1概述（1）巖石強(qiáng)度 在研究巖石材料的力學(xué)性質(zhì)時(shí)，主要是研究巖石的強(qiáng)度特性和巖石的變性特性兩方面。 1.定義 巖石強(qiáng)度：是指巖石在各種載荷作用下達(dá)到破

14、壞時(shí)所能承受的極限應(yīng)力，即巖石材料在受外載荷作用時(shí)抵抗破壞的能力。2.分類 巖石的強(qiáng)度主要包括巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、單軸抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、多軸壓縮強(qiáng)度等。 7/25/202224（2）研究巖石強(qiáng)度的意義1.是巖石分類、分級(jí)中的重要數(shù)量指標(biāo)；2.可以判別計(jì)算處或測(cè)定處的巖土工程是否穩(wěn)定；3.在簡(jiǎn)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。 7/25/202225（3）巖石的破壞模式從巖石的破壞模式來看，可分為五種破壞形式，如圖2-1所示。（a）單軸壓縮縱向劈裂破裂（b）剪切破壞（c）多重剪切破壞（d）拉伸破裂（e）由線載荷產(chǎn)生的拉

15、伸破壞7/25/2022262.3.2 巖石的單軸抗壓強(qiáng)度（1）定義 巖石的單軸抗壓強(qiáng)度是指巖石在單軸壓縮載荷作用下，達(dá)到破壞前所能承受的最大壓應(yīng)力。亦即巖石受軸向力作用破壞時(shí)單位面積上所承受的荷載。即： （2-18） （2）試驗(yàn)方法 1.實(shí)驗(yàn)過程 單軸抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)是在帶有上、下塊承壓板的試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，按一定的加載速度單向加壓直至試件破壞。2.試件尺寸要求 1）國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)規(guī)定 試件標(biāo)準(zhǔn)尺寸為54mm,高徑比為2.53.0倍。 2）我國的規(guī)定 試件尺寸為50100mm，高度為直徑的2.02.5倍、試件兩端面的不平整度不得大于0.05mm、在試件的高度上直徑或邊長(zhǎng)的誤差不得大于0.3mm、

16、兩端面應(yīng)垂直于試件軸線，最大偏差不得大于0.250。7/25/202227（3）巖石單向壓縮荷載作用下的破壞形態(tài)1.圓錐形破壞 圓錐形破壞即X狀共軛斜面剪切破壞，其破壞形態(tài)如圖22(a)所示。破壞面法線與載荷軸線的夾角： 原因：由于試件兩端面與試驗(yàn)機(jī)承壓板之間摩擦力較大，所產(chǎn)生的端部效應(yīng)造成的。在試驗(yàn)加壓的過程中，試件的應(yīng)力分布如圖23所示。7/25/202228圖2-2 單軸壓縮破壞形態(tài) 圖2-3 壓縮圓柱體的應(yīng)力分布 7/25/2022292.壓剪破壞 單斜面壓剪破壞，如圖2-1b和圖2-2b所示。這種破壞是由于破壞面上的剪應(yīng)力超過極限引起的，但破壞前破壞面所需承受的最大剪應(yīng)力也與破壞面上

17、的正應(yīng)力有關(guān)，因而稱該類破壞為壓剪破壞。 3.縱向劈裂破壞 縱向劈裂破壞即拉伸破壞，其破壞形態(tài)如圖22(b)所示。這是因?yàn)樵谳S向壓縮載荷作用下，在橫向?qū)a(chǎn)生拉伸應(yīng)力，這也是泊松效應(yīng)的結(jié)果?？v向劈裂破壞是巖石在單軸壓縮載荷作用下的主要表現(xiàn)形式。 （4）實(shí)驗(yàn)條件對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度的影響因素1.承壓板給予單軸抗壓強(qiáng)度的影響 當(dāng)承壓板剛度很大時(shí)，其接觸面的應(yīng)力分布很不均勻，呈山字型，如下圖2-4所示。因此，承壓扳(或者墊塊)盡可能采用與巖石剛度相接近的材料，避免由于剛度的不同而引起變形不協(xié)調(diào)造成應(yīng)力分布不均勻的現(xiàn)象。 圖2-4 在剛性承壓板之間壓縮時(shí)巖石端面的應(yīng)力分布 7/25/2022307/25/20

18、22312.試件尺寸及形狀對(duì)單向軸抗壓強(qiáng)度的影響1）試件形狀的影響 形試件的四個(gè)邊角會(huì)產(chǎn)生很明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此，目前絕大多數(shù)的國家都采用圓柱形的巖石試件。 2）試件尺寸的影響 試件的強(qiáng)度通常隨其尺寸的增大而減小，這就是巖石力學(xué)中被稱作的“尺寸效應(yīng)” 。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)試件的尺寸對(duì)其強(qiáng)度的影響在很大程度上取決于組成巖石的礦物顆粒的大小。研究結(jié)果表明，若試件的直徑為4-6cm，且滿足試件直徑大于其最大礦物顆粒直徑的10倍以上，其強(qiáng)度值相對(duì)比較穩(wěn)定。因此，目前對(duì)于一般巖石采取直徑為50mm的試件作為其標(biāo)準(zhǔn)尺寸。7/25/2022323）巖石試件的高徑比的影響 圓柱形試件高度與直徑之比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有很大

19、的影響。由圖25可見，當(dāng)時(shí)， 曲線趨于穩(wěn)定。 圖2-5 粗面巖的抗壓強(qiáng)度與hd的關(guān)系 2.3.3 巖石抗拉強(qiáng)度（1）定義 巖石試件在單軸拉伸時(shí)能承受的最大拉應(yīng)力，稱為單軸抗拉強(qiáng)度，簡(jiǎn)稱抗拉強(qiáng)度；（2）測(cè)定方法 直接拉伸法、劈裂法、點(diǎn)荷載法1.直接拉伸法1）公式式中： 巖石的抗拉強(qiáng)度，MPa 試件受拉破壞時(shí)的極限拉力； 與所施加拉力相垂直的截面面積；7/25/2022332）試件與加載系統(tǒng)的連接拉伸試驗(yàn)加載和試件示意圖7/25/2022342. 劈裂法（巴西法） 由于實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單，所測(cè)得的抗拉強(qiáng)度與直接拉伸很接近，故常用此法。1）公式式中：試件中心的最大拉應(yīng)力，即為抗拉強(qiáng)度， MPa 試件破壞時(shí)的極

20、限拉力； 承壓圓盤的直徑和厚度；7/25/2022352）試件與加載系統(tǒng)及應(yīng)力分布圖劈裂試驗(yàn)加載和應(yīng)力分布示意圖7/25/2022363. 點(diǎn)荷載法1）優(yōu)點(diǎn)：是一種簡(jiǎn)易、快速、價(jià)廉的測(cè)定巖石單軸抗拉和抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)方法；試件可以用不規(guī)則巖塊。2）缺點(diǎn)：試件結(jié)果的離散性較大。 3）公式式中：破壞荷載，破壞時(shí)兩加載點(diǎn)間的距離，mm； 點(diǎn)荷載強(qiáng)度，MPa ；7/25/202237點(diǎn)荷載試驗(yàn)對(duì)試件形狀和尺寸的要求7/25/2022382.3.4 巖石抗剪強(qiáng)度（1）定義 巖石抵抗剪切的最大剪應(yīng)力，由內(nèi)聚力 和內(nèi)摩擦阻力 兩部分組成；（2）測(cè)定方法 直剪試驗(yàn)、變角板剪切試驗(yàn)； 直剪試驗(yàn)裝置圖 、 的確定示

21、意圖 7/25/202239 變角板剪力儀裝置示意圖 巖塊強(qiáng)度包洛線7/25/2022402.3.5巖石三軸壓縮強(qiáng)度（1）定義1.試件在三軸壓應(yīng)力作用下能抵抗的最大軸向壓力；2.公式 試件破壞時(shí)的軸向荷載，N； 試件的初始橫斷面面積，mm2；（2）影響因素1.側(cè)向壓力影響；2.加載途徑對(duì)巖石三軸壓縮強(qiáng)度的影響；3.孔隙水壓力對(duì)巖石三軸壓縮強(qiáng)度的影響（3）試驗(yàn)方法1.真三軸試驗(yàn)；2.假三軸試驗(yàn)（ ）；7/25/202241三軸試驗(yàn)加載示意圖7/25/2022427/25/2022432.3.6 巖石破壞后強(qiáng)度曲線 （1）應(yīng)力-應(yīng)變曲線1.普通材料試驗(yàn)機(jī)應(yīng)力應(yīng)變曲線 巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)一般是采用

22、普通材料試驗(yàn)機(jī)，通過對(duì)巖石試件連續(xù)施加軸向載荷，直到巖石試件的破壞。因此，在普通的材料試驗(yàn)機(jī)條件下，試件達(dá)到峰值強(qiáng)度前，試件的變形是逐步和緩慢的，當(dāng)達(dá)到峰值強(qiáng)度后，試件將發(fā)生突發(fā)性破壞，試件被崩裂，試驗(yàn)突然停止，此時(shí)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線也只是峰值前的曲線。2.普通試驗(yàn)機(jī)得不到峰值強(qiáng)度后曲線的原因 主要是普通試驗(yàn)機(jī)的剛度不夠，使在試驗(yàn)時(shí)有很大一部分能量以應(yīng)變能形式儲(chǔ)存在試驗(yàn)機(jī)的立柱和其它部件中，當(dāng)試件的應(yīng)力達(dá)到峰值后，其承載能力下降，此時(shí)，試驗(yàn)機(jī)中的應(yīng)變能快速釋放所造成的。7/25/202244（2）獲得全應(yīng)力-應(yīng)變曲線的條件1.增加試驗(yàn)機(jī)剛度1）增加試驗(yàn)機(jī)上鋼構(gòu)件的截面積和減小其厚度；2）增加

23、液壓柱的截面積，且減小其長(zhǎng)度；3）增大液壓油的體積模量。2.采用液壓伺服系統(tǒng) 試驗(yàn)機(jī)通過上述的改造后，實(shí)驗(yàn)中就可以實(shí)現(xiàn)巖石的全程壓縮試驗(yàn)，獲得巖石的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線。7/25/202245（3）全應(yīng)力-應(yīng)變曲線的意義1.全面顯示了巖石在受壓破壞過程中的應(yīng)力、變形特征，以及破壞后的強(qiáng)度與力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律；2.預(yù)測(cè)巖爆的產(chǎn)生CDEOAB圖2-17 全應(yīng)力-應(yīng)變曲線預(yù)測(cè)巖爆示意圖 7/25/2022463.預(yù)測(cè)蠕變破壞4.預(yù)測(cè)循環(huán)加載條件下巖石的破壞 根據(jù)巖石本身已有的受力水平，循環(huán)荷載的大小、周期、可根據(jù)全應(yīng)力-應(yīng)變曲線來預(yù)測(cè)循環(huán)加載條件下巖石發(fā)生破壞的時(shí)間。FHIGEDCBAO蠕變終止軌跡線圖

24、2-18 全應(yīng)力-應(yīng)變曲線預(yù)測(cè)蠕變破壞示意圖7/25/2022472.5 巖石的變形特性2.5.1巖石變形的類型 巖石的變形可分為彈性變形、塑性變形和粘性變形三種形式。 （1）彈性變形 即物體在受到外力作用的瞬間即產(chǎn)生全部變形，而撤除外力后又能立即恢復(fù)其原有形狀和尺寸的性質(zhì)。彈性變形又可分為線彈性變形和非線彈性變形。2.塑性變形 即物體受到外力后產(chǎn)生形變，在外力除去后變形不能完全恢復(fù)的性質(zhì)，不能恢復(fù)的那部分變形稱為塑性變形。在外力作用下只發(fā)生塑性變形的物體稱為理想塑性體。當(dāng)應(yīng)力低于屈服極限時(shí)，材料沒有變形，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定值后，應(yīng)變不斷增加而應(yīng)力不變。3.粘性變形 即物體受力后變形不能在瞬時(shí)完成

25、，且應(yīng)變速率隨應(yīng)力增加而增加的性質(zhì)。其應(yīng)力-應(yīng)變速率關(guān)系為過原點(diǎn)的直線的物質(zhì)稱為理想粘性體（牛頓流體）。7/25/2022492.5.2 單軸壓縮條件下巖石的變形特性（1）單軸壓縮條件下的變形特性 1.應(yīng)力應(yīng)變曲線能反映巖石的變形特性，因此，根據(jù)全應(yīng)力-應(yīng)變曲線其變形過程可分為四個(gè)階段，如圖2-20所示。 ECDBAO圖2-20 巖石單軸壓縮載荷作用下全應(yīng)力-應(yīng)變曲線 7/25/2022502.孔隙裂隙壓密階段（OA段） 其特征是應(yīng)力應(yīng)變曲線呈上凹型，在此階段巖石試件中原有的張開型結(jié)構(gòu)面和微裂隙逐漸閉合，橫向膨脹較小，試件體積隨載荷的增大而減小。3.彈性變形至微彈性裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段（AC段）

26、AB階段為線彈性變形階段；BC為非線性彈性變形階段，此階段中出現(xiàn)了微裂隙的破裂，因此也稱為破裂穩(wěn)定發(fā)展階段。 7/25/2022514.非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段（CD段） C點(diǎn)是巖石從彈性變?yōu)樗苄缘霓D(zhuǎn)折點(diǎn)，稱為屈服點(diǎn)，其相應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服應(yīng)力，數(shù)值約為峰值應(yīng)力的三分之二左右。進(jìn)入此階段后，微破裂不斷聚合形成宏觀裂隙，直至巖石試件完全破壞。此時(shí)，試件體積由壓縮變小轉(zhuǎn)為擴(kuò)容增大，軸向應(yīng)變和體積應(yīng)變速率迅速增大。當(dāng)達(dá)到D點(diǎn)時(shí)，巖石已經(jīng)破壞，此時(shí)的強(qiáng)度稱為峰值強(qiáng)度。5.破裂后階段（DE段） 當(dāng)載荷達(dá)到D點(diǎn)后，巖石試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)已遭到破壞，但試件基本保持整體形狀。進(jìn)入本階段后，宏觀裂隙快速發(fā)展，并且相互交叉聯(lián)合

27、形成宏觀斷裂面，試件的承載能力迅速下降，但不會(huì)到零，巖石仍具有一定的承載能力。（2）全應(yīng)力應(yīng)變曲線特征表表2-1 巖石全應(yīng)力應(yīng)變曲線特征表7/25/2022527/25/2022532.5.3利用應(yīng)力應(yīng)變曲線形態(tài)對(duì)巖石進(jìn)行分類OOOOO圖2-21 峰值前巖石的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線 a.彈性巖石 b.彈性-塑性巖石 c.塑-彈性巖石 d.塑-彈-塑性巖石 e.彈-粘性巖石 7/25/2022542.5.4循環(huán)載荷條件下的巖石變形特征（1）巖石的變形特性 1.巖石在循環(huán)載荷作用下，其破壞時(shí)的應(yīng)力往往低于其靜力加載強(qiáng)度。 2.對(duì)于彈性巖石，在循環(huán)載荷作用下，加載路徑與卸載路徑完全重合，即其應(yīng)力-應(yīng)變路

28、徑是相同，都是沿同一曲線往返。7/25/202255 3.對(duì)于非彈性巖石，如果卸載點(diǎn)P超過屈服點(diǎn)，則卸載曲線不與加載曲線重合，形成塑性滯回環(huán)。塑性滯環(huán)反映了經(jīng)過加卸載試驗(yàn)后，消耗于裂隙的擴(kuò)展和裂隙面之間的摩擦所作的功。且卸載曲線的平均斜率一般與加載曲線直線段的斜率相同，或者和原點(diǎn)切線斜率相同。 4.如果施加的是等大小的循環(huán)載荷，則每一次加載-卸載都會(huì)形成一個(gè)塑性滯回環(huán)，這些滯回環(huán)隨著加-卸載次數(shù)的增加而愈來愈窄，并彼此愈來愈近，巖石愈來愈接近彈性變形，直到?jīng)]有塑性變形為止，如圖2-22所示。7/25/202256OP1圖2-22 等載荷循環(huán)加、卸載時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 CO圖2-23 不斷增大載

29、荷循環(huán)加、卸載時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 7/25/202257 5.如果循環(huán)載荷的每一次最大值超過前一次，則可得圖2-23所示的曲線。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，塑性滯回環(huán)的面積也有所擴(kuò)大，卸載曲線的斜率也有所增加，這表明卸載應(yīng)力下的巖石材料彈性有所增強(qiáng)。此外，每次卸載后再加載，在載荷超過上一次循環(huán)的最大載荷以后，變形曲線會(huì)沿著原來的單調(diào)加載曲線上升（如OC曲線），好像不曾受到反復(fù)加載的影響，這種現(xiàn)象稱為巖石的變形記憶。（2）臨界應(yīng)力 巖石在循環(huán)載荷作用下，當(dāng)循環(huán)應(yīng)力小于某一數(shù)值時(shí)，循環(huán)次數(shù)即使很多，也不會(huì)導(dǎo)致試件的破壞；而超過這一數(shù)值時(shí)巖石將在某次循環(huán)中發(fā)生破壞（疲勞破壞），這一數(shù)值稱為臨界應(yīng)力。它的大小

30、與巖石種類有關(guān)。7/25/2022582.5.5 三軸壓縮條件下的巖石變形特征（1）當(dāng) 時(shí)，巖石的變形特性 圖2-24 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系1.在圍壓為零或較低的情況下，巖石呈脆性狀態(tài)破壞； 2.隨著圍壓的升高，巖石破壞逐漸從脆性轉(zhuǎn)化到塑性狀態(tài)，通常把巖石由脆性轉(zhuǎn)化到塑性時(shí)的臨界圍壓稱為轉(zhuǎn)化壓力； 3.隨著圍壓的進(jìn)一步升高，試件的承載能力則隨圍壓增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，出現(xiàn)了應(yīng)變硬化； 4.隨著圍壓的增大，巖石的抗壓強(qiáng)度顯著增大，其變形也不斷增大； 5.隨圍壓的提高，彈性段的斜率變化不大。即E和v與單軸基本相等。說明：可以通過簡(jiǎn)易的單軸試驗(yàn)，確定復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的彈性常數(shù)。（2）當(dāng) 為常數(shù)時(shí)，巖石的變形特性 1.

31、隨著的增大，其屈服應(yīng)力有所提高； 2.彈性模量基本不變，不受變化的影響； 3.當(dāng)不斷增大時(shí)，巖石由塑性逐漸向脆性轉(zhuǎn)換。 為常數(shù)時(shí)的影響 7/25/202259（3）當(dāng) 為常數(shù)時(shí)巖石的變形特性1.隨 的增大，其屈服應(yīng)力幾乎不變；2.隨 的增大，其彈性模量也基本不變 ；3.巖石始終保持塑性破壞的特性，只是隨著 的增大，其塑性變形量也隨著增大 。7/25/202260為常數(shù)時(shí)的影響 2.5.6 巖石變形指標(biāo)及其確定（1）彈模的確定1.初始模量： ，即過原點(diǎn)的切線斜率；2.切線彈模： ，即過任意點(diǎn)P的切線斜率；3.割線彈模： ，即任意點(diǎn)P的縱橫坐標(biāo)之比； 圖2-25 彈模幾種定義7/25/202261

32、（2）ISRM建議的非線性彈性巖石的彈模1. 點(diǎn)相應(yīng)的切線模量，即2. 點(diǎn)相應(yīng)的切線模量，即3.彈性范圍內(nèi)近似于直線段的平均斜率； 巖石的彈模，一般為2050GPa。7/25/202262（3）泊松比1.巖石的橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比值；2.公式3.巖石在彈性范圍內(nèi)， 一般為常數(shù)；超過彈性范圍，將隨應(yīng)力的增大而增大，直到 為止；7/25/202263（4）體積模量 平均正應(yīng)力 與單位體積變形 之比，即式中， 體積變形模量，Pa； 單位體積變形，量綱為1； （橫向應(yīng)變 均為負(fù)值）（5）剪切模量7/25/202264（6）巖石的體積應(yīng)變特性1.公式 式中， 體積增量； 試件的原體積； 最大主應(yīng)變，中

33、間主應(yīng)變和最小主應(yīng)變； 7/25/202265花崗巖的應(yīng)力應(yīng)變曲線7/25/2022662.基本變化規(guī)律：當(dāng)作用的外荷載較小時(shí)，體積應(yīng)變表現(xiàn)出線性變化，且?guī)r石的體積隨荷載的增大而減小。當(dāng)外荷載達(dá)到一定的值之后，體積應(yīng)變經(jīng)過了保持不變的階段，開始發(fā)生體積膨脹的現(xiàn)象。3.剪脹或擴(kuò)容：當(dāng)巖石受外力作用后，發(fā)生非線性的體積膨脹，且這一體積膨脹是不可逆的。 4.產(chǎn)生剪脹的原因：裂隙產(chǎn)生、擴(kuò)展、貫穿、滑移、錯(cuò)動(dòng)、甚至張開所致。 5.剪脹規(guī)律在三軸壓縮和單向壓縮試驗(yàn)中都會(huì)出現(xiàn)，由于圍壓的增大，會(huì)出現(xiàn)剪脹隨之減弱的現(xiàn)象。 7/25/2022672.5.7巖石的本構(gòu)關(guān)系（1）概念1.巖石的本構(gòu)關(guān)系巖石的應(yīng)力應(yīng)變

34、關(guān)系；受眾多因素影響，因而極其復(fù)雜；2.巖石的本構(gòu)關(guān)系模型繁多按均勻性分：各向同性、各向異性；按變形特性分：線性、非線性；巖石的變形還與時(shí)間有關(guān) ；7/25/202268（2）各向同性巖石的本構(gòu)關(guān)系1.定義：各向同性是指巖石材料各個(gè)方向的力學(xué)性質(zhì)相同，且處于線彈性狀態(tài)。2.本構(gòu)關(guān)系式中， 彈性模量； 泊松比； 7/25/202269（3）各向異性巖石的本構(gòu)關(guān)系1.極端各向異性1）定義 假定巖石是線彈性的，其中任一點(diǎn)沿兩個(gè)不同方向的彈性性質(zhì)互不相同，巖體中的6個(gè)應(yīng)力分量中的每個(gè)應(yīng)力分量都是6個(gè)應(yīng)變分量的線性函數(shù)，反之亦然。 2）本構(gòu)關(guān)系3）彈性矩陣有36個(gè)常數(shù)，可以證明彈性矩陣是一個(gè)對(duì)稱矩陣，獨(dú)

35、立的常數(shù)只有21個(gè)。 7/25/2022702.正交各向異性1）定義 如果在彈性體中存在三個(gè)相互正交的彈性對(duì)稱面，則把這個(gè)彈性體稱為正交各向異性。如果在彈性體中存在著一個(gè)平面，該平面兩邊各點(diǎn)的彈性常數(shù)關(guān)于它對(duì)稱，或彈性常數(shù)相等，那么這個(gè)平面稱為彈性對(duì)稱面。 2）本構(gòu)關(guān)系3）彈性矩陣只有9個(gè)非零常數(shù)，且相互獨(dú)立。7/25/2022713.橫觀各向同性體1）定義 如果彈性體有一個(gè)彈性對(duì)稱面和一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，則稱為橫觀各向同性體。其特點(diǎn)是，在平行于某一平面的所有各方向（即橫向），都具有相同的彈性。 2）本構(gòu)關(guān)系7/25/202272式中， 各向同性面（平面）內(nèi)所有方向的彈性模量彈性模量； 垂直于各向同性

36、面（平面）的彈性模量； 各向同性面內(nèi)的泊松比； 垂直于各向同性面的泊松比； 平行于各向同性面的切變模量； 垂直于各向同性面的切變模量；7/25/2022737/25/2022742.6影響巖石力學(xué)性質(zhì)的主要因數(shù)2.6.1水對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響（1）巖石中水的賦存方式 結(jié)合水或稱束縛水和重力水或稱自由水。 1.結(jié)合水 由于礦物對(duì)水分子的吸附力超過了重力而被束縛在礦物表面的水，水分子運(yùn)動(dòng)主要受礦物表面勢(shì)能的控制，這種水在礦物表面形成一層水膜。這種水膜對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響主要產(chǎn)生連接作用、潤(rùn)滑作用、水楔作用等三種作用。 2.自由水 它不受礦物表面吸附力的控制，其運(yùn)動(dòng)主要受重力作用控制，它對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響主要表現(xiàn)為孔隙水壓力作用和溶蝕及潛蝕作用。 7/25/202275（2）水對(duì)巖石的作用 1.連接作用 主要是將礦物顆粒拉近、接緊，連接到一起的作用。這種作用對(duì)一