1.2 岩石的力学性质(bianxing)

1、1 2 1 岩石的力学性质岩石的变形岩石的变形 本节课接着讲：本节课接着讲： 岩石的变形：岩石的变形： 岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变化。 上一节课讲过：上一节课讲过： 岩石的强度：岩石的强度： 岩石抵抗外力作用的能力，岩石破坏时能够承受的最大应力。 3 1 岩石的力学性质岩石的变形岩石的变形 岩石在荷载作用下，首先发生的物理力学现象是变形. 随着荷载的不断增加，或在恒定载荷作用下，随时间 的增长，岩石变形逐渐增大，最终导致岩石破坏。 岩石变形过程中表现出弹性、塑性、粘性、脆性和 延性等性质。 4 1.5 岩石变形性质的几个基本概念岩石变形性质的几个基本概念 1）弹性）弹性(elas

2、ticity)： 物体在受外力作用的瞬间即产生全部变形，而去除外力 (卸载)后又能立即恢复其原有形状和尺寸的性质称为弹性。 弹性体按其应力应变关系又可分为两种类型： 线弹性体： 应力应变呈直线关系。 非线性弹性体： 应力应变呈非直线的关系。 ? 5 线弹性体，其应力应变呈直线关系 =E 非线性弹性体，其应力应变呈非直线的 关系 =f() 6 2）塑性（）塑性（plasticity） ： 物体受力后产生变形，在外力去除（卸载）后变形不能完 全恢复的性质，称为塑性。 不能恢复的那部分变形称为塑性变形，或称永久变形或残 余变形。 在外力作用下只发生塑性变形的物体，称为理想塑性体。 理想塑性体，当应力

3、低于屈服极限时，材料没有变形，应 力达到后，变形不断增大而应力不变，应力应变曲线呈 水平直线. ? 7 理想塑性体的应力应变关系: 当 黏性与时间有关. 其应力应变速率关系为过坐标原点的直线的物质称为理 想粘性体（如牛顿流体），如图所示。 应力应变速率关系： = d/dt o d/dt ？ 9 4）脆性）脆性 (brittle): 物体受力后，变形很小时就发生破裂的性质。 工程上一般以5为标准进行划分，总应变大于5者为塑性 材料，反之为脆性材料。 赫德(Heard，1963)以3和5为界限，将岩石划分三类： 总应变小于3者为脆性岩石；总应变在35者为半脆 性或脆塑性岩石；总应变大于5者为塑性岩

4、石。 按以上标准，大部分地表岩石在低围压条件下都是脆性或半 脆性的。 当然岩石的塑性与脆性是相对的，在一定的条件下可以相互 转化，如在高温、高压条件下，脆性岩石可表现很高的塑性。 ？ 10 5）延性）延性 (ductile): 物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力的性质，即延性。 岩石是矿物的集合体，具有复杂的组成成分和结构，因此其 力学属性也是很复杂的。 一方面受岩石成分与结构的影响；另一方面还和它的受力条 件，如荷载的大小及其组合情况、加载方式与速率及应力路 径等密切相关。 在常温常压下，岩石既不是理想的弹性材料，也不简单的塑 性和粘性材料，而往往表现出弹一塑性、塑一弹性、弹一粘 一塑或

5、粘一弹性等性质。 此外，岩体赋存的环境条件，如温度、地下水与地应力对其 性状的影响也很大。 ？ 11 1.6 单轴压缩条件岩石应力应变曲线单轴压缩条件岩石应力应变曲线6种类型种类型 岩石的应力应变曲线随着岩石性质不同有各种不同的类型。 米勒（Mller）采用28种岩石进行大量的单轴试验后，据峰值 前应力应变曲线将岩石分成六种类型，如图所示。 12 类型类型 应力与应变关系是直线或者近似直线，直到试件 发生突然破坏为止。 由于塑性阶段不明显，这些岩石被称为弹性岩石弹性岩石。 例如：玄武岩、石英岩、白云岩以及极坚固的石灰岩。 13 类型类型 应力较低时，应力应变曲线近似于直线，当应力增 加到一定数

6、值后，应力应变曲线向下弯曲，随着应力逐渐 增加而曲线斜率也就越变越小，直至破坏。 由于这些岩石低应力时表现出弹性，高应力时表现出塑性， 所以被称为弹弹塑性岩石塑性岩石。 例如：较弱的石灰岩、泥岩以及凝灰岩等。 14 类型类型 在应力较低时，应力应变曲线略向上弯曲。当应力 增加到一定数值后，应力应变曲线逐渐变为直线，直至发 生破坏。 由于这些岩石低应力时表现出塑性，高应力时表现出弹性， 所以被称为塑塑弹性岩石弹性岩石。 例如：砂岩、花岗岩、片理平行于压力方向的片岩以及某些 辉绿岩等。 15 类型类型 应力较低时，应力应变曲线向上弯曲，当压力增加 到一定值后，变形曲线成为直线，最后，曲线向下弯曲，

7、曲 线似S型。 由于这些岩石低应力时表现出塑性，高应力时表现出弹性， 破坏前又表现出塑性，所以被称为塑弹塑性岩石。 例如：大多数为变质岩（大理岩、片麻岩等）。 16 类型类型 基本上与类型相同，呈“平缓S”型，不过曲线 斜率较平缓。 一般发生在压缩性较高的岩石中，应力垂直于片理的片 岩具有这种性质。 17 类型类型 应力应变曲线开始先有很小一段直线部分，然后有 非弹性的曲线部分，并继续不断地蠕变。 这类材料被称为弹粘性岩石。 例如：岩盐、某些软弱岩石。 18 1.7 具有弹性变形的岩石变形指标及其确定具有弹性变形的岩石变形指标及其确定 岩石的变形特性： 1）弹性模量（elastic modul

8、us ）： 岩石在弹性变形阶段内，正应力和对应的正应变的比值。 2）变形模量（strain modulus）： 岩石在弹塑性变形阶段内，正应力和对应的总应变的比值。 3）泊松比(Poisson ratio) ： 岩石在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝 对值的比值。 通常用什么指标 描述？ 19 1） 线弹性岩石线弹性岩石 应力应变曲线具有近似直线的形式。 反复加卸载应力应变曲线仍为直线。 其应力应变关系： =E 弹性模量：直线的斜率,也即应力（ ）与应变（） 的比率被称为岩石的弹性模量，记为E，（ / ）。 20 2）完全弹性岩石）完全弹性岩石 岩石的应力应变关系不是直线，而是曲线

9、。 反复加卸载当荷载逐渐施加到任何点P，得加载曲线OP。如果在P点将荷 载卸去，则卸载曲线仍沿原曲线OP路线退到原点O. 对于任一应变，都有唯一的应力与之对应，应力是应变的函数关系， 即 =f（） 切线模量：由于应力应变是曲线关系，各点的斜率不是常数，弹性模 量是应变的函数；即 Et = d/d= f() 初始模量：曲线原点处的切线斜率Eo； 割线模量：就是割线OP的斜率Es，通常取c/2处的割线模量。Es = / d d 与线弹性有何不同？ TXML-BH 21 3)弹性岩石弹性岩石 岩石的应力应变关系不是直线，而是曲线； 22 3)弹性岩石弹性岩石 岩石加载时的应力应变关系不是直线，而是曲

10、线，且卸载曲线不沿 原加载路径返回原点。 对于任一应变，不是唯一的应力与之对应，应力与应变不是函数 关系。 应力-应变 关系？ 弹性模量 与完全弹性 岩石有何不 同？ 23 3)弹性岩石弹性岩石 岩石的应力应变关系不是直线，而是曲线，且卸载曲线不沿原加载 路径返回原点。 对于任一应变，不是唯一的应力与之对应，应力与应变不是函数 关系。 切线模量和割线模量：卸载曲线P点的切线PQ的斜率就是相应于该应 力的卸载切线模量，它与加载切线模量不同。而加、卸载的割线模量相 同。 反复加卸载当荷载逐渐施加到任何点P，得加载曲线OP。如果在P点 将荷载卸去，则卸载曲线不沿原曲线OP路线退到原点O，如图中虚线所

11、 示，这时产生了所谓滞回环-滞回效应滞回效应。 如何产生的？ 说明什么？ TX后效、NL 耗散 24 4）弹塑性岩石）弹塑性岩石 岩石加载的应力应变关系不是直线，而是曲线； 25 4）弹塑性岩石）弹塑性岩石 岩石加载的应力应变关系不是直线，而是曲线；卸载曲线不沿原加载路 径返回，且应变也不能恢复到原点O。 对于任一应变，不是唯一的应力与之对应，应力不是应变的函数关系。 弹性模量：把卸载曲线的割线的斜率作为弹性模量，即:E =PM/NM=/e 变形模量Eo：是正应力与总应变()之比，即： Eo =PM/OM=/=/(e+p) 塑性滞回环塑性滞回环：加载曲线与卸载曲线所组成的环，叫做塑性滞回环塑性

12、滞回环。 应力-应变 关系？ 与弹性岩石 有何不同？ 弹性模量？ 变形模量？ ?滞回环 26 1.8 弹塑性岩石在循环荷载条件下的变形弹塑性岩石在循环荷载条件下的变形 特征特征 在循环荷载条件下， 弹性岩石变形如何？如何？ 非弹性岩石（弹塑性） 的变形又如何呢？又如何呢？ 27 1)弹塑性岩石弹塑性岩石等荷载等荷载循环加载变形特征循环加载变形特征 等荷载循环加载：等荷载循环加载：如果多次反复加载与卸载，如果多次反复加载与卸载， 且每次施加的最大荷载与第一次施加的最大荷载且每次施加的最大荷载与第一次施加的最大荷载 一样。一样。 塑性滞回环：塑性滞回环：则每次加、卸载曲线都形成一个则每次加、卸载曲

13、线都形成一个 塑性滞回环。这些塑性滞回环随着加、卸载的次塑性滞回环。这些塑性滞回环随着加、卸载的次 数增加而数增加而愈来愈狭窄愈来愈狭窄，并且彼此愈来愈近，并且彼此愈来愈近，岩石岩石 愈来愈接近弹性变形愈来愈接近弹性变形，一直到某次循环没有塑性，一直到某次循环没有塑性 变形或破坏为止，如图中的变形或破坏为止，如图中的HH环。环。 临界应力：临界应力：当循环应力峰值小于某一数值时，当循环应力峰值小于某一数值时， 循环次数即使很多，也不会导致试件破坏；而超循环次数即使很多，也不会导致试件破坏；而超 过这一数值岩石将在某次循环中发生破坏（疲劳过这一数值岩石将在某次循环中发生破坏（疲劳 破坏），这一数

14、值称为临界应力。此时，给定的破坏），这一数值称为临界应力。此时，给定的 应力称为应力称为疲劳强度疲劳强度。 28 2)弹塑性岩石弹塑性岩石增荷载增荷载循环加载变形特征循环加载变形特征 增荷载循环加载：增荷载循环加载：如果多次反复加载、卸如果多次反复加载、卸 载循环，每次施加的最大荷载比前一次循环载循环，每次施加的最大荷载比前一次循环 的最大荷载为大。的最大荷载为大。 塑性滞回环：塑性滞回环：每次加、卸载曲线都形成一每次加、卸载曲线都形成一 个塑性滞回环。随着循环次数的增加，塑性个塑性滞回环。随着循环次数的增加，塑性 滞滞回环的面积也有所扩大回环的面积也有所扩大，卸载曲线的斜率卸载曲线的斜率 （

15、它代表着岩石的弹性模量）也逐次略有增（它代表着岩石的弹性模量）也逐次略有增 加加，表明卸载应力下的岩石材料弹性有所增，表明卸载应力下的岩石材料弹性有所增 强。强。 岩石的记忆性：岩石的记忆性：每次卸载后再加载，在荷每次卸载后再加载，在荷 载超过上一次循环的最大荷载以后，变形曲载超过上一次循环的最大荷载以后，变形曲 线仍沿着原来的单调加载曲线上升（图中的线仍沿着原来的单调加载曲线上升（图中的 OC线），好象不曾受到反复加载的影响似的，线），好象不曾受到反复加载的影响似的， 这种现象称为岩石的变形记忆。这种现象称为岩石的变形记忆。 29 1.9 单轴压缩条件下的岩石单轴压缩条件下的岩石全应力应变曲

16、线全应力应变曲线 1）全应力应变曲线产生的背景）全应力应变曲线产生的背景 普通柔性实验机只能获得峰值以前的应力应变曲线。 1966年以前所获的的岩石应力应变曲线均是峰值以前的 曲线。 在普通柔性实验机上的试验现象是：岩石破坏的形式都是 突发的：瞬间崩裂、碎块四面飞射、伴有很大声响。 o ？ 1）与实际工程矛盾，虽破 仍有承载能力；有限制更是 如此。 2）岩石本身地质构造的产 物，经历多次破坏。 30 在普通的试验机上，岩石达到其峰 值强度后发生突发性破坏的根本原因根本原因： 是试验机的刚度不够大，这类试验机 称为“柔”性试验机（Soft testing machine）。 由于试验机的刚度不够

17、大，在试验过 程中试件受压，试验机框架受拉，如 图所示。试验机受拉产生的弹性变形 以应变能的形式存在机器中。 当施加的压缩应力超过岩石抗压强度 后，试件破坏。此时，试验机架迅速 回弹，并将其内部贮存的应变能释放 到岩石试件上，从而引起岩石试件的 急剧破裂和崩解。 31 普通柔性实验机获得结果与工程的矛盾：工程的矛盾： 试验结果表明，岩石超过其峰值强度后就完全破坏了，没有任何承载 能力了。与事实矛盾。 事实上，岩石超过其峰值强度后，发生了破坏，内部出现破裂，其承 载能力因而下降，但并没有降到零，而是仍然具有一定的强度。 特别是在具有限制应力的条件下，情况更是如此。岩石开挖工程的围 岩一般都处在周

18、围岩石的限制中，因而破坏时不可能发生突然崩解现 象。 从另一方面看，地下岩石在漫长的地质年代中受到过各种力场的作用， 经历过多次破坏，因而我们在岩石工程中面对的就是已经发生过破坏 的岩石（岩体）。 研究岩石超过其峰值强度破坏后的强度特征对岩石工程本身具有重要 意义。 32 试验改进试验改进途径途径 提高试验机刚度，降低岩石试件刚度，增加伺服控制系统。试验系统 组成：钢架构件、液压柱、岩石试件。 a.提高试验机钢架构件的刚度：钢架构件的刚度系数 Ks=EA/L . 增加钢构件的截面积 A，减小其长度L。因此在许多刚性试验机上使 用了几个粗矮钢柱以加强。 b.提高试验机液压柱刚度：液压柱刚度系数K

19、f=kA/H. 应增加液压柱的截面积A，减小其长度H；同时要增大液压油的体积 模量K。为此，在少数刚性试验机的液压系统中用水银代替普通液压 油。 c.减少岩石试件的刚度：减小试件截面积，增加其长度。 d.增加伺服控制系统，控制岩石变形速度恒定。 ？ 33 2）全应力应变曲线的特征）全应力应变曲线的特征 1 1966年库克（库克（Cook)Cook)教授利用自制的刚性试验机获得了的一条大理岩的全应 力应变曲线,可将岩石变形分为下列四个阶段: 孔隙裂隙压密阶段（OA段）：即试件中 原有张开性结构面或微裂隙逐渐闭合，岩石 被压密，形成早期的非线性变形，曲 线呈上凹型。在此阶段试件横向膨胀较小， 试件

20、体积随载荷增大而减小。本阶段变形对 裂隙化岩石来说较明显，而对坚硬少裂隙的 岩石则不明显，甚至不显现。 弹性变形至微弹性裂隙稳定发展阶段 （AC段：该阶段的应力应变曲线成近似 直线型。其中，AB段为弹性变形阶段，BC段 为微破裂稳定发展阶段。 34 非稳定破裂发展阶段，或称累进性破裂阶段 （CD段）：C点是岩石从弹性变为塑性的转 折点，称为屈服点。相应于该点的应力为屈服 极限，其值约为峰值强度的2/3。进入本阶段 后，微破裂的发展出现了质的变化，破裂不断 发展，直至试件完全破坏。试件由体积压缩转 为扩容，轴向应变和体积应变速率迅速增大。 本阶段的上界应力称为峰值强度。 破裂后阶段（D点以后段）

21、：岩块承载力达 到峰值强度后，其内部结构遭到破坏，但试件 基本保持整体状。到本阶段，裂隙快速发展， 交叉且相互联合形成宏观断裂面。此后，岩块 变形主要表现为沿宏观断裂面的块体滑移，试 件承载力随变形增大迅速下降，但并不降到零， 说明破裂的岩石仍有一定的承载力。 35 3）全应力应变曲线的工程意义）全应力应变曲线的工程意义 揭示岩石试件破裂后，仍具有一定的承载能力。揭示岩石试件破裂后，仍具有一定的承载能力。 36 预测岩爆。预测岩爆。 若AB，会产生岩爆 若BA，不产生岩爆。 37 关于关于“岩爆岩爆”发生机理的解释发生机理的解释 38 预测蠕变破坏。预测蠕变破坏。 当应力水平在H点以下时保持应

22、力恒定，岩石试件不会发生蠕变。 应力水平在G H点之间保持恒定。蠕变应变发展会和蠕变终止轨迹 相交，蠕变将停止，岩石试件不会破坏。 若应力水平在G点及以上保持恒定，则蠕变应变发展就和全应力应 变曲线的右半部，试件将发生破坏。 G不稳定 蠕变应力 点 H点蠕变应 力点 39 预测循环加载条件下岩石的破坏。预测循环加载条件下岩石的破坏。 循环荷载：爆破，而且是动荷载。 在高应力水平下循环加载，岩石在很短时间内就破坏。 在低应力水平下循环加载，岩石可以经历相对较长一段 时间，岩石工程才会发生破坏。 所以，根据岩石受力水平，循环荷载的大小、周期、全 应力应变曲线来预测循环加载条件下岩石破坏时间。 40

23、 1.10 三轴压缩条件下的岩石变形特征三轴压缩条件下的岩石变形特征 如图所示的大理岩大理岩， 在围压为零或较低的情况下，岩石 呈脆性状态； 当围压增大至50MPa时，岩石显示 出由脆性到塑性转化的过渡状态； 把岩石由脆性转化为塑性的临界围 压称为转化压力。 围压增加到68.5MPa时，呈现出塑 性流动状态； 围压增至165MPa时,试件承载力则 随围压稳定增长，出现所谓应变硬 化现象。 ？脆性塑性应变硬化 塑性变形强度弹 性极限 41 围压对岩石变形的影响得 出如下结论： 随着围压的增大，岩石 的抗压强度显著增加； 随着围压的增大，岩石 的变形显著增大； 随着围压的增大，岩石 的弹性极限显著

24、增大； 随着围压的增大，岩石 的应力应变曲线形态发 生明显改变；岩石的性质 发生了变化：由弹脆性 弹塑性应变硬化。 花岗岩花岗岩应力应变曲线 42 1.11 岩石的扩容岩石的扩容 扩容：扩容：当外力继续增加，岩石试件的体积 不是减小，而是大幅度增加，且增长速率 越来越大，最终将导致岩石试件的破坏， 这种体积明显扩大的现象称为扩容 。 实验表明：体积应变曲线可以分为三个阶 段： 体积变形阶段 体积应变在弹性阶段内 随应力增加而呈线性变化（体积减小）， 在此阶段内，轴向压缩应变大于侧向膨胀。 称为体积变形阶段。在此阶段后期，随应 力增加，岩石的体积变形曲线向左转弯， 开始偏离直线段，出现扩容。 在

25、一般情况下，岩石开始出现扩容时的应 力约为其抗压强度的1/31/2左右。 43 体积不变阶段 在这一阶段内，随着应力的增加，岩石虽有 变形，但体积应变增量近于零，即岩石体积大小几乎没有变化。 在此阶段内可认为轴向压缩应变等于侧向膨胀，因此称为体积 不变阶段。 扩容阶段 当外力继续增加，岩石试件的体积不是减小，而 是大幅度增加，且增长速率越来越大，最终将导致岩石试件的 破坏，这种体积明显扩大的现象称为扩容，此阶段称为扩容阶 段。 在此阶段内，当试件临近破坏时，两侧向膨胀变形之和超过最 大主应力方向上的压缩变形值。 这时，岩石试件的泊松比已经不是一个常量。 44 1.12影响岩石力学性质的主要因素

26、影响岩石力学性质的主要因素 1)水对岩石力学性质的影响水对岩石力学性质的影响 结合水：产生三种作用：连结作用、润滑作用、水楔 作用。 1）连结作用：将矿物颗粒拉近、接紧，起连结作用。 2）润滑作用：可溶盐溶解，胶体水解，使原有的连结 变成水胶连结，导致矿物颗粒间连结力减弱，摩擦力 减低，水起到润滑剂的作用。 3）水楔作用：当两个矿物颗粒靠得很近，有水分子补 充到矿物表面时，矿物颗粒利用其表面吸着力将水分 子拉到自己周围，在两个颗粒接触处由于吸着力作用 使水分子向两个矿物颗粒之间的缝隙内挤入。 45 当岩石受压时： 如压应力大于吸着力，水分子就被压力从 接触点中挤出。 反之如压应力减小至低于吸着

27、力，水分子 就又挤入两颗粒之间，使两颗粒间距增大。 这样便产生两种结果：一是岩石体积膨胀， 如岩石处于不可变形的条件，便产生膨胀 压力；二是水胶连结代替胶体及可溶盐连 结，产生润滑作用，岩石强度降低。 46 重力水：对岩石力学性质的影响主要表现在孔隙 水压力作用和溶蚀、潜蚀作用。 4）孔隙压力作用：）孔隙压力作用：孔隙压力，减小了颗粒之间 的压应力，从而降低了岩石的抗剪强度，使岩石 的微裂隙端部处于受拉状态从而破坏岩石的连结。 5）溶蚀潜蚀作用：）溶蚀潜蚀作用：岩石中渗透水在其流动过 程中可将岩石中可溶物质溶解带走，有时将岩石 中小颗粒冲走，使岩石强度大为降低，变形加大。 除了上述五种作用外，

28、水在冻融时的胀缩作用对 岩石力学强度破坏很大。 47 岩浆岩沉积岩变质岩 岩石名 称 软化系数岩石名称软化系数岩石名称软化系数 花岗岩0.720.97火山集块岩0.60.8片麻岩0.750.97 闪长岩0.600.80火山角砾岩0.570.95石英片麻岩0.440.84 闪长玢岩 0.780.81 安山凝灰集块岩 0.610.74角闪片岩0.440.84 辉绿岩0.330.90凝灰岩0.520.86云母片岩0.530.69 流纹岩0.750.95砾岩0.500.96绿泥石片岩0.530.69 安山岩0.810.91石英砂岩0.650.97千枚岩0.670.96 玄武岩0.300.95泥质砂岩，

29、粉 砂岩 0.210.75硅质板岩0.750.79 泥岩0.400.60泥质板岩0.390.52 页岩0.240.74石英岩0.940.96 石灰岩0.700.94 泥灰岩0.440.54 48 2)温度对岩石力学性质的影响温度对岩石力学性质的影响 一般地热每增加100米深度，温度升高3。 高硫矿山、自燃矿物温度高 地下深部研究、核废料处理研究 一般来说，随着温度的增高，岩石的延性加大， 屈服点降低，强度降低。 如图所示即为三种不同岩石在围压为500MPa， 温度由25升高到800时应力应变特征。 49 玄武岩玄武岩 花岗岩花岗岩 白云岩白云岩 50 3)加载速率对岩石力学性质的影响加载速率对岩石力学性质的影响 加载速率愈大，弹性模量愈大； 加荷速