6章 完整岩块

1、完整岩块完整岩块 提提 纲纲 完整岩块试验的背景完整岩块试验的背景 单轴压缩全应力单轴压缩全应力-应变曲线应变曲线 柔性、刚性和伺服控制试验机柔性、刚性和伺服控制试验机 试样几何性质、加载条件和环境影响试样几何性质、加载条件和环境影响 破坏准则破坏准则 1. 完整岩块试验的背景完整岩块试验的背景 完整岩块比岩体受关注原因： 1. 岩石力学依赖于固体材料力学； 2. 远距离采样方法获取的是圆柱状岩芯，特别适合试验所用。 本章重点讨论完整岩块的变形、强度和破坏。 完整岩块：不包含节理裂隙，因为在一个小试样 中的节理、裂隙是随机的，不具有代表性。 2. 单轴压缩全应力单轴压缩全应力-应变曲线应变曲线

2、 峰前峰后 残余强度 峰值强度 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。 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。 2. 单轴压缩全应力单轴压缩全应力-应变曲线应变曲线 峰前峰后 残余强度 峰值强度 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。 破裂后阶段（D点以后段）： 岩块承载力达到峰

3、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。 2. 单轴压缩全应力单轴压缩全应力-应变曲线应变曲线 残余强度 峰值强度 弹性模量：弹性变形范围内，应 力与应变的比。 杨氏模量E：是弹性模量中最常 见的一种，定义为在胡克定律适 用的范围内，单轴应力和单轴形 变之间的比。 弹性模量除了杨氏模量以外，还 包括体积模量和剪切模量等。 杨氏模量E可以由切线模量和割 线模量得到。 杨氏模量 2. 单轴压缩全

4、应力单轴压缩全应力-应变曲线应变曲线 切线模量在峰后部分为负 值，没有直接意义。 全应力全应力-应变曲线上切线和割线模量的变化应变曲线上切线和割线模量的变化 割线模量的使用却更加方 便。 2. 单轴压缩全应力单轴压缩全应力-应变曲线应变曲线 材料的本质特性是不依赖于试样的几何条件和试验所用到的加载 条件。抗压强度并不是材料的本质特性。 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。 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）。因此，研究岩

5、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。 3. 柔性柔性、刚性和伺服控制试验、刚性和伺服控制试验机机 单轴加载方式有两种：应力控制和应变控制。 应力控制时，达到 峰值以后，固定荷 载导致应变不断增 加，试样会发生失 控破坏。 常应变率常应变率 应变控制时，随着 试样端部的移动， 应力或升或降，不 会出现失控破坏。 3. 柔性柔性、刚性和伺服控制试验、刚性和伺服控制试验机机 柔性试验机柔性试验机 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

6、有很大声响。 3. 柔性柔性、刚性和伺服控制试验、刚性和伺服控制试验机机 1. 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。 2. 由于试验机的刚度不够大，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。 3. 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。 4.普通柔性实验机获得结果与工程的矛工程的矛 盾盾：试验结果表明，岩石超过其峰值强 度后就

7、完全破坏了，没有任何承载能力 了。与事实矛盾。 柔性试验柔性试验机机 3. 柔性柔性、刚性和伺服控制试验、刚性和伺服控制试验机机 刚性试验机刚性试验机 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。 1966年，库克（Cook）与霍杰姆（Hojem）研制了世界上第一 台刚性试验机，获得了一条大理岩的全应力应变曲线。 试验机释放的能量小于试件平稳变形需要的能量，试件继续平 稳变形必须继续主动施加荷载，因此试件不会崩溃。可以得到 全应力应变过程。 3. 柔性柔性、刚性和伺服控制试验、刚性和伺服

8、控制试验机机 刚性试验机刚性试验机 不同岩石的全应力不同岩石的全应力-应变曲线应变曲线 即使有无限刚度试验机，也得不到 碳灰色花岗岩类的完整曲线。 刚性试验机比较笨重，功能不灵活。 3. 柔性柔性、刚性和伺服控制试验、刚性和伺服控制试验机机 伺服控制试验伺服控制试验机机 基本原理 ：位移传感器监测岩石试件的变形（轴向 位移）并反馈给伺服控制器。 由于反馈信号的响应速度比岩石破裂的传播速度更 快，因而当位移速率超过限定值时，能够及时控制 伺服阀产生运作，调整加压头的位移，从而保证将 试件的位移控制在适当范围内，避免试件突然爆裂。 4. 试样试样几何性质、加载条件和几何性质、加载条件和环境影响环境

9、影响 对全应力-应变曲线的影响因素影响因素： 几何几何 性质性质 环境环境 影响影响 自身性质自身性质 加载加载 条件条件 4. 试样试样几何性质、加载条件和几何性质、加载条件和环境影响环境影响 自身性质自身性质 矿物成分矿物成分 颗粒大小及形状颗粒大小及形状 粒间连接粒间连接 结构特征结构特征 微结构面微结构面 分化程度等分化程度等 4. 试样试样几何性质、加载条件和几何性质、加载条件和环境影响环境影响 几何性质几何性质 尺寸效应：尺寸效应：试件的强度通常随其尺寸 的增大而减小。 单轴全应力单轴全应力-应变曲线的尺寸效应应变曲线的尺寸效应 4. 试样试样几何性质、加载条件和几何性质、加载条件

10、和环境影响环境影响 几何性质几何性质 形状效应：形状效应：试件的强度通常随长细比 的增大而减小。 4. 试样试样几何性质、加载条件和几何性质、加载条件和环境影响环境影响 几何性质几何性质 端部效应：端部效应：指试样受压时，两端部受其与试验机承压极间摩擦力的束缚、 不能自由侧向膨胀而产生的对强度试验值的影响。 产生条件产生条件：1. 在单轴压缩条件下 2. 上下垫板刚度大于试件刚度 3. 试件端面与垫板间存在摩擦，泊松效应受到约束，两端形 成锥形压缩区，区内岩石处于三轴受压状态。 消除消除方法方法 ：1. 润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部） 2. 加长试件 4. 试样试样几何性质、加载条件

11、和几何性质、加载条件和环境影响环境影响 加载条件加载条件 4. 试样试样几何性质、加载条件和几何性质、加载条件和环境影响环境影响 加载条件加载条件 单轴拉伸单轴拉伸在工程实践中并不常用：试验难度大、现场岩石并不是被直接 拉伸破坏的。 拉伸强度用间接试验来测定：劈裂法（巴西法）、点荷载法。 劈裂法 ，中试件破坏时作用在试件中心的最大拉应力为： 式中 P 试件破坏时的极限压力 ，D 试件的直径 t 试件厚度。 4. 试样试样几何性质、加载条件和几何性质、加载条件和环境影响环境影响 加载条件加载条件 常规三轴常规三轴压缩压缩 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

12、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。 4. 试样试样几何性质、加载条件和几何性质、加载条件和环境影响环境影响 环境影响环境影响 水水的的 作用作用 时间时间 相关性相关性 温度温度 4. 试样试样几何性质、加载条件和几何性质、加载条件和环境影响环境影响 环境影响环境影响 水的作用：水的作用： 当当水侵入岩石时，水会顺着裂隙水侵入岩石时，水会顺着裂隙 孔隙进入润湿岩石全部自由面上孔隙进入润湿岩石全部自由面上 的每个矿物颗粒，的每个矿物颗粒，

13、从而削弱了粒 间联系，使强度降低。 软化软化性：性：岩石浸水饱和后强度降 低的性质，用软化系数来表示。 软化系数愈小，说明岩石 吸水饱和后其抗压强度降 低的越多，软化性愈强。 4. 试样试样几何性质、加载条件和几何性质、加载条件和环境影响环境影响 环境影响环境影响 时间相关性：时间相关性： 应变率应变率蠕变蠕变 松弛松弛疲劳疲劳 4. 试样试样几何性质、加载条件和几何性质、加载条件和环境影响环境影响 环境影响环境影响 应变率：应变率：降低应变率会降低总的 弹性模量和抗压强度。 4. 试样试样几何性质、加载条件和几何性质、加载条件和环境影响环境影响 环境影响环境影响 蠕变：在保持应力不变应力不变的条件 下，应变应变随时间延长而增加的 现象。 4. 试样试样几何性质、加载条件和几何性质、加载条件和环境影响环境影响 环境影响环境影响 松弛：在保持应变不变应变不变的条件 下，应力应力随时间延长而减小减小的 现象。 4. 试样试样几何性质、加载条件和几何性质、加载条件和环境影响环境影响 环境影响环境影响 岩石在循环荷载作用下，会在 比峰值应力低的应力水平下破 坏，这种现象为疲劳破坏，疲劳破坏，使 岩石发生疲劳破坏时循环荷载 的应力水平的大小，称为疲劳疲劳 强度。