岩石基本特性与实验

1、第 2 章 岩石的基本物理力学特性及其实验42.1 岩石的基本物理性质及实验方法岩石的基本物理性质及实验方法42.2 单向应力下岩石的变形特性单向应力下岩石的变形特性42.3 岩石三维应力特性及其实验岩石三维应力特性及其实验42.4 岩石的破坏机制岩石的破坏机制42.5 岩石的强度理论岩石的强度理论第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4(1) 岩石的比重与容重岩石的比重与容重4定义定义:岩石的比重就是岩石试件内固体部岩石的比重就是岩石试件内固体部分实体积分实体积(不包括孔隙体积不包括孔隙体积)的重量与同体的重量与同体积水重量的比重。积水重量的比重。4 =

2、Gd/(vcw)4-岩石的比重；岩石的比重；4Gd-绝对干燥时，岩石固体实体积的重量；绝对干燥时，岩石固体实体积的重量；4vc-固体部分实体积；固体部分实体积；4 w -水的容重水的容重2.1 岩石的基本物理性质及实验方法岩石的基本物理性质及实验方法第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4(1) 岩石的比重与容重岩石的比重与容重4定义定义:岩石的容重是指单位体积（岩石的容重是指单位体积（ 包括孔包括孔隙体积隙体积)岩石的重量。岩石的重量。4 d =Gd/v sat =Gsat/v =G/v 4 d、 sat 、 -岩石的干、饱和、天然容重；岩石的干、饱和、

3、天然容重；4Gd、Gsat、G-干、水饱和、天然含水状态下，岩石干、水饱和、天然含水状态下，岩石 的重量；的重量；4v-岩石的体积岩石的体积；2.1 岩石的基本物理性质及实验方法岩石的基本物理性质及实验方法第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4(2) 岩石孔隙性岩石孔隙性4定义：孔隙性指岩石中孔隙与裂隙发育程度，定义：孔隙性指岩石中孔隙与裂隙发育程度，常用空隙度表示。常用空隙度表示。4空隙度：指岩石中各种孔隙、裂隙体积的总和空隙度：指岩石中各种孔隙、裂隙体积的总和与岩石总体积之比。与岩石总体积之比。4n=(1 - d / )*100%4n-空隙度；空隙度

4、；4-比重比重4 d-岩石的干容重岩石的干容重2.1 岩石的基本物理性质及实验方法岩石的基本物理性质及实验方法第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4(2) 岩石孔隙性岩石孔隙性4空隙比：指岩石中各种孔隙、裂隙体积的总和空隙比：指岩石中各种孔隙、裂隙体积的总和与岩石内固体部分实体积之比。与岩石内固体部分实体积之比。4e=v0/vc4e-空隙比；空隙比；4v0-岩石中各种孔隙、裂隙体积的总和；岩石中各种孔隙、裂隙体积的总和；4vc-岩石内固体部分实体积；岩石内固体部分实体积；4空隙比与空隙度的关系：空隙比与空隙度的关系： e=n/（1-n）2.1 岩石的基本

5、物理性质及实验方法岩石的基本物理性质及实验方法第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4(2) 岩石孔隙性岩石孔隙性4空隙度对岩石性质的影响：空隙度对岩石性质的影响：*空隙度增大，岩空隙度增大，岩石的容重与强度降低；石的容重与强度降低；*塑性与渗透性增加。塑性与渗透性增加。4几种常见岩石的空隙度与空隙比几种常见岩石的空隙度与空隙比4岩石岩石 空隙度空隙度 n/% n/% 空隙比空隙比 e e4石灰岩石灰岩 5-20 0.053-0.01 5-20 0.053-0.014砂岩砂岩 3-30 0.031-0.429 3-30 0.031-0.4294页岩页岩 1

6、0-35 0.111-0.538 10-35 0.111-0.5382.1 岩石的基本物理性质及实验方法岩石的基本物理性质及实验方法第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4(3) 吸水性与透水性吸水性与透水性4岩石的吸水性是指遇水不崩解的岩石岩石的吸水性是指遇水不崩解的岩石,在一定的实验条在一定的实验条件下件下,(规定的试样尺寸和试验压力规定的试样尺寸和试验压力)吸入水分的能力吸入水分的能力.4自然吸水率自然吸水率:试件在大气压力作用下试件在大气压力作用下,吸入水分的重量与吸入水分的重量与试件的烘干重量之比试件的烘干重量之比;4 = =G Gw w/G/G

7、d d* *100%100%4强制吸水率强制吸水率:试件在真空或加压试件在真空或加压(150个大气压个大气压)条件下吸条件下吸入水分的重量与试件烘干重量之比入水分的重量与试件烘干重量之比.4 = =G Gwsatwsat/G/Gd d* *100%100%4影响因素分析影响因素分析:取决于岩石所含孔隙、裂隙数量、大小取决于岩石所含孔隙、裂隙数量、大小及其张开度，吸水率试验方法和时间因素。及其张开度，吸水率试验方法和时间因素。2.1 岩石的基本物理性质及实验方法岩石的基本物理性质及实验方法第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4(3) 吸水性与透水性吸水性与

8、透水性4几种岩石的吸水率几种岩石的吸水率 4花岗岩花岗岩 0.1-0.92% 砂岩 0.2-12.19%4页岩 1.8-3.0% 石灰岩 0.1-4.45%4岩石的透水性岩石的透水性: 指岩石被水穿过的性能指岩石被水穿过的性能;4影响因素影响因素:地下水水头、应力状态、裂隙度、孔隙大小地下水水头、应力状态、裂隙度、孔隙大小及其连通程度。及其连通程度。4渗透系数渗透系数: 衡量岩石透水性的指标衡量岩石透水性的指标. 量纲为量纲为 cm/s, m/h2.1 岩石的基本物理性质及实验方法岩石的基本物理性质及实验方法第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4Darc

9、y 定律：单位时间内定律：单位时间内4的渗水量与渗透系数的渗水量与渗透系数k、4渗透面积渗透面积A和水力梯度成和水力梯度成4正比正比，而与长度成反比。，而与长度成反比。4q=kj4Q=k A h/L2.1 岩石的基本物理性质及实验方法岩石的基本物理性质及实验方法第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4(3) 吸水性与透水性吸水性与透水性4 几种岩石的渗透系数几种岩石的渗透系数4 岩石岩石 渗透系数渗透系数 cm/sec4 致密的石灰岩致密的石灰岩 10-34有裂隙的石灰岩有裂隙的石灰岩 2-42.1 岩石的基本物理性质及实验方法岩石的基本物理性质及实验方法

10、第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4(4) (4) 水对岩石的作用水对岩石的作用4力学作用力学作用: : 静水压作用静水压作用, ,改变了岩体的受力状况改变了岩体的受力状况, ,使岩使岩体有效应力减小体有效应力减小, ,降低了抗剪强度降低了抗剪强度 4 = ( = (- -u)tgu)tg + C + C4 动水压作用动水压作用 表现在冲刷与管涌表现在冲刷与管涌. .4物理化学作用物理化学作用: : 软化、泥化、膨胀、溶蚀作用。软化、泥化、膨胀、溶蚀作用。4软化系数：软化系数： = = R Rawaw/R/Rc c2.1 岩石的基本物理性质及实验方法岩

11、石的基本物理性质及实验方法第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4(1) (1) 岩石的全程应力应变曲线岩石的全程应力应变曲线4刚性试验机刚性试验机4发展历史：发展历史： 1960s Cook 发现并研制了世界上第一发现并研制了世界上第一台热膨胀式的刚性试验机，并获得了第一条大理岩完整台热膨胀式的刚性试验机，并获得了第一条大理岩完整的全程应力应变曲线。的全程应力应变曲线。 以后，其他研究者又研制了刚以后，其他研究者又研制了刚性组件的刚性试验机和伺服控制的刚性试验机，例如：性组件的刚性试验机和伺服控制的刚性试验机，例如：MTS，INSTRON 4我国于我国于

12、1970s末期，阜新矿业学院（热压头、刚性组末期，阜新矿业学院（热压头、刚性组件）、武汉岩土所（复式加载）研制了简易刚性试验机件）、武汉岩土所（复式加载）研制了简易刚性试验机2.2 岩石的单向应力变形特性岩石的单向应力变形特性第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4基本原理：基本原理：在进行岩石特性试验时，由于作用与反作用在进行岩石特性试验时，由于作用与反作用的原理，试验机和岩石试件同时发生变形。它们被看作的原理，试验机和岩石试件同时发生变形。它们被看作一个整体系统。一个整体系统。4试验机的刚度：试验机的刚度：km=p/ m 弹性变形能：弹性变形能： Sm

13、 = p2/2km 4岩石试件的刚度：岩石试件的刚度：kr=p/ r 弹性变形能：弹性变形能： Sr = p2/2kr 4取取kr=30000MPa.cm; km=7000MPa.cm4试验机储存的能量相试验机储存的能量相4当于试样的当于试样的4倍倍.当试当试4件破坏时件破坏时,试验机能量试验机能量4释放影响试件变形释放影响试件变形.2.2 岩石的单向应力变形特性岩石的单向应力变形特性第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4当试验机刚度大于试件刚度时当试验机刚度大于试件刚度时,称为刚性试验机。目前试称为刚性试验机。目前试验机刚度远大于试件刚度。验机刚度远大

14、于试件刚度。4类型：刚性组件式；类型：刚性组件式；2.2 岩石的单向应力变形特性岩石的单向应力变形特性第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4类型：伺服控制式类型：伺服控制式2.2 岩石的单向应力变形特性岩石的单向应力变形特性第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4(1) (1) 岩石的全程应力应变曲线岩石的全程应力应变曲线4全程应力应变曲线特性分析全程应力应变曲线特性分析2.2 岩石的单向应力变形特性岩石的单向应力变形特性第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4(1) (1) 岩

15、石的全程应力应变曲线岩石的全程应力应变曲线4全程应力应变曲线特性分析全程应力应变曲线特性分析2.2 岩石的单向应力变形特性岩石的单向应力变形特性第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4全程应力应变曲线特性分析全程应力应变曲线特性分析4划分为四个变形阶段划分为四个变形阶段:4第第 I 阶段阶段: 压密阶段压密阶段,原生孔隙裂隙闭合，变形曲线斜率原生孔隙裂隙闭合，变形曲线斜率逐渐增加，声发射事件偶然发生。体积减小。强化占支逐渐增加，声发射事件偶然发生。体积减小。强化占支配地位。（配地位。（OA段）段）4第第 II 阶段阶段:线弹性变形阶段，变形曲线斜率不变，声

16、发射线弹性变形阶段，变形曲线斜率不变，声发射事件微弱，体积减小，强化与弱化均衡。（事件微弱，体积减小，强化与弱化均衡。（AB段）段）4第第 III 阶段阶段:非线性变形（弹塑性变形）阶段，变形曲线非线性变形（弹塑性变形）阶段，变形曲线斜率减小至零，声发射事件的频度与强度增强，体积膨斜率减小至零，声发射事件的频度与强度增强，体积膨胀，弱化占支配地位。裂隙密集、搭接，形成宏观裂缝。胀，弱化占支配地位。裂隙密集、搭接，形成宏观裂缝。BC段段2.2 岩石的单向应力变形特性岩石的单向应力变形特性第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4(1) (1) 岩石的全程应力应

17、变曲线岩石的全程应力应变曲线4全程应力应变曲线特性分析全程应力应变曲线特性分析2.2 岩石的单向应力变形特性岩石的单向应力变形特性第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4(1) (1) 岩石的全程应力应变曲线岩石的全程应力应变曲线4全程应力应变曲线特性分析全程应力应变曲线特性分析2.2 岩石的单向应力变形特性岩石的单向应力变形特性第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4第第 IV 阶段阶段: 软化阶段软化阶段,CD阶段，变形曲线斜率变负，声阶段，变形曲线斜率变负，声发射频度与强度很高。体积继续增大，弱化占支配地发射频度

18、与强度很高。体积继续增大，弱化占支配地位，变形至残余强度阶段。位，变形至残余强度阶段。4体积膨胀：压应力作用下，体积增加的现象，本质是体积膨胀：压应力作用下，体积增加的现象，本质是剪胀。剪胀。4岩石是一种条件物理不稳定性材料，这是与金属材料岩石是一种条件物理不稳定性材料，这是与金属材料本质的区别，它决定了岩体失稳破坏形式，岩爆，突本质的区别，它决定了岩体失稳破坏形式，岩爆，突出，地震等出，地震等2.2 岩石的单向应力变形特性岩石的单向应力变形特性第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4ISRM关于测定岩石材料单轴抗压强度与变形性质的方法关于测定岩石材料单轴

19、抗压强度与变形性质的方法4弹性模量：弹性模量：4切线弹性模量切线弹性模量4平均弹性模量；平均弹性模量；4割线弹性模量：割线弹性模量：4波松比：波松比： = 轴向变形斜率轴向变形斜率 / 径向变形斜率径向变形斜率2.2 岩石的单向应力变形特性岩石的单向应力变形特性第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4(2) (2) 岩石的抗拉强度及实验岩石的抗拉强度及实验4直接拉伸直接拉伸 方法方法: :需特制一金属帽套需特制一金属帽套, ,将试件粘接在帽套将试件粘接在帽套上上, ,在万能试验机上进行拉伸实验在万能试验机上进行拉伸实验. .实验难做实验难做, ,少用少用.

20、 .4 计算公式计算公式 S St t=P=Pa a/A/A4间接拉伸间接拉伸( (劈裂法劈裂法, ,BrazilBrazil法法) )4 方法方法: :沿圆饼状试件沿圆饼状试件4( (高径比高径比0.5)0.5)径向加载径向加载, ,4使之劈裂使之劈裂, ,以求得抗拉以求得抗拉4强度强度, ,广泛采用广泛采用. . 2.2 岩石的单向应力变形特性岩石的单向应力变形特性第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4(2) (2) 岩石的抗拉强度及实验岩石的抗拉强度及实验2.2 岩石的单向应力变形特性岩石的单向应力变形特性第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其

21、实验岩石的基本物理力学特性及其实验4(2) (2) 岩石的抗拉强度及实验岩石的抗拉强度及实验4点载荷试验法点载荷试验法2.2 岩石的单向应力变形特性岩石的单向应力变形特性第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4(3) (3) 岩石的抗剪强度及实验岩石的抗剪强度及实验4直接剪切直接剪切( (单面和双面单面和双面) )2.2 岩石的单向应力变形特性岩石的单向应力变形特性第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4(3) (3) 岩石的抗剪强度及实验岩石的抗剪强度及实验4变角剪切变角剪切2.2 岩石的单向应力变形特性岩石的单向应

22、力变形特性第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4(3) (3) 岩石的抗剪强度及实验岩石的抗剪强度及实验4三轴压缩试验三轴压缩试验2.2 岩石的单向应力变形特性岩石的单向应力变形特性第2章 岩石的基本物理力学特性及其实验42.1 岩石的基本物理性质及实验方法岩石的基本物理性质及实验方法42.2 单向应力下岩石的变形特性单向应力下岩石的变形特性42.3 岩石三维应力特性及其实验岩石三维应力特性及其实验42.4 岩石的破坏机制岩石的破坏机制42.5 岩石的强度理论岩石的强度理论第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4(1

23、)(1) 岩石三维试验的动态岩石三维试验的动态4 意义：意义：4任何岩体工程，例如地下洞库，坝基，岩任何岩体工程，例如地下洞库，坝基，岩质边坡，铁路，公路隧道，地下井巷等，质边坡，铁路，公路隧道，地下井巷等，都处于双向或三向受力状态。都处于双向或三向受力状态。4三轴应力试验技术还为研究变形特性和破三轴应力试验技术还为研究变形特性和破坏机制，验证强度假说，等方面的研究，坏机制，验证强度假说，等方面的研究，提供了有力的手段。提供了有力的手段。2.3 岩石三维应力特性及实验岩石三维应力特性及实验第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4(1)(1) 岩石三维试验的

24、动态岩石三维试验的动态4试验机的发展推动岩石力学的发展试验机的发展推动岩石力学的发展419111911年年Th.V.Karman Th.V.Karman 研制了第一台三轴试验机研制了第一台三轴试验机, ,围压围压25002500atm,atm,圆柱试件产生圆柱试件产生 1 1 2 2= = 3 30 0 的三向应力状态的三向应力状态. .419651965年年, ,W. Buchheim W. Buchheim 研制了真三轴仪研制了真三轴仪, , 使立方体试件产使立方体试件产生生 1 1 2 2 3 3 0 0 三向压应力状态三向压应力状态. .419701970s s 日本日本, ,法国法国

25、, ,意大利意大利, ,德国德国, ,英国英国, ,美国也研制了三美国也研制了三轴仪轴仪, ,例如例如: :日本的日本的 MOGI,MOGI,美国的美国的MTS,MTS,英国的英国的INSTRONINSTRON等等419791979年年, ,日本日本MIS-235-5-1MIS-235-5-1型大型真三轴刚性试验机型大型真三轴刚性试验机4试件试件108108* *108108* *108108mm,mm,压力压力200200t,100t,100tt,100t,100t2.3 岩石三维应力特性及实验岩石三维应力特性及实验第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验

26、4(1)(1) 岩石三维试验的动态岩石三维试验的动态4中国中国419581958年年, ,陈宗基主持研制陈宗基主持研制, ,长春材料试验机厂生产长春材料试验机厂生产,1965,1965年年生产出长江生产出长江-500-500型三轴试验机型三轴试验机,500,500t,t,侧压侧压15001500Atm.Atm.试件试件 1717* *1414cmcm419771977年年, ,张金铸主持研制成张金铸主持研制成330330型真三轴试验机型真三轴试验机, ,轴压轴压200200t,t,水平压力水平压力5555t,t,试件试件1010* *1010* *2323cmcm。419881988年，章梦涛

27、主持研制大型真三轴试验机，轴压年，章梦涛主持研制大型真三轴试验机，轴压500500t t，侧压侧压300300t t，试件试件5050* *5050* *5050cmcm420002000年，赵阳升主持研制大型多功能真三轴试验机轴压年，赵阳升主持研制大型多功能真三轴试验机轴压10001000t t，侧压侧压900900t t，试件最大尺寸试件最大尺寸100100* *100100* *100100cmcm。2.3 岩石三维应力特性及实验岩石三维应力特性及实验第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4(1)(1) 岩石三维试验的动态岩石三维试验的动态41987

28、1987年，陈宗基主持研制年，陈宗基主持研制800800t t高温高压伺服三轴流变仪，高温高压伺服三轴流变仪，三轴室工作压力三轴室工作压力800800MPaMPa，温度温度400400 ，试样，试样 3838* *8282mmmm41981-19871981-1987年，国家地震局地质研究所高温高压岩石三年，国家地震局地质研究所高温高压岩石三轴蠕变仪（固体传压介质）温度轴蠕变仪（固体传压介质）温度800800 ，围压，围压750750MPaMPa4发展趋向：高温高压，试件大型化，测试技术，高精度发展趋向：高温高压，试件大型化，测试技术，高精度的伺服控制的伺服控制2.3 岩石三维应力特性及实验岩

29、石三维应力特性及实验第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4(1)(1) 岩石三维试验的动态岩石三维试验的动态2.3 岩石三维应力特性及实验岩石三维应力特性及实验大型真三轴多功能大型真三轴多功能试试 验验 台台 （太原理工大学（太原理工大学 一九九一九九九年七月九年七月)国家地震局地质研究所固体传国家地震局地质研究所固体传压介质高温高压三轴仪压介质高温高压三轴仪第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4(1)(1) 岩石三维试验的动态岩石三维试验的动态2.3 岩石三维应力特性及实验岩石三维应力特性及实验第第 2 章章 岩

30、石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4(2)(2) 岩石三维变形特性岩石三维变形特性4岩石应力应变曲线全过程分析岩石应力应变曲线全过程分析4I) 全曲线的性态与单轴基本全曲线的性态与单轴基本4相同相同,同样有同样有4个变形阶段个变形阶段.4II) 弹性模量变化不大弹性模量变化不大;围压增围压增4加加,塑性增加塑性增加,屈服段变得平缓屈服段变得平缓4III) 意义意义:多轴应力下多轴应力下,全曲线全曲线4的认识的认识,是岩石力学逐步走向是岩石力学逐步走向4独立学科的标志独立学科的标志,它对支护与它对支护与4围岩相互作用有重要意义围岩相互作用有重要意义.2.3 岩石三维应力特

31、性及实验岩石三维应力特性及实验第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4(2)(2) 岩石三维变形特性岩石三维变形特性4岩石强度与围压的关系岩石强度与围压的关系2.3 岩石三维应力特性及实验岩石三维应力特性及实验第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4(2)(2) 岩石三维变形特性岩石三维变形特性4I)随着围压增加随着围压增加,强度极限提强度极限提4高高,关系式为关系式为:4 c/ 0=1+ a/ 04II) 屈服限建议采用双线性式屈服限建议采用双线性式2.3 岩石三维应力特性及实验岩石三维应力特性及实验第第 2 章章

32、岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4(2)(2) 岩石三维变形特性岩石三维变形特性4岩石各向异性实验岩石各向异性实验4采用大理岩圆柱试件进行采用大理岩圆柱试件进行4三向静水压力压缩实验三向静水压力压缩实验,发发4现各向异性明显现各向异性明显.4说明在静水压力下说明在静水压力下,岩石仍岩石仍4可能破坏可能破坏.2.3 岩石三维应力特性及实验岩石三维应力特性及实验第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4(2)(2) 岩石三维变形特性岩石三维变形特性2.3 岩石三维应力特性及实验岩石三维应力特性及实验第第 2 章章 岩石的基本物理力学特

33、性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4(2)(2) 岩石三维变形特性岩石三维变形特性4IV)中间主应力的影响中间主应力的影响4 2的变化的变化,改变了岩石的受力状态和破坏机制。随改变了岩石的受力状态和破坏机制。随 2增增加，岩石强度先增加，后减小。加，岩石强度先增加，后减小。4随随 2增加，增加，c， 和杨氏模量和杨氏模量E也同样呈现抛物线型变也同样呈现抛物线型变化。化。2.3 岩石三维应力特性及实验岩石三维应力特性及实验第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4破坏类型破坏类型4脆性破坏或拉断破坏脆性破坏或拉断破坏：岩石在载荷作用下，没有发生：岩石在载

34、荷作用下，没有发生显著的变形而突然发生的破坏。显著的变形而突然发生的破坏。4塑性破坏或剪切破坏塑性破坏或剪切破坏：岩石在载荷作用下，发生了较：岩石在载荷作用下，发生了较显著的变形（或出现永久变形）后发生的破坏。显著的变形（或出现永久变形）后发生的破坏。4影响因素分析影响因素分析4应力状态：应力状态：4温度：温度升高，岩石向塑性转化，强度降低。温度：温度升高，岩石向塑性转化，强度降低。4围压：围压增高，岩石从脆性转化为延性，围压：围压增高，岩石从脆性转化为延性，4孔隙压：作用与围压相反孔隙压：作用与围压相反4应变率：应变率增加，脆性增加，抵抗力增强。应变率：应变率增加，脆性增加，抵抗力增强。2.

35、4 岩石破坏机制岩石破坏机制第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4（1 1）拉断破坏）拉断破坏4原因：原因：直接由拉应力造成；直接由拉应力造成；4 由复杂应力衍生的拉应力造成；由复杂应力衍生的拉应力造成；4本质上是岩石应力超过它的抗拉强度所致。本质上是岩石应力超过它的抗拉强度所致。4特征：沿破坏面出现张开破坏，即发特征：沿破坏面出现张开破坏，即发4生了相对的法向位移。生了相对的法向位移。4直接拉断：特点：断裂面与受力方向垂直；直接拉断：特点：断裂面与受力方向垂直；4间接拉断：间接拉断： 断裂面与受力方向平行；断裂面与受力方向平行；2.4 岩石破坏机制岩石

36、破坏机制第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4（2 2）剪切破坏）剪切破坏：4原因：原因： 直接剪；直接剪； 4 复杂应力衍生的剪应力；复杂应力衍生的剪应力；4特点：破裂面之间发生了相对错动；特点：破裂面之间发生了相对错动；4直接剪切，破坏面与外力方向一致；直接剪切，破坏面与外力方向一致；4间接剪切：由压缩或其它受力方式引起，与力的方向间接剪切：由压缩或其它受力方式引起，与力的方向成一定角度，成一定角度，4剪切破坏的特征：剪切破坏的特征：I I）X X型剪切裂缝，剪应力具有对称型剪切裂缝，剪应力具有对称性。性。IIII）剪切破坏网格，破坏带互相切割。剪切

37、破坏网格，破坏带互相切割。IIIIII）剪切剪切实际上是一种塑性破坏。实际上是一种塑性破坏。2.4 岩石破坏机制岩石破坏机制第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4（2 2）剪切破坏）剪切破坏2.4 岩石破坏机制岩石破坏机制第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4（3 3）岩石物态转化）岩石物态转化4物态转化：在不同条件下，岩石性质发生变化，称为物态转化：在不同条件下，岩石性质发生变化，称为物态转化，分为可逆与不可逆。物态转化，分为可逆与不可逆。4不同应力（大小、维数）作用时，其性态不同，表现不同应力（大小、维数）作用

38、时，其性态不同，表现为线弹性、脆性、塑性、弹模改变等等。为线弹性、脆性、塑性、弹模改变等等。4 2 2的改变，引起岩石应力状态的改变，采用纳达依的改变，引起岩石应力状态的改变，采用纳达依NadaiNadai参数讨论。参数讨论。4 = =（2 2 2 2- - 1 1- - 3 3）/ /（ 1 1- - 3 3） 4 =-1=-1时，时， 2 2= = 3 3 常规三轴压应力类型常规三轴压应力类型4 = =0 0时，时， 2 2=0.5(=0.5( 1 1 + + 3 3 ) ) 剪应力状态类型剪应力状态类型4 =+1=+1时，时， 1 1= = 2 2 拉伸应力状态类型拉伸应力状态类型4随着

39、随着 2 2 增加增加, ,岩石由压缩转化为纯剪岩石由压缩转化为纯剪, ,继而转化为拉伸继而转化为拉伸2.4 岩石破坏机制岩石破坏机制第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4（3 3）岩石物态转化）岩石物态转化2.4 岩石破坏机制岩石破坏机制第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4（3 3）岩石物态转化）岩石物态转化2.4 岩石破坏机制岩石破坏机制第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4（3 3）岩石物态转化）岩石物态转化2.4 岩石破坏机制岩石破坏机制第第 2 章章 岩石的基本物

40、理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4强度理论强度理论: :研究岩石在复杂应力状态下的破坏研究岩石在复杂应力状态下的破坏原因规律及强度条件的理论原因规律及强度条件的理论, ,称为岩石强度理称为岩石强度理论论. .4强度条件或准则分为应力强度准则和应变强度强度条件或准则分为应力强度准则和应变强度准则准则4应力强度准则应力强度准则: : 1 1= =f(f( 2 2, , 3 3, ,岩石强度参数岩石强度参数) )4 或或 F(F( 1 1 , , 2 2, , 3 3, ,岩石强度参数岩石强度参数)=0)=04应变强度准则应变强度准则: : 1 1= =f(f( 2 2, , 3,3

41、,岩石强度参数岩石强度参数) )4 或或 F(F( 1 1, , 2 2, , 3 3, ,岩石强度参数岩石强度参数)=0)=02.5 岩石强度理论岩石强度理论第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4(1)(1)库仑库仑-莫尔强度准则莫尔强度准则( (Coulomb-Mohrs)Coulomb-Mohrs)4基本假设基本假设: : 岩石的剪切破裂发生是某一平面剪应力超岩石的剪切破裂发生是某一平面剪应力超过了岩石的内聚力和法向应力引起的摩擦力之抵抗过了岩石的内聚力和法向应力引起的摩擦力之抵抗. .4库仑准则库仑准则: : = = C + C + n n tg

42、tg 4莫尔准则莫尔准则: : = = f(f( ) )2.5 岩石强度理论岩石强度理论 = = C + C + n n tgtg = = f(f( ) )第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4(1)(1)库仑库仑-莫尔强度准则莫尔强度准则( (Coulomb,1773-Mohrs,1900)Coulomb,1773-Mohrs,1900)4基本假设的讨论基本假设的讨论: :4 破坏形式是剪切破坏破坏形式是剪切破坏; ;4 与中间主应力无关与中间主应力无关; ;4 沿一平面剪坏沿一平面剪坏, ,该平面通过中间主应力方向该平面通过中间主应力方向. .4以主

43、应力形式表达的库仑以主应力形式表达的库仑-莫尔强度准则莫尔强度准则2.5 岩石强度理论岩石强度理论sin-1sin13sin-12Ccos1sin-1sin131Sc第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4库仑库仑-莫尔强度理论的应用莫尔强度理论的应用4I)I)判断岩石是否发生破坏判断岩石是否发生破坏, , 屈服函数屈服函数F=F(F=F( )40 0 , 0 破坏破坏4II) II) 预测破坏面的方向预测破坏面的方向 4剪切破坏面与最大主应力平面夹角为剪切破坏面与最大主应力平面夹角为 =45=45 - - /2,/2,4 与最小主应力平面成与最小主应力平

44、面成 =45=45 - - /2/24剪切破裂面是对称共轭的一对剪切破裂面是对称共轭的一对. .即即X X型节理型节理. .4III)III)确定岩石单轴抗压强度确定岩石单轴抗压强度, ,抗拉强度抗拉强度, ,抗剪强度及其抗剪强度及其相互关系相互关系2.5 岩石强度理论岩石强度理论)(45tg/SS2CS22tcsin-12Ccossin-1sin1C第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验2.5 岩石强度理论岩石强度理论第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验2.5 岩石强度理论岩石强度理论第第 2 章章 岩石的基本物理力学特性及其实验岩石的基本物理力学特性及其实验4