岩石力学性质-变形ppt课件

1、2.4.2岩石的力学性质岩石的变形上节课内容：上节课内容：岩石的强度：岩石抵抗外力作用的才干，岩石破坏时可岩石的强度：岩石抵抗外力作用的才干，岩石破坏时可以接受的最大应力。以接受的最大应力。本节课接着讲：本节课接着讲：岩石的变形：岩石在外力作用下发生形状外形、体积岩石的变形：岩石在外力作用下发生形状外形、体积变化。变化。岩石在荷载作用下，首先发生的物理力学景象是变形。岩石在荷载作用下，首先发生的物理力学景象是变形。随着荷载的不断添加，或在恒定载荷作用下，随时间的随着荷载的不断添加，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。增长，岩石变形逐渐增大，最终导致岩石破坏。岩

2、石变形过程中表现出弹性、塑性、粘性、脆性和延性岩石变形过程中表现出弹性、塑性、粘性、脆性和延性等性质。等性质。1弹性弹性(elasticity) 物体在受外力作用的瞬间即产生全部变形，而去除外力物体在受外力作用的瞬间即产生全部变形，而去除外力(卸卸载载)后又能立刻恢复其原有外形和尺寸的性质称为弹性。后又能立刻恢复其原有外形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：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。线弹性体：应力应变呈直线关系。 非线性弹性体：应力非线性弹性体：应力应变呈非直线的关系。应变呈非直线的关系。2.4.2.12.4.2.1岩石

3、变形性质的几个根本概念岩石变形性质的几个根本概念n线弹性体，其应力应变呈直线关系n n =En非线性弹性体，其应力应变呈非直线的关系 n =f()弹性(elasticity)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。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，不能恢复的那部分变形称为塑性变形，或称永久变形，剩余变形。剩余变形。在外力作用下只发生塑性变形的物体，称为理想塑性体。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，当应力低于屈服极限时，资料

4、没有变形，理想塑性体，当应力低于屈服极限时，资料没有变形，应力到达屈服极限后，变形不断增大而应力不变，应力应力到达屈服极限后，变形不断增大而应力不变，应力应变曲线呈程度直线应变曲线呈程度直线. 2.4.2.1岩石变形性质的几个根本概念n理想塑性体的应力应变关系:n当 0时， =0n当 0 时， 塑性plasticity3粘性粘性 (viscosity) 物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力添加而物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力添加而添加的性质，称为粘性。添加的性质，称为粘性。 应变速率与时间有关，粘性与时间有关应变速率与时间有关，粘性与时间有关 其应力应变速率关系为过坐

5、标原点的直线的物质称为理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，如下图。想粘性体如牛顿流体，如下图。 应力应变速率关系：应力应变速率关系： = d/dt 2.4.2.1岩石变形性质的几个根本概念4脆性脆性 (brittle) 物体受力后，变形很小时就发生破裂的性质。物体受力后，变形很小时就发生破裂的性质。工程上普通以工程上普通以5为规范进展划分，总应变大于为规范进展划分，总应变大于5者为塑性者为塑性资料，反之为脆性资料。资料，反之为脆性资料。赫德赫德(Heard，1963)以以3和和5为界限，将岩石划分三类：为界限，将岩石划分三类：总应变小于总应变小于3者为脆性岩

6、石；总应变在者为脆性岩石；总应变在35者为半者为半脆性或脆塑性岩石；总应变大于脆性或脆塑性岩石；总应变大于5者为塑性岩石。者为塑性岩石。按以上规范，大部分地表岩石在低围压条件下都是脆性或半按以上规范，大部分地表岩石在低围压条件下都是脆性或半脆性的。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转化，如在高温高压条件下，脆性岩石可表现很高的塑性。性。2.4.2.1岩石变形性质的几个根本概念5延性延性 (ductile): 物体能接受较大塑性变形而不丧失其承载力的性质，称为延物体能接受

7、较大塑性变形而不丧失其承载力的性质，称为延性。性。 岩石是矿物的集合体，具有复杂的组成成分和构造，因此其岩石是矿物的集合体，具有复杂的组成成分和构造，因此其 力学属性也是很复杂的。力学属性也是很复杂的。这一面受岩石成分与构造的影响；这一面受岩石成分与构造的影响； 另一方面还和它的受力条件，如荷载的大小及其组合情况、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途径等亲密相关。加载方式与速率及应力途径等亲密相关。例如，在常温常压下，岩石既不是理想的弹性资料，也不简例如，在常温常压下，岩石既不是理想的弹性资料，也不简单的塑性和粘性资料，而往往表现出弹一塑性、塑一弹性、单的

8、塑性和粘性资料，而往往表现出弹一塑性、塑一弹性、弹一粘一塑或粘一弹性等性质。弹一粘一塑或粘一弹性等性质。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。性状的影响也很大。2.4.2.1岩石变形性质的几个根本概念19661966年库克年库克Cook)Cook)教授利用自制的刚性实验机获得了的教授利用自制的刚性实验机获得了的一条大理岩的全应力应变曲线一条大理岩的全应力应变曲线, ,典型的全应力典型的全应力- -应变曲线应变曲线可将岩石变形分为以下四个阶段可将岩石变形分为以下四个阶段: : 孔隙裂隙压密阶段孔隙裂隙压密阶段OA

9、段：段：即试件中原有张开性构造面或微裂即试件中原有张开性构造面或微裂隙逐渐闭合，岩石被压密，构成早隙逐渐闭合，岩石被压密，构成早期的非线性变形，期的非线性变形，曲线呈上凹曲线呈上凹型。在此阶段试件横向膨胀较小，型。在此阶段试件横向膨胀较小，试件体积随载荷增大而减小。本阶试件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，段变形对裂隙化岩石来说较明显，而对巩固少裂隙的岩石那么不明显，而对巩固少裂隙的岩石那么不明显，甚至不显现。甚至不显现。2.4.2.2 单轴紧缩条件下岩石变形特征 弹性变形至微弹性裂隙稳定开展阶段弹性变形至微弹性裂隙稳定开展阶段AC段：段：该阶段的应力该阶段的应力应变曲线

10、成近似直线型。其中，应变曲线成近似直线型。其中，AB段段为弹性变形阶段，为弹性变形阶段，BC段为微破裂稳定开展阶段。段为微破裂稳定开展阶段。 2.4.2.2 单轴紧缩条件下岩石变形特征非稳定破裂开展阶段，或称累进性非稳定破裂开展阶段，或称累进性破裂阶段破裂阶段CD段：段：C点是岩石从点是岩石从弹性变为塑性的转机点，称为屈服点。弹性变为塑性的转机点，称为屈服点。相应于该点的应力为屈服极限，其值相应于该点的应力为屈服极限，其值约为峰值强度的约为峰值强度的2/3。进入本阶段后，。进入本阶段后，微破裂的开展出现了质的变化，破裂微破裂的开展出现了质的变化，破裂不断开展，直至试件完全破坏。试件不断开展，直

11、至试件完全破坏。试件由体积紧缩转为扩容，轴向应变和体由体积紧缩转为扩容，轴向应变和体积应变速率迅速增大。本阶段的上界积应变速率迅速增大。本阶段的上界应力称为峰值强度。应力称为峰值强度。2.4.2.2 单轴紧缩条件下岩石变形特征破裂后阶段破裂后阶段D点以后段：岩块承载力到达峰值强度点以后段：岩块承载力到达峰值强度后，其内部构造遭到破坏，但试件根本坚持整体状。到后，其内部构造遭到破坏，但试件根本坚持整体状。到本阶段，裂隙快速开展，交叉且相互结合构成宏观断裂本阶段，裂隙快速开展，交叉且相互结合构成宏观断裂面。以后，岩块变形主要表现为沿宏观断裂面的块体滑面。以后，岩块变形主要表现为沿宏观断裂面的块体滑

12、移，试件承载力随变形增大迅速下降，但并不降到零，移，试件承载力随变形增大迅速下降，但并不降到零，阐明破裂的岩石仍有一定的承载力。阐明破裂的岩石仍有一定的承载力。2.4.2.2 单轴紧缩条件下岩石变形特征岩石单轴紧缩数值实验单轴紧缩破裂过程的数值模拟单轴紧缩破裂过程的数值模拟n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。n米勒Mller采用28种岩石进展大量的单轴实验后，据峰值前应力应变曲线将岩石分成六种类型。 单轴紧缩条件岩石应力应变曲线6种类型类型类型 应力与应变关系是不断线或应力与应变关系是不断线或者近似直线，直到试件发生忽然破者近似直线，直到试件发生忽然破坏为止。坏为止。由于塑性

13、阶段不明显，这些岩石被由于塑性阶段不明显，这些岩石被称为弹性岩石。称为弹性岩石。例如：玄武岩、石英岩、白云岩以例如：玄武岩、石英岩、白云岩以及极巩固的石灰岩。及极巩固的石灰岩。n类型类型 应力较低时，应力应力较低时，应力应变曲应变曲线近似于直线，当应力添加到一定线近似于直线，当应力添加到一定数值后，应力数值后，应力应变曲线向下弯曲，应变曲线向下弯曲，随着应力逐渐添加而曲线斜率也就随着应力逐渐添加而曲线斜率也就越变越小，直至破坏。越变越小，直至破坏。n由于这些岩石低应力时表现出弹性，由于这些岩石低应力时表现出弹性，高应力时表现出塑性，所以被称为高应力时表现出塑性，所以被称为弹弹塑性岩石。塑性岩石

14、。n例如：较弱的石灰岩、泥岩以及凝例如：较弱的石灰岩、泥岩以及凝灰岩等。灰岩等。单轴紧缩条件岩石应力应变曲线6种类型类型类型 在应力较低时，应力在应力较低时，应力应应变曲线略向上弯曲。当应力添加到变曲线略向上弯曲。当应力添加到一定数值后，应力一定数值后，应力应变曲线逐渐应变曲线逐渐变为直线，直至发生破坏。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，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。压力方向的片岩以及某些辉绿岩等

15、。单轴紧缩条件岩石应力应变曲线6种类型n类型类型 应力较低时，应力应力较低时，应力应变曲应变曲线向上弯曲，当压力添加到一定值后，线向上弯曲，当压力添加到一定值后，变形曲线成为直线，最后，曲线向下变形曲线成为直线，最后，曲线向下弯曲，曲线似弯曲，曲线似S S型。型。n由于这些岩石低应力时表现出塑性，由于这些岩石低应力时表现出塑性，高应力时表现出弹性，破坏前又表现高应力时表现出弹性，破坏前又表现出塑性，所以被称为塑出塑性，所以被称为塑弹弹塑性岩塑性岩石。石。n例如：大多数为蜕变岩大理岩、片例如：大多数为蜕变岩大理岩、片麻岩等。麻岩等。单轴紧缩条件岩石应力应变曲线6种类型类型类型 根本上与类型根本上

16、与类型一样，也一样，也呈呈S型，不过曲线斜率较平缓。普型，不过曲线斜率较平缓。普通发生在紧缩性较高的岩石中。通发生在紧缩性较高的岩石中。应力垂直于片理的片岩具有这种应力垂直于片理的片岩具有这种性质。性质。类型类型 应力应力应变曲线开场先有应变曲线开场先有很小一段直线部分，然后有非弹很小一段直线部分，然后有非弹性的曲线部分，并继续不断地蠕性的曲线部分，并继续不断地蠕变。变。这类资料被称为弹这类资料被称为弹粘性岩石。粘性岩石。例如：岩盐、某些脆弱岩石。例如：岩盐、某些脆弱岩石。单轴紧缩条件岩石应力应变曲线6种类型n岩石的变形特性通常用弹性模量、变形模量和泊松比等目的表示。n1)弹性模量和变形模量2

17、.4.2.3 岩石变形目的及其确定a. a. 线弹性岩石线弹性岩石应力应力应变曲线具有近似直线的方式。应变曲线具有近似直线的方式。弹性模量：直线的斜率弹性模量：直线的斜率, ,也即应力也即应力 与应变与应变的比率被称为岩石的弹性模量，记为的比率被称为岩石的弹性模量，记为E E。其应力其应力应变关系：应变关系： =E =E反复加卸载应力反复加卸载应力应变曲线仍为直线。应变曲线仍为直线。2.4.2.3 岩石变形目的及其确定b.完全弹性岩石完全弹性岩石岩石的应力岩石的应力应变关系不是直线，而是曲线。应变关系不是直线，而是曲线。对于任一应变对于任一应变，都有独一的应力，都有独一的应力与之对应，应力是应

18、变的函与之对应，应力是应变的函数关系，即数关系，即 =f切线模量、初始模量和割线模量：由于应力切线模量、初始模量和割线模量：由于应力应变是一曲线关应变是一曲线关系，所以这里没有独一的模量。但对于曲线上任一点的值，都系，所以这里没有独一的模量。但对于曲线上任一点的值，都有一个。譬如对应于有一个。譬如对应于P点的值，切线模量就是点的值，切线模量就是P点在曲线上的点在曲线上的切线切线PQ的斜率的斜率Et，曲线原点处的切线斜率，曲线原点处的切线斜率Eo即为初始模量，即为初始模量，而割线模量就是割线而割线模量就是割线OP的斜率的斜率Es，通常取，通常取c/2处的割线模量。处的割线模量。 Et = d/d

19、; Es = /反复加卸载当荷载逐渐施加到恣意点反复加卸载当荷载逐渐施加到恣意点P，得加载曲线，得加载曲线OP。假设。假设在在P点将荷载卸去，那么卸载曲线仍沿原曲线点将荷载卸去，那么卸载曲线仍沿原曲线OP道路退到原点道路退到原点O。2.4.2.3 岩石变形目的及其确定c.c.弹性岩石弹性岩石岩石的应力岩石的应力应变关系不是直线，而是曲应变关系不是直线，而是曲线，且卸载曲线不沿原加载途径前往原点。线，且卸载曲线不沿原加载途径前往原点。对于任一应变对于任一应变，不是独一的应力，不是独一的应力与之与之对应，应力不是应变的函数关系。对应，应力不是应变的函数关系。2.4.2.3 岩石变形目的及其确定切线

20、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、卸载的割线模量一样。反复加卸载当荷载逐渐施加到任何点P，得加载曲线OP。假设在P点将荷载卸去，那么卸载曲线不沿原曲线OP道路退到原点O，如图中虚线所示，这时产生了所谓滞回效应。d.弹塑性岩石弹塑性岩石岩石的应力岩石的应力应变关系不是直线，而是曲应变关系不是直线，而是曲线，卸载曲线不沿原加载途径前往，且应线，卸载曲线不沿原加载途径前往，且应变也不能恢复到原点变也不能恢复到原点O。对于任一应变对于任一应变，不是独一的应力，不是独一的应力与之对与之对应，应力不是应变的函数关系。应，应力不是应变的函

21、数关系。2.4.2.3 岩石变形目的及其确定弹性模量和变形模量：弹性变形，以e表示；塑性变形，以p表示；总变形，以表示。弹性模量E：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：加载曲线与卸载曲线所组成的环，叫做塑性滞回环。n在循环荷载条件下，n弹性岩石变形如何？n非弹性岩石弹塑性 的变形又如何呢？2.4.2.4弹塑性岩石在循环荷载条件下的变形特征等荷载循环加载：假设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一样。塑性滞回环：那么每次加、卸载曲线都构成一个塑性滞回

22、环。这些塑性滞回环随着加、卸载的次数添加而愈来愈狭窄，并且彼此愈来愈近，岩石愈来愈接近弹性变形，不断到某次循环没有塑性变形为止，如图中的HH环。等荷载循环加载变形特征临界应力：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；而超越这一数值岩石将在某次循环中发生破坏疲劳破坏，这一数值称为临界应力。此时，给定的应力称为疲劳强度。增荷载循环加载变形特征n增荷载循环加载：假设多次反复加载、卸载循环，每次施加的最大荷载比前一次循环的最大荷载为大。n塑性滞回环：每次加、卸载曲线都构成一个塑性滞回环。随着循环次数的添加，塑性滞回环的面积也有所扩展，卸载曲线的斜率它代表着岩石的弹性模量也逐

23、次略有添加，阐明卸载应力下的岩石资料弹性有所加强。n岩石的记忆性：每次卸载后再加载，在荷载超越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OC线，好象不曾遭到反复加载的影响似的，这种景象称为岩石的变形记忆。2.4.2.5三轴紧缩条件下的岩石变形特征n如下图的大理岩，在围压为零或较低的情况下，岩石呈脆性形状；n当围压增大至50MPa时，岩石显示出由脆性到塑性转化的过渡形状：n把岩石由脆性转化为塑性的临界围压称为转化压力。 n围压添加到68.5MPa时，呈现出塑性流动形状；n围压增至165MPa时,试件承载力那么随围压稳定增长，出现所谓应变硬化景象。n随着围压的增大，岩石的

24、抗压强随着围压的增大，岩石的抗压强度显著添加；度显著添加；n随着围压的增大，岩石的变形显随着围压的增大，岩石的变形显著增大；著增大；n随着围压的增大，岩石的弹性极随着围压的增大，岩石的弹性极限显著增大；限显著增大；n随着围压的增大，岩石的应力随着围压的增大，岩石的应力- -应应变曲线形状发生明显改动；岩石的变曲线形状发生明显改动；岩石的性质发生了变化：由弹脆性性质发生了变化：由弹脆性弹塑弹塑性性应变硬化。应变硬化。围压对岩石变形的影响2.4.2.6 岩石的扩容定义：定义：岩石的扩容景象是岩石具有岩石的扩容景象是岩石具有的一种普遍性质，是岩石在的一种普遍性质，是岩石在荷载作用下，在其破坏之前荷载作用下，在其破坏之前产生的一种明显的非弹性体产生的一种明显的非弹性体积变形。积变形。当外力继续添加，岩石试件当外力继续添加，岩石试件的体积不是减小，而是大幅的体积不是减小，而是大幅度添加，