岩石的变形力学性质内容丰富

1.5岩石变形性质的几个基本概念1）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(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。1线弹性体，其应力－应变呈直线关系

σ=Eε非线性弹性体，其应力—应变呈非直线的关系σ=f(ε)22）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，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.3理想塑性体的应力－应变关系:当σ

<σs时，ε=0当σ

≥σs时，ε－＞∞

σ

σso

ε43）黏性(viscosity):

物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质，称为粘性。应变速率与时间有关，－>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。

σ应力－应变速率关系：σ=η

dε/dtodε/dt54）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3％～5％者为半脆性或脆－塑性岩石；总应变大于5％者为塑性岩石。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。65）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，称为延性。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。这一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。例如，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。71.6单轴压缩条件岩石应力－应变曲线6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（Müller）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。8类型Ⅰ

应力与应变关系是一直线或者近似直线，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。例如：玄武岩、石英岩、白云岩以及极坚固的石灰岩。类型Ⅱ

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—塑性岩石。例如：较弱的石灰岩、泥岩以及凝灰岩等。类型Ⅲ

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—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。9类型Ⅳ

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，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）。类型Ⅴ

基本上与类型Ⅳ相同，也呈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。类型Ⅵ

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。101.7岩岩石石变形形指标标及其其确定定岩石的的变形形特性性通常常用弹性模模量、变形模模量和泊松比比等指标标表示示。1)弹弹性模模量和和变形形模量量11a.线线弹弹性岩岩石①应力——应变变曲线线具有近似直直线的形式式。②弹性模模量：：直线的的斜率率,也也即应应力（σ）与应变变（εε）的的比率率被称称为岩岩石的的弹性性模量量，记记为E。③其应力——应变变关系：：σ=Eε④反复加卸载载应力力—应应变曲曲线仍为直直线。。12b.完完全弹弹性岩岩石①岩石的的应力——应变变关系系不是是直线线，而是是曲线线。②对于任任一应应变εε，都都有唯唯一的的应力力σ与之对对应，，应力是是应变变的函数关关系，即σ=f（（ε））③切线线模量量、初初始模模量和和割线线模量量：由于应应力——应变变是一一曲线线关系系，所所以这这里没没有唯唯一的的模量量。但但对于于曲线线上任任一点点的值值，都都有一一个。。譬如如对应应于P点的的值，，切线模模量就是P点在在曲线线上的的切线线PQ的斜斜率Et，曲线线原点点处的的切线线斜率率Eo即为初始模模量，而割线模模量就是割割线OP的的斜率率Es，通常常取σc/2处的的割线模模量。。Et=dσ/dε;Es=σ/ε④反复加卸载载当荷载载逐渐渐施加加到任任何点点P，，得加加载曲曲线OP。。如果果在P点将将荷载载卸去去，则则卸载载曲线线仍沿沿原曲曲线OP路路线退退到原原点O。13c.弹性岩石①岩石的应力—应变变关系不是直线，，而是曲线，且卸载曲线不沿原加加载路径返回原点点。②对于任一应变ε，，不是唯一的应力力σ与之对应，应力不是应变的函数关系。③切线模量和割线线模量：卸载曲线P点的切切线PQ‘的斜率率就是相应于该应应力的卸载切线模模量，它与加载切线模量不同。而加、卸载的割线模量相同。④反复加卸载当荷载逐渐施加到到任何点P，得加加载曲线OP。如如果在P点将荷载载卸去，则卸载曲曲线不沿原曲线OP路线退到原点点O，如图中虚线所示示，这时产生了所所谓滞回效应。14d.弹塑性岩石①岩石的应力—应变变关系不是直线，，而是曲线，卸载曲线不沿原加加载路径返回，且且应变也不能恢复复到原点O。②对于任一应变ε，不是唯一的应力力σ与之对应，应力不是应变的函数关系。③弹性模量和变形形模量：弹性变形，以εe表示；塑性变形，，以εp表示；总变形，以以ε表示。弹性模量E：把卸载曲线的割割线的斜率作为弹弹性模量，即:E=PM/NM=σ/εe变形模量Eo：是正应力与总应应变(ε)之比，即：Eo=PM/OM=σ/ε=σ/(εe+εp)④塑性滞回环：加载曲线与卸载曲曲线所组成的环，，叫做塑性滞回环。151.8弹塑性性岩石在循环荷载载条件下的变形特特征在循环荷载条件下下，弹性岩石变形如何？非弹性岩石（弹塑塑性）的变形又如何呢？161)弹塑性岩石等荷载循环加载变形特征征①等荷载循环加载：：如果多次反复加载载与卸载，且每次次施加的最大荷载载与第一次施加的的最大荷载一样。。②塑性滞回环：则每次加、卸载曲曲线都形成一个塑塑性滞回环。这些些塑性滞回环随着着加、卸载的次数数增加而愈来愈狭窄，并且彼此愈来愈愈近，岩石愈来愈接近弹弹性变形，一直到某次循环环没有塑性变形为为止，如图中的HH‘环。③临界应力：当循环应力峰值小小于某一数值时，，循环次数即使很很多，也不会导致致试件破坏；而超超过这一数值岩石石将在某次循环中中发生破坏（疲劳劳破坏），这一数数值称为临界应力力。此时，给定的的应力称为疲劳强度。172)弹塑性岩石增荷载循环加载变形特征征①增荷载循环加载：：如果多次反复加载载、卸载循环，每每次施加的最大荷荷载比前一次循环环的最大荷载为大大。②塑性滞回环：每次加、卸载曲线线都形成一个塑性性滞回环。随着循循环次数的增加，，塑性滞回环的面积也有所所扩大，卸载曲线的斜率（（它代表着岩石的的弹性模量）也逐逐次略有增加，表明卸载应力下下的岩石材料弹性性有所增强。③岩石的记忆性：每次卸载后再加载载，在荷载超过上上一次循环的最大大荷载以后，变形形曲线仍沿着原来来的单调加载曲线线上升（图中的OC线），好象不曾受受到反复加载的影影响似的，这种现现象称为岩石的变变形记忆。181.9单轴压缩条件下的的岩石全应力－应变曲线线1）全应力－应变变曲线产生的背景景①普通柔性实验机只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石应力－应变曲线线均是峰值以前的的曲线。在普通柔性实验机机上的试验现象是：岩石破坏的形形式都是突发的：瞬间崩裂、碎块四面飞射、伴有很大声响。σoε19②在普通的试验机上上，岩石达到其峰峰值强度后发生突突发性破坏的根本原因：是试验机的刚度度不够大，这类试试验机称为“柔””性试验机（Softtestingmachine）。由于试验机的刚度不够大，在试验过程中试试件受压，试验机机框架受拉，如图图所示。试验机受受拉产生的弹性变形以应变能能的形式存在机器器中。当施加的压缩应力力超过岩石抗压强强度后，试件破坏坏。此时，试验机机架迅速回弹，并并将其内部贮存的的应变能释放到岩石试件上，从从而引起岩石试件件的急剧破裂和崩崩解。20③普通柔性实验机获获得结果与工程的矛盾：试验结果表明，岩岩石超过其峰值强强度后就完全破坏坏了，没有任何承承载能力了。与事事实矛盾。事实上，岩石超过过其峰值强度后，，发生了破坏，内内部出现破裂，其其承载能力因而下降降，但并没有降到到零，而是仍然具具有一定的强度。特别是在具有限制应力的条件下下，情况更是如此。。岩石开挖工程的的围岩一般都处在在周围岩石的限制制中，因而破坏时时不可能发生突然然崩解现象。从另一方面看，地地下岩石在漫长的的地质年代中受到到过各种力场的作作用，经历过多次破坏，因而我们在岩石石工程中面对的就就是已经发生过破破坏的岩石（岩体体）。研究岩石超过其峰峰值强度破坏后的的强度特征对岩石石工程本身具有重要意义。21④试验改进途径提高试验机刚度，，降低岩石试件刚刚度，增加伺服控控制系统。试验系统组成：钢架构件、液压柱柱、岩石试件。a.提高试验机钢架构构件的刚度：钢架架构件的刚度系数数Ks=EA/L.增加钢构件的截面面积A，减小其长度L。因此在许多刚性性试验机上使用了了几个粗矮钢柱以以加强。b.提高试验机液压柱柱刚度：液压柱刚刚度系数Kf=kA/H.应增加液压柱的截截面积A，减小其长度H；同时要增大液压压油的体积模量K。为此，在少数刚刚性试验机的液压压系统中用水银代代替普通液压油。。c.减少岩石试件的刚刚度：减小试件截截面积，增加其长长度。d.增加伺服控制系统统，控制岩石变形速度度恒定。222）全应力－应变曲曲线的特征1966年库克（Cook)教授利用自制的刚刚性试验机获得了了的一条大理岩的的全应力－应变曲曲线,可将岩石变形分为为下列四个阶段:①孔隙裂隙压密阶段段（OA段）：即试件中原有张开开性结构面或微裂裂隙逐渐闭合，岩岩石被压密，形成成早期的非线性变变形，σ－ε曲线呈上凹型型。在此阶段试件件横向膨胀较小，，试件体积随载荷荷增大而减小。本本阶段变形对裂隙隙化岩石来说较明明显，而对坚硬少少裂隙的岩石则不不明显，甚至不显显现。②弹性变形至微弹性性裂隙稳定发展阶阶段（AC段〕：：该阶段的应力—应应变曲线成近似直直线型。其中，AB段为弹性变形形阶段，BC段为为微破裂稳定发展展阶段。23③非稳定破裂发展阶阶段，或称累进性性破裂阶段（CD段）：C点是岩石从弹性变变为塑性的转折点，称为屈服点。相相应于该点的应力力为屈服极限，其值约约为峰值强度的2/3。进入本阶段后，，微破裂的发展出出现了质的变化，，破裂不断发展，，直至试件完全破破坏。试件由体积积压缩转为扩容，，轴向应变和体积积应变速率迅速增增大。本阶段的上上界应力称为峰值强度。④破裂后阶段（D点以后段）：岩块承载力达到峰峰值强度后，其内内部结构遭到破坏坏，但试件基本保持整体状。到本阶段，裂隙隙快速发展，交叉叉且相互联合形成成宏观断裂面。此此后，岩块变形主主要表现为沿宏观断裂面的块块体滑移，试件承载力随变形形增大迅速下降，，但并不降到零，，说明破裂的岩石石仍有一定的承载载力。243）全应力－应变曲曲线的工程意义①揭示岩石试件破破裂后，仍具有一一定的承载能力。。25②预测岩爆。若A>B，会产生岩爆若B>A，不产生岩爆。26关于“岩爆”发生生机理的解释27③预测蠕变破坏。当应力水平在H点以下时保持应力力恒定，岩石试件件不会发生蠕变。。应力水平在G－H点之间保持恒定。。蠕变应变发展会会和蠕变终止轨迹迹相交，蠕变将停停止，岩石试件不不会破坏。若应力水平在G点及以上保持恒定定，则蠕变应变发发展就和全应力—应变曲线的右半部部，试件将发生破破坏。28④预测循环加载条件件下岩石的破坏。。循环荷载：爆破，，而且是动荷载。。在高应力水平下循循环加载，岩石在在很短时间内就破破坏。在低应力水平下循循环加载，岩石可可以经历相对较长长一段时间，岩石石工程才会发生破破坏。所以，根据岩石受受力水平，循环荷荷载的大小、周期期、全应力—应变曲线来预测循循环加载条件下岩岩石破坏时间。291.10三轴压缩条件下的的岩石变形特征如图所示的大理岩，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化的过渡状态：把岩石由脆性转化化为塑性的临界围围压称为转化压力。围压增加到68.5MPa时，呈现出塑性流动状态；围压增至165MPa时,试件承载力则随围围压稳定增长，出出现所谓应变硬化现象。30围压对岩石变形的影响得出如下结论：①随着围压的增大，，岩石的抗压强度显著增加；②随着围压的增大，，岩石的变形显著增大；③随着围压的增大，，岩石的弹性极限显著增大；④随着围压的增大，，岩石的应力—应变曲线形态发生明显改变；岩岩石的性质发生了变化：由弹弹脆性→弹塑性→→应变硬化。花岗岩应力－应变曲线311.11岩石的扩容扩容：当外力继续增加，，岩石试件的体积积不是减小，而是是大幅度增加，且且增长速率越来越越大，最终将导致致岩石试件的破坏坏，这种体积明显显扩大的现象称为为扩容。实验表明：体积应应变曲线可以分为为三个阶段：①体积变形阶段体积应变在弹性阶阶段内随应力增加加而呈线性变化（（体积减小），在在此阶段内，轴向向压缩应变大于侧侧向膨胀。称为体体积变形阶段。在在此阶段后期，随随应力增加，岩石石的体积变形曲线线向左转弯，开始始偏离直线段，出出现扩容。在一般情况下，岩岩石开始出现扩容容时的应力约为其其抗压强度的1/3～1/2左右。32②体积不变阶段在这一阶段内，随随着应力的增加，，岩石虽有变形，，但体积应变增量近于于零，即岩石体积大小几几乎没有变化。在此阶段内可认为为轴向压缩应变等于于侧向膨胀，因此称为体积不不变阶段。③扩容阶段当外力继续增加，，岩石试件的体积积不是减小，而是是大幅度增加，且且增长速率越来越越大，最终将导致致岩石试件的破坏坏，这种体积明显显扩大的现象称为为扩容，此阶段称称为扩容阶段。在此阶段内，当试试件临近破坏时，两侧向膨胀变形之和和超过最大主应力力方向上的压缩变变形值。这时，岩石试件的的泊松比已经不是是一个常量。331.12影响岩石力学性质质的主要因素1)水对岩石力学性质质的影响结合水：产生三种作用：连结作用、润滑作作用、水楔作用。。连结作用：将矿物颗粒拉近、、接紧，起连结作作用。润滑作用：可溶盐盐溶解，胶体水解解，使原有的连结结变成水胶连结，导致矿物颗粒间间连结力减弱，摩摩擦力减低，水起起到润滑剂的作用用。水楔作用：当两个矿物颗粒靠靠得很近，有水分分子补充到矿物表表面时，矿物颗粒粒利用其表面吸着着力将水分子拉到到自己周围，在两两个颗粒接触处由由于吸着力作用使使水分子向两个矿矿物颗粒之间的缝缝隙内挤入。34当岩石受压时：如压应力大于吸着着力，水分子就被被压力从接触点中中挤出。反之如压应力力减小至低于于吸着力，水水分子就又挤入两颗粒之间，，使两颗粒间间距增大。这样便产生两种结果果：一是岩石体体积膨胀，如如岩石处于不不可变形的条条件，便产生膨胀压力力；二是水胶连连结代替胶体体及可溶盐连连结，产生润滑作用用，岩石强度度降低。35重力水：对岩石力学性性质的影响主主要表现在孔隙水压力作作用和溶蚀、潜蚀作用。孔隙压力作用用：孔隙压力，减小了颗粒之之间的压应力力，从而降低了岩石的的抗剪强度，使岩石的微裂隙端部处处于受拉状态态从而破坏岩石石的连结。溶蚀－潜蚀作作用：岩石中渗透水水在其流动过过程中可将岩岩石中可溶物质溶解解带走，有时将岩石石中小颗粒冲走走，使岩石强度度大为降低，，变形加大。。除了上述五种种作用外，水水在冻融时的胀缩作用对岩石力学强强度破坏很大大。36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0.72－0.97火山集块岩0.6－0.8片麻岩0.75－0.97闪长岩0.60－0.80火山角砾岩0.57－0.95石英片麻岩0.44－0.84闪长玢岩0.78－0.81安山凝灰集块岩0.61－0.74角闪片岩0.44－0.84辉绿岩0.33－0.90凝灰岩0.52－0.86云母片岩0.53－0.69流纹岩0.75－0.95砾岩0.50－0.