岩石的力学性质

岩体力学ROCKMASSMECHANICS采矿工程系第2章岩块的物理力学性质§2.3岩石的变形性质§2.3.1单轴压缩条件下的岩石变形性质§2.3.2三轴压缩条件下的岩石变形性质§2.3.3岩块的蠕变性质本讲内容一、单轴压缩条件下的岩块变形1.连续加载2.3岩块的变形性质岩块典型的应力-应变曲线VoABCDE(+)(-)Ld应力-应变全过程曲线压缩扩容Ld2VLdRMT-150B岩石力学试验系统应力-应变全过程曲线Ⅰ.孔隙裂隙压密阶段(OA)：曲线呈上凹型，曲线斜率随应力增加而逐渐增大。表明在力的作用下，试件中张性结构面或微裂隙闭合，岩石被压密，表现出非线性变形的特征。横向膨胀较小，试件体积随荷载增加而减小。Ⅱ.弹性变形阶段(AB)：呈线性关系，变形可恢复，B点的应力为弹性极限。该变形由固体颗粒被压缩而产生的弹性变形。(1)岩块的变形、破坏过程VoABCDE(+)(-)Ld应力-应变全过程曲线压缩扩容Ⅳ.非稳定破裂发展阶段(CD)应力-应变曲线呈下凹型,随着应力的增加,变形速率增大。原因:岩石破裂过程中,应力发生重分布,裂隙处应力集中显著;并使裂隙不断产生、延展和贯通;荷载不变时,微破裂仍发展；继续增加荷载，试件会发生破坏。试件体积由压缩转变为扩容。D点的应力为峰值强度或单轴抗压强度。应力-应变全过程曲线Ⅲ.微裂隙稳定发展阶段(BC)：曲线呈线性关系，为曲线，体积压缩率减小。产生新的微裂隙，随应力增加而发展;荷载不变时，微裂隙停止发展;塑性变形。C点的应力为屈服极限(屈服强度)LvVoABCDE(+)(-)Ld全过程曲线cⅤ.破坏后阶段(DE)：VoABCDE(+)(-)Ld全过程曲线应力-应变全过程曲线岩块承载力达到峰值,其内部结构基本破坏,仍保持整体状。裂隙快速发展、贯通,形成宏观断裂面。破坏的岩块沿宏观断裂面滑移,承载力随变形的增大快速降低,但仍保持一定的承载力。岩块的变形、破坏过程是一个渐进式发展过程，总体分为两个阶段：峰值前阶段和峰值后阶段。峰值前峰值后应力-应变全过程曲线横向应变轴向应变体积应变单轴压缩破坏特征弹性型弹-塑性型塑-弹性型塑-弹-塑性型1塑-弹-塑性型2弹性-蠕变型(2)峰值前岩块的变形特征应力－应变曲线类型及其特征无裂隙的坚硬、极坚硬岩花岗岩、玄武岩、石英岩等裂隙少的较坚硬岩石石灰岩、砂砾岩等裂隙较多的坚硬岩石花岗岩、砂岩等坚硬的变质岩石(微层理、片理)大理岩、片麻岩压缩性高的岩石(片理)片岩软弱岩石(米勒6种曲线类型,28种岩石)ooooooⅢⅡⅠⅣⅤⅥ(3)峰值后岩块的变形特征葛修润等提出εPo应力应变脆性脆性不明显2.循环加载条件下的变形特征特点：加载路径（曲线）与卸载路径（曲线）基本重合，回到原点弹性恢复－－卸荷后弹性变形恢复的现象弹性后效－－卸荷后大部分弹性变形很快恢复，而少部分须经过一段时间才能恢复的现象。（1）一次加、卸载1）荷载点在弹性极限点以下弹性极限荷载点一次加、卸载曲线oPA2）荷载点在弹性极限点以上特点：加载路径（曲线）与卸载路径（曲线）不重合，不回到原点pe弹性极限荷载点弹性变形塑性变形总变形一次加、卸载曲线pePoA(2)循环加、卸载不断增大荷载滞回环1）不断增大荷载•滞回环：每次加载、卸载曲线围成一环形面积•岩石记忆（岩石的变形记忆）：指循环加载条件下，应力-应变曲线的外包络线与连续加载的应力-应变曲线一致的现象。(a)回滞环o等荷载滞回环2）弹性极限以上加等荷载•滞回环：面积变小•累积变形•疲劳破坏、疲劳强度(b)o二.三轴压缩条件下的岩块变形1.三轴压缩试验1)真三轴试验：1232)常规三轴试验：12=3塑-弹性型1123、23、3）强度曲线及剪切强度C、φ2)应力(应力差)-应变(轴向)曲线及变形模量131)3不同,三轴抗压强度不同1m(2)试验成果(1)试验类型2.围压对岩块变形破坏的影响1）岩石的峰值强度随3增大而增大应变硬化塑性塑-弹性型不同围压下大理岩应力－应变曲线脆性塑性流动2）岩石破坏前应变随3增大而增大3）岩石的塑性随围压增大而增加，且逐渐由塑性转为延性。4）随3增大岩石变形模量增大，软岩增大明显，致密的硬岩增大不明显5）随3增大，岩石的塑性不断增大，随3增大到一定值时，岩石由脆性转变为塑性。这时的围压称为“转化压力”。6）破坏类型：随3的增大，岩块从脆性劈裂破坏逐渐向塑性剪切及塑性流动破坏方式过渡。塑性(%)2330(MPa)-1σσ33.破坏类型脆性破坏、塑性剪切破坏和塑性流动破坏三类。σ31σ塑性流动剪切流动破裂剪破裂的破裂以张为主破坏破裂张破裂延性破坏延性破坏过渡型脆性破坏脆性破坏105～102～81～51破坏机制应力-应变曲线的基本类型达到破坏时的应变（%）试件破坏的情况破坏型式三.岩块的变形参数及其确定变形模量、泊松比1)若其应力-应变曲线为直线iiE常数＝直线的斜率此时，变形模量又称为弹性模量（modulusofelasticity)定义：指岩块在单轴压缩条件下，轴向压应力与轴向应变之比。用表示，MPaEoLii弹性变形1.连续加载－－基本变形参数(1)变形模量（modulusofdeformation)ppALLLpA变形模量、泊松比2)若其应力-应变曲线非直线Lo2501i1502i初始模量():指曲线原点处切线斜率iEiiiE切线模量():指曲线上任一点处切线的斜率，在此特指中部直线段的斜率tE2221tE割线模量():指曲线上某特定点与原点连线的斜率。通常取处的点与原点连线的斜率。sE2c5050sE一般提到的变形模量指割线模量(2)泊松比（poisson‘sratio)变形模量、泊松比dL定义：指在单轴压缩条件下，横向应变（）与轴向应变（）之比。LdLd通常取处的与来计算。2cLd岩石的泊松比一般小于0.5。Lo2501i1502i变形模量、泊松比岩石名称变形模量(×104MPa)泊松比岩石名称变形模量(×104MPa)泊松比初始弹性初始弹性花岗岩2~60.2~0.30.2~0.3片麻岩1~81~100.22~0.35流纹岩2~80.1~0.250.1~0.25千枚岩、片岩0.2~51~80.2~0.4闪长岩7~100.1~0.30.1~0.3板岩2~52~80.2~0.3安山岩5~100.2~0.30.2~0.3页岩1~3.52~80.2~0.4辉长岩7~117~150.12~0.2砂岩0.5~81~100.2~0.3辉绿岩8~118~150.1~0.3石灰岩1~85~100.2~0.35玄武岩6~106~120.1~0.35白云岩4~84~80.2~0.35石英岩6~206~200.1~0.25大理岩1~91~90.2~0.35其它变形参数：剪切模量、拉梅常数、体积模量变形模量、泊松比2(1)EGGvK(1)12E3(12)vEK弹性模量变形参数2.循环加载eeE变形模量epE弹性极限荷载点弹性变形塑性变形总变形一次加、卸载曲线pePoA