第3讲-岩石的力学性质(2016版)

第三讲岩石的力学性质3.1岩石的强度性质3.1岩石的强度性质岩石强度岩石在一定荷载条件下达到破坏时所能承受的最大应力量值称为岩石的强度（strengthofrock）。根据荷载条件不同，可分为：单轴抗压强度（uniaxialcompressivestrength）三轴抗压强度（triaxialcompressivestrength）抗剪强度(shearstrength)抗拉强度（tensilestrength）主要是指岩石在天然含水量、饱和及自然风干三种状态下的强度。国际岩石力学学会试验方法委员会在试验建议方法中对试验的标准条件作了明确规定，试验必须按照标准条件的要求进行。1、岩石单轴抗压强度APc岩石的单轴抗压强度（uniaxialcompressivestrength，UCS），为岩石试件达到破坏时的最大轴向压力P与试件横截面积之比Ac岩石单轴抗压强度受到试件的端部条件影响，在试验的准备过程中必须做好试件端部的平整度和光滑度处理，以消除端部约束效应，确保试件完全处于单向受压状态。同时必须使试件长度达到规定要求，以保证在试件中部出现均匀应力状态。岩石单轴强度随着试件的长径比（L/D，高度与直径之比）的增大而降低，当长径比L/D≥2.5~3时，趋于稳定。国际岩石力学学会《岩石力学试验建议方法》建议试件长径比L/D为2.5~3。我国《水利水电工程岩石试验规程》建议试件长径比L/D宜为2.0～2.5。通常在单轴压缩和三轴压缩试验中所用的标准圆柱体试件的尺寸为直径50mm，高度100mm。单轴受压的完整岩石试件可能发生的最常见的破坏形式是单斜面剪切破坏或X状共轭斜面剪切破坏。对于其它的破裂形式，多数是由于端部处理不当造成的，也可能是试件中含有节理、裂隙或层理等结构面的原因，一旦出现，应仔细检查试验条件是否符合要求。以上两种主要的破坏形式都是由于破坏面的应力达到极限状态引起的，此时破裂面上既承受压应力，又承受剪应力，因而也称为压－剪破坏。通过分析可知，破坏面法线与载荷轴线（即试件轴线）的夹角为242、岩石三轴抗压强度岩石的三轴抗压强度是指三轴压缩状态下岩石试件达到破坏时的最大主应力量值，或最大差应力（differentialstress）量值。三轴压缩试验有两种方式：常规三轴试验：三个主应力中有两个是相等的，试件为圆柱体。真三轴试验：试验过程中三个主应力互不相等，试件为长方体或立方体，可以考虑中间主应力对岩石力学性质的影响。常规三轴试验：围压一般通过液压油施加。由于试件侧表面被密封套包住，液压油不会在试件表面造成摩擦力，因而侧向压力可以均匀施加到试件表面。常规三轴试验中的轴压加载方式与单轴压缩试验相同，但由于围压的作用，加载时的端部效应比单轴加载时要轻微得多。这就是三轴试验结果比单轴试验结果离散性小的主要原因。随着围压的增加，岩石的强度相应增高。通过不同围压下的三轴压缩试验，可以得到莫尔强度包络线（Mohr’sstrengthenvelop）。在一定的围压范围内，莫尔强度包络线基本上呈直线型；在更宽的围压范围内，莫尔强度包络线近似呈抛物线型。直线型莫尔强度包络线与剪应力轴的截距称为岩石的粘结力(conhesion，或称内聚力)，与正应力轴的夹角称为岩石的内摩擦角（frictionangle）。而对抛物线型莫尔强度包络线，工程上为了方便起见常常作一些近似处理，例如取中间近似直线段的延长线与剪应力轴的截距为粘结力，与正应力轴的夹角为内摩擦角；或取莫尔强度包络线上与实际应力状态对应点上的切线与剪应力轴的截距为粘结力，与正应力轴的夹角为内摩擦角等等。真三轴试验：最小主应力通过液压油施加，另外两个主应力通过刚性压板（platen）施加。由于两个方向存在端部效应，而且在两个刚性加载面的角点处应力状态极其复杂，因而试验结果离散性大。要解决这个问题，比较好的办法可能是在刚性压板与试件表面之间增加一层既能减摩又能传递应力的柔性接触，但这样做的同时将会进一步增加试验装置的设计难度。这就是国内外极少有人做这种试验的原因。3、岩石抗剪强度岩石的抗剪强度（shearstrength）也叫剪切强度，是指岩石在剪切力作用下破坏前所能抵抗的最大剪应力。工程中应用最多的是直剪仪压剪试验和角模压剪试验。PATA岩样砂浆PTTAfP/)cos(sinAfP/)sin(cos4、岩石的抗拉强度岩石在单轴拉伸荷载作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力称为岩石的抗拉强度（tensilestrength），其值等于达到破坏时的最大轴向拉伸荷载除以试件的横截面积。aPttdtPt23.2岩石的强度性质一、岩石的单轴压缩变形特性1、岩石的应力应变全过程曲线在刚性压力机或伺服控制试验机上可以得到在单轴压缩荷载作用下岩石的全过程应力应变曲线AB段：孔隙裂隙压密阶段，上凹BC段：弹性变形、纵向微裂隙张开阶段CD段：非稳定破裂累进发展阶段，C点为屈服点（扩容点，约为峰值强度的三分之二），标志着岩石开始从弹性变为塑性DE段（破裂后阶段）：裂隙快速发展形成宏观断裂面，内部结构遭到破坏，试件承载力随变形增大迅速下降，但并不完全降到零，说明破裂后仍有残余强度。岩石应力应变全过程曲线分类单轴应力应变曲线典型类型Ⅰ、线弹性型：玄武岩、石英岩、白云岩等极坚硬岩石具有这种性质Ⅱ、弹-塑性型：石灰岩、泥岩、凝灰岩等较弱岩石具有这种性质Ⅲ、塑-弹性型：砂岩、花岗岩、片理平行于压力方向的片岩及某些辉绿岩等具有这种性质Ⅳ、塑-弹-塑型：如大理岩、片麻岩等变质岩具有这种性质Ⅴ、与Ⅳ基本相同，只是曲线斜率较平缓。压缩性较高的岩石具有这种性质，如片理垂直于压力方向的片岩Ⅵ、弹-粘型：如盐岩等软弱岩石具有这种性质假如岩石应力应变关系服从虎克定律（线弹性材料），则压缩弹性常数——弹性模量和泊松比可由下式计算：/E12/E12，为轴向应变和横向应变事实上，自然界真正意义上的弹性岩石是不存在的，因为无论在任何应力水平卸载，都不可能完全恢复到加载前的初始应变状态；无论在应力应变曲线上的任一段上，其变形模量都不完全相同，横向应变与轴向应变的比值也不是一个确定的常数。所谓岩石的弹性模量、泊松比等，都是人为假定的变形参数，严格意义上是不存在的。作这样的人为假定，完全是为了解决实际问题的简化需要。所谓的岩石弹性模量，是指应力应变曲线中间近似线性段上的应力增量与应变增量之比或其平均值（采用切线模量或割线模量）；所谓的泊松比，是指应力应变曲线中间近似线性段上的横向应变与轴向应变的比值或其平均值。2、几种理想的岩石应力应变关系模型从理论上将，岩石应力应变关系存在以下理想情况：线弹性岩石：加载路径与卸载路径完全重合，多次反复加卸载时，其应力应变路径完全沿着同一直线往返。完全弹性岩石：加卸载路径完全重合，多次反复加卸载时，其应力应变路径完全沿着同一条曲线而不是直线往返。2、几种理想的岩石应力应变关系模型弹性岩石：虽然加卸载曲线不重合，但反复加载与卸载时，其应力应变关系曲线总是服从此环路的规律。2、几种理想的岩石应力应变关系模型弹塑性岩石：卸载曲线不沿加载路径返回，且应变也不能恢复到原点O。对于任一应变ε，不是唯一的应力σ与之对应，应力-应变关系不是单值函数关系。2、几种理想的岩石应力应变关系模型3、岩石的扩容岩石在荷载作用下发生破坏之前产生体积膨胀大于体积压缩的非线性体积变形，这种现象称为岩石的扩容（dilatancy）。岩石的体积应变曲线相应于岩石的轴向应力－轴向应变曲线、轴向应力－侧向应变曲线和岩石的微裂纹体积应变曲线可以分为四个阶段：OE阶段：试件内横向微裂纹闭合，体积应变呈线性压缩。EF阶段：竖向微裂纹稳定张开，横向体积膨胀抵消了一部分轴向体积压缩，体积变形曲线开始偏离直线段，出现扩容的初始阶段。F点附近（出现一个很短暂的阶段）：横向膨胀与轴向压缩的速率几乎相等，体积应变增量近于零。为体积不变阶段。F点的出现意味着岩石开始屈服。F点以后：微裂纹急剧扩展，横向体积膨胀超过轴向体积压缩，试件内部出现宏观裂隙，体积明显增大，速率越来越大，最终导致试件破坏，为扩容迅速发展阶段。012340100200300400500600700800t/senergy/108aJ020406080100120140160180s1/MPa研究岩石的扩容不仅可以深入了解岩石的性质，同时还可以预测岩石的破坏。岩石扩容的急剧发展意味着岩石即将破坏。地震发生前往往伴随着岩石的急剧扩容，导致地下水位、水压发生明显变化，有时还会造成局部地表发生隆起，并且伴随着声发射事件频率的急剧升高。研究扩容与这些现象之间的联系，对揭示地震发生规律，预测地震等灾害具有重要意义。对预测岩爆、矿井冲击地压具有重要意义。4、岩石的破坏类型稳定型破裂（Ⅰ型破裂）：达到峰值应力以后，试件内贮存的变形能并不能使破裂继续扩展，只有试验机继续作功才能导致试件进一步破坏，并由于试件的有效面积随着破裂而减小，才使试件的承载能力相应降低。特点：即使当外力超过了岩石的最大承载力以后，仍保持一定的强度。非稳定型破裂（Ⅱ型破裂）：当达到峰值应力以后，尽管试验机不再对试件做功，但试件内贮存的变形能也能使破裂继续扩展，并最终导致试件的整体破坏。特点：当外力超过了岩石的最大承载力以后，岩石迅速失去其承载能力，岩石表现出具有更大的脆性。5、岩石的循环荷载变形特性在工程中经常会遇到岩石受循环荷载作用（地震、机器振动）的情况，为了正确认识这种情况下岩石的变形破坏机理，评价其稳定性，需要研究岩石在循环荷载作用下的疲劳变形特性及损伤演化规律。有时，为了研究岩石的本构关系和强度理论，也需要对岩石在反复加卸载循环条件下的变形特性进行研究。对大多数岩石，其应力应变曲线的加载与卸载路径不相重合，形成滞回环（hysteresisloop）。滞回环的面积逐次扩大，但卸载曲线斜率基本上维持常量。而且每次卸载后再加载到原来的应力再继续加载时，则加载曲线仍然沿着单调连续加载曲线上升——称为岩石的变形记忆效应。利用这一性质，可以获得岩石稳定的卸载模量参数。对于等荷载下的循环加卸载试验（每循环加卸载增量相等），当卸载点应力明显低于屈服应力时，滞回环是稳定的，每循环应力应变路径几乎重复第一个滞回环的规律，岩石不发生破坏。但当卸载点应力接近或超过屈服应力时，随着加卸载循环次数增加，滞回环应变逐渐增大，滞回环的相对位置呈现“疏－密－疏”的规律，直至岩石发生疲劳破坏。二、岩石的三轴压缩变形特性岩石的强度及变形特征与岩石的应力状态密切相关。在单轴压缩或低围压条件下表现出脆性，随围压增加：（1）破坏前岩石的应变增加；（2）弹性极限和抗压强度增加；（3）岩石的塑性增大，逐渐由脆性转化为延性：脆性破坏→脆塑性转化的过渡状态→塑性流动特征→应变硬化现象。Carrara大理岩的应力应变曲线花岗岩三轴压缩试验中的围压效应岩石由脆性向塑性转化的临界围压称为转化压力（brittle-ductiletransitionpressure）。强度越高的岩石，转化压力越大。岩石的脆性－延性转化压力还和温度相关，温度越高，越利于岩石向延性转化，转化压力越低。花岗岩是质地坚硬的脆性岩石，常温下花岗岩在围压高达300MPa时，仍然没有出现稳定的塑性流动和应变硬化特征3.3岩石力学性质的主要影响因素1、水对岩石力学性质的影响水溶液与岩石的物理化学作用导致岩石力学性质的改变。岩石中的水通常以两种形式存在：结合水，自由水，它们对岩石力学性质的劣化产生不同的影响：（1）结合水产生的软化、水楔作用，使颗粒间粘结力降低。岩石中亲水性最强的是粘土矿物，含粘土矿物多的岩石受水的影响就大。如粘土岩在浸水后其强度最多可降低90％，而含粘土矿物少（或不含）的岩石如花岗岩、石英岩等，浸水后强度变化则小得多。当两个矿物颗粒靠得很近，有水分子补充到矿物表面时，在矿物颗粒表面吸着力作用下，水分子挤入矿物颗粒间的缝隙中，产生水楔作用，导致岩石体积膨胀或产生膨胀压力。岩石吸水后发生膨胀主要是由于粘土类矿物（如蒙脱石、伊犁