高等岩石力学第一讲精选PPT.ppt

高等岩石力学第一讲第1页，此课件共81页哦 教教 材材 高等岩石力学高等岩石力学 周维垣主编，水利电力出版社周维垣主编，水利电力出版社岩石力学岩石力学 重庆大学重庆大学 张永兴张永兴 主编，主编，中国建筑工业出版社中国建筑工业出版社第2页，此课件共81页哦 参参 考考 书书 岩石力学与工程岩石力学与工程 蔡美峰主编，科学出版社蔡美峰主编，科学出版社 矿山岩石力学矿山岩石力学 李通林主编，重庆大学出版社李通林主编，重庆大学出版社 岩体力学岩体力学 凌贤长主编，哈尔滨工业大学出版社凌贤长主编，哈尔滨工业大学出版社 岩体力学岩体力学 沈明荣主编，同济大学出版社沈明荣主编，同济大学出版社 岩体力学岩体力学 王文星主编，中南大学出版社王文星主编，中南大学出版社 第3页，此课件共81页哦第第 一一 讲讲 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质第4页，此课件共81页哦本章内容：本章内容：1.1 岩石与岩体的基本概念岩石与岩体的基本概念1.2 岩石的结构和构造岩石的结构和构造1.3 岩石的基本物理性质岩石的基本物理性质1.4 岩石的强度岩石的强度1.5 岩石的变形岩石的变形第5页，此课件共81页哦 1 1、岩石与岩体，岩石与岩体，岩石的基本物理性质；岩石的基本物理性质；2 2、岩石的单轴压缩变形特性，应力应变全过程曲线的、岩石的单轴压缩变形特性，应力应变全过程曲线的工程意义；工程意义；3 3、岩石的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度及其实验室测定方法；、岩石的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度及其实验室测定方法；4 4、岩石在三轴压缩条件下的力学特性；、岩石在三轴压缩条件下的力学特性；5 5、岩体强度的各向异性；、岩体强度的各向异性；难点：难点：岩石的强度准则。岩石的强度准则。重点重点:第6页，此课件共81页哦 岩石力学是固体力学的一个新的分支，用以研究岩石材料的力学性能和岩石工程的特殊设计方法。岩石材料不同于一般的人工制造的固体材料，岩石经历了漫长的地质构造作用，内部产生了很大的内应力具有各种规模的不连续面和孔洞，而且还可能含有液相和气相，岩石远不是均匀的、各向同性的弹性连续体，这就决定了必须开发出与之适应的原理、装置和方法。第7页，此课件共81页哦1.1 1.1 岩石与岩体的基本概念岩石与岩体的基本概念岩石岩石是组成地壳的基本物质，它是由是组成地壳的基本物质，它是由矿物或岩屑矿物或岩屑在地质作用下按一定规在地质作用下按一定规律凝聚而成的律凝聚而成的自然地质体自然地质体。例如，我们通常所见到的花岗岩、石灰岩、。例如，我们通常所见到的花岗岩、石灰岩、片麻岩，都是指具有一定成因、一定矿物成分及结构构造的岩石。按照成片麻岩，都是指具有一定成因、一定矿物成分及结构构造的岩石。按照成因，岩石可分为三大类即：岩浆岩、沉积岩和变质岩。因，岩石可分为三大类即：岩浆岩、沉积岩和变质岩。岩体岩体是指一定是指一定工程范围内的自然地质体工程范围内的自然地质体它经历了漫长的自然历史过它经历了漫长的自然历史过程，经受了各种地质作用，并在地应力的长期作用下，在其内部保留程，经受了各种地质作用，并在地应力的长期作用下，在其内部保留了各种永久变形和各种各样的了各种永久变形和各种各样的地质构造形迹地质构造形迹，例如不整合、褶皱、断，例如不整合、褶皱、断层、层理、节理、劈理等不连续面。岩石与岩体的重要区别就是层、层理、节理、劈理等不连续面。岩石与岩体的重要区别就是岩岩体包含若干不连续面体包含若干不连续面。由于不连续面的存在，岩体的强度远低于岩石。由于不连续面的存在，岩体的强度远低于岩石强度。强度。第8页，此课件共81页哦 岩体是地质历史的产物，在长期的成岩及变形过程中形成了它们特有的结构。岩体结构包括两个基本要素，结构面和结构体。结构面即岩体内具有一定方向、延展较大、厚度较小的面状地质界面，包括物质的分界面和不连续面，它是在地质发展历史中，尤其是地质构造变形过程中形成的。被结构面分割而形成的岩块，四周均被结构面所包围，这种由不同产状的结构面组合切割而形成的单元体称为结构体。结构面是岩体的重要组成部分.岩体质量的好坏与结构面的性质密切相关.岩石和岩体是既有区别又互相联系的两个概念。岩石是岩岩石和岩体是既有区别又互相联系的两个概念。岩石是岩体的组成物质，岩体是岩石体的组成物质，岩体是岩石(结构体结构体)和结构面的统一体。和结构面的统一体。第9页，此课件共81页哦 岩体结构是由结构面的发育程度和组合关系，或结构体的规模及排列形式决定的。岩体结构类型的划分反映出岩体的不连续性和不均一性特征。中国科学院地质研究所根据多年的工程实践，从岩体结构的角度提出了岩体结构分类。根据这个分类岩体结构分为块状结构、镶嵌结构、层状结构、碎裂结构、层状碎裂结构以及松散结构等。我国不少专门为工程目的的岩体分类，例如为建造地下隧道和洞室的围岩分类(铁路隧道规范分类、岩石地下建筑技术措施分类等)，都是以岩体结构分类为基础的。第10页，此课件共81页哦第11页，此课件共81页哦第12页，此课件共81页哦岩体的特征岩体的特征(1(1)岩体是非均质各向异性的材料。岩体是非均质各向异性的材料。(2)(2)岩体内存在着原始应力场。岩体内存在着原始应力场。主主要要包包括括重重力力和和地地质质构构造造力力，重重力力场场是是以以铅铅垂垂应应力力为为主主，构构造造应应力场通常是以水平应力为主。力场通常是以水平应力为主。(3)(3)岩体内存在着一个裂隙系统。岩体内存在着一个裂隙系统。岩岩体体既既是是断断裂裂的的又又是是连连续续的的，岩岩体体是是断断裂裂与与连连续续的的统统一一体体,可可称称之之为为裂裂隙隙介介质质或或准准连连续续介介质质。当当岩岩体体应应力力超超过过其其强强度度时时，就就会会使使原原有有断断裂裂进进一一步步扩扩展展，形形成成新新的的断断裂裂。而而旧旧断断裂裂的的扩扩展与新断裂的形成，又均会导致岩体内的应力重新分布。展与新断裂的形成，又均会导致岩体内的应力重新分布。第13页，此课件共81页哦 岩岩体体既既不不是是理理想想的的弹弹性性体体，也也不不是是典典型型的的塑塑性性体体，既既不不是是连连续续介介质质，又又不不是是松松散散介介质质，而而是是一一种种特特殊殊的的复复杂杂的的地地质质体体，这这就就造造成成了了研研究究它它的的困困难难性性和和复复杂杂性性。因因此此，只只用用一一般般的的固固体体力力学学理理论论尚尚不不能能完完善善解解决岩体工程中的所有问题决岩体工程中的所有问题。岩体的特征岩体的特征第14页，此课件共81页哦1.2 1.2 岩石的结构和构造岩石的结构和构造 岩石的物理力学性质除与其组成成分有关外,还取决于岩石的结构和构造。岩石的结构是指矿物颗粒的形状、大小和联结方式所决定的结构特征。岩石的构造则是指各种不同结构的矿物集合体的各种分布和排列方式。岩石颗粒间的联结分为结晶联结和胶结联结两类。以风化程度划分，岩石分为微风化、中等风化和强风化岩石。以坚硬程度划分，岩石分为坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩和极软岩。第15页，此课件共81页哦1.3 1.3 岩石的基本物理性质岩石的基本物理性质 岩石由固体，水，空气等三相组成。岩石由固体，水，空气等三相组成。一、质量密度（一、质量密度（）和重力密度）和重力密度()()：单单位位体体积积的的岩岩石石的的质质量量称称为为岩岩石石的的质质量量密密度度。单单位位体体积积的的岩岩石石的的重重量量称称为为岩岩石石的的重重度度。所所谓谓单单位位体体积积就就是是包包括括孔孔隙隙体体积积在在内内的体积。的体积。，g(kN/mg(kN/m3 3)式中：式中：WW岩石试件的重量岩石试件的重量(kN)(kN)V V岩石试件的体积岩石试件的体积(m(m3 3)；g g重力加速度。重力加速度。岩岩石石的的密密度度可可分分为为天天然然密密度度、干干密密度度和和饱饱和和密密度度。相相应应地地，岩岩石的重度可分为天然重度、干重度和饱和重度。石的重度可分为天然重度、干重度和饱和重度。第16页，此课件共81页哦二、相对密度二、相对密度(Gs)(Gs)岩岩石石的的相相对对密密度度就就是是指指岩岩石石的的干干重重量量除除以以岩岩石石的的实实体体积积（不不包包括括岩岩石石中中孔孔隙隙体体积积）所所得得的的量量与与1 1个个大大气气压压下下4 40C纯纯水水的的重重量之比量之比值值。岩石的。岩石的相对密度相对密度可在可在实验实验室室进进行行测测定，其定，其计计算公式算公式为为：式中：式中：GsGs岩石的相对密度；岩石的相对密度；W Ws s干燥岩石的重量干燥岩石的重量(kN)(kN);V Vs s岩石固体体积岩石固体体积(m(m3 3););40C时水的重度（时水的重度（kN/mkN/m3 3）。）。第17页，此课件共81页哦三、岩石的孔隙性三、岩石的孔隙性 孔隙孔隙：岩石中孔隙和裂隙的总称。岩石中孔隙和裂隙的总称。小开型孔隙小开型孔隙孔隙孔隙闭型孔隙闭型孔隙开型孔隙开型孔隙大开型孔隙大开型孔隙 闭型孔隙闭型孔隙：岩石中不与外界相通的孔隙。：岩石中不与外界相通的孔隙。开型孔隙开型孔隙：岩石中与外界相通的孔隙。包括大开型孔隙和小开型孔隙。：岩石中与外界相通的孔隙。包括大开型孔隙和小开型孔隙。在常温下水能进入大开型孔隙，而不能进入小开型孔隙。只有在真在常温下水能进入大开型孔隙，而不能进入小开型孔隙。只有在真空中或在空中或在150150个大气压以上，水才能进入小开型孔隙。个大气压以上，水才能进入小开型孔隙。孔孔隙隙度度：指指岩岩石石的的裂裂隙隙和和孔孔隙隙发发育育程程度度，其其衡衡量量指指标标为为孔隙孔隙率率(n)(n)或或孔隙孔隙比（比（e e）。）。第18页，此课件共81页哦根据岩石孔隙类型不同，岩石的孔隙率分为根据岩石孔隙类型不同，岩石的孔隙率分为：(1)(1)总孔隙率总孔隙率n n (2)(2)大大开孔隙率开孔隙率n nb b (3)(3)小小开孔隙率开孔隙率n nl l (4)(4)总总开孔隙开孔隙率率n n0 0 (5)5)闭孔隙率闭孔隙率n nc c一般提到岩石的孔隙率时系指岩石的总孔隙率。一般提到岩石的孔隙率时系指岩石的总孔隙率。1 1、孔隙率、孔隙率第19页，此课件共81页哦(1)(1)总总孔孔隙隙率率n:即即岩岩石石试试件件内内孔孔隙隙的的体体积积（V VV V)占占试试件件总总体体积积(V)V)的百分比。的百分比。(2)(2)大大开开孔孔隙隙率率n nb b:即即岩岩石石试试件件内内大大开开型型孔孔隙隙的的体体积积（V Vnbnb)占占试试件总体积件总体积(V)V)的百分比。的百分比。(3)(3)小开孔隙率小开孔隙率n nl l:即岩石试件内小开型孔隙的体积（即岩石试件内小开型孔隙的体积（V Vnlnl)占试占试件总体积件总体积(V)V)的百分比。的百分比。GsGs为岩石的相对密度；为岩石的相对密度；d d,w w分别为干燥岩石和水的重度。分别为干燥岩石和水的重度。第20页，此课件共81页哦(4)(4)总总开开孔孔隙隙率率（孔孔隙隙率率）n0:即即岩岩石石试试件件内内开开型型孔孔隙隙的的总总体体积积（V Vn0n0)占试件总体积占试件总体积(V)V)的百分比。的百分比。(5)(5)闭闭孔孔隙隙率率n nc c:即即岩岩石石试试件件内内闭闭型型孔孔隙隙的的体体积积（V Vncnc)占占试试件件总总体积体积(V)V)的百分比。的百分比。第21页，此课件共81页哦 所所谓谓孔孔隙隙比比是是指指岩岩石石试试件件内内孔孔隙隙的的体体积积（V V V V)与与岩岩石石试试件内固体件内固体矿矿物物颗颗粒的体粒的体积积（V Vs s)之比。之比。2 2、孔隙比、孔隙比(e)(e)第22页，此课件共81页哦四、岩石的水理性质四、岩石的水理性质 岩岩石石遇遇水水后后会会引引起起某某些些物物理理、化化学学和和力力学学性性质质的改的改变变，岩石的，岩石的这这种性种性质质称称为为岩石的水理性。岩石的水理性。岩岩石石的的吸吸水水性性:岩岩石石吸吸收收水水分分的的性性能能称称为为岩岩石石的的吸吸水水性性，其其吸吸水水量量的的大大小小取取决决于于岩岩石石孔孔隙隙体体积积的的大大小小及及其其密密闭闭程程度度。岩岩石石的的吸吸水水性性指指标标有有含含水水率率、吸吸水水率率、饱饱水率水率和和饱饱水系数水系数。第23页，此课件共81页哦（1 1）岩石含水率）岩石含水率()()：是指是指天然状态下天然状态下岩石岩石中中水的重量水的重量W W与岩石与岩石烘烘干重量干重量W Ws s之比。之比。第24页，此课件共81页哦（2 2）岩石吸水率）岩石吸水率(a a)：是是指指干干燥燥岩岩石石试试样样在在一一个个大大气气压压和和室室温温条条件件下下吸吸入入水水的重量的重量W W与岩石干重量与岩石干重量W Ws s之比。之比。岩岩石石的的吸吸水水率率的的大大小小，取取决决于于岩岩石石所所含含孔孔隙隙、裂裂隙隙的的数数量量、大大小小、开开闭闭程程度度及及其其分分布布情情况况，并并且且还还与与试试验验条条件件（整整体体和和碎碎块块，浸水浸水时间时间等）等）有关。有关。式中：式中：W W s s为干燥岩石的重量为干燥岩石的重量；W W o为烘干岩样浸水为烘干岩样浸水48小时后的湿重。小时后的湿重。第25页，此课件共81页哦（3 3）岩石的饱水率（）岩石的饱水率（sasa）岩岩石石的的饱饱水水率率指指岩岩样样在在强强制制状状态态（煮煮沸沸、高高压压或或真真空空）下，岩石下，岩石的最大的最大吸入水的重量与岩石干重量吸入水的重量与岩石干重量W Ws s之比，即：之比，即：式中：式中：W Ws s为干燥岩石重量；为干燥岩石重量；W Wp p为岩样饱和后的重量。为岩样饱和后的重量。第26页，此课件共81页哦（4 4）岩石的饱水系数（）岩石的饱水系数（K Kw w）岩石吸水率与饱水率之比称为岩石的饱水系数，即岩石吸水率与饱水率之比称为岩石的饱水系数，即:饱水系数反映了岩石中大开孔隙和小开孔隙的相对含量。饱水饱水系数反映了岩石中大开孔隙和小开孔隙的相对含量。饱水系数越大，岩石中的大开孔隙越多，而小开孔隙越少。系数越大，岩石中的大开孔隙越多，而小开孔隙越少。吸水性较大的岩石吸水后往往会产生膨胀，给隧道支护吸水性较大的岩石吸水后往往会产生膨胀，给隧道支护造成很大压力。造成很大压力。一般岩石的饱水系数在一般岩石的饱水系数在0.50.8之间，当之间，当K Kw w9191时，可免时，可免遭冻胀破坏。遭冻胀破坏。第27页，此课件共81页哦五、岩石的透水性五、岩石的透水性(渗透性渗透性)地地下下水水存存在在于于岩岩石石孔孔隙隙、裂裂隙隙之之中中，而而且且大大多多数数岩岩石石的的孔孔隙隙裂裂隙隙是是连连通通的的，因因而而在在一一定定的的压压力力作作用用下下，地地下下水水可可以以在在岩岩石石中中渗渗透透。岩岩石石的的这这种种能能透透水水的的性性能能称称为为岩岩石石的的透透水水性性。岩岩石石的的透透水水性性大大小小不不仅仅与与岩岩石石的的孔孔隙隙度度大大小小有有关关，而而且且还还与孔隙大小及其与孔隙大小及其贯贯通程度有关。通程度有关。衡衡量量岩岩石石透透水水性性的的指指标标为为渗渗透透系系数数(K)(K)。一一般般来来说说，完完整整密密实实的的岩岩石石的的渗渗透透系系数数往往往往很很小小。岩岩石石的的渗渗透透系系数数一一般般是是在在钻钻孔孔中中进进行抽水或行抽水或压压水水试验试验而而测测定的。定的。第28页，此课件共81页哦大多渗透性可用达西（Darcy）定律描述：（m3/s）水头变化率；qx沿x方向水的流量；h水头高度；A垂直x方向的截面面积；k渗透系数。第29页，此课件共81页哦 六、岩石的膨胀性六、岩石的膨胀性 岩岩石石的的膨膨胀胀性性是是指指岩岩石石浸浸水水后后体体积积增增大大的的性性质质。岩岩石石的的膨膨胀胀性性大大小小一一般般用用膨膨胀胀力力和和膨膨胀胀率率指指标标表表示示。其其测测定定方方法法是是平平衡加压法。衡加压法。试试验验中中不不断断加加压压，并并保保持持体体积积不不变变，所所测测得得的的最最大大压压力力即即为为岩岩石石的的最最大大膨膨胀胀力力；然然后后逐逐级级减减压压，直直至至荷荷载载为为0 0，测测定定其其最最大大膨膨胀胀变变形形量量，膨膨胀胀变变形形量量与试件原始厚度的比值即为膨胀率。与试件原始厚度的比值即为膨胀率。第30页，此课件共81页哦 七、岩石的崩解性七、岩石的崩解性 岩石的崩解性是指岩石与水相互作用时失去粘结性并变岩石的崩解性是指岩石与水相互作用时失去粘结性并变为完全丧失强度的松散物质的性质。为完全丧失强度的松散物质的性质。岩石的崩解性一般用耐崩解指数岩石的崩解性一般用耐崩解指数 I Id2d2 的表示。其指标可在实的表示。其指标可在实验室用验室用干湿循环试验干湿循环试验确定。确定。试试验验过过程程：将将经经过过烘烘干干的的试试块块（500500g,g,分分成成约约1010块块），放放在在带带有有筛筛孔孔的的圆圆筒筒内内，使使该该圆圆筒筒在在水水槽槽中中以以2020r/min,r/min,连连续续旋旋转转10 10 min,min,然然后后将将留留在在圆圆筒筒内内的的岩岩块块取取出出烘烘干干称称重重，如如此此反反复复进进行行两两次次，按按下下试试计计算算耐耐崩崩解指数。解指数。第31页，此课件共81页哦式中：式中：I Id2 d2 两次循环试验求得的耐崩解指数，在两次循环试验求得的耐崩解指数，在0 0100%100%之间变化；之间变化；m md d试验前试块的烘干质量；试验前试块的烘干质量；m mr r残留在圆筒内试块的烘干质量；残留在圆筒内试块的烘干质量；W W1 1 试验前试件和圆筒的烘干重量；试验前试件和圆筒的烘干重量；W W2 2第二次循环后试件和圆筒的烘干重量；第二次循环后试件和圆筒的烘干重量；W W0 0试验结束冲洗干净后圆筒的烘干重量。试验结束冲洗干净后圆筒的烘干重量。岩岩石石的的崩崩解解性性指指数数反反映映了了岩岩石石在在浸浸水水和和温温度度变变化化的的环环境下抵抗风化作用的能力。境下抵抗风化作用的能力。七、岩石的崩解性七、岩石的崩解性第32页，此课件共81页哦 八、岩石的软化性八、岩石的软化性 岩岩石石的的软软化化性性是是指指岩岩石石在在饱饱水水状状态态下下其其强强度度相相对对于于干燥状态下降低的性能，可用软化系数干燥状态下降低的性能，可用软化系数c c表示表示。软软化化系系数数指指岩岩石石试试样样在在饱饱水水状状态态下下的的抗抗压压强强度度R Rcbcb与与在干燥状在干燥状态态下的抗下的抗压压强强度度R Rc c之比，即之比，即各各类类岩石的岩石的c c=0.45=0.450.90.9之之间间。c c 0.75,0.75,岩石软化性弱、抗水、抗风化能力强；岩石软化性弱、抗水、抗风化能力强；c c 0.75 0.75，岩石的工程地质性质较差。，岩石的工程地质性质较差。第33页，此课件共81页哦九、岩石的抗冻性九、岩石的抗冻性 岩岩石石的的抗抗冻冻性性是是指指岩岩石石抵抵抗抗冻冻融融破破坏坏的的性性能能，是是评评价价岩岩石抗石抗风风化化稳稳定性的重要指定性的重要指标标。岩岩石石的的抗抗冻冻性性用用抗抗冻冻系系数数C Cf f表表示示，指指岩岩石石试试样样在在25250 0C C的的温温度度期期间间内内，反反复复降降温温、冻冻结结、融融解解、升升温温，然然后后测测量量其其抗抗压压强强度度的的下下降降值值（R Rc c-R-Rcfcf）,以以此此强强度度下下降降值值与与融融冻冻试验试验前的抗前的抗压压强强度度R Rc c之比的百分比代表抗之比的百分比代表抗冻冻系数系数C Cf f ，即，即可见：可见：抗抗冻冻系数系数C Cf f 越小，岩石抗冻融破坏的能力越强。越小，岩石抗冻融破坏的能力越强。第34页，此课件共81页哦十、岩石的碎胀性十、岩石的碎胀性 岩岩石石破破碎碎后后的的体体积积V VP P比比原原体体积积V V增增大大的的性性能能称称为为岩岩石石的的碎碎胀胀性性，用碎，用碎胀胀系数系数来表示。来表示。碎碎胀胀系数不是一个固定系数不是一个固定值值，是随，是随时间时间而而变变化的。化的。永永久久碎碎胀胀系系数数（残残余余碎碎胀胀系系数数）不不能能再再压压密密时时的的碎碎胀胀系系数称数称为为永久碎永久碎胀胀系数系数.第35页，此课件共81页哦1.4 1.4 岩石的强度岩石的强度 概念：概念：岩石的强度岩石的强度：是指岩石抵抗破坏的能力。岩石在荷载作用下，发生破坏：是指岩石抵抗破坏的能力。岩石在荷载作用下，发生破坏时所承受的时所承受的最大荷载应力最大荷载应力就是岩石的强度。就是岩石的强度。岩石在单轴压缩荷载作用下，所能承受的最大压应力称为岩石的单岩石在单轴压缩荷载作用下，所能承受的最大压应力称为岩石的单轴抗压强度。轴抗压强度。岩石在单轴拉伸荷载作用下，所能承受的最大拉应力称为岩石的单岩石在单轴拉伸荷载作用下，所能承受的最大拉应力称为岩石的单轴抗拉强度。轴抗拉强度。岩石的强度决定于很多因素，岩石结构、风化程度、水、温度、围压岩石的强度决定于很多因素，岩石结构、风化程度、水、温度、围压大小、各向异性等都影响岩石的强度。大小、各向异性等都影响岩石的强度。第36页，此课件共81页哦一、岩石抗压强度一、岩石抗压强度1 1、岩石的单轴抗压强度、岩石的单轴抗压强度R RC C 端端部部效效应应,为为了了消消除除端端部部效效应应，国国际际岩岩石石力力学学学学会会推推荐荐采采用用高高径径比比（h/d)为为22.5的的试试件做抗压试验。件做抗压试验。破坏形态破坏形态:(1)单轴压力作用下试件的劈裂单轴压力作用下试件的劈裂.(2)单斜面剪切破坏单斜面剪切破坏.(3)多个共轭斜面剪切破坏多个共轭斜面剪切破坏第37页，此课件共81页哦2 2、岩石的三轴抗压强度、岩石的三轴抗压强度 岩石在三轴压缩下的极限应力为三轴抗压强度，它随围岩石在三轴压缩下的极限应力为三轴抗压强度，它随围压增大而升高。压增大而升高。第38页，此课件共81页哦 按照莫尔强度理论按照莫尔强度理论,可按下式计算三轴抗压强度可按下式计算三轴抗压强度:式中式中:R R1c1c 岩石的三轴抗压强度；岩石的三轴抗压强度；R Rc c岩石的单轴抗压强度；岩石的单轴抗压强度；岩石的内摩擦角。岩石的内摩擦角。第39页，此课件共81页哦二、岩石剪切强度二、岩石剪切强度 1 1、剪切面上无压应力的剪切试验、剪切面上无压应力的剪切试验第40页，此课件共81页哦试件尺寸：直径或边长不小于试件尺寸：直径或边长不小于50mm50mm，高度应等于直径或边长。，高度应等于直径或边长。改变改变P,P,即可测得多组即可测得多组、，作出，作出曲线。曲线。2 2、剪切面上有压应力的剪切试验、剪切面上有压应力的剪切试验第41页，此课件共81页哦3 3、斜剪试验、斜剪试验 根根据据力力的的平平衡衡原原理理，作作用用于于剪剪切切面面上上的的法法向向力力N N和和切切向向力力Q Q可可按按下式计算：下式计算：N=Pcos+Pfsin N=Pcos+Pfsin Q=Psin-Pfcos Q=Psin-Pfcos 剪剪切切面面上上的的法法向向应应力力和和剪剪应应力力为：为：第42页，此课件共81页哦第43页，此课件共81页哦（4 4）三轴压缩剪切试验）三轴压缩剪切试验抗剪强度曲线：抗剪强度曲线：=c+tg=c+tg第44页，此课件共81页哦三、岩石的单轴抗拉强度三、岩石的单轴抗拉强度 1 1、直接拉伸试验、直接拉伸试验第45页，此课件共81页哦 2 2、间接拉伸试验、间接拉伸试验圆饼试件：圆饼试件：A 劈裂法（巴西试验法）劈裂法（巴西试验法）第46页，此课件共81页哦 B 点荷载试验法点荷载试验法 经验公式：经验公式：式中：式中：P P破坏时的荷载，破坏时的荷载，N N；D D 试件直径；试件直径；cm。试件直径试件直径1.273.05cm岩石的抗拉强度远远小于其抗压强度，一般情况下，岩石的抗拉强度远远小于其抗压强度，一般情况下，第47页，此课件共81页哦岩石的变形是指岩石在物理因素作用下形状和大小的变化。工程上最常研究由于外力(例如在岩石上建造大坝)作用引起的变形或在岩石中开挖引起的变形。岩石的变形对工程建(构)筑物的安全和使用影响很大，因为当岩石产生较大位移时，建(构)筑物内部应力可能大大增加，因此研究岩石的变形在岩石工程中有着重要意义。1.5 1.5 岩石的变形岩石的变形弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形线弹性变形线弹性变形非线弹性变形非线弹性变形变形变形第48页，此课件共81页哦弹弹性性变变形形：指指物物体体在在外外力力作作用用下下发发生生变变形形，当当外外力力撤撤出出后后变变形形能够恢复的性质能够恢复的性质。塑塑性性变变形形：指指物物体体在在外外力力作作用用下下发发生生变变形形，当当外外力力撤撤出出后后变变形形不不能恢复的性质。能恢复的性质。脆性脆性：物体在外力作用下变形很小时就发生破坏的性质。：物体在外力作用下变形很小时就发生破坏的性质。延延性性：物物体体能能够够承承受受较较大大的的塑塑性性变变形形而而不不丧丧失失其其承承载载能能力力的的性性质。质。粘粘性性（流流变变性性）：物物体体受受力力后后变变形形不不能能在在瞬瞬间间完完成成，且且应应变变速度（速度（d/dtd/dt）随应力大小而变化的性质。）随应力大小而变化的性质。第49页，此课件共81页哦理想弹性体理想弹性体理想弹塑性体理想弹塑性体线性硬化弹塑性体线性硬化弹塑性体理想粘性体理想粘性体第50页，此课件共81页哦一、岩石在单轴压缩状态下的应力一、岩石在单轴压缩状态下的应力-应变曲线应变曲线 在刚性压力机上进行单轴压力试验可以获得完整的岩石应力应变全过程曲线，典型完整的岩石应力应变曲线则如右图所示的形式，这种曲线一般可分为四个区段：在OA区段内，曲线稍微向上弯曲，属于压密阶段，这期间岩石中初始的微裂隙受压闭合；在AB区段内，接近于直线，近似于线弹性工作阶段；BC区段内，曲线向下弯曲，属于非弹性阶段，主要是在平行于荷载方向开始逐渐生成新的微裂隙以及裂隙的不稳定，B点是岩石从弹性转变为非弹性的转折点；下降段CD为破坏阶段，C点的纵坐标就是单轴抗压强度Rc。第51页，此课件共81页哦对大多数岩石来说，在对大多数岩石来说，在AB这个区段内应力这个区段内应力应变曲线具有近似直线的形应变曲线具有近似直线的形式，这种应力式，这种应力应变关系可用下式表示应变关系可用下式表示=E，式中，式中，E是岩石的弹性模量，是岩石的弹性模量，即即OB线的斜率。线的斜率。如果岩石严格地遵循式如果岩石严格地遵循式=E的关系，那么这种岩石就是线弹性的的关系，那么这种岩石就是线弹性的(图图2-17a)，弹性力学的理论适用于这种岩石。，弹性力学的理论适用于这种岩石。如果某种岩石的应力如果某种岩石的应力应变关系不是直线，而是曲线，但应力与应变之间存应变关系不是直线，而是曲线，但应力与应变之间存在一一对应关系，则称这种岩石为完全弹性的在一一对应关系，则称这种岩石为完全弹性的(图图217b)。由于这时应力与。由于这时应力与应变的关系是一条曲线，所以没有唯一的模量，但对应于一点的应力应变的关系是一条曲线，所以没有唯一的模量，但对应于一点的应力值，都值，都有一个切线模量和割线模量。有一个切线模量和割线模量。切线模量切线模量就是该点在曲线上的切线的斜率就是该点在曲线上的切线的斜率d/d，而，而割线模量割线模量就是该点割线的斜率，它等于就是该点割线的斜率，它等于/。如果逐渐加载至某点，然后再逐渐卸载至零，应变也退至零。但卸荷曲线如果逐渐加载至某点，然后再逐渐卸载至零，应变也退至零。但卸荷曲线不走加载曲线的路线，这时产生了所谓不走加载曲线的路线，这时产生了所谓滞回效应滞回效应，卸载曲线上该点的切线斜，卸载曲线上该点的切线斜率就是相当于该应力的率就是相当于该应力的卸载模量卸载模量(图图217c)，这种岩石称为加卸形成回滞这种岩石称为加卸形成回滞环的弹性岩石。环的弹性岩石。第52页，此课件共81页哦如果不仅如果不仅卸载曲线卸载曲线不走加载不走加载曲线的路曲线的路线，而且线，而且应变也不应变也不恢复到零恢复到零(原点原点)，则，则称这种材料称这种材料为为弹塑性材弹塑性材料料(图图217d)。第53页，此课件共81页哦第三区段第三区段BC的起点的起点B往往是在往往是在C点最大应力值的点最大应力值的23处处，从，从B点开始，岩石中产生新的张拉裂点开始，岩石中产生新的张拉裂隙，岩石模量下降，应力隙，岩石模量下降，应力应变曲线的斜率应变曲线的斜率随着应力的增加而逐渐降低到零。随着应力的增加而逐渐降低到零。在这一范围在这一范围内，岩石将发生不可恢复的变形，加载与卸载的每次内，岩石将发生不可恢复的变形，加载与卸载的每次循环都是不同的曲线。循环都是不同的曲线。这阶段发生的变形中，能恢复这阶段发生的变形中，能恢复的变形叫弹性变形，而不可恢复的变形，称为的变形叫弹性变形，而不可恢复的变形，称为塑性变塑性变形或残余变形或永久变形形或残余变形或永久变形，如图，如图2-17(d)及图及图2-16中的卸载曲线中的卸载曲线PQ在零应力时还有残余变形在零应力时还有残余变形p。加载曲线与卸载曲线所组成的环叫做加载曲线与卸载曲线所组成的环叫做塑性滞回环塑性滞回环。弹性模量弹性模量E就是加载曲线直线段的斜率，而加载就是加载曲线直线段的斜率，而加载曲线直线段大致与卸载曲线的割线相平行。这曲线直线段大致与卸载曲线的割线相平行。这样，一般可将卸载曲线的割线的斜率作为弹性样，一般可将卸载曲线的割线的斜率作为弹性模量，而岩石的模量，而岩石的变形模量变形模量E0取决于总的变形量，取决于总的变形量，即取决于弹性变形与塑性变形之和，它是正应即取决于弹性变形与塑性变形之和，它是正应力力与总的正应变之比，在图与总的正应变之比，在图2-17d2-17d上，它相应上，它相应于割线于割线OP的斜率。的斜率。第54页，此课件共81页哦在在线线性性弹弹性性材材料料中中，变变形形模模量量等等于于弹弹性性模模量；量；在在弹弹塑塑性性材材料料中中，当当材材料料屈屈服服后后，其其变变形形模模量量不不是是常常数数，它它与与荷荷载载的的大大小小或或范范围围有有关关。在在应应力力应应变变曲曲线线上上的的任任何何点点与与坐坐标标原原点点相相连连的的割割钱钱的的斜斜率率，表表示示该该点点所所代代表表的的应应力力的的变变形形模模量量。如如果果岩岩石石上上再再加加载载，则则再再加加载载曲曲线线QR总总是是在在曲曲线线OABC以下，但最终与之连接起来。以下，但最终与之连接起来。第四区段第四区段CD、开始于应力、开始于应力应变曲线上的峰应变曲线上的峰值值C点，是下降曲线，在这一区段内卸载可能产点，是下降曲线，在这一区段内卸载可能产生很大的残余变形。图生很大的残余变形。图2-16中中ST表示卸载曲表示卸载曲线，线，TU表示再加载曲线。可以看出，表示再加载曲线。可以看出，TU线在线在比比S点低得多的应力值下趋近于点低得多的应力值下趋近于CD曲线。曲线。第55页，此课件共81页哦 (1)卸载应力水平一定时，每次循环卸载应力水平一定时，每次循环中的塑性应变增量逐渐减小，加、卸中的塑性应变增量逐渐减小，加、卸载循环次数足够多后，塑性应变增量载循环次数足够多后，塑性应变增量将趋于零。因此，可以认为所经历的将趋于零。因此，可以认为所经历的加、卸载循环次数愈多，岩石则愈接加、卸载循环次数愈多，岩石则愈接近弹性变形，如图近弹性变形，如图2-19所示。所示。(2)加卸载循环次数足够多时，卸载曲线加卸载循环次数足够多时，卸载曲线与其后一次再加载曲线之间所形成的滞回与其后一次再加载曲线之间所形成的滞回环的面积将愈变愈小，见愈靠拢而又愈趋环的面积将愈变愈小，见愈靠拢而又愈趋于平行，如图于平行，如图2-19所示。这表明加、卸载所示。这表明加、卸载曲线的斜率愈接近。曲线的斜率愈接近。二、反复加载和卸载条件下岩石的变形特性二、反复加载和卸载条件下岩石的变形特性第56页，此课件共81页哦v(3)如果多次反复加载、卸载如果多次反复加载、卸载循环，每次施加的最大荷载比循环，每次施加的最大荷载比前一次循环的最大荷载为大，前一次循环的最大荷载为大，则可得图则可得图2-20所示的曲线。随所示的曲线。随着循环次数的增加，塑性滞回着循环次数的增加，塑性滞回环的面积也有所扩大，卸载曲环的面积也有所扩大，卸载曲线的斜率线的斜率(它代表着岩石的弹它代表着岩石的弹性模量性模量)也逐次略有增加。这也逐次略有增加。这个现象称为强化。此外，每次个现象称为强化。此外，每次卸载后再加载，在荷载超过上卸载后再加载，在荷载超过上一次循环的最大荷裁以后，变一次循环的最大荷裁以后，变形曲线仍沿着原来的单调加载形曲线仍沿着原来的单调加载曲线上升曲线上升(图图2-16中的中的OC线线)，好像不曾受到反复加卸荷载，好像不曾受到反复加卸荷载的影响似的，这就是所谓的岩的影响似的，这就是所谓的岩石具有石具有记忆效应。记忆效应。第57页，此课件共81页哦 1 1、岩石在常规三轴试验条件下的变形特性、岩石在常规三轴试验条件下的变形特性三、三轴压缩状态下的岩石变形特性三、三轴压缩状态下的岩石变形特性 岩岩石石在在常常规规三三轴轴试试验验条条件件下下的的变变形形特特征征通通常常用用轴轴向向应应变变1 1与与主主应应力力差差(1 1-3 3)的的关关系系曲曲线线表示。表示。第58页，此课件共81页哦第59页，此课件共81页哦 2 2、岩石在真三轴试验条件下的变形特性、岩石在真三轴试验条件下的变形特性 岩石的真三轴试验在岩石的真三轴试验在2020世纪世纪6060年代才开始的。年代才开始的。(1)当当2=3时，随围压的增大，时，随围压的增大，岩石的塑性和岩石破坏时的强度、屈岩石的塑性和岩石破坏时的强度、屈服极限同时增大；服极限同时增大；(2)当当3为常数时，随着为常数时，随着2的增的增大，岩石的强度和屈服极限有所增大，岩石的强度和屈服极限有所增大，而岩石的塑性却减少了；大，而岩石的塑性却减少了；破坏破坏形式从延性向脆性变化；形式从延性向脆性变化；(3)当当2为常数时，随着为常数时，随着3的的增大，岩石的强度和塑性有所增增大，岩石的强度和塑性有所增大，但其屈服极限并无变化。大，但其屈服极限并无变化。破破坏形式从脆性向延性变化坏形式从脆性向延性变化第60页，此课件共81页哦 四四 岩石的扩容岩石的扩容 (一一)、岩石的扩容现象、岩石的扩容现象 岩岩石石的的扩扩容容现现象象是是岩岩石石具具有有的的一一种种普普遍遍性性质质，是是岩岩石石在在荷荷载载作用下，其破坏之前产生的一种明显的非弹性体积变形。作用下，其破坏之前产生的一种明显的非弹性体积变形。扩扩容容-所所谓谓扩扩容容,是是指指岩岩石石受受外外力力作作用用后后,发发生生非非弹弹性性的体积膨胀。的体积膨胀。多多数数岩岩石石在在破破坏坏前前都都要要产产生生扩扩容容，扩扩容容的的快快慢慢和和大大小小与与岩岩石石本本身的性质、种类及其它因素有关。身的性质、种类及其它因素有关。第61页，此课件共81页哦(二二)、岩石的体积应变、岩石的体积应变体积应变体积应变单位体积的改变，称为体积应变，单位体积的改变，称为体积应变，简称体应变。简称体应变。取一微小矩形岩石试件，取一微小矩形岩石试件，边长为边长为dx,dy,dz,dx,dy,dz,变形前的体积为变形前的体积为:v=dxdydz;v=dxdydz;变形后的体积为变形后的体积为：v v=（dx+dx+x xdx)(dy+dx)(dy+y ydy)(dz+dy)(dz+z zdz)dz)第62页，此课件共81页哦则体积应变为：则体积应变为：略去高阶微量，得：略去高阶微量，得：由虎克定律：由虎克定律：得：得：第63页，此课件共81页哦令令其中：其中：称为体积应力；称为体积应力；则上式为：则上式为：称为体积模量。称为体积模量。岩石在弹性范围内符合上述关系，故岩石的体积变形可岩石在弹性范围内符合上述关系，故岩石的体积变形可用（用（a)a)式表示。式表示。（a)a)第64页，此课件共81页哦(三三)、岩石的体积应变曲线、岩石的体积应变曲线体体积积应应变变VV0就就是是三三个个主