岩石力学讲义岩石的变形特征课件.ppt
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1、关于岩石力学讲义岩石的变形特征现在学习的是第1页,共57页第一节第一节 概述概述第二节第二节 单轴压缩下的岩石变形特征单轴压缩下的岩石变形特征第三节第三节 三轴压缩下的岩石变形特征三轴压缩下的岩石变形特征第四节第四节 岩石的流变特性岩石的流变特性主 要 内 容现在学习的是第2页,共57页第一节 概述o岩石变形的概念岩石变形的概念岩石的变形:是指岩石在任何物理因素作用下形状和大小的变化。工程最常研究的是由于力的影响所产生的变形。坝建在坝建在多种岩石多种岩石组成的岩基上,这些岩石的变形性质不同,则由于基岩的组成的岩基上,这些岩石的变形性质不同,则由于基岩的不均匀变不均匀变位位可以使坝体的剪应力和主
2、拉应力增长,造成开裂错位等不良后果。如果岩可以使坝体的剪应力和主拉应力增长,造成开裂错位等不良后果。如果岩基中岩石的变形性质已知并且在岩基内这此性质的变化也已确定,那么在坝基中岩石的变形性质已知并且在岩基内这此性质的变化也已确定,那么在坝施工中可以采取必要措施防止不均匀变形。施工中可以采取必要措施防止不均匀变形。o岩石变形对工程的影响岩石变形对工程的影响现在学习的是第3页,共57页按照岩石的应力按照岩石的应力-应变应变-时间关系,可将其力学属性划时间关系,可将其力学属性划分为分为弹性弹性、塑性塑性和和粘性粘性。dtd弹性弹性塑性塑性粘性粘性1.材料的变形性质现在学习的是第4页,共57页弹性弹性
3、:一定的应力范围内,物体受外力作用产生变形,而去除外力后一定的应力范围内,物体受外力作用产生变形,而去除外力后能够立即恢复其原有的形状和尺寸大小的性质。能够立即恢复其原有的形状和尺寸大小的性质。o产生的变形称为弹性变形产生的变形称为弹性变形o弹性按其应力和应变关系又可分为两种类型弹性按其应力和应变关系又可分为两种类型o具有弹性性质的物体称为弹性介质具有弹性性质的物体称为弹性介质o应力和应变呈直线关系应力和应变呈直线关系即线弹性(虎克型即线弹性(虎克型弹性、理想弹性)弹性、理想弹性)o应力应变呈非直线的非线性弹性应力应变呈非直线的非线性弹性弹性变形的概念现在学习的是第5页,共57页塑性塑性:物体
4、受力后产生变形,在外力去除后不能完全恢物体受力后产生变形,在外力去除后不能完全恢复原状的性质。复原状的性质。塑性变形的概念p 不能恢复的那部分变形称为不能恢复的那部分变形称为塑性变形塑性变形,或称永久变形、残,或称永久变形、残余变形。余变形。p 当物体既有弹性变形又有塑性变形,且具有明显的当物体既有弹性变形又有塑性变形,且具有明显的弹性后效弹性后效时,弹性变形和塑性变形就难以区别了。时,弹性变形和塑性变形就难以区别了。p 在外力作用下只发生塑性变形,或在一定的应力范围内只在外力作用下只发生塑性变形,或在一定的应力范围内只发生塑性变形的物体,称为塑性介质。发生塑性变形的物体,称为塑性介质。现在学
5、习的是第6页,共57页粘性粘性(viscosity):物体受力后变形不能在瞬时完成,且应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。应变速率变速率随应力增加而增加的性质,称为粘性。应变速率随应力变化的变形称为流动变形。随应力变化的变形称为流动变形。粘性与流变流变流变(rheology):材料的应力、应变随时间变化而变材料的应力、应变随时间变化而变化的现象。化的现象。现在学习的是第7页,共57页 岩石的变形特性常用弹性模量岩石的变形特性常用弹性模量E和泊松比和泊松比两个常数来表示。两个常数来表示。如果把岩石当作弹性体,用如果把岩石当作弹性体,用E、来描述岩石的变形特
6、性是足够的。来描述岩石的变形特性是足够的。但实际情况说明,仅仅用这些弹性常数来表征岩石的变形性质是不够的,因但实际情况说明,仅仅用这些弹性常数来表征岩石的变形性质是不够的,因为许多岩石的变形是非弹性的,即荷载卸去后岩石变形并不能够完全恢复。特为许多岩石的变形是非弹性的,即荷载卸去后岩石变形并不能够完全恢复。特别是在现场条件下岩石有裂隙、破碎层理岩,粘土夹层等,大多数岩体不是完别是在现场条件下岩石有裂隙、破碎层理岩,粘土夹层等,大多数岩体不是完全弹性的,对于这类岩石为了表征岩石的总的变形,常用变形模量全弹性的,对于这类岩石为了表征岩石的总的变形,常用变形模量E0和侧胀系和侧胀系数数0。岩石变形的
7、表示方法现在学习的是第8页,共57页2.岩石力学实验tpttpp现在学习的是第9页,共57页第二节第二节 单轴压缩条件下的岩块变形单轴压缩条件下的岩块变形1.1.单轴抗压试验单轴抗压试验2.2.连续加荷方式单轴压缩条件下的岩块变形连续加荷方式单轴压缩条件下的岩块变形 1)1)变形阶段的划分变形阶段的划分 2)2)变形参数变形参数3)3)峰值前的变形机理峰值前的变形机理 4)4)峰值后变形阶段峰值后变形阶段3.3.循环加载方式单轴压缩条件下的岩块变形循环加载方式单轴压缩条件下的岩块变形 现在学习的是第10页,共57页1.单轴抗压实验现在学习的是第11页,共57页单轴实验下岩石的变形现在学习的是第
8、12页,共57页2.连续加荷方式单轴压缩条件下的岩块变形oerarv典型的岩石应力-应变曲线:现在学习的是第13页,共57页oArarv空隙闭合应力空隙闭合应力:单轴压缩状态下使岩石中的空隙闭合单轴压缩状态下使岩石中的空隙闭合的最下应力。的最下应力。1)1)变形阶段的划分变形阶段的划分几个概念几个概念 现在学习的是第14页,共57页oABerarv比例弹性极限或弹性极限:比例弹性极限或弹性极限:应力应力-应变曲线保持直线关系应变曲线保持直线关系的极限应力的极限应力 1)1)变形阶段的划分变形阶段的划分几个概念几个概念 现在学习的是第15页,共57页oABCperarv屈服应力:屈服应力:单轴压
9、缩状态下岩石出现塑性变形的极限单轴压缩状态下岩石出现塑性变形的极限应力应力 1)1)变形阶段的划分变形阶段的划分几个概念几个概念 现在学习的是第16页,共57页oABCperarv扩容:扩容:压缩应力下岩石体积出现膨胀的现象称为岩石扩容压缩应力下岩石体积出现膨胀的现象称为岩石扩容.1)1)变形阶段的划分变形阶段的划分几个概念几个概念 现在学习的是第17页,共57页oABCDEcperaarv峰值强度:峰值强度:单轴压缩下岩石所能承受的最大应力称为单轴压缩下岩石所能承受的最大应力称为峰值强度。峰值强度。峰前峰前峰后峰后 1)1)变形阶段的划分变形阶段的划分几个概念几个概念 现在学习的是第18页,
10、共57页 空隙压密阶段空隙压密阶段(OA)弹性变形阶段弹性变形阶段(AB)微裂隙稳定发展阶段微裂隙稳定发展阶段(BC)微裂隙非稳定发展阶段微裂隙非稳定发展阶段(CD)破坏后阶段破坏后阶段(DE)oABCDEcperaarv峰前峰前峰后峰后1)1)变形阶段的划分变形阶段的划分五个阶段五个阶段现在学习的是第19页,共57页2)2)变形参数变形参数变形模量变形模量(modulus of deformation)是指单轴压缩条件下是指单轴压缩条件下,轴向压应力与轴向应变之比,轴向压应力与轴向应变之比。应力应力-应变曲线为直线应变曲线为直线型,这时变形模量又称为弹性模量。型,这时变形模量又称为弹性模量。
11、oLiiEii现在学习的是第20页,共57页2)2)变形参数变形参数:应力应力-应变关系不成直线应变关系不成直线岩石的变形特征可以用以下几种模量说明:岩石的变形特征可以用以下几种模量说明:a0Mmm0ddEi 初始模量:初始模量:曲线原点处切线斜率曲线原点处切线斜率 切线模量:切线模量:曲线上任一点处切线的斜率曲线上任一点处切线的斜率 割线模量:割线模量:曲线上某点与原点连线的斜率曲线上某点与原点连线的斜率mddEtmmsE现在学习的是第21页,共57页2)2)变形参数变形参数变形参数的一般确定方法变形参数的一般确定方法:实验数据分析实验数据分析 Lo2501i1502iiiiE1212tE5
12、050iE弹性模量:弹性段的斜率割线模量:极限强度50%所对应点的斜率初始模量:初始段应力-应变曲线的切线的斜率现在学习的是第22页,共57页变形参数测定的动力法变形参数测定的动力法 设岩石为均质、各向同性、弹性体,则弹性波在岩体介质中传播的纵波速度和横波速度可以用下列公式表示:1112ddpddEV12 1dsdEV纵波速度:横波速度:现在学习的是第23页,共57页变形参数测定的动力法变形参数测定的动力法 根据上述两个式子可以推导得出由纵横波速度表示的动态弹性模量和泊松比:2222/22/1psdpsVVVV22 1ddsEV与实验室内测得的静态弹性模量和静态泊松比相比:25%30%dEE差
13、值d现在学习的是第24页,共57页3)3)峰值前的变形机理峰值前的变形机理o米勒米勒(Miller)根据岩石的应力根据岩石的应力-应变曲线随着岩石的性质应变曲线随着岩石的性质有各种不同形式的特点,采用有各种不同形式的特点,采用28种岩石进行了大量的单种岩石进行了大量的单轴试验后,将岩石的应力轴试验后,将岩石的应力-应变曲线分成应变曲线分成6种类型种类型现在学习的是第25页,共57页类型类型类型类型类型类型弹性关系弹性关系弹弹-塑性塑性塑塑-弹性弹性塑塑-弹弹-塑性塑性弹弹-塑塑-蠕变性蠕变性塑塑-弹弹-塑性塑性现在学习的是第26页,共57页3)3)峰值前的变形机理峰值前的变形机理类型类型:弹性
14、关系:弹性关系是一直线或者近似直线,直到试样发生突然破坏是一直线或者近似直线,直到试样发生突然破坏为止。为止。典型岩石:玄武岩、石英岩、白云岩以及极坚固的石灰岩。典型岩石:玄武岩、石英岩、白云岩以及极坚固的石灰岩。类型类型:弹:弹-塑性塑性在应力较低时,近似于直线;应力增加到一在应力较低时,近似于直线;应力增加到一定数值后,应力定数值后,应力-应变曲线向下弯曲变化,且随着应力逐渐增加应变曲线向下弯曲变化,且随着应力逐渐增加,曲线斜率也愈来愈小,直至破坏。,曲线斜率也愈来愈小,直至破坏。典型岩石:石灰岩、泥岩、凝典型岩石:石灰岩、泥岩、凝灰岩。灰岩。类 型类 型类 型类 型类 型类 型现在学习的
15、是第27页,共57页3)3)峰值前的变形机理峰值前的变形机理类型类型:塑:塑-弹性弹性应力较低时,曲线略向上弯,应力增加到一定数应力较低时,曲线略向上弯,应力增加到一定数值逐渐变为直线,直至试样破坏。值逐渐变为直线,直至试样破坏。典型岩石:花岗岩、片理平行于压典型岩石:花岗岩、片理平行于压力方向的片岩以及某些辉绿岩。力方向的片岩以及某些辉绿岩。类型类型:塑:塑-弹弹-塑性塑性压力较低时,曲线向上弯曲;压力增加到压力较低时,曲线向上弯曲;压力增加到一定值后,曲线就成为直线;最后,曲线向下弯曲;曲线似一定值后,曲线就成为直线;最后,曲线向下弯曲;曲线似S S形形。典型岩石:大理岩、片麻岩。典型岩石
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