岩体力学 岩石的变形性质幻灯片.ppt

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1、岩体力学 岩石的变形性质1第1页，共44页，编辑于2022年，星期六 岩石变形性质的几个基本概念岩石变形性质的几个基本概念1 1）弹性弹性(elasticity)(elasticity)：物体在受外力作用的瞬间即产生全部变形，物体在受外力作用的瞬间即产生全部变形，而去除外力而去除外力(卸载卸载)后又能立即恢复其原有形状和尺寸的性质称为弹后又能立即恢复其原有形状和尺寸的性质称为弹性。性。弹性体按其应力应变关系又可分为两种类型：弹性体按其应力应变关系又可分为两种类型：线弹性体：线弹性体：应力应变呈直线关系应力应变呈直线关系,=E=E非线性弹性体：非线性弹性体：应力应力应变呈非直线的关系应变呈非直线

2、的关系,=f(=f()2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（2/442/44）第2页，共44页，编辑于2022年，星期六2 2）塑性（塑性（plasticityplasticity）：物体受力后产生变形，在外力去除（卸载）后变：物体受力后产生变形，在外力去除（卸载）后变形不能恢复的性质，称为塑性。形不能恢复的性质，称为塑性。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，或称永久变形，残余变形永久变形，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。理想塑性。理想塑性体，当应力低于屈服极限时，材料没有变

3、形，应力达到后，变形不体，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断增大而应力不变，应力应变曲线呈水平直线.理想塑性体理想塑性体的应力应变关系的应力应变关系:当当 BAB，会产生岩爆，会产生岩爆若若BABA，不产生岩爆，不产生岩爆。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（29/4429/44）第29页，共44页，编辑于2022年，星期六预测蠕变破坏。预测蠕变破坏。当应力水平在当应力水平在H H点以下时保持应力恒定，岩石试件不会发生蠕变。点以下时保持应力恒定，岩石试件不会发生蠕变。应力水平在应力水平在G G H H点之间保持恒定。蠕变应

4、变发展会和蠕变终止轨迹相交，点之间保持恒定。蠕变应变发展会和蠕变终止轨迹相交，蠕变将停止，岩石试件不会破坏。蠕变将停止，岩石试件不会破坏。若应力水平在若应力水平在G G点及以上保持恒定，则蠕变应变发展就和全应力点及以上保持恒定，则蠕变应变发展就和全应力应变应变曲线的右半部，试件将发生破坏。曲线的右半部，试件将发生破坏。蠕变终止轨迹线：蠕变终止轨迹线：即在不同应力水平即在不同应力水平下蠕变终止点的连线，由大量试验获得，下蠕变终止点的连线，由大量试验获得，表示在试件加载到一定的应力水平后，表示在试件加载到一定的应力水平后，保持应力恒定，试件将发生蠕变。在适保持应力恒定，试件将发生蠕变。在适当的应力

5、水平下蠕变发展到一定程度，当的应力水平下蠕变发展到一定程度，即应变达到某一值时，蠕变就停止了，即应变达到某一值时，蠕变就停止了，岩石试件处于稳定状态。岩石试件处于稳定状态。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（30/4430/44）第30页，共44页，编辑于2022年，星期六预测循环加载条件下岩石的破坏。预测循环加载条件下岩石的破坏。循环荷载：爆破，而且是动荷载。循环荷载：爆破，而且是动荷载。在高应力水平下循环加载，岩石在很短时间内就破坏。如在高应力水平下循环加载，岩石在很短时间内就破坏。如ABAB在低应力水平下循环加载，岩石可以经历相对较长一段时间，岩石在低应力水平下循环加载，岩石可

6、以经历相对较长一段时间，岩石工程才会发生破坏。工程才会发生破坏。所以，根据岩石受力水平，循环荷载的大小、周期、全应力所以，根据岩石受力水平，循环荷载的大小、周期、全应力应变曲线来应变曲线来预测循环加载条件下岩石破坏时间。预测循环加载条件下岩石破坏时间。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（31/4431/44）第31页，共44页，编辑于2022年，星期六三轴压缩条件下的岩石变形特征三轴压缩条件下的岩石变形特征如图所示的如图所示的大理岩大理岩，在围压为零或较，在围压为零或较低的情况下，岩石呈低的情况下，岩石呈脆性脆性状态；状态；当围压增大至当围压增大至50MPa50MPa时，岩石显示出时

7、，岩石显示出由由脆性到塑性转化脆性到塑性转化的过渡状态：的过渡状态：把岩石由脆性转化为塑性的临界围压把岩石由脆性转化为塑性的临界围压称为称为转化压力转化压力。围压增加到围压增加到68.5MPa68.5MPa时，呈现出时，呈现出塑性流动塑性流动状态状态；围压增至围压增至165MPa165MPa时时,试件承载力则随围试件承载力则随围压稳定增长，出现所谓压稳定增长，出现所谓应变硬化现象应变硬化现象。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（32/4432/44）第32页，共44页，编辑于2022年，星期六围压对岩石变形的影响围压对岩石变形的影响随着围压的增大，岩石的随着围压的增大，岩石的抗压强度

8、抗压强度显显著增加；著增加；随着围压的增大，岩石的随着围压的增大，岩石的变形变形显著显著增大；增大；随着围压的增大，岩石的随着围压的增大，岩石的弹性极限弹性极限显著增大；显著增大；随着围压的增大，岩石的应力随着围压的增大，岩石的应力应变应变曲线曲线形态发生明显改变；形态发生明显改变；岩石的性质岩石的性质发生了变化：由弹脆性发生了变化：由弹脆性弹塑性弹塑性应应变硬化。变硬化。花岗岩花岗岩应力应变曲线应力应变曲线2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（33/4433/44）第33页，共44页，编辑于2022年，星期六岩石的扩容岩石的扩容扩容：扩容：当外力继续增加，岩石试件的体积不是当外力继续

9、增加，岩石试件的体积不是减小，而是大幅度增加，且增长速率越来越大，减小，而是大幅度增加，且增长速率越来越大，最终将导致岩石试件的破坏，这种体积明显扩最终将导致岩石试件的破坏，这种体积明显扩大的现象称为扩容大的现象称为扩容 。实验表明：实验表明：体积应变曲线可以分为三个阶段：体积应变曲线可以分为三个阶段：体积变形阶段体积变形阶段 体积应变在弹性阶段内随应力增加体积应变在弹性阶段内随应力增加而呈线性变化（体积减小），在此阶段内，轴向压缩而呈线性变化（体积减小），在此阶段内，轴向压缩应变大于侧向膨胀。称为体积变形阶段。在此阶段后应变大于侧向膨胀。称为体积变形阶段。在此阶段后期，随应力增加，岩石的体积

10、变形曲线向左转弯，开期，随应力增加，岩石的体积变形曲线向左转弯，开始偏离直线段，出现扩容。始偏离直线段，出现扩容。在一般情况下，在一般情况下，岩石开始出现扩容时的应力约为其岩石开始出现扩容时的应力约为其抗压强度的抗压强度的1/31/31/21/2左右。左右。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（34/4434/44）第34页，共44页，编辑于2022年，星期六体积不变阶段体积不变阶段 在这一阶段内，随着应力的在这一阶段内，随着应力的增加，岩石虽有变形，但体积应变增量近于零，增加，岩石虽有变形，但体积应变增量近于零，即岩石体积大小几乎没有变化。即岩石体积大小几乎没有变化。在此阶段内可认为

11、轴向压缩应变等于侧向膨胀，因此在此阶段内可认为轴向压缩应变等于侧向膨胀，因此称为体积不变阶段。称为体积不变阶段。扩容阶段扩容阶段 当外力继续增加，岩石试件的体当外力继续增加，岩石试件的体积不是减小，而是大幅度增加，且增长速率越积不是减小，而是大幅度增加，且增长速率越来越大，最终将导致岩石试件的破坏，这种体来越大，最终将导致岩石试件的破坏，这种体积明显扩大的现象称为扩容，此阶段称为扩容积明显扩大的现象称为扩容，此阶段称为扩容阶段。阶段。在此阶段内，当试件临近破坏时，两侧向膨胀变形在此阶段内，当试件临近破坏时，两侧向膨胀变形之和超过最大主应力方向上的压缩变形值。之和超过最大主应力方向上的压缩变形值

12、。这时，岩石试件的泊松比已经不是一个常量。这时，岩石试件的泊松比已经不是一个常量。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（35/4435/44）第35页，共44页，编辑于2022年，星期六影响岩石力学性质的主要因素影响岩石力学性质的主要因素1)1)水水对岩石力学性质的影响对岩石力学性质的影响 结合水：产生三种作用：连结作用、润滑作用、水楔作用。结合水：产生三种作用：连结作用、润滑作用、水楔作用。连结作用：连结作用：将矿物颗粒拉近、接紧，起连结作用。将矿物颗粒拉近、接紧，起连结作用。润滑作用：可溶盐溶解，胶体水解，使原有的连结变成水胶连结润滑作用：可溶盐溶解，胶体水解，使原有的连结变成水胶

13、连结，导致，导致矿物颗粒间连结力减弱，摩擦力减低，水起到润滑剂的作用。矿物颗粒间连结力减弱，摩擦力减低，水起到润滑剂的作用。水楔作用：水楔作用：当两个矿物颗粒靠得很近，有水分子补充到矿物表面时，矿当两个矿物颗粒靠得很近，有水分子补充到矿物表面时，矿物颗粒利用其表面吸着力将水分子拉到自己周围，在两个颗粒接触处由物颗粒利用其表面吸着力将水分子拉到自己周围，在两个颗粒接触处由于吸着力作用使水分子向两个矿物颗粒之间的缝隙内挤入。于吸着力作用使水分子向两个矿物颗粒之间的缝隙内挤入。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（36/4436/44）第36页，共44页，编辑于2022年，星期六当岩石受压时

14、：当岩石受压时：如压应力大于吸着力，水分子就被压力从接触点中挤出。如压应力大于吸着力，水分子就被压力从接触点中挤出。反之如压应力减小至低于吸着力，水分子就又挤入两颗粒之间，使两颗粒反之如压应力减小至低于吸着力，水分子就又挤入两颗粒之间，使两颗粒间距增大。间距增大。这样便产生这样便产生两种结果两种结果：一是岩石体积膨胀，如岩石处于不可变形的条件，便：一是岩石体积膨胀，如岩石处于不可变形的条件，便产生膨胀压力；二是水胶连结代替胶体及可溶盐连结，产生润滑作用，岩石产生膨胀压力；二是水胶连结代替胶体及可溶盐连结，产生润滑作用，岩石强度降低。强度降低。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（37/

15、4437/44）第37页，共44页，编辑于2022年，星期六重力水：重力水：对岩石力学性质的影响主要表现在对岩石力学性质的影响主要表现在孔隙水压力作用和溶蚀、孔隙水压力作用和溶蚀、潜蚀作用。潜蚀作用。孔隙压力作用：孔隙压力作用：孔隙压力，孔隙压力，减小了颗粒之间的压应力，从而降低了减小了颗粒之间的压应力，从而降低了岩石的抗剪强度岩石的抗剪强度，使岩石的，使岩石的微裂隙端部处于受拉状态微裂隙端部处于受拉状态从而破坏岩石的从而破坏岩石的连结。连结。溶蚀潜蚀作用：溶蚀潜蚀作用：岩石中渗透水在其流动过程中可将岩石中岩石中渗透水在其流动过程中可将岩石中可溶物质可溶物质溶解带走溶解带走，有时将岩石，有时将

16、岩石中小颗粒冲走中小颗粒冲走，使岩石强度大为降低，变形加，使岩石强度大为降低，变形加大。大。除了上述五种作用外，水在除了上述五种作用外，水在冻融冻融时的时的胀缩作用胀缩作用对对岩石力学强度破坏岩石力学强度破坏很大。很大。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（38/4438/44）第38页，共44页，编辑于2022年，星期六2)2)温度温度对岩石力学性质的影响对岩石力学性质的影响 一般地热每增加一般地热每增加100100米深度，温度升高米深度，温度升高33。高硫矿山、自燃矿物温度高高硫矿山、自燃矿物温度高地下深部研究、核废料处理研究地下深部研究、核废料处理研究一般来说，一般来说，随着温度

17、的增高，岩石的延性加大，屈服点降低，强度降低。随着温度的增高，岩石的延性加大，屈服点降低，强度降低。如图所示即为三种不同岩石在围压为如图所示即为三种不同岩石在围压为500MPa500MPa，温度由，温度由2525升高到升高到800800时应力应变特时应力应变特征。征。玄武岩玄武岩 花岗岩花岗岩 白云岩白云岩 2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（39/4439/44）第39页，共44页，编辑于2022年，星期六3)3)加载速率加载速率对岩石力学性质的影响对岩石力学性质的影响 加载速率愈大，弹性模量愈大；加载速率愈大，弹性模量愈大；加荷速率愈小，弹性模量愈小。加荷速率愈小，弹性模量愈小。

18、加载速率越大，获得的强度指标值越高。加载速率越大，获得的强度指标值越高。国际岩石力学学会（国际岩石力学学会（ISRMISRM）建议：建议：加载速率为加载速率为0.5-1MPa/0.5-1MPa/秒，一般从开始试验直至试件破坏的时间为秒，一般从开始试验直至试件破坏的时间为510510分钟。分钟。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（40/4440/44）第40页，共44页，编辑于2022年，星期六4)4)围压围压对岩石力学性质的影响对岩石力学性质的影响 由三轴压缩试验可知：由三轴压缩试验可知：岩石的脆性和塑性并非岩石固有的性质，它与其受力状态有关，随岩石的脆性和塑性并非岩石固有的性质，它

19、与其受力状态有关，随着受力状态的改变，其脆性和塑性是可以相互转化的。着受力状态的改变，其脆性和塑性是可以相互转化的。在三轴压缩条件下，岩石的变形、强度和弹性极限都有显著增大。在三轴压缩条件下，岩石的变形、强度和弹性极限都有显著增大。例如：欧洲阿尔卑斯山的山岭隧道穿过很坚硬的花岗岩，由于山势陡峭，花例如：欧洲阿尔卑斯山的山岭隧道穿过很坚硬的花岗岩，由于山势陡峭，花岗岩处于很高的三维地应力状态下，表现出明显的塑性变形。岗岩处于很高的三维地应力状态下，表现出明显的塑性变形。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（41/4441/44）第41页，共44页，编辑于2022年，星期六5)5)风化风化

20、对岩石力学性质的影响对岩石力学性质的影响 风化作用：是一种表生的自然营力和人类作用的共同产物，是一种风化作用：是一种表生的自然营力和人类作用的共同产物，是一种很复杂的地质作用，将涉及到气温、大气、水分、生物、原岩的成很复杂的地质作用，将涉及到气温、大气、水分、生物、原岩的成因、原岩的矿物成分、原岩的结构和构造等诸因素的综合作用。因、原岩的矿物成分、原岩的结构和构造等诸因素的综合作用。风化作用降低岩体的物理力学性质风化作用降低岩体的物理力学性质：降低岩体结构面的粗糙程度降低岩体结构面的粗糙程度,产生新的裂隙，破坏岩体的完整性。产生新的裂隙，破坏岩体的完整性。岩石结构连结被削弱岩石结构连结被削弱,

21、坚硬岩石变为半坚硬岩石、疏松土。坚硬岩石变为半坚硬岩石、疏松土。在化学风化过程中，矿物成分发生变化，原生矿物经受水解、水化、氧在化学风化过程中，矿物成分发生变化，原生矿物经受水解、水化、氧化等作用，逐渐为次生矿物，特别是产生粘土矿物（如蒙脱石、高岭石等）化等作用，逐渐为次生矿物，特别是产生粘土矿物（如蒙脱石、高岭石等）。成分结构和构造的变化成分结构和构造的变化,导致抗水性降低、亲水性增高（如膨胀性、导致抗水性降低、亲水性增高（如膨胀性、崩解性、软化性增强）；力学强度降低，压缩性加大。崩解性、软化性增强）；力学强度降低，压缩性加大。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（42/4442/4

22、4）第42页，共44页，编辑于2022年，星期六风化作用程度的评价方法：风化作用程度的评价方法：19641964年以来，水电部成都勘察设计研究院科研所提出用年以来，水电部成都勘察设计研究院科研所提出用岩石风化程度系数岩石风化程度系数(K(Ky y)来评定岩石的风化程度。来评定岩石的风化程度。K Ky y (K(Kn n K Kr r K Kw w)/3)/3 式中：式中：K Kn n=n=n1 1/n/n2 2 (孔隙率系数孔隙率系数)；K Kr r=r=r2 2/r/r1 1 (强度系数强度系数)；K Kw w=1 1/2 2 (吸水率系数吸水率系数)；n n1 1，r r1 1，1 1新鲜

23、岩石的孔隙率、抗压强度、吸水率；新鲜岩石的孔隙率、抗压强度、吸水率；n n2 2，r r2 2，2 2风化岩石的孔隙率、抗压强度、吸水率；风化岩石的孔隙率、抗压强度、吸水率；2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（43/4443/44）第43页，共44页，编辑于2022年，星期六 岩石风化程度分级岩石风化程度分级如下如下:K Ky y0.10.1剧风化剧风化 K Ky y0.10.10.35 0.35 强风化强风化 K Ky y0.350.350.650.65 弱风化弱风化 K Ky y0.650.650.900.90微风化微风化 K Ky y0.900.901.001.00 新鲜岩石新鲜岩石注意：注意：(1)(1)用上述分级法与地质上肉眼判断等级进行对比用上述分级法与地质上肉眼判断等级进行对比,大多是吻合的大多是吻合的,所以采所以采用以地质定性评价为基础用以地质定性评价为基础,再用定量分级加以补充再用定量分级加以补充,可以消除人为的误可以消除人为的误差差;(2)(2)岩石风化程度岩石风化程度K Ky y的概念，是表示岩石风化程度深浅的一个相对指标，不是绝的概念，是表示岩石风化程度深浅的一个相对指标，不是绝对值。对值。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（44/4444/44）第44页，共44页，编辑于2022年，星期六