岩石力学讲义岩石变形.ppt
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1、岩岩 石石 力力 学学Rock Mechanics 主讲教师:蔚宝华主讲教师:蔚宝华联系电话:联系电话:电子邮箱:电子邮箱:办公地点:研修大厦办公地点:研修大厦909909岩石变形性质岩石变形性质第一节 概述第二节 单轴压缩下的岩石变形特征第三节 三轴压缩下的岩石变形特征第四节 岩石的流变特性一、材料的变形性质一、材料的变形性质二、岩石力学实验二、岩石力学实验第一节第一节 概述概述一、材料的变形性质一、材料的变形性质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
2、的变形。最常研究的是由于力的影响所产生的变形。坝建在多种岩石组成的岩基上,这些岩石的变形性质不同,则由于坝建在多种岩石组成的岩基上,这些岩石的变形性质不同,则由于基岩的不均匀变位可以使坝体的剪应力和主拉应力增长,造成开裂基岩的不均匀变位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,那么在坝施工中可以采取必要措施防止不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一、材料的变形性质一、材料的变形
3、性质o按照岩石的应力按照岩石的应力-应变应变-时间关系,可将其力时间关系,可将其力学属性划分为弹性、塑性和粘性。学属性划分为弹性、塑性和粘性。弹性弹性塑性塑性粘性粘性一、材料的变形性质一、材料的变形性质o弹性:一定的应力范围内,物体受外力作用产生变形,而弹性: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
4、变呈直线关系应力和应变呈直线关系即线弹性或虎即线弹性或虎克型弹性或理想弹性克型弹性或理想弹性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一、材料的变形性质一、材料的变形性质o塑性:物体受力后产生变形,在外力去除后不能塑性: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完全恢复原状的性质n不能恢复的那部分变形称为塑性变形,或称永久变不能恢复的那部分变形称为塑性变形,或称永久变形、残余变形形、残余变形n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时,弹性变形和塑性变形就难以区别了弹性后效时,弹性变形和塑性变形就难以区别了n在
5、外力作用下只发生塑性变形,或在一定的应力范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,称为塑性介质围内只发生塑性变形的物体,称为塑性介质一、材料的变形性质一、材料的变形性质o粘性粘性(viscosity)物体受力后变形不能在瞬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。应变速率随应力变化的变形质,称为粘性。应变速率随应力变化的变形称为流动变形。称为流动变形。一、材料的变形性质一、材料的变形性质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 E和泊松比和泊松比两个常数来表示。如果把岩两个常数来表
6、示。如果把岩石当作弹性体,用石当作弹性体,用E E、来描述岩石的变形特性是足够的,因为根据弹来描述岩石的变形特性是足够的,因为根据弹性理论的知识,可以解决岩石力学的有关问题,但实际情况说明,仅性理论的知识,可以解决岩石力学的有关问题,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。特别是变形是非弹性的,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,大多数岩体不在现场条件下岩石有裂隙、破碎层理岩,粘土夹层等,
7、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,常用变形模量量E0E0和侧胀系数和侧胀系数0 0。二二 岩石力学实验岩石力学实验tpttpp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一、单轴抗压试验一、单轴抗压试验二、连续加荷方式单轴压缩条件下的岩块变形二、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三、循环加载三、循环加载方式单轴压缩条件下的岩块变形方式单轴压缩条件下
8、的岩块变形 一、单轴抗压试验一、单轴抗压试验一、单轴抗压试验一、单轴抗压试验28岩芯全应岩芯全应力应变曲线力应变曲线15岩心全应岩心全应力应变曲线力应变曲线二、连续加荷方式单轴压缩条件下的岩块变形二、连续加荷方式单轴压缩条件下的岩块变形oA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的最下应力单轴压缩状态下使岩石中的空隙闭合的最下应力1 1、变形阶段的划分、变形阶段的划分几个概念几个概念 oAB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的极限应力应变曲线保持直线关系的极限应力1 1、变形阶段的划分、变形阶段的划分几个概念几个概念 oABC屈服应力屈
9、服应力:单轴压缩状态下岩石出现塑性变形的极限应力单轴压缩状态下岩石出现塑性变形的极限应力1 1、变形阶段的划分、变形阶段的划分几个概念几个概念 oABC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 oABCDE峰值强度峰值强度:单轴压缩下岩石所能承受的最大应力成为峰值强度单轴压缩下岩石所能承受的最大应力成为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 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(B
10、C)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)oABCDE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2 2 变形参数变形参数o变形模量变形模量(modulus of deformation)是指单轴是指单轴压缩条件下,轴向压应力与轴向应变之比压缩条件下,轴向压应力与轴向应变之比。应力应力-应变曲线为直线型,这时变形模量又称为弹性模量应变曲线为直线型,这时变形模量又称为弹性模量oLii2 2 变形参数变形参数应力应变关系不成直线应力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:0M 初始模
11、量:曲线原点处切线斜率初始模量:曲线原点处切线斜率 切线模量:曲线上任一点处切线的斜率切线模量: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 Lo2501i1502i3 3 峰值前的变形机理峰值前的变形机理o米勒米勒(Miller)(Miller)根据岩石的应力根据岩石的应力-应变曲线随着应变曲线随着岩石的性质有各种不同形式的特点,采用岩石的性质有各种不同形式的特点,采用2828种岩石进行了大量的单轴试验后,将岩石的种岩石进行了大量的单轴试验后,将岩石的应力应力-应变曲线分
12、成应变曲线分成6 6种类型种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3 3 峰值前的变形机理峰值前的变形机理类型类型:弹性关系:弹性关系是一直线或者近似直线,直到试样发生突然破坏为是一直线或者近似直线,直到试样发生突然破坏为止。典型岩石:玄武岩、石英岩、白云岩以及极坚固的石灰岩。止。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;应力增加到一定数值在应力较低时,近似于直线;应力增加到一定数值后,应力后,应力-应变曲线向下弯曲变化,且随着应力逐渐增加,曲线斜率也应变曲线
13、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。典型岩石:石灰岩、泥岩、凝灰岩愈来愈小,直至破坏。典型岩石:石灰岩、泥岩、凝灰岩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,应力增加到一定数值应力较低时,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。典型岩石:花岗岩、片理平行于压力方逐渐变为直线,直至试样破坏。典型岩石:花岗岩、片理平行于压力方向的片岩以及某些辉绿岩。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;压力增加到一定值压力较低时,曲线向上弯曲;压力增加到一定值后,曲线就成为
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