中矿岩石力学-第二章.ppt

2019/8/8,1,第二章 岩石的基本物理力学性质,本章内容 岩石的基本物理性质； 岩石的强度特性； 岩石的变形特性； 岩石的强度理论。 基本要求 掌握岩石的基本物理性质，理解岩石的变形性质； 掌握岩石的强度特性； 掌握莫尔强度理论、库伦莫尔强度理论； 了解格里菲斯理论；,2019/8/8,2,第二章 岩石的基本物理力学性质,第一节 基本物理性质 第二节 岩石的强度特性 第三节 岩石的变形特性 第四节 岩石的强度理论,主要内容,2019/8/8,3,基本物理性质 一、岩石的孔隙性 二、岩石的水理性 三、岩石的抗冻性 四、岩石的质量指标,返回,岩石含：固相、液相、气相（孔隙）。,三相比例不同，物理性质指标也有所不同。,联系,2019/8/8,4,岩石的强度性质 一、岩石的单轴抗压强度 二、岩石的三轴抗压强度 三、岩石的抗剪强度 四、岩石的抗拉强度,返回,岩石强度: 岩石材料受力破坏时所能承受的最大荷载应力,本节讨论问题,工程师对材料提出两个问题 1. 最大承载力许用应力 ？ 2. 最大允许变形 许用应变？,试验方法,2019/8/8,5,岩石的变形特性（弹，塑，粘） 一、岩石在单轴压缩作用下的变形特性 （1）普通试验机下的变形特性 （2）刚性试验机下的单向压缩的变形特性 二 岩石在三轴压应力下的变形特性 三、岩石的流变特性,返回,2019/8/8,6,一、岩石的孔隙性：,（一）孔隙比,VV孔隙体积(m3) Vs 岩石固体的体积(m3),（二）孔隙率,V=VV+Vs,返回,反映孔隙发育程度的指标,V包含孔隙在内的岩石体积(m3),2019/8/8,7,二、岩石的水理性质,（一）含水性,1、含水量：岩石孔隙中含水量(WW)与岩石烘干重量(Ws)比值的百分率,w=Ww/Ws100,2、吸水率：干燥岩石试样在一个大气压和室温条件下吸入水的重量与岩石烘干重量之比,吸水率是一个间接反映岩石内孔隙多少的指标,W0烘干岩样浸水48h后的湿重(kN),含水性 膨胀性 软化性 渗透性 耐崩解性,Ws：在105-110C温度下烘干24小时的重量(kN),2019/8/8,8,（二）渗透性,渗透性：在一定的水压作用下，岩石的孔隙和裂隙透过 水的能力，可用渗透系数来衡量。,渗透系数是介质对某种特定流体的渗透能力，取决于岩体物理特性和结构特征，如孔隙和裂隙大小，开闭程度以及连通情况等,大多渗透性可用达西（Darcy）定律描述：,水头变化率；,qx沿x方向水的流量，m3/s ；h水头高度，m； A垂直x方向的截面面积，m2；k渗透系数，m/s。,2019/8/8,9,(四) 软化系数,Rcw饱和单轴抗压强度； Rc干燥单轴抗压强度； （1）越小，表示岩石受水的影响越大(见表2-2）。,轴向自由膨胀 （%） H试件高度 径向自由膨胀 （%） D直径,（三）岩石的膨胀性,自由膨胀率：无约束条件下，浸水后膨胀变形与原尺寸之比,2019/8/8,10,11,2019/8/8,(五) 耐崩解性,试验时，将烘干的试块，约500g，分成10份，放入带有筛孔(2mm)的圆筒内，使圆筒在水槽中以20rmin速度连续转10分钟，然后将留在圆筒内的石块取出烘干称重。如此反复进行两次，按下式计算耐崩解性指数：,残留在筒内的试件烘干质量mR 试验前的试件烘干质量(mS),耐崩解性指数是通过对岩石试件进行烘干，浸水循环试验所得的指标。,返回,12,2019/8/8,三、岩石的抗冻性,抗冻性: 岩石抵抗冻（胀）融破坏的性能， 通常用抗冻系数表示。,返回,岩石的抗冻系数是指岩样在25的温度区间内，反复降温、冻结、升温、融解，其抗压强度有所下降，岩样抗压强度的下降值与冻融前的抗压强度之比：,Cf岩石的抗冻系数； Rcf岩石冻融后的抗压强度(kPa),2019/8/8,13,密度 比重,1、岩石的密度：单位体积内岩石的质量。,四、岩石的质量指标,（1）天然密度：自然状态下，单位体积质量,M岩石总质量，kg；V总体积，m3。,（2）干密度：岩块中的孔隙水全部蒸发后的单位体积质量（108烘24h）,Ms岩石烘干后的质量，kg。,2019/8/8,14,2、岩石的比重：岩石固体烘干重量（WS）与4时同体积纯水的重量比 VC岩石实体部分(不包含孔隙）的体积； 一个大气压下4时水的重度,返回,（3）饱和密度：岩石中的孔隙被水充填时的单 位体积质量（水中浸48小时）,VV孔隙体积 W:一个大气压下4时水的密度,(kg/m3),测定方法及适用条件：量积法、水中称重法、蜡封法。,2019/8/8,15,一 岩石的单轴抗压强度,1. 定义：指岩石试件在单轴压力作用下（无围压，只受轴向压力）所能承受的最大压应力，也即是岩石在达到破坏时承受的最大轴向荷载P除以试件的横截面积A。,2.试验方法：,圆柱形试件： 4.85.2cm ，高H=（22.5) 长方体试件：边长L= 4.85.2cm , 高H=（22.5)L 两端面垂直于轴线0.25o 试件两端不平度0.05mm；,试件标准：,试验装置：,2019/8/8,16,2019/8/8,17,3.单向压缩试件的常见破坏形态 （1）单斜面剪切破坏：最常见的破坏方式 （2）圆锥形破坏 原因：压板两端存在摩擦力，箍作用（又称端部效应）， 在工程中也会出现。 （3）柱状劈裂破坏 岩石单向压缩破坏的真实反映（消除了端部效应） 产生的是张拉破坏（岩石的抗拉强度远小于抗压强度）,消除端部约束方法： 磨平端部、润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部）、加长试件,2019/8/8,18,4. 单轴抗压强度的主要影响因素,岩石自身的因素： 矿物成分、结晶程度、颗粒大小及胶结情况、 风化程度、含水情况和周围环境（温度、湿度） 层理和裂隙的特性和方向等；,含水量：含水量越大强度越低，岩石越软越明显； 温 度：180以下不明显；大于180，温度越高强度越小。 （跟岩性有关，深部岩体力学）,2019/8/8,19,（1）试件 形状：圆形试件不易产生应力集中，好加工 尺寸：宽度 大于矿物颗粒的10倍（50的依据）， 长度 不宜太长或太短，高径比 h/d(22.5)较合理(受力均匀） （2）承压板 端部摩擦力 试验机 刚度 （3）加载速率 加载速率越大，表现强度越高(见图25)(机理研究热点） 我国规定加载速度为0.51.0MPa/s,实验方法上的因素：,2019/8/8,20,返回,2019/8/8,21,二 岩石的三轴抗压强度,指在三向压缩荷载作用下岩石所能承受的最大压应力。,2. 三向压缩试验简介 （1）真三轴 （2）常规三轴,1.定义,2019/8/8,22,2019/8/8,23,3.三轴压缩试验的破坏类型,2019/8/8,24,具体破坏形式的多样化,2019/8/8,25,4.岩石三向压缩强度的影响因素,（1）侧压力的影响 围压越大，轴向压力越大,2019/8/8,26,（2）加载途径对岩石三向压缩强度影响,A、B、C三条虚线是三个不同的加载途径，加载途径对岩石的最终三轴压缩强度影响不大（？）。,2019/8/8,27,（3）孔隙水压力对岩石三向压缩强度的影响,孔隙水压力使有效应力（围压）减小 强度降低,返回,2019/8/8,28,三 岩石的抗剪强度,1. 定义 在剪切荷载作用下达到破坏前所能承受的最大剪应力,2. 常用试验方法,直接剪切试验 角模压剪试验,29,2019/8/8,直接剪切试验,A试样的剪切面面积。,给定不同的(或P）进行多次试验，求出不同的，近似直线得：,tan岩石抗剪切内摩擦系数；（ 内摩擦角） c 岩石的粘聚力,1.,2.,2019/8/8,30,角模压剪试验,其中，P压力机的总压力 试件倾角 f 圆柱形滚子与上下压板的摩擦系数,试验装置:楔形剪切仪,荷载计算公式, 剪切破坏面上的正应力和剪应力：,其中，A 剪切面面积,2019/8/8,31,岩石的抗剪断曲线（强度曲线）,tan岩石抗剪切内摩擦系数 c 岩石的粘聚力,返回,做一组（大于5次）不同的试验，记录所得的,值；由该组值作曲线,近似直线得方程,改变夹具倾角：30度70度,2019/8/8,32,四 岩石的抗拉强度,定义：在单轴拉力作用下岩石试件抵抗破坏的极限能力，在数值上等于破坏时的最大拉应力。,直接拉伸法,间接拉伸法,2. 拉伸试验方法,拉伸试验方法,巴西劈裂法 点 荷 载 法,计算公式不同,（不易成功）,2019/8/8,33,直接拉伸试验方法,应力集中 两端破坏（强度),夹持力，联结力不足 从中拔出,应力集中 两者变形？,高强度水泥,高强度树脂,两者胶结力 变形是否协调,2019/8/8,34,巴西劈裂法（对称径向压裂法） 由巴西人Hondros提出,实验思想：径向压缩导致劈裂,注意： 接触并非单线接触，有一定接触面积（弧高1/20D）,试件：实心圆柱50mm;25mm,换图蔡,拉伸破坏,研究热点：平台加载 加载速度,t:试件中心的最大 拉应力，即 Rt D: 试件的直径 t: 试件的厚度,试验要求: 沿平行于轴线的一条边缘线均匀加载 破坏面必须通过试件直径,2019/8/8,35,点荷载试验法,是上世纪发展起来的一种简便的现场试验方法。 试件：任何形状（优点），尺寸大致50mm，不做任何加工。 试验：直接放到现场的点荷载仪上，加载劈裂破坏。,计算：,I 点荷载强度指标 P 试件破坏时的极限荷载 y 加载点试件的厚度,统计公式：,要求:由于离散性大，每组15个，取均值,建议：用50mm的钻孔岩芯为试件。,返回,36,2019/8/8,第三节 岩石的变形特性,弹性：物体受外力作用瞬间即产生全部变形，卸载后立即恢复原有形状和尺寸的性质,塑性：物体受力后产生变形，在卸载后变形不能完全恢复的性质,粘性：物体受力后变形不能瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质，又称为流变性（蠕变，松弛，弹性后效）。,屈服极限,1.基本概念 ：,：粘性系数,2019/8/8,37,2. 基本力学模型 ：,1、弹性模型 2、理想塑性 3、粘性模型 粘性系数（poise；poise=0.1NS/m2）,变形与时间无关,卸载后是否有残余变形,变形与时间有关,无,有,变形特性,( 0 ：屈服应力 ),2019/8/8,38,3. 基本元件,2019/8/8,39,2019/8/8,40,牛顿粘性系数；单位: 泊。1posie=0.1Ns/m2,返回,2019/8/8,41,一、岩石在单轴压应力作用下的变形特性,1、典型的岩石应力-应变曲线,（一）普通试验机下的变形特性,a.分三个阶段: 1）原生微裂隙压密阶段（OA）,特点： 11 曲线是直线； 弹性模量，E为常数（变形可恢复） 原因：岩石固体部分变形，B点开始屈服，B点对应的B应力为屈服极限，超过B点卸载有塑性变形。,2）弹性变形阶段（AB）,3）弹塑性（非线性）变形阶段（BC）,注意：半程压缩曲线,2019/8/8,42,1. 直线或近似直线（弹性体） 2. 曲线向下弯曲（弹塑性体） 3. 初向上弯曲后直线（塑-弹性体） 4. 曲线似S型（塑-弹-塑性体） 5. 初小段直线后进入非弹性的曲线部分（弹-粘性体）,b.实际应力-应变曲线可分成五类:,2019/8/8,43,c.弹性常数的确定 弹性模量国际岩石力学学会（ISRM）建议三种方法 切线模量 ( ) 割线模量 ( ) 变形模量 ( ),2019/8/8,44,2、岩石加、卸载特性,2019/8/8,45,3、循环加卸载曲线,特点： 多次反复加、卸载，变形曲线与单调加载曲线上升总趋势保持一致（岩石的“变形记忆功能”）。 卸载应力(超过屈服点）越大，塑性滞回环越大（原因：裂隙的扩大，能量的消耗）；,2019/8/8,46,等荷载循环加、卸载时的应力-应变曲线,特点：, 随着循环次数增多，塑性滞回环愈来愈窄，直到没有塑性变形为止。 当循环应力峰值低于某一临界应力时，多次循环不会导致试件破坏； 当超过临界应力时，会发生疲劳破坏。（疲劳强度）,返回,47,2019/8/8,1）刚性试验机工作原理 压力机加压（贮存弹性能） 岩石试件达峰值强度（释放 应变能）导致试件崩溃。 AAO2O1面积峰值点后， 岩块产生微小位移所需的能。 ABO2O1峰值点后， 普通机释放的能（贮存的能）。 ACO2O1面积峰值点后， 刚体机释放的能（贮存的能）。,（二）刚性试验机下岩石单向压缩变形特性,普通试验机得到峰值前的变形特性，多数岩石在峰值后工作。,48,2019/8/8,2）应力应变全过程曲线形态 分四个阶段：前3阶段同普通试验机，第4阶段为应变软化阶段,第4阶段特点： CD段：破裂岩块相互咬合成整体状而承载，原生和新生裂隙相互交叉、联合形成宏观断裂面，承载力随应变增加而减少（软化现象）。 到达D点以后，靠碎块间的摩擦力承载， 称为残余应力。,全程压缩曲线,2019/8/8,49, C点后有残余应变，反复加卸载时，随变形增加，塑性滞环的斜率降低。 C点后，可能会出现压应力下的体积增大现象，称此为扩容现象.,2019/8/8,50,岩石的体积应变特性,在压力作用下，岩石发生非线性体积变形可分为三个阶段： 1 体积减小阶段：弹性阶段内，体积变形呈线性变化。 2 体积不变阶段：岩石体积虽有变形，但应变增量接近于零，即岩石体积大小几乎没变化。 3 扩容阶段：在塑性段及峰后区，主要是由于裂隙产生、贯穿、滑移、错动、甚至张开造成。,一般岩石：=0.15-0.35，当0.5时，就是扩容。,2019/8/8,51,获取全程试验曲线的处理方法,增加试验机刚度,使用刚性试验机，就没有大量的应变能贮存在试验机内，岩石在超过峰值强度破坏后就不会产生突发性破坏，这样就能获得峰后的变形、强度特征,为了减少在试验过程中软性(soft)试验机的弹性变形及贮存在其中的变形能，就必须增加试验机（钢构件、液压柱）的刚度，为此出现了刚性试验机(stiff testing machine) ,2019/8/8,52,采用液压伺服系统,伺服系统能根据岩石破坏和变形情况控制变形速度，使变形速度保持为恒定值。,伺服系统有一个反馈信号系统：检查当前施加的荷载是否保持事先确定的变形速度，否则会自动地调整施加的荷载，以保持变形速度的恒定。,反馈信号响应的时间为2-3s,这个速度远大于裂隙传播速度，因而即使出现过量荷载，裂隙还未来得及传播，荷载就被减小了，岩石破坏得到有效控制。,注意： 对于特别坚硬的岩石，除采用带有伺服系统的刚性试验机外，施加一定的围压是必要的，可以使破坏后的岩石变形得到有效控制。,2019/8/8,53,（1） 岩石的屈服应力、抗压强度、峰值时的极限应变量、残余强度值显著增大； （2）随围压增大，岩石的力学性质发生转变：弹脆性弹塑性应变硬化（见下页）；,二、岩石在三向压应力下的变形特性,常规三轴压缩试验表明：有围压作用时，岩石的变形性质与单轴压缩时不尽相同。,在三轴压缩下，随着围压的提高：,2019/8/8,54,1）围压为零或较低： 脆性状态 2）围压50MPa： 塑性状态 3)围压68.5MPa 塑性流动 4）围压165MPa 应变硬化现象,实 例,2019/8/8,55,三、岩石的流变特性,蠕变：应力恒定，岩石应变随时间增大所发生的变 形（又称为流变）。 松驰：应变恒定，岩石中的应力随时间减少，这种 现象称“松驰”。 弹性后效：卸载时弹性应变滞后于应力的现象。,岩石变形,蠕变 松弛,弹性（可恢复）,塑性（不可恢复）,与时间无关,与时间有关 流变,2019/8/8,56,特点：应变率 为常量； 卸载：有瞬时弹性恢复，弹后，有不可恢复的永久变形。,特点： 剧烈增加； 曲线；一般此阶段比较短暂。,、初始蠕变阶段（ AB减速蠕变阶段）,、稳定蠕变阶段（BC等速蠕变阶段）,、非稳定蠕变阶段（蠕变破坏阶段）,特点： 有瞬时应变 （OA）； ， 随时间增长而减小； 卸载后，有部分瞬时弹性变形（PQ）恢复，接着产生弹性后效，变形逐渐恢复。,（一）岩石的蠕变性质,1、典型的蠕变曲线（分三阶段）,2019/8/8,57,2、长期强度的的确定方法,(,t),方法二,方法一,岩石强度随外荷载作用时间延长而降低(相对于瞬时强度)，通常把作用时间t的强度称为岩石的长期强度,长期强度的确定方法 由破坏-t关系曲线的水平渐近线获t的强度 由蠕变试验作等时(-) 曲线获t的强度,长时恒载蠕变破坏试验曲线,2019/8/8,58,(1)立即松弛变形保持恒定后，应力立即消失到零，这时松弛曲线与轴重合，如曲线6。 (2)完全松弛变形保持恒定后，应力逐渐消失，直到应力为零，如曲线5、 4 。 (3)不完全松弛变形保持恒定后，应力逐渐松弛，但最终不能完全消失，而趋于某一定值，如曲线3、 2。 (4) 此外，还有一种极端情况：变形保持恒定后应力始终不变，即不松弛，松弛曲线平行于t轴，如曲线1。,（二）岩石的松弛性质,松弛特性可划分为三种类型：,返回,2019/8/8,59,第四节 岩石的强度理论,一、莫尔强度理论（Mohr 1900年提出，莫尔强度准则）,（一）基本思想,以脆性材料（ 铸铁） 试验数据（单、三）统计分析为基础, 由于剪应力达到f（取决于正应力和材料特性）使岩石产生剪切破坏,莫尔极限应力圆包络线,（二）强度曲线莫尔包络线,表达式：,1,3,2019/8/8,60,材料破坏判别,用莫尔包络线判别材料的破坏,2019/8/8,61,莫尔包络线向应力增大的方向开放，说明三向等压应力状态下岩石不破坏； 受拉区闭合，说明受三向等拉应力时岩石破坏； 单向抗拉区小于单向抗压区；,特点,莫尔包络线（多种形式）, 没有考虑中间主应力2对岩石强度的影响；,2019/8/8,62,（2）破坏机理：（基本思想不一样）材料属于压剪破坏，剪切破坏力的一部分用来克服与正应