CH2 岩石物理力学性质.pdf

2015 9 211 本章主要内容本章主要内容 1 岩石的物理性质 密度和容重 比重 空隙性 水理性 抗风化指标 碎张性 岩石的物理性质 密度和容重 比重 空隙性 水理性 抗风化指标 碎张性 2 岩石的力学特性岩石的力学特性 峰值前岩块的变形特征 岩石的强度峰值前岩块的变形特征 岩石的强度 3 岩石的变形性质岩石的变形性质 4 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 第2章 岩石的物理力学性质第2章 岩石的物理力学性质 2015 9 212 本章学习要点 本章学习要点 掌握岩块的基本物理性质 掌握岩石全应力 应变曲 线及工程意义 掌握岩石强度 掌握岩块的基本物理性质 掌握岩石全应力 应变曲 线及工程意义 掌握岩石强度 抗压 抗拉 抗剪抗压 抗拉 抗剪 及其 实验室测定方法 了解岩石三轴压缩条件下的力学特 性 及其 实验室测定方法 了解岩石三轴压缩条件下的力学特 性 基本概念 基本概念 密度 重度 岩石的孔隙性 吸水率 饱水 率 岩石的碎胀性 蠕变 松弛 弹性后效 扩容 岩 石的抗压强度 抗拉强度 抗剪强度 长期强度 残余 强度 岩石的全应力 应变曲线 密度 重度 岩石的孔隙性 吸水率 饱水 率 岩石的碎胀性 蠕变 松弛 弹性后效 扩容 岩 石的抗压强度 抗拉强度 抗剪强度 长期强度 残余 强度 岩石的全应力 应变曲线 第2章 岩石的物理力学性质第2章 岩石的物理力学性质 2015 9 213 岩石的岩石的基本物理力学性质基本物理力学性质是岩体是岩体最基本 最最基本 最 重要重要的性质之一 也是岩石力学学科中的性质之一 也是岩石力学学科中研究最研究最 早 最完善早 最完善的内容之一 的内容之一 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 矿物颗粒矿物颗粒 孔隙孔隙 含水 空气等含水 空气等 岩体属于三相体岩体属于三相体岩体属于三相体岩体属于三相体 Solid Solid LiquidLiquid Gas Gas 2015 9 214 岩石的物理性质岩石的物理性质 physical properties of rock 是指由岩石固有的物质组成和结构特征所决定是指由岩石固有的物质组成和结构特征所决定 的的密度 容重 孔隙率密度 容重 孔隙率等基本属性 等基本属性 2 1 岩石的密度和容重岩石的密度和容重 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 单位体积 是指包括孔隙体积在内的体积 单位体积 是指包括孔隙体积在内的体积 岩石的密度可分为岩石的密度可分为天然密度天然密度 干密度干密度和和饱和密饱和密 度度 相应地 岩石的重度可分为 相应地 岩石的重度可分为天然重度天然重度 干重干重 度度和和饱和重度饱和重度 天然密度与天然重度 天然密度与天然重度 V W g cm3 g kN cm3 2015 9 215 2 1 岩石的密度和容重岩石的密度和容重 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 干密度和干重度 干密度和干重度 式中式中Wd 岩石试件烘干后的质量 岩石试件烘干后的质量 g V 岩石试件岩石试件 的体积 的体积 cm3 g 重力加速度 重力加速度 cm s2 V Wd d g cm3 g dd kN cm3 式中式中Ww 饱水状态下岩石试件的质量 饱水状态下岩石试件的质量 g V 岩石岩石 试件的体积 试件的体积 cm3 g 重力加速度 重力加速度 cm s2 V Ww w g cm3 g ww kN cm3 饱水密度和饱水重度 饱水密度和饱水重度 2015 9 216 2 2 岩石的比重岩石的比重 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 式中式中Ws 岩石固体部分的重量 岩石固体部分的重量 kN V 岩石试件固岩石试件固 体部分体部分 不包括孔隙不包括孔隙 的体积 的体积 m3 w 4 时单位体积 时单位体积 水的重量 水的重量 kN m3 意义 反映了组成岩石的矿物比重及其在岩石中的相意义 反映了组成岩石的矿物比重及其在岩石中的相 对含量 可采用对含量 可采用比重瓶比重瓶法测定 岩石比重一般为法测定 岩石比重一般为25 0 33 0 ws s s V W G 岩石的比重 岩石固体重量岩石的比重 岩石固体重量 Ws 与同体积纯水与同体积纯水 在在4 时的重量比 时的重量比 2015 9 217 2 3 岩石的空隙性岩石的空隙性 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 岩石空隙 岩石是具有缺陷的多晶材料 节理岩石空隙 岩石是具有缺陷的多晶材料 节理 裂隙发育 如原生裂隙 风化裂隙 构造裂隙裂隙发育 如原生裂隙 风化裂隙 构造裂隙 等 等 岩石空隙岩石空隙 孔隙孔隙 裂隙裂隙 小开型空隙小开型空隙 空隙空隙 闭型空隙闭型空隙 开型空隙开型空隙 大开型空隙大开型空隙 大型与小型型空隙 大型与小型型空隙 在常温下水能进入大开型空隙 而在常温下水能进入大开型空隙 而 不能进入小开型空隙 只有在真空中或在150个大气压不能进入小开型空隙 只有在真空中或在150个大气压 以上 水才能进入小开型空隙 以上 水才能进入小开型空隙 2015 9 218 2 3 岩石的空隙性岩石的空隙性 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 1001 100 100 v V V V VV V V n ss 式中式中Vs 岩石固体部分体积 岩石固体部分体积 m3 V 岩石试件体积岩石试件体积 包括孔隙包括孔隙 m3 根据岩石空隙类型不同 岩石的空隙率分为 根据岩石空隙类型不同 岩石的空隙率分为 1 总空隙率总空隙率n 2 大开空隙率大开空隙率nb 3 小开空隙率小开空隙率nl 4 总开空隙率总开空隙率no 5 闭空隙率闭空隙率nc 空隙率空隙率n 即岩石试件内空隙体积即岩石试件内空隙体积 Vv 占试件总占试件总 体积体积 V 的百分比 的百分比 2015 9 219 2 3 岩石的空隙性岩石的空隙性 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 根据岩石空隙类型不同 岩石的空隙率分为 根据岩石空隙类型不同 岩石的空隙率分为 1 总空隙率总空隙率n 2 大开空隙率大开空隙率nb 3 小开空隙率小开空隙率 nl 4 总开空隙率总开空隙率no 5 闭空隙率闭空隙率nc 2015 9 2110 2 3 岩石的空隙性岩石的空隙性 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 岩石的孔隙性是反映裂隙发育程度的指标 岩石的孔隙性是反映裂隙发育程度的指标 1001 100 100 V V V VV V V n ss p 孔隙率孔隙率n 即岩石试件内孔隙体积即岩石试件内孔隙体积 Vp 占试件总体占试件总体 积积 V 的百分比 的百分比 2015 9 2111 2 4 岩石的水理性岩石的水理性 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 岩石的水理性岩石的水理性 是指岩石在水溶液作用下表现是指岩石在水溶液作用下表现 出来的性质 主要有吸水性 软化性和抗冻性 出来的性质 主要有吸水性 软化性和抗冻性 1 天然含水率天然含水率 天然含水率 天然含水率 指天然状态下岩石的含水质量与岩指天然状态下岩石的含水质量与岩 石烘干质量比值的百分比 即 石烘干质量比值的百分比 即 100 100 0 d d d m mm m m 式中式中式中式中mm d d 岩石的烘干质量 岩石的烘干质量 岩石的烘干质量 岩石的烘干质量 mm 岩石含水量岩石含水量岩石含水量岩石含水量 1at 1at气压和气压和气压和气压和 室温条件下室温条件下室温条件下室温条件下 mm 0 0 岩石烘干前的质量岩石烘干前的质量岩石烘干前的质量岩石烘干前的质量 天然质量天然质量天然质量天然质量 2015 9 2112 2 4 岩石的水理性岩石的水理性 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 100 d da a m mm 2 吸水性吸水性 岩石吸水性 岩石吸水性 岩石在一定条件下吸收水分的性岩石在一定条件下吸收水分的性 能 取决于岩石孔隙的数量 大小 开闭程度和能 取决于岩石孔隙的数量 大小 开闭程度和 分布情况 表征岩石吸水性的指标有吸水率 饱分布情况 表征岩石吸水性的指标有吸水率 饱 和吸水率和饱水系数 和吸水率和饱水系数 吸水率 指岩石在常温条件下吸收水质量吸水率 指岩石在常温条件下吸收水质量 48h 与岩石干质重的比值 与岩石干质重的比值 2015 9 2113 2 4 岩石的水理性岩石的水理性 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 100 d ds s m mm 2 吸水性吸水性 饱和吸水率 指岩石试件在强制状态饱和吸水率 指岩石试件在强制状态 真空 煮真空 煮 沸或高压沸或高压 下 岩样最大吸水量与岩石干重量比下 岩样最大吸水量与岩石干重量比 值 值 岩石饱和吸收率的测定方法 煮沸法或真空抽气岩石饱和吸收率的测定方法 煮沸法或真空抽气 法 用高压法可能会提高饱和程度 但设备复法 用高压法可能会提高饱和程度 但设备复 杂 杂 2015 9 2114 2 4 岩石的水理性岩石的水理性 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 100 s a K 2 吸水性吸水性 饱水系数 指岩石吸水率与饱水率的百分率比饱水系数 指岩石吸水率与饱水率的百分率比 值 反映了岩石中大 小空隙的相对比例关系 值 反映了岩石中大 小空隙的相对比例关系 岩石的饱水系数一般介于岩石的饱水系数一般介于0 5 0 8之间 之间 饱水系数对岩石抗冻性具有重要影响 试验证明 饱水系数对岩石抗冻性具有重要影响 试验证明 K 91 时 冻结过程中水结成冰的相变现象会对岩石 时 冻结过程中水结成冰的相变现象会对岩石 中孔隙和裂隙产生中孔隙和裂隙产生 冰劈冰劈 作用作用 造成岩石胀烈破坏 造成岩石胀烈破坏 2015 9 2115 2 4 岩石的水理性岩石的水理性 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 2 吸水性吸水性 饱水系数 指岩石吸水率与饱水率的百分率比饱水系数 指岩石吸水率与饱水率的百分率比 值 反映了岩石中大 小空隙的相对比例关系 值 反映了岩石中大 小空隙的相对比例关系 2015 9 2116 2 4 岩石的水理性岩石的水理性 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 3 透水性透水性 岩石透水性 是指在一定的水力梯度或压力差岩石透水性 是指在一定的水力梯度或压力差 作用下 岩石能被水穿透的性质 反映了岩石中作用下 岩石能被水穿透的性质 反映了岩石中 裂隙相互连通的程度 裂隙相互连通的程度 岩石渗透性服从岩石渗透性服从Darcy定律定律 线性渗流规律线性渗流规律 式中式中qx 沿沿x方向的渗流速度 方向的渗流速度 dh dx 水力梯度 水力梯度 A 垂直垂直x方向的截面面积 方向的截面面积 k 渗透系数 渗透系数 cm s 渗透系数 渗透系数 用于衡量岩石透水性大小 主要决定于岩石用于衡量岩石透水性大小 主要决定于岩石 孔隙的大小 方向及其相互连通情况 孔隙的大小 方向及其相互连通情况 A dx dh kqx m3 s 2015 9 2117 2 4 矿石的水理性矿石的水理性 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 3 透水性透水性 岩石透水性 是指在一定的水力梯度或压力差岩石透水性 是指在一定的水力梯度或压力差 作用下 岩石能被水穿透的性质 反映了岩石中作用下 岩石能被水穿透的性质 反映了岩石中 裂隙相互连通的程度 岩石渗透性服从裂隙相互连通的程度 岩石渗透性服从Darcy定定 律律 线性渗流规律线性渗流规律 2015 9 2118 2 5 岩石的抗风化指标岩石的抗风化指标 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 c cw R K 1 软化性软化性 岩石软化性 是指岩石浸水饱和后强度降低的岩石软化性 是指岩石浸水饱和后强度降低的 性质 用性质 用软化系数软化系数 等于岩石试件的饱和抗压强度等于岩石试件的饱和抗压强度 与干抗压强度的比值与干抗压强度的比值 表示 表示 当当KR 0 75时 岩石的软化性弱 同时也说明岩石的抗时 岩石的软化性弱 同时也说明岩石的抗 冻性和抗风化能力强 冻性和抗风化能力强 当当KR75 Kf0 75 a 5 K 2 3 常三轴试验 常三轴试验 1 2 3 等围压实验 等围压实验 试件要求 试件要求 圆柱体 圆柱体 25 150mm 长径比长径比 2 1或或3 1 2015 9 2140 2 7 岩石的力学特性岩石的力学特性 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 2 岩石的强度岩石的强度 岩石三轴抗压强度岩石三轴抗压强度 真三轴试验 真三轴试验 1 2 3 常三轴试验 常三轴试验 1 2 3 2015 9 2141 2 7 岩石的力学特性岩石的力学特性 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 2 岩石的强度岩石的强度 岩石三轴抗压强度岩石三轴抗压强度 真三轴试验 真三轴试验 1 2 3 常三轴试验 常三轴试验 1 2 3 2015 9 2142 2 7 岩石的力学特性岩石的力学特性 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 2 岩石的强度岩石的强度 岩石三轴抗压强度岩石三轴抗压强度 三轴压缩实验重要成果 三轴压缩实验重要成果 对于同一岩石不同试件对于同一岩石不同试件 或不同实验条件给出几乎恒定的强度指标值 该强或不同实验条件给出几乎恒定的强度指标值 该强 度指标值以度指标值以莫尔强度包络线莫尔强度包络线的形式给出 的形式给出 莫尔强度包络线 莫尔强度包络线 不不 同围压条件 岩石破同围压条件 岩石破 坏时应力 坏时应力 应力应力Mohr 圆圆的包络线即的包络线即Mohr强强 度包络线度包络线 破坏与不破破坏与不破 坏的界限坏的界限 2015 9 2143 2 7 岩石的力学特性岩石的力学特性 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 2 岩石的强度岩石的强度 岩石三轴抗压强度岩石三轴抗压强度 Mohr圆将平面分为圆将平面分为 三个区 三个区 安全区 破安全区 破 坏区 极限平衡 坏区 极限平衡 Mohr强度强度包络线形状 包络线形状 抛物线型 直线型 抛物线型 直线型 粘结力粘结力c 包络线在 包络线在 轴上的截距 轴上的截距 内摩擦角内摩擦角 包络线外切线与水平轴的夹角 包络线外切线与水平轴的夹角 2015 9 2144 2 7 岩石的力学特性岩石的力学特性 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 2 岩石的强度岩石的强度 岩石三轴抗压强度 围压对岩石变形破坏影响岩石三轴抗压强度 围压对岩石变形破坏影响 2015 9 2145 2 7 岩石的力学特性岩石的力学特性 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 2 岩石的强度岩石的强度 影响岩石强度的因素影响岩石强度的因素 试件尺寸 增大 降低 试件尺寸 增大 降低 试件形状 试件形状 试件三维尺寸关系 进行单轴压缩和拉伸试验时 试件三维尺寸关系 进行单轴压缩和拉伸试验时 使用使用宽高比宽高比大的试件所测得的强度指标比使用宽高比小大的试件所测得的强度指标比使用宽高比小 的试件所测得的强度指标值要高 的试件所测得的强度指标值要高 加载速度 岩石的单轴抗压强度与加载速度成正 加载速度 岩石的单轴抗压强度与加载速度成正 比 比 试件湿度 使用水饱和的页岩和某些沉积岩试件所 试件湿度 使用水饱和的页岩和某些沉积岩试件所 测得单轴抗压强度仅为使用同种岩石试件所测强度值的测得单轴抗压强度仅为使用同种岩石试件所测强度值的 一半一半 2015 9 2146 2 7 岩石的力学特性岩石的力学特性 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 2 岩石的强度岩石的强度 岩石抗拉强度岩石抗拉强度 岩石抗拉强度 岩石试件在轴向拉力作用下 其发岩石抗拉强度 岩石试件在轴向拉力作用下 其发 生破坏时所能承受的最大拉应力 生破坏时所能承受的最大拉应力 破坏形式 沿试件的横截面断裂破坏 破坏形式 沿试件的横截面断裂破坏 拉伸破坏实验 直接拉伸法和间接方法 拉伸破坏实验 直接拉伸法和间接方法 间接拉伸方法 三点弯曲实验 劈裂试验 间接拉伸方法 三点弯曲实验 劈裂试验 点载荷实验 点载荷实验 A pt t 2015 9 2147 2 7 岩石的力学特性岩石的力学特性 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 2 岩石的强度岩石的强度 岩石拉伸破坏实验 直接拉伸岩石拉伸破坏实验 直接拉伸 关键技术 关键技术 试件和夹具之间的连接 试件和夹具之间的连接 加力 加力P与试件同心与试件同心 直接拉伸实验缺点 无法将荷载直接拉伸实验缺点 无法将荷载 施加到试件的两个端面 加载固施加到试件的两个端面 加载固 定在夹具内 若夹持力过大将产生定在夹具内 若夹持力过大将产生 应力集中 若夹持力过小 试件将应力集中 若夹持力过小 试件将 从夹具中被拉出来 从夹具中被拉出来 A pt t 1 电缆 电缆 2 钢螺丝连接 钢螺丝连接 头 头 3 铝套 铝套 4 岩石试 岩石试 件 件 6 环氧树脂胶结层 环氧树脂胶结层 2015 9 2148 2 7 岩石的力学特性岩石的力学特性 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 2 岩石的强度岩石的强度 岩石拉伸破坏实验 间接方法岩石拉伸破坏实验 间接方法 1 三点弯曲试验 抗弯法三点弯曲试验 抗弯法 岩石抗拉强度 岩石抗拉强度 出现弯曲拉伸出现弯曲拉伸 断裂时试件所能承受的最大应力 断裂时试件所能承受的最大应力 破坏方式 梁的下部出现拉伸应力 当拉伸应力超过破坏方式 梁的下部出现拉伸应力 当拉伸应力超过 极限后 从梁中部下边缘处开始出现拉伸断裂 极限后 从梁中部下边缘处开始出现拉伸断裂 3 8 D pL I MC t 式中式中M 作用在试件上的最大弯矩 作用在试件上的最大弯矩 C 梁边缘到中 梁边缘到中 性轴的距离 性轴的距离 I 梁截面绕中性轴的惯性矩 梁截面绕中性轴的惯性矩 2015 9 2149 2 7 岩石的力学特性岩石的力学特性 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 2 岩石的强度岩石的强度 岩石拉伸破坏实验 间接方法岩石拉伸破坏实验 间接方法 2 劈裂试验 对称径向压裂法劈裂试验 对称径向压裂法 xy x Dt p Dt p 3 6 2 劈劈 裂裂 试试 验验 加加 载载 和和 应应 力力 分分 布布 2015 9 2150 2 7 岩石的力学特性岩石的力学特性 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 2 岩石的强度岩石的强度 岩石拉伸破坏实验 间接方法岩石拉伸破坏实验 间接方法 2 劈裂试验 对称径向压裂法劈裂试验 对称径向压裂法 xyx Dt p Dt p 3 6 2 破坏形式 破坏形式 由于岩石抗拉强度比较低 由于岩石抗拉强度比较低 则则x方向的拉应力使试件产生方向的拉应力使试件产生沿直径的拉沿直径的拉 裂裂 劈裂劈裂 破坏破坏 岩石破坏从直径中心开 岩石破坏从直径中心开 始 向两端发展 始 向两端发展 2015 9 2151 2 7 岩石的力学特性岩石的力学特性 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 2 岩石的强度岩石的强度 岩石拉伸破坏实验 间接方法岩石拉伸破坏实验 间接方法 2 劈裂试验 对称径向压裂法劈裂试验 对称径向压裂法 xyx Dt p Dt p 3 6 2 试件规格 实心圆柱 试件规格 实心圆柱 50mm 25mm 实验要求 实验要求 荷载沿轴向均匀分布 荷载沿轴向均匀分布 破坏面必须通过试件的直径 破坏面必须通过试件的直径 注意事项 端部效应 注意事项 端部效应 并非完全单向应力 并非完全单向应力 2015 9 2152 2 7 岩石的力学特性岩石的力学特性 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 2 岩石的强度岩石的强度 岩石拉伸破坏实验 间接方法岩石拉伸破坏实验 间接方法 3 点荷载实验点荷载实验 点荷载实验 是上世纪发展起来的一种点荷载实验 是上世纪发展起来的一种简便的现场简便的现场 试验方法试验方法 试件规格 任何形状 尺寸大致试件规格 任何形状 尺寸大致5cm 不做任何加 不做任何加 工 工 试验方法 试验方法 使用点荷使用点荷 载仪直接在现场进行 载仪直接在现场进行 加载直至劈裂破坏 加载直至劈裂破坏 D x 2015 9 2153 2 7 岩石的力学特性岩石的力学特性 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 2 岩石的强度岩石的强度 岩石拉伸破坏实验 间接方法岩石拉伸破坏实验 间接方法 3 点荷载实验点荷载实验 D x 2 D P I 点荷载强度指标 点荷载强度指标 统计公式 统计公式 IRt96 0 点荷载实验要求 由于实验离散性大 建议用点荷载实验要求 由于实验离散性大 建议用 5cm钻孔岩芯试件 要求每组做钻孔岩芯试件 要求每组做15个试样 取其个试样 取其 均值 即均值 即 15 1 96 0 15 1 i it IR 2015 9 2154 2 7 岩石的力学特性岩石的力学特性 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 2 岩石的强度岩石的强度 岩石拉伸破坏实验 间接方法岩石拉伸破坏实验 间接方法 3 点荷载实验点荷载实验 点荷载实验尺寸效应 点荷载实验尺寸效应 ISRM推荐推荐IS 50 D x 5024 st I mm5500580 07540 0 mm5501457 02717 0 50 DDk DDk DkII ss 换算成岩石单轴抗拉强度 换算成岩石单轴抗拉强度 2015 9 2155 2 7 岩石的力学特性岩石的力学特性 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 2 岩石的强度岩石的强度 岩石抗剪强度岩石抗剪强度 抗剪强度 指在一定的应力抗剪强度 指在一定的应力 主要指压应力主要指压应力 条件下条件下 岩石所能抵抗的最大剪应力 常用岩石所能抵抗的最大剪应力 常用 表示 表示 岩石抗剪强度的类型 岩石抗剪强度的类型 a 抗剪断试验 抗剪断试验 b 抗切断试验 抗切断试验 c 弱面抗剪试验弱面抗剪试验 非非 限限 制制 性性 剪剪 切切 实实 验验 2015 9 2156 2 7 岩石的力学特性岩石的力学特性 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 2 岩石的强度岩石的强度 岩石抗剪强度岩石抗剪强度 抗剪强度 指在一定的应力抗剪强度 指在一定的应力 主要指压应力主要指压应力 条件条件 下 岩石所能抵抗的最大剪应力 常用下 岩石所能抵抗的最大剪应力 常用 表示 表示 岩石抗剪强度的类型 岩石抗剪强度的类型 a 抗剪断试验 抗剪断试验 b 抗切断试验 抗切断试验 c 弱面抗剪试验弱面抗剪试验 限制性剪切实验限制性剪切实验 2015 9 2157 2 7 岩石的力学特性岩石的力学特性 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 2 岩石的强度岩石的强度 岩石抗剪强度岩石抗剪强度 抗剪强度 指在一定的应力抗剪强度 指在一定的应力 主要指压应力主要指压应力 条件条件 下 岩石所能抵抗的最大剪应力 常用下 岩石所能抵抗的最大剪应力 常用 表示 表示 岩石抗剪强度的类型 岩石抗剪强度的类型 a 抗剪断试验 抗剪断试验 b 抗切断试验 抗切断试验 c 弱面抗剪试验弱面抗剪试验 2015 9 2158 2 7 岩石的力学特性岩石的力学特性 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 2 岩石的强度岩石的强度 岩石抗剪强度岩石抗剪强度 试件尺寸 为直径或边长不小于试件尺寸 为直径或边长不小于50mm 高度应等 高度应等 于直径或边长 于直径或边长 实验数据处理 改变压力实验数据处理 改变压力P即可测得多组即可测得多组 作出作出 曲线 曲线 A T A P 2015 9 2159 2 7 岩石的力学特性岩石的力学特性 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 2 岩石的强度岩石的强度 岩石抗剪强度岩石抗剪强度 角模压剪实验角模压剪实验 斜剪试验斜剪试验 是一种最简单的限制 是一种最简单的限制 性剪切强度实验方法 性剪切强度实验方法 sin cos A P A P tan c 2015 9 2160 2 7 岩石的力学特性岩石的力学特性 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 2 岩石的强度岩石的强度 岩石抗剪强度岩石抗剪强度 当剪切面上的剪应当剪切面上的剪应 力超过峰值剪切强力超过峰值剪切强 度后发生度后发生剪切破坏剪切破坏 在较小的剪切在较小的剪切 力作用下使岩石力作用下使岩石沿沿 剪切面滑动剪切面滑动 破坏面残余强度 破坏面残余强度 能使破坏面保持滑能使破坏面保持滑 动所需的较小剪应力 动所需的较小剪应力 正应力与残余强度关系 正应力与残余强度关系 只只 要有正应力 剪切破坏面就就有抗剪切的能力 要有正应力 剪切破坏面就就有抗剪切的能力 2015 9 2161 2 8 岩石的变形性质岩石的变形性质 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 岩石在外载荷作用下发生变形 增加载荷或保持岩石在外载荷作用下发生变形 增加载荷或保持 荷载不变 随着时间增长 岩石变形将逐渐增大 荷载不变 随着时间增长 岩石变形将逐渐增大 最终导致岩石破坏 最终导致岩石破坏 从岩石全应力 应变曲线可看出 岩石在外载荷从岩石全应力 应变曲线可看出 岩石在外载荷 作用下的变形主要有作用下的变形主要有弹性变形 塑性变形 粘性变弹性变形 塑性变形 粘性变 形形三种 三种 峰值前变峰值前变 形阶段形阶段 峰值后变峰值后变 形阶段形阶段 2015 9 2162 2 8 岩石的变形性质岩石的变形性质 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 1 全应力应变曲线的应用全应力应变曲线的应用 预测岩爆 峰值左侧为 预测岩爆 峰值左侧为弹性变形能弹性变形能A 峰值右 峰值右 侧为侧为岩石破坏耗散能岩石破坏耗散能B 当 当A B时 岩石破坏后尚有时 岩石破坏后尚有 余能 岩爆 否则 当余能 岩爆 否则 当A B时 岩石破坏后已无余时 岩石破坏后已无余 能 能 2015 9 2163 2 8 岩石的变形性质岩石的变形性质 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 1 全应力应变曲线的应用全应力应变曲线的应用 预测蠕变破坏 预测蠕变破坏 长期强度的概念长期强度的概念 长期强度与瞬时强度的关系长期强度与瞬时强度的关系 长期强度的限度 时间无限长但长期强度不会长期强度的限度 时间无限长但长期强度不会 无限小 无限小 蠕变终止概念蠕变终止概念 蠕变终止轨迹蠕变终止轨迹 2015 9 2164 2 8 岩石的变形性质岩石的变形性质 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 1 全应力应变曲线的应用全应力应变曲线的应用 预测循环加载岩石破坏预测循环加载岩石破坏 加载与卸载加载与卸载 完全卸载与不完全卸载完全卸载与不完全卸载 循环加载的概念循环加载的概念 逐级循环加载概念逐级循环加载概念 循环加载引起破坏循环加载引起破坏 2015 9 2165 2 8 岩石的变形性质岩石的变形性质 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 2 岩石变形类型岩石变形类型 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 2015 9 2166 2 8 岩石的变形性质岩石的变形性质 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 2 岩石变形类型岩石变形类型 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 典型岩石变典型岩石变 形的全应力形的全应力 应变曲线 应变曲线 2015 9 2167 2 8 岩石的变形性质岩石的变形性质 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 2 岩石变形类型岩石变形类型 全应力 应变曲线可全应力 应变曲线可 分为分为几个阶段 几个阶段 压密阶段 压密阶段 原有原有 张性裂隙被压密 曲张性裂隙被压密 曲 线呈上凹 线呈上凹 弹性变形阶段 弹性变形阶段 近近 似直线 似直线 AB为线性弹性 为线性弹性 BC微裂隙稳定发展 微裂隙稳定发展 非稳定破裂阶段 非稳定破裂阶段 C点为屈服点 之后进入裂隙非点为屈服点 之后进入裂隙非 稳定发展 稳定发展 扩容扩容 破裂后阶段 破裂后阶段 峰值强度以后 裂隙迅速发展 破峰值强度以后 裂隙迅速发展 破 坏 但是还有一定承载力 坏 但是还有一定承载力 2015 9 2168 2 8 岩石的变形性质岩石的变形性质 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 2 岩石变形类型岩石变形类型 峰值前岩石典型应力 应变曲线类型峰值前岩石典型应力 应变曲线类型 Miler分类 六分类 六 类类 类弹粘性类弹粘性 直线型直线型 线弹性线弹性 下凹型下凹型 弹塑性弹塑性 上凹型上凹型 塑弹性塑弹性 S型型 塑弹塑 高模量塑弹塑 高模量 S型型 塑弹塑塑弹塑 低模量 低模量 2015 9 2169 2 8 岩石的变形性质岩石的变形性质 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 3 循环载荷循环载荷 反复加载与下载反复加载与下载 条件下的岩石变形特征条件下的岩石变形特征 实践证明 循环荷 实践证明 循环荷 载下岩石的载下岩石的强度低于强度低于单单 调荷载下的强度 调荷载下的强度 理想线弹性材料 理想线弹性材料 加载卸载路线是直线 加载卸载路线是直线 路径相同重合 路径相同重合 完全弹性岩石的加 完全弹性岩石的加 卸载路径近乎重合 卸载路径近乎重合 弹性岩石的加卸载 弹性岩石的加卸载 路径不重合 但平均斜路径不重合 但平均斜 率相等 率相等 2015 9 2170 2 8 岩石的变形性质岩石的变形性质 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 3 循环载荷循环载荷 反复加载与下载反复加载与下载 条件下的岩石变形特征条件下的岩石变形特征 非弹性岩石的加 非弹性岩石的加 卸载曲线不重合 形卸载曲线不重合 形 成成塑性回滞环塑性回滞环 其随 其随 着加卸载次数越来越着加卸载次数越来越 窄 趋于弹性变形 窄 趋于弹性变形 2015 9 2171 2 8 岩石的变形性质岩石的变形性质 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 3 循环载荷循环载荷 反复加载与下载反复加载与下载 条件下的岩石变形特征条件下的岩石变形特征 多次反复加卸载 并多次反复加卸载 并 且每次施加的最大载荷且每次施加的最大载荷 都都等于等于前一次施加的最前一次施加的最 大载荷 随着循环次数大载荷 随着循环次数 的增加 塑性滞回环面的增加 塑性滞回环面 积扩大 卸载曲线斜率积扩大 卸载曲线斜率 弹性模量弹性模量 逐次增加 逐次增加 弹性增强 弹性增强 卸载 加载曲线单调卸载 加载曲线单调 上升 岩石的上升 岩石的变形记变形记 忆忆 2015 9 2172 2 8 岩石的变形性质岩石的变形性质 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 4 三轴压缩条件下岩石的变形特征三轴压缩条件下岩石的变形特征 实验研究结果表明 实验研究结果表明 随着围压增大轴向抗 随着围压增大轴向抗 压强度增大 压强度增大 随着围压增大轴向变 随着围压增大轴向变 形增大 形增大 随着围压增大岩石弹 随着围压增大岩石弹 性极限增大 性极限增大 随着围压增大应力 随着围压增大应力 应变关系发生明显改应变关系发生明显改 变 由弹脆性 弹塑性变 由弹脆性 弹塑性 应变硬化 应变硬化 2015 9 2173 2 8 岩石的变形性质岩石的变形性质 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 4 三轴压缩条件下岩石的变形特征三轴压缩条件下岩石的变形特征 实验研究结果表明 实验研究结果表明 随着围压增大轴向 随着围压增大轴向 抗压强度增大 抗压强度增大 随着围压增大轴向 随着围压增大轴向 变形增大 变形增大 随着围压增大岩石 随着围压增大岩石 弹性极限增大 弹性极限增大 随着围压增大应力 随着围压增大应力 应变关系发生明显 应变关系发生明显 改变 由弹脆性 弹改变 由弹脆性 弹 塑性 应变硬化 塑性 应变硬化 2015 9 2174 2 8 岩石的变形性质岩石的变形性质 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 4 三轴压缩条件下岩石的变形特征三轴压缩条件下岩石的变形特征 2015 9 2175 2 8 岩石的变形性质岩石的变形性质 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 4 三轴压缩条件下岩石的变形特征三轴压缩条件下岩石的变形特征 2015 9 2176 2 8 岩石的变形性质岩石的变形性质 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 5 岩石变形指标及其确定岩石变形指标及其确定 岩石的变形特征通常用弹性模量 变形模量 泊岩石的变形特征通常用弹性模量 变形模量 泊 松比等指标描述 松比等指标描述 1 弹性模量弹性模量 E线弹性岩石 线弹性岩石 完全弹性岩石 完全弹性岩石 f d d 12 12 t E s E 2015 9 2177 2 8 岩石的变形性质岩石的变形性质 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 5 岩石变形指标及其确定岩石变形指标及其确定 岩石的变形特征通常用弹性模量 变形模量 泊岩石的变形特征通常用弹性模量 变形模量 泊 松比等指标描述 松比等指标描述 1 弹性模量弹性模量 滞回效应弹性岩石 滞回效应弹性岩石 PQ 斜率 卸载切线斜率 卸载切线 模量 加卸载割线模模量 加卸载割线模 量相同 量相同 弹塑性岩石 弹塑性岩石 e NM PM E pe E 0 变形模量 变形模量 2015 9 2178 2 8 岩石的变形性质岩石的变形性质 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 5 岩石变形指标及其确定岩石变形指标及其确定 2 Poinson Ratio 泊松比 岩石的横向应变与纵向应变的比值为泊松比 泊松比 岩石的横向应变与纵向应变的比值为泊松比 在弹性范围内 泊松比为常数 超过弹性范围内 随在弹性范围内 泊松比为常数 超过弹性范围内 随 应力的增大而增大 直到应力的增大而增大 直到0 5为止 为止 影响弹性模量和泊松比的因素 岩石矿物组成 结构影响弹性模量和泊松比的因素 岩石矿物组成 结构 构造 风化程度 空隙性 含水率 微结构面 加载方构造 风化程度 空隙性 含水率 微结构面 加载方 向 向 y x 2015 9 2179 2 8 岩石的变形性质岩石的变形性质 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 5 岩石变形指标及其确定岩石变形指标及其确定 3 岩石变形指标间的关系岩石变形指标间的关系 12 E GShear modulus 211 E Lam const 213 v E KBulk modulus 2015 9 2180 2 8 岩石的变形性质岩石的变形性质 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 5 岩石变形指标及其确定岩石变形指标及其确定 3 岩石变形指标间的关系岩石变形指标间的关系 2015 9 2181 2 8 岩石的变形性质岩石的变形性质 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 6 岩石的扩容岩石的扩容 岩石的扩容 岩石在载荷作用下 体积明显增大岩石的扩容 岩石在载荷作用下 体积明显增大 的现象称为岩石的扩容 是岩石在破坏之前产生的的现象称为岩石的扩容 是岩石在破坏之前产生的 一种明显的非弹性体积变形 一种明显的非弹性体积变形 研究意义 研究岩石的扩容不仅可以深入地了解研究意义 研究岩石的扩容不仅可以深入地了解 岩石的性质 同时还可以预测岩石的破坏 岩石的性质 同时还可以预测岩石的破坏 在弹性范围内 岩石的体积变形公式为 在弹性范围内 岩石的体积变形公式为 1v 21 I E 2015 9 2182 2 8 岩石的变形性质岩石的变形性质 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 6 岩石的扩容岩石的扩容 实验表明 对于实验表明 对于E和和 为常数岩石 其体为常数岩石 其体 积应变曲线可以分为积应变曲线可以分为 三个阶段 三个阶段 体积压缩变形阶段 体积压缩变形阶段 1 2 3 体积不变阶段 体积不变阶段 1 2 3 扩容阶段 体积增加阶段 扩容阶段 体积增加阶段 1 2 3 此时此时 不再是常量不再是常量 扩容点应力是强度的 扩容点应力是强度的1 3 1 2 2015 9 2183 2 8 岩石的变形性质岩石的变形性质 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 7 岩石的各向异性岩石的各向异性 岩石的各向异性 岩石的各向异性 岩石的全部或部分物理力学性岩石的全部或部分物理力学性 质随加载方向不同而表现出差异的现象 质随加载方向不同而表现出差异的现象 岩石的各向异性是实际岩石介质岩石的各向异性是实际岩石介质不连续性 不均不连续性 不均 匀性匀性的客观表现 如 在不同方向加载时 岩石表的客观表现 如 在不同方向加载时 岩石表 现出不同的变形特征 弹性模量和泊松比和强度现出不同的变形特征 弹性模量和泊松比和强度 等 等 在三向应力状态下 岩石的在三向应力状态下 岩石的应力应力 应变关系应变关系为 为 D T zxyzxyzyx T zxyzxyzyx 6 2 1 jicD ijij Stiff matrix 2015 9 2184 2 8 岩石的变形性质岩石的变形性质 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 7 岩石的各向异性岩石的各向异性 在三向应力状态下 岩石的应力在三向应力状态下 岩石的应力 应变关系为 应变关系为 D T zxyzxyzyx T zxyzxyzyx 6 2 1 jiaC ijij Compliance matrix C 2015 9 2185 2 8 岩石的变形性质岩石的变形性质 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 7 岩石的各向异性岩石的各向异性 弹性对称面 在弹性体中 若关于某平面对称的弹性对称面 在弹性体中 若关于某平面对称的 任意两个方向上的弹性常数相同 则该平面即弹性任意两个方向上的弹性常数相同 则该平面即弹性 对称面 对称面 正交各向异性体正交各向异性体orhotropic material 具有两个相 具有两个相 互垂直的弹性对称面的材料 则有互垂直的弹性对称面的材料 则有 所以所以 363534262524161514 ccccccccc zx yz xy zy yz x xz z zy yx xy z zx y yx x G G G EE v E v E v EE v E v E v E c c c ccc ccc ccc D 1 00000 0 1 0000 00 1 000 000 1 000 1 000 1 00000 00000 00000 000 000 000 66 55 44 332313 232212 131211 只有只有9个独立参数个独立参数 2015 9 2186 2 8 岩石的变形性质岩石的变形性质 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 7 岩石的各向异性岩石的各向异性 各向同性面 在岩石某一平面内的各方向弹性性各向同性面 在岩石某一平面内的各方向弹性性 质相同 则该平面称为各向同性面 质相同 则该平面称为各向同性面 横观各向同性体 平行于各向同性面方向横观各向同性体 平行于各向同性面方向 即横向即横向 都具有相同的弹性性质 而与各向同性面垂直方向都具有相同的弹性性质 而与各向同性面垂直方向 的力学性质是不同的物体 若在的力学性质是不同的物体 若在xoy平面内各向同性平面内各向同性 则则 所以所以 2 6655 1211 4421122211 cc cc ccccc 1 00000 0 1 0000 00 1 000 000 1 000 1 000 1 00000 00000 00 2 1 000 000 000 000 55 55 1211 331313 131112 131211 G G G EE v E v E v EE v E v E v E c c cc ccc ccc ccc D 2015 9 2187 2 8 岩石的变形性质岩石的变形性质 第2章第2章 岩岩石物理力石物理力学学性质性质 7 岩石的各向异性岩石的各向异性 各向同性体 物体内任一点沿任何方向的弹性性各向同性体 物体内任一点沿任何方向的弹性性 质都相同的物体 如钢材 水泥 此时 质都相同的物体 如钢材 水泥 此时 36个弹性个弹性 参数中只有两个独立参数 参数中只有两个独立参数 E和和 kk