第5讲 岩石的力学性质-变形性质.ppt

岩石的力学性质,强度特性：岩石抵抗外力作用的能力，岩石破坏时能够承受的最大应力。许用应力变形性质：岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变化。许用应变,力学性质,变形性质,a.单向压缩变形b.反复加载变形c.三轴压缩变形,强度特性,单向抗压强度单向抗拉强度剪切强度三轴压缩,1.岩石的单轴抗压强度,定义：岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所能承受的最大压应力称为岩石的单轴抗压强度,式中：P无侧限的条件下的轴向破坏荷载A试件截面积,c=P/A,P,P,A,2.岩石的抗拉强度,定义：岩石在单轴拉伸荷载作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力称为岩石的单轴抗拉强度(Tensilestrength)。,直接试验间接试验,试验方法,间接试验,直接试验,3.岩石的抗剪强度,定义:岩石在剪切荷载作用下达到破坏前所能承受的最大剪应力称为岩石的抗剪切强度（Shearstrength）。所能抵抗的最大剪应力常用表示,非限制性剪切强度试验限制性剪切强度试验,试验方法,非限制性,限制性,定义：岩石在三向压缩荷载作用下，达到破坏时所能承受的最大压应力称为岩石的三轴抗压强度a.真三轴加载:六个面均受到加压铁板所引起的摩擦力，对试验结果影响很大，因而实用意义不大故极少有人做这样的三轴试验。应力状态：123b.假三轴试验:轴向压力的加载方式与单轴压缩时相同。但由于有了侧向压力，其加载上时的端部效应比单轴加载时要轻微得多。应力状态：12=3,4.三轴抗压强度,真三轴,假三轴,2.3.2岩石的变形性质,岩石在载荷作用下首先发生的现象是变形,随着载荷的不断增加，或在恒定的载荷作用下，随着时间的增长，岩石的变形逐渐增加，最终导致岩石的破坏。岩石的变形性质对岩石工程有重要影响。岩石的单向、二向、三向变形特征不同，但研究最充分的是岩石的单向变形，岩石的变形(用应变表示)与载荷(用应力表示)有关，但有时还与时间有关。当岩石的变形不仅取决于应力还取决于时间时，需要考虑岩石的流变特性。,岩石的变形有弹性变形、塑性变形和粘性变形三种.弹性：物体在受外力作用的瞬间即产生全部变形，而去除外力后又能立即恢复其原有形状和尺寸的性质。塑性：物体受力后变形，在外力去除后变形不能完全恢复.粘性：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,弹性,塑性,粘性,2.3.2岩石的变形性质,1）弹性(elasticity)：线弹性体，其应力应变呈直线关系=E非线性弹性体，其应力应变呈非直线的关系=f(),2）塑性（plasticity）：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。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: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.,当165MPa),4.岩石变形指标及其确定,弹性模量：材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系（即符合胡克定律），其比例系数称为弹性模量（包括：初始模量、切线模量、割线模量）变形模量：应力-应变曲线上任一点与坐标原点相连的割线的斜率；,反映岩石变形特性的指标有弹性模量、变形模量和泊松比(侧向变形系数)。,4.岩石变形指标及其确定,1.弹性模量E的定义为，由于单向受压情况下岩石的应力应变关系是非线性的，因此变形模量不是常数，常用的变形模量有以下几种：,1）初始模量，用应力应变曲线坐标原点的切线斜率表示,3）割线模量，由应力应变曲线的起始点与曲线上另一点作割线，割线的斜率就是割线模量，一般选强度为50%的应力点,2）切线模量，用应力应变曲线任一点的切线斜率表示：,a.线弹性岩石应力应变曲线具有近似直线的形式。弹性模量：直线的斜率,也即应力（）与应变（）的比率被称为岩石的弹性模量，记为E。其应力应变关系：=E反复加卸载应力应变曲线仍为直线。,4.岩石变形指标及其确定,b.完全弹性岩石岩石的应力应变关系不是直线，而是曲线。对于任一应变，都有唯一的应力与之对应，应力是应变的函数关系，即=f（）切线模量、初始模量和割线模量：由于应力应变是一曲线关系，所以这里没有唯一的模量。切线模量Et=d/d割线模量Es=/反复加卸载当荷载逐渐施加到任何点P，得加载曲线OP。如果在P点将荷载卸去，则卸载曲线仍沿原曲线OP路线退到原点O。,c.弹性岩石岩石的应力应变关系不是直线，而是曲线，且卸载曲线不沿原加载路径返回原点。切线模量和割线模量：卸载曲线P点的切线PQ的斜率就是相应于该应力的卸载切线模量，它与加载切线模量不同,而加、卸载的割线模量相同。反复加卸载:如果在P点将荷载卸去，则卸载曲线不沿原曲线OP路线返回，如图中虚线所示，这时产生了所谓滞回效应。,d.弹塑性岩石岩石的应力应变关系是曲线，卸载曲线不沿原加载路径返回，且应变也不能恢复到原点O。弹性模量和变形模量：弹性模量E：把卸载曲线的割线的斜率作为弹性模量，即:E=PM/NM=/e变形模量Eo：是正应力与总应变()之比，即：Eo=PM/OM=/=/(e+p)塑性滞回环：加载曲线与卸载曲线所组成的环，叫做塑性滞回环。,泊松比：岩石的横向应变与纵向应变的比值在岩石的弹性工作范围内，泊松比一般为常数，但超越弹性范围后，泊松比将随应力的增大而增大，直到,4.岩石变形指标-泊松比,影响变形模量和波松比的因素：矿物组成、结构构造、风化程度、空隙性、含水率、微结构面以及载荷的方向；,5.岩石的扩容,岩石的扩容是岩石在载荷作用下，在其破坏之前产生的一种明显的非弹性体积变形。,体积应变曲线可以分为阶段:体积变形阶段1|2+3|体积不变阶段1=|2+3|扩容阶段1|2+3|,5.岩石的扩容,体积不变阶段: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，即岩石体积大小几乎没有变化。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。1=|2+3|,扩容阶段: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，此阶段称为扩容阶段。1|2+3|,在一般情况下，岩石开始出现扩容时的应力约为其抗压强度的1/31/2左右。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。,6.岩石的各向异性,各向异性体：岩石的全部或部分物理、力学性质随着方向不同而出现差异的现象极端各向异性体：在物体内的任一点沿两个不同方向的弹性性质都互不相同，这样的物体被称为极端各向异性体。正交各向异性体：在弹性体构造中存在着这样一个平面，在任意两个与此面对称的方向上，材料的弹性常数相同，这个平面被称为弹性对称面，垂直于对称面的方向为弹性主向.存在三个相互正交的弹性对称面。横观各向同性体：在物体中某一个平面内各方向弹性性质相同，这个面称为各向同性面，而垂直于此面方向的力学性质是不同的.具有这种性质的物体。各向同性体：物体内任一点沿着任何方向的弹性性质都相同.,7.影响岩石力学性质的主要因素,水的影响包括自由水和结合水，其作用为：连接作用、润滑作用、水楔作用、孔隙压力作用、溶剂及潜蚀作用；温度的影响地热：每增加100米的深度，温度升高3C;随着温度的增高，岩石的延性加大，屈服点降低，强度也降低加载速率的影响加载速率越大，弹性模量和强度越高；ISRM建议的静态加载速率0.51MPa/s围压的影响（强度提高，变形增大，塑性增强）,风化的影响降低了岩体结构面的粗糙度，并产生新的裂隙；矿物成分发生变化，原生矿物经