岩石力学实验

矿山岩体力学试验,主讲刘承论山东科技大学2010.5,研究生专业基础课,预修课程：弹性力学、弹塑性力学教学目的和要求：主要讲授岩石和岩体的基本力学性质及其研究方法、岩石工程稳定性分析的原理、岩石工程支护设计的最新理论、岩石力学研究的最新进展等。,第一章绪论第二章岩石力学试验2.1岩石物理性质与简单应力状态下的岩石力学实验2.2常规三轴压力试验与围压效应2.3真三轴压力试验与中间主应力效应2.4岩石压缩变形破坏过程2.5岩石细观结构模型与压缩破坏机理2.6岩石的应力应变关系,内容提要,主要参考书1矿山岩体力学，高延法、张庆松编著，中国矿业大学出版社，20002岩石力学与工程，蔡美峰主编，科学出版社，20023高等岩石力学，周维垣主编，中国水利水电出版社，19904岩石力学基础，张清、杜静编著，中国铁道出版社，19975岩石力学简明教程，李世平等编北京：煤炭工业出版社，19966岩体力学，沈明荣主编上海：同济大学出版社，1999,第一章绪论,岩石力学是研究岩石的力学性质的一门理论与应用科学，它是力学的一个分支，它探讨岩石对其周围物理环境中力场的反应。岩石力学的主要课题是解明岩石力学性质；岩体状态的预测。岩石力学的根基：力学、物理、实验等方面。岩石力学：弹性力学、塑性力学、流变力学岩石力学是一门新兴边缘学科，是一门应用性与实践性很强的应用基础学科。应用涉及采矿、土木建筑、水利水电、铁路、公路、地质、地震、石油、地下工程、海洋工程等工程领域。岩石力学的几个特点：天然材料；非连续介质；释放载荷。,绪论,一、岩石力学的发展历史与概况1、初始阶段（19世纪末20世纪初）1912年海姆（A.Hmeim）提出了静水压力理论，朗金（W.J.M.Rankine）的侧压理论：，金尼克（A.H.HHHHK）的侧压理论：，2、经验理论阶段（20世纪初20世纪30年代）普罗托吉雅克诺夫普氏理论：顶板围岩冒落的自然平衡拱理论（当开掘巷道以后,经过一定时间,巷道顶板岩石总是自然而然成为某一种拱形而稳定下来。一方面,由于自然平衡拱对于支架受力大小有密切关系;另一方面,利用自然平衡拱状态来维护巷道,可以大大节约支架材料,因此,对自然平衡拱的成因、形状和尺寸的研究,有很大意义。众所周知,普氏提出的自然平衡拱抛物线形状）；太沙基：塌落拱理论。,绪论,3、经典理论阶段（20世纪3060年代）这是岩石力学形成的重要阶段；弹性力学、塑性力学和流变理论被引入岩石力学，导出经典计算公式；形成围岩与支护体共同作用理论，结构面影响受到重视；实验方法完善；连续介质理论特点与不足；后来的有限单元方法被引入；地应力测量受到重视；地质力学理论；奥地利学派；4、现代发展阶段（20世纪60年代至今）现代力学、数学、计算机数值分析方法的广泛应用流变学、断裂力学、非连续介质、数值方法、人工智能，神经网络，专家系统；损伤力学、离散元法、DDA法(数字微分分析法)、数值流形分析；非线性理论，分叉混沌理论等。,绪论,二、岩石力学的基本研究内容和研究方法1、研究内容（1）岩石与岩体的地质特征：物质组成与结构，结构面与岩体的性质，岩体工程分级；（2）岩石物理、水理与热力学性质；（3）岩石的基本力学性质：变形与强度力学参数，测试技术，变形破坏机理；（4）结构面力学性质：法向与切向变形与强度；（5）岩体力学性质：测试，结构弱化，水运移；（6）地应力测量；（7）岩体工程围岩稳定性及其控制；（8）工程岩体模拟实验方法（9）岩体工程稳定性的数值模拟计算（10）各种新理论、新方法、新技术的应用,围岩分级,锚杆喷射混凝土支护技术规范（GBJ8685）,锚杆喷射混凝土支护技术规范（GBJ8685）,2、研究方法（1）工程地质研究方法（2）科学实验方法（3）数学力学分析方法（4）整体综合分析方法三、岩石力学研究的主要问题1、水利水电工程2、采矿工程3、隧道工程4、土木建筑工程5、石油工程6、海洋勘探与开发工程7、核废料处理8、地热开发9、地震预报,绪论,三峡水利枢纽工程长江三峡船闸，双线五级，是当前世界级数最多、总水头和级间输水水头最高的内河船闸，主体部分由高山中深挖而成，于1994年开工建设，2003年6月试通航。,四、岩石力学与工程的发展前景水利枢纽工程，水电站大坝；地下厂房、储油库；露天矿边坡；深井开采；跨海隧道；计算机数值模型，有限元位移反分析方法，有限元强度折减法流变模型，流变实验，大变形理论，巷道流变大变形控制技术；非线性模型的唯一性，非线性方法，人工智能；,绪论,2.1岩石物理性质与简单应力状态下的岩石力学实验2.2常规三轴压力试验与围压效应2.3真三轴压力试验与中间主应力效应2.4岩石压缩变形破坏过程2.5岩石细观结构模型与压缩破坏机理2.6岩石的应力应变关系,第二章岩石力学试验,一、岩石的组成与结构1、概述由矿物和或岩屑在地质作用下按一定规律聚集而形成的自然体。2、岩石的构成与成分造岩矿物（具有一定化学成分和物理性质的自然元素和化合物）：正长石、斜长石、石英、云母、角闪石、辉石、橄榄石、方解石、白云石、高岭石、赤铁矿等。粘土矿物：蒙脱石、高岭石、伊利石。岩石结构连结类型：结晶连结（如岩浆岩），胶结连结-硅质、铁质、钙质、泥质岩石内部细观结构面：晶粒边界，粒间空隙，晶格缺陷；3、岩石的地质成因：岩浆岩沉积岩变质岩,2.1岩石物理性质与简单应力状态下岩石力学实验,岩石物理性质,2.1岩石物理性质与简单应力状态下岩石力学实验,二、岩石的物理性质1、岩石的容重（）,kN/m3，单位体积的重量。2、岩石的比重（）；岩石固体部分的重量与4C同体积纯水重量的比值。3、岩石的孔隙率（n）：岩石中空隙体积与总体积之比。,二、岩石的物理性质4、岩石的水理性：天然含水率（w），岩石空隙含水的质量与固体质量之比。岩石的吸水率（），岩石吸入水的质量与固体的质量之比。自然吸水率饱和吸水率mo_浸水48h的质量；mP煮沸或真空抽气饱和后的质量。岩石的渗透系数k，岩石的软化系数。,Rcc饱和单轴抗压强度Rcd干燥单轴抗压强度,渗透速率水头梯度,2.1岩石物理性质与简单应力状态下岩石力学实验,岩石单轴抗压强度：岩石试件在无侧限条件下，受轴向力作用破坏时，单位面积上所能承受的荷载。,简单应力状态下岩石力学实验,一、岩石单轴压缩试验岩石单轴压缩试验是最简单的岩石力学试验，通常岩石试件做成棱柱体或圆柱体，要求圆柱体高径比大于23，试件端面光洁、平整，两端面平行且垂直于轴线。岩石的单轴抗压强度和弹性模量等力学参数取决于岩石的组成结构、矿物颗粒性质以及微观裂隙等。虽然单轴压缩是最简单的强度实验，但因与许多因素相关，岩石试件内的应力分布，破坏方式和强度值都会受到影响。压力试验机的刚性；承压板与试件端面的摩擦；试件几何形态(形状、高径比和尺寸)；加载速度。,2.1岩石物理性质与简单应力状态下岩石力学实验,简单应力状态下岩石力学实验,1.试件的破坏形态岩石试件单轴受压时，由于受到多种因素的干扰，真实的破裂形式不大明确，常常观察到的是剪切破坏、锥形破坏和劈裂破坏，如图2-3。对试件破坏形态影响最大的是端面摩擦约束效应，对于比较坚硬的脆性岩石，当采取减少端面摩擦约束的措施时，出现纵向劈裂破坏。,2.1岩石物理性质与简单应力状态下岩石力学实验,2.试件端面摩擦约束效应承压板变形对试件端面周边的约束。由于试验机承压板大于试件端面，加载时承压板因受力而变形，对试件的周边产生横向约束；同时承压板的变形还会改变对试件作用的纵向应力分布。端面摩擦。试件发生横向变形时，承压板对试件端面产生摩擦力，从而影响试件的应力分布。减少试件端面摩擦的方法：可选用与试件端面相同、侧面膨胀相同(即泊松比/弹模E值相等)的金属块加于试件两端，以消除端面效应，那么在弹性阶段端部效应就不出现。多数岩石都可找到适当的金属。这是一种十分巧妙而有效的方法。在试件端面与承压板之间嵌放适宜的薄层材料，如二硫化钼，附加有滑石的硬酯酸、聚四氯乙烯、硬纸板、金属薄板等。,2.1岩石物理性质与简单应力状态下岩石力学实验,2.1岩石物理性质与简单应力状态下岩石力学实验,图2-4应力分布曲线,3.端面摩擦约束条件下的试件应力场,二、刚性压力机的原理,所谓刚性压力机是相对于一般普通压力机而言的。一般压力试验机其整体结构刚度较小，在进行岩石压缩试验时，当载荷达到岩石的强度极限后，由于岩石试件抗变形能力降低，而压力试验机因刚度小所积累的弹性变形能较大，这种弹性变形能会发生瞬时释放，使岩石试件在极短时间内发生类似于爆炸性地崩解破坏。当刚性压力试验机的整体结构刚度较大时，试验过程中达到岩石强度极限后，压力机释放出的弹性变性能较小，岩石试件不会瞬时破坏。试验能够继续平稳进行，从而实验测试出岩石达到强度极限后的应力应变关系，获得岩石的全应力应变曲线。,2.1岩石物理性质与简单应力状态下岩石力学实验,2.1岩石物理性质与简单应力状态下岩石力学实验,刚度K定义为：(2-1)式中：作用力，kN；在压力作用下沿作用方向的位移，mm；刚度，MPamm。可见刚度即是引起单位位移所需的力。对于岩石试件来说，由弹性定律及应力应变定义可得：(2-2)式中：E材料的弹性模量；F、L试件的截面积和长度。,当岩石试件达到强度极限状态后，压力机与试件处于暂时的平衡状态，当有一扰动力P作用时，将打破原有平衡状态。,岩石试件达到强度极限状态后，是否变形稳定，其平衡条件应该是：,压力机在,即压力机的弹性恢复位移小于岩石试件自身的压缩位移，则岩石的变形会继续发展下去，所以岩石会处于稳定变形状态。则有：,2.1岩石物理性质与简单应力状态下岩石力学实验,三、岩石单轴抗拉强度也是岩石的一个重要强度指标。由于抗拉强度远小于抗压强度，所以岩体中一旦出现拉应力区，往往该区域就会最先破坏。岩石抗拉强度室内测试方法分为两类：一类是直接法；另一类是间接法。1.直接法应用直接拉伸的方法测定岩石单轴抗拉强度，其主要困难在于试件如何夹持和如何保证平行于试件轴向施加拉伸荷载。即要有足够的力夹牢试件，又不能损伤试件表面。如果加载方向不能与试件轴向严格平行，就会产生弯矩作用，试件出现弯曲和应力集中。为克服上述困难，可以把岩石试件的端部用环氧树脂直接粘到与试件横截面相同的钢端块上，钢端块与柔性缆索相连，通过缆索施加拉伸载荷，从而使传到试件上的弯曲应力减到最小。为了同样的目的，有人使用球形接头安装加力杆件。南非的Hoek曾把岩石试件加工成特殊形状，即中部细两端粗(与金属的单轴拉伸试件类似)，用一般的楔形夹持器夹持这种试件试验，得到了令人满意的结果。,岩石单轴拉伸实验方法原理图,2.间接法岩石单轴抗拉强度的直接法测试，试验技术复杂，要求高。因而各种间接测试方法被人们所应用。这类方法包括巴西法、弯曲法、水压致裂法以及各种与巴西法类似的测试方法。常用的巴西法间接测试方法测定岩石的单轴抗拉强度，一般是根据弹性力学理论，求出试件内的应力分布，再由试验测定的极限载荷求岩石试件的极限应力作为岩石的抗拉强度。,2.1岩石物理性质与简单应力状态下岩石力学实验,2.1岩石物理性质与简单应力状态下岩石力学实验,巴西法(即劈裂法)简单易行，实验结果最接近直接法而获得广泛应用。为保证巴西试验的正确性，要求圆盘的破坏从试件中心开始，并沿加载方向发展，即破裂面平行于加载方向。用修正的格林菲斯准则分析巴西试验的有效性，试件的破坏必须从圆盘中心开始，这种条件只有通过在加载点垫卡片纸和木材，用以分布荷载才能达到。根据格林菲斯理论分析巴西法试验得出如下结论：加荷垫条角度（或宽度）较小时，的计算公式为：式中F破坏荷载；r0、t试件半径与厚度。这样测定抗拉强度取决于窄条的角度，抗拉强度对窄条的的依赖性随压缩拉伸强度比值的增加而减小。较大窄条角度，临界受拉区就较大，则抗拉强度值更能代表整体试件的特征，而不是一个点。在巴西试验中，随加载速率提高，强度随之增大。试件尺寸增加，则强度降低。我国工程岩体实验方法规定：r0=4.85.4cm，t=（0.51.0）r0,四、岩石抗剪强度试验类同于金属材料，对岩石也提出了抗剪强度的概念。尽管常规三轴压力试验中，即使围压很小时岩石也表现出剪切破坏的性质，但是在简单的纯剪应力状态下，岩石是否存在剪切破坏，不仅没有可靠的肯定性的试验依据，与此相反，一般较坚硬的脆性岩石却表现出拉伸破坏的性质。抗剪强度的概念有四种：（1）纯剪应力状态下的抗剪强度。（2）在垂直破坏面的正应力等于零的条件下破坏时的剪应力。（3）固体力学中取决于施加应力的剪力图解。（4）摩尔应力包络线。剪切试验方法有：扭转、冲剪、直剪、变角板剪切、水平推剪、围压下的冲剪和常规三轴压力实验等。,2.1岩石物理性质与简单应力状态下岩石力学实验,岩石扭转破坏状态（纯剪应力）,变角板剪切,角模压剪实验,水平压剪实验,非限制性剪切实验（正应力等于零）,冲剪实验（施加应力）,试件,试件,岩石抗剪强度,1.莫尔-库伦岩石抗剪强度,2.岩石抗剪强度,f滚珠排与上下板间的摩擦系数,扭转试验时，试件处于纯剪应力状态，测出的抗剪强度是第（1）种概念的强度。大量试验表明，扭转时试件的破坏面为螺旋形，破坏面与剪应力方向成45，破坏面的法线方向为拉应力方向。因此，试验中岩石的破坏实际上并不是剪切破坏，而是在拉、压两个应力作用下的拉伸破坏。这一试验事实对认识岩石在脆性域内的破坏机理和强度性质具有重要意义。岩石在纯剪应力状态下的破坏是拉伸破坏。这一事实说明，在围压为零时（围压不为零时，岩石的破坏机理有变化），岩石在纯剪应力状态下的破坏是拉伸型，而不是剪切型。这样，“岩石剪切强度”的概念因无实验事实的支持，其意义也就丧失了。冲剪、变角板剪切和水平推剪等，形式上岩石的宏观破裂面是剪应力分布面，但这是由于实验强制地只允许岩石在这一断面可产生相对剪切位移，而这些试验中，对岩石内部的应力分布状态、细观破坏机理和破坏发展过程并不十分清楚，所以并没有可靠的证据证明岩石是剪切破坏。但是，在三轴应力状态下，岩石的破坏方式将会发生变化。,2.1岩石物理性质与简单应力状态下岩石力学实验,2.1岩石物理性质与简单应力状态下岩石力学实验,五、岩石强度指标的相关性实验表明，岩石的各种强度指标往往是相关的。一种强度值大，则其余的强度值也会较大，这是由岩石的物质组成和结构所决定的。研究岩石强度的相关性，对于根据一种强度参数估算其它强度参数是很有意义的。可用统计方法研究了岩石强度性质指标的相关性。统计表明，岩石强度指标具有相当密切的相关关系。对于火成岩、沉积岩和变质岩来说，它们的相关方程是相近的。抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和粘结力C的相关关系如下：(的系数变化范围为620)(的系数变化范围为2.57.5)(C的系数变化范围为0.31.1),自从1911年Von.karman首创三轴压力实验以来，岩石的常规三轴压力试验得到了长足的发展，研究已经十分深入。多年来，常规三轴压力试验一直是认识岩石在复杂应力状态下力学性质的主要手段，也是建立强度理论的主要试验依据。摩尔-库仑强度理论中的强度包络线就是由常规三轴压力实验成果绘出的。实际岩体工程中，特别是在地下岩体工程中，岩石一般处于三向应力状态。另外，岩石与金属在力学性质上的一个重要区别就在于岩石对静水压力的敏感性。所以，三轴压力岩石力学试验具有特别重要的意义。,2.2岩石常规三轴压力试验与围压效应,2.2岩石常规三轴压力试验与围压效应,一、试验设备与方法常规三轴压力试验，就是岩石试件受三向压应力作用，而且，即两个较小的主应力相等。与单轴压缩试验相比，常规三轴压力试验增加了围岩的作用。在作用下，岩石的强度显著提高，所以进行岩石常规三轴试验，需要三轴压力室和大吨位的压力试验机。,密封装置,侧压力,球型底座,出油口,岩石试件,乳胶隔离膜,进油口,国内常见的岩石三轴压力机有：国产TYX500型岩石三轴压力机，轴压5MN，围压150MPa；美国MTS公司的岩石伺服试验机，轴压4.5MN，围压150MPa,2.2岩石常规三轴压力试验与围压效应,MTS伺服压力机主要性能：（1）测试单轴和三轴全应力应变曲线（2）应变软化与残余强度的试验研究（3）岩石强度、弹模及泊松比等参数测定（4）不同应力状态下岩石渗透特性的试验研究（5）岩石及混凝土材料的低周疲劳特性试验（6）岩石及混凝土材料的流变性质试验,二、MTS伺服压力机的结构与性能,2.2岩石常规三轴压力试验与围压效应,三、围压效应大理岩在室温下进行的三轴压力试验，如图2-12，由此可以研究岩石随围压的增大由脆性向延性转变的特性，随围压的增大，大理岩的应力应变曲线出现三种重要效应；当围压超过20MPa时，该大理岩由脆性转变为延性；围压越高，应力应变曲线的总水平也变得较高；应力应变曲线上的应变值有持续增大的趋势。,2.2岩石常规三轴压力试验与围压效应,2.2岩石常规三轴压力试验与围压效应,围压效应可以总结如下：(1)随围压的增加，岩石强度增大。(2)岩石随围压的增加，延性变形逐渐增大，当围压达到一定值后，岩石由线弹性材料转变为弹塑性材料。(3)岩石越坚硬，则脆性延性转变所需的围压值越高。(4)岩石试件的破坏形态，由围压为零时的劈裂破坏，随围压的增大而逐步转变为以剪切面形式的剪切破坏、以剪切带形式的剪切破坏，以至演变为延性变形。(5)微观观测以及声发射和弹性波速等测试表明，在脆性延性转变前后，岩石都有微破裂发生。(冲击地压预报),2.2岩石常规三轴压力试验与围压效应,四、岩石变形破坏的围压效应之物理力学机理(1)破裂流动。这是一个仅限于岩石形变理论的概念。它描述了因分散的破裂使材料分成碎片，以及这些碎片的相对运动联合造成的永久性应变。碎裂流动的重要性取决于两个因素：滑动部分之间的摩擦；孔隙度发生变化和与碎片重新分布有关的试件体积的变化。因为围压对作用于滑动面或裂隙上的法向力有影响，从而也影响到摩擦力，因此碎裂流动的阻力对压力变化反应灵敏。(2)晶体塑性。这是指结晶材料中由于其晶粒内部的滑动或双晶作用而产生的永久变形。如果原始孔隙崩塌所造成的伴随效应可以忽略不计，那么与碎裂流动相反，晶体塑性主要是岩石发生体积保持常量时的形变，而且它与围压的关系很轻微。(3)扩散流动，这是指物质从物体的某一部分向另一部分扩散所引起的该物体的形状变化，而不管其扩展途径。,2.2岩石常规三轴压力试验与围压效应,2.3真三轴压力试验与中间主应力效应,岩石一般处于三向应力状态，工程岩石与岩体的变形和破坏是在复杂应力状态下实现的。一般应力状态下岩石强度理论研究是岩石力学的基本课题之一。常规三轴压力试验使人们认识了围压对岩石变形和破坏的影响。这种试验中，三轴压力中的中间主应力=最小主应力。不等压三轴应力状态下，中间主应力对岩石变形、强度特性的影响，一直是人们所探索的问题。,一般说来，用三对应力垂直于正六面体的表面加力可以得到均匀三轴应力。若通过钢制垫块来施加压力，则垫块与试件之间的摩擦力和试件端部的应力集中会影响试验结果，早期的三轴试验就是这样进行的。,2.3真三轴压力试验与中间主应力效应,Cook等对加载方法作了一些改进，用两对钢板扁千斤顶独立地施加最小压力和中间压力日本的茂木清夫找到了一种很好的加压方法：用液压施加最小应力，用横向固体活塞施加中间压力。茂木的方法其最突出优点是：最小主应力用液压，使得应力均匀，精度高，易于控制。因最小主应力比中间主应力对岩石的力学性质影响大得多，所以最小应力均匀与高精度是十分重要的。另外，用液压施加最小主应力，就有了进行应变测量的侧面。茂木的这一加压方式为后来的许多真三轴压力机所采用。他设计的三轴压力机也作为定型产品为人们所肯定。,2.3真三轴压力试验与中间主应力效应,一、真三轴压力仪及试验技术1真三轴压力仪继茂木、Hojem和Cook等研制出真三轴压力仪之后，许多学者相继研制出了各具特点的真三轴压力仪。,2.3真三轴压力试验与中间主应力效应,真三轴压力仪性能表,2应变测量应用液压施加为应变测量提供了方便。茂木、许东俊和李小春等采用了三向应变的测量方法,2.3真三轴压力试验与中间主应力效应,3试件的防油措施为防止油液浸入试件，在试件表面涂12mm厚的703硅胶试件在发生很大变形时，硅胶涂层仍然能够保持完好。4端部处理减小试件端部约束和摩擦效应是获得试件内均匀应力场的重要条件。在茂木等的试验中，由于采用与试件等断面的金属块加压，所以不存在加压板变形而引起的试件端部侧向约束问题，为减少摩擦力在试件与横向端块之间加了铜片和特氟隆。,2.3真三轴压力试验与中间主应力效应,二、中间主应力效应,2.3真三轴压力试验与中间主应力效应,21c关系曲线（花岗岩）（李晓春，1988）,21c关系曲线（红砂岩）（高延法，1991）,1.中间主应力2对最大主应力1极限荷载1c的影响,1c最大主应力的极限荷载,1max,1max,1max,为具体分析中间主应力对岩石强度的影响程度，定义中间主应力影响系数：在3一定的条件下，设当2=3时，最大主应力的极限荷载为1c，在2由3的值逐渐增大至1的过程，1c取得极大值1max。则定义中间主应力影响系数为:由1c-2曲线求得的中间主应力影响系数如表所列.,2.3真三轴压力试验与中间主应力效应,根据表可以得出如下结论：(1)各种岩石都存在中间主应力效应。根据所收集的资料，花岗岩中间主应力效应最大。(2)中间主应力影响系数一般为0.20.5。根据已有资料，的平均值为0.30(不计表中的最大值0.75，该值偏差过大)，即中间主应力可使1c增大30%。(3)对于同一种岩石，值与3有比较明显的相关关系。如：根据红砂岩实验资料，当3/0分别为0，0.08，0.06时,值则分别为0.38，0.34，0.25。(4)2荷载的加载钢块(或钢板)与试件端面的摩擦力是影响实验结果的最主要因素。,2.3真三轴压力试验与中间主应力效应,2.中间主应力对岩石破坏形态的影响在常规三轴试验中，围压的变化会改变岩石的破坏性质。当围压为零时，一般为劈裂，随围压增大，逐步转化为压剪、剪切，以至发展为塑性流动，破裂面与最大主应力方向的夹角也由小变大。真三轴压力试验表明，中间主应力2的变化也会影响岩石的破坏形态，破裂面与1方向夹角也随之变化。张金铸根据W.Lode的应力状态类型参数分析了2随的变化，应力类型状态的转化问题。为(确定拉压符号)在保持3、1为常量的情况下，2由3的值增大到1的值，则由-1增加到+1，应力状态则由压缩型变为拉伸型。由于岩石拉压不同性，从而造成岩石破坏形态的变化。茂木研究了白云岩在真三轴压力下的破坏角与2的关系。试验发现，破坏面总是平行于2方向，并且破坏面与1方向的夹角随2的增加而减小。当3的值较小时，2的影响更显著。后来的真轴强度试验得出了同样结果。,2.3真三轴压力试验与中间主应力效应,真三轴压力试验岩石试件的破坏形态,破坏面总是平行于2方向，并且破坏面与1方向的夹角随2的增加而减小,2.4岩石流变试验,流变学是力学的一个新分支，它主要研究材料在应力、应变、温度湿度、辐射等条件下与时间因素有关的变形和流动的规律。流变学研究内容是各种材料的蠕变和应力松弛的现象、屈服值以及材料的流变模型和本构方程。,蠕变和应力松弛材料的流变性能主要表现在蠕变和应力松弛两个方面。蠕变是指材料在恒定载荷作用下，变形随时间而增大的过程。蠕变是由材料的分子和原子结构的重新调整引起的，这一过程可用延滞时间来表征。当卸去载荷时，材料的变形部分地回复或完全地回复到起始状态，这就是结构重新调整的另一现象。材料在恒定应变下，应力随着时间的变化而减小至某个有限值，这一过程称为应力松弛。这是材料的结构重新调整的另一种现象。蠕变和应力松弛是物质内部结构变化的外部显现。这种可观测的物理性质取决于材料分子(或原子)结构的统计特性。因此在一定应力范围内，单个分子(或原子)的位置虽会有改变，但材料结构的统计特征却可能不会变化。屈服值当作用在材料上的剪应力小于某一数值时，材料仅产生弹性形变；而当剪应力大于该数值时，材料将产生部分或完全永久变形。则此数值就是这种材料的屈服值。屈服值标志着材料有完全弹性进入具有流动现象的界限值，所以又称弹性极限、屈服极限或流动极限。同一材料可能会存在几种不同的屈服值，比如蠕变极限、断裂极限等。在对材料的研究中一般都是先研究材料的各种屈服值。,蠕变：固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。它与塑性变形不同常在应力超过弹性极限之后才出现，而蠕变只要应力的作用时间相当长，它在应力小于弹性极限时也能出现。岩石在地质条件下的蠕变可以产生相当大的变形而所需要的应力却不一定很大。蠕变随时间的延续大致分3个阶段：初始蠕变或过渡蠕变,应变随时间延续而增加，但增加的速度逐渐减慢；稳态蠕变或定常蠕变，应变随时间延续而匀速增加，这个阶段较长；加速蠕变，应变随时间延续而加速增加,直达破裂点。应力越大，蠕变的总时间越短；应力越小，蠕变的总时间越长。但是每种材料都有一个最小应力值，应力低于该值时不论经历多长时间也不破裂，或者说蠕变时间无限长，这个应力值称为该材料的长期强度。岩石的长期强度约为其极限强度的2/3。,一、岩石流变及扰动效应试验仪,要掌握岩石流变扰动效应的规律，就必须进行岩石流变扰动效应实验。为此，研制了岩石流变扰动效应实验仪型流变试验仪型流变试验仪,二、型岩石流变及扰动效应实验仪,1、流变仪的结构与技术特点采用重力加载方式，适合于进行中长期流变实验能够将重力荷载扩大60100倍作为岩石试件的轴向加压荷载；能够施加扰动荷载进行岩石流变扰动效应实验；能够进行单轴和三轴岩石流变及扰动效应实验；该流变仪采用了全自动数据采集与监测系统。,2、加载扩力原理岩石流变及扰动效应实验仪，采用机械扩力与液压扩力两级扩力方式。3、扰动荷载岩石流变及扰动效应实验仪，采用上承压板冲击扰动和下承压板爆破扰动两种方式。上承压板冲击扰动施加方式为：钢环自由落体冲击；下承压板爆破扰动施加方式为：雷管爆破扰动。4、三轴流变实验岩石流变及扰动效应实验仪分为A型、B型和C型三种。,5、数据全自动采集系统采用全自动数据定时采集系统，配备有荷载、位移、应变和振动等四种测试传感器，数据全自动采集系统能够对流变过程中的四类测试数据进行实时采集与处理。,理。,电脑自动采集系统智能静态应变仪JC-型荷载传感器,SD-型位移传感器UBOX振动记录仪,三、岩石流变试验,四、岩石单轴压缩蠕变试验,2.4岩石流变试验,红砂岩破坏方式,应变片粘贴方式,1、岩石试件破坏形态岩石试件的最终破坏面方位介于劈裂破坏和剪切破坏之间。从破坏过程看，最终破坏之前出现的宏观裂纹基本上都是纵向裂纹，应属劈裂破坏。一段时