第2章 岩石的基本物理力学性质

1、第第2 2章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 第第1 1节节 岩石的基本物理性质岩石的基本物理性质 1 1、密度和重力密度、密度和重力密度 密度是单位体积内岩石的质量。密度是单位体积内岩石的质量。 分天然、饱和及干燥三种。分天然、饱和及干燥三种。 （2 2）饱和密度：岩石中的孔隙被水充填时的单位体积质量。）饱和密度：岩石中的孔隙被水充填时的单位体积质量。 （1 1）天然密度：天然状态下单位体积质量。）天然密度：天然状态下单位体积质量。 Vm/ V Vm WV sat 0 m 岩石质量；岩石质量； V V 总体积。总体积。 V VV V 孔隙体积。孔隙体积。 （3）干密度：岩块中的孔隙水

2、全部蒸发后（）干密度：岩块中的孔隙水全部蒸发后（100-105烘干烘干 24h）的单位体积质量。的单位体积质量。 （g/cm3） Vm d / 0 m0 0 岩石固体的质量。岩石固体的质量。 （g/cm3） （g/cm3） 重力密度重力密度（分天然、饱和及干燥三种）（分天然、饱和及干燥三种） g 2 2、相对密度：、相对密度：岩石固体质量（岩石固体质量（m m0 0）与同体积水与同体积水 在在44时的质量比值。时的质量比值。 V VC C 固体体积；固体体积； w w 水的密度。水的密度。 )/( 0sWC Vm （KN/mKN/m3 3） CV VVe/ VVn V / Wd V V C V

3、 C V Gn n n V VV V V VV VV V V e /1 1/ / 3 3、孔隙率和孔隙比、孔隙率和孔隙比 2 2）孔隙比）孔隙比 V VV V 孔隙体积。孔隙体积。 1 1）孔隙率）孔隙率 e-ne-n关系关系 含水率是岩石空隙中水的质量与固体质量的比值。含水率是岩石空隙中水的质量与固体质量的比值。 W = mW = mW W/m/m0 0（% %） 岩石吸入水率是试件在大气压力和室温条件下吸入水的质岩石吸入水率是试件在大气压力和室温条件下吸入水的质 量与固体质量的比值，以百分数表示。量与固体质量的比值，以百分数表示。 岩石饱和吸入水率是试件在强制状态下吸入水的质量与固岩石饱和

4、吸入水率是试件在强制状态下吸入水的质量与固 体质量的比值，以百分数表示。体质量的比值，以百分数表示。 （% %） oa mmmw/ )( 01 osat mmmw/ )( 02 （% %） 4、含水率、含水率、吸水率和饱和吸水率吸水率和饱和吸水率 A dx dh kq x 5 5、 渗透性渗透性 在一定的水压作用下，水穿透岩石的能力。反映了岩石中在一定的水压作用下，水穿透岩石的能力。反映了岩石中 裂隙相互连通的程度，渗透性可用达西（裂隙相互连通的程度，渗透性可用达西（DarcyDarcy）定律描述：定律描述： m3/s） q qx x 沿沿x x方向水的流量；方向水的流量； k 渗透系数渗透系

5、数; dh/dx 水头变化率；水头变化率； A A 垂直垂直x x方向的截面面积。方向的截面面积。 耐崩解性指数是通过对岩石试件进行烘干，浸水循环试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。验所得的指标。 试验时将烘干的试块（约试验时将烘干的试块（约500500g g，分成分成1010份）放入带有筛份）放入带有筛 孔的圆筒内，圆筒在水槽中以孔的圆筒内，圆筒在水槽中以2020r rm m 速度连续转速度连续转1010分钟，然分钟，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。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：按下式计算耐

6、崩解性指数： 6 6、崩解性、崩解性 ms - - 试验前的试件烘干质量；试验前的试件烘干质量； mr - - 残留在筒内的试件烘干质量。残留在筒内的试件烘干质量。 2 /(% ) drs Imm 自由膨胀率：无约束条件下，浸水后膨胀变形与自由膨胀率：无约束条件下，浸水后膨胀变形与 原尺寸之比。原尺寸之比。 轴向自由膨胀：轴向自由膨胀： （%） H 试件高度 径向自由膨胀：径向自由膨胀： （%） D 直径 / H VH H DDV D / 7 7、岩石的膨胀性、岩石的膨胀性 8、软化性、软化性 / wd RR Rd干燥单轴抗压强度；干燥单轴抗压强度； Rw 饱和单轴抗压强度。饱和单轴抗压强度。

7、 岩石的软化性用软化系数表示。岩石的软化性用软化系数表示。 岩石的抗冻岩石的抗冻性用性用抗冻系数来表示。抗冻系数来表示。 9 9、岩石的抗冻性、岩石的抗冻性 / ffw kRR Rf 冻融后单轴抗压强度；冻融后单轴抗压强度； Rw 冻融前单轴抗压强度。冻融前单轴抗压强度。 第第2 2节节 岩石的强度岩石的强度 工程师对材料提出两个问题工程师对材料提出两个问题 1 1、最大承载力、最大承载力 许用应力许用应力 ？ 2 2、最大允许变形许用应变、最大允许变形许用应变 ？ 强度：材料受力时抵抗破坏的能力。强度：材料受力时抵抗破坏的能力。 强度强度 单向抗压单向抗压 单向抗拉单向抗拉 剪切剪切 三轴压

8、缩三轴压缩 真三轴真三轴 普通三轴普通三轴 一、一、 岩石的单轴抗压强度岩石的单轴抗压强度 1 1、抗压强度抗压强度：指岩石试件在无侧限的条件下，受轴向压：指岩石试件在无侧限的条件下，受轴向压 力作用破坏时单位面积上承受的荷载。力作用破坏时单位面积上承受的荷载。 APR c / 式中：式中：P P 无侧限的条件下的轴向破坏荷载无侧限的条件下的轴向破坏荷载 A A 试件截面积试件截面积 2 2、试件方法：、试件方法： 圆柱体试件：圆柱体试件：4.84.85.2cm 5.2cm ， 高高 H =H =（2 22.5)2.5) 长方体试件：边长长方体试件：边长L 4.8L 4.85.2cm , 5.

9、2cm , 高高 H =H =（2 22.5)L2.5)L 试件两端不平度试件两端不平度0.50.5mmmm；尺寸误差尺寸误差0.30.3mm;mm; 两端面垂直于轴线两端面垂直于轴线0.250.25o o （1 1）试件标准：）试件标准： 3 3、单向压缩试件的破坏形态、单向压缩试件的破坏形态 破坏形态有两类：破坏形态有两类： （1 1）圆锥形破坏）圆锥形破坏 圆锥形破坏的原因是压板两端存在摩擦力，称端部圆锥形破坏的原因是压板两端存在摩擦力，称端部 效应，在工程中也会出现。效应，在工程中也会出现。 （2 2）柱状劈裂破坏）柱状劈裂破坏 张拉破坏是岩石单向压缩破坏的真实反映。张拉破坏是岩石单向

10、压缩破坏的真实反映。 消除试件端部约束的方法：消除试件端部约束的方法： 润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部）润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部） 加长试件加长试件 破坏形态是表现破坏机理的重要特征；其主要影响因素：破坏形态是表现破坏机理的重要特征；其主要影响因素： 应力状态；应力状态； 试验条件。试验条件。 4 4、影响单轴抗压强度的主要因素、影响单轴抗压强度的主要因素 （1 1）承压板端部的摩擦力及其刚度。）承压板端部的摩擦力及其刚度。 （2 2）试件的形状和尺寸）试件的形状和尺寸 形状：圆形试件不易产生应力集中，易加工；形状：圆形试件不易产生应力集中，易加工； 尺寸：大于矿物颗粒的

11、尺寸：大于矿物颗粒的1010倍；倍； 高径比：研究表明，高径比：研究表明，h/d(2h/d(22.5)2.5)较合理。较合理。 （3 3）加载速度）加载速度 加载速度越大，表现强度越高；国标规定加载速加载速度越大，表现强度越高；国标规定加载速 度为度为0.5 0.5 1.0 1.0 MPa/sMPa/s。 （4 4）含水量：含水量越大强度越低；岩石越软越明显，含水量：含水量越大强度越低；岩石越软越明显， 对粘土岩等软岩，干燥强度是饱和强度的对粘土岩等软岩，干燥强度是饱和强度的2 23 3倍。倍。 （5 5）温度：）温度：180180以下部不明显：大于以下部不明显：大于180180，温度越，温度

12、越 高，强度越小。高，强度越小。 二、岩石的抗拉强度二、岩石的抗拉强度 1 1、抗拉强度：岩石试件在受到轴向拉应力后其试件发生、抗拉强度：岩石试件在受到轴向拉应力后其试件发生 破坏时的单位面积上所受的应力。破坏时的单位面积上所受的应力。 由于试件不易加工，除研究直接拉伸的夹具外，由于试件不易加工，除研究直接拉伸的夹具外， 研究了大量的间接试验方法。研究了大量的间接试验方法。 2 2、直接拉伸法、直接拉伸法 APRt/ 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 力与试件的同心力与试件的同心 3 3、间接方法、间接方法 IMC t / 岩石是各向同性的线弹性材料岩石是各向同性的线

13、弹性材料 满足平面假设的对称面内弯曲满足平面假设的对称面内弯曲 适用条件：适用条件： （1 1）抗弯法（梁的三点弯曲试验）抗弯法（梁的三点弯曲试验） t t 三点弯曲梁内的最大拉应力；三点弯曲梁内的最大拉应力； M M 作用在试件上的最大弯矩；作用在试件上的最大弯矩； C C 梁边缘到中性轴的距离；梁边缘到中性轴的距离； I I 梁截面绕中性轴的惯性矩。梁截面绕中性轴的惯性矩。 （2 2）劈裂法（巴西法）劈裂法（巴西法） 对称径向压裂法，由巴西人对称径向压裂法，由巴西人HondrosHondros提出。提出。 要求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

14、试件的直径 注意：注意： 端部效应端部效应 并非完全单向应力并非完全单向应力 试件：圆柱体试件：圆柱体 D=50mmD=50mm，t=25mm t=25mm 试验：径向压缩破坏试验：径向压缩破坏 计算公式：计算公式：Dtp t /2 t 试验中心的最大拉应力；试验中心的最大拉应力； p p 试验中破坏时的压力；试验中破坏时的压力； D D 试件的直径；试件的直径； t t 试件的厚度；试件的厚度； （3 3）点荷载试验法）点荷载试验法 一种简便的现场试验方法。一种简便的现场试验方法。 试件：任何形状，尺寸大致试件：任何形状，尺寸大致5 5cmcm，不做任何加工。不做任何加工。 试验：在直接带到

15、现场的点荷载仪上，加载劈裂破坏。试验：在直接带到现场的点荷载仪上，加载劈裂破坏。 2 / DPI IRt96.0 15 1 96. 0 15 1 i it IR 计算公式：计算公式： 式中：式中：P P 试件破坏时的极限压力；试件破坏时的极限压力； D D 加载点试件的厚度。加载点试件的厚度。 统计公式：统计公式： 要求要求: :（由于离散性大），每组（由于离散性大），每组1515个，取均值，即个，取均值，即 建议：用建议：用5cm5cm的钻孔岩芯为试件。的钻孔岩芯为试件。 三三 、岩石的抗剪强度、岩石的抗剪强度 1 1、定义、定义 指一定的应力条件下岩石所能抵抗的最大剪应力。指一定的应力条件

16、下岩石所能抵抗的最大剪应力。 2 2、类型、类型 a.a.抗剪断试验抗剪断试验 b.b.抗切试验抗切试验 c.c.弱面抗剪试验弱面抗剪试验 3 3、抗剪断试验、抗剪断试验 试验试验 楔形剪切仪，加载装置楔形剪切仪，加载装置 计算公式计算公式 cossin sincos fPQ fPN 式中：式中：p p 压力机的总压力；压力机的总压力； 试件倾角；试件倾角； f f 圆柱形滚子与上下压板的摩擦系数。圆柱形滚子与上下压板的摩擦系数。 楔型剪断仪楔型剪断仪 Q Q N N P fP cossin sincos fPQ fPN 剪切破坏面上的正应力剪切破坏面上的正应力和剪应力和剪应力为：为： cos

17、sin sincos f F P F Q f F P F N 岩石的抗剪断强度曲线岩石的抗剪断强度曲线 改变变脚板倾角改变变脚板倾角，在在3030度到度到7070度之间，做一组度之间，做一组 （大（大 于于5 5次）不同次）不同的试验，记录所得的的试验，记录所得的 ，值，由该组值值，由该组值 作作 曲线近似直线得方程：曲线近似直线得方程： ctan 式中：式中：tantan 岩石抗剪切内摩擦系数；岩石抗剪切内摩擦系数； c c 岩石的粘聚力（内聚力）。岩石的粘聚力（内聚力）。 4 4、岩石在三向压缩应力作用下的强度、岩石在三向压缩应力作用下的强度 1 1）定义）定义 指在三向压缩应力作用下岩石

18、抵抗外荷载的最大应力。指在三向压缩应力作用下岩石抵抗外荷载的最大应力。 f f 321 , 2 2）三向压缩试验简介）三向压缩试验简介 （1 1） 真三轴真三轴 （2 2） 普通三轴普通三轴 321 321 3 3）三轴压缩试验的破坏类型）三轴压缩试验的破坏类型 4 4）岩石三向压缩强度的影响因素）岩石三向压缩强度的影响因素 （1 1）侧压力的影响）侧压力的影响 围压越大，轴向压力越大围压越大，轴向压力越大 （2 2）加载途径对岩石三向压缩强度影响）加载途径对岩石三向压缩强度影响 （3 3）孔隙水压力对岩石三向压缩强度的影响）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减小孔隙水压

19、力使有效应力减小 强度降低强度降低 无水 有水 第第3 3节节 岩石的强度理论岩石的强度理论 由正应力和剪应力组合由正应力和剪应力组合 作用使岩石产生破坏（受拉破作用使岩石产生破坏（受拉破 坏、拉剪破坏，压剪破坏）。坏、拉剪破坏，压剪破坏）。 莫尔包络线莫尔包络线 一、莫尔强度理论一、莫尔强度理论 （一）（一）莫尔（莫尔（MohrMohr）19001900年提出，强度准则：年提出，强度准则： 以脆性材料试验数据统计分析为基础；以脆性材料试验数据统计分析为基础； 不考虑中间主应力对岩不考虑中间主应力对岩 石强度的影响；石强度的影响； 忽略了忽略了2 2 对强度的影响。对强度的影响。 )(f （三

20、）莫尔（三）莫尔-库伦强度理论库伦强度理论 库伦（库伦（CACoulombCACoulomb）17731773年提出，是莫尔准则的一年提出，是莫尔准则的一 特例，简洁、应用简便。特例，简洁、应用简便。 （二）强度曲线（二）强度曲线莫尔图包络线莫尔图包络线 表达式：表达式： 由于岩石的力学性质所致，莫尔包线向应力增大的由于岩石的力学性质所致，莫尔包线向应力增大的 方向开放，抗拉强度小于抗压强度；单向抗拉区小于单方向开放，抗拉强度小于抗压强度；单向抗拉区小于单 向抗压区。向抗压区。 （1 1）实验基础：岩土材料压剪或三轴试验和纯剪。）实验基础：岩土材料压剪或三轴试验和纯剪。 （2 2）破坏机理：材

21、料属压剪破坏，剪切破坏力的一部分用）破坏机理：材料属压剪破坏，剪切破坏力的一部分用 来克服与正应力无关的粘聚力，使材料颗粒间脱离联系；另一来克服与正应力无关的粘聚力，使材料颗粒间脱离联系；另一 部分剪切破坏力用来克服与正应力成正比的摩擦力，使面内错部分剪切破坏力用来克服与正应力成正比的摩擦力，使面内错 动而最终破坏。动而最终破坏。 tgc tgf 内摩擦系数内摩擦系数 （3 3）数学表达式：）数学表达式： （4 4）主应力表示）主应力表示 2 2 sin 31 31 ctg （2-42） c 31 sin1 sin1 sin1 cos2 C c 0 3 t c tc /,0 31 222 )

22、2 45() 2 45( sin1 sin1 tgtgctg 2 45 0 由式（由式（2-422-42）推出：）推出：（2 24343） 其中其中为塑性指数为塑性指数 ； 当当 时，时， c 1 ； 为拉压指数。为拉压指数。 （5 5）破坏方向角）破坏方向角 强度曲线倾斜向上说明抗剪强度与压应力成正比。强度曲线倾斜向上说明抗剪强度与压应力成正比。 受拉区闭合，说明受三向等拉应力时岩石破坏受压区开受拉区闭合，说明受三向等拉应力时岩石破坏受压区开 放，说明三向等压应力不破坏。放，说明三向等压应力不破坏。 缺点缺点: : 忽略了中间主应力的影响。忽略了中间主应力的影响。 （6 6）优点）优点 同时

23、考虑了拉剪和压剪应力状态；可判断破坏面的方向。同时考虑了拉剪和压剪应力状态；可判断破坏面的方向。 强度曲线向压区开放，说明强度曲线向压区开放，说明 ，与岩石力学性质符合。，与岩石力学性质符合。 tc 二、格里菲斯准则（二、格里菲斯准则（GriffthGriffth 1921 1921） 断裂力学，断裂力学，2121年提出，年提出，7070年代，岩石力学领域年代，岩石力学领域 （1 1）实验基础：玻璃材料中的微裂纹张拉扩展，）实验基础：玻璃材料中的微裂纹张拉扩展， 连接，贯通，导致材料破坏。连接，贯通，导致材料破坏。 （2 2）基本思想）基本思想 ：在脆性材料的内部存在许多随：在脆性材料的内部存

24、在许多随 机分布的裂纹，其中有一个方向的裂纹最有利于破机分布的裂纹，其中有一个方向的裂纹最有利于破 裂，在外力作用下，首先在该方向裂纹的尖端张拉裂，在外力作用下，首先在该方向裂纹的尖端张拉 扩展。扩展。 两个关键点：两个关键点： 1.1.最容易破坏的裂最容易破坏的裂 隙方向；隙方向； 2.2.最大应力集中点最大应力集中点 （危险点）。（危险点）。 在压应力条在压应力条 件下裂隙开件下裂隙开 裂及扩展方裂及扩展方 向向 带椭圆孔 薄板的孔 边应力集 中问题 数学式数学式 )(2 arccos 2 1 31 21 GriffthGriffth准则几何表示准则几何表示 t t 8 )( 03 03

25、31 2 31 31 331 时 时 GriffthGriffth准则准则 最有利破裂的方向角最有利破裂的方向角 （3 3）GriffthGriffth准则准则 （a a）在在 坐标下坐标下 当当 时，时， 即压拉强度比为即压拉强度比为8 8。 31 0 3 t 8 1 （b b）在在 坐标下坐标下 设设 为应力圆圆心；为应力圆圆心； 为应力圆半径为应力圆半径 又设又设 ，则，则GriffthGriffth强度准则第二式写成强度准则第二式写成 (a) (a) 应力圆方程应力圆方程: (b) : (b) （a a）代入（代入（b b）得：得： （c c） （c c）式是满足强度判据的极限莫尔应力

26、圆的表达式式是满足强度判据的极限莫尔应力圆的表达式 求切点：（求切点：（c c）式对式对 求导得求导得: : 2 31 m 2/ )( 31 m 03 31 tmmt m m t 48 )2 ( )2 ( 8 )( 2 2 31 2 31 222 )( mm mm 4)( 22 m GriffhGriffh准则仅考虑岩石开裂，并非宏观上破坏，故准则仅考虑岩石开裂，并非宏观上破坏，故 强度值偏大。另外，在岩石力学中，还会遇到强度值偏大。另外，在岩石力学中，还会遇到TrescaTresca准准 则和则和MisesMises准则。准则。 tmtm 24)(2 ( (d)d) ttt )2( 4)2(

27、 22 ( (d) d) 代入代入 ( (c c）得得 在在 下的准则下的准则 与库仑准则类似，与库仑准则类似， 抛物线型。抛物线型。 )(4 2 tt 第第4 4节节 岩石的变形岩石的变形 一、岩石在单轴压缩应力作用下的变形特性一、岩石在单轴压缩应力作用下的变形特性 （一）普通试验机下的变形特性（一）普通试验机下的变形特性 1 1、典型的岩石应力、典型的岩石应力-应变应变 关系曲线关系曲线 应力应力-应变关系曲线应变关系曲线 形状与岩性有关形状与岩性有关 A A、典型的岩石的应力、典型的岩石的应力-应变关系曲线应变关系曲线 （1 1）原生微裂隙压密阶段（）原生微裂隙压密阶段（OAOA段）段）

28、 1 1- -1 1曲线上凹曲线上凹，应变率随应力增加而减小；应变率随应力增加而减小； 微裂隙闭合，塑性变形不可恢复。微裂隙闭合，塑性变形不可恢复。 （2 2）弹性变形阶段（）弹性变形阶段（ABAB段）段） 1 1- -1 1曲线是直线；弹性模量曲线是直线；弹性模量E E为常数，岩石为常数，岩石 固体部分变形，变形可恢复。固体部分变形，变形可恢复。B B点开始屈服，点开始屈服，B B点对点对 应的应力为屈服极限应的应力为屈服极限b b。 （3 3）塑性变形阶段（）塑性变形阶段（BCBC段）段） 1-1曲线下凹曲线下凹 ，软化现象；塑性变形不可恢复；，软化现象；塑性变形不可恢复；新裂新裂 纹产生

29、，原生裂隙扩展，纹产生，原生裂隙扩展，应变速率不断增大。应变速率不断增大。 岩石越硬，岩石越硬，BCBC段越短，脆性性质越显著。段越短，脆性性质越显著。 脆性：应力超出屈服应力后，并不表现出明显的塑性变脆性：应力超出屈服应力后，并不表现出明显的塑性变 形的特性而是破坏，即脆性破坏。形的特性而是破坏，即脆性破坏。 B B、弹性常数与强度的确定、弹性常数与强度的确定 弹性模量弹性模量 国际岩石力学学会（国际岩石力学学会（ISRMISRM）建议三种方法建议三种方法 初始模量初始模量 割线模量割线模量 切线模量切线模量 0 0 d d E 50 50 /E 50/ddEt 2 2、反复循环加载曲线、反

30、复循环加载曲线 卸载应力越大，塑性滞卸载应力越大，塑性滞 回越大，其原因是裂隙的扩大，回越大，其原因是裂隙的扩大， 能量的消耗；能量的消耗； 卸载曲线，相互平行；卸载曲线，相互平行； 反复加卸载，曲线总趋反复加卸载，曲线总趋 势保持不变。势保持不变。 3 3、岩石应力、岩石应力- -应变曲线形态的类型应变曲线形态的类型 （1 1）直线型：弹性、脆性）直线型：弹性、脆性 石英岩、玄武岩、硬砂岩。石英岩、玄武岩、硬砂岩。 （2 2）下凹型：弹）下凹型：弹塑性塑性 石灰岩、粉砂岩；石灰岩、粉砂岩； （3 3）上凹型：塑）上凹型：塑弹性弹性 原生裂隙压密，实体部分原生裂隙压密，实体部分 坚硬的岩石。如

31、：片麻岩。坚硬的岩石。如：片麻岩。 （4 4）S S型：塑型：塑弹弹塑型塑型 多孔隙，实体部分较软的岩石。如：页岩。多孔隙，实体部分较软的岩石。如：页岩。 （二）刚性试验机下的单向压缩的变形特性（二）刚性试验机下的单向压缩的变形特性 普通试验机只能得到峰值应力前的变形特性。普通试验机只能得到峰值应力前的变形特性。 实际上，实际上，C C点不是破点不是破 坏的开始（开始点坏的开始（开始点B B），）， 也不是破坏的终结也不是破坏的终结。 刚刚 性性 机机 （1 1）刚性试验机工作简介）刚性试验机工作简介 压力机加压，贮存弹性应变能；岩石试件达到峰值强压力机加压，贮存弹性应变能；岩石试件达到峰值强

32、 度，释放应变能导致试件破坏。度，释放应变能导致试件破坏。 AAO AAO2 2O O1 1面积面积峰值后岩块峰值后岩块 产生微小位移所需的能量。产生微小位移所需的能量。 ACO ACO2 2O O1 1面积面积峰值后刚体机峰值后刚体机 释放的能量。释放的能量。 ABO ABO2 2O O1 1峰值后普通压力机峰值后普通压力机 释放的能量释放的能量。 （2 2）岩石应力应变全过程曲线形态）岩石应力应变全过程曲线形态 刚性压力机试验结果：岩石的应力应变曲线分四个阶刚性压力机试验结果：岩石的应力应变曲线分四个阶 段，段，1-31-3阶段同普通试验机，第阶段同普通试验机，第4 4阶段为应变软化阶段。

33、阶段为应变软化阶段。 岩石的原生和新生裂隙岩石的原生和新生裂隙 贯穿，到达贯穿，到达D点靠碎块间的点靠碎块间的 摩擦力承载，摩擦力承载，d 称为残余称为残余 应力。应力。 承载力随着应变增加而承载力随着应变增加而 减少，有明显的软化现象。减少，有明显的软化现象。 (3)(3)克服岩石试件单向压缩时生产爆裂的途径克服岩石试件单向压缩时生产爆裂的途径 提高试验机的刚度提高试验机的刚度 改变峰值后的加载方式改变峰值后的加载方式 伺服控制试件的位移伺服控制试件的位移 普通试验机附加刚性组件的试验装普通试验机附加刚性组件的试验装 置（提高试验的刚度）置（提高试验的刚度） 1 1岩石试件；岩石试件；2 2

34、、6 6电阻应变片；电阻应变片； 3 3金属圆筒；金属圆筒；4 4位移计；位移计；5 5钢垫块钢垫块 伺服试验机原理示意图伺服试验机原理示意图 1.1.岩石试件；岩石试件；2.2.垫块；垫块；3.3.上压板；上压板；4.4.下压板；下压板；5.5.位移传感器。位移传感器。 （一）（一）2 2= =3 3 时变形规律 时变形规律 1 1、随着围压的增加，岩、随着围压的增加，岩 石的屈服应力将随之增加；石的屈服应力将随之增加； 2 2、岩石的弹性模量不变。、岩石的弹性模量不变。 3 3、随着围压的增加，峰、随着围压的增加，峰 值应力所对应的应变值有所值应力所对应的应变值有所 增大，岩石由脆性向塑性

35、转变。增大，岩石由脆性向塑性转变。 二、岩石在三向压应力下的变形特性二、岩石在三向压应力下的变形特性 （二）当（二）当3 3为常数时岩石的变形特性为常数时岩石的变形特性 1 1、随着、随着2 2 的增大，岩石的屈服应力有所提高；的增大，岩石的屈服应力有所提高； 2 2、弹性模量基本不变；、弹性模量基本不变； 3 3、当、当2 2 不断增大时，岩石由塑性向脆性过渡不断增大时，岩石由塑性向脆性过渡。 （三）当（三）当2 2为常数时岩石的变形特性为常数时岩石的变形特性 1 1、岩石的屈服应力几乎不变；、岩石的屈服应力几乎不变； 2 2、岩石的弹性模量也基本不变；、岩石的弹性模量也基本不变； 3 3、

36、岩石始终保持着塑性破坏的特性。、岩石始终保持着塑性破坏的特性。 （四）岩石的体积应变特性（四）岩石的体积应变特性 扩容现象：岩石在压扩容现象：岩石在压 力作用下，发生非线性体力作用下，发生非线性体 积膨胀。积膨胀。 321 V V V 三、岩石的流变特性三、岩石的流变特性 弹性（可恢复）弹性（可恢复） 与时间无关的变形与时间无关的变形 塑性（不恢复）塑性（不恢复） 与时间有关的变形与时间有关的变形 蠕变：应力恒定，岩石的应变随时间增大，所产生的变蠕变：应力恒定，岩石的应变随时间增大，所产生的变 形称为蠕变（又称为流变）。形称为蠕变（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

37、松驰：应变恒定，岩石中的应力随时间减少，这种现 象称松驰。象称松驰。 岩石变形岩石变形 蠕变蠕变 松弛松弛 时间效应时间效应 （一）典型的蠕变曲线（分三阶段）（一）典型的蠕变曲线（分三阶段） 1 1、初始蠕变阶段（瞬变蠕变阶段）、初始蠕变阶段（瞬变蠕变阶段）(AB)(AB)。 有瞬时应变有瞬时应变0 0 （OAOA）；）； 应变率随时间增长而减小；应变率随时间增长而减小； 卸载后有瞬时恢复变形，经过一段时间后逐渐恢复。卸载后有瞬时恢复变形，经过一段时间后逐渐恢复。 2 2、稳定蠕变阶段（、稳定蠕变阶段（BCBC）（）（较长）较长） 应变率为常量；应变率为常量； 卸载有瞬弹性恢复，粘性流动，卸载

38、有瞬弹性恢复，粘性流动， 不可恢复的永变形。不可恢复的永变形。 3 3、非稳定蠕变阶段（蠕变破坏阶段）、非稳定蠕变阶段（蠕变破坏阶段） 剧烈增加；剧烈增加； 一般此阶段比较短暂。一般此阶段比较短暂。 （二）岩石蠕变的影响因素（二）岩石蠕变的影响因素 （1 1）岩石的力学性质）岩石的力学性质 强度，矿物组成强度，矿物组成 应力水平应力水平, , 第二阶段越长；第二阶段越长； 小到一定程度，第三小到一定程度，第三 蠕变不会出现；蠕变不会出现； 很高，第二阶段短，很高，第二阶段短， 立即进入三阶段立即进入三阶段 t （2 2）温度对蠕变的影响）温度对蠕变的影响 随着温度的增加，总的应变量越小。随着温度的增加，总的应变量越小。 第二阶段的斜率，温度高，斜率越小。第二阶段的斜率，温度高，斜率越小。 （3 3）湿度）湿度 饱和试件第二阶段饱和试件第二阶段 和总应变量都将大和总应变量都将大 于干燥状态下的试件结果。于干燥状态下的试件结果。 （三）蠕变特性和常规变形特性的联系（三）蠕变特性和常规变形特性的联系 四、长期强度的的确方法四、长期强度的的确方法 1、由蠕变试验曲线确定岩石的长期强度、由蠕变试验曲线确定岩石的长期强度 2、由长时恒载破坏试验确定岩石的长期强度、