成都理工大学(01岩石的变形与破坏)

1、1岩岩 体体 力力 学学1.1.岩石的变形及强度岩石的变形及强度主讲主讲 林锋林锋 21. 岩石的变形及强度岩石的变形及强度 1.1 1.1 岩石的物理性质岩石的物理性质 1.2 1.2 岩石单向受压下的变形与强度岩石单向受压下的变形与强度 1.3 1.3 岩石变形及强度影响因素分析岩石变形及强度影响因素分析 1.4 1.4 岩石的流变特性岩石的流变特性31.1 岩石的物理性质岩石的物理性质 1.1.1 1.1.1 岩石岩石 岩石是组成地壳的基本物质，由各种造岩矿物岩石是组成地壳的基本物质，由各种造岩矿物或岩屑在地质作用下按照一定规律组合而成的。或岩屑在地质作用下按照一定规律组合而成的。 构成

2、岩石的矿物称为构成岩石的矿物称为造岩矿物：正长石、斜长造岩矿物：正长石、斜长石、石英、黑云母，白云母、辉石、橄榄石、方解石、石英、黑云母，白云母、辉石、橄榄石、方解石、白云石、高岭石、赤铁矿等。石、白云石、高岭石、赤铁矿等。 不同矿物，其抗风化、抗变形破坏能力不同。不同矿物，其抗风化、抗变形破坏能力不同。 岩石按照成因岩石按照成因：岩浆岩、沉积岩和变质岩。：岩浆岩、沉积岩和变质岩。 不同成因类型岩石，其主要造岩矿物不同。不同成因类型岩石，其主要造岩矿物不同。41.1.1 岩石岩石深成岩深成岩浅成岩浅成岩喷出岩喷出岩 （1 1）岩浆岩）岩浆岩 由岩浆冷凝而成的岩石由岩浆冷凝而成的岩石。在地在地表

3、以下冷凝的称为表以下冷凝的称为侵入岩侵入岩，按照距，按照距离地表深浅分为离地表深浅分为深成岩和浅成岩深成岩和浅成岩；喷出地表冷凝的称为喷出地表冷凝的称为喷出岩，可以喷出岩，可以分为熔岩和火山碎屑岩两类分为熔岩和火山碎屑岩两类。 岩浆岩以一定形态的岩体产出，岩浆岩以一定形态的岩体产出，并在一定的地质环境及物理化学条并在一定的地质环境及物理化学条件下形成。件下形成。 岩浆岩的产状岩浆岩的产状主要指岩体的形主要指岩体的形态、大小、和围岩的接触关系等，态、大小、和围岩的接触关系等，如如岩基、岩株、岩盘、岩脉；以及岩基、岩株、岩盘、岩脉；以及熔岩被、熔岩流、溶岩锥、碎屑锥、熔岩被、熔岩流、溶岩锥、碎屑锥

4、、混合锥等混合锥等。 5 （1 1）岩浆岩）岩浆岩 绝大多数岩浆岩由结晶矿物组成，绝大多数岩浆岩由结晶矿物组成，常见的造岩矿物不常见的造岩矿物不过二十种，过二十种，根据化学成分，可以分为：根据化学成分，可以分为： 硅铝矿物硅铝矿物：SiOSiO2 2和和AlAl2 2O O3 3较高，不含较高，不含FeOFeO、MgOMgO，包括，包括石英类、长石类及似长石类，由于颜色较浅，又称为浅色石英类、长石类及似长石类，由于颜色较浅，又称为浅色和淡色矿物。和淡色矿物。 铁镁矿物铁镁矿物：FeOFeO和和MgOMgO的含量较高，的含量较高，SiOSiO2 2的含量较低，的含量较低，包括橄榄石类，辉石类，角

5、闪石类及黑云母类，由于颜色包括橄榄石类，辉石类，角闪石类及黑云母类，由于颜色较深，也称为深色矿物或暗色矿物。较深，也称为深色矿物或暗色矿物。 按照按照造岩矿物在岩浆岩中的含量和分类中的作用造岩矿物在岩浆岩中的含量和分类中的作用，可，可以分为：以分为：主要矿物、次要矿物和副矿物主要矿物、次要矿物和副矿物三类。三类。1.1.1 岩石岩石6 （1 1）岩浆岩）岩浆岩 岩浆岩的分类方案有很多，这里介绍常见的一种。即岩浆岩的分类方案有很多，这里介绍常见的一种。即 根据岩石化学成分中的酸度（根据岩石化学成分中的酸度（SiOSiO2 2的重量百分比）和碱度的重量百分比）和碱度相对大小进行分类，可以分为如下相

6、对大小进行分类，可以分为如下4 4类：类： 超基性岩：超基性岩：SiOSiO2 245%45%，如纯橄榄岩、辉石岩，如纯橄榄岩、辉石岩 基性岩：基性岩：SiOSiO2 2 454553%53%，辉长岩，辉绿岩，玄武岩，辉长岩，辉绿岩，玄武岩 中性盐：中性盐：SiOSiO2 2 535366%66%，闪长岩，安山岩，正长岩，闪长岩，安山岩，正长岩 酸性岩：酸性岩：SiOSiO2 266%66%，花岗岩，流纹岩。，花岗岩，流纹岩。 每大类再根据碱度大小进一步划分为每大类再根据碱度大小进一步划分为 钙碱性、碱性钙碱性、碱性和过碱性和过碱性。1.1.1 岩石岩石7 （2 2）沉积岩沉积岩 由母岩（岩浆

7、岩、变质岩和沉积岩）在地表经风化、由母岩（岩浆岩、变质岩和沉积岩）在地表经风化、剥蚀而产生的物质，通过搬运、沉积和固结作用而形成的岩剥蚀而产生的物质，通过搬运、沉积和固结作用而形成的岩石。石。沉积岩由颗粒和胶结物组成沉积岩由颗粒和胶结物组成。颗粒颗粒包括不同形状和大小包括不同形状和大小的岩屑及不同矿物，的岩屑及不同矿物，胶结物有胶结物有泥质、钙质、铁质和硅质等。泥质、钙质、铁质和硅质等。 根据成因分为根据成因分为碎屑沉积岩、化学沉积岩和生物沉积岩碎屑沉积岩、化学沉积岩和生物沉积岩。 由于沉积环境的影响，沉积岩具有层理构造。由于沉积环境的影响，沉积岩具有层理构造。 沉积岩根据沉积岩根据层的厚度层

8、的厚度可以划分为：可以划分为： 0.2cm,0.2cm,微细层；微细层； 0.20.22cm,2cm,片状层；片状层；2 210cm,10cm,薄层；薄层； 101050cm,50cm,中厚层；中厚层；5050100cm,100cm,厚层；厚层；100cm,100cm,巨厚层。巨厚层。 层理按形成条件和原因分：层理按形成条件和原因分： 水平层理，波状层理，交错层理。水平层理，波状层理，交错层理。1.1 1.1 岩石的物理性质岩石的物理性质 8 （3 3） 变质岩变质岩 母岩母岩( (岩浆岩、沉积岩、变质岩岩浆岩、沉积岩、变质岩) ) 在地壳中受在地壳中受到到高温、高压及化学活动性流体高温、高压

9、及化学活动性流体的影响下发生变质的影响下发生变质而形成的岩石。固态的岩石在地球内部的而形成的岩石。固态的岩石在地球内部的压力压力和和温温度度作用下，发生作用下，发生物质成分的迁移物质成分的迁移和和重结晶，形成新重结晶，形成新的矿物组合的矿物组合。同时。同时岩石的结构、构造岩石的结构、构造也要变化。但也要变化。但一般情况下，仍然保持着原岩产状。一般情况下，仍然保持着原岩产状。 变质岩是组成地壳的主要成分之一，一般是在变质岩是组成地壳的主要成分之一，一般是在地下深处的高温（大于地下深处的高温（大于150150）高压下产生的，后）高压下产生的，后来由于来由于地壳运动地壳运动而出露地表。而出露地表。

10、一般变质岩分为两大类，一类是一般变质岩分为两大类，一类是正变质岩，正变质岩，由由岩浆岩经变质作用岩浆岩经变质作用形成；另一类是形成；另一类是副变质岩，由沉副变质岩，由沉积岩经变质作用形成。积岩经变质作用形成。 1.1 1.1 岩石的物理性质岩石的物理性质 9 变质岩变质岩 大面积变质的岩石为大面积变质的岩石为区域性的区域性的，但也有，但也有局部性的局部性的。其中其中局部性的如果是因为岩浆涌出造成周围岩石的变质局部性的如果是因为岩浆涌出造成周围岩石的变质称为称为接触变质岩接触变质岩；如果是因为地壳构造错动造成的岩石；如果是因为地壳构造错动造成的岩石变质为变质为动力变质岩动力变质岩。 岩受变质作用

11、的程度不同，变质情况也不同，一般岩受变质作用的程度不同，变质情况也不同，一般分为分为低级变质、中级和高级变质低级变质、中级和高级变质。变质级别越高，变质。变质级别越高，变质程度越深。如程度越深。如沉积岩粘土质岩石沉积岩粘土质岩石在低级作用下，形成在低级作用下，形成板板岩岩；在中级变质时形成；在中级变质时形成云母片岩云母片岩；在高级变质作用下形；在高级变质作用下形成成片麻岩片麻岩。 变质岩的变质岩的主要特征主要特征是这类岩石大多数具有是这类岩石大多数具有结晶结构、结晶结构、定向构造定向构造( (如片理、片麻理等如片理、片麻理等) )和由变质作用形成的和由变质作用形成的特征特征变质矿物变质岩力学性

12、质与原岩、变质作用的性质和程变质矿物变质岩力学性质与原岩、变质作用的性质和程度等有关系。度等有关系。 10 （1 1）重力密度和质量密度）重力密度和质量密度 （2 2）相对密度）相对密度G Gs s （3 3）孔隙率和孔隙比）孔隙率和孔隙比 （4 4）含水率、吸水率、饱水率和饱水系数）含水率、吸水率、饱水率和饱水系数 （5 5）岩石的渗透性）岩石的渗透性 （6 6）岩石的膨胀性）岩石的膨胀性 （7 7）岩石的崩解性）岩石的崩解性 （8 8）岩石的软化性）岩石的软化性 （9 9）岩石的抗冻性）岩石的抗冻性 1.1.2 1.1.2岩石的基本物理性质岩石的基本物理性质 1.1 1.1 岩石的物理性质

13、岩石的物理性质 物理意义与土的基物理意义与土的基本物理性质相同本物理性质相同11 （1 1）重力密度）重力密度和质量密度和质量密度 重力密度，简称重度，或容重重力密度，简称重度，或容重KN/mKN/m3 3。 1.1.2 1.1.2岩石的基本物理性质岩石的基本物理性质 VW 重度：重度：干重度，天然重度，饱和重度。干重度，天然重度，饱和重度。 岩石的质量密度岩石的质量密度：单位体积岩石的质量：单位体积岩石的质量（含各种空隙），（含各种空隙），Kg/mKg/m3 3。与重度与重度的关系如下：的关系如下：g1.1 1.1 岩石的物理性质岩石的物理性质 12 （2 2）相对密度）相对密度G Gs s

14、 岩石的干重量岩石的干重量W Ws s除以岩石固体本身的体积除以岩石固体本身的体积V Vs s所所得到的量与得到的量与1 1个大气压下个大气压下4 4 时纯水的重度比值。时纯水的重度比值。1.1.2 1.1.2 岩石的基本物理性质岩石的基本物理性质 wsssVWG w w为为1 1个大气压个大气压44时纯水的重度。时纯水的重度。 岩石的相对密度取决于组成岩石的矿物相对岩石的相对密度取决于组成岩石的矿物相对密度。大部分岩石的相对密度在密度。大部分岩石的相对密度在2.502.802.502.80。13 （3 3）孔隙率和孔隙比）孔隙率和孔隙比 岩石中有较多缺陷（空隙），如组成颗粒之间的孔隙，岩石中

15、有较多缺陷（空隙），如组成颗粒之间的孔隙，各种裂隙、甚至有岩溶通道。各种裂隙、甚至有岩溶通道。 这些空隙根据连通性，可分这些空隙根据连通性，可分为为开型空隙开型空隙和和闭空隙闭空隙。开型空隙开型空隙按其开启程度又可分为按其开启程度又可分为大、大、小开型空隙小开型空隙。与此相对应，可把岩石的空隙率分为。与此相对应，可把岩石的空隙率分为总空隙率总空隙率（n n）、总开空隙率（）、总开空隙率（n n0 0）、大开空隙率（）、大开空隙率（n nb b）、小开空隙率）、小开空隙率（n na a）和闭空隙率）和闭空隙率(n(nc c) )几种，各自的定义如下：几种，各自的定义如下： %100VVnV 孔隙

16、比孔隙比e e是指岩石中孔隙的体积与是指岩石中孔隙的体积与岩石固体岩石固体V Vs s的体积之比。的体积之比。%VVnVbb100nnVVeV1s%10000VVnV%VVnV100aa%VVnV100cc14 （4 4）含水率、吸水率、饱水率和饱水系数）含水率、吸水率、饱水率和饱水系数 天然含水率天然含水率：岩石中水的含量岩石中水的含量W Ww w与岩石烘干重量与岩石烘干重量W Ws s比值的百分率。比值的百分率。100%swWW 岩石的吸水率岩石的吸水率a a是指干燥岩石试样在一个大气压和室温是指干燥岩石试样在一个大气压和室温条件下吸入水的重量条件下吸入水的重量W Ww w与岩石干重量与岩

17、石干重量W Ws s之比的百分率。之比的百分率。%100%1000assswWWWWW 岩石的饱和吸水率简称饱水率岩石的饱和吸水率简称饱水率s sa a是指岩样在强制状态是指岩样在强制状态（真空、煮沸或高压）下，其最大吸入水的重量（真空、煮沸或高压）下，其最大吸入水的重量W Ww w与岩石与岩石干重量干重量W Ws s之比的百分率。真空抽气法或煮沸法。之比的百分率。真空抽气法或煮沸法。%100%100psassswWWWWWWpWp为饱和岩样重量为饱和岩样重量 15（4 4）含水率、吸水率、饱水率和饱水系数）含水率、吸水率、饱水率和饱水系数饱水系数饱水系数是指岩石吸水率与饱水率比值的百分率是指

18、岩石吸水率与饱水率比值的百分率。也可称。也可称为饱和系数。为饱和系数。100%aaswK 一般一般岩石的饱水系数在岩石的饱水系数在0.8。试验表明，当。试验表明，当Kw91%Kw91%时，可以免遭冻胀破坏。时，可以免遭冻胀破坏。 （5 5）岩石的渗透性）岩石的渗透性 是指在水压力作用下，岩石的孔隙和裂隙透过水的能是指在水压力作用下，岩石的孔隙和裂隙透过水的能力。力。 用用渗透系数渗透系数来衡量。来衡量。 对于水在岩石中渗流来说，渗透系数的大小取决于岩对于水在岩石中渗流来说，渗透系数的大小取决于岩石的物理特性和结构特征，如岩石中孔隙和裂隙的大小，石的物理特性和结构特征，如岩石中

19、孔隙和裂隙的大小，开闭程度以及连同情况等。开闭程度以及连同情况等。16 （6 6）岩石的膨胀性）岩石的膨胀性 是指岩石浸水后体积增大的性质。是指岩石浸水后体积增大的性质。 含有含有蒙脱石、水云母及高岭石蒙脱石、水云母及高岭石等粘土矿物成分等粘土矿物成分的的软质岩石软质岩石，常具有较强的膨胀性。，常具有较强的膨胀性。 含有含有绢云母、石墨和绿泥石绢云母、石墨和绿泥石一类矿物的岩石，一类矿物的岩石，有时也有一定的膨胀性。有时也有一定的膨胀性。 大多数结晶岩和化学岩是不具有膨胀性的。大多数结晶岩和化学岩是不具有膨胀性的。 膨胀性指标：膨胀性指标：膨胀力，膨胀率膨胀力，膨胀率。 目前国内大多采用目前国

20、内大多采用土的固结仪土的固结仪和和膨胀仪膨胀仪的方法的方法室内测定岩石的膨胀性，主要有：平衡加压法，压室内测定岩石的膨胀性，主要有：平衡加压法，压力恢复法和加压膨胀法。力恢复法和加压膨胀法。 17%WWId100122 （7 7）岩石的崩解性）岩石的崩解性 指岩石与水相互作用时指岩石与水相互作用时，失去粘结性并变成完全丧失失去粘结性并变成完全丧失强度的松散物质的性能。强度的松散物质的性能。用岩石的用岩石的耐崩解性指数耐崩解性指数表示。表示。 耐崩解性指数耐崩解性指数( (I Id2d2) )可在实验室内做干湿循环试验确定，可在实验室内做干湿循环试验确定，规范建议以第二次干湿循环的数据作为计算根

21、据规范建议以第二次干湿循环的数据作为计算根据: : 有的试验规程建议，根据有的试验规程建议，根据耐崩解指数耐崩解指数可将可将岩石耐崩性划岩石耐崩性划分六个等级分六个等级： 很低的很低的(30)(98)(98)。 式中式中 ：W W1 1为试验前试样的烘干重力（为试验前试样的烘干重力（N N）；）；W W2 2为第二为第二次循环后留下的试样烘干重力（次循环后留下的试样烘干重力（N N）。）。18ccwcRR （8 8）岩石的软化性）岩石的软化性 岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性软化性，用，用软软化系数化系数表示。表示。 软化系数：软化系数：岩样饱水状态下

22、的抗压强度与岩样饱水状态下的抗压强度与干燥状态下的抗压强度之比。干燥状态下的抗压强度之比。 岩石的岩石的软化性软化性取决于取决于岩石的矿物组成与空隙性岩石的矿物组成与空隙性。当岩石。当岩石中中含有较多的亲水性和可溶性矿物含有较多的亲水性和可溶性矿物，且含，且含大开空隙大开空隙较多时，较多时，岩石的软化性较强。一般岩石均具有不同程度的软化性。岩石的软化性较强。一般岩石均具有不同程度的软化性。 粘土岩、泥质胶结的砂岩、砾岩和泥灰岩等岩石，软化粘土岩、泥质胶结的砂岩、砾岩和泥灰岩等岩石，软化性较强，软化系数一般为性较强，软化系数一般为0.6，甚至更低。，甚至更低。 一般认为，一般认

23、为，软化系数软化系数0.750.75时，岩石的软化性弱，时，岩石的软化性弱，同时同时也说明岩石抗冻性和抗风化能力强。也说明岩石抗冻性和抗风化能力强。 而而软化系数软化系数0.7510-1/s 动载动载试验试验 10-6/s10-1/s10-6/s静载静载试验试验 蠕变蠕变试验试验 正常应正常应变速率变速率 复杂地质环境中工程岩体受荷特点复杂地质环境中工程岩体受荷特点 4 围压对岩石破坏方式的影响围压对岩石破坏方式的影响 一、围压条件分类一、围压条件分类 岩体一般处在三向应力状态。根据围压条件，将岩体荷岩体一般处在三向应力状态。根据

24、围压条件，将岩体荷载条件分为：载条件分为： 单轴荷载：单轴荷载：围压为零；围压为零； 双向荷载：双向荷载：两向受到应力作用。两向受到应力作用。 三轴荷载：三轴荷载：可以分为可以分为 (a)(a)常规三轴试验（假三轴）常规三轴试验（假三轴）:1 12 23 3 , ,主要研究主要研究围压对岩石变形、强度及破坏的影响；围压对岩石变形、强度及破坏的影响； (b)(b)三轴不等应力试验（真三轴）三轴不等应力试验（真三轴）1 12 2 3 3 ：主要主要研究中间主应力对岩石变形、强度及破坏的影响。研究中间主应力对岩石变形、强度及破坏的影响。48二、三轴等围压下岩石的变形及强度二、三轴等围压下岩石的变形及

25、强度 （1 1）对于高强度坚硬致密的岩石，其弹模并不因围压的不同有）对于高强度坚硬致密的岩石，其弹模并不因围压的不同有明显的变化；对于岩性软弱的岩石，其弹模随围压的增大而增明显的变化；对于岩性软弱的岩石，其弹模随围压的增大而增大，围压起到压密、恢复增加刚度的作用；大，围压起到压密、恢复增加刚度的作用； （2 2）不同围压下，岩石可以发生物态的转化，即岩石）不同围压下，岩石可以发生物态的转化，即岩石破坏方式破坏方式发生明显，甚至根本转变。发生明显，甚至根本转变。 如往往由低围压下的脆性破坏转化为高围压下的延性破坏。如往往由低围压下的脆性破坏转化为高围压下的延性破坏。 （3 3）岩石的破坏方式及变

26、化）岩石的破坏方式及变化 基本概念基本概念 脆性破坏：脆性破坏：岩石在变形很小时，由弹性变形直接发展为急剧岩石在变形很小时，由弹性变形直接发展为急剧、迅速的破坏，破坏后的应力降较大。、迅速的破坏，破坏后的应力降较大。 延性破坏和延性流动：延性破坏和延性流动：指岩石在发生较大的永久变形后导致指岩石在发生较大的永久变形后导致破坏的情况破坏的情况。当岩石在应力作用下应变持续不断增长而不出现当岩石在应力作用下应变持续不断增长而不出现破裂，即只有屈服而无破裂时，称为破裂，即只有屈服而无破裂时，称为延性流动。延性流动。 延性度：延性度：岩石在达到破坏前的全应变或永久应变岩石在达到破坏前的全应变或永久应变.

27、 . 围压对岩石破坏方式的影响围压对岩石破坏方式的影响49 （3 3）岩石的破坏方式及变化）岩石的破坏方式及变化 基本概念基本概念 脆性破坏：脆性破坏：岩石在变形很小时，由弹性变形直接发展为岩石在变形很小时，由弹性变形直接发展为急剧、迅速的破坏，破坏后的应力降较大。急剧、迅速的破坏，破坏后的应力降较大。 延性破坏和延性流动：延性破坏和延性流动：指岩石在发生较大的永久变形后指岩石在发生较大的永久变形后导致破坏的情况导致破坏的情况。当岩石在应力作用下应变持续不断增长而当岩石在应力作用下应变持续不断增长而不出现破裂，即只有屈服而无破裂时，称为不出现破裂，即只有屈服而无破

28、裂时，称为延性流动。延性流动。 延性度：延性度：岩石在达到破坏前的全应变或永久应变岩石在达到破坏前的全应变或永久应变. . 延性度小于延性度小于3%3%，为脆性破坏；为脆性破坏； 延性度大于延性度大于5%5%，为延性破坏和延性流动；为延性破坏和延性流动； 延性度在延性度在35%35%之间时，之间时，为过渡类型。为过渡类型。 二、三轴等围压下岩石的变形及强度二、三轴等围压下岩石的变形及强度50 延性度小于延性度小于3%，为脆性破坏；为脆性破坏； 延性度大于延性度大于5%，为延性破坏和延性流动；为延性破坏和延性流动； 延性度在延性度在35%之间时，之间时，为过渡类型。为过渡类型。 （4 4）围压增

29、加，岩石三轴极限强度也增加，但脆性破坏岩石）围压增加，岩石三轴极限强度也增加，但脆性破坏岩石增加很快，而延性破坏岩石增长缓慢。增加很快，而延性破坏岩石增长缓慢。二、三轴等围压下岩石的变形及强度二、三轴等围压下岩石的变形及强度三、三轴不等围压下岩石的变形及强度三、三轴不等围压下岩石的变形及强度 主要研究中间主应力的影响。主要研究中间主应力的影响。 岩石真三轴试验是从岩石真三轴试验是从2020世纪世纪6060年代末开始的。年代末开始的。 张金铸对张金铸对6969个细砂岩试验表明个细砂岩试验表明 22对三轴极限抗压强度、弹性模量的影响规律都是随对三轴极限抗压强度、弹性模量的影响规律都是随22增加先增

30、后减，但幅度不大；增加先增后减，但幅度不大；511.3.2 荷载条件因素荷载条件因素 应力路径：应力路径：通常指岩体中某一点（或一块岩石试件）的通常指岩体中某一点（或一块岩石试件）的应力变化过程，即在应力坐标系中，某点的应力变化轨迹。应力变化过程，即在应力坐标系中，某点的应力变化轨迹。也称为应力途径，或加载方式。也称为应力途径，或加载方式。 应力路径及其对岩体力学性质的影响应力路径及其对岩体力学性质的影响 132 破坏包线破坏包线 c g 13单轴或假三轴条件应力单轴或假三轴条件应力空间及应力路径空间及应力路径三轴条件应力空间三轴条件应力空间2 等压线等压线 5

31、2 几种典型的应力路径（应力变化过程）为：几种典型的应力路径（应力变化过程）为： （1 1）单调加载）单调加载：岩石在峰值前承受的荷载一直在增加岩石在峰值前承受的荷载一直在增加（按照正常应变（力）速率进行）：（按照正常应变（力）速率进行）：等加载速率加载、等变等加载速率加载、等变形速率加载。形速率加载。 （2 2）循环加载）循环加载 逐级循环加载：逐级循环加载：荷载加到一定值后，全部卸出，再加荷载加到一定值后，全部卸出，再加载到比卸载点高的值，全部卸出，如此逐级循环。载到比卸载点高的值，全部卸出，如此逐级循环。 反复循环加载：反复循环加载：在同一压力水平上，反复加、卸载在同一压力水平上，反复加

32、、卸载（不一定全部卸除）。（不一定全部卸除）。 （3 3）蠕变：）蠕变：恒定加载水平（应力或应力差），变形随时恒定加载水平（应力或应力差），变形随时间增长的现象。间增长的现象。 （4 4）松弛：）松弛：应变恒定，应力随时间逐渐减小的现象。应变恒定，应力随时间逐渐减小的现象。 可据地质环境演化特征及岩体条件，设定应力路径。可据地质环境演化特征及岩体条件，设定应力路径。 应力路径及其对岩体力学性质的影响应力路径及其对岩体力学性质的影响 53逐级循环加载逐级循环加载 132 破坏包线破坏包线 c c g g 逐级循环加载条件下，岩体具有应变强化现象，但对峰值强逐级循环加载条件下，岩体具

33、有应变强化现象，但对峰值强度一般无明显影响。度一般无明显影响。 岩石具有岩石具有“记忆记忆”特性。特性。“记忆点记忆点”前后岩体变形特性有较前后岩体变形特性有较为明显的差异，尤其是微裂纹的产生和发展方面。为明显的差异，尤其是微裂纹的产生和发展方面。 据此可以进据此可以进行记忆点最大应力水平测量（行记忆点最大应力水平测量（“KaiserKaiser”效应法）。效应法）。 应力路径及其对岩体力学性质的影响应力路径及其对岩体力学性质的影响 54反复循环加载反复循环加载 反复循环加载下，岩体强度会降低（与循环的应力水平反复循环加载下，岩体强度会降低（与循环的应力水平及循

34、环次数有关），岩体发生及循环次数有关），岩体发生疲劳破坏。疲劳破坏。使岩石发生疲劳破使岩石发生疲劳破坏时循环荷载的应力水平的大小，称为坏时循环荷载的应力水平的大小，称为疲劳强度疲劳强度。 存在存在极限应力水平极限应力水平：当循环荷载的最大应力低于低于这：当循环荷载的最大应力低于低于这一应力水平时，应变在荷载作用下达到一定值之后，无论循一应力水平时，应变在荷载作用下达到一定值之后，无论循环荷载延续试时间多长，应变不再增长。环荷载延续试时间多长，应变不再增长。 应力路径及其对岩体力学性质的影响应力路径及其对岩体力学性质的影响 132 峰值破坏包线峰值破坏包线 c g 疲劳破坏包线疲劳

35、破坏包线 f极限应力水平极限应力水平55 不同应力路径下的三轴试验表明，不同应力路径下的三轴试验表明，岩石不是只由于最大主应岩石不是只由于最大主应力增加而产生变形与破坏，中间主应力和最小主应力，特别是力增加而产生变形与破坏，中间主应力和最小主应力，特别是最小主应力变化，对于岩石扩容和强度的影响值得重视。最小主应力变化，对于岩石扩容和强度的影响值得重视。 综上，应力路径的影响主要有：综上，应力路径的影响主要有： （1 1）单轴压缩试验，在逐级循环加载下，峰值前，岩体具有）单轴压缩试验，在逐级循环加载下，峰值前，岩体具有应变强化特性；峰值后，有应变软化现象；应变强化特性；峰值后，有应变软化现象；

36、（2 2）单轴压缩试验，在反复循环加载条件下，岩体会发生疲）单轴压缩试验，在反复循环加载条件下，岩体会发生疲劳破坏，疲劳强度取决于使岩石发生疲劳破坏时循环荷载的应劳破坏，疲劳强度取决于使岩石发生疲劳破坏时循环荷载的应力水平的大小及循环荷载持续的时间（或循环的次数）；存在力水平的大小及循环荷载持续的时间（或循环的次数）；存在极限极限应力水平。极限极限应力水平。 （3 3）三轴压缩条件下，岩石的三轴极限强度提高，岩石的变）三轴压缩条件下，岩石的三轴极限强度提高，岩石的变形参数一般也有明显提高；不同学者对岩石强度与应力路径关形参数一般也有明显提高；不同学者对岩石强度与应力路径关系的研究结论有明显不同

37、：有人认为有关，也有人认为无关，系的研究结论有明显不同：有人认为有关，也有人认为无关，这应与研究对象有关。这应与研究对象有关。 应力路径及其对岩体力学性质的影响应力路径及其对岩体力学性质的影响 561.3.2 荷载条件因素荷载条件因素 荷载速率对岩石强度的影响荷载速率对岩石强度的影响 （以压缩试验为例）。（以压缩试验为例）。 岩石的强度随加载速率增大而增大，但加岩石的强度随加载速率增大而增大，但加荷速率在同一数量级内变化时，对强度的影响荷速率在同一数量级内变化时，对强度的影响不大；不大； 岩石强度对于加载速率的敏感性随岩石岩石强度对于加载速率的敏感

38、性随岩石（岩性）而不同；（岩性）而不同； 对大部分岩石而言，加载速率对岩石强度对大部分岩石而言，加载速率对岩石强度的影响在岩石弹性阶段不明显，在裂纹扩展变的影响在岩石弹性阶段不明显，在裂纹扩展变形阶段，岩石强度随加载速率增加显著。形阶段，岩石强度随加载速率增加显著。571.3.3 1.3.3 赋存环境赋存环境温度、风化、初始应力场；水。温度、风化、初始应力场；水。 温度影响：温度影响：围压一定时，一般随温度增加，岩石的延性增加，围压一定时，一般随温度增加，岩石的延性增加，而强度下降。而强度下降。 风化：风化：降低岩石强度（抗压、抗拉、抗剪、变形参数等）。降低岩石强度（抗压、抗拉、抗剪、变形参数

39、等）。 初始应力初始应力不同，岩石演化的应力路径不同，由前面的研究不同，岩石演化的应力路径不同，由前面的研究成果表明，岩体的变形参数一般也有差别成果表明，岩体的变形参数一般也有差别 水：水：水对岩石、矿物具有软化效应，导致岩石抗压强度、抗水对岩石、矿物具有软化效应，导致岩石抗压强度、抗剪强度降低。剪强度降低。581.3.4尺寸效应尺寸效应 (1) (1)在进行岩石或岩体试验时，随着采用试在进行岩石或岩体试验时，随着采用试件尺寸的变化，它可能是完整岩块、单一岩石，件尺寸的变化，它可能是完整岩块、单一岩石，节理岩体，复杂岩体节理岩体，复杂岩体. . (2) (2)岩石（体）试验的尺寸效应，直接关系

40、岩石（体）试验的尺寸效应，直接关系到如何正确使用试验结果，一般来说，随着试到如何正确使用试验结果，一般来说，随着试件尺寸的增加，岩石（体）的参数值总是减速件尺寸的增加，岩石（体）的参数值总是减速减小（或增加）。当试件尺寸改变对参数影响减小（或增加）。当试件尺寸改变对参数影响很小时，我们称此最小尺寸岩石（体）为很小时，我们称此最小尺寸岩石（体）为基本基本代表单元代表单元(REV)(REV)（Representative Elementary Representative Elementary VolumeVolume）尺寸效应对单轴抗压强度有影响尺寸效应对单轴抗压强度有影响尺寸效应对抗剪强度有影

41、响尺寸效应对抗剪强度有影响591.4 岩石的流变岩石的流变 基本概念基本概念 粘性：粘性：指材料受力后变形不能在瞬间完成，且应变的指材料受力后变形不能在瞬间完成，且应变的速率随应力的大小而改变的性质。理想的粘性材料，其应速率随应力的大小而改变的性质。理想的粘性材料，其应力力 应变速率曲线呈直线关系，且通过原点。应变速率曲线呈直线关系，且通过原点。 流变：流变：是指物质在外部条件不变的情况下，应力或变是指物质在外部条件不变的情况下，应力或变形随时间而变化的现象。形随时间而变化的现象。 岩石的流变性主要包括以下几方面：岩石的流变性主要包括以下几方面： 蠕变：蠕变：指在指在恒定应力恒定应力条件下，变

42、形随时间逐渐增长的条件下，变形随时间逐渐增长的现象。现象。 松弛：松弛：指指应变一定应变一定时，应力随时间逐渐减小的现象；时，应力随时间逐渐减小的现象； 流动特征：流动特征：指指时间一定时间一定时，应变速率与应力的关系时，应变速率与应力的关系 长期强度：长期强度：指指长期荷载长期荷载（应变速率小于（应变速率小于10106 6/s/s）作用）作用下岩石的强度。下岩石的强度。601.4 岩石的流变岩石的流变 1.4.1 1.4.1 岩石的蠕变和流动岩石的蠕变和流动 （一）岩石的蠕变曲线分析（一）岩石的蠕变曲线分析 对一组试件，分别施以不同大小的对一组试件，分别施以不同大小的恒定荷载，恒定荷载，测定

43、测定各试件在不同时间的应变值，则可以得到一组蠕变曲线。各试件在不同时间的应变值，则可以得到一组蠕变曲线。 蠕变曲线蠕变曲线： 轴向压力下的轴向压力下的t t 曲线；曲线； 剪切力作用下的剪切力作用下的t t 曲线）。曲线）。611.4.1 岩石的蠕变和流动岩石的蠕变和流动 趋于稳定的蠕变：趋于稳定的蠕变：在较小在较小的恒定荷载下，变形随时的恒定荷载下，变形随时间增长，但变形速率却递间增长，但变形速率却递减，并最终趋于稳定；减，并最终趋于稳定； 非趋于稳定的蠕变：非趋于稳定的蠕变：当恒当恒定荷载超过某一极限值，定荷载超过某一极限值，变形随时间不断增长而最变形随时间不断增长而最终导致破坏；终导致破

44、坏； 极限长期强度：极限长期强度：趋于稳定趋于稳定的蠕变和非趋于稳定的蠕的蠕变和非趋于稳定的蠕变蠕变之间的临界恒定荷变蠕变之间的临界恒定荷载（应力），也称为载（应力），也称为第三第三屈服强度，可简称为长期屈服强度，可简称为长期强度。强度。（1）极限长期强度）极限长期强度 （一）岩石的蠕变曲线分析（一）岩石的蠕变曲线分析 趋于稳定的蠕变趋于稳定的蠕变非趋于稳定的蠕变非趋于稳定的蠕变 62 极限长期强度的试验确定方法极限长期强度的试验确定方法 极限长期强度极限长期强度也就是使岩石在无限长时间内因蠕变达也就是使岩石在无限长时间内因蠕变达到破坏时的应力值，以到破坏时的应力值，以或或表示，简称长期强度。

45、表示，简称长期强度。 （一）岩石的蠕变曲线分析（一）岩石的蠕变曲线分析 极限长期强度的试验及极限长期强度的试验及分析步骤如下：分析步骤如下： 取一组样，在每一试取一组样，在每一试件上施加不同的应力，从而件上施加不同的应力，从而获得获得一组在不同应力作用下一组在不同应力作用下的蠕变曲线。的蠕变曲线。 获取不同时间的应获取不同时间的应力力应变等时数据：应变等时数据：对各条对各条蠕变曲线，取对应不同时间蠕变曲线，取对应不同时间的应力值和和应变值。的应力值和和应变值。0t1tnt63极限长期强度的试验确定方法极限长期强度的试验确定方法 （一）岩石的蠕变曲线分析（一）岩石的蠕变曲线分析 作应力作应力应变

46、等时曲线：应变等时曲线：一个时间有一条曲线。一个时间有一条曲线。 试验结果分析：试验结果分析： 曲线簇前段为直线，斜率曲线簇前段为直线，斜率为弹性模量，或变形模量。为弹性模量，或变形模量。其值随时间增长而减小。其值随时间增长而减小。 曲线簇后段为曲线，随曲线簇后段为曲线，随t t增增加而逐渐变平。根据这样的加而逐渐变平。根据这样的变化趋势，可以绘得到一条变化趋势，可以绘得到一条与与t = t = 的平行于横坐标的平行于横坐标 的直线，该线与纵坐标的直线，该线与纵坐标相交得到的应力值，即为极相交得到的应力值，即为极限长期强度限长期强度 。 如果应力超过如果应力超过 ，则岩，则岩石将由蠕变发展至破

47、坏。石将由蠕变发展至破坏。641.4.1 1.4.1 岩石的蠕变和流动岩石的蠕变和流动 蠕变曲线具有明显的阶段性特征：蠕变曲线具有明显的阶段性特征： 瞬时蠕变：瞬时蠕变：荷载一加上就发荷载一加上就发生的变形；生的变形； 第一阶段蠕变，又叫初始蠕第一阶段蠕变，又叫初始蠕变，或阻尼蠕变，变，或阻尼蠕变，应变随时间减速应变随时间减速增长；增长； 第二阶段蠕变，又称等速蠕第二阶段蠕变，又称等速蠕变，变，应变随时间近于等速增。应变随时间近于等速增。 第三阶段蠕变：又称加速蠕第三阶段蠕变：又称加速蠕变，变，应变速率随时间加速增长，直应变速率随时间加速增长，直至试件破坏。至试件破坏。（一）岩石的蠕变曲线分析

48、（一）岩石的蠕变曲线分析 （2 2）蠕变的阶段性）蠕变的阶段性 并非所有岩石都有并非所有岩石都有等速蠕变阶段，等速蠕变阶段，只有蠕变过程中结构只有蠕变过程中结构的软化和硬化达到的软化和硬化达到动平衡，蠕变速率才能保持不变。动平衡，蠕变速率才能保持不变。651.4.1 岩石的蠕变和流动岩石的蠕变和流动 应力应力应变速率曲线：应变速率曲线： 在应力不变的条件下，在应力不变的条件下，岩石蠕变过程中的应变率岩石蠕变过程中的应变率是变化的，但每一条蠕变是变化的，但每一条蠕变曲线都有一个最小应变率。曲线都有一个最小应变率。具有等速蠕变阶段的蠕变具有等速蠕变阶段的蠕变曲线，等速蠕变阶段的速曲线，等速蠕变阶段

49、的速率即为最小的（正或剪）率即为最小的（正或剪）应变率。应变率。 对这一系列恒定应力对这一系列恒定应力最小应变率，可作出应最小应变率，可作出应力力应变速率曲线。应变速率曲线。（二）岩石的应力（二）岩石的应力应变速率曲线分析应变速率曲线分析 （1 1）岩石的应力）岩石的应力 应变速率曲线应变速率曲线t)(minmin)()()(minmin应力应力最小应变率：最小应变率： 661.4.1 1.4.1 岩石的蠕变和流动岩石的蠕变和流动 粘滞系数：粘滞系数：应力应力应变速率曲线上应变速率曲线上首个首个直线段的斜率。它是直线段的斜率。它是表征岩石蠕变、流动表征岩石蠕变、流动特征的指标。特征的指标。 如

50、常温常压下饱水如常温常压下饱水软弱泥岩的软弱泥岩的值的为值的为1010121210101313Pa.s;Pa.s; 石灰岩、硬的砂岩石灰岩、硬的砂岩为为10101515101016 16 Pa.sPa.s（2 2）粘滞系数）粘滞系数 1（二）岩石的应力（二）岩石的应力应变速率曲线分析应变速率曲线分析 67 岩石也具有粘性特岩石也具有粘性特征，因而，岩石是粘征，因而，岩石是粘弹塑性体。弹塑性体。 描述粘性的基本力学描述粘性的基本力学模型是模型是理想粘滞液体，理想粘滞液体，或称为或称为牛顿（牛顿（NewtonNewton）体，或体，或N N体，或粘滞元体，或粘滞元件。其模型是一个粘件。其模型是一个

51、粘壶。壶。 N N体服从牛顿的粘体服从牛顿的粘滞定律：应力与应变滞定律：应力与应变速率成正比。速率成正比。牛顿体牛顿体粘壶模型粘壶模型（三）描述粘性的基本力学模型（三）描述粘性的基本力学模型1.4.1 岩石的蠕变和流动岩石的蠕变和流动穿穿孔孔活活塞塞装满粘滞装满粘滞性液体的性液体的圆筒圆筒加载曲线加载曲线681.4.2 1.4.2 岩石的流变模型岩石的流变模型 综合前述分析：岩石是粘弹塑性体，在各种力场的综合前述分析：岩石是粘弹塑性体，在各种力场的作用下，岩石既会发生瞬态的弹塑性变形和破坏，也会发作用下，岩石既会发生瞬态的弹塑性变形和破坏，也会发生与时间有关的流变。为分析岩体的变形破坏规律，首

52、先生与时间有关的流变。为分析岩体的变形破坏规律，首先需要建立反应岩体变形破坏规律的本构关系。需要建立反应岩体变形破坏规律的本构关系。 本构关系本构关系：材料应力、应变、时间和强度之间的内在：材料应力、应变、时间和强度之间的内在关系。它是进行关系。它是进行材料变形及破坏问题力学分析材料变形及破坏问题力学分析的基础。的基础。 岩体本构关系的建立岩体本构关系的建立，首先首先要能反映岩体变形破坏发要能反映岩体变形破坏发展过程、机制及规律；要抓住岩体主要变形性质；符合工展过程、机制及规律；要抓住岩体主要变形性质；符合工程活动对岩体的影响；尽可能简化等。程活动对岩体的影响；尽可能简化等。 本节，只关注岩石

53、的流变模型。本节，只关注岩石的流变模型。 岩石蠕变模型建立方法有两种：岩石蠕变模型建立方法有两种：一类是经验公式，一一类是经验公式，一类是力学模型分析法。类是力学模型分析法。 691.4.2 1.4.2 岩石的流变模型岩石的流变模型 岩石蠕变经验公式岩石蠕变经验公式 长期荷载作用下，岩石蠕变变形一般包括长期荷载作用下，岩石蠕变变形一般包括瞬时蠕变瞬时蠕变、初始蠕变初始蠕变、等速蠕变等速蠕变和和加速蠕变加速蠕变等阶段，因而蠕变变形一等阶段，因而蠕变变形一般表达式可表示如下：般表达式可表示如下：)() t (etMtT瞬时蠕变瞬时蠕变 初始蠕变初始蠕变等速蠕变等速蠕

54、变加速蠕变加速蠕变e) t (Mt)(Tt式中：式中： 课本上提供了幂函数，对数函数，指数函数等形式的课本上提供了幂函数，对数函数，指数函数等形式的经验公式。经验公式。 总体上总体上目前建立的蠕变经验公式，绝大多是目前建立的蠕变经验公式，绝大多是初始蠕变和等速蠕变的，对于加速蠕变，至今尚未找到简初始蠕变和等速蠕变的，对于加速蠕变，至今尚未找到简单的公式。单的公式。701.4.2 岩石的流变模型岩石的流变模型 一、岩体基本性质的力学模型一、岩体基本性质的力学模型 岩体具有岩体具有弹性、塑性和粘性特性，弹性、塑性和粘性特性，其相应的力学模型分其相应的力学模型分别是别是弹性固体（胡克体（弹性固体（胡

55、克体（HookeHooke）、）、 H H体），完全塑性固体体），完全塑性固体（圣维南体（圣维南体（St.St.V V体）和理想粘滞液体（牛顿体、体）和理想粘滞液体（牛顿体、N N体）。体）。 如相邻介质抗变形能力相差甚远时，可以将抗变形能力如相邻介质抗变形能力相差甚远时，可以将抗变形能力强的材料视为不发生变形的强的材料视为不发生变形的刚性固体（欧几里德（刚性固体（欧几里德（EuclidEuclid）体，体，EuEu体）。体）。 岩石蠕变的力学模型岩石蠕变的力学模型 71 （1 1）刚性固体）刚性固体 它是在任何荷载作用下没有变它是在任何荷载作用下没有变形的固体，其力学模型用一根

56、无伸形的固体，其力学模型用一根无伸缩的刚杆表示。缩的刚杆表示。EG三向荷载下三向荷载下的胡克定律的胡克定律为：为：)(13211E)(13122E)(12133E或或（2 2）完全弹性固体）完全弹性固体 服从胡克定律，在单向荷载下有：服从胡克定律，在单向荷载下有：一、岩体基本性质的力学模型一、岩体基本性质的力学模型72 （3 3）完全塑性体（）完全塑性体（St.VSt.V体）体） 为一对接触摩擦片，其摩擦为一对接触摩擦片，其摩擦力为材料的屈服强度力为材料的屈服强度y y。yy无塑性变形无塑性变形有塑性变形有塑性变形 屈服条件下的屈服条件下的应力应变关系服从应力应变关系服从流动法则流动法则。应变

57、强化应变软化一、岩体基本性质的力学模型一、岩体基本性质的力学模型理想塑性理想塑性理想塑性理想塑性73（4 4）理想粘滞液体（）理想粘滞液体（N N体）体） 服从牛顿的粘滞定律，力学模型服从牛顿的粘滞定律，力学模型为粘壶，其应力应变关系为：为粘壶，其应力应变关系为：N N体无弹性、无强度。体无弹性、无强度。或或应力应力应变速应变速率曲线率曲线 应力应力时间曲线时间曲线(a)(a)(b)(b)(c)(c)(d)(d)应变应变时间曲线时间曲线一、岩体基本性质的力学模型一、岩体基本性质的力学模型741.4.2 1.4.2 岩石的流变模型岩石的流变模型 岩石常见蠕变模型岩

58、石常见蠕变模型 （1 1）组合约定）组合约定 岩体是粘弹塑性体，建立其蠕变模型需要用岩体是粘弹塑性体，建立其蠕变模型需要用组合模型组合模型。 采用组合描述时，各基本模型（或元件）采采用组合描述时，各基本模型（或元件）采用用串联串联或或并联并联连接方式。可以简单组合，也可以连接方式。可以简单组合，也可以复杂组合。复杂组合。 并联采用并联采用“”符号符号表示，每个单元体模型表示，每个单元体模型担负的荷载之和等于总荷载，担负的荷载之和等于总荷载，它们的位移或变形它们的位移或变形相同相同； 串联采用串联采用“”符号符号表示。每个单元体模型表示。每个单元体模型担负统一荷载，而担负统一荷载，而它们的位移是可以相加的它们的位移是可以相加的。7 岩石常见蠕变模型岩石常见蠕变模型 （2 2）弹粘性体）弹粘性体 （P32P32） 也称为也称为马克斯韦尔马克斯韦尔(C. Maxwell)(C. Maxwell)体，体，简称简称M M体体，它是由，它是由弹性元件（弹性元件（H H）与粘性元件（）与粘性元件（N N）串联而成的组合模型。）串联而成的组合模型。 模型符号为模型符号为 ： M M= =H HN N两侧同时对时间求导：两侧同时对时间求导：ve(1.4-3)(1.4-3)ve 对于弹簧来说，有：对于弹簧来说，有：eGeG 或或(1.4-2)(1.4-2)对于粘壶