第76讲岩体力学与工程三2015年

2．基本要(1)要求在同样的试验标准下，采用标准试件进行试验，以利于交流和比较（包括单轴抗压试验和常规三轴抗压试验50mm直径的2.0～2.5倍，试件两端面的不平整度不得大于0.5mm，在试件的高度上直径或边长的误差不得大于0.3m，两端面垂直于试件轴线，最大偏差不得大于0.2o。劈裂试验采用薄圆盘形试件，试件直径为50mm，厚度为直径的1/250mm(2)(3)加载速度应非常缓慢，而且应尽可能采用等速度加载（二）岩石的单轴压缩试试验设备与仪测试内应力d，和轴向应变e，以及径向应变e。可用以下计算=σ=σ

=P(19-19)= ΔD(19-= = ΔH(19-= 试件的轴向荷载P—试件的轴向荷载D、H---分别为试件的直径和高度也可以用电阻应变片直接测量试件的轴向应变εy，和径向应变由于εy=ε1,εx=ε2岩体力学中规定压应力和压缩应变为正拉应力和拉应变为负以体积应变

εv=εy−2εx(19-由此可以获得岩石的轴向应力一轴向应变关系曲线、轴向应力一径向应变关系曲线轴向应变一径所谓岩石的单轴抗压强度是指岩石试件在无侧限条件下，受轴向压应力作用破坏时面积的荷载，

= 4Pmax= 式中 岩石的单轴抗压强度，有时也称作无侧限抗压强度19-4有峰后段曲线。当应力超过了岩石的极限强度以后，岩石并没有完全失去承载能力，仍然具有一定的强度，并随着塑性变形的增大，强度逐渐减小，最终达到岩石的残余强度岩石具有峰后强度，这是岩石的一个重要特性。它表示岩石破坏以后，并不是完失去承载能力，而是仍然具有一定的强度。在隧道洞壁上经常可以发现有的岩石已经非常破碎隧道仍然稳定，不需要任何支护。因此，在岩石工程设计时，应充分利用岩石的这一特性，让岩石处于峰后区工作，这样既可以节省支护费用，降低工程造价，也不会影响岩石的稳定性从对爆裂条件的分析，可以发现克服爆裂现象的途径主要有提高试验机刚度，改变峰值前后的加目前较为常用的主要是电液伺服控制的刚性试验机。峰前区岩石的变形特根据(Miller;1965)对28种岩石的试验成果，可将峰值前应力与应变曲线划分为6类（见19-9：类型V(塑弹塑性)：是中部较缓的s形曲线，是某些压缩性较高的岩石如垂直片理加荷的片岩常的曲线类型以上曲线中类型IIIIVV裂隙微层理等压密闭合后即出现一直线段当试件破坏时则逐渐呈现出不同程度的屈服段。(Farmer1968)19-10。准弹性岩石多为细粒致密块状岩石，如元气孔构造的喷出岩、岩浆岩和变的应力一应变近似呈线性关系，具有弹性脆性性质。半弹性岩石多为孔隙率低且具有较大内聚力的粗粒S形。峰值后岩石的变形与破坏特试验研究和工程实践都表明，岩石即使在破裂且变形很大的情况下，也还具有一定的承载能力，即应力一应变曲线不与水平轴相交，在有侧向压力的情况下更是如此。因此，研究岩石变形的全过程曲线，特别是峰后区变形特征是近四十年来岩石力学界十分关注的热点问题。①第1类岩石（稳定断 型）一一峰后 的应变能不能使破裂继续发展，只有再增加②第II类岩石（非稳定断裂型）——在峰后段，即使外力不对试件做功，试件中所的能图19-12是大久保诚介等得出的几种岩石的全应力一应变关系曲线等人(1994)对此提出了不同的看法，他们根据在自己研制的电液伺服控制岩石试验机上进（见图19-13II19-14（即轴向应变控制）的情况下，绝大部分岩石的峰后区曲线位于过峰值点P的陡度不同而已。越是脆性的岩石（如新鲜花岗岩、玄武岩、辉绿岩、石英岩等，其后区曲线越陡，即越靠近P点垂直线且曲线上有明显的台阶状。越是塑性大的岩石（如页岩、泥岩、泥灰岩、红砂岩等，峰后区曲线越缓（见图19-14循环荷载作用条件下岩石的变形特荷载下对岩石加、卸荷载时，如果卸荷点(P)的应力低于岩石的弹性极限(A)，则卸荷曲线加荷曲线回到原点，表现为弹性恢复但应当注意，多数岩石的大部分弹性变形在卸荷后能很快恢复，而小部分(须经一段时间才能恢复。这种现象称为弹性后效在反复加、卸荷的条件下，可得到如图19-17（见图19-17a卸荷过程并未改变岩石变形的基本习性这种现象也称为岩石（2每次加荷卸荷曲线都重合，且围成一环形面积，称为回滞环。③当应力在弹性极限某一较下反复加荷、卸荷时，由图19-17b19-17b）一个比岩石单轴抗压强度低且与循环持续时间等因素有关的值。在单向压缩荷载作用下试件的破坏形在荷载作用下，岩石试件的破坏形态是表现岩石破坏机理的重要特征。它不仅表现了岩石受力过(2)柱状劈裂破坏，其破坏形态如图19-18b）所示。若采用有效方法消除岩石的破坏过最终失去承载能力的整个过程。根据岩石的变形，把全应力一应变关系曲线分成6阶段（见图19-20OABBCB石产生不可逆非线性变形的原因所在岩石破坏过程中的体积变(19-22)计算。图19-21岩石在压应力作用下的应力应变关系曲线对应图。其中图19-21b）为体积应变与轴向应变的关系曲线。可以发现，在BB点体积减至最小。之后，横向应变速度开始大于轴向岩石在压应力作用下会产生体积变形表现为先缩后胀。研究表明，体积开始增大的应力水平大约与图中B点一致，即岩石开始出现塑性变形时将出现体积增大。这是因为岩石中开始出现大量新产生的微裂纹所致。随着裂纹数量的增加和裂纹的张开与贯通，岩石体积会越来越大。岩石体积增大（或膨胀）的现象称为扩容或剪胀，一般认为这是裂隙开始出现或迅速扩展的标志，它是岩石材料的特有属性。岩石变形参数的确根据各类应力一应变曲线，可以确定岩块的变形模量和泊松比等变形参数变形模量是指单轴压缩条件下轴向应力与轴向应变之比当岩石应力一应变为直线关系时的变形模量E

E=σy=

=PH(19-

不能采用上述方法确定弹性变形参数。国际岩石力学与工程学会（ISRD）建议用下列三种一种，作为非线性弹性岩石的模量（见图19-22(1)切线模如图19-22a）所示，把应力水于0.5抗压强度时的切线斜率作为岩yyE=(dε)σy=1σc(19- yσyE=(ε)σy=1σc(19- （3）平均模另外，有时也采用初始模量来表示岩石弹性模量，即用应力一应变关系曲线原点处的曲岩石的弹性模量值一般为20-50GPa，约为软钢弹性模量(206GPa)的10%～24%。表19-7列出了一荷时，变形模量最小，而平行微结构面加荷时，其变形模量最大。两者的比值，沉积岩一般为1.08～2.055，变质岩为2.0右。除变形模量和泊松比两个最基本的参数外，还有一些从不同角度反映岩石变形性质的参数（三）岩石的三向压缩试三向压缩试验根据围压状态的不同，可分成真三轴试验 （见图19-23a）和在常围下的压缩试验（）或称常规三轴抗压试验（见图19-23b，此两者的区别在于围压。前者两个水平方向施加的围压相等，而后者不等。而常规三轴试验要比真三轴试验容易得多，因此成为岩石力学中最常用的试验方法之一。常围压下的岩石三轴压缩试为了模拟三向受压状态，采用如图19-24所示的装置（三轴室）对试件施加三向压应力，加式如图19-23b）所示，试件内的应力状态满足即采用试验机对圆柱形试件施加轴向荷载，通过液体对试件施加围压。试验时，首先把经过加工的圆柱形岩石试件用乳胶或橡胶制成的薄膜压围压达到设定值以后保持恒定不变，再通过试验机的千斤顶施加轴向荷载。随着轴向压力的逐增大同时量测试件的轴向和横向变形直至试件完全破坏由于试件的两个方向应力相同即，三向受压时岩石的变图19-25为大理岩和花岗岩在三向压缩条件下的应力一应变关系曲线，纵坐标是主应力差（σ1-σ2由图可见不论围压等于零，或大于零，在岩石的应力与应变关系的初始阶段都表现为近似直线关系，说明了当主应力差的数值在一定范围内，岩石的变形特征还是符合弹性阶段特征，而当主应力差超过了某一范围时，岩石变形才合乎塑性变形的特征剪胀现象将随着围压的增长而逐渐减弱，当围压超过了某个值以后，剪胀现象将会。这是由于围压限制了试件的横向膨胀。三轴抗压强（见图19-5石的强度会接近无限大，这就是地球深部岩石为什么不会发生破坏的原因所在。这是岩石材料的一个（本章后面将会介绍的应力圆绘制在同一个图中，如图19-26所示。由此可见，正应力越大，岩石的强度也越大。如图所示，如果