岩石力学讲义讲稿岩石的变形

第4章岩石的变形

图3-34基岩变形性质差异引起剪应力

岩石的变形是指岩石在任何物理因素作用下形状和大小的变化。工程最常研究的变形是由于力的影响所产生的，坝建在多种岩石组成的岩基上，这些岩石的变形性质不同，则由于基岩的不均匀变位可以使坝体的剪应力和主拉应力增长，造成开裂错位等不良后果。如果岩基中岩石的变形性质已知并且在岩基内这此性质的变化也已确定，那么在坝施工中可以采取必要措施防止不均匀变位。岩石变形的概念：4.1岩石的变形特征岩石的变形特性常用弹性模量E和泊松比两个常数来表示。当这两个常数为已知时，就可用三维应力条件的广义虎克定律计算出给定应力状态下的变形：

岩石变形的概念：4.1岩石的变形特征式中G为岩石的剪切模量，为拉梅常数，它们都可用E和表示岩石变形的概念：4.1岩石的变形特征另一个变形常数是体积弹性模量K，它表示平均应力体积应变：对于较多数的岩石来说，应力-应变曲线具有近似直线的形式，如图4-2(a)所示，在直线的未端F点处发生突然破坏，这种应力-应变关系可用下式表示1）岩石应力-应变的一般关系：4.1岩石的变形特征图4-2几种典型的岩石的应力-应变曲线实际典型的岩石应力-应变曲线则往往是如图4-3所示的形式。这种曲线一般可以分为四个区段：①在OA区段内，该曲线稍微向上弯曲；②在AB区段内，很接近于直线；③BC区段内，曲线向下弯曲，直至C点的最大值；④下降段CD。1）岩石应力-应变的一般关系：4.1岩石的变形特征图4-3完全的应力-应变曲线在OA和AB这两个区段内，岩石很接近于弹性的，可能稍有一点滞回效应，但是在这两个区内加载与卸载对于岩石不发生不可恢复的变形。第三区段BC的起点B往往是在C点最大应力值的2/3处，从B点开始，应力-应变曲线的斜率随着应力的增加而逐渐降低到零。在这一范围内，岩石将发生不可恢复的变形，加载与卸载的每次循环都是不同的曲线。在图4-3上的卸载曲线PQ在零应力时还有残余变形。如果岩石上再加载，则再加载曲线QR总是在曲线OABC以下，但最终与之连接起来。1）岩石应力-应变的一般关系：4.1岩石的变形特征图4-3完全的应力-应变曲线第四区段CD，开始于应力-应变曲线上的峰值C点，其特点是这一区段上曲线的斜率为负值。在这一区段内卸载可能产生很大的残余变形。图中ST表示卸载曲线，TU表示再加载曲线。可以看出，TU线在比S点低得多的应力下趋近于CD曲线。这一范围内的特点是岩石表现出脆性性质。从图4-3上所示破坏后的荷载循环STU来看，破坏后的岩石仍可能具有一定的刚度，从而也就可能具有一定的承载能力。1）岩石应力-应变的一般关系：4.1岩石的变形特征图4-3完全的应力-应变曲线（1）塑性或塑性状态：如果材料承受永久变形而没有失去其承载能力，则这种材料称为塑性的或处于塑性状态。在有些文献中也有把这种材料称为韧性的或处于韧性状态。（2）脆性或脆性状态：如果材料的承载能力随着变形的增加而减少，则材料就称为脆性的或处于脆性状态。1）岩石应力-应变的一般关系：4.1岩石的变形特征图4-3完全的应力-应变曲线典型的应力-应变曲线类型：米勒(Miller)根据岩石的应力-应变曲线随着岩石的性质有各种不同形式的特点，采用28种岩石进行了大量的单轴试验后，将岩石的应力-应变曲线分成6种类型，如图4-4所示：2）应力-应变曲线类型：4.1岩石的变形特征类型Ⅰ：弹性关系应力与应变的关系是一直线或者近似直线，直到试样发生突然破坏为止。具有这种变形类型的岩石有玄武岩、石英岩、白云岩以及极坚固的石灰岩；类型Ⅱ：弹-塑性在应力较低时，应力-应变关系近似于直线，当应力增加到一定数值后，应力-应变曲线向下弯曲变化，且随着应力逐渐增加，曲线斜率也愈来愈小，直至破坏；2）应力-应变曲线类型：4.1岩石的变形特征类型Ⅲ：塑-弹性在应力较低时，应力-应变曲线略向上弯曲。当应力增加到一定数值后，应力-应变曲线就逐渐变为直线，直至试样发生破坏。具有这种变形性质的代表性岩石、花岗岩、片理平行于压力方向的片岩以及某些辉绿岩等；类型Ⅳ：塑-弹-塑性压力较低时，曲线向上弯曲。当压力增加到一定值后，变形曲线就成为直线。最后，曲线向下弯曲。曲线似S形；2）应力-应变曲线类型：4.1岩石的变形特征类型Ⅴ，基圾本上抬与Ⅳ相同帅，也娘呈S形。曲线塔的斜择率较翠平缓闪。一闪般发惹生在夸压缩厉性较横高的氧岩石厦中。雅压力匠垂直糊于片锄理的必片岩押具有沃这种挂性质蔬。类型Ⅵ：弹-塑-蠕变踏性应力-应变忽关系日曲线毅是岩嚷盐的矮特征筒，开均始先庸有很耐小一敬段直邻线部伍分，肆然后踪蝶有非弯弹性利的曲毙线部已分，油并继简续不异断地引蠕变彩。某贫些软煎弱岩销石也估具有酒类似撞特性蔽。2）应舱力-应变甚曲线帝类型谋：4.柳1退岩寨石的活变形误特征在单纹轴压脂缩试鞠验时聚，试阵样大辆多采亚用圆薪柱形驾，一里般要神求试孤样的询直径出为5c珠m，高录度为10霉cm，两姿端摩誓平光功滑，抄按照盯实验棚要求踏，在递侧面贝粘贴归电阻纷丝片冷，以蚕便观填测变屯形，煎然后逼用压燃力机时对试恼样加番压，卫见图4-番5。在邪任何抗轴向罪压力雕下都侦测量合试样新的轴谅向应配变和割侧向趟应变弦。设锐试样槐的长定度为炮，直逗径为忘，试朗样在方荷载P作用证下轴漏向缩馅短，愧侧向北膨胀辟，则董试样眼的轴绞向应宁变为忌。1单轴哪压缩弱试验肆：4.吉2邮岩搅石变宾形性班质的狼室内滨测定假如眉岩石希服从捧虎克改定律(线性膀弹性闷材料)，则景压缩冈时的把弹性底模量E由下声式给仔出：1单轴晋压缩橡试验柄：4.婶2达岩框石变唤形性条质的丧室内葡测定泊松兼比为钢：用岩舱石三惭轴仪剪也可街直接蜓测定奇岩石罩试件玩的弹吃性模鲁量。2三轴略压缩岗试验虚：4.要2部岩勒石变饿形性怒质的效室内椅测定泊松贯比为枯：2三轴考压缩厕试验灭：4.摆2狂岩茅石变还形性行质的耗室内竖测定表4姻-1跑零吼荷载滴时岩存石的框弹性警常数岩石(MPa)岩石(MPa)花岗岩2～6×1040.25砂岩0.5～8×1040.25细粒花岗岩3～8×1040.25页岩1～3.5×1040.30正长岩6～8×1040.25泥岩2～5×1040.35闪长岩7～10×1040.25石灰岩1～8×1040.30粗玄岩8～11×1040.25白云岩4～8.4×1040.25辉长岩7～11×1040.25煤1～2×1040.30玄武岩6～10×1040.25现场虚变形奸试验唇也称原位葛变形持试验，它觉比实飞验室爹变形梦试验豆更能盼反映券天然网岩体堆的性揪质(例如斧裂隙爬、节掘理等满地质碰缺陷)，所晴以有轰条件钩最好滔做这保种试沈验。但是料现场卧试验约所需丙工作作量大瓜、时春间长赵、费患用高目，故满这种岛试验尚并不疫是所水有工遥程都惠能采单用的荷，一勤般对退于一室些重势要的页建筑魂物如交等级暂高的牧水工骄隧洞桨、地可下厂闻房、追大坝铜地基帆，采山用这灶种方粪法。3岩石廉现场垃变形盛试验捕：4.晶2耗岩搏石变轻形性鸣质的认室内中测定压板烘法试验寻可以烛在平隆地上萄或在济平硐含中进袍行，榜就是酒通过草刚性赵或柔侨性承肉压板沈将荷崇载加璃在岩析面上可以测店定其服变形锣。先剥在已劲选择弄好的搅有代塑表性侍的地灾段上虽，清贡除爆落破影拔响深召度内便的破谦碎岩渠石，株并且玩把岩霉面整跨平，晃然后泥安装星油压锄千斤戒顶，拣通过纺承压净板对巨岩面你施加腹静荷撤载，艳定时欠测量蔬岩体阀表面厕的变姥形试验诊采用爱的承跌压板恰多半络是刚鬼性承任压板岸，其暮尺寸炒大小膜是根飞据岩戏体中灶裂隙荣的间蠢距和悬试验喂所选扔用的躁最大柔压力趴来确腐定的役，通户常采圣用的悼是20按00～25防00半cm们2。施伯加荷厚载的爪方法咸，视俊岩体甜结构钥和工傲程实屋际使俘用的五情况告而定花。当鼻岩体屈比较驼完整饶时，族采用欲分级弄加荷究，每茫级荷睡载作临一次社加荷震、卸灾荷过遮程，戴叫逐傅级一狗次循柜环，里用以熔确定雕岩体紧在不自同荷四载条锡件下皆的变均形特痛性3岩石蔬现场馋变形灰试验竭：4.扩2惹岩堪石变输形性葡质的筝室内堵测定压板束法试验不时，蕉根据接施加套的单乔位压存力P和实她测的膀岩面衔变形S，绘干制P-端S关系王曲线央，如共图3-夹42所示戴。然淡后，舰按照译所采炮用的拒承压偿板的期刚度昆和形惠状，拔用下妥列弹线性力嚷学公笑式计假算变陕形(弹性)模量污：3岩石迫现场龙变形狗试验筑：4.具2喘岩须石变扭形性猛质的局室内岗测定环形腰加荷标法该法至是一刻种适腹用于免测定晃岩体等处于酷压、常拉两尸种应悄力状碑态下众的变吊形特绝性的绑试验找方法坛。为才了进界行这北种试再验，咏必需黎先选僵择与犯建筑抗物的方地质斯条件旺相近态的、匙有代脾表性坑的地卧段，宴开凿病一条呜试验拘隧洞溪。洞馒径大盗小一背般是2～3m，洞删长不幅小于3倍洞已径。包然后起对洞层壁岩出面加叉压，偷并量凉测洞望壁变莫形。侧对洞淘壁加袄压，系可以垃采用柴各种厘不同楚的方榴法，宾目前屡应用编较多永的是读水压该法和犁径向校千斤箩顶法浙。1）水惠压法利用炭高压俘水对尤洞壁惨加压忙的一诸种方肝法。舟在试株验进资行之罢前，钓须要万在试撕验洞散内选漂定几秆个测赶量断矩面，掩并且臂安装项测量朵洞径往变形欠的仪陪器(如钢诉弦测超微计严、电子阻测威微计坏等)，再弄在试沾验洞戒端用基钢筋刚混凝久土加羡以封法闭。亚在试黑验时活向洞葬中充搞灌高敲压水转，对会洞壁矛进行已加压鸟。与锦此同盖时，可测这谋相应同的径耐向变铺形值纳。根毫据实药际测杠定的打资料绸，可洽以绘乌制出耕压力循与变锋形关揪系曲劝线。3岩石展现场亡变形蚁试验唐：4.拾2住岩赛石变味形性乘质的喊室内连测定环形收加荷壁法2）径朴向千塌斤顶援法(奥地部利法)在这杜个方枝法中资，不是是用山水压横力对信洞壁裕加压壶，而严是借阶助于屋一个源圆形棉的钢救支撑望圈(国内台有的诞单位符采用皮十二止边形士反力璃框架)与洞虏壁间暂安放沈的扁周千斤的顶加爽压。午扁千轮斤顶哑是沿酿着环僻向均处匀布招置，番每个规断面色一般映放12～16个。镇以试要验洞垮的中演心轴煎为基乘准，彻沿径克向布丧置测狱杆，斯使之稿呈辐逮射状仔，测书杆上东装有研测量槽仪表亚。此外灿，在郑传力嗽的衬敬砌外朽部也扛要预突先埋琴置各膜种量论测仪旗表。踢扁千通斤顶筒逐级婚增加角压力据，就拨可以塔测定帅洞壁草岩体企的相章应变药形。竭试验链装置纹见图3-顶44所示钩。3岩石绍现场货变形康试验蔽：4.丑2此岩庆石变喘形性楚质的沉室内侍测定环形轿加荷巴法3）钻批孔膨锤胀计紫法又叫谈钻孔著弹模受计法晒，自城六十崭年代捐起发况展很养快，喜它有凶下列钱优点蛋：设读备简档单、满轻便锈、可鹿以装颠拆供属多次缓使用捞和进该行大创量试俭验，延特别积是可堆以在轨岩体永的深播部和栗有水冷的地笼方进吸行(例如新可在倡地下20凶0m或更殃深的搏钻孔搁中进极行试蔑验)。扰摧动岩枣体小嘱；不疗需专剧门开覆挖试毛验洞哄，因躬而费祖用较榨少；但是匀也存劲在一茄些缺游点，耳例如廉：钻便孔直骄径较蜘小，米一般下只有台几厘亦米至愿几十赶厘米适，因冷此，接压力固作用盲在岩哪体上胜影响崭范围析较小陶；在近垂直矿钻孔凭中测脂定的变岩体促变形杆，只鸽能用进来计碗算岩绿体在歌水平倍方向浴的模费量等姥。3岩石毫现场貌变形部试验炸：4.填2树岩仆石变驾形性行质的倒室内脸测定根据腔上述岔三种赶环形究法试跨验的掌结果刑，岩谢体的灵变形(弹性)模量骗均可窗按上洽式计昌算：3岩石池现场欺变形岂试验侧：4.纹2乎岩诵石变熄形性答质的震室内糕测定式中冻：p——仓作泉用在即围岩佳岩面艇上的爷压力迎；y——己岩贱面的斩径向铺变形沾值，后(水牵压法筒可取吐直径亲伸长咬量的捏一半折)；r——须试袭验洞框(或健钻孔摇)的衬半径坝；岩石丹反力(弹性惨抗力)的大郑小常指常用敢岩石彼反力(弹性月抗力)系数k来表纲示：被根据救文克碗尔(W效in胶kl霉er昼)假定去得：岩石不反力(弹性哄抗力)系数4.讲3粥岩缩慧石反化力系浊数的征确定k的物猾理意地义就福是使反隧洞坐周围榆的岩肯石达覆到一凯个单洁位变黄形时通所需睛要的的压力渡大小宽。假丝式设岩算石是艇理想药的弹跨性体厕，则泛圆形酷隧洞屈的k值与积岩石池模量E之间榆的关苏系，轨可表僻示为匪：岩石跳反力加系数欢的现建场测愁定方石法比忆较多魔，目是前应神用较剂广的阶就是尘上一妻节介睡绍的该隧洞趋水压卫法和何径向塔千斤仅顶法茂以及矩承压那板法接，其展方法谜原理受与现孔场测浆定岩样体变行形特咸性基模本相低同：确定详岩石煎反力中系数趣的方创法4.攻3茂岩剃石反费力系脊数的宗确定岩石例的蠕暂变就是市指在陈应力微不变斩的情剂况下浊岩石析变形(或应颠变)随着承时间t而增第长的呜现象呜。工垃程实兽践发程现，棚在岩崖石开赌挖洞岛室以佩后一厌段很嫌长的防时间胡内，虾支护阔或衬打砌上嚷的压松力一移直在障变化箱的，大这可喊解释搁为由吸蠕变贿的结弹果。序因此究，研疤究岩禁石的谎蠕变建对于寨洞室背特别柳是深棒埋洞表室围粥岩的贷变形肝，有刚着重较要意祸义。1蠕变杂概念胃和蠕溉变曲哪线4.临4瓦岩循石的难蠕变一般城而言交，软念弱岩荐石的茎蠕变新曲线蛮可以那分为民三个抓阶段增（图4-秃8）。在阶始段I内，血应变—时间副曲线艳向下抢弯曲增，在索这个佩阶段唉内的绳蠕变揉叫做秒初期沫蠕变荐或暂肥时蠕果变。这一乓阶段啄结束杀后就趟进入戚阶段Ⅱ(图4-卖8)上的B点开陕始)。在哥该阶净段内唇，曲偏线具躲有近典似不气变的笋斜率烧。这索一阶总段的捐蠕变催称为静二次躲蠕变老或稳替定蠕泉变。最后律，阶折段Ⅲ称为端加速细蠕变汉或第台三期独蠕变冰，这章种蠕曲变导管致迅卷速破悔坏。1蠕变右概念呼和蠕沈变曲汉线4.慢4风岩婶石的互蠕变1)弹性打模型筑或称世弹性晒单元这种遥模型模是线请性弹壁性的刃，完翼全服蛮从虎痕克定腐律，懒所以情也称黄虎克腰物质牵。因汉为在绿应力填作用扩下应站变瞬酷时发腿生，去而且垦应力还与应烂变成纠正比姻关系凶，例红如剪偶应力茅与剪值应变买的关参系为菠：2蠕变聋模型4.与4悬岩炼石的餐蠕变2)粘性护模型械或称兰粘性塞单元这种绩模型节完全适服从鼓牛顿尚粘性邪定律院，它胳表示狐应力病与应竞变速器率成夕比例得，例其如剪斤应力熄与剪词应变巾速率吨的关绝系为侵：2蠕变埋模型4.班4敌岩挤石的喜蠕变（1）马框克斯计威尔(M朝ax违we富ll记)模型桐：这种芳模型庭是用菠弹性堵单元刃和粘黄性单现元串跌联而节成，棕见图4-象11葛(a嗽)。当品剪应摇力骤肥然施丢加并奥保持理为常废量时瞒，变宵形以倾常速垂率不且断发支展。砖这个所模型丢用两劲个常岂数G和来塑描述悄。2蠕变侦模型4.揪4弊岩摇石的蛮蠕变图4霉-1鼓1沙线性酸粘弹拉性模跃型及漆其蠕煌变曲身线（a劈燕）马祖科斯辜威尔伏模型蹦；（芝b）订伏埃兵特模疲型；鹿（c奸）广某义的走马科榜斯威魄尔模述型；（d搁）广社义的呆伏埃预特模日型；兵（e雀）鲍麻格斯锋模型(2西)伏埃吉特(V评oi弃gt描)模型帆：该模盒型又访称凯肤尔文恰模型渣，它稠由弹肾性单田元和秆粘性荐单元疏并联锄而成晃，见下图4-鉴11贺(b缸)。当张剪应拴力骤并然施液加时待，剪盯应变子速率铁随着碧时间记逐渐冬递减溉，在痰增长股到一泊定值响时，将剪应妇变就自趋于匀零。炒这个锹模型匀用两脱个常挥数G和来葵描述超。由慢于并殿联，员介质踢上的塌剪应哄力是萌弹性悠单元驴与粘腹性单昼元剪贱应力深之和箭，由境下列券方程霉给出脱：2蠕变缘瑞模型4.轨4楼岩焰石的筝蠕变图4姜-1尤1告线性寄粘弹糕性模迈型及虑其蠕峰变曲垄线（a失）马急科斯老威尔斧模型筋；（自b）捷伏埃基特模毒型；怒（c男）广休义的欲马科丽斯威找尔模瓶型；（d约）广牺义的鸟伏埃液特模弄型；糖（e豪）鲍稿格斯侧模型(3惰)广义烤马克巧斯威础尔模援型：存见图4-方11抹(c开)，该异模型盾由伏迫埃特豆模型羞与粘蔑性单欢元串听联而置成。野用三月个常冲数G、和罗描述贺。剪慈应变筹开始抖以指煎数速框率增血长，侮逐渐异趋近上于常师速率懂。(4之)广义旗伏埃错特模青型：诵见图4-哈11挑(d穿)，模挡型由计伏埃打特模判型与密弹性犯单元课串联艇而成量，用私三个喂常数G1、G2和表叉示该柄种材理料的督性状筋。开非始时碰产生恋瞬时绪应变东，随皆后剪义应变婚以指交数递转减速奔率增铜长，语最终更应变离速率慢趋于嫂零，李应变艘不再塑增长售