岩石力学性质-变形.ppt

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1、岩石的力学性质岩石的变形,上节课内容：岩石的强度：岩石抵抗外力作用的能力，岩石破坏时能够承受的最大应力。本节课接着讲：岩石的变形：岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变化。岩石在荷载作用下，首先发生的物理力学现象是变形。随着荷载的不断增加，或在恒定载荷作用下，随时间的增长，岩石变形逐渐增大，最终导致岩石破坏。岩石变形过程中表现出弹性、塑性、粘性、脆性和延性等性质。,1）弹性(elasticity)物体在受外力作用的瞬间即产生全部变形，而去除外力(卸载)后又能立即恢复其原有形状和尺寸的性质称为弹性。弹性体按其应力应变关系又可分为两种类型：线弹性体：应力应变呈直线关系。非线性弹性体：应力应变呈非

2、直线的关系。,岩石变形性质的几个基本概念,线弹性体，其应力应变呈直线关系=E,非线性弹性体，其应力应变呈非直线的关系=f(),弹性(elasticity),2）塑性（plasticity）物体受力后产生变形，在外力去除（卸载）后变形不能完全恢复的性质，称为塑性。不能恢复的那部分变形称为塑性变形，或称永久变形，残余变形。在外力作用下只发生塑性变形的物体，称为理想塑性体。理想塑性体，当应力低于屈服极限时，材料没有变形，应力达到屈服极限后，变形不断增大而应力不变，应力应变曲线呈水平直线.,岩石变形性质的几个基本概念,理想塑性体的应力应变关系:当 0时，=0当 0 时，,塑性（plasticity）,

3、3）粘性(viscosity)物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质，称为粘性。应变速率与时间有关，粘性与时间有关 其应力应变速率关系为过坐标原点的直线的物质称为理 想粘性体（如牛顿流体），如图所示。应力应变速率关系：=d/dt,岩石变形性质的几个基本概念,4）脆性(brittle)物体受力后，变形很小时就发生破裂的性质。工程上一般以5为标准进行划分，总应变大于5者为塑性材料，反之为脆性材料。赫德(Heard，1963)以3和5为界限，将岩石划分三类：总应变小于3者为脆性岩石；总应变在35者为半脆性或脆塑性岩石；总应变大于5者为塑性岩石。按以上标准，大部分地表岩石在低围

4、压条件下都是脆性或半脆性的。当然岩石的塑性与脆性是相对的，在一定的条件下可以相互转化，如在高温高压条件下，脆性岩石可表现很高的塑性。,岩石变形性质的几个基本概念,5）延性(ductile):物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力的性质，称为延性。岩石是矿物的集合体，具有复杂的组成成分和结构，因此其 力学属性也是很复杂的。这一面受岩石成分与结构的影响；另一方面还和它的受力条件，如荷载的大小及其组合情况、加载方式与速率及应力路径等密切相关。例如，在常温常压下，岩石既不是理想的弹性材料，也不简单的塑性和粘性材料，而往往表现出弹一塑性、塑一弹性、弹一粘一塑或粘一弹性等性质。此外，岩体赋存的环境条件，如

5、温度、地下水与地应力对其性状的影响也很大。,岩石变形性质的几个基本概念,1966年库克（Cook)教授利用自制的刚性试验机获得了的一条大理岩的全应力应变曲线,典型的全应力-应变曲线可将岩石变形分为下列四个阶段:,孔隙裂隙压密阶段（OA段）：即试件中原有张开性结构面或微裂隙逐渐闭合，岩石被压密，形成早期的非线性变形，曲线呈上凹型。在此阶段试件横向膨胀较小，试件体积随载荷增大而减小。本阶段变形对裂隙化岩石来说较明显，而对坚硬少裂隙的岩石则不明显，甚至不显现。,2.4.2.2 单轴压缩条件下岩石变形特征,弹性变形至微弹性裂隙稳定发展阶段（AC段：该阶段的应力应变曲线成近似直线型。其中，AB段为弹性变

6、形阶段，BC段为微破裂稳定发展阶段。,2.4.2.2 单轴压缩条件下岩石变形特征,非稳定破裂发展阶段，或称累进性破裂阶段（CD段）：C点是岩石从弹性变为塑性的转折点，称为屈服点。相应于该点的应力为屈服极限，其值约为峰值强度的2/3。进入本阶段后，微破裂的发展出现了质的变化，破裂不断发展，直至试件完全破坏。试件由体积压缩转为扩容，轴向应变和体积应变速率迅速增大。本阶段的上界应力称为峰值强度。,2.4.2.2 单轴压缩条件下岩石变形特征,破裂后阶段（D点以后段）：岩块承载力达到峰值强度后，其内部结构遭到破坏，但试件基本保持整体状。到本阶段，裂隙快速发展，交叉且相互联合形成宏观断裂面。此后，岩块变形

7、主要表现为沿宏观断裂面的块体滑移，试件承载力随变形增大迅速下降，但并不降到零，说明破裂的岩石仍有一定的承载力。,2.4.2.2 单轴压缩条件下岩石变形特征,岩石单轴压缩数值试验,单轴压缩破裂过程的数值模拟,岩石的应力应变曲线随着岩石性质不同有各种不同的类型。米勒（Mller）采用28种岩石进行大量的单轴试验后，据峰值前应力应变曲线将岩石分成六种类型。,单轴压缩条件岩石应力应变曲线6种类型,类型 应力与应变关系是一直线或者近似直线，直到试件发生突然破坏为止。由于塑性阶段不明显，这些岩石被称为弹性岩石。例如：玄武岩、石英岩、白云岩以及极坚固的石灰岩。,类型 应力较低时，应力应变曲线近似于直线，当应

8、力增加到一定数值后，应力应变曲线向下弯曲，随着应力逐渐增加而曲线斜率也就越变越小，直至破坏。由于这些岩石低应力时表现出弹性，高应力时表现出塑性，所以被称为弹塑性岩石。例如：较弱的石灰岩、泥岩以及凝灰岩等。,单轴压缩条件岩石应力应变曲线6种类型,类型 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，应力应变曲线逐渐变为直线，直至发生破坏。由于这些岩石低应力时表现出塑性，高应力时表现出弹性，所以被称为塑弹性岩石。例如：砂岩、花岗岩、片理平行于压力方向的片岩以及某些辉绿岩等。,单轴压缩条件岩石应力应变曲线6种类型,类型 应力较低时，应力应变曲线向上弯曲，当压力增加到一定值后，变形曲线成

9、为直线，最后，曲线向下弯曲，曲线似S型。由于这些岩石低应力时表现出塑性，高应力时表现出弹性，破坏前又表现出塑性，所以被称为塑弹塑性岩石。例如：大多数为变质岩（大理岩、片麻岩等）。,单轴压缩条件岩石应力应变曲线6种类型,类型 基本上与类型相同，也呈S型，不过曲线斜率较平缓。一般发生在压缩性较高的岩石中。应力垂直于片理的片岩具有这种性质。类型 应力应变曲线开始先有很小一段直线部分，然后有非弹性的曲线部分，并继续不断地蠕变。这类材料被称为弹粘性岩石。例如：岩盐、某些软弱岩石。,单轴压缩条件岩石应力应变曲线6种类型,岩石的变形特性通常用弹性模量、变形模量和泊松比等指标表示。1)弹性模量和变形模量,2.

10、4.2.3 岩石变形指标及其确定,a.线弹性岩石应力应变曲线具有近似直线的形式。弹性模量：直线的斜率,也即应力（）与应变（）的比率被称为岩石的弹性模量，记为E。其应力应变关系：=E反复加卸载应力应变曲线仍为直线。,2.4.2.3 岩石变形指标及其确定,b.完全弹性岩石岩石的应力应变关系不是直线，而是曲线。对于任一应变，都有唯一的应力与之对应，应力是应变的函数关系，即=f（）切线模量、初始模量和割线模量：由于应力应变是一曲线关系，所以这里没有唯一的模量。但对于曲线上任一点的值，都有一个。譬如对应于P点的值，切线模量就是P点在曲线上的切线PQ的斜率Et，曲线原点处的切线斜率Eo即为初始模量，而割线

11、模量就是割线OP的斜率Es，通常取c/2处的割线模量。Et=d/d;Es=/反复加卸载当荷载逐渐施加到任意点P，得加载曲线OP。如果在P点将荷载卸去，则卸载曲线仍沿原曲线OP路线退到原点O。,2.4.2.3 岩石变形指标及其确定,c.弹性岩石岩石的应力应变关系不是直线，而是曲线，且卸载曲线不沿原加载路径返回原点。对于任一应变，不是唯一的应力与之对应，应力不是应变的函数关系。,2.4.2.3 岩石变形指标及其确定,切线模量和割线模量：卸载曲线P点的切线PQ的斜率就是相应于该应力的卸载切线模量，它与加载切线模量不同。而加、卸载的割线模量相同。反复加卸载当荷载逐渐施加到任何点P，得加载曲线OP。如果

12、在P点将荷载卸去，则卸载曲线不沿原曲线OP路线退到原点O，如图中虚线所示，这时产生了所谓滞回效应。,d.弹塑性岩石岩石的应力应变关系不是直线，而是曲线，卸载曲线不沿原加载路径返回，且应变也不能恢复到原点O。对于任一应变，不是唯一的应力与之对应，应力不是应变的函数关系。,2.4.2.3 岩石变形指标及其确定,弹性模量和变形模量：弹性变形，以e表示；塑性变形，以p表示；总变形，以表示。弹性模量E：把卸载曲线的割线的斜率作为弹性模量，即:E=PM/NM=/e；变形模量Eo：是正应力与总应变()之比，即：Eo=PM/OM=/=/(e+p)塑性滞回环：加载曲线与卸载曲线所组成的环，叫做塑性滞回环。,在循

13、环荷载条件下，弹性岩石变形如何？非弹性岩石（弹塑性）的变形又如何呢？,弹塑性岩石在循环荷载条件下的变形特征,等荷载循环加载：如果多次反复加载与卸载，且每次施加的最大荷载与第一次施加的最大荷载一样。塑性滞回环：则每次加、卸载曲线都形成一个塑性滞回环。这些塑性滞回环随着加、卸载的次数增加而愈来愈狭窄，并且彼此愈来愈近，岩石愈来愈接近弹性变形，一直到某次循环没有塑性变形为止，如图中的HH环。,等荷载循环加载变形特征,临界应力：当循环应力峰值小于某一数值时，循环次数即使很多，也不会导致试件破坏；而超过这一数值岩石将在某次循环中发生破坏（疲劳破坏），这一数值称为临界应力。此时，给定的应力称为疲劳强度。,

14、增荷载循环加载变形特征,增荷载循环加载：如果多次反复加载、卸载循环，每次施加的最大荷载比前一次循环的最大荷载为大。塑性滞回环：每次加、卸载曲线都形成一个塑性滞回环。随着循环次数的增加，塑性滞回环的面积也有所扩大，卸载曲线的斜率（它代表着岩石的弹性模量）也逐次略有增加，表明卸载应力下的岩石材料弹性有所增强。,岩石的记忆性：每次卸载后再加载，在荷载超过上一次循环的最大荷载以后，变形曲线仍沿着原来的单调加载曲线上升（图中的OC线），好象不曾受到反复加载的影响似的，这种现象称为岩石的变形记忆。,三轴压缩条件下的岩石变形特征,如图所示的大理岩，在围压为零或较低的情况下，岩石呈脆性状态；当围压增大至50M

15、Pa时，岩石显示出由脆性到塑性转化的过渡状态：把岩石由脆性转化为塑性的临界围压称为转化压力。围压增加到68.5MPa时，呈现出塑性流动状态；围压增至165MPa时,试件承载力则随围压稳定增长，出现所谓应变硬化现象。,随着围压的增大，岩石的抗压强度显著增加；随着围压的增大，岩石的变形显著增大；随着围压的增大，岩石的弹性极限显著增大；随着围压的增大，岩石的应力-应变曲线形态发生明显改变；岩石的性质发生了变化：由弹脆性弹塑性应变硬化。,围压对岩石变形的影响,2.4.2.6 岩石的扩容,定义：岩石的扩容现象是岩石具有的一种普遍性质，是岩石在荷载作用下，在其破坏之前产生的一种明显的非弹性体积变形。当外力

16、继续增加，岩石试件的体积不是减小，而是大幅度增加，且增长速率越来越大，最终将导致岩石试件的破坏，这种体积明显扩大的现象称为扩容。,体积变形阶段 体积应变在弹性阶段内随应力增加而呈线性变化（体积减小），在此阶段内，轴向压缩应变大于侧向膨胀。称为体积变形阶段。在此阶段后期，随应力增加，岩石的体积变形曲线向左转弯，开始偏离直线段，出现扩容。在一般情况下，岩石开始出现扩容时的应力约为其抗压强度的1/31/2左右。,实验表明：体积应变曲线可以分为三个阶段：,2.4.2.6 岩石的扩容,体积不变阶段 在这一阶段内，随着应力的增加，岩石虽有变形，但体积应变增量近于零，即岩石体积大小几乎没有变化。在此阶段内可认为轴向压缩应变等于侧向膨胀，因此称为体积不变阶段。,2.4.2.6 岩石的扩容,扩容阶段 当外力继续增加，岩石试件的体积不是减小，而是大幅度增加，且增长速率越来越大，最终将导致岩石试件的破坏，这种体积明显扩大的现象称为扩容，此阶段称为扩容阶段。,2.4.2.6 岩石的扩容,在此阶段内，当试件临近破坏时，两侧的膨胀变形之和超过最大主应力方向上的压缩变形值。这时，岩石试件的泊松比已经不是一个常量。,