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1、第二章第二章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì) 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)是巖體最基本、最巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)是巖體最基本、最重要的性質(zhì)之一,也是巖石力學(xué)學(xué)科中研究最重要的性質(zhì)之一,也是巖石力學(xué)學(xué)科中研究最早、最完善的內(nèi)容之一。早、最完善的內(nèi)容之一。 第一節(jié)第一節(jié) 基本物理性質(zhì)基本物理性質(zhì) 一、巖石的質(zhì)量指標(biāo)一、巖石的質(zhì)量指標(biāo)(一密度和比重(一密度和比重 1、巖石的密度:?jiǎn)挝惑w積內(nèi)巖石的質(zhì)量。、巖石的密度:?jiǎn)挝惑w積內(nèi)巖石的質(zhì)量。巖石含:固相、液相、氣相。巖石含:固相、液相、氣相。三相比例不同而密度不同。三相比例不同而密度不同。(2 2飽和密度:巖石中的孔隙被水充填時(shí)的單飽和密度:巖石
2、中的孔隙被水充填時(shí)的單 位體積質(zhì)量水中浸位體積質(zhì)量水中浸4848小時(shí))小時(shí)) (1天然密度:自然狀態(tài)下,單位體積質(zhì)量 VG/)/(31mKNVVGWVdGG巖石總質(zhì)量;巖石總質(zhì)量;VV總體積??傮w積。VVVV孔隙體積孔隙體積(3干密度:巖塊中的孔隙水全部蒸發(fā)后的單位體積質(zhì)量108烘24h) VGc/12、巖石的比重:巖石固體質(zhì)量G1與同體積水在4時(shí)的質(zhì)量比VC固體積; 水的比重)/(1WCVGWG1巖石固體的質(zhì)量。(KN/m3) CVVVe/VVnV/WcVVCVCVGnnnVVVVVVVVVVVe/11/二、巖石的孔隙性:反映裂隙發(fā)育程度的指標(biāo)(一孔隙比VV孔隙體積水銀充填法求出)(二孔隙率
3、V=VC+VVen關(guān)系關(guān)系cd/)(天然狀態(tài)下飽和狀態(tài)下三、巖石的水理性質(zhì)三、巖石的水理性質(zhì)(一含水性(一含水性1、含水量:巖石孔隙中含水量GW與固體質(zhì)量之比的百分?jǐn)?shù)W=GW/G1(%)2、吸水率:巖石吸入水的質(zhì)量與固體質(zhì)量之比Wd= (%)吸水率是一個(gè)間接反映巖石內(nèi)孔隙多少的指標(biāo) Adxdhkqxdxdh(二滲透性(二滲透性 在一定的水壓作用下,水穿透巖石的能力。反映了巖石中裂隙向相互連通的程度,大多滲透性可用達(dá)西Darcy定律描述:水頭變化率;qx沿x方向水的流量;h水頭高度; A垂直x方向的截面面積;k滲透系數(shù)。 四、巖石的抗風(fēng)化指標(biāo)3類(lèi))(1)(1)軟化系數(shù)表示抗風(fēng)化能力的指標(biāo))軟化系
4、數(shù)表示抗風(fēng)化能力的指標(biāo))Rcc干燥單軸抗壓強(qiáng)度、 Rcd飽和單軸抗壓強(qiáng)度;()越小,表示巖石受水的影響越大。cdccRR /1耐崩解性指數(shù)是通過(guò)對(duì)巖石試件進(jìn)行烘干,浸水循環(huán)試驗(yàn)所得的指標(biāo)。試驗(yàn)時(shí),將烘干的試塊,約500g,分成10份,放入帶有篩孔的圓筒內(nèi),使圓筒在水槽中以20rs速度連續(xù)轉(zhuǎn)10分鐘,然后將留在圓筒內(nèi)的石塊取出烘干稱(chēng)重。如此反復(fù)進(jìn)行兩次,按下式計(jì)算耐崩解性指數(shù):(2)(2)巖石耐崩解性指數(shù)巖石耐崩解性指數(shù)試驗(yàn)前的試件烘干質(zhì)量試驗(yàn)前的試件烘干質(zhì)量 ;殘留在筒內(nèi)的試件烘;殘留在筒內(nèi)的試件烘干質(zhì)量干質(zhì)量rmsm%/2srdmmI 1、自由膨脹率:無(wú)約束條件下,浸水后脹變形與原尺寸 之比
5、軸向自由膨脹 (%)H試件高度 徑向自由膨脹 (%)D直徑 HHVH/DDVD/返回返回(三巖石的膨脹性(三巖石的膨脹性評(píng)價(jià)膨脹性巖體工程的穩(wěn)定。第二節(jié)第二節(jié) 巖石的強(qiáng)度特性巖石的強(qiáng)度特性工程師對(duì)材料提出兩個(gè)問(wèn)題 1 最大承載力許用應(yīng)力 ? 2 最大允許變形許用應(yīng)變 ?本節(jié)討論 問(wèn)題強(qiáng)度:材料受力時(shí)抵抗破壞的能力。強(qiáng)度單向抗壓強(qiáng)度單向抗拉強(qiáng)度剪切強(qiáng)度三軸壓縮真三軸假三軸一 巖石的單軸抗壓強(qiáng)度1.定義:指巖石試件在無(wú)側(cè)限的條件下,受軸向壓力作用定義:指巖石試件在無(wú)側(cè)限的條件下,受軸向壓力作用破壞時(shí)單位面積上承受的荷載。破壞時(shí)單位面積上承受的荷載。 APRc/ 式中:P無(wú)側(cè)限的條件下的軸向破壞荷載
6、 A試件界面積2.2.試件方法:試件方法: 圓柱形試件:4.85.2cm ,高H=(22.5) 長(zhǎng)方體試件:邊長(zhǎng)L= 4.85.2cm , 高H=(22.5)L 試件兩端不平度0.5mm;尺寸誤差0.3mm; 兩端面垂直于軸線(xiàn)0.25o(1試件標(biāo)準(zhǔn):3.3.單向壓縮試件的破壞形態(tài)單向壓縮試件的破壞形態(tài)破壞形態(tài)有兩類(lèi):(1圓錐形破壞 原因:壓板兩端存在摩擦力,箍作用又稱(chēng)端部效應(yīng)),在工程中也會(huì)出現(xiàn)。(2柱狀劈裂破壞 張拉破壞巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度) 是巖石單向壓縮破壞的真實(shí)反映消除了端部效應(yīng))消除試件端部約束的方法 潤(rùn)滑試件端部如墊云母片;涂黃油在端部) 加長(zhǎng)試件 破壞形態(tài)是表現(xiàn)破壞機(jī)理的
7、重要特征;破壞形態(tài)是表現(xiàn)破壞機(jī)理的重要特征;其主要影響因素:應(yīng)力狀態(tài)其主要影響因素:應(yīng)力狀態(tài) 試驗(yàn)條件試驗(yàn)條件4.4.影響單軸抗壓強(qiáng)度的主要因素影響單軸抗壓強(qiáng)度的主要因素(1承壓板端部的摩擦力及其剛度加墊塊的依據(jù))(2試件的形狀和尺寸 形狀:圓形試件不易產(chǎn)生應(yīng)力集中,好加工 尺寸:大于礦物顆粒的10倍; 50的依據(jù) 高徑比:研究表明;h/d(23)較合理(3加載速度 加載速度越大,表現(xiàn)強(qiáng)度越高(見(jiàn)圖25) 我國(guó)規(guī)定加載速度為0.5 1.0MPa/s(4環(huán)境 含水量:含水量越大強(qiáng)度越低;巖石越軟越明顯,對(duì)泥巖、粘土等軟弱巖體,干燥強(qiáng)度是飽和強(qiáng)度的23倍。見(jiàn)表22 溫度:180以下不明顯:大于18
8、0,溫度越高強(qiáng)度越小。二二 巖石的抗拉強(qiáng)度巖石的抗拉強(qiáng)度1. 1. 定義:巖石試件在受到軸向拉應(yīng)力后其試件發(fā)生破壞時(shí)定義:巖石試件在受到軸向拉應(yīng)力后其試件發(fā)生破壞時(shí)的單位面積上所受的拉力。的單位面積上所受的拉力。 由于試件不易加工,除研究直接的拉伸的夾具外,研究由于試件不易加工,除研究直接的拉伸的夾具外,研究了大量的間接試驗(yàn)方法。了大量的間接試驗(yàn)方法。2. 2. 直接拉伸法直接拉伸法 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度APRt/關(guān)鍵技術(shù)試件和夾具之間的連接加力P與試件同心3. 3. 間接方法間接方法IMCt/巖石是各向同性的線(xiàn)彈性材料巖石是各向同性的線(xiàn)彈性材料滿(mǎn)足平面假設(shè)的對(duì)稱(chēng)面內(nèi)彎曲滿(mǎn)足平面假設(shè)的對(duì)稱(chēng)面內(nèi)彎曲
9、適用條件:(1抗彎法梁的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)) 抗拉強(qiáng)度 三點(diǎn)彎曲梁內(nèi)的最大拉應(yīng)力;梁發(fā)生破壞時(shí) 的 就是tttRM 作用在試件上的最大彎矩C 梁邊緣到中性軸的距離I 梁截面繞中性軸的慣性矩 (2 2劈裂法巴西法),對(duì)稱(chēng)徑向壓裂法劈裂法巴西法),對(duì)稱(chēng)徑向壓裂法 由巴西人由巴西人HondrosHondros提出提出ttR要求荷載沿軸向均勻分布破壞面必須通過(guò)試件的直徑注: 端部效應(yīng) 并非完全單向應(yīng)力試件:實(shí)心圓柱50mm; 25mm試驗(yàn):徑向壓縮破壞張開(kāi))計(jì)算公式:由彈性力學(xué)Boursinesq公式Dtpt/2式中: 試驗(yàn)中心的最大拉應(yīng)力,即p 試驗(yàn)中破壞時(shí)的壓力D 試件的直徑t 試件的厚度(3 3點(diǎn)荷載
10、試驗(yàn)法點(diǎn)荷載試驗(yàn)法是上世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的一種簡(jiǎn)便的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法。試件:任何形狀,尺寸大致5cm,不做任何加工。試驗(yàn):在直接帶到現(xiàn)場(chǎng)的點(diǎn)荷載儀上,加載劈裂破壞。 2/ DPI IRt96.015196. 0151iitIR計(jì)算: 式中:P 試件破壞時(shí)的極限 D 加載點(diǎn)試件的厚度統(tǒng)計(jì)公式:要求:(由于離散性大),每組15個(gè),取均值,即建議:用5cm的鉆孔巖芯為試件。三三 巖石的抗剪強(qiáng)度巖石的抗剪強(qiáng)度1. 1. 定義定義 指一定的應(yīng)力條件下主要指壓應(yīng)力),所能抵指一定的應(yīng)力條件下主要指壓應(yīng)力),所能抵抗的抗的最大剪應(yīng)力常用最大剪應(yīng)力常用 表示表示 2. 2. 類(lèi)型:類(lèi)型:a.抗剪斷試驗(yàn)b.抗切斷試驗(yàn)c.
11、弱面抗剪試驗(yàn)3. 3. 室內(nèi)試驗(yàn)抗切斷試驗(yàn))室內(nèi)試驗(yàn)抗切斷試驗(yàn)) 試驗(yàn)試驗(yàn) 楔形剪切儀,加載裝置楔形剪切儀,加載裝置 計(jì)算公式計(jì)算公式cossinsincosfPQfPN式中:式中: p p壓力機(jī)的總壓力壓力機(jī)的總壓力 試件傾角試件傾角 f f 圓柱形滾子與上下壓板的摩擦系數(shù)圓柱形滾子與上下壓板的摩擦系數(shù)抗剪斷儀抗剪斷儀cossinsincosfPQfPNQQNNPfP剪切破壞面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力為:cossinsincosfFPFQfFPFN巖石的抗剪斷巖石的抗剪斷曲線(xiàn)強(qiáng)度曲線(xiàn))曲線(xiàn)強(qiáng)度曲線(xiàn)) 改變夾具傾角改變夾具傾角;在在3030度到度到7070度之間度之間做一組大于做一組大于5 5次不同
12、次不同的試驗(yàn),記錄所的試驗(yàn),記錄所得的得的 ,值;由該組值作曲線(xiàn)近似直值;由該組值作曲線(xiàn)近似直線(xiàn)得方程線(xiàn)得方程ctan 式中式中 tan巖石抗剪切內(nèi)摩擦系數(shù)巖石抗剪切內(nèi)摩擦系數(shù) c 巖石的粘結(jié)力內(nèi)聚力)巖石的粘結(jié)力內(nèi)聚力)巖石在三向壓縮應(yīng)力作用下的強(qiáng)度巖石在三向壓縮應(yīng)力作用下的強(qiáng)度1. 1. 定義定義 指在不同三向壓縮應(yīng)力作用下巖石抵抗外荷指在不同三向壓縮應(yīng)力作用下巖石抵抗外荷載的最大應(yīng)力載的最大應(yīng)力ff321, 2. 2. 三向壓縮試驗(yàn)簡(jiǎn)介三向壓縮試驗(yàn)簡(jiǎn)介 (1 1) 真三軸真三軸 見(jiàn)圖見(jiàn)圖 (2 2) 假三軸假三軸 見(jiàn)圖見(jiàn)圖00003213213.3.三軸壓縮試驗(yàn)的破壞類(lèi)型三軸壓縮試驗(yàn)的破
13、壞類(lèi)型4.4.巖石三向壓縮強(qiáng)度的影響因素巖石三向壓縮強(qiáng)度的影響因素(1側(cè)壓力的影響 圍壓越大,軸向壓力越大(2加載途徑對(duì)巖石三向壓縮強(qiáng)度影響圖2-13) A、B、C三條虛線(xiàn)是三個(gè)不同的加載途徑,加載途徑對(duì)巖的最終三向壓縮強(qiáng)度影響不大。(3孔隙水壓力對(duì)巖石三向壓縮強(qiáng)度的影響 孔隙水壓力使有效應(yīng)力圍壓減小 強(qiáng)度降低無(wú)水有水返回返回第三節(jié)第三節(jié) 巖石的變形特性巖石的變形特性說(shuō)明變形分析的重要性直觀(guān)、易測(cè)、建說(shuō)明變形分析的重要性直觀(guān)、易測(cè)、建立模型、原則)立模型、原則)一、巖石在單軸壓縮應(yīng)力作用下的變形特性(一普通試驗(yàn)機(jī)下的變形特性應(yīng)力、應(yīng)變曲線(xiàn)形狀與巖性有關(guān) 1、典型的巖石應(yīng)力、應(yīng)變曲線(xiàn)a.a.分三
14、全階段分三全階段(1 1原生微裂隙壓密階段原生微裂隙壓密階段OAOA級(jí))級(jí))特點(diǎn):特點(diǎn): 曲線(xiàn),應(yīng)變率隨應(yīng)力增加而減小;曲線(xiàn),應(yīng)變率隨應(yīng)力增加而減??; 塑性變形變形不可恢復(fù))塑性變形變形不可恢復(fù))原因:微裂隙閉合壓密)原因:微裂隙閉合壓密)(2 2彈性變形階段彈性變形階段ABAB段)段)特點(diǎn):特點(diǎn): 曲線(xiàn)是直線(xiàn);彈性模量,曲線(xiàn)是直線(xiàn);彈性模量,E E為常為常數(shù)變形可恢復(fù))數(shù)變形可恢復(fù))原因:巖石固體部分變形,原因:巖石固體部分變形,B B點(diǎn)開(kāi)始屈服,點(diǎn)開(kāi)始屈服,B B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為屈服極限應(yīng)力為屈服極限 。 1111B(3 3塑性變形階段塑性變形階段BCBC)特點(diǎn):特點(diǎn): 曲線(xiàn)曲線(xiàn) ,
15、軟化,軟化現(xiàn)象;塑性變形,變形不可恢復(fù);應(yīng)變現(xiàn)象;塑性變形,變形不可恢復(fù);應(yīng)變速率不斷增大。速率不斷增大。原因:新裂紋產(chǎn)生,原生裂隙擴(kuò)展。原因:新裂紋產(chǎn)生,原生裂隙擴(kuò)展。巖石越硬,巖石越硬,BCBC段越短,脆性性質(zhì)越顯著。段越短,脆性性質(zhì)越顯著。脆性:應(yīng)力超出屈服應(yīng)力后,并不表現(xiàn)出明脆性:應(yīng)力超出屈服應(yīng)力后,并不表現(xiàn)出明顯的塑性變形的特性,而破壞,即為脆性破顯的塑性變形的特性,而破壞,即為脆性破壞。壞。111b.b.彈性常數(shù)與強(qiáng)度的確定彈性常數(shù)與強(qiáng)度的確定彈性模量國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)彈性模量國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)ISRHISRH建議三種建議三種方法方法 初始模量初始模量 割線(xiàn)模量割線(xiàn)模量 切線(xiàn)模量切線(xiàn)模
16、量極限強(qiáng)度極限強(qiáng)度 00ddE5050/E50/ddEtcc2 2、反復(fù)循環(huán)加載曲線(xiàn)、反復(fù)循環(huán)加載曲線(xiàn)特點(diǎn):特點(diǎn):卸載應(yīng)力越大,卸載應(yīng)力越大,塑性滯理越大原塑性滯理越大原因:由裂隙的擴(kuò)大,因:由裂隙的擴(kuò)大,能量的消耗);能量的消耗); 卸載線(xiàn),相互平卸載線(xiàn),相互平行;行; 反復(fù)加、卸載、反復(fù)加、卸載、曲線(xiàn)、總趨勢(shì)保持曲線(xiàn)、總趨勢(shì)保持不變有不變有“記憶功記憶功 能能”)。)。3 3、巖石應(yīng)力、巖石應(yīng)力- -應(yīng)變曲線(xiàn)形態(tài)的類(lèi)型應(yīng)變曲線(xiàn)形態(tài)的類(lèi)型(1 1直線(xiàn)型:彈性、脆性直線(xiàn)型:彈性、脆性石英巖、玄武巖、堅(jiān)硬砂巖。石英巖、玄武巖、堅(jiān)硬砂巖。(2 2下凹型:彈下凹型:彈塑性塑性石灰?guī)r、粉砂巖;軟化效應(yīng)
17、。石灰?guī)r、粉砂巖;軟化效應(yīng)。(3 3上凹型:塑上凹型:塑彈性彈性硬化效應(yīng),原生裂隙壓密,實(shí)體部分堅(jiān)硬的硬化效應(yīng),原生裂隙壓密,實(shí)體部分堅(jiān)硬的巖石。例如:片麻巖。巖石。例如:片麻巖。(4 4S S型:塑型:塑彈彈塑型塑型多孔隙,實(shí)體部分較軟的巖石:沉積巖多孔隙,實(shí)體部分較軟的巖石:沉積巖頁(yè)巖)頁(yè)巖)(二剛性試驗(yàn)機(jī)下的單向壓縮的變形特性(二剛性試驗(yàn)機(jī)下的單向壓縮的變形特性 普通試驗(yàn)機(jī)得到峰值應(yīng)力前的變形特性,普通試驗(yàn)機(jī)得到峰值應(yīng)力前的變形特性,多數(shù)巖石在峰值后工作。多數(shù)巖石在峰值后工作。注:注:C點(diǎn)不是破壞的點(diǎn)不是破壞的開(kāi)場(chǎng)開(kāi)始點(diǎn)開(kāi)場(chǎng)開(kāi)始點(diǎn)B),),也不是破壞的終。也不是破壞的終。說(shuō)明:崩潰原因,
18、說(shuō)明:崩潰原因,Salamon1970年提年提出了剛性試驗(yàn)機(jī)下出了剛性試驗(yàn)機(jī)下的曲線(xiàn)。的曲線(xiàn)。剛剛性性機(jī)機(jī)(1 1剛性試驗(yàn)機(jī)工作簡(jiǎn)介剛性試驗(yàn)機(jī)工作簡(jiǎn)介壓力機(jī)加壓貯存彈性應(yīng)壓力機(jī)加壓貯存彈性應(yīng)能)能)巖石試件達(dá)峰點(diǎn)強(qiáng)度釋巖石試件達(dá)峰點(diǎn)強(qiáng)度釋放放應(yīng)變能導(dǎo)致試件崩潰。應(yīng)變能導(dǎo)致試件崩潰。AAO2O1AAO2O1面積面積峰點(diǎn)后,峰點(diǎn)后,巖塊產(chǎn)生微小位移所需的巖塊產(chǎn)生微小位移所需的能。能。ACO2O1ACO2O1面積面積峰點(diǎn)后,峰點(diǎn)后,剛體機(jī)釋放的能貯存的剛體機(jī)釋放的能貯存的能)。能)。ABO2O1ABO2O1峰點(diǎn)后,峰點(diǎn)后,普通機(jī)釋放的能貯存的普通機(jī)釋放的能貯存的能)。能)。(2 2應(yīng)力、應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲
19、線(xiàn)形態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線(xiàn)形態(tài)在剛性機(jī)下,峰值前后的全部應(yīng)力、應(yīng)變曲線(xiàn)在剛性機(jī)下,峰值前后的全部應(yīng)力、應(yīng)變曲線(xiàn)分四個(gè)階段:分四個(gè)階段:1-31-3階段同普通試驗(yàn)機(jī)。階段同普通試驗(yàn)機(jī)。 4 4階段應(yīng)變軟化階段階段應(yīng)變軟化階段 特點(diǎn):特點(diǎn): 巖石的原生和新生裂隙貫穿,到達(dá)巖石的原生和新生裂隙貫穿,到達(dá)D點(diǎn),點(diǎn),靠碎塊間的摩擦靠碎塊間的摩擦 力承載,故力承載,故 稱(chēng)為殘稱(chēng)為殘余應(yīng)力。余應(yīng)力。 承載力隨著應(yīng)變?cè)黾佣鴾p少,有明顯的軟承載力隨著應(yīng)變?cè)黾佣鴾p少,有明顯的軟化現(xiàn)象?;F(xiàn)象。(3全應(yīng)力全應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)的補(bǔ)充性質(zhì)應(yīng)變曲線(xiàn)的補(bǔ)充性質(zhì) 近似對(duì)稱(chēng)性近似對(duì)稱(chēng)性 B點(diǎn)后卸載有殘余應(yīng)變,重復(fù)加載沿另一點(diǎn)后卸載有
20、殘余應(yīng)變,重復(fù)加載沿另一曲線(xiàn)上升形成滯環(huán)曲線(xiàn)上升形成滯環(huán)(hysteresis) ,加載曲線(xiàn)不,加載曲線(xiàn)不過(guò)原卸載點(diǎn),但鄰近和原曲線(xiàn)光滑銜接。過(guò)原卸載點(diǎn),但鄰近和原曲線(xiàn)光滑銜接。D C點(diǎn)后有殘余應(yīng)變,重復(fù)加載滯環(huán)變大,反復(fù)加卸載隨著變形的增加,塑性滯環(huán)的斜率降低,總的趨勢(shì)不變。C點(diǎn)后,可能會(huì)出現(xiàn)壓應(yīng)力下的體積增大現(xiàn)象,稱(chēng)此為擴(kuò)容(dilatancy)現(xiàn)象。一般巖的 =0.15-0.35, 當(dāng) 0.5時(shí),就是擴(kuò)容.體積應(yīng)變 :2/10)21 (1321e(3)(3)克服巖石試件單向壓縮時(shí)生產(chǎn)爆裂的途徑克服巖石試件單向壓縮時(shí)生產(chǎn)爆裂的途徑提高試驗(yàn)機(jī)的剛度提高試驗(yàn)機(jī)的剛度改變峰值后的加載方式改變峰值
21、后的加載方式伺服控制試件的位移伺服控制試件的位移普通試驗(yàn)機(jī)附加剛性組件的試驗(yàn)裝置提高試驗(yàn)的剛度)1巖石試件;2、6電阻應(yīng)變片;3金屬圓筒;4位移計(jì);5鋼墊塊伺服試驗(yàn)機(jī)原理示意圖1.巖石試件;2.墊塊;3.上壓板;4.下壓板;5.位移傳感器。(一)(一) 時(shí)變形規(guī)律見(jiàn)圖時(shí)變形規(guī)律見(jiàn)圖越大,越大,E E越大越大二、巖石在三向壓應(yīng)力下的變形特性3232Bc(二當(dāng)為常數(shù)時(shí),巖石的變形特性(二當(dāng)為常數(shù)時(shí),巖石的變形特性 (1) ;(2E基本不受 變化影響 (3) 脆性增強(qiáng)。 (三) 為常數(shù)時(shí),巖石的變形特性 (1) 不變;(2) E不變; (3永保塑性變形的特性, 塑性變形增大。B2223B3233(四
22、巖石的體積應(yīng)變特性(四巖石的體積應(yīng)變特性 擴(kuò)容現(xiàn)象:巖石在壓力下,發(fā)生非線(xiàn)性體積膨脹。321VVV三、巖石的流變特性 彈性可恢復(fù)) 與時(shí)間無(wú)關(guān)的變形 塑性不恢復(fù)) 與時(shí)間有關(guān)的流變 蠕變:應(yīng)力恒定,巖石應(yīng)變隨時(shí)間增大,所產(chǎn)生的變形稱(chēng)為 蠕變又稱(chēng)為流變)。松馳:應(yīng)變恒定,巖石中的應(yīng)力隨時(shí)間減少,這種現(xiàn)象稱(chēng)“松 馳”。巖石變形蠕變松弛巖石的時(shí)間效應(yīng)(一典型的蠕變曲線(xiàn)分三階段)(一典型的蠕變曲線(xiàn)分三階段) 1 1、初始蠕變階段瞬變?nèi)渥冸A段、初始蠕變階段瞬變?nèi)渥冸A段ABAB。特點(diǎn):特點(diǎn): 有瞬時(shí)應(yīng)變有瞬時(shí)應(yīng)變 (OAOA);); ,應(yīng),應(yīng)變率隨時(shí)間增長(zhǎng)而減?。恍遁d后,有瞬時(shí)恢復(fù)變形,后變率隨時(shí)間增長(zhǎng)而
23、減??;卸載后,有瞬時(shí)恢復(fù)變形,后彈性后效,彈性后效,變形經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后,逐漸恢復(fù)的彈性后效,彈性后效,變形經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后,逐漸恢復(fù)的現(xiàn)象?,F(xiàn)象。2 2、穩(wěn)定蠕變階段、穩(wěn)定蠕變階段BCBC)(較長(zhǎng))(較長(zhǎng))特點(diǎn):應(yīng)變率特點(diǎn):應(yīng)變率 為常量;卸載:有瞬彈性恢復(fù),彈后,為常量;卸載:有瞬彈性恢復(fù),彈后,粘流,粘性流動(dòng),不可恢復(fù)的永變形。粘流,粘性流動(dòng),不可恢復(fù)的永變形。3 3、非穩(wěn)定蠕變階段蠕變破壞階段)、非穩(wěn)定蠕變階段蠕變破壞階段)特點(diǎn):特點(diǎn): 劇烈增加;劇烈增加; 曲線(xiàn);一般此階段比較曲線(xiàn);一般此階段比較短暫。短暫。0t典型蠕變曲(二巖石蠕變的影響因素(二巖石蠕變的影響因素 (1 1巖石的力學(xué)性
24、質(zhì)巖石的力學(xué)性質(zhì) (強(qiáng)度,礦物組成)(強(qiáng)度,礦物組成)應(yīng)力水平應(yīng)力水平 第二階段越長(zhǎng);第二階段越長(zhǎng); 小到一定程度,小到一定程度,第三蠕變不會(huì)出現(xiàn);第三蠕變不會(huì)出現(xiàn); 很高,第二階段短,很高,第二階段短,立即進(jìn)入三階段立即進(jìn)入三階段t(2 2溫度對(duì)蠕變的影響溫度對(duì)蠕變的影響 總的應(yīng)變量越小??偟膽?yīng)變量越小。 第二階段的斜率,溫度高,斜率越小。第二階段的斜率,溫度高,斜率越小。(3 3濕度濕度 飽和試件第二階段飽和試件第二階段 和總應(yīng)變量都將和總應(yīng)變量都將大于干燥狀態(tài)下的試件結(jié)果。大于干燥狀態(tài)下的試件結(jié)果。t(三蠕變特性和常規(guī)變形特性的聯(lián)系(三蠕變特性和常規(guī)變形特性的聯(lián)系四、長(zhǎng)期強(qiáng)度的的確方法四
25、、長(zhǎng)期強(qiáng)度的的確方法 由蠕變?cè)囼?yàn)曲線(xiàn)確定巖石的長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度由蠕變?cè)囼?yàn)曲線(xiàn)確定巖石的長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度由長(zhǎng)時(shí)恒載破壞試驗(yàn)確定巖石的長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度五、巖石介質(zhì)的力學(xué)模型 巖石性質(zhì)變化范圍大,用多種模型來(lái)表述。主要性質(zhì):彈性、塑性、粘性流變)。(一基本介質(zhì)模型 1、彈性模型 2、理想塑性( 屈服應(yīng)力 ) 3、有硬化的塑性 k塑性硬化系數(shù)E持續(xù)增長(zhǎng)0000k/00004、粘性模型 粘性系數(shù)poise;poise=0.1N.S/m2) tdtd(二常用的巖石介質(zhì)模型(彈、塑、粘三種基本模型的組合)(彈、塑、粘三種基本模型的組合)1 1、彈塑性介質(zhì)模型、彈塑性介質(zhì)模型(1 1無(wú)塑性硬化作用理想塑性)無(wú)塑性硬化作用理想塑性)
26、(2 2有塑性硬化作用有塑性硬化作用持續(xù)增長(zhǎng)00E1000KEE塑性硬化2 2、粘彈性介質(zhì)模型、粘彈性介質(zhì)模型最簡(jiǎn)單的粘彈模型:(最簡(jiǎn)單的粘彈模型:(1Maxwell;(;(2Kelvin(1Maxwell模型模型模型:模型: 串聯(lián)串聯(lián)E串聯(lián)模型:電流相等,總電壓等分電壓之和;每個(gè)元素的力相等;總應(yīng)變=分應(yīng)變之和。 求本構(gòu)關(guān)系:求本構(gòu)關(guān)系:EEeeENNettNN所以Maxwell的本構(gòu)關(guān)系為: 蠕變方程:松馳方程是:性質(zhì):有彈性變形、粘性流動(dòng),有松馳 的是 ttEc.,.應(yīng)變時(shí)間曲線(xiàn)t 加載卸載t應(yīng)力時(shí)間曲線(xiàn)tE00tEc1/)(,ttC(2 2kelvinkelvin模型模型 基本模型,兩
27、元件并聯(lián)本構(gòu)關(guān)系:所以本構(gòu)關(guān)系 為一階常系數(shù)微分方程,初始條件dtdE0/0tVEVE,解之: 蠕變方程。蠕變曲線(xiàn)的漸近線(xiàn)。t=t1時(shí)卸載,則由本構(gòu)關(guān)系得:當(dāng)t=t1時(shí)開(kāi)始卸載,卸載蠕變方程后效) tEeE10Et01t1/.1ntEtce1/.1tEtect0dtdE0tEce)(11ttEte描述的性質(zhì)描述的性質(zhì) a. 無(wú)瞬時(shí)彈性變形無(wú)瞬時(shí)彈性變形 b. 無(wú)粘性流動(dòng)無(wú)粘性流動(dòng) (無(wú)永久變形)(無(wú)永久變形) c. 有彈性后效有彈性后效 d. 無(wú)松弛無(wú)松弛應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線(xiàn)松弛取應(yīng)變?yōu)槌?shù)代入本構(gòu)關(guān)系得:E可見(jiàn)無(wú)松弛?;驹c二元件模型蠕變曲線(xiàn)對(duì)比(三多元件模型簡(jiǎn)介廣義kelvin模型 廣義
28、kelvin模型蠕變曲線(xiàn)Poynting-Thomson返回返回 第四節(jié)第四節(jié) 巖石的強(qiáng)度理論巖石的強(qiáng)度理論 由正應(yīng)力和剪應(yīng)力組合作用使巖石產(chǎn)生破壞受拉破壞、拉剪破壞,壓剪破壞) 莫爾包絡(luò)線(xiàn)一、莫爾強(qiáng)度理論一、莫爾強(qiáng)度理論Mohr 1900Mohr 1900年提出,莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則)年提出,莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則)(一基本思想(一基本思想以脆性材料、鑄鐵) 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析為基礎(chǔ);不考慮中間主應(yīng)力對(duì)巖石 強(qiáng)度的影響;忽略了對(duì)強(qiáng)度的影響忽略了對(duì)強(qiáng)度的影響)(f2(三庫(kù)倫(三庫(kù)倫莫爾強(qiáng)度理論原則)莫爾強(qiáng)度理論原則)CACoulomb1773年提出是莫爾準(zhǔn)則的一特例簡(jiǎn)潔、應(yīng)用簡(jiǎn)便(二強(qiáng)度曲線(xiàn)(二強(qiáng)度曲線(xiàn)莫爾圖包絡(luò)
29、線(xiàn)莫爾圖包絡(luò)線(xiàn)表達(dá)式:表達(dá)式:由于巖石的力學(xué)性質(zhì)所致,莫爾包線(xiàn)向應(yīng)力增大的由于巖石的力學(xué)性質(zhì)所致,莫爾包線(xiàn)向應(yīng)力增大的方向開(kāi)放,單向抗拉強(qiáng)度小于單向抗壓強(qiáng)度;單向方向開(kāi)放,單向抗拉強(qiáng)度小于單向抗壓強(qiáng)度;單向抗拉區(qū)小于單向抗壓區(qū)。抗拉區(qū)小于單向抗壓區(qū)。應(yīng)用實(shí)例說(shuō)明應(yīng)用實(shí)例說(shuō)明(1 1實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ):巖土材料壓剪或三軸試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ):巖土材料壓剪或三軸試驗(yàn)和 純剪。純剪。(2 2破壞機(jī)理:(基本思想材料屬壓剪破破壞機(jī)理:(基本思想材料屬壓剪破壞,剪切破壞力的一部分用來(lái)克服與正應(yīng)力壞,剪切破壞力的一部分用來(lái)克服與正應(yīng)力無(wú)關(guān)的粘聚力,使材料顆粒間脫離聯(lián)系;另無(wú)關(guān)的粘聚力,使材料顆粒間脫離聯(lián)系;另一部分剪切破壞力用來(lái)克服與正應(yīng)力成正比一部分剪切破壞力用來(lái)克服與正應(yīng)力成正比的摩摩力,使面內(nèi)錯(cuò)動(dòng)而最終破壞。的摩摩力,使面內(nèi)錯(cuò)動(dòng)而最終破壞。tgtgf 內(nèi)摩擦系數(shù)(3 3數(shù)學(xué)表達(dá)式:數(shù)學(xué)表達(dá)式: (4主應(yīng)力表示22sin3131ctg(2-42) c31sin1sin1sin1cos2Cc03tctc/,031222)245()245(sin1sin1tgtgctg2450由式2-42推出:(243)其中為塑性指數(shù) ;當(dāng)時(shí),c1;為拉壓指數(shù)。(5 5破壞方向角破壞方向角1n() 強(qiáng)度曲線(xiàn)傾斜向上說(shuō)明抗剪強(qiáng)度與壓應(yīng)力成正比。 受拉
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