第三章巖石的力學(xué)性質(zhì)及其影響因素

1、n第一節(jié)第一節(jié) 巖石力學(xué)實驗研究基礎(chǔ)巖石力學(xué)實驗研究基礎(chǔ)n第二節(jié)第二節(jié) 圍壓對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響圍壓對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響n第三節(jié)第三節(jié) 溫度對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響溫度對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響n第四節(jié)第四節(jié) 孔隙、孔隙壓力對巖石力學(xué)性孔隙、孔隙壓力對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響質(zhì)的影響n第五節(jié)第五節(jié) 應(yīng)變率對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響應(yīng)變率對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響第三章第三章 巖石的力學(xué)性質(zhì)及其影響因素巖石的力學(xué)性質(zhì)及其影響因素 巖石力學(xué)性質(zhì)主要是指巖石的變形巖石力學(xué)性質(zhì)主要是指巖石的變形(deformation )(deformation )特征及巖石的強度特征及巖石的強度(strength )(strength )。

2、影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素很多，例如巖石的類型、影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素很多，例如巖石的類型、組構(gòu)、圍壓組構(gòu)、圍壓(confining pressure )(confining pressure )、溫度、應(yīng)變率、溫度、應(yīng)變率、含水量、載荷時間以及載荷性質(zhì)等等。含水量、載荷時間以及載荷性質(zhì)等等。第三章第三章 巖石的力學(xué)性質(zhì)及其影響因素巖石的力學(xué)性質(zhì)及其影響因素 對任何工程現(xiàn)象來說，只有將某些因素影響下的巖對任何工程現(xiàn)象來說，只有將某些因素影響下的巖石力學(xué)性質(zhì)逐一進行研究，才能認識到哪些是主要影響石力學(xué)性質(zhì)逐一進行研究，才能認識到哪些是主要影響因素，哪些是次要因素。從而得出某些參數(shù)，建立巖石因素，哪些

3、是次要因素。從而得出某些參數(shù)，建立巖石的本構(gòu)方程的本構(gòu)方程(constitutive equation )(constitutive equation )和破壞準則和破壞準則(failure criterion )(failure criterion )，為進一步研究分析提供一定模，為進一步研究分析提供一定模式與依據(jù)。式與依據(jù)。 要研究這些復(fù)雜因素對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響，只能要研究這些復(fù)雜因素對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響，只能在實驗室內(nèi)嚴格控制某些因素的情況下進行。然后將所在實驗室內(nèi)嚴格控制某些因素的情況下進行。然后將所得結(jié)果應(yīng)用到實踐中去驗證，修正，直到與實際相符。得結(jié)果應(yīng)用到實踐中去驗證，修正，直到

4、與實際相符。 一、巖樣的制備（一、巖樣的制備（sample preparation sample preparation ） 室內(nèi)進行巖石力學(xué)性質(zhì)實驗，首先應(yīng)采集研究地層的室內(nèi)進行巖石力學(xué)性質(zhì)實驗，首先應(yīng)采集研究地層的巖石試件。為了保持巖樣（巖石試件。為了保持巖樣（rock sample rock sample ）原有物理力學(xué)）原有物理力學(xué)性質(zhì)（例如礦物成分、粒度、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、裂隙、節(jié)理發(fā)性質(zhì)（例如礦物成分、粒度、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、裂隙、節(jié)理發(fā)育程度等等），最好進行密閉取心（育程度等等），最好進行密閉取心（coring coring ）。然后將）。然后將鉆井巖心（鉆井巖心（core core ）切割

5、成）切割成(5 X l 0cm )(5 X l 0cm )圓柱體；但有時圓柱體；但有時也可采用也可采用(5(55 510cm)10cm)的長方體。按國際巖石力學(xué)學(xué)會的長方體。按國際巖石力學(xué)學(xué)會（International Society for Rock Mechanics International Society for Rock Mechanics ）建議，）建議，試件長度與寬度（或直徑）之比為試件長度與寬度（或直徑）之比為2.53.02.53.0之間（我國多之間（我國多采用采用2.02. 52.02. 5之間）。之間）。第一節(jié)第一節(jié) 巖石力學(xué)實驗研究基礎(chǔ)巖石力學(xué)實驗研究基礎(chǔ)圖圖3 31

6、 1 準備巖心準備巖心 圖圖3 32 2 制備巖樣的程序制備巖樣的程序樣品采集和巖石學(xué)審查樣品采集和巖石學(xué)審查鉆巖心鉆巖心端面切割端面切割端面磨平端面磨平幾何形狀檢驗幾何形狀檢驗環(huán)境存放環(huán)境存放樣品包裹（圍壓實驗）樣品包裹（圍壓實驗）實實 驗驗圖圖3 33 3 檢查巖心的規(guī)則程度檢查巖心的規(guī)則程度 二、實驗研究的基本方法二、實驗研究的基本方法 將巖石試件放置在常規(guī)壓力機（將巖石試件放置在常規(guī)壓力機（load frame load frame ）或剛）或剛性壓力機（性壓力機（ load frame stiffness load frame stiffness ）上進行加載，其應(yīng)）上進行加載，其應(yīng)

7、變可以通過在試件上粘貼應(yīng)變片（變可以通過在試件上粘貼應(yīng)變片（strain gauge strain gauge ），由），由電阻應(yīng)變儀測定。電阻應(yīng)變儀測定。 當載荷遞增時（通過壓力機讀數(shù)能看出），可以得到當載荷遞增時（通過壓力機讀數(shù)能看出），可以得到施加在試件上的壓應(yīng)力施加在試件上的壓應(yīng)力=P/A=P/A（其中（其中P P為載荷，為試件為載荷，為試件橫截面面積）及對應(yīng)的應(yīng)變（橫截面面積）及對應(yīng)的應(yīng)變（=h/hh/h）。在連續(xù)加載中）。在連續(xù)加載中（一般試驗采用每秒（一般試驗采用每秒585810105 5PaPa的速度加載），應(yīng)力、應(yīng)的速度加載），應(yīng)力、應(yīng)變在直角坐標系中繪制的曲線，稱為應(yīng)力一應(yīng)

8、變曲線變在直角坐標系中繪制的曲線，稱為應(yīng)力一應(yīng)變曲線（stress-strain diagram stress-strain diagram ）。）。圖圖3 34 4 貼應(yīng)變片貼應(yīng)變片圖圖35 貼應(yīng)變片的操作程序貼應(yīng)變片的操作程序圖圖36 應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線 三、實驗結(jié)果分析三、實驗結(jié)果分析 據(jù)據(jù)R. P. MillerR. P. Miller對對2828類巖石進行巖石力學(xué)性質(zhì)實驗結(jié)類巖石進行巖石力學(xué)性質(zhì)實驗結(jié)果，將單軸壓縮下應(yīng)力一應(yīng)變曲線概括地劃分成如圖果，將單軸壓縮下應(yīng)力一應(yīng)變曲線概括地劃分成如圖 3-1 3-1 所示的六種類型。所示的六種類型。 第一種類型為彈性變形（第一種類型為彈

9、性變形（elastic deformation elastic deformation ），），由加載直至破壞，應(yīng)力一應(yīng)變曲線（由加載直至破壞，應(yīng)力一應(yīng)變曲線（ stress-strain stress-strain diagram diagram ）近似線性特征，例如玄武巖、石英巖、輝綠巖、）近似線性特征，例如玄武巖、石英巖、輝綠巖、白云巖和堅硬的石灰?guī)r等。白云巖和堅硬的石灰?guī)r等。 第二種類型為彈一塑性變形，應(yīng)力一應(yīng)變曲線在接近第二種類型為彈一塑性變形，應(yīng)力一應(yīng)變曲線在接近破壞載荷時出現(xiàn)連續(xù)的非彈性變形。例如軟弱的石灰?guī)r、破壞載荷時出現(xiàn)連續(xù)的非彈性變形。例如軟弱的石灰?guī)r、粉砂巖和凝灰?guī)r等。粉

10、砂巖和凝灰?guī)r等。圖圖3-7 在單軸壓縮下巖石的典型應(yīng)力一應(yīng)變曲線在單軸壓縮下巖石的典型應(yīng)力一應(yīng)變曲線(a) 彈性；彈性；(b) 彈一塑性；（彈一塑性；（c）塑一彈性；）塑一彈性；(d) 塑一彈一塑一彈一塑性；塑性；(e) 塑一彈一塑性塑一彈一塑性 (f ) 彈一塑一蠕變彈一塑一蠕變 第三種類型為塑彈性變形，應(yīng)力一應(yīng)變曲線在低應(yīng)力第三種類型為塑彈性變形，應(yīng)力一應(yīng)變曲線在低應(yīng)力下表現(xiàn)出向上彎曲的現(xiàn)象，隨后近似線性關(guān)系，直至破下表現(xiàn)出向上彎曲的現(xiàn)象，隨后近似線性關(guān)系，直至破壞例如砂巖、花崗巖等。壞例如砂巖、花崗巖等。 第四種類型及第五種類型為塑一彈一塑性變形，應(yīng)力第四種類型及第五種類型為塑一彈一塑性

11、變形，應(yīng)力一應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)一應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)S S形曲線。形曲線。 這兩種曲線不同之點：前者近似直線部分較陡，且初這兩種曲線不同之點：前者近似直線部分較陡，且初始階段壓縮性較小。例如變質(zhì)巖中大理石和片麻巖。后者始階段壓縮性較小。例如變質(zhì)巖中大理石和片麻巖。后者直 線 部 分 較 緩 ， 表 示 同 樣 應(yīng) 力直 線 部 分 較 緩 ， 表 示 同 樣 應(yīng) 力 ( s t r e s s )( s t r e s s ) 下 變 形下 變 形(deformation)(deformation)量較大，且初始階段具有高度壓縮性。量較大，且初始階段具有高度壓縮性。 它們之間的共同特點是在接近破壞時均顯

12、示出不同程它們之間的共同特點是在接近破壞時均顯示出不同程度的非彈性變形（度的非彈性變形（ elastic deformation elastic deformation ）。）。 第六種類型為彈一塑一蠕變變形，曲線的直線部分很第六種類型為彈一塑一蠕變變形，曲線的直線部分很短，隨后產(chǎn)生非彈性變形和連續(xù)蠕變短，隨后產(chǎn)生非彈性變形和連續(xù)蠕變(creep )(creep )，例如鹽巖，例如鹽巖和軟泥巖等。和軟泥巖等。 四、巖石的彈性參數(shù)四、巖石的彈性參數(shù) 任何固體在外力作用下都要發(fā)生形變，當外力的作用任何固體在外力作用下都要發(fā)生形變，當外力的作用停止時，形變隨之消失，這種形變叫彈性形變。巖石的楊停止時

13、，形變隨之消失，這種形變叫彈性形變。巖石的楊氏彈性模量（氏彈性模量（E E）、切變（剛性）模量（）、切變（剛性）模量（G G）、體積模量）、體積模量（ ）和泊松比（）和泊松比（ ）等是描述巖石彈性形變、衡量巖石）等是描述巖石彈性形變、衡量巖石抵抗變形能力和程度的主要參數(shù)。抵抗變形能力和程度的主要參數(shù)。 巖石最基本的彈性參數(shù)是彈性模量（巖石最基本的彈性參數(shù)是彈性模量（Elastic Elastic modulus modulus ）與泊松比（）與泊松比（Poissons ratio Poissons ratio ）。）。K 1. 1.彈性模量彈性模量 根據(jù)巖樣在施加載荷條件下的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系，可

14、根據(jù)巖樣在施加載荷條件下的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系，可以確定巖石的各彈性模量和泊松比，這樣得到的巖石的以確定巖石的各彈性模量和泊松比，這樣得到的巖石的各彈性模量和泊松比，稱為巖石的靜態(tài)彈性模量和靜態(tài)各彈性模量和泊松比，稱為巖石的靜態(tài)彈性模量和靜態(tài)泊松比。泊松比。 楊氏彈性模量是巖石彈性強弱的標志。設(shè)長為楊氏彈性模量是巖石彈性強弱的標志。設(shè)長為L L，截面積為截面積為A A的巖石，在縱向上受到力的巖石，在縱向上受到力F F作用時伸長或壓作用時伸長或壓縮縮 ，則縱向張應(yīng)力（，則縱向張應(yīng)力（F/AF/A）與張應(yīng)變（）與張應(yīng)變（ ）之比）之比值即為靜態(tài)楊氏彈性模量（值即為靜態(tài)楊氏彈性模量（E E），即：），即：

15、 LLLLLAFEb.b.彈性常數(shù)與強度的確定彈性常數(shù)與強度的確定彈性模量國際巖石力學(xué)學(xué)會（彈性模量國際巖石力學(xué)學(xué)會（ISRHISRH）建議三種方法）建議三種方法 初始模量初始模量 割線模量割線模量 切線模量切線模量極限強度極限強度 00ddE5050/E50/ddEtcc2 2、反復(fù)循環(huán)加載曲線、反復(fù)循環(huán)加載曲線特點：特點：卸載應(yīng)力越大，塑性滯卸載應(yīng)力越大，塑性滯理越大（原因：由裂隙的理越大（原因：由裂隙的擴大，能量的消耗）；擴大，能量的消耗）； 卸載線，相互平行；卸載線，相互平行； 反復(fù)加、卸載、曲線、反復(fù)加、卸載、曲線、總趨勢保持不變（有總趨勢保持不變（有“記記憶功憶功 能能”）。）。

16、2. 2.泊松比泊松比 泊松比（泊松比（ ），又稱橫向壓縮系數(shù)。靜態(tài)泊松），又稱橫向壓縮系數(shù)。靜態(tài)泊松比表示為橫向相對壓縮與縱向相對伸長之比。設(shè)長為比表示為橫向相對壓縮與縱向相對伸長之比。設(shè)長為 L L，直徑為，直徑為 d d 的圓柱形巖石，在受到壓縮時，其長度的圓柱形巖石，在受到壓縮時，其長度縮短縮短 ，直徑增加，直徑增加 ，則靜態(tài)泊松比（，則靜態(tài)泊松比（ ）表）表示為：示為：LdLLdd 設(shè)有一個各向同性材料的方塊體或圓柱體在單向受設(shè)有一個各向同性材料的方塊體或圓柱體在單向受壓情況下沿軸向方向縮短，則沿徑向方向變長，則其泊壓情況下沿軸向方向縮短，則沿徑向方向變長，則其泊松系數(shù)為：松系數(shù)為：

17、 理想的不可壓縮材料的泊松系數(shù)等于理想的不可壓縮材料的泊松系數(shù)等于0.50.5，實際材料，實際材料的泊松系數(shù)小于的泊松系數(shù)小于0.50.5。axialradial 3. 3.體積模量體積模量 一彈性體受到附加的靜壓力增量一彈性體受到附加的靜壓力增量P P的作用時會引起的作用時會引起體積應(yīng)變體積應(yīng)變Q Q，靜壓力增量與體積應(yīng)變的比值為體積模量。，靜壓力增量與體積應(yīng)變的比值為體積模量。321PQPK 4. 4.剛性模量剛性模量 各向同性材料的方塊體受到簡單的剪應(yīng)變作用時，沿各向同性材料的方塊體受到簡單的剪應(yīng)變作用時，沿剪切平面（方向和形狀不變的平面）就會產(chǎn)生一定的剪應(yīng)剪切平面（方向和形狀不變的平面

18、）就會產(chǎn)生一定的剪應(yīng)力。這一平面上的剪應(yīng)力與剪應(yīng)變之比力。這一平面上的剪應(yīng)力與剪應(yīng)變之比Gn某地層巖樣做單軸強度實驗，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線某地層巖樣做單軸強度實驗，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線如圖所示，巖樣的直徑為如圖所示，巖樣的直徑為25.4mm，高度為，高度為50mm，試確定此巖心的楊氏模量、體積模量和，試確定此巖心的楊氏模量、體積模量和泊松比？泊松比？ 5.巖石的動態(tài)彈性常數(shù)巖石的動態(tài)彈性常數(shù) 彈性模量和泊松比不僅可以根據(jù)巖樣在施加載荷條件彈性模量和泊松比不僅可以根據(jù)巖樣在施加載荷條件下的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系得到，而且也可以利用彈性波的傳播下的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系得到，而且也可以利用彈性波的傳播關(guān)系，由測量的彈性波

19、速度和體積密度計算得到。由此得關(guān)系，由測量的彈性波速度和體積密度計算得到。由此得到的巖石的彈性模量和泊松比稱為動態(tài)彈性模量和動態(tài)泊到的巖石的彈性模量和泊松比稱為動態(tài)彈性模量和動態(tài)泊松比，統(tǒng)稱動態(tài)彈性常數(shù)。松比，統(tǒng)稱動態(tài)彈性常數(shù)。 如果有聲波縱波和橫波傳播測井資料，那么聯(lián)同體積如果有聲波縱波和橫波傳播測井資料，那么聯(lián)同體積密度測井可以由下列關(guān)系式求得地層各動態(tài)彈性模量，即：密度測井可以由下列關(guān)系式求得地層各動態(tài)彈性模量，即： 222222cscstttt2222243cscssbtttttE 利用測井資料計算地層的動態(tài)彈性模量時，必須同時利用測井資料計算地層的動態(tài)彈性模量時，必須同時具備聲波縱波

20、、橫波以及密度測井資料。以往由于常常沒具備聲波縱波、橫波以及密度測井資料。以往由于常常沒有直接的橫波測量結(jié)果，因此，通常只能使用橫波的估算有直接的橫波測量結(jié)果，因此，通常只能使用橫波的估算結(jié)果，這種數(shù)據(jù)主要由縱波測井資料和地層巖性資料轉(zhuǎn)換結(jié)果，這種數(shù)據(jù)主要由縱波測井資料和地層巖性資料轉(zhuǎn)換得到（有得到（有用于砂巖或泥質(zhì)砂巖地層條件下橫波估算的計算用于砂巖或泥質(zhì)砂巖地層條件下橫波估算的計算公式，公式，但精確度較差）。但精確度較差）。 TutuncnTutuncn和和SharmaSharma在室內(nèi)對飽和低滲透砂巖進行三軸應(yīng)在室內(nèi)對飽和低滲透砂巖進行三軸應(yīng)力下的動、靜態(tài)同步測試得出：力下的動、靜態(tài)同步

21、測試得出：EdEd大于大于EsEs，純砂巖中，純砂巖中EdEd與與EsEs差別大，而泥質(zhì)砂巖差別較小。粉砂巖和泥巖動靜態(tài)彈差別大，而泥質(zhì)砂巖差別較小。粉砂巖和泥巖動靜態(tài)彈性模量的轉(zhuǎn)換系數(shù)為性模量的轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.680.68，白云巖質(zhì)的粉砂巖為，白云巖質(zhì)的粉砂巖為0.730.73，灰，灰?guī)r和白云巖為巖和白云巖為0.790.79。 TutuncnTutuncn和和SharmaSharma綜合各種巖性的實驗數(shù)據(jù)后得到了包綜合各種巖性的實驗數(shù)據(jù)后得到了包括各種巖性的巖石的動靜態(tài)彈性模量轉(zhuǎn)換關(guān)系：括各種巖性的巖石的動靜態(tài)彈性模量轉(zhuǎn)換關(guān)系： 此外，國內(nèi)外許多研究人員在實際應(yīng)用過程中，也針此外，國內(nèi)外許多研

22、究人員在實際應(yīng)用過程中，也針對動靜彈性參數(shù)開展了大量的研究工作，其總的趨勢是動對動靜彈性參數(shù)開展了大量的研究工作，其總的趨勢是動態(tài)彈性模量一般都遠遠高于靜態(tài)彈性模量，由于泊松比本態(tài)彈性模量一般都遠遠高于靜態(tài)彈性模量，由于泊松比本身變化范圍小，因此，動靜泊松比值的差異一般不大。身變化范圍小，因此，動靜泊松比值的差異一般不大。)10(3112. 081988. 04MpaEEds 五、常溫常壓下巖石的典型應(yīng)力一應(yīng)變曲線五、常溫常壓下巖石的典型應(yīng)力一應(yīng)變曲線 在常規(guī)壓力機上進行巖石單軸實驗時，隨著壓力逐漸在常規(guī)壓力機上進行巖石單軸實驗時，隨著壓力逐漸增加，巖石試件會產(chǎn)生一定變形并同時儲存著一定的應(yīng)變

23、增加，巖石試件會產(chǎn)生一定變形并同時儲存著一定的應(yīng)變能。當所加的應(yīng)力超過巖石的強度極限能。當所加的應(yīng)力超過巖石的強度極限(strength limit )(strength limit )（如圖（如圖 3-23-2，應(yīng)力一應(yīng)變曲線只能到，應(yīng)力一應(yīng)變曲線只能到C C點）后，巖石會突點）后，巖石會突然破壞。然破壞。 在剛性實驗機上可得到如圖在剛性實驗機上可得到如圖 3-2 3-2 所示的典型的全應(yīng)所示的典型的全應(yīng)力一應(yīng)變曲線（力一應(yīng)變曲線（complete stress-strain diagramcomplete stress-strain diagram） 。 （二）剛性試驗機下的單向壓縮的變形

24、特性（二）剛性試驗機下的單向壓縮的變形特性 普通試驗機得到峰值應(yīng)力前的變形特性，多數(shù)巖石在普通試驗機得到峰值應(yīng)力前的變形特性，多數(shù)巖石在峰值后工作。峰值后工作。注注：C C點不是破壞的點不是破壞的開始（開始點開始（開始點B B），），也不是破壞的終。也不是破壞的終。說明：崩潰原因，說明：崩潰原因，Salamon1970Salamon1970年提年提出了剛性試驗機下出了剛性試驗機下的曲線。的曲線。剛剛性性機機（1 1）剛性試驗機工作簡介）剛性試驗機工作簡介壓力機加壓（貯存彈性應(yīng)能）壓力機加壓（貯存彈性應(yīng)能）巖石試件達峰點強度（釋放巖石試件達峰點強度（釋放應(yīng)變能）導(dǎo)致試件崩潰。應(yīng)變能）導(dǎo)致試件崩潰

25、。AAOAAO2 2O O1 1面積面積峰點后，峰點后，巖塊產(chǎn)生微小位移所需的能。巖塊產(chǎn)生微小位移所需的能。ACO2O1面積面積峰點后，峰點后，剛體機釋放的能（貯存的能）。剛體機釋放的能（貯存的能）。ABOABO2 2O O1 1峰點后，峰點后，普通機釋放的能（貯存的能）普通機釋放的能（貯存的能）。（2 2）應(yīng)力、應(yīng)變?nèi)^程曲線形態(tài)）應(yīng)力、應(yīng)變?nèi)^程曲線形態(tài)在剛性機下，峰值前后的全部應(yīng)力、應(yīng)變曲線在剛性機下，峰值前后的全部應(yīng)力、應(yīng)變曲線分四個階段：分四個階段：1-31-3階段同普通試驗機。階段同普通試驗機。 4 4階段應(yīng)變軟化階段階段應(yīng)變軟化階段特點特點： 巖石的原生和新生裂隙貫穿，到達巖石的

26、原生和新生裂隙貫穿，到達D D點，靠碎塊間的摩擦點，靠碎塊間的摩擦 力承載，故力承載，故 稱為殘余應(yīng)力。稱為殘余應(yīng)力。 承載力隨著應(yīng)變增加而減少，有明顯的軟化現(xiàn)象承載力隨著應(yīng)變增加而減少，有明顯的軟化現(xiàn)象。（3 3）全應(yīng)力）全應(yīng)力應(yīng)變曲線的補充性質(zhì)應(yīng)變曲線的補充性質(zhì)近似對稱性近似對稱性 B B點后卸載有殘余應(yīng)變，重復(fù)加載沿另一曲線上點后卸載有殘余應(yīng)變，重復(fù)加載沿另一曲線上升形成滯環(huán)升形成滯環(huán)(hysteresis) (hysteresis) ，加載曲線不過原卸載，加載曲線不過原卸載點，但鄰近和原曲線光滑銜接。點，但鄰近和原曲線光滑銜接。D C C點后有殘余應(yīng)變，重復(fù)加載滯環(huán)變大，反復(fù)加點后有殘

27、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，總卸載隨著變形的增加，塑性滯環(huán)的斜率降低，總的趨勢不變。的趨勢不變。C C點后，可能會出現(xiàn)壓應(yīng)力下的體積增大現(xiàn)象，點后，可能會出現(xiàn)壓應(yīng)力下的體積增大現(xiàn)象，稱此為擴容稱此為擴容(dilatancy)(dilatancy)現(xiàn)象。一般巖的現(xiàn)象。一般巖的 =0.15-0.35=0.15-0.35， 當當 0.50.5時，就是擴容時，就是擴容. .體積應(yīng)變體積應(yīng)變 : :2/10)21 (1321e(3)(3)克服巖石試件單向壓縮時克服巖石試件單向壓縮時生產(chǎn)爆裂的途徑生產(chǎn)爆裂的途徑提高試驗機的剛度提高試驗機的剛度改變峰值后的加載方式

28、改變峰值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機附加剛性組件的試驗裝普通試驗機附加剛性組件的試驗裝置（提高試驗的剛度）置（提高試驗的剛度）1巖石試件；巖石試件；2、6電阻應(yīng)變片；電阻應(yīng)變片；3金屬圓筒；金屬圓筒；4位移計；位移計；5鋼墊塊鋼墊塊伺服試驗機原理示意圖伺服試驗機原理示意圖1.巖石試件；巖石試件；2.墊塊；墊塊；3.上壓板；上壓板；4.下壓板；下壓板；5.位移傳感器。位移傳感器。圖圖 3-8 巖石應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線巖石應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線 該曲線可分為四個階段：該曲線可分為四個階段： (1)OA(1)OA曲線曲線 載荷由零逐漸增加到載荷由零逐漸增加到A A點，點，曲線

29、呈現(xiàn)微微向上彎曲的形狀。曲線呈現(xiàn)微微向上彎曲的形狀。這是巖石試件內(nèi)部存在一定微這是巖石試件內(nèi)部存在一定微裂隙（裂隙（crack crack ） ，當載荷增加時，試件逐漸被壓密所導(dǎo)，當載荷增加時，試件逐漸被壓密所導(dǎo)致的結(jié)果。致的結(jié)果。 該段曲線凹曲程度，取決于巖石中容易被壓密的裂隙該段曲線凹曲程度，取決于巖石中容易被壓密的裂隙（crack crack ）數(shù)量，對致密巖石或在高圍壓下，這種現(xiàn)象不）數(shù)量，對致密巖石或在高圍壓下，這種現(xiàn)象不太明顯。太明顯。 (2) AB(2) AB曲線曲線 一般一般ABAB線段呈近似直線，線段呈近似直線，其斜率稱為彈性模量其斜率稱為彈性模量E E。加載。加載是在點以下

30、是在點以下OBOB區(qū)間內(nèi)時，區(qū)間內(nèi)時，若卸去載荷，則變形完全可恢復(fù)，沒有永久變形，所以若卸去載荷，則變形完全可恢復(fù)，沒有永久變形，所以O(shè)BOB區(qū)間為彈性變形階段。曲線上區(qū)間為彈性變形階段。曲線上B B點是產(chǎn)生彈性變形的應(yīng)力極點是產(chǎn)生彈性變形的應(yīng)力極限值，稱為彈性極限限值，稱為彈性極限(elastic limit )(elastic limit )。 事實上大多數(shù)巖石即使產(chǎn)生很小應(yīng)變時，當卸完載荷事實上大多數(shù)巖石即使產(chǎn)生很小應(yīng)變時，當卸完載荷后，總會或多或少地保留部分永久應(yīng)變，這是由于被壓密后，總會或多或少地保留部分永久應(yīng)變，這是由于被壓密的微裂隙（的微裂隙（crack crack ）不可能完全

31、恢復(fù)所導(dǎo)致的結(jié)果。）不可能完全恢復(fù)所導(dǎo)致的結(jié)果。 (3) BC(3) BC曲線曲線 當載荷繼續(xù)增加超過當載荷繼續(xù)增加超過B B點點后，該曲線呈向下彎曲形狀，后，該曲線呈向下彎曲形狀，這說明應(yīng)力增加不大，而應(yīng)這說明應(yīng)力增加不大，而應(yīng)變增加很多。變增加很多。 在超過在超過 B B 點的曲線上任一點（例如點的曲線上任一點（例如E E點）卸載，應(yīng)力一點）卸載，應(yīng)力一應(yīng)變曲線將沿應(yīng)變曲線將沿EO1 EO1 路徑下降，直到完全卸載下降到與橫坐標路徑下降，直到完全卸載下降到與橫坐標軸相交點軸相交點O O1 1，這表示巖石試件內(nèi)應(yīng)力完全消失，但應(yīng)變卻不，這表示巖石試件內(nèi)應(yīng)力完全消失，但應(yīng)變卻不能完全恢復(fù)，仍保

32、留的一部分應(yīng)變能完全恢復(fù)，仍保留的一部分應(yīng)變OOOO1 1稱為塑性應(yīng)變或永久稱為塑性應(yīng)變或永久應(yīng)變（應(yīng)變（permanent strain permanent strain ），已恢復(fù)的應(yīng)變稱為彈性應(yīng)變），已恢復(fù)的應(yīng)變稱為彈性應(yīng)變(elastic strain )(elastic strain )。 在巖石力學(xué)中將在巖石力學(xué)中將B B點點的應(yīng)力稱為屈服應(yīng)力的應(yīng)力稱為屈服應(yīng)力(yield stress)(yield stress)。卸。卸載后再重新加載，則沿載后再重新加載，則沿曲線曲線O O1 1R R上升到與原曲線上升到與原曲線BCBC相聯(lián)結(jié)，這樣造成了一個滯回相聯(lián)結(jié)，這樣造成了一個滯回環(huán)，在

33、環(huán)，在R R點以后隨著載荷繼續(xù)增加仍沿曲線上升到該點以后隨著載荷繼續(xù)增加仍沿曲線上升到該曲線最高點曲線最高點C C。如果在。如果在R R點以后再卸載又會出現(xiàn)新的塑性應(yīng)點以后再卸載又會出現(xiàn)新的塑性應(yīng)變，它似乎把彈性極限從變，它似乎把彈性極限從B B點提高到點提高到R R點，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)點，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變硬化（變硬化（strain hardening strain hardening ）。）。 應(yīng)力應(yīng)變曲線最高點應(yīng)力應(yīng)變曲線最高點C的應(yīng)力值稱為抗壓強度的應(yīng)力值稱為抗壓強度（compressive strength compressive strength ）它表示巖石在這種條件下所它表示巖石在

34、這種條件下所能承受的最大壓應(yīng)力。能承受的最大壓應(yīng)力。 對一般巖石，抗壓強度約為彈性極限的對一般巖石，抗壓強度約為彈性極限的1.53倍。倍。 從從B點開始，在點開始，在BC線段范圍內(nèi)，巖石試件不斷產(chǎn)線段范圍內(nèi)，巖石試件不斷產(chǎn)生微破裂以及在粒內(nèi)或粒間產(chǎn)生滑移，這就是巖石破生微破裂以及在粒內(nèi)或粒間產(chǎn)生滑移，這就是巖石破壞前所具有的明顯非彈性變形，這種現(xiàn)象稱為擴容壞前所具有的明顯非彈性變形，這種現(xiàn)象稱為擴容（dilationdilation ）。由于達到點時微破裂的數(shù)量和擴展）。由于達到點時微破裂的數(shù)量和擴展長度集聚增加，巖石具有顯著的非彈性體積膨脹，直長度集聚增加，巖石具有顯著的非彈性體積膨脹，直到

35、到C點有明顯的破裂面形成。點有明顯的破裂面形成。（四）巖石的體積應(yīng)變特性（四）巖石的體積應(yīng)變特性擴容現(xiàn)象：擴容現(xiàn)象：巖石在壓力下，巖石在壓力下，發(fā)生非線性體積膨脹。發(fā)生非線性體積膨脹。321VVV (4) (4) 曲線曲線 巖石試件在剛性壓力機巖石試件在剛性壓力機作用下，應(yīng)力應(yīng)變曲線達到作用下，應(yīng)力應(yīng)變曲線達到C C點，已有宏觀破裂面形成，點，已有宏觀破裂面形成，但尚未完全破裂成幾塊，巖但尚未完全破裂成幾塊，巖石內(nèi)部尚有部分聯(lián)結(jié)，仍能承受一部分載荷，但其承載石內(nèi)部尚有部分聯(lián)結(jié)，仍能承受一部分載荷，但其承載能力越來越小。能力越來越小。 從從C C點開始曲線逐漸下降。點開始曲線逐漸下降。 若在若在

36、CDCD曲線上任一曲線上任一點點G G 及時卸載，則沿著及時卸載，則沿著GKGK曲線下降，直到完全曲線下降，直到完全卸載，達到點卸載，達到點K K處，表處，表示巖石產(chǎn)生較大的永久應(yīng)變示巖石產(chǎn)生較大的永久應(yīng)變OKOK。 若再加載，則曲線又會沿若再加載，則曲線又會沿KHKH線上升，直到點與線上升，直到點與CDCD曲曲線相聯(lián)結(jié)，但線相聯(lián)結(jié)，但H H點的應(yīng)力低于點的應(yīng)力低于G G點應(yīng)力。這與在曲線點應(yīng)力。這與在曲線BCBC線段線段中卸載后再加載的情況完全不同，前者卸載后再加載應(yīng)力中卸載后再加載的情況完全不同，前者卸載后再加載應(yīng)力值上升，后者應(yīng)力值下降，這說明值上升，后者應(yīng)力值下降，這說明CDCD線段巖

37、石的強度不斷線段巖石的強度不斷下降，直到下降，直到CDCD線段上某一點，由于破裂面上內(nèi)聚力完全喪線段上某一點，由于破裂面上內(nèi)聚力完全喪失，則巖石試件破裂成幾塊。失，則巖石試件破裂成幾塊。 巖石達到應(yīng)力峰值巖石達到應(yīng)力峰值（peak stress peak stress ）以后）以后的特征可分為兩種類型：的特征可分為兩種類型： 一類稱為穩(wěn)定破裂一類稱為穩(wěn)定破裂傳播型，特點是：當載傳播型，特點是：當載荷超過巖石試件承載能力的峰值后，試件中所儲存的應(yīng)變荷超過巖石試件承載能力的峰值后，試件中所儲存的應(yīng)變能，還不足以使破裂繼續(xù)擴展能，還不足以使破裂繼續(xù)擴展 ； 另一類稱為非穩(wěn)定破裂傳播型，特點是：當載荷

38、超過另一類稱為非穩(wěn)定破裂傳播型，特點是：當載荷超過巖石試件承載能力的峰值后，盡管試驗機不再對巖石試件巖石試件承載能力的峰值后，盡管試驗機不再對巖石試件做功，而巖石試件中儲存的應(yīng)變能足以使破裂繼續(xù)擴展，做功，而巖石試件中儲存的應(yīng)變能足以使破裂繼續(xù)擴展，最后導(dǎo)致試件破壞。最后導(dǎo)致試件破壞。 綜上所述，巖石試件在載荷的作用下，試件內(nèi)部首先綜上所述，巖石試件在載荷的作用下，試件內(nèi)部首先產(chǎn)生微裂隙壓密變形，當載荷逐漸增加，達到屈服極限產(chǎn)生微裂隙壓密變形，當載荷逐漸增加，達到屈服極限(yield limit )(yield limit )時，就開始產(chǎn)生微破裂（有微破裂面），時，就開始產(chǎn)生微破裂（有微破裂面

39、），隨后微破裂逐漸擴展。當達到破壞強度時，宏觀破裂面已隨后微破裂逐漸擴展。當達到破壞強度時，宏觀破裂面已逐漸形成，最后導(dǎo)致試件完全破裂成幾塊。逐漸形成，最后導(dǎo)致試件完全破裂成幾塊。 因此，變形、破裂是相互依存的兩個不同發(fā)展過程，因此，變形、破裂是相互依存的兩個不同發(fā)展過程，在變形達到一定階段，既包含著破裂的因素，而破壞階段在變形達到一定階段，既包含著破裂的因素，而破壞階段的到來也是變形不斷發(fā)展的結(jié)果，所以，破壞實質(zhì)上是破的到來也是變形不斷發(fā)展的結(jié)果，所以，破壞實質(zhì)上是破裂從量變到質(zhì)變的一個過程。裂從量變到質(zhì)變的一個過程。 一、圍壓一、圍壓(confining pressure )(confin

40、ing pressure )下的巖石下的巖石 巖石在常溫常壓下一般產(chǎn)生脆性破壞巖石在常溫常壓下一般產(chǎn)生脆性破壞(brittle (brittle failure)failure)，但深埋地下的巖石卻表現(xiàn)為明顯的延性，但深埋地下的巖石卻表現(xiàn)為明顯的延性(ductility )(ductility )巖石這一性質(zhì)的變化是由于所處物理環(huán)境巖石這一性質(zhì)的變化是由于所處物理環(huán)境的改變造成的。的改變造成的。 所謂脆性與延性至今尚無十分明確的定義，一般所謂所謂脆性與延性至今尚無十分明確的定義，一般所謂脆性破壞脆性破壞(brittle failure)(brittle failure)是指由彈性變形發(fā)生急劇破

41、壞，是指由彈性變形發(fā)生急劇破壞，破壞后塑性變形破壞后塑性變形(plasticity deformation)(plasticity deformation)較小。較小。 第二節(jié)第二節(jié) 圍壓對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響圍壓對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響巖石破壞的外觀巖石破壞的外觀 延性延性(ductility )(ductility )是指彈性變形之后產(chǎn)生較大的塑性是指彈性變形之后產(chǎn)生較大的塑性變形而導(dǎo)致破壞，或直接發(fā)展為延性流動。變形而導(dǎo)致破壞，或直接發(fā)展為延性流動。 所謂延性流動是指有大量的永久變形而不至于破壞的所謂延性流動是指有大量的永久變形而不至于破壞的性質(zhì)。對于巖石而言，破壞前永久應(yīng)變在性質(zhì)。對于巖石而

42、言，破壞前永久應(yīng)變在3 3以下可作為以下可作為脆性破壞，脆性破壞，5 5以上作為延性破壞，以上作為延性破壞，3-53-5為過渡情況。為過渡情況。 二、圍壓下巖石力學(xué)性質(zhì)的實驗二、圍壓下巖石力學(xué)性質(zhì)的實驗 巖石在地下一般處于三向應(yīng)力狀態(tài)，為了模擬這種狀巖石在地下一般處于三向應(yīng)力狀態(tài)，為了模擬這種狀態(tài)下的力學(xué)性質(zhì)，一般在室內(nèi)進行巖石三軸應(yīng)力實驗態(tài)下的力學(xué)性質(zhì)，一般在室內(nèi)進行巖石三軸應(yīng)力實驗(triaxial test )(triaxial test )。 三軸應(yīng)力實驗可分為常規(guī)三軸應(yīng)力實驗（三軸應(yīng)力實驗可分為常規(guī)三軸應(yīng)力實驗（1 12 2=3 3）及真）及真三軸應(yīng)力實驗（三軸應(yīng)力實驗（1 12 2

43、3 3) )兩種。兩種。 目前大多數(shù)三軸應(yīng)力實驗實驗屬于常規(guī)三軸應(yīng)力實驗。目前大多數(shù)三軸應(yīng)力實驗實驗屬于常規(guī)三軸應(yīng)力實驗。 常規(guī)三軸應(yīng)力實驗，通常將一定尺寸圓柱形巖心試件用橡皮常規(guī)三軸應(yīng)力實驗，通常將一定尺寸圓柱形巖心試件用橡皮套或金屬箔包好，放置在三軸壓力機的高壓釜內(nèi)，四周通過液體套或金屬箔包好，放置在三軸壓力機的高壓釜內(nèi)，四周通過液體或氣體加載，由活塞施加軸向載荷進行實驗?；驓怏w加載，由活塞施加軸向載荷進行實驗。 采用差應(yīng)力（采用差應(yīng)力（differential stress differential stress ） 1 1 - - 3 3 為直角坐為直角坐標系的縱軸，以軸向應(yīng)變（標系的

44、縱軸，以軸向應(yīng)變（ axial strainaxial strain）為橫軸，繪制出為橫軸，繪制出應(yīng)力一應(yīng)變曲線應(yīng)力一應(yīng)變曲線(stress-strain diagram)(stress-strain diagram)。 在圍壓下巖石力學(xué)性質(zhì)的實驗，首先是德國在圍壓下巖石力學(xué)性質(zhì)的實驗，首先是德國V.Karman(1912)V.Karman(1912)完成的。他所采用的常規(guī)三軸應(yīng)力實驗方法，當前依然被廣泛應(yīng)完成的。他所采用的常規(guī)三軸應(yīng)力實驗方法，當前依然被廣泛應(yīng)用。用。 圖圖 3-9 3-9 為為CarraraCarrara大理石，圖大理石，圖 3-10 3-10 為克朗波特石灰為克朗波特石灰

45、巖，圖巖，圖 3-113-11為白云巖，三種巖石在不同圍壓下的應(yīng)力一應(yīng)為白云巖，三種巖石在不同圍壓下的應(yīng)力一應(yīng)變曲線。變曲線。圖圖 3-9 3-9 為為CarraraCarrara大理石大理石圖圖 3-10 3-10 為克朗波特石灰?guī)r為克朗波特石灰?guī)r圖圖 3-11 （a） 白云巖在圍壓下應(yīng)力白云巖在圍壓下應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 （b）破壞前永久應(yīng)變和圍壓關(guān)系）破壞前永久應(yīng)變和圍壓關(guān)系 1 1、圍壓下巖石的脆性與延性變化、圍壓下巖石的脆性與延性變化 實驗結(jié)果表明：隨著圍壓的增加，巖石逐漸從脆性轉(zhuǎn)化實驗結(jié)果表明：隨著圍壓的增加，巖石逐漸從脆性轉(zhuǎn)化為延性。為延性。 CarraraCarrara大理巖在

46、圍壓為零或較低情況下，巖石呈現(xiàn)出大理巖在圍壓為零或較低情況下，巖石呈現(xiàn)出脆性狀態(tài)；圍壓增加到脆性狀態(tài)；圍壓增加到50MPa50MPa時，大理石顯示出由脆性轉(zhuǎn)化時，大理石顯示出由脆性轉(zhuǎn)化為延性的過渡狀態(tài)；圍壓增加到為延性的過渡狀態(tài)；圍壓增加到68. 5MPa68. 5MPa時，則大理巖呈現(xiàn)時，則大理巖呈現(xiàn)出延性流動。這充分表明圍壓增大是脆性轉(zhuǎn)化為延性的條件出延性流動。這充分表明圍壓增大是脆性轉(zhuǎn)化為延性的條件之一。之一。 但隨著巖石類型的不同，脆性轉(zhuǎn)化為延性的圍壓值也各但隨著巖石類型的不同，脆性轉(zhuǎn)化為延性的圍壓值也各不相同。例如不相同。例如CarraraCarrara大理巖達到延性流動圍壓為大理巖

47、達到延性流動圍壓為68.5MPa68.5MPa（圖（圖3-3)3-3)，而白云巖約為，而白云巖約為145MPa145MPa（圖（圖3-5)3-5)。 2 2、圍壓下巖石的殘余強度、圍壓下巖石的殘余強度(residual strength)(residual strength) 圍 壓 還 影 響 著 巖 石 的 殘 余 強 度圍 壓 還 影 響 著 巖 石 的 殘 余 強 度 ( r e s i d u a l ( r e s i d u a l strength) strength) 。 從圖從圖3-93-9，3-103-10，3-113-11可以看出：若圍壓為零或很低可以看出：若圍壓為零或

48、很低時，應(yīng)力值達到峰值后，其曲線迅速下降為零，說明巖石時，應(yīng)力值達到峰值后，其曲線迅速下降為零，說明巖石在這種條件下不存在殘余強度。但隨著圍壓加大，巖石的在這種條件下不存在殘余強度。但隨著圍壓加大，巖石的殘余強度逐漸增加，直到產(chǎn)生延性流動。殘余強度逐漸增加，直到產(chǎn)生延性流動。 3 3、圍壓下的巖石強度、圍壓下的巖石強度 巖石強度及破壞前應(yīng)變均隨著圍壓的增加而增加。巖石強度及破壞前應(yīng)變均隨著圍壓的增加而增加。 例如白云巖，當圍壓由零增加到例如白云巖，當圍壓由零增加到145MPa145MPa時（圖時（圖3-113-11），），其強度（其強度（1 1 - - 3 3）maxmax幾乎增加一倍以上，而

49、圍壓為幾乎增加一倍以上，而圍壓為200MPa200MPa時，其強度進一步增大，但強度增大并不與圍壓成時，其強度進一步增大，但強度增大并不與圍壓成正比關(guān)系。正比關(guān)系。 4、圍壓下巖石的應(yīng)變情況、圍壓下巖石的應(yīng)變情況 大理巖破壞前應(yīng)變隨著圍壓的增大而增大，當圍壓為大理巖破壞前應(yīng)變隨著圍壓的增大而增大，當圍壓為零時破壞前應(yīng)變約為零時破壞前應(yīng)變約為0.3，圍壓增大到，圍壓增大到68. 5MPa時應(yīng)變時應(yīng)變約為約為7；當圍壓增大到；當圍壓增大到165MPa時破壞前應(yīng)變達到時破壞前應(yīng)變達到9% 。 大多數(shù)巖石隨著圍壓的增加大多數(shù)巖石隨著圍壓的增加其破壞前應(yīng)變可達其破壞前應(yīng)變可達1010以上。以上。 白云巖

50、圍壓與破壞前應(yīng)變之白云巖圍壓與破壞前應(yīng)變之間幾乎成直線關(guān)系（如圖間幾乎成直線關(guān)系（如圖3-3-11b11b）。但并非所有巖石圍壓與）。但并非所有巖石圍壓與破壞前應(yīng)變均成線性關(guān)系。破壞前應(yīng)變均成線性關(guān)系。 圖圖 3-12 3-12 為幾種巖石圍壓與為幾種巖石圍壓與破壞前應(yīng)變之間的關(guān)系曲線。由破壞前應(yīng)變之間的關(guān)系曲線。由圖可見隨著巖石類型的不同，即圖可見隨著巖石類型的不同，即使在同一圍壓下，破壞前應(yīng)變也使在同一圍壓下，破壞前應(yīng)變也有所不同。有所不同。 斷裂前應(yīng)變斷裂前應(yīng)變)10(5kpa圍壓圍壓圖圖 3-12 圍壓與破壞前應(yīng)變的關(guān)系曲圍壓與破壞前應(yīng)變的關(guān)系曲線線 一頁巖一頁巖一砂巖一砂巖一石灰?guī)r一

51、石灰?guī)r一一硬石膏硬石膏一白云巖一白云巖一石英巖一石英巖一一板巖板巖 日本學(xué)者茂木清夫?qū)鷫合聨r石的力學(xué)性質(zhì)分成日本學(xué)者茂木清夫?qū)鷫合聨r石的力學(xué)性質(zhì)分成A A類類巖石（主要指碳酸鹽類巖石）及巖石（主要指碳酸鹽類巖石）及B B類巖石（主要指硅酸鹽類巖石（主要指硅酸鹽類巖石）兩大類如圖類巖石）兩大類如圖 3-13 3-13 所示。所示。 圖圖 3-13 A類巖石（類巖石（a ）及）及B類類(b)在圍壓下在圍壓下的應(yīng)力一應(yīng)變曲線的應(yīng)力一應(yīng)變曲線 A A類巖石其圍壓對屈服應(yīng)力的影響相對較小，即圍壓增大類巖石其圍壓對屈服應(yīng)力的影響相對較小，即圍壓增大時屈服應(yīng)力相對增加不大，但其破壞前的應(yīng)變隨著圍壓增大時

52、屈服應(yīng)力相對增加不大，但其破壞前的應(yīng)變隨著圍壓增大而單調(diào)地增加，即在常溫下碳酸鹽類巖石容易由脆性過渡到而單調(diào)地增加，即在常溫下碳酸鹽類巖石容易由脆性過渡到延性。延性。 B B類巖石其圍壓對強度影響較大，隨著圍壓增加而增大，類巖石其圍壓對強度影響較大，隨著圍壓增加而增大，但在常溫下，由脆性向延性過渡往往需要增加較高的圍壓，但在常溫下，由脆性向延性過渡往往需要增加較高的圍壓，除非提高溫度。有些硅酸鹽類巖石在圍壓增加到幾百除非提高溫度。有些硅酸鹽類巖石在圍壓增加到幾百MPaMPa時，時，仍處于脆性狀態(tài)。例如玄武巖、花崗巖在室溫下達到仍處于脆性狀態(tài)。例如玄武巖、花崗巖在室溫下達到1000MPa1000

53、MPa左右才能由脆性轉(zhuǎn)化為延性；一般巖石大致在左右才能由脆性轉(zhuǎn)化為延性；一般巖石大致在1200MPa1200MPa左右才左右才能轉(zhuǎn)化為延性；石英巖甚至在能轉(zhuǎn)化為延性；石英巖甚至在2000MPa2000MPa時，仍為脆性。時，仍為脆性。 5 5、圍壓對巖石彈性參數(shù)的影響、圍壓對巖石彈性參數(shù)的影響 圍壓對巖石的彈性模量的影響一般可分兩種情況：圍壓對巖石的彈性模量的影響一般可分兩種情況：對堅硬低孔隙的巖石影響較小，而對軟弱高孔隙的巖石對堅硬低孔隙的巖石影響較小，而對軟弱高孔隙的巖石影響較大。影響較大。 Hoffmanns (1958 )Hoffmanns (1958 )對砂巖進行實驗結(jié)果表明：隨對砂

54、巖進行實驗結(jié)果表明：隨著圍壓增加，彈性模量可提高著圍壓增加，彈性模量可提高2020，接近破壞時則下降，接近破壞時則下降2020-40-40。 總的來說，隨著圍壓增加，巖石的彈性模量及泊松總的來說，隨著圍壓增加，巖石的彈性模量及泊松系數(shù)等都有一定程度的提高。系數(shù)等都有一定程度的提高。 地殼中隨著深度的增加，地下溫度逐漸升高。地殼中隨著深度的增加，地下溫度逐漸升高。 據(jù)地下?lián)叵碌V產(chǎn)開發(fā)和鉆探工程的實踐表明：地表以下溫度梯度隨著礦產(chǎn)開發(fā)和鉆探工程的實踐表明：地表以下溫度梯度隨著地區(qū)不同而不同，一般約為地區(qū)不同而不同，一般約為20302030KmKm，在亞洲大陸地溫，在亞洲大陸地溫梯度平均約為梯度平

55、均約為25/Km25/Km，區(qū)域變質(zhì)地區(qū)可達，區(qū)域變質(zhì)地區(qū)可達40804080KmKm。若按這些數(shù)字估計，在地下幾千米深處，溫度可達若按這些數(shù)字估計，在地下幾千米深處，溫度可達100100以以上，這會使巖石力學(xué)性質(zhì)與常溫常壓下相比有明顯差別。上，這會使巖石力學(xué)性質(zhì)與常溫常壓下相比有明顯差別。 第三節(jié)第三節(jié) 溫度對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響溫度對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響 一、溫度對巖石強度的影響一、溫度對巖石強度的影響 實驗表明：巖石在一定圍壓下，隨著溫度的升高，實驗表明：巖石在一定圍壓下，隨著溫度的升高，無論是拉伸或壓縮，其屈服應(yīng)力與強度均要降低，其影無論是拉伸或壓縮，其屈服應(yīng)力與強度均要降低，其影響程度隨

56、著巖石種類及受力狀態(tài)的不同而各異。響程度隨著巖石種類及受力狀態(tài)的不同而各異。 下圖下圖( (圖圖 3-14) 3-14) 為大理巖、花崗巖、輝長巖在圍壓為大理巖、花崗巖、輝長巖在圍壓500MPa500MPa條件下，溫度變化時，拉伸與壓縮的應(yīng)力一應(yīng)變條件下，溫度變化時，拉伸與壓縮的應(yīng)力一應(yīng)變曲線。曲線。 從實驗結(jié)果可以看出，在室溫從實驗結(jié)果可以看出，在室溫(25)(25)下，其屈服應(yīng)下，其屈服應(yīng)力與強度較高，隨著溫度升高，屈服應(yīng)力與強度下降。力與強度較高，隨著溫度升高，屈服應(yīng)力與強度下降。 圖圖 3-14 巖石在圍壓下溫度變化時應(yīng)力一應(yīng)變曲線巖石在圍壓下溫度變化時應(yīng)力一應(yīng)變曲線 (a）一應(yīng)變率為

57、）一應(yīng)變率為0.03；(b)一應(yīng)變率一應(yīng)變率0. 02yull大理巖；大理巖； (c)一花崗巖壓縮；一花崗巖壓縮； (d)一輝長巖壓縮一輝長巖壓縮 例如花崗巖在圍壓為例如花崗巖在圍壓為500MPa 500MPa ，室溫為，室溫為2525時，強度可達到時，強度可達到2000MPa 2000MPa ；但溫度升高到但溫度升高到800800時，強度下降為時，強度下降為600MPa600MPa左右，約為室溫左右，約為室溫(25)(25)下強度下強度的的1/31/3左右。左右。 二、溫度對巖石的脆性與延性的影響二、溫度對巖石的脆性與延性的影響 在一定圍壓條件下，隨著溫度的升高，巖石由脆性向在一定圍壓條件下

58、，隨著溫度的升高，巖石由脆性向延性轉(zhuǎn)化。延性轉(zhuǎn)化。 溫度升高產(chǎn)生延性的原因是：由于巖石內(nèi)部分子的熱溫度升高產(chǎn)生延性的原因是：由于巖石內(nèi)部分子的熱運動增強，削弱了它們之間的內(nèi)聚力，使晶粒面容易產(chǎn)生運動增強，削弱了它們之間的內(nèi)聚力，使晶粒面容易產(chǎn)生滑移。滑移。 如圖如圖 3-143-14所示（上頁）：在室溫所示（上頁）：在室溫(25)(25)下，其屈服應(yīng)下，其屈服應(yīng)力與強度較高，隨著溫度升高，屈服應(yīng)力與強度下降，并力與強度較高，隨著溫度升高，屈服應(yīng)力與強度下降，并且逐漸轉(zhuǎn)化為延性。且逐漸轉(zhuǎn)化為延性。 例如花崗巖：在圍壓為例如花崗巖：在圍壓為500MPa 500MPa ，室溫為，室溫為2525時，強

59、度時，強度可達到可達到2000MPa 2000MPa ，且出現(xiàn)脆性破壞；但溫度升高到，且出現(xiàn)脆性破壞；但溫度升高到800800，強度下降，出現(xiàn)延性流動。因此一定圍壓下溫度是由脆性強度下降，出現(xiàn)延性流動。因此一定圍壓下溫度是由脆性轉(zhuǎn)化為延性的主要因素。轉(zhuǎn)化為延性的主要因素。 圖圖3-153-15為索倫霍芬石灰?guī)r在圍壓為為索倫霍芬石灰?guī)r在圍壓為300MPa300MPa下，溫度變下，溫度變化時拉伸及壓縮的應(yīng)力一應(yīng)變曲線。這些結(jié)果不僅說明了化時拉伸及壓縮的應(yīng)力一應(yīng)變曲線。這些結(jié)果不僅說明了溫度對強度、屈服應(yīng)力及脆性轉(zhuǎn)化為延性的影響，而且還溫度對強度、屈服應(yīng)力及脆性轉(zhuǎn)化為延性的影響，而且還說明了不同類型

60、的巖石其影響程度不同。即使同一種巖石，說明了不同類型的巖石其影響程度不同。即使同一種巖石，在同一圍壓下拉伸時脆性轉(zhuǎn)化到延性所需溫度遠遠高于壓在同一圍壓下拉伸時脆性轉(zhuǎn)化到延性所需溫度遠遠高于壓縮時，且壓縮的強度遠遠大于拉伸?？s時，且壓縮的強度遠遠大于拉伸。 圖圖315 圍壓為圍壓為300Mpa（a）索倫霍芬灰?guī)r（）索倫霍芬灰?guī)r（b）白云巖）白云巖在拉伸或壓縮下隨溫度變化的應(yīng)力一應(yīng)變曲線在拉伸或壓縮下隨溫度變化的應(yīng)力一應(yīng)變曲線 （據(jù)（據(jù)Spencer.1981） 由于拉伸與壓縮的加載性質(zhì)不同，因此，由脆性轉(zhuǎn)化由于拉伸與壓縮的加載性質(zhì)不同，因此，由脆性轉(zhuǎn)化為延性的界限亦各不相同。拉伸時脆性轉(zhuǎn)化為延性