巖石力學(xué)講義巖石變形特征

1、關(guān)于巖石力學(xué)講義巖石的變形特征第一張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 概述第二節(jié) 單軸壓縮下的巖石變形特征第三節(jié) 三軸壓縮下的巖石變形特征第四節(jié) 巖石的流變特性主 要 內(nèi) 容第二張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 概述巖石變形的概念巖石的變形: 是指巖石在任何物理因素作用下形狀和大小的變化。工程最常研究的是由于力的影響所產(chǎn)生的變形。壩建在多種巖石組成的巖基上，這些巖石的變形性質(zhì)不同，則由于基巖的不均勻變位可以使壩體的剪應(yīng)力和主拉應(yīng)力增長(zhǎng)，造成開(kāi)裂錯(cuò)位等不良后果。如果巖基中巖石的變形性質(zhì)已知并且在巖基內(nèi)這此性質(zhì)的變化也已確定，那么在壩施工中可以采取必要措施防止不均勻變

2、形。巖石變形對(duì)工程的影響第三張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月按照巖石的應(yīng)力-應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系，可將其力學(xué)屬性劃分為彈性、塑性和粘性。彈性塑性粘性1.材料的變形性質(zhì)第四張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月彈性：一定的應(yīng)力范圍內(nèi)，物體受外力作用產(chǎn)生變形，而去除外力后能夠立即恢復(fù)其原有的形狀和尺寸大小的性質(zhì)。產(chǎn)生的變形稱為彈性變形彈性按其應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系又可分為兩種類(lèi)型具有彈性性質(zhì)的物體稱為彈性介質(zhì)應(yīng)力和應(yīng)變呈直線關(guān)系即線彈性（虎克型彈性、理想彈性）應(yīng)力應(yīng)變呈非直線的非線性彈性彈性變形的概念第五張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月塑性：物體受力后產(chǎn)生變形，在外力去除后不能完全恢復(fù)原

3、狀的性質(zhì)。塑性變形的概念 不能恢復(fù)的那部分變形稱為塑性變形，或稱永久變形、殘余變形。 當(dāng)物體既有彈性變形又有塑性變形，且具有明顯的彈性后效時(shí)，彈性變形和塑性變形就難以區(qū)別了。 在外力作用下只發(fā)生塑性變形，或在一定的應(yīng)力范圍內(nèi)只發(fā)生塑性變形的物體，稱為塑性介質(zhì)。第六張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月粘性(viscosity) ：物體受力后變形不能在瞬時(shí)完成，且應(yīng)變速率隨應(yīng)力增加而增加的性質(zhì)，稱為粘性。應(yīng)變速率隨應(yīng)力變化的變形稱為流動(dòng)變形。粘性與流變流變(rheology )：材料的應(yīng)力、應(yīng)變隨時(shí)間變化而變化的現(xiàn)象。 第七張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 巖石的變形特性常用彈性模

4、量E和泊松比兩個(gè)常數(shù)來(lái)表示。 如果把巖石當(dāng)作彈性體，用E、來(lái)描述巖石的變形特性是足夠的。 但實(shí)際情況說(shuō)明，僅僅用這些彈性常數(shù)來(lái)表征巖石的變形性質(zhì)是不夠的，因?yàn)樵S多巖石的變形是非彈性的，即荷載卸去后巖石變形并不能夠完全恢復(fù)。特別是在現(xiàn)場(chǎng)條件下巖石有裂隙、破碎層理巖，粘土夾層等，大多數(shù)巖體不是完全彈性的，對(duì)于這類(lèi)巖石為了表征巖石的總的變形，常用變形模量E0和側(cè)脹系數(shù)0 。巖石變形的表示方法第八張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2. 巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)tpttpp第九張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第二節(jié) 單軸壓縮條件下的巖塊變形1.單軸抗壓試驗(yàn)2.連續(xù)加荷方式單軸壓縮條件下的巖塊變形

5、1)變形階段的劃分 2)變形參數(shù)3)峰值前的變形機(jī)理 4)峰值后變形階段3.循環(huán)加載方式單軸壓縮條件下的巖塊變形 第十張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1. 單軸抗壓實(shí)驗(yàn)第十一張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月單軸實(shí)驗(yàn)下巖石的變形第十二張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2.連續(xù)加荷方式單軸壓縮條件下的巖塊變形o典型的巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線：第十三張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月oA空隙閉合應(yīng)力：?jiǎn)屋S壓縮狀態(tài)下使巖石中的空隙閉合的最下應(yīng)力。1)變形階段的劃分幾個(gè)概念 第十四張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月oAB比例彈性極限或彈性極限：應(yīng)力-應(yīng)變曲線保持直線

6、關(guān)系的極限應(yīng)力1)變形階段的劃分幾個(gè)概念 第十五張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月oABC屈服應(yīng)力：?jiǎn)屋S壓縮狀態(tài)下巖石出現(xiàn)塑性變形的極限應(yīng)力1)變形階段的劃分幾個(gè)概念 第十六張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月oABC擴(kuò)容：壓縮應(yīng)力下巖石體積出現(xiàn)膨脹的現(xiàn)象稱為巖石擴(kuò)容.1)變形階段的劃分幾個(gè)概念 第十七張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月oABCDE峰值強(qiáng)度：?jiǎn)屋S壓縮下巖石所能承受的最大應(yīng)力稱為峰值強(qiáng)度。峰前峰后1)變形階段的劃分幾個(gè)概念 第十八張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 空隙壓密階段(OA) 彈性變形階段(AB) 微裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段(BC) 微裂隙非穩(wěn)定發(fā)

7、展階段(CD) 破壞后階段(DE) oABCDE峰前峰后1)變形階段的劃分五個(gè)階段第十九張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2)變形參數(shù)變形模量（modulus of deformation)是指單軸壓縮條件下，軸向壓應(yīng)力與軸向應(yīng)變之比。應(yīng)力-應(yīng)變曲線為直線型，這時(shí)變形模量又稱為彈性模量。oLii第二十張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2)變形參數(shù): 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系不成直線巖石的變形特征可以用以下幾種模量說(shuō)明：0M 初始模量：曲線原點(diǎn)處切線斜率 切線模量：曲線上任一點(diǎn)處切線的斜率 割線模量：曲線上某點(diǎn)與原點(diǎn)連線的斜率第二十一張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2)變形參數(shù)變

8、形參數(shù)的一般確定方法: 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 Lo2501i1502i彈性模量：彈性段的斜率割線模量：極限強(qiáng)度50%所對(duì)應(yīng)點(diǎn)的斜率初始模量：初始段應(yīng)力-應(yīng)變曲線的切線的斜率第二十二張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月變形參數(shù)測(cè)定的動(dòng)力法 設(shè)巖石為均質(zhì)、各向同性、彈性體，則彈性波在巖體介質(zhì)中傳播的縱波速度和橫波速度可以用下列公式表示：縱波速度：橫波速度：第二十三張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月變形參數(shù)測(cè)定的動(dòng)力法 根據(jù)上述兩個(gè)式子可以推導(dǎo)得出由縱橫波速度表示的動(dòng)態(tài)彈性模量和泊松比：與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)得的靜態(tài)彈性模量和靜態(tài)泊松比相比：第二十四張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3)峰值前的

9、變形機(jī)理米勒(Miller)根據(jù)巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨著巖石的性質(zhì)有各種不同形式的特點(diǎn)，采用28種巖石進(jìn)行了大量的單軸試驗(yàn)后，將巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分成6種類(lèi)型第二十五張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月彈性關(guān)系彈-塑性塑-彈性塑-彈-塑性彈-塑-蠕變性塑-彈-塑性第二十六張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3)峰值前的變形機(jī)理類(lèi)型：彈性關(guān)系是一直線或者近似直線，直到試樣發(fā)生突然破壞為止。典型巖石：玄武巖、石英巖、白云巖以及極堅(jiān)固的石灰?guī)r。類(lèi)型：彈-塑性在應(yīng)力較低時(shí)，近似于直線；應(yīng)力增加到一定數(shù)值后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線向下彎曲變化，且隨著應(yīng)力逐漸增加，曲線斜率也愈來(lái)愈小，直至破壞。典型

10、巖石：石灰?guī)r、泥巖、凝灰?guī)r。第二十七張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3)峰值前的變形機(jī)理類(lèi)型：塑-彈性應(yīng)力較低時(shí)，曲線略向上彎，應(yīng)力增加到一定數(shù)值逐漸變?yōu)橹本€，直至試樣破壞。典型巖石：花崗巖、片理平行于壓力方向的片巖以及某些輝綠巖。類(lèi)型：塑-彈-塑性壓力較低時(shí)，曲線向上彎曲；壓力增加到一定值后，曲線就成為直線；最后，曲線向下彎曲；曲線似S形。典型巖石：大理巖、片麻巖。第二十八張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3)峰值前的變形機(jī)理類(lèi)型：基本上與相同，也呈S形。曲線的斜率較平緩。一般發(fā)生在壓縮性較高的巖石中。壓力垂直于片理的片巖具有這種性質(zhì)。類(lèi)型：彈-塑-蠕變性是鹽巖的特征，開(kāi)始

11、有很小一段直線部分，然后有非彈性的曲線部分，并繼續(xù)不斷地蠕變。某些軟弱巖石也具有類(lèi)似特性。第二十九張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3.單軸壓縮循環(huán)加載方式下的巖塊變形加載-卸載時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 1）巖石是彈性的或卸荷點(diǎn)（P）的應(yīng)力低于巖石的彈性極限(A)表現(xiàn)為彈性恢復(fù)PA第三十張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2）如果卸荷點(diǎn)(P）的應(yīng)力高于彈性極限(A)，則卸荷曲線偏離原加荷曲線，也不再回到原點(diǎn)，變形除彈性變形外，還出現(xiàn)了塑性變形。PA加載-卸載時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 第三十一張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月逐級(jí)循環(huán)加載條件下的變形特性 應(yīng)力-應(yīng)變曲線的外包線與連續(xù)加載條

12、件下的曲線基本一致，說(shuō)明加、卸荷過(guò)程并未改變巖塊變形的基本習(xí)性，這種現(xiàn)象稱為巖石記憶。隨循環(huán)次數(shù)增加，塑性滯回環(huán)的面積有所擴(kuò)大，卸載曲線的斜率（代表巖石的彈性模量）逐次略有增加，這個(gè)現(xiàn)象稱為強(qiáng)化。每次加荷、卸荷曲線都不重合，且圍成一環(huán)形面積稱為回滯環(huán)第三十二張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月反復(fù)加卸載條件下的變形特性 巖塊的破壞產(chǎn)生在反復(fù)加、卸荷曲線與應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線交點(diǎn)處。這時(shí)的循環(huán)加、卸荷試驗(yàn)所給定的應(yīng)力，稱為疲勞強(qiáng)度。它是一個(gè)比巖塊單軸抗壓強(qiáng)度低且與循環(huán)持續(xù)時(shí)間等因素有關(guān)的值。 第三十三張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月真三軸實(shí)驗(yàn) 123 常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn) 12=3 第三

13、節(jié) 三軸壓縮條件下的巖塊變形三軸實(shí)驗(yàn)分類(lèi)：真三軸實(shí)驗(yàn)示意圖第三十四張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)示意圖施加軸向壓力施加圍壓第三十五張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月圍壓對(duì)變形破壞的影響 圍壓增大，巖石的抗壓強(qiáng)度(峰值強(qiáng)度)增大。 圍壓增大，巖石的變形模量(彈性模量)增大。軟巖增大明顯，硬巖石增大不明顯。 圍壓增大，巖石的塑性增強(qiáng)。 圍壓增大，巖石的破壞方式從脆性劈裂向延性破壞(塑性流動(dòng))過(guò)渡。第三十六張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月圍壓對(duì)變形破壞的影響不同圍壓下同種巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線第三十七張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第四節(jié) 巖石的流變

14、性質(zhì)巖石的流變性主要包括以下幾個(gè)方面：蠕變：在恒定應(yīng)力條件下，變形隨時(shí)間逐漸增長(zhǎng)的現(xiàn)象流動(dòng)特征：指時(shí)間一定時(shí)，應(yīng)變速率與應(yīng)力的關(guān)系松弛：應(yīng)變一定時(shí)，應(yīng)力隨時(shí)間逐漸減小的現(xiàn)象長(zhǎng)期強(qiáng)度：指長(zhǎng)期荷載（應(yīng)變速率小于10-6s）作用下巖石的強(qiáng)度巖石的變形和應(yīng)力受時(shí)間因素的影響。在外部條件不變的情況下，巖石的應(yīng)力或應(yīng)變隨時(shí)間變化的現(xiàn)象叫流變。第三十八張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月蠕變與松弛的示意圖蠕變：應(yīng)力不變，應(yīng)變隨時(shí)間發(fā)生變化。松弛：應(yīng)變恒定，應(yīng)力隨時(shí)間而減小。第三十九張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月巖石的松弛的分類(lèi)巖石的松弛特性可以分為四種類(lèi)型：立即松弛：應(yīng)力立即消失到0。完全

15、松弛：應(yīng)力逐漸消失直至為0。不完全松弛：應(yīng)力逐漸減小，但最終不為0。不松弛：應(yīng)力保持不變。第四十張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1. 巖石的蠕變性質(zhì)工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在巖石開(kāi)挖洞室以后一段很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，支護(hù)或襯砌上的壓力一直在變化的，這可解釋為由蠕變的結(jié)果。研究巖石的蠕變對(duì)于洞室特別是深埋洞室圍巖的變形，有著重要意義。第四十一張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月AB段-初始蠕變階段（減速蠕變階段）：曲線呈下凹型，應(yīng)變最初隨時(shí)間增大較快，但其應(yīng)變率隨時(shí)間迅速遞減，到B點(diǎn)達(dá)到最小值。在巖塊試件上施加恒定荷載，可得到典型蠕變曲線。在加載的瞬間，巖塊產(chǎn)生一瞬時(shí)應(yīng)變(OA段)，隨后便產(chǎn)生連續(xù)

16、不斷的蠕變變形。根據(jù)蠕變曲線的特征，可將巖石蠕變劃分為三個(gè)階段。典型的蠕變曲線第四十二張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月BC段-等速蠕變階段（穩(wěn)定蠕變階段)：曲線呈近似直線，即應(yīng)變隨時(shí)間近似等速增加，直到C點(diǎn)。若在本階段內(nèi)某點(diǎn)T卸載，則應(yīng)變將沿TUV線恢復(fù)，最后保留一永久應(yīng)變p。CD段-加速蠕變階段：蠕變加速發(fā)展直至巖塊破壞(D點(diǎn))。 在初始蠕變階段中某一點(diǎn)P卸載，應(yīng)變沿PQR下降至零。卸荷后應(yīng)力立即消失，但應(yīng)變隨時(shí)間逐漸恢復(fù)，二者恢復(fù)不同步應(yīng)變恢復(fù)總是落后于應(yīng)力，這種現(xiàn)象稱為彈性后效。典型的蠕變曲線第四十三張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2. 巖石蠕變的影響因素巖石本身性質(zhì)

17、是影響其蠕變性質(zhì)的內(nèi)在因素。第四十四張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2. 巖石蠕變的影響因素 應(yīng)力水平的影響： 越小，-t曲線的第二階段越長(zhǎng)； 小到一定程度，第三蠕變不會(huì)出現(xiàn)； 很高，第二階段短，立即進(jìn)入三階段第四十五張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月應(yīng)力水平對(duì)蠕變的影響鹽巖蠕變實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：偏應(yīng)力越大，蠕變過(guò)程中的軸向應(yīng)變?cè)酱蟆５谒氖鶑?，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2. 巖石蠕變的影響因素溫度對(duì)蠕變的影響溫度越高，總的應(yīng)變量越小；溫度越高，第二階段的斜率越小。濕度對(duì)蠕變的影響飽和試件第二階段應(yīng)變速率和總應(yīng)變量都將大于干燥狀態(tài)下的試件結(jié)果。第四十七張，PPT共五十

18、七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1）彈性模型（胡克體）2）粘性模型（牛頓體）3）理想塑性模型（圣維南體）3. 蠕變模型（一）基本介質(zhì)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）。第四十八張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月物體基本模型應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系應(yīng)力應(yīng)變方程說(shuō)明剛性固體(歐幾里德)無(wú)伸縮剛桿Euclid任何載荷下沒(méi)有變形彈性固體(胡克)彈簧Hooke有彈性和強(qiáng)度，無(wú)粘滯性粘滯流體(牛頓)粘壺Newton有粘滯性，無(wú)彈性和強(qiáng)度塑性固體(圣維南)摩擦片St.Venant有小彈性與大塑性無(wú)粘滯性第四十九張，PPT共五十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3. 蠕變模型（二）常用的巖