巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)

上周學(xué)習(xí)回顧－Review巖石力學(xué)研究對(duì)象及特點(diǎn)巖石力學(xué)研究?jī)?nèi)容、研究方法巖石和巖體研究巖石（巖體）的力學(xué)行為、以力學(xué)的方法研究巖石工程的穩(wěn)定性地下、邊坡、巖基三類(lèi)工程，涉及土木、水利水電、交通、核電、石油……（1）巖石與巖體的物理力學(xué)性質(zhì)（2）地應(yīng)力場(chǎng)（分布規(guī)律、測(cè)試?yán)碚撆c方法）（3）工程巖體的穩(wěn)定性與巖石工程加固支護(hù)（4）巖石力學(xué)新理論、新方法、新技術(shù)研究方法：實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、理論分析、物理與數(shù)值模擬、原位監(jiān)測(cè)、工程應(yīng)用巖石的構(gòu)成和分類(lèi)12巖石和巖體的差別與聯(lián)系巖體是由結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)及其所圍限的巖塊(結(jié)構(gòu)體)所組成。（1）物質(zhì)組成。天然礦物的集合體，結(jié)構(gòu)是巖體的顯著特征。（2）尺度過(guò)渡。（圖）（3）賦存條件。復(fù)雜的天然應(yīng)力狀態(tài)和地下水，這是巖體與其他材料的根本區(qū)別之一。（4）力學(xué)性質(zhì)。巖體：非均質(zhì)、不連續(xù)、各向異性（5）相互轉(zhuǎn)化。3巖塊非連續(xù)面聯(lián)合作用巖體特性理論背景試驗(yàn)基礎(chǔ)巖塊研究成果豐碩采樣試驗(yàn)設(shè)備4課程章節(jié)調(diào)整巖石物理力學(xué)性質(zhì)巖石的本構(gòu)模型與強(qiáng)度理論巖體力學(xué)性質(zhì)地應(yīng)力三大巖石工程--洞、坡、基5

巖石的物理性質(zhì)（PhysicalPropertiesofrocks)

物理性質(zhì)水理性質(zhì)容重空隙性吸水性抗凍性軟化性透水性比重6巖石的力學(xué)性質(zhì)（MechanicalPropertiesofrocks)

強(qiáng)度性質(zhì)變形性質(zhì)破壞形式強(qiáng)度指標(biāo)全應(yīng)力應(yīng)變曲線彈性、塑性、粘性變形參數(shù)在外載作用下，當(dāng)巖石內(nèi)部的應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)某一極限時(shí)，巖石就發(fā)生破壞7巖石脆-延轉(zhuǎn)換89巖石的強(qiáng)度性質(zhì)（Rockstrength)

巖石發(fā)生破壞時(shí)，變形很小，明顯聲響，一般發(fā)生在單軸或低圍壓堅(jiān)硬巖石。脆性破壞破壞時(shí)，變形較大，有明顯的“剪脹”效應(yīng)，一般發(fā)生在較軟弱巖石或高圍壓堅(jiān)硬巖石。延性破壞巖石破壞類(lèi)型（1）拉破壞（2）壓剪破壞10巖石的單軸抗壓強(qiáng)度概念：巖石試件在單軸壓力（無(wú)圍壓而軸向加壓力）下抵抗破壞的極限能力或極限強(qiáng)度，數(shù)值上等于破壞時(shí)的最大壓應(yīng)力。意義：衡量巖塊基本力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)；巖體工程分類(lèi)、建立巖體破壞判據(jù)的重要指標(biāo)；用來(lái)大致估算其他強(qiáng)度參數(shù)。11單軸壓縮試驗(yàn)巖樣破壞基本形式

破裂角＝12巖石種類(lèi)抗壓強(qiáng)度(MPa)巖石種類(lèi)抗壓強(qiáng)度(MPa)粗玄巖196～343石英片巖69～178輝長(zhǎng)巖177～294云母片巖59～127閃長(zhǎng)巖177～294凝灰?guī)r59～167玄武巖147～294千枚巖49～196石英巖147～294片麻巖49～196花崗巖98～245石灰?guī)r29～245流紋斑巖98～245砂巖19.6～196大理巖98～245泥灰?guī)r12～98板巖98～196頁(yè)巖9.8～98白云巖78～245煤4.9～49巖石單軸抗壓強(qiáng)度

13巖石的抗拉強(qiáng)度概念：巖石的抗拉強(qiáng)度是指巖石試件在單向拉伸條件下試件達(dá)到破壞的極限值，它在數(shù)值上等于破壞時(shí)的最大拉應(yīng)力。意義：衡量巖體力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)；用來(lái)建立巖石強(qiáng)度判據(jù)，確定強(qiáng)度包絡(luò)線；選擇建筑石材不可缺少的參數(shù)14常見(jiàn)巖石的抗拉強(qiáng)度巖石名稱(chēng)抗拉強(qiáng)度（MPa）巖石名稱(chēng)抗拉強(qiáng)度（MPa）巖石名稱(chēng)抗拉強(qiáng)度（MPa）輝長(zhǎng)巖15~36花崗巖7~25頁(yè)巖2~10輝綠巖15~35流紋巖15~30砂巖4~25玄武巖10~30閃長(zhǎng)巖10~25礫巖2~15石英巖10~30安山巖10~20灰?guī)r5~20大理巖7~20片麻巖5~20千枚巖、片巖1~10白云巖15~25板巖7~1515巖石的抗剪強(qiáng)度基本概念—正應(yīng)力條件下施加剪切力，巖石能抵抗的最大剪力巖石的抗剪斷強(qiáng)度

——完整巖塊、巖石被剪斷時(shí)，表現(xiàn)出的“抵抗剪切破壞”的強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度

——巖石沿原生結(jié)構(gòu)面或已被剪斷的破裂面，剪切滑動(dòng)時(shí)的“摩擦阻力”16抗剪強(qiáng)度常用室內(nèi)試驗(yàn)直接剪切儀(直接剪切試驗(yàn))、角模壓剪儀/變角板剪切試驗(yàn)(角模剪切試驗(yàn))、三軸壓縮儀(三軸壓縮試驗(yàn))

17優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單方便、無(wú)需特殊設(shè)備，采用普通巖石壓力機(jī)即可。缺點(diǎn)：試件較小，不易反映巖石裂縫、層理等結(jié)構(gòu)面；剪切面上的受力不均勻等。直剪試驗(yàn)18角模壓剪試驗(yàn)采用不同的α角進(jìn)行試驗(yàn)，則每個(gè)α對(duì)應(yīng)一組σ和τf。19三軸壓縮試驗(yàn)試驗(yàn)步驟先將試件施加側(cè)壓力σ’3逐漸增加垂直壓力σ1；試件破壞，得到大主應(yīng)力σ’1，即獲破壞應(yīng)力圓；改變側(cè)壓力σ’3，獲得對(duì)應(yīng)的σ’1，和破壞應(yīng)力圓；20真三軸試驗(yàn)常規(guī)三軸試驗(yàn)（偽三軸）試樣為立方體試樣為圓柱體21三軸壓縮試驗(yàn)繪制試驗(yàn)對(duì)應(yīng)σ’1和σ’3的應(yīng)力圓（或稱(chēng)莫爾圓），以及這些應(yīng)力圓的包絡(luò)線，即求得巖石的抗剪強(qiáng)度曲線。三軸壓縮試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果整理22單軸壓縮下的變形OA：孔隙裂隙壓密段AB：彈性變形段BC：微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段CD：累計(jì)性破裂階段D點(diǎn)以后：破裂后階段屈服點(diǎn)典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈性模量：泊松比：常溫常壓下巖石的典型應(yīng)力一應(yīng)變曲線233）體積不變階段4）擴(kuò)容階段巖石的擴(kuò)容巖石變形性質(zhì)-體積變形巖石在荷載作用下發(fā)生破壞之前產(chǎn)生體積膨脹大于體積壓縮的非線性體積變形1）體積彈性壓縮階段2）體積微破裂壓縮階段24含水率彈?；蚝什此杀润w積模量：剪切模量：拉梅常數(shù)：巖石的變形指標(biāo)251.5影響巖石力學(xué)性質(zhì)的主要因素圍壓水溫度加載速度（應(yīng)變率）26隨著圍壓的增加，巖石抗壓強(qiáng)度顯著提高，巖石的變形顯著增大，巖石的彈性極限顯著增大，巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)發(fā)生明顯改變，巖石的塑性增大，逐漸由脆性轉(zhuǎn)化為延性，出現(xiàn)應(yīng)變硬化三軸壓縮下的變形圍壓對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響巖石由脆性向塑性轉(zhuǎn)化的臨界圍壓稱(chēng)為轉(zhuǎn)化壓力，其值與巖石強(qiáng)度和溫度有關(guān)。27水對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響（1）結(jié)合水產(chǎn)生的軟化、潤(rùn)滑與水楔作用，使得巖石內(nèi)粒間粘結(jié)力降低。（2）自由水的孔隙壓力作用和溶蝕、潛蝕作用。（3）孔隙水壓力。孔隙水壓力的增大可能導(dǎo)致顆粒間壓應(yīng)力降低，降低巖石有效應(yīng)力，造成抗剪強(qiáng)度下降。（4）凍融脹縮作用?？紫?、微裂隙中的水在凍融時(shí)的脹縮作用對(duì)巖石力學(xué)強(qiáng)度破壞很大。281）溫度引起巖石礦物相變對(duì)巖石巖性產(chǎn)生影響；2）由于溫度的變化在巖石內(nèi)引起熱應(yīng)力的變化；3）溫度條件下巖石孔隙和微裂隙中水的性態(tài)改變（如發(fā)生相變）引起巖石滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)的耦合變化。溫度對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響29溫度的影響高溫變形模量降低，屈服點(diǎn)降低，峰值強(qiáng)度降低延性增加，破壞后區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變曲線由應(yīng)變軟化型向應(yīng)變硬化型轉(zhuǎn)化30低溫處于0℃以下凍結(jié)狀態(tài)的巖石，由于其孔隙水、微裂隙水凍結(jié)成冰，凍結(jié)力的存在增強(qiáng)了巖石顆粒之間及裂隙隙端處的連結(jié)力，因而巖石強(qiáng)度顯著增高。危害：巖石中冰體的形成和發(fā)育，在裂隙、孔隙中產(chǎn)生巨大的凍脹力，導(dǎo)致孔隙、裂隙張開(kāi)擴(kuò)展，巖石內(nèi)部微結(jié)構(gòu)損傷、破壞，產(chǎn)生凍脹變形。溫度的影響31加載速率對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響加載速率越快，測(cè)得的變形模量和強(qiáng)度越高巖石破壞后區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變曲線也由應(yīng)變軟化型向應(yīng)變硬化型轉(zhuǎn)化32灰?guī)r圍壓500MPa溫度恒定，但應(yīng)變率變化玄武巖圍壓500MPa應(yīng)變率恒定，但溫度變化

溫度不變緩慢加載加載不變溫度升高同一個(gè)力學(xué)松弛行為，具有等效性33應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)變應(yīng)力溫度=20℃200℃500℃800℃應(yīng)變率=10-3s-110-4s-110-6s-110-7s-1在一定應(yīng)變率下:在一定溫度下:溫度效應(yīng)時(shí)間效應(yīng)升高溫度==延長(zhǎng)時(shí)間34所謂巖石的時(shí)溫等效是指，巖石在較高溫度較短時(shí)間內(nèi)的力學(xué)性質(zhì)和力學(xué)行為，與其在較低溫度較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的力學(xué)性質(zhì)和力學(xué)行為等效，即時(shí)間尺度對(duì)巖石的力學(xué)性質(zhì)和力學(xué)行為的影響可以等效為溫度尺度的影響。因而可以方便地在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)高溫試驗(yàn)和理論分析科學(xué)地預(yù)測(cè)巖石長(zhǎng)期的力學(xué)性質(zhì)演變規(guī)律。巖石時(shí)溫等效原理研究前沿35LogarithmicCurvesofCreepCompliancevsTimeofTGPGranite

三峽花崗巖蠕變?nèi)崃康臅r(shí)溫等效效應(yīng)3614-4.94-4.92-4.9-4.88-4.86-4.84-4.82-