巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)

關(guān)于巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)第一章巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)主講內(nèi)容：第一節(jié)巖石的物理性質(zhì)第二節(jié)巖石的強(qiáng)度性質(zhì)第三節(jié)巖石的變形特征第四節(jié)巖石的流變特性第五節(jié)巖石的強(qiáng)度理論第2頁(yè),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、巖石的容重 二、巖石的比重三、巖石的孔隙性四、巖石的水理性質(zhì)第一節(jié)巖石的基本物理性質(zhì)含水性吸水性透水性軟化性抗凍性膨脹性崩解性第3頁(yè),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天

一、巖石的容重： 巖石單位體積（包括巖石內(nèi)孔隙體積）的重量稱(chēng)為巖石的容重，容重的表達(dá)式為：巖石的容重取決于組成巖石的礦物成分、孔隙發(fā)育程度及其含水量。巖石容重的大小，在一定程度上反映出巖石力學(xué)性質(zhì)的優(yōu)劣。根據(jù)巖石的含水狀況，將容重分為天然容重、干容重、和飽和容重。測(cè)定方法：量積法（直接法）、水中法、蠟封法第一節(jié)巖石的基本物理性質(zhì)第4頁(yè),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天巖石的比重：巖石固體重量（Ws）與同體積水在4℃時(shí)的重量比Vs——固體體積；——水的比重二、巖石的比重第5頁(yè),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、巖石的孔隙性：反映裂隙發(fā)育程度的指標(biāo)巖石中的空隙有開(kāi)型空隙和閉型空隙之分；開(kāi)型空隙按其開(kāi)啟程度又有大、小開(kāi)型空隙之分?？偪障堵剩╪）總開(kāi)空隙率（n0）大開(kāi)空隙率（nb）小開(kāi)空隙率（ns）閉空隙率(nc)一般提到的巖石空隙率系指總空隙率第6頁(yè),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天第二節(jié)巖石的強(qiáng)度特性強(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PPPP第7頁(yè),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、巖石的單軸抗壓強(qiáng)度1.定義：巖石在單軸壓縮荷載作用下達(dá)到破壞前所能承受的最大壓應(yīng)力稱(chēng)為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度

式中：P——無(wú)側(cè)限的條件下的軸向破壞荷載

A——試件截面積σc=P/APPA第8頁(yè),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、巖石的抗拉強(qiáng)度定義：巖石在單軸拉伸荷載作用下達(dá)到破壞時(shí)所能承受的最大拉應(yīng)力稱(chēng)為巖石的單軸抗拉強(qiáng)度(Tensilestrength)。

試件在拉伸荷載作用下的破壞通常是沿其橫截面的斷裂破壞。直接試驗(yàn)間接試驗(yàn)試驗(yàn)方法第9頁(yè),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天三巖石的抗剪強(qiáng)度1.定義巖石在剪切荷載作用下達(dá)到破壞前所能承受的最大剪應(yīng)力稱(chēng)為巖石的抗剪切強(qiáng)度（Shearstrength）。所能抵抗的最大剪應(yīng)力常用表示剪切強(qiáng)度試驗(yàn)分為非限制性剪切強(qiáng)度試驗(yàn)（Unconfinedshearstrengthtest）和限制性剪切強(qiáng)度試驗(yàn)（Confinedshearstrengthtest）二類(lèi)。非限制性剪切試驗(yàn)在剪切面上只有剪應(yīng)力存在，沒(méi)有正應(yīng)力存在；限制性剪切試驗(yàn)在剪切面上除了存在剪應(yīng)力外，還存在正應(yīng)力。第10頁(yè),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天四.三軸抗壓強(qiáng)度1)定義：巖石在三向壓縮荷載作用下，達(dá)到破壞時(shí)所能承受的最大壓應(yīng)力稱(chēng)為巖石的三軸抗壓強(qiáng)度(Triaxialcompressivestrength)。與單軸壓縮試驗(yàn)相比，試件除受軸向壓力外，還受側(cè)向壓力。側(cè)向壓力限制試件的橫向變形，因而三軸試驗(yàn)是限制性抗壓強(qiáng)度(confinedcompressivestrength)試驗(yàn)。第11頁(yè),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天第三節(jié)巖石的變形性質(zhì)巖石的變形有彈性變形、塑性變形和粘性變形三種.

彈性：物體在受外力作用的瞬間即產(chǎn)生全部變形，而去除外力后又能立即恢復(fù)其原有形狀和尺寸的性質(zhì)。塑性：物體受力后變形，在外力去除后變形不能完全恢復(fù).

粘性：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)彈性塑性粘性第12頁(yè),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天巖石變形指標(biāo)及其確定1.彈性模量E

的定義為，由于單向受壓情況下巖石的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是非線性的，因此變形模量不是常數(shù)，常用的變形模量有以下幾種：1）初始模量，用應(yīng)力應(yīng)變曲線坐標(biāo)原點(diǎn)的切線斜率表示3）割線模量，由應(yīng)力應(yīng)變曲線的起始點(diǎn)與曲線上另一點(diǎn)作割線，割線的斜率就是割線模量，一般選強(qiáng)度為50%的應(yīng)力點(diǎn)

2）切線模量，用應(yīng)力應(yīng)變曲線任一點(diǎn)的切線斜率表示：

第13頁(yè),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天第四節(jié)巖石的流變理論流變現(xiàn)象：材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與時(shí)間因素有關(guān)的性質(zhì)，稱(chēng)為流變性。材料變形過(guò)程中具有時(shí)間效應(yīng)的現(xiàn)象，稱(chēng)為流變現(xiàn)象。蠕變流變的種類(lèi)：松弛彈性后效彈性元件(H)流變學(xué)中的基本元件:塑性元件(Y)粘性元件(N)第14頁(yè),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天流變的概念流變現(xiàn)象：材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與時(shí)間因素有關(guān)的性質(zhì)，稱(chēng)為流變性。材料變形過(guò)程中具有時(shí)間效應(yīng)的現(xiàn)象，稱(chēng)為流變現(xiàn)象。流變的種類(lèi)：蠕變松弛彈性后效應(yīng)力不變，應(yīng)變隨時(shí)間增加而增長(zhǎng)第15頁(yè),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天流變的概念流變現(xiàn)象：材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與時(shí)間因素有關(guān)的性質(zhì)，稱(chēng)為流變性。材料變形過(guò)程中具有時(shí)間效應(yīng)的現(xiàn)象，稱(chēng)為流變現(xiàn)象。流變的種類(lèi)：蠕變

松弛彈性后效應(yīng)變不變，應(yīng)力隨時(shí)間增加而減小第16頁(yè),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天流變的概念流變現(xiàn)象：材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與時(shí)間因素有關(guān)的性質(zhì)，稱(chēng)為流變性。材料變形過(guò)程中具有時(shí)間效應(yīng)的現(xiàn)象，稱(chēng)為流變現(xiàn)象。流變的種類(lèi)：蠕變松弛

彈性后效加載或卸載時(shí)，彈性應(yīng)變滯后于應(yīng)力的現(xiàn)象第17頁(yè),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天（1）彈性元件（N）(b)(a)彈性元件的模型簡(jiǎn)圖與應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系從上圖可以看出彈性元件的力學(xué)特點(diǎn)為：應(yīng)力僅僅依賴(lài)于應(yīng)變，與時(shí)間無(wú)關(guān)，彈性變形瞬間完成，只要受力不變，變形就不變。簡(jiǎn)而言之，彈性元件有受力瞬間變形，應(yīng)力應(yīng)變一一對(duì)應(yīng)的特點(diǎn)。流變學(xué)中的基本元件本構(gòu)方程：注：將描述應(yīng)力-應(yīng)變或與時(shí)間（t）的關(guān)系式叫本構(gòu)方程。第18頁(yè),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天描述流變性質(zhì)的三個(gè)基本元件(1)彈性元件力學(xué)模型：材料性質(zhì)：物體在荷載作用下，其變形完全符合虎克

(Hooke)定律。稱(chēng)其為虎克體，是理想的線性彈性體。本構(gòu)方程：s=ke應(yīng)力應(yīng)變曲線（見(jiàn)右圖）：模型符號(hào)：H虎克體的性能：a.瞬變性b.無(wú)彈性后效

c.無(wú)應(yīng)力松弛d.無(wú)蠕變流動(dòng)第19頁(yè),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天描述流變性質(zhì)的三個(gè)基本元件(2)塑性元件材料性質(zhì)：物體受應(yīng)力達(dá)到屈服極限s0時(shí)便開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形，即使應(yīng)力不再增加，變形仍不斷增長(zhǎng)，其變形符合庫(kù)侖摩擦定律，稱(chēng)其為庫(kù)侖(Coulomb)體。是理想的塑性體。力學(xué)模型：

本構(gòu)方程：

ε=0，（當(dāng)s<s0時(shí)）

ε→∞，（當(dāng)s

s0時(shí)）第20頁(yè),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天描述流變性質(zhì)的三個(gè)基本元件(2)塑性元件應(yīng)力－應(yīng)變曲線

模型符號(hào)：Y

庫(kù)侖體的性能：當(dāng)s<s0時(shí)，ε=0，低應(yīng)力時(shí)無(wú)變形當(dāng)s

s0時(shí)，ε→∞，達(dá)到塑性極限時(shí)有蠕變第21頁(yè),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天描述流變性質(zhì)的三個(gè)基本元件(3)粘性元件材料性質(zhì)：物體在外力作用下，應(yīng)力與應(yīng)變速率成正比，符合牛頓(Newton)流動(dòng)定律。稱(chēng)其為牛頓流體，是理想的粘性體。力學(xué)模型：

本構(gòu)方程：應(yīng)力－應(yīng)變速率曲線（見(jiàn)右圖）模型符號(hào)：N第22頁(yè),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天描述流變性質(zhì)的三個(gè)基本元件(3)粘性元件牛頓體的性能：

a.有蠕變

即有蠕變現(xiàn)象應(yīng)變-時(shí)間曲線應(yīng)力與應(yīng)變無(wú)關(guān)，應(yīng)力與應(yīng)變速率一一對(duì)應(yīng)，受力瞬間不變形，隨時(shí)間流逝變形趨于無(wú)限的特點(diǎn)第23頁(yè),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天(3)粘性元件牛頓體的性能：

b.無(wú)瞬變

c.無(wú)松弛

d.無(wú)彈性后效

描述流變性質(zhì)的三個(gè)基本元件應(yīng)變-時(shí)間曲線第24頁(yè),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天組合模型及其性質(zhì)(1)串聯(lián)和并聯(lián)的性質(zhì)

第25頁(yè),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天組合模型及其性質(zhì)（2）馬克斯威爾(Maxwell)體①本構(gòu)方程：由串聯(lián)性質(zhì)：

σ=σ1=σ2

模型符號(hào)：M=H-N第26頁(yè),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天（3）開(kāi)爾文（kelvin）體模型符號(hào)：K=H|N四、組合模型及其性質(zhì)第27頁(yè),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天第五節(jié)巖石的強(qiáng)度理論1強(qiáng)度理論概述2Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則3Mohr強(qiáng)度理論4Griffith強(qiáng)度理論第28頁(yè),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天巖石的強(qiáng)度理論一、庫(kù)倫準(zhǔn)則：

由庫(kù)侖（C·A·Coulomb）1773年提出，最簡(jiǎn)單、最重要的準(zhǔn)則，應(yīng)用簡(jiǎn)便

認(rèn)為：巖石的破壞主要是剪切破壞，巖石的強(qiáng)度等于巖石本身抗剪切摩擦的粘結(jié)力和剪切面上法向力產(chǎn)生的摩擦力。實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)：巖土材料壓剪或三軸試驗(yàn)和純剪。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)力無(wú)關(guān)的粘結(jié)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)力成正比的摩摩力，使面內(nèi)錯(cuò)動(dòng)而最終破壞。第29頁(yè),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、庫(kù)倫準(zhǔn)則：數(shù)學(xué)表達(dá)式：——內(nèi)摩擦系數(shù)庫(kù)侖準(zhǔn)則的應(yīng)用:解決在壓力（應(yīng)力）作用下的破壞判推，不適應(yīng)于拉破壞。破壞判斷2個(gè)方面：一個(gè)是判斷材料在何種應(yīng)力環(huán)境下破壞，二是判斷破壞面的方位角。當(dāng)然，這種判斷是在材料特征常數(shù)[f,,c]為已知的條件下去判斷。表示在破壞面上的正應(yīng)力與剪應(yīng)力的組合關(guān)系滿足上式.參數(shù)意義第30頁(yè),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天三.格里菲斯強(qiáng)度理論（1920、1921）