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1、岩石变形性质 第一节第一节 概述概述 第二节第二节 单轴压缩下的岩石变形特征单轴压缩下的岩石变形特征 第三节第三节 三轴压缩下的岩石变形特征三轴压缩下的岩石变形特征 第四节第四节 岩石的流变特性岩石的流变特性 一、岩石的变形性质 v岩石变形的概念 岩石的变形是指岩石在任何物理因素作用下形状和大小的 变化。工程最常研究的是由于力的影响所产生的变形。 坝建在多种岩石组成的岩基上，这些岩石的变形性质不 同，则由于基岩的不均匀变位可以使坝体的剪应力和主 拉应力增长，造成开裂错位等不良后果。如果岩基中岩 石的变形性质已知并且在岩基内这此性质的变化也已确 定，那么在坝施工中可以采取必要措施防止不均匀变形
2、o 岩石变形对工程的影响 岩石的变形特性相关概念 弹性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形 能够恢复的性质。 塑性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形 不能恢复的性质。 脆性：物体在外力作用下变形很小时就发生破坏的性质。 延性：物体能够承受较大的塑性变形而不丧失其承载能力 的性质。 粘性（流变性）：物体受力后变形不能在瞬间完成，且应 变速度（d/dt）随应力大小而变化的性质。 弹性变形 塑性变形 线弹性变形 非线弹性变形 变形 岩石的变形性质 v按照岩石的应力-应变-时间关系，可将其 力学属性划分为弹性、塑性和粘性。 弹性塑性粘性 理想弹性体理想弹塑性体 线性硬化弹塑性体
3、理想粘性体 岩石的变形性质 v弹性：一定的应力范围内，物体受外力作用产生变形，而 去除外力后能够立即恢复其原有的形状和尺寸大小的性质 o 产生的变形称为弹性变形 o 弹性按其应力和应变关系又可分为两种类型 o 具有弹性性质的物体称为弹性介质 o 应力和应变呈直线关系即线弹性或虎 克型弹性或理想弹性 o 应力应变呈非直线的非线性弹性 岩石的变形性质 v塑性：物体受力后产生变形，在外力去除后不能完 全恢复原状的性质 n 不能恢复的那部分变形称为塑性变形，或称永久 变形、残余变形 n 当物体既有弹性变形又有塑性变形，且具有明显 的弹性后效时，弹性变形和塑性变形就难以区别 了 n 在外力作用下只发生塑
4、性变形，或在一定的应力 范围内只发生塑性变形的物体，称为塑性介质 岩石的变形性质 v粘性(viscosity) 物体受力后变形不能在瞬 时完成，且应变速率随应力增加而增加的性 质，称为粘性。应变速率随应力变化的变形 称为流动变形。 一、单轴抗压试验 一、单轴抗压试验 28岩芯全应 力应变曲线 15岩心全应 力应变曲线 二、连续加荷方式单轴压缩条件下的岩块变形 o A B 比例弹性极限或弹性极限：应力应变曲线保持直线关系 的极限应力 1、变形阶段的划分几个概念 o A B C 屈服应力：单轴压缩状态下岩石出现塑性变形的极限应力 1、变形阶段的划分几个概念 o A B C 扩容：压缩应力下岩石体积
5、出现膨胀的现象称为岩石扩容 1、变形阶段的划分几个概念 空隙压密阶段(OA) 弹性变形阶段(AB) 微裂隙稳定发展阶段(BC) 微裂隙非稳定发展阶段(CD) 破坏后阶段(DE) o A B C D E 峰前峰后 1、变形阶段的划分五个阶段 （1）0A段：微裂隙闭合阶段,微裂隙压密极限A。 （2）AB段：近似直线，弹性阶段，B 为弹性极限。 （3）BC段：屈服阶段，C为屈服极限。 （4）CD段：破坏阶段，D为强度极限，即单轴抗压强度 。 （5）DE段：即破坏后阶段,E为残余强度。 2 变形参数 v变形模量（modulus of deformation)是指单轴压缩 条件下，轴向压应力与轴向应变之
6、比。应力-应变曲 线为直线型，这时变形模量又称为弹性模量 o L i i 2 变形参数应力应变关系不成直线 岩石的变形特征可以用以下几种模量说明： 0 M 初始模量：曲线原点处切线 斜率 切线模量：曲线上任一点处切线 的斜率 割线模量：曲线上某点与原点连线 的斜率 2 变形参数 变形参数的一般确定方法 Lo 2 50 1 i 1502i 3 峰值前的变形机理 v米勒(Miller)根据岩石的应力-应变曲线随 着岩石的性质有各种不同形式的特点，采 用28种岩石进行了大量的单轴试验后，将 岩石的应力-应变曲线分成6种类型 弹性关系弹-塑性 塑-弹性 塑-弹-塑性 弹-塑-蠕变性塑-弹-塑性 曲线的
7、基本形状 致密、坚硬、少裂隙 少裂隙、 岩性较软 致密、坚硬、多裂隙 较多裂隙、 岩性较软 3 峰值前的变形机理 类型：弹性关系是一直线或者近似直线，直到试样发 生突然破坏为止。典型岩石：玄武岩、石英岩、白云岩以 及极坚固的石灰岩。 类型：弹-塑性在应力较低时，近似于直线；应力增加 到一定数值后，应力-应变曲线向下弯曲变化，且随着应力 逐渐增加，曲线斜率也愈来愈小，直至破坏。典型岩石： 石灰岩、泥岩、凝灰岩 3 峰值前的变形机理 类型：塑-弹性应力较低时，曲线略向上弯，应力增加 到一定数值逐渐变为直线，直至试样破坏。典型岩石：花 岗岩、片理平行于压力方向的片岩以及某些辉绿岩。 类型：塑-弹-塑
8、性压力较低时，曲线向上弯曲；压力 增加到一定值后，曲线就成为直线；最后，曲线向下弯曲 ；曲线似S形。典型岩石：大理岩、片麻岩 3 峰值前的变形机理 类型：基本上与相同，也呈S形。曲线的斜率较平缓。 一般发生在压缩性较高的岩石中。压力垂直于片理的片岩 具有这种性质。 类型：弹-塑-蠕变性是岩盐的特征，开始有很小一段 直线部分，然后有非弹性的曲线部分，并继续不断地蠕变 。某些软弱岩石也具有类似特性。 三、循环加载方式单轴压缩条件下的岩块变形 1. 岩石是弹性的或卸荷点（P）的应力低于岩石的 弹性极限(A)表现为弹性恢复 P A 加载-卸载时的应力应变关系 加载-卸载时的应力应变关系 2.如果卸荷点
9、(P)的应力高于 弹性极限(A)，则卸荷曲线偏 离原加荷曲线，也不再回到 原点，变形除弹性变形外， 还出现了塑性变形 P A 逐级一次循环加载条件下的变形特性 v应力-应变曲线的外包线与连续加载条件下的曲线基本一 致，说明加、卸荷过程并未改变岩块变形的基本习性， 这种现象称为岩石记忆。 o 随循环次数增加，塑性滞回 环的面积有所扩大，卸载曲 线的斜率（代表岩石的弹性 模量）逐次略有增加，这个 现象称为强化 每次加荷、卸荷曲线 都不重合，且围成一 环形面积称为回滞环 反复加卸载条件下的变形特性 v岩块的破坏产生在反复加、卸荷曲线与应力-应变全过程 曲线交点处。这时的循环加、卸荷试验所给定的应力，
10、 称为疲劳强度。它是一个比岩块单轴抗压强度低且与循 环持续时间等因素有关的值 第三节 三轴压缩条件下的岩块变形性 （一）三轴试验 真三轴试验 123 常规三轴试验 12=3 围压对变形破坏的影响 v岩石破坏前应变峰值强度随3增大而增大 v随3增大岩石变形模量增大，软岩增大明显，致 密的硬岩增大不明显 v随3增大，岩石的塑性不断增大，随3增大到一 定值时，岩石由弹脆性转变为塑性。这时，3的 大小称为“转化压力” 。 v随3的增大，岩块从脆性劈裂破坏逐渐向塑性剪 切及塑性流动破坏方式过渡。 围压对变形破坏的影响 围压对变形破坏的影响 围压对变形破坏的影响 第四节 岩石的流变性质 v岩石的变形和应力
11、受时间因素的影响。在外部条件不 变的情况下，岩石的应力或应变随时间变化的现象叫 流变。 o 岩石的流变性主要包括以下几个方面： n蠕变：在恒定应力条件下，变形随时间逐渐增长的现象 n流动特征：指时间一定时，应变速率与应力的关系 n松弛：应变一定时，应力随时间逐渐减小的现象 n长期强度：指长期荷载（应变速率小于10-6s）作用下 岩石的强度 岩石的流变性（时效性、粘性） 一、流变的概念 岩石的流变性是指岩石应力应变关系随时间而变化的性质。 流变性（粘性） 蠕变 松弛 弹性后效 蠕变现象当应力保持恒定时，应变随时间增长而增大。 松弛现象当应变保持恒定时，应力随时间增长而逐渐减 小的现象。 弹性后效
12、加载或卸载时，弹性应变滞后于应力的现象。 一、岩石的蠕变性质 工程实践发现，在岩石开挖洞室以后一段很长的时间内， 支护或衬砌上的压力一直在变化的，这可解释为由蠕变的 结果。研究岩石的蠕变对于洞室特别是深埋洞室围岩的变 形，有着重要意义。 一、蠕变特征曲线 AB段-初始蠕变阶段（减速蠕变 阶段）：曲线呈下凹型，应变最 初随时间增大较快，但其应变率 随时间迅速递减，到B点达到最 小值。 在岩块试件上施加恒定荷载，可得到典型蠕变曲线。在加 载的瞬间，岩块产生一瞬时应变(OA段)，随后便产生连续 不断的蠕变变形。根据蠕变曲线的特征，可将岩石蠕变划 分为三个阶段。 一、蠕变特征曲线 BC段-等速蠕变阶段
13、（稳定蠕变阶 段)：曲线呈近似直线，即应变随 时间近似等速增加，直到C点。若 在本阶段内某点T卸载，则应变将 沿TUV线恢复，最后保留一永久应 变p。 CD段-加速蠕变阶段：蠕变加速发 展直至岩块破坏(D点)。 在初始蠕变阶段中某一点P卸载，应变沿PQR下降至零。卸荷 后应力立即消失，但应变随时间逐渐恢复，二者恢复不同步 应变恢复总是落后于应力，这种现象称为弹性后效。 （1）稳稳定蠕变变：岩石在较小的恒定力作用下，变形随时 间增加到一定程度后就趋于稳定，不再随时间增加而变化， 应变保持为一个常数。稳定蠕变一般不会导致岩体整体失稳 。 （2）非稳稳定蠕变变：岩石承受的恒定荷载较大，当岩石应 力超
14、过某一临界值时，变形随时间增加而增大，其变形速率 逐渐增大，最终导致岩体整体失稳破坏。 （3）岩石的长期强度：岩石的蠕变形式取决于岩石应力大 小，当应力小于某一临界值时，岩石产生稳定蠕变；当应力 大于该值时，岩石产生非稳定蠕变。则将该临界应力称为岩 石的长期强度。 二 岩石蠕变的影响因素 v岩石本身性质是影响其蠕变性质的内在因素 二、岩石蠕变的影响因素 应力水平的影响： t第二阶段越长； 小 到一定程度，第三蠕变不会出现； 很高，第二阶段 短，立即进入三阶段 二、岩石蠕变的影响因素 v温度对蠕变的影响 温度越高，总的应变量越小； 温度高第二阶段的斜率越小。 v湿度对蠕变的影响 饱和试件第二阶段
15、应变速率和总应变量都将大于 干燥状态下的试件结果。 1）弹性模型（胡克体） 2）粘性模型（牛顿体） 3）理想塑性模型（圣维南体） 三、蠕变模型 （一）基本介质模型 岩石性质变化范围大，用多种模型来表述。主要性质 ：弹性、塑性、粘性（流变）。 岩石的强度 第一节 岩石的强度特性 概念： （1）屈服：岩石受荷载作用后，随着荷载的增大， 由弹性状态过渡到塑性状态，这种过渡称为屈服。 （2）破坏：把材料进入无限塑性增大时称为破坏。 （3）岩石的强度：是指岩石抵抗破坏的能力。岩石 在外力作用下，当应力达到某一极限值时便发生破坏 ，这个极限值就是岩石的强度。 一、岩石的单轴抗压强度C 端部效应 破坏形态 为了消除端部效应，国际岩石力学学会推荐采用高径 比（h/d)为2.53.0的试件做抗压试验。 根据h/d1的试件的抗压强度计算h/d1的岩块的抗压 强度： 式中：c1 h/d=1的试件抗压强度； c h/d1的试件抗压强度。 式中：Is点荷载强度指标， 对于风化严重，难以 加工成试件的岩石，可根 据点荷载试验计算岩石的 抗压强度： 二、岩石的单轴抗拉强度t 1、直接拉伸试验 2、间接拉伸试验 圆饼试件： A 劈裂法（巴西试验
