《岩体力学 教学课件 ppt 作者 阳生权 第3章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《岩体力学 教学课件 ppt 作者 阳生权 第3章（108页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第3章,3.1 岩石单轴压缩条件下的力学特性 3.2 岩石单轴拉伸条件下的力学特性 3.3 岩石剪切条件下的力学特性 3.4 岩石三轴压缩条件下的力学特性 3.5 岩石的流变特性 3.6 影响岩石力学性质的主要因素 3.7 岩石的强度理论,3.1 岩石单轴压缩条件下的力学特性,3.1.1 单轴抗压强度 3.1.2 岩石应力-应变全过程曲线及其五个变形阶段 3.1.3 峰值前应力-应变曲线 3.1.4 岩石峰值后的变形特征,3.1.1 单轴抗压强度,1) X状共轭斜面剪切破坏，如图3-1b所示，这是一种最常见的破坏形式。 2)单斜面剪切破坏，如图3-1c所示。 3)拉伸破坏，如图3-1d所示。,
2、图3-1 单轴压缩试验岩石试件 受力与破坏形式示意图,03-2,03-03,表3-1 常见岩石的单轴抗压强度,3.1.2 岩石应力-应变全过程曲线及其五个变形阶段,(1)孔隙裂隙压密阶段(OA段) 岩石试件原有张性结构面、微孔隙裂隙在轴向压力作用下逐渐闭合，岩石被压密，形成早期的非线性变形，-曲线则表现为上凹形曲线，表明由于微孔隙裂隙的压实闭合，岩石性能出现暂时“强化”现象，通常为一减速的压实闭合过程。 (2)弹性变形阶段(AB段) 经过初期的孔隙裂隙压密，岩石强度性能暂时趋于稳定，压应力作用下岩石发生弹性变形，-曲线几乎为直线，岩石变形随应力增加而成比例增加，并在很大程度上表现为可恢复的弹性
3、变形，B点对应的应力可称为岩石试件的弹性极限。 (3)微弹性裂隙稳定发展阶段(BC段) 随着压应力的增大，试件内微破裂开始发生与发展，但施加的荷载不变时，微破裂发生与发展暂时停止。,3.1.2 岩石应力-应变全过程曲线及其五个变形阶段,(4)非稳定破裂发展阶段(CD段) 该阶段压应力大于屈服极限，微破裂的发展发生本质变化，由于破裂过程中所造成的应力集中效应显著，即使施加的荷载保持不变，破裂仍不断发展，形成微破裂的汇聚与扩大，并在试件中的薄弱部位首先发生破坏，应力重新分布，再次引起次薄弱部位的破坏，直至试件完全破坏。 (5)破坏后阶段(DE段) 又叫峰值后阶段，岩石试件承载力达到峰值强度后，其内
4、部结构遭到破坏，但试件基本保持整体状，并仍具有一定的承载能力。,3.1.2 岩石应力-应变全过程曲线及其五个变形阶段,图3-4 红砂岩应力-应变关系曲线 a)江西红砂岩轴向应力-轴向应变实测全过程曲线 b)概化后的典型岩石应力-应变全过程曲线,(1)孔隙裂隙压密阶段(OA段) 岩石试件原有张性结构面、微孔隙裂隙在轴向压力作用下逐渐闭合，岩石被压密，形成早期的非线性变形，-曲线则表现为上凹形曲线，表明由于微孔隙裂隙的压实闭合，岩石性能出现暂时“强化”现象，通常为一减速的压实闭合过程。,(2)弹性变形阶段(AB段) 经过初期的孔隙裂隙压密，岩石强度性能暂时趋于稳定，压应力作用下岩石发生弹性变形，-
5、曲线几乎为直线，岩石变形随应力增加而成比例增加，并在很大程度上表现为可恢复的弹性变形，B点对应的应力可称为岩石试件的弹性极限。,(3)微弹性裂隙稳定发展阶段(BC段) 随着压应力的增大，试件内微破裂开始发生与发展，但施加的荷载不变时，微破裂发生与发展暂时停止。,(4)非稳定破裂发展阶段(CD段) 该阶段压应力大于屈服极限，微破裂的发展发生本质变化，由于破裂过程中所造成的应力集中效应显著，即使施加的荷载保持不变，破裂仍不断发展，形成微破裂的汇聚与扩大，并在试件中的薄弱部位首先发生破坏，应力重新分布，再次引起次薄弱部位的破坏，直至试件完全破坏。,(5)破坏后阶段(DE段) 又叫峰值后阶段，岩石试件
6、承载力达到峰值强度后，其内部结构遭到破坏，但试件基本保持整体状，并仍具有一定的承载能力。,3.1.3 峰值前应力-应变曲线,(1)类型 该类型岩石的应力-应变关系是直线或者近似直线关系，变形以弹性变形为主，直到试件发生突然破坏。 (2)类型 该类型岩石在应力较低时，应力-应变曲线近似于直线，当应力增加到一定数值后，应力-应变曲线向下弯曲，呈下凹形，随着应力逐渐增加而曲线斜率也就越变越小，直至破坏。 (3)类型 该类型岩石在应力较低时，应力-应变曲线略向上弯曲，呈上凹形，当应力增加到一定数值后，应力-应变曲线逐渐边为直线，直至发生破坏，没有明显的屈服阶段。 (4)类型 该类型岩石在应力较低时，应
7、力-应变曲线向上弯曲，呈上凹形，当压力增加到一定值后，岩石变形过渡为一直线段，随后又转变为向下弯曲曲线，曲线似S形。 (5)类型 该类型岩石基本上与类型相同，也呈S形，不过曲线斜率较平缓。,3.1.3 峰值前应力-应变曲线,(6)类型 该类型岩石应力-应变曲线，开始先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，这是岩盐的应力-应变曲线，某些软弱岩石也具有类似特性，这类岩石被称为弹-粘性体岩石。,3.1.3 峰值前应力-应变曲线,图3-5 峰值前岩石的典型应力-应变曲线类型(据Miller，1965年),(1)类型 该类型岩石的应力-应变关系是直线或者近似直线关系，变形以弹性变
8、形为主，直到试件发生突然破坏。,(2)类型 该类型岩石在应力较低时，应力-应变曲线近似于直线，当应力增加到一定数值后，应力-应变曲线向下弯曲，呈下凹形，随着应力逐渐增加而曲线斜率也就越变越小，直至破坏。,(3)类型 该类型岩石在应力较低时，应力-应变曲线略向上弯曲，呈上凹形，当应力增加到一定数值后，应力-应变曲线逐渐边为直线，直至发生破坏，没有明显的屈服阶段。,(4)类型 该类型岩石在应力较低时，应力-应变曲线向上弯曲，呈上凹形，当压力增加到一定值后，岩石变形过渡为一直线段，随后又转变为向下弯曲曲线，曲线似S形。,(5)类型 该类型岩石基本上与类型相同，也呈S形，不过曲线斜率较平缓。,(6)类
9、型,图3-6 峰值前岩石应力-应变曲线 (据Farmer，1968年),3.1.4 岩石峰值后的变形特征,0307,3.1.4 岩石峰值后的变形特征,0308,3.2 岩石单轴拉伸条件下的力学特性,3.2.1 直接拉伸试验法 3.2.2 劈裂试验法 3.2.3 点载荷试验法 3.2.4 抗弯法试验,3.2.1 直接拉伸试验法,图3-9 限制性直接拉伸装置示意图,3.2.2 劈裂试验法,图3-10 劈裂试验方法及试件中的应力分布示意图,3.2.3 点载荷试验法,图3-11 携带式点荷载仪示意图 1框架 2手摇卧式液压泵 3液压千斤顶 4加荷锥 5液压表 6游标标尺 7试样,3.2.3 点载荷试验
10、法,图3-12 点荷载试验对试件形状和尺寸的要求,3.2.4 抗弯法试验,表3-2 常见岩石的单轴抗拉强度,3.2.4 抗弯法试验,表3-3 岩石的几种强度与抗压强度比值,3.3 岩石剪切条件下的力学特性,1.抗剪断强度 2.抗切强度 3.摩擦强度,3.3 岩石剪切条件下的力学特性,图3-13 岩石剪切试验中的三种不同受力方式示意图 a)抗剪断试验 b)抗切试验 c)弱面抗剪强度试验,1.抗剪断强度,图3-14 岩石抗剪强度曲线,1.抗剪断强度,图3-15 岩石直剪试验示意图 a)剪切盒压剪 b)立方体单面剪,1.抗剪断强度,图3-16 岩石变角 剪切试验示意图 1试件 2变角板夹具 3滚轴
11、4承压板,2.抗切强度,图3-17 岩石冲孔剪切试验示意图,3.摩擦强度,表3-4 常见岩石的c、值,3.摩擦强度,0318,3.4 岩石三轴压缩条件下的力学特性,3.4.1 岩石三轴抗压强度 3.4.2 常规三轴试验条件下的岩石变形与强度 3.4.3 岩石在真三轴试验条件下的力学特征,3.4.1 岩石三轴抗压强度,图3-19 岩石三轴试验示意图 a)真三轴试验 b)常规三轴试验,3.4.1 岩石三轴抗压强度,图3-20 岩石三轴试验 压力室结构示意图 1密封装置 2岩石试件 3侧压力 4球型底座 5进油口 6出油口,3.4.1 岩石三轴抗压强度,图3-21 不同围压下江西红砂岩应力-应变全过
12、程曲线 注：曲线上的数字为围压大小，单位为MPa。,3.4.1 岩石三轴抗压强度,图3-22 莫尔强度包络线 a)曲线形 b)直线形,3.4.2 常规三轴试验条件下的岩石变形与强度,1.围压对岩石刚度的影响 2.围压对岩石破坏方式的影响 3.围压对岩石强度的影响,1.围压对岩石刚度的影响,图3-23 两种岩石在不同作用下的应力-应变曲线 a)辉长岩 b)砂岩,2.围压对岩石破坏方式的影响,1)围压较小时，曲线屈服点不明显，达到峰值时应变值很小，岩石在应力达峰值后迅速破坏，破坏时应力急剧下降，峰值强度与残余强度两者相差很大，即应力降大，如图3-24中围压360MPa时的曲线。 2)围压较大时，岩
13、石发生塑性变形后破坏，破坏后有一定应力降，但要比前者小得多，如图3-24中围压3=(85105)MPa的曲线。 3)围压很大时，岩石屈服后发生很大塑性变形，随着变形的发展，应力几乎保持不变(或缓慢增长)，没有明显的应力降。,3.围压对岩石强度的影响,图3-24 不同围压时的大理岩 应力-应变曲线 (据茂木清夫),3.4.3 岩石在真三轴试验条件下的力学特征,1) 8，主要为拉裂破坏，0。,3.4.3 岩石在真三轴试验条件下的力学特征,0325,图3-26 中间主应力对片岩极限强度的影响(据茂木清夫) a)第1种情形 b)第2种情形 c)第3种情形,3.5 岩石的流变特性,3.5.1 岩石流变
14、3.5.2 岩石流变方程,3.5.1 岩石流变,1)初始蠕变阶段或瞬态阶段，如图3-27中ab段曲线。 2)等速蠕变阶段或稳态阶段，如图3-27中bc段曲线。 3)加速蠕变阶段或不稳定阶段，如图3-27中cd段曲线。,3.5.1 岩石流变,图3-27 岩石蠕变曲线,3.5.2 岩石流变方程,1.流变模型基本元件 2.流变微分方程 3.经验方程,1.流变模型基本元件,(1)弹性元件 如果材料在荷载作用下，其变形性质完全符合胡克定律，则称此种材料为胡克体，是一种理想的弹性体。 (2)塑性元件 物体所受的应力达到屈服极限时便开始产生塑性变形，即使应力不再增加，变形仍不断增长，具有这一性质的物体为理想
15、塑性体，其力学模型用一个摩擦片(或滑块)表示，如图3-29a所示。 (3)粘性元件 牛顿体是一种理想粘性体，牛顿体的力学模型是用一个带孔活塞组成的阻尼器表示，简化的模型如图3-30a所示，通常称为粘性元件。,(1)弹性元件,1)具有瞬时弹性变形性质，一定的非零荷载对应相应的应变，为零(卸载)时，也为零，说明胡克体不存在弹性后效，即变形与时间无关。 2)应变恒定时，应力不变，应力并不因时间增长而减小，说明胡克体无应力松弛性质。 3)应力保持恒定，应变也保持不变，胡克体无蠕变性质。,(1)弹性元件,图3-28 弹性元件力学模型及其性态 a)力学模型 b)应力-应变曲线,(2)塑性元件,图3-29
16、塑性元件力学模型及其性态 a)力学模型 b)应力-应变曲线,(3)粘性元件,1)因=1/t，t=0时，=0，说明粘性元件应变与时间有关，且无瞬时变形。 2)当t=t1且=0时，即=1/0t1。 3)当=0时， =0，=常数，说明外力撤除后应变为常数，粘性元件无弹性后效，但存在永久变形。 4)当应变=常数时，= =0，说明当应变保持某一恒定值后，应力为零，说明粘性元件无应力松弛特性。,(3)粘性元件,图3-30 粘性元件力学模型及其性态 a)力学模型 b)应力-应变速率曲线,2.流变微分方程,(1)圣维南(St.Venant)体 圣维南体由一个弹簧和一个摩擦片串联组成，代表弹塑性体。 (2)马克斯威尔(Maxwell)体 马克斯威尔体是一种弹粘性体模型，它由一个弹簧和一个阻尼器串联组成，其力学模型如图3-32所示。 (3)开尔文(Kelvin)体 开尔文体是一种粘弹性体模型，由胡克体与牛顿体并联而成，即一个弹簧与一个阻尼器组合而成(
