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1、岩体力学岩体力学23岩石的变形性质岩石的变形性质 岩石变形性质的几个基本概念岩石变形性质的几个基本概念1 1）弹性弹性(elasticity)(elasticity)： 物体在受外力作用的瞬间即产生全部物体在受外力作用的瞬间即产生全部变形，而去除外力变形，而去除外力( (卸载卸载) )后又能立即恢复其原有形状和尺寸的性后又能立即恢复其原有形状和尺寸的性质称为弹性。质称为弹性。弹性体按其应力应变关系又可分为两种类型：弹性体按其应力应变关系又可分为两种类型：线弹性体：线弹性体：应力应变呈直线关系应力应变呈直线关系, , =E=E非线性弹性体：非线性弹性体：应力应力应变呈非直线的关系应变呈非直线的关
2、系, , =f(=f()2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（2/442/44）2类型类型 应力较低时，应力应力较低时，应力应变曲线应变曲线近似于直线近似于直线，当应力，当应力增加到一定数值后，应力增加到一定数值后，应力应变曲线向下弯曲，随着应力逐应变曲线向下弯曲，随着应力逐渐增加而曲线斜率也就越变越小，直至破坏。渐增加而曲线斜率也就越变越小，直至破坏。由于这些岩石低应力时表现出弹性，高应力时表现出塑性，由于这些岩石低应力时表现出弹性，高应力时表现出塑性，所以被称为所以被称为弹弹塑性岩石塑性岩石。致密但岩性较软岩石致密但岩性较软岩石如较弱的石灰岩、泥岩以及凝灰岩等。如较弱的石灰岩、泥岩
3、以及凝灰岩等。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（9/449/44）9类型类型 在应力较低时，应力在应力较低时，应力应变曲线应变曲线略向上弯曲略向上弯曲。当应力增当应力增加到一定数值后，应力加到一定数值后，应力应变曲线逐渐变为应变曲线逐渐变为直线直线，直至发生破坏。，直至发生破坏。由于这些岩石低应力时表现出塑性，高应力时表现出弹性，所以由于这些岩石低应力时表现出塑性，高应力时表现出弹性，所以被称为被称为塑塑弹性岩石弹性岩石。具孔隙和微裂隙的坚硬岩石具孔隙和微裂隙的坚硬岩石如砂岩、花岗岩、片理平行于压力方如砂岩、花岗岩、片理平行于压力方向的片岩以及某些辉绿岩等。向的片岩以及某些辉绿岩等
4、。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（10/4410/44）10类型类型 应力较低时，应力应力较低时，应力应变曲线应变曲线向上弯曲向上弯曲，当压力增当压力增加到一定值后，变形曲线成为加到一定值后，变形曲线成为直线直线，最后，曲线，最后，曲线向下弯曲向下弯曲，曲线似曲线似S S型。型。由于这些岩石低应力时表现出塑性，高应力时表现出弹性，由于这些岩石低应力时表现出塑性，高应力时表现出弹性，破坏前又表现出塑性，所以被称为破坏前又表现出塑性，所以被称为塑塑弹弹塑性岩石。塑性岩石。较坚硬致密岩石较坚硬致密岩石如大多数为变质岩（大理岩、片麻岩等）。如大多数为变质岩（大理岩、片麻岩等）。2.3 2
5、.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（11/4411/44）11类型类型 基本上与类型基本上与类型相同，相同，也也呈呈S S型型，不过，不过曲线斜率较平缓曲线斜率较平缓。一般发生在一般发生在压缩性较高的岩石压缩性较高的岩石中。应力垂直于片理的片岩具中。应力垂直于片理的片岩具有这种性质。有这种性质。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（12/4412/44）12类型类型 应力应力应变曲线开始先有应变曲线开始先有很小一段直线很小一段直线部分，然后部分，然后有非弹性的曲线部分，并继续不断地蠕变。有非弹性的曲线部分，并继续不断地蠕变。这类材料被称为这类材料被称为弹弹粘性岩石粘性岩石。岩盐、某些软
6、弱岩石。岩盐、某些软弱岩石。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（13/4413/44）13岩石变形指标及其确定岩石变形指标及其确定岩石的变形特性通常用岩石的变形特性通常用弹性模量弹性模量、变形模量变形模量和和泊松比泊松比等指标表示。等指标表示。1)1)弹性模量和变形模量弹性模量和变形模量2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（14/4414/44）14a. a. 线弹性岩石线弹性岩石应力应力应变曲线具有近似应变曲线具有近似直线直线的形式。的形式。弹性模量：直线的斜率弹性模量：直线的斜率, ,也即应力（也即应力（ ）与应变（）与应变（）的比）的比率被称为率被称为岩石的弹性模量岩石
7、的弹性模量，记为，记为E E。其应力其应力应变关系：应变关系： =E =E即：即：E=/E=/反复加卸载应力反复加卸载应力应变曲线仍为直线。应变曲线仍为直线。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（15/4415/44）15b.b.完全弹性岩石完全弹性岩石应力应变关系为曲线，对于任一应变应力应变关系为曲线，对于任一应变，都有唯一，都有唯一的应力的应力与之对应，与之对应，应力是应变的函数关系，即应力是应变的函数关系，即 =f =f（）切线模量、初始模量和割线模量切线模量、初始模量和割线模量：由于应力由于应力应变应变是一曲线关系，所以这里没有唯一的模量。是一曲线关系，所以这里没有唯一的模量。
8、对于曲线上任一点的值，都有一个。譬如对应于对于曲线上任一点的值，都有一个。譬如对应于P P点的点的值，值，切线模量切线模量就是就是P P点在曲线上的切线点在曲线上的切线PQPQ的斜率的斜率EtEt，曲，曲线原点处的切线斜率线原点处的切线斜率Eo Eo 即为即为初始模量初始模量，而，而割线模量割线模量就就是割线是割线OPOP的斜率的斜率EsEs，通常取，通常取c c/2/2（即极限应力的（即极限应力的50%50%）处的割线模量。）处的割线模量。 EtEt = = d d/d/d; ; Es Es = = /反复加卸载反复加卸载当荷载逐渐施加到任何点当荷载逐渐施加到任何点P P，得加载曲线，得加载
9、曲线OPOP。如果在。如果在P P点将荷载卸去，则卸载曲线仍沿原曲线点将荷载卸去，则卸载曲线仍沿原曲线OPOP路线退到原点路线退到原点O O。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（16/4416/44）16c.c.弹性岩石弹性岩石岩石的应力岩石的应力应变关系不是直线，而是应变关系不是直线，而是曲曲线线，且且卸载曲线不沿原加载路径返回原点。卸载曲线不沿原加载路径返回原点。对于任一应变对于任一应变，不是唯一的应力，不是唯一的应力与之与之对应，对应，应力不是应变的函数关系应力不是应变的函数关系。切线模量和割线模量切线模量和割线模量：卸载曲线：卸载曲线P P点的切点的切线线PQPQ的斜率就是相
10、应于该应力的的斜率就是相应于该应力的卸载切线卸载切线模量模量，它与加载切线模量不同。而加、卸载，它与加载切线模量不同。而加、卸载的的割割线模量相同线模量相同。反复加卸载反复加卸载当荷载逐渐施加到任何点当荷载逐渐施加到任何点P P，得加载曲线得加载曲线OPOP。如果在。如果在P P点将荷载卸去，则点将荷载卸去，则卸载曲线不沿原曲线卸载曲线不沿原曲线OPOP路线退到原点路线退到原点O O，如，如图中虚线所示，这时产生了所谓图中虚线所示，这时产生了所谓滞回效应滞回效应。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（17/4417/44）17d.d.弹塑性岩石弹塑性岩石岩石的应力岩石的应力应变关系不是
11、直线，而是应变关系不是直线，而是曲线曲线，卸，卸载曲线不沿原加载路径返回，且应变也不能恢复到载曲线不沿原加载路径返回，且应变也不能恢复到原点原点O O。对于任一应变对于任一应变，不是唯一的应力，不是唯一的应力与之对应，与之对应，应力不是应变的函数关系。应力不是应变的函数关系。弹性模量和变形模量：弹性模量和变形模量：弹性变形，以弹性变形，以e e表示；塑性变形，以表示；塑性变形，以p p表示；总变表示；总变形，以形，以表示。表示。弹性模量弹性模量E E：把：把卸卸载曲线的割线的斜率作为弹性模量，载曲线的割线的斜率作为弹性模量，即即:E =PM/NM=:E =PM/NM=/e e 变形模量变形模量
12、EoEo：是正应力与总应变：是正应力与总应变()()之比，即：之比，即：Eo =PM/OM=Eo =PM/OM=/= =/(/(e e+ +p p) )塑性滞回环塑性滞回环：加载曲线与卸载曲线所组成的环，：加载曲线与卸载曲线所组成的环，叫做塑性滞回环。叫做塑性滞回环。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（18/4418/44）18弹塑性岩石在循环荷载条件下的变形特征弹塑性岩石在循环荷载条件下的变形特征在循环荷载条件下，在循环荷载条件下，弹性岩石变形如何？弹性岩石变形如何？非弹性岩石（弹塑性）非弹性岩石（弹塑性） 的变形又如何呢？的变形又如何呢？2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特
13、性（19/4419/44）19弹塑性岩石弹塑性岩石等荷载循环加载等荷载循环加载变形特征变形特征等荷载循环加载：等荷载循环加载：如果多次反复加载与卸如果多次反复加载与卸载，且每次施加的载，且每次施加的最大荷载最大荷载与第一次施加的与第一次施加的最大荷载一样。最大荷载一样。塑性滞回环：塑性滞回环：则每次加、卸载曲线都形成则每次加、卸载曲线都形成一个塑性滞回环。这些塑性滞回环随着加、一个塑性滞回环。这些塑性滞回环随着加、卸载的次数增加而愈来愈狭窄，并且彼此愈卸载的次数增加而愈来愈狭窄，并且彼此愈来愈近，岩石愈来愈接近弹性变形，一直到来愈近，岩石愈来愈接近弹性变形，一直到某次循环没有塑性变形为止，如图
14、中的某次循环没有塑性变形为止，如图中的HHHH环。环。临界应力：临界应力：当循环应力峰值小于某一数值当循环应力峰值小于某一数值时，循环次数即使很多，也不会导致试件破时，循环次数即使很多，也不会导致试件破坏；而超过这一数值岩石将在某次循环中发坏；而超过这一数值岩石将在某次循环中发生破坏（生破坏（疲劳破坏疲劳破坏），这一数值称为），这一数值称为临界应临界应力力。此时，给定的应力称为。此时，给定的应力称为疲劳强度。疲劳强度。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（20/4420/44）20弹塑性岩石弹塑性岩石非等荷载循环加载非等荷载循环加载变形变形特征特征增荷载循环加载：增荷载循环加载：多次反
15、复加载、卸多次反复加载、卸载循环，每次施加的最大荷载比前一次载循环，每次施加的最大荷载比前一次循环的最大荷载为大。循环的最大荷载为大。塑性滞回环：塑性滞回环：每次加、卸载曲线都形每次加、卸载曲线都形成一个塑性滞回环。随着循环次数的增成一个塑性滞回环。随着循环次数的增加，塑性滞加，塑性滞回环的面积也有所扩大，卸回环的面积也有所扩大，卸载曲线的斜率（它代表着岩石的弹性模载曲线的斜率（它代表着岩石的弹性模量）也逐次略有增加，量）也逐次略有增加，表明卸载应力下表明卸载应力下的岩石材料弹性有所增强。的岩石材料弹性有所增强。岩石的记忆性：岩石的记忆性：每次卸载后再加载，每次卸载后再加载，在荷载超过上一次循
16、环的最大荷载以后，在荷载超过上一次循环的最大荷载以后，变形曲线仍沿着原来的单调加载曲线上变形曲线仍沿着原来的单调加载曲线上升（图中的升（图中的OCOC线），好象不曾受到反复线），好象不曾受到反复加载的影响似的，这种现象称为加载的影响似的，这种现象称为岩石的岩石的变形记忆。变形记忆。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（21/4421/44）21单轴压缩条件下的岩石单轴压缩条件下的岩石全应力应变曲线全应力应变曲线1 1）全应力应变曲线产生的背景）全应力应变曲线产生的背景普通柔性实验机只能获得普通柔性实验机只能获得峰值以前的峰值以前的应力应变曲线。应力应变曲线。19661966年年以前所获
17、的的岩石应力应变曲线均是峰值以前的曲线。以前所获的的岩石应力应变曲线均是峰值以前的曲线。在普通柔性实验机上的在普通柔性实验机上的试验现象试验现象是：岩石破坏的形式都是是：岩石破坏的形式都是突发的：突发的：瞬间崩裂、碎块四面飞射、伴有很大声响瞬间崩裂、碎块四面飞射、伴有很大声响。 o 2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（22/4422/44）22在普通的试验机上，岩石达到其峰在普通的试验机上，岩石达到其峰值强度后发生突发性破坏的值强度后发生突发性破坏的根本原因根本原因：是试验机的刚度不够大，这类试验机是试验机的刚度不够大，这类试验机称为称为“柔柔”性试验机性试验机（Soft testi
18、ng Soft testing machinemachine）。）。由于试验机的刚度不够大，在试验过由于试验机的刚度不够大，在试验过程中试件受压，试验机框架受拉，如程中试件受压，试验机框架受拉，如图所示。试验机受拉产生的图所示。试验机受拉产生的弹性变形弹性变形以应变能的形式存在机器中。以应变能的形式存在机器中。当施加的压缩应力超过岩石抗压强度当施加的压缩应力超过岩石抗压强度后，试件破坏。此时，后，试件破坏。此时，试验机架迅速试验机架迅速回弹回弹，并将其内部贮存的，并将其内部贮存的应变能释放应变能释放到岩石试件上，从而引起到岩石试件上，从而引起岩石试件的岩石试件的急剧破裂和崩解。急剧破裂和崩解。
19、2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（23/4423/44）23普通柔性实验机获得结果与工程的普通柔性实验机获得结果与工程的矛盾矛盾：试验结果表明，岩石超过其峰值强度后就完全破坏了，没有任试验结果表明，岩石超过其峰值强度后就完全破坏了，没有任何承载能力了。与事实矛盾。何承载能力了。与事实矛盾。事实上，岩石超过其峰值强度后，发生了破坏，内部出现破裂，事实上，岩石超过其峰值强度后，发生了破坏，内部出现破裂，其承载能力因而下降，但并没有降到零，而是其承载能力因而下降，但并没有降到零，而是仍然具有一定的仍然具有一定的强度。强度。特别是在具有限制应力的条件下，情况更是如此。岩石开挖工特别是在具有
20、限制应力的条件下，情况更是如此。岩石开挖工程的围岩一般都处在周围岩石的限制中，因而程的围岩一般都处在周围岩石的限制中，因而破坏时不可能发破坏时不可能发生突然崩解现象生突然崩解现象。从另一方面看，地下岩石在漫长的地质年代中受到过各种力场从另一方面看，地下岩石在漫长的地质年代中受到过各种力场的作用，经历过多次破坏，因而的作用，经历过多次破坏，因而我们在岩石工程中面对的就是我们在岩石工程中面对的就是已经发生过破坏的岩石（岩体）。已经发生过破坏的岩石（岩体）。研究岩石超过其峰值强度破坏后的强度特征对岩石工程本身具研究岩石超过其峰值强度破坏后的强度特征对岩石工程本身具有重要意义。有重要意义。 2.3 2
21、.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（24/4424/44）24试验改进试验改进途径途径提高试验机刚度，降低岩石试件刚度，增加伺服控制系统。试验提高试验机刚度，降低岩石试件刚度，增加伺服控制系统。试验系统组成：钢架构件、液压柱、岩石试件。系统组成：钢架构件、液压柱、岩石试件。a a. .提高试验机钢架构件的刚度：钢架构件的刚度系数提高试验机钢架构件的刚度：钢架构件的刚度系数 Ks=EA/L . Ks=EA/L .增加钢构件的截面积增加钢构件的截面积 A A，减小其长度，减小其长度L L。因此在许多刚性试验机。因此在许多刚性试验机上使用了几个粗矮钢柱以加强。上使用了几个粗矮钢柱以加强。b.b.提高
22、试验机液压柱刚度：液压柱刚度系数提高试验机液压柱刚度：液压柱刚度系数Kf=kA/H. Kf=kA/H. 应增加液应增加液压柱的截面积压柱的截面积A A，减小其长度，减小其长度H H；同时要增大液压油的体积模量；同时要增大液压油的体积模量K K。为此，在少数刚性试验机的液压系统中用水银代替普通液压油。为此，在少数刚性试验机的液压系统中用水银代替普通液压油。c.c.减少岩石试件的刚度：减小试件截面积，增加其长度。减少岩石试件的刚度：减小试件截面积，增加其长度。d.d.增加伺服控制系统，增加伺服控制系统，控制岩石变形速度恒定控制岩石变形速度恒定。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（25/4
23、425/44）25 全应力应变曲线的特征全应力应变曲线的特征19661966年库克（年库克（Cook)Cook)教授利用自制的刚性教授利用自制的刚性试验机获得了的一条大理岩的全应力试验机获得了的一条大理岩的全应力应变曲线应变曲线, ,可将岩石变形分为下列四个阶可将岩石变形分为下列四个阶段段: : 孔隙裂隙压密阶段（孔隙裂隙压密阶段（OAOA段）：段）：即试件中即试件中原有张开性结构面或微裂隙逐渐闭合，岩石原有张开性结构面或微裂隙逐渐闭合，岩石被压密，形成早期的非线性变形，被压密，形成早期的非线性变形，曲曲线呈上凹型。线呈上凹型。在此阶段试件横向膨胀较小在此阶段试件横向膨胀较小，试件体积随载荷增
24、大而减小。试件体积随载荷增大而减小。本阶段变形对本阶段变形对裂隙化岩石来说较明显，而对坚硬少裂隙的裂隙化岩石来说较明显，而对坚硬少裂隙的岩石则不明显，甚至不显现。岩石则不明显，甚至不显现。 弹性变形至微弹性裂隙稳定发展阶段弹性变形至微弹性裂隙稳定发展阶段（ACAC段：段：该阶段的应力该阶段的应力应变曲线成应变曲线成近似近似直线型直线型。其中，。其中，ABAB段为弹性变形阶段，段为弹性变形阶段，BCBC段段为微破裂稳定发展阶段。为微破裂稳定发展阶段。 2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（26/4426/44）26非稳定破裂发展阶段，或称累进性破裂阶非稳定破裂发展阶段，或称累进性破裂阶段
25、（段（CDCD段）：段）：C C点是岩石从弹性变为塑性的转点是岩石从弹性变为塑性的转折点，称为折点，称为屈服点屈服点。相应于该点的应力为相应于该点的应力为屈屈服极限，其值约为峰值强度的服极限，其值约为峰值强度的2/32/3。进入本阶。进入本阶段后，微破裂的发展出现了质的变化，破裂段后，微破裂的发展出现了质的变化，破裂不断发展，直至试件完全破坏。不断发展，直至试件完全破坏。试件由体积试件由体积压缩转为扩容压缩转为扩容，轴向应变和体积应变速率迅，轴向应变和体积应变速率迅速增大。本阶段的上界应力称为速增大。本阶段的上界应力称为峰值强度峰值强度。破裂后阶段（破裂后阶段（D D点以后段）：点以后段）：岩
26、块承载力达岩块承载力达到峰值强度后，其内部结构遭到破坏，但试到峰值强度后，其内部结构遭到破坏，但试件件基本保持整体状基本保持整体状。到本阶段，裂隙快速发。到本阶段，裂隙快速发展，交叉且相互联合形成宏观断裂面。此后，展，交叉且相互联合形成宏观断裂面。此后，岩块变形主要表现为岩块变形主要表现为沿宏观断裂面的块体滑沿宏观断裂面的块体滑移移，试件承载力随变形增大迅速下降，但并，试件承载力随变形增大迅速下降，但并不降到零，说明破裂的岩石仍有一定的承载不降到零，说明破裂的岩石仍有一定的承载力。力。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（27/4427/44）27全应力应变曲线的工程意义全应力应变曲线
27、的工程意义揭示岩石试件破裂后，仍具有一定的承载能力。揭示岩石试件破裂后，仍具有一定的承载能力。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（28/4428/44）28预测岩爆。预测岩爆。A A代表达到峰值强度时积累在试件内部的应变能；代表达到峰值强度时积累在试件内部的应变能；B B代表试件从破代表试件从破裂到破坏整个过程所消耗的能量。裂到破坏整个过程所消耗的能量。若若ABAB，会产生岩爆，会产生岩爆若若BABA，不产生岩爆，不产生岩爆。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（29/4429/44）29预测蠕变破坏。预测蠕变破坏。当应力水平在当应力水平在H H点以下时保持应力恒定，岩石试件
28、不会发生蠕变。点以下时保持应力恒定，岩石试件不会发生蠕变。应力水平在应力水平在G G H H点之间保持恒定。蠕变应变发展会和蠕变终止点之间保持恒定。蠕变应变发展会和蠕变终止轨迹相交，蠕变将停止，岩石试件不会破坏。轨迹相交，蠕变将停止，岩石试件不会破坏。若应力水平在若应力水平在G G点及以上保持恒定，则蠕变应变发展就和全应力点及以上保持恒定，则蠕变应变发展就和全应力应变曲线的右半部，试件将发生破坏。应变曲线的右半部，试件将发生破坏。蠕变终止轨迹线：蠕变终止轨迹线：即在不同应力即在不同应力水平下蠕变终止点的连线，由大水平下蠕变终止点的连线，由大量试验获得，表示在试件加载到量试验获得，表示在试件加载
29、到一定的应力水平后，保持应力恒一定的应力水平后，保持应力恒定，试件将发生蠕变。在适当的定，试件将发生蠕变。在适当的应力水平下蠕变发展到一定程度，应力水平下蠕变发展到一定程度，即应变达到某一值时，蠕变就停即应变达到某一值时，蠕变就停止了，岩石试件处于稳定状态。止了，岩石试件处于稳定状态。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（30/4430/44）30预测循环加载条件下岩石的破坏。预测循环加载条件下岩石的破坏。循环荷载：爆破，而且是动荷载。循环荷载：爆破，而且是动荷载。在高应力水平下循环加载，岩石在很短时间内就破坏。如在高应力水平下循环加载，岩石在很短时间内就破坏。如ABAB在低应力水平下
30、循环加载，岩石可以经历相对较长一段时间，岩在低应力水平下循环加载，岩石可以经历相对较长一段时间，岩石工程才会发生破坏。石工程才会发生破坏。所以，根据岩石受力水平，循环荷载的大小、周期、全应力所以，根据岩石受力水平，循环荷载的大小、周期、全应力应应变曲线来预测循环加载条件下岩石破坏时间。变曲线来预测循环加载条件下岩石破坏时间。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（31/4431/44）31三轴压缩条件下的岩石变形特征三轴压缩条件下的岩石变形特征如图所示的如图所示的大理岩大理岩，在围压为零或，在围压为零或较低的情况下，岩石呈较低的情况下，岩石呈脆性脆性状态；状态；当围压增大至当围压增大至5
31、0MPa50MPa时，岩石显示时，岩石显示出出由脆性到塑性转化由脆性到塑性转化的过渡状态：的过渡状态：把岩石由脆性转化为塑性的临界围把岩石由脆性转化为塑性的临界围压称为压称为转化压力转化压力。 围压增加到围压增加到68.5MPa68.5MPa时，呈现出时，呈现出塑塑性流动状态性流动状态；围压增至围压增至165MPa165MPa时时, ,试件承载力则试件承载力则随围压稳定增长，出现所谓随围压稳定增长，出现所谓应变硬应变硬化现象化现象。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（32/4432/44）32围压对岩石变形的影响围压对岩石变形的影响随着围压的增大，岩石的随着围压的增大，岩石的抗压抗压
32、强度强度显著增加；显著增加；随着围压的增大，岩石的随着围压的增大，岩石的变形变形显著增大；显著增大；随着围压的增大，岩石的随着围压的增大，岩石的弹性弹性极限极限显著增大；显著增大；随着围压的增大，岩石的应力随着围压的增大，岩石的应力应变应变曲线曲线形态发生明显改变；形态发生明显改变；岩石的性质岩石的性质发生了变化：由弹脆发生了变化：由弹脆性性弹塑性弹塑性应变硬化。应变硬化。 花岗岩花岗岩应力应变曲线应力应变曲线2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（33/4433/44）33岩石的扩容岩石的扩容扩容：扩容：当外力继续增加，岩石试件的体积不当外力继续增加，岩石试件的体积不是减小，而是大幅度
33、增加，且增长速率越来是减小，而是大幅度增加，且增长速率越来越大，最终将导致岩石试件的破坏，这种体越大，最终将导致岩石试件的破坏，这种体积明显扩大的现象称为扩容积明显扩大的现象称为扩容 。实验表明：实验表明：体积应变曲线可以分为三个阶段：体积应变曲线可以分为三个阶段：体积变形阶段体积变形阶段 体积应变在弹性阶段内随体积应变在弹性阶段内随应力增加而呈线性变化（体积减小），在此应力增加而呈线性变化（体积减小），在此阶段内，轴向压缩应变大于侧向膨胀。称为阶段内，轴向压缩应变大于侧向膨胀。称为体积变形阶段。在此阶段后期，随应力增加，体积变形阶段。在此阶段后期，随应力增加，岩石的体积变形曲线向左转弯，开始
34、偏离直岩石的体积变形曲线向左转弯，开始偏离直线段，出现扩容。线段，出现扩容。在一般情况下，在一般情况下，岩石开始出现扩容时的应力岩石开始出现扩容时的应力约为其抗压强度的约为其抗压强度的1/31/31/21/2左右。左右。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（34/4434/44）34体积不变阶段体积不变阶段 在这一阶段内，随着应力在这一阶段内，随着应力的增加，岩石虽有变形，但体积应变增量近的增加，岩石虽有变形，但体积应变增量近于零，即岩石体积大小几乎没有变化。于零，即岩石体积大小几乎没有变化。在此阶段内可认为轴向压缩应变等于侧向膨在此阶段内可认为轴向压缩应变等于侧向膨胀，因此称为体积不
35、变阶段。胀，因此称为体积不变阶段。 扩容阶段扩容阶段 当外力继续增加，岩石试件当外力继续增加，岩石试件的体积不是减小，而是大幅度增加，且增长的体积不是减小，而是大幅度增加，且增长速率越来越大，最终将导致岩石试件的破坏，速率越来越大，最终将导致岩石试件的破坏，这种体积明显扩大的现象称为扩容，此阶段这种体积明显扩大的现象称为扩容，此阶段称为扩容阶段。称为扩容阶段。在此阶段内，当试件临近破坏时，两侧向膨在此阶段内，当试件临近破坏时，两侧向膨胀变形之和超过最大主应力方向上的压缩变胀变形之和超过最大主应力方向上的压缩变形值。形值。这时，岩石试件的泊松比已经不是一个常量。这时，岩石试件的泊松比已经不是一个
36、常量。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（35/4435/44）35影响岩石力学性质的主要因素影响岩石力学性质的主要因素1)1)水水对岩石力学性质的影响对岩石力学性质的影响 结合水：产生三种作用：连结作用、润滑作用、水楔作用。结合水：产生三种作用：连结作用、润滑作用、水楔作用。连结作用：连结作用：将矿物颗粒拉近、接紧，起连结作用。将矿物颗粒拉近、接紧，起连结作用。润滑作用：可溶盐溶解，胶体水解，使原有的连结变成水胶连润滑作用：可溶盐溶解，胶体水解，使原有的连结变成水胶连结结，导致矿物颗粒间连结力减弱，摩擦力减低，水起到润滑剂，导致矿物颗粒间连结力减弱，摩擦力减低，水起到润滑剂的作用。
37、的作用。水楔作用：水楔作用：当两个矿物颗粒靠得很近，有水分子补充到矿物表当两个矿物颗粒靠得很近，有水分子补充到矿物表面时，矿物颗粒利用其表面吸着力将水分子拉到自己周围，在面时，矿物颗粒利用其表面吸着力将水分子拉到自己周围，在两个颗粒接触处由于吸着力作用使水分子向两个矿物颗粒之间两个颗粒接触处由于吸着力作用使水分子向两个矿物颗粒之间的缝隙内挤入。的缝隙内挤入。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（36/4436/44）36当岩石受压时：当岩石受压时：如压应力大于吸着力，水分子就被压力从接触点中挤出。如压应力大于吸着力，水分子就被压力从接触点中挤出。反之如压应力减小至低于吸着力，水分子就又
38、挤入两颗粒之间，反之如压应力减小至低于吸着力，水分子就又挤入两颗粒之间，使两颗粒间距增大。使两颗粒间距增大。这样便产生这样便产生两种结果两种结果：一是岩石体积膨胀，如岩石处于不可变形：一是岩石体积膨胀，如岩石处于不可变形的条件，便产生膨胀压力；二是水胶连结代替胶体及可溶盐连结，的条件，便产生膨胀压力；二是水胶连结代替胶体及可溶盐连结，产生润滑作用，岩石强度降低。产生润滑作用，岩石强度降低。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（37/4437/44）37重力水：重力水：对岩石力学性质的影响主要表现在对岩石力学性质的影响主要表现在孔隙水压力作用和孔隙水压力作用和溶蚀、潜蚀作用。溶蚀、潜蚀作
39、用。孔隙压力作用：孔隙压力作用：孔隙压力，孔隙压力，减小了颗粒之间的压应力，从而降减小了颗粒之间的压应力，从而降低了岩石的抗剪强度低了岩石的抗剪强度，使岩石的，使岩石的微裂隙端部处于受拉状态微裂隙端部处于受拉状态从而从而破坏岩石的连结。破坏岩石的连结。溶蚀潜蚀作用：溶蚀潜蚀作用：岩石中渗透水在其流动过程中可将岩石中岩石中渗透水在其流动过程中可将岩石中可可溶物质溶解带走溶物质溶解带走，有时将岩石，有时将岩石中小颗粒冲走中小颗粒冲走，使岩石强度大为，使岩石强度大为降低，变形加大。降低，变形加大。除了上述五种作用外，水在除了上述五种作用外，水在冻融冻融时的时的胀缩作用胀缩作用对对岩石力学强度岩石力学
40、强度破坏很大。破坏很大。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（38/4438/44）382)2)温度温度对岩石力学性质的影响对岩石力学性质的影响 一般地热每增加一般地热每增加100100米深度，温度升高米深度，温度升高33。高硫矿山、自燃矿物温度高高硫矿山、自燃矿物温度高地下深部研究、核废料处理研究地下深部研究、核废料处理研究一般来说，一般来说，随着温度的增高，岩石的延性加大，屈服点降低，强度降随着温度的增高，岩石的延性加大，屈服点降低，强度降低。低。如图所示即为三种不同岩石在围压为如图所示即为三种不同岩石在围压为500MPa500MPa，温度由，温度由2525升高到升高到800800
41、时应力应变特征。时应力应变特征。 玄武岩玄武岩 花岗岩花岗岩 白云岩白云岩 2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（39/4439/44）393)3)加载速率加载速率对岩石力学性质的影响对岩石力学性质的影响 加载速率愈大，弹性模量愈大；加载速率愈大，弹性模量愈大；加荷速率愈小，弹性模量愈小。加荷速率愈小，弹性模量愈小。加载速率越大，获得的强度指标值越高。加载速率越大，获得的强度指标值越高。国际岩石力学学会（国际岩石力学学会（ISRMISRM）建议：建议： 加载速率为加载速率为0.5-1MPa/0.5-1MPa/秒，一般从开始试验直至试件破坏的时间秒，一般从开始试验直至试件破坏的时间为为5
42、10510分钟。分钟。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（40/4440/44）404)4)围压围压对岩石力学性质的影响对岩石力学性质的影响 由三轴压缩试验可知：由三轴压缩试验可知：岩石的脆性和塑性并非岩石固有的性质，它与其受力状态有关，岩石的脆性和塑性并非岩石固有的性质，它与其受力状态有关，随着受力状态的改变，其脆性和塑性是可以相互转化的。随着受力状态的改变，其脆性和塑性是可以相互转化的。在三轴压缩条件下，岩石的变形、强度和弹性极限都有显著增大。在三轴压缩条件下，岩石的变形、强度和弹性极限都有显著增大。例如：欧洲阿尔卑斯山的山岭隧道穿过很坚硬的花岗岩，由于山例如：欧洲阿尔卑斯山的山
43、岭隧道穿过很坚硬的花岗岩，由于山势陡峭，花岗岩处于很高的三维地应力状态下，表现出明显的塑势陡峭，花岗岩处于很高的三维地应力状态下，表现出明显的塑性变形。性变形。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（41/4441/44）415)5)风化风化对岩石力学性质的影响对岩石力学性质的影响 风化作用：是一种表生的自然营力和人类作用的共同产物，是一风化作用：是一种表生的自然营力和人类作用的共同产物，是一种很复杂的地质作用，将涉及到气温、大气、水分、生物、原岩种很复杂的地质作用，将涉及到气温、大气、水分、生物、原岩的成因、原岩的矿物成分、原岩的结构和构造等诸因素的综合作的成因、原岩的矿物成分、原岩的
44、结构和构造等诸因素的综合作用。用。风化作用降低岩体的物理力学性质风化作用降低岩体的物理力学性质：降低岩体结构面的粗糙程度降低岩体结构面的粗糙程度, ,产生新的裂隙，破坏岩体的完整产生新的裂隙，破坏岩体的完整性。岩石结构连结被削弱性。岩石结构连结被削弱, ,坚硬岩石变为半坚硬岩石、疏松土。坚硬岩石变为半坚硬岩石、疏松土。在化学风化过程中，矿物成分发生变化，原生矿物经受水解、在化学风化过程中，矿物成分发生变化，原生矿物经受水解、水化、氧化等作用，逐渐为次生矿物，特别是产生粘土矿物（如水化、氧化等作用，逐渐为次生矿物，特别是产生粘土矿物（如蒙脱石、高岭石等）。蒙脱石、高岭石等）。成分结构和构造的变化
45、成分结构和构造的变化, ,导致抗水性降低、亲水性增高（如膨导致抗水性降低、亲水性增高（如膨胀性、崩解性、软化性增强）；力学强度降低，压缩性加大。胀性、崩解性、软化性增强）；力学强度降低，压缩性加大。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（42/4442/44）42风化作用程度的评价方法：风化作用程度的评价方法：19641964年以来，水电部成都勘察设计研究院科研所提出用年以来，水电部成都勘察设计研究院科研所提出用岩石风化岩石风化程度系数程度系数(K(Ky y) )来评定岩石的风化程度。来评定岩石的风化程度。 K Ky y ( K( Kn n K Kr r K Kw w )/3 )/3 式
46、中：式中： K Kn n=n=n1 1/n/n2 2 ( (孔隙率系数孔隙率系数) )； K Kr r=r=r2 2/r/r1 1 ( (强度系数强度系数) )； K Kw w=1 1/2 2 ( (吸水率系数吸水率系数) )；n n1 1，r r1 1，1 1新鲜岩石的孔隙率、抗压强度、吸水率；新鲜岩石的孔隙率、抗压强度、吸水率；n n2 2，r r2 2，2 2风化岩石的孔隙率、抗压强度、吸水率；风化岩石的孔隙率、抗压强度、吸水率；2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（43/4443/44）43 岩石风化程度分级岩石风化程度分级如下如下: : K Ky y0.10.1剧风化剧风化
47、K Ky y0.10.10.35 0.35 强风化强风化 K Ky y0.350.350.650.65弱风化弱风化 K Ky y0.650.650.900.90微风化微风化 K Ky y0.900.901.001.00新鲜岩石新鲜岩石注意：注意：(1)(1)用上述分级法与地质上肉眼判断等级进行对比用上述分级法与地质上肉眼判断等级进行对比, ,大多是吻合的大多是吻合的, ,所以采用以地质定性评价为基础所以采用以地质定性评价为基础, ,再用定量分级加以补充再用定量分级加以补充, ,可以消可以消除人为的误差除人为的误差; ;(2)(2)岩石风化程度岩石风化程度K Ky y的概念，是表示岩石风化程度深浅的一个相对指的概念，是表示岩石风化程度深浅的一个相对指标，不是绝对值。标，不是绝对值。2.3 2.3 岩石的变形特性岩石的变形特性（44/4444/44）44
