第1章岩石的基本物理力学性质课件.ppt

1、12 岩体是由岩体是由及其所围限的及其所围限的所组成。所组成。（1）物质组成。）物质组成。天然矿物的集合体，天然矿物的集合体，是岩体的是岩体的（2）尺度过渡。）尺度过渡。（图）（图）（3）赋存条件。）赋存条件。复杂的复杂的和和，这是岩体与其他，这是岩体与其他材料的材料的之一。之一。（4）力学性质。）力学性质。岩体：非均质、不连续、各向异性岩体：非均质、不连续、各向异性（5）相互转化。）相互转化。345 物理性质物理性质水理性质水理性质容重容重空隙性空隙性吸水性吸水性抗冻性抗冻性软化性软化性透水性透水性比重比重6 强度性质强度性质变形性质变形性质破坏形式破坏形式强度指标强度指标全应力应变曲线全应

2、力应变曲线弹性、塑性、粘性弹性、塑性、粘性变形参数变形参数在外载作用下，当岩石内在外载作用下，当岩石内部的应力达到或超过某一部的应力达到或超过某一极限时，岩石就发生破坏极限时，岩石就发生破坏789 1011单轴压缩试验岩样破坏基本形式单轴压缩试验岩样破坏基本形式 12岩岩 石石 种种 类类抗抗 压压 强强 度度(MPa)岩岩 石石 种种 类类抗抗 压压 强强 度度(MPa)粗玄岩粗玄岩196343石英片岩石英片岩69178辉长岩辉长岩177294云母片岩云母片岩59127闪长岩闪长岩177294凝灰岩凝灰岩59167玄武岩玄武岩147294千枚岩千枚岩49196石英岩石英岩147294片麻岩片

3、麻岩49196花岗岩花岗岩98245石灰岩石灰岩29245流纹斑岩流纹斑岩98245砂砂 岩岩19.6196大理岩大理岩98245泥灰岩泥灰岩1298板板 岩岩98196页页 岩岩9.898白云岩白云岩78245煤煤4.949岩石单轴抗压强度岩石单轴抗压强度 1314常见岩石的抗拉强度常见岩石的抗拉强度 ctRR4125115基本概念基本概念正应力条件下施加剪切力，岩石能抵正应力条件下施加剪切力，岩石能抵抗的最大剪力抗的最大剪力16抗剪强度常用室内试验抗剪强度常用室内试验直接剪切仪直接剪切仪(直接剪切试验直接剪切试验)、角模压剪仪角模压剪仪/变角板剪切试验变角板剪切试验(角模剪切试验角模剪切试

4、验)、三轴压缩仪三轴压缩仪(三轴压缩试验三轴压缩试验)1718 采用不同的采用不同的角角进行试验，则每个进行试验，则每个对应一组对应一组和和f。sinAPcosAPf19试验步骤试验步骤先将试件施加侧压力先将试件施加侧压力3逐渐增加垂直压力逐渐增加垂直压力1；试件破坏，得到大主应力试件破坏，得到大主应力1，即获破坏即获破坏应力圆；应力圆；改变侧压力改变侧压力3，获得对应的，获得对应的1，和破坏和破坏应力圆；应力圆；20真三轴试验真三轴试验常规三轴试验（伪三轴）常规三轴试验（伪三轴）321试样为立方体试样为立方体321试样为圆柱体试样为圆柱体21 绘制试验对应绘制试验对应1和和3的应力圆（或称莫

5、尔圆），以及的应力圆（或称莫尔圆），以及这些应力圆的包络线，即求得岩石的抗剪强度曲线。这些应力圆的包络线，即求得岩石的抗剪强度曲线。22单轴压缩下的变形单轴压缩下的变形OA：孔隙裂隙压密段：孔隙裂隙压密段AB：弹性变形段：弹性变形段BC：微破裂稳定发展阶段：微破裂稳定发展阶段CD：累计性破裂阶段：累计性破裂阶段D点以后：破裂后阶段点以后：破裂后阶段屈服点典型的应力典型的应力-应变曲线应变曲线/E/侧轴弹性模量：弹性模量：泊松比：泊松比：常温常压下岩石的典型应力一应变曲线常温常压下岩石的典型应力一应变曲线2311212()vxyzxyzIEE3）体积不变阶段）体积不变阶段4）扩容阶段）扩容阶段岩

6、石的扩容岩石的扩容岩石变形性质-体积变形岩石在荷载作用下发生破坏之前产生体积膨胀大于体积压缩的非线性体积变形岩石在荷载作用下发生破坏之前产生体积膨胀大于体积压缩的非线性体积变形1）体积弹性压缩阶段）体积弹性压缩阶段2）体积微破裂压缩阶段）体积微破裂压缩阶段24含水率弹模弹模E或tdEd含水率泊松比泊松比xy2(1)(1)(12)3(12)vEGEEK体积模量：体积模量：剪切模量：剪切模量：拉梅常数：拉梅常数：岩石的变形指标岩石的变形指标251.5 影响岩石力学性质的主要因素 围压 水 温度 加载速度（应变率）26随着围压的增加，岩石抗压强度显著提高，随着围压的增加，岩石抗压强度显著提高，岩石的

7、变形显著增大，岩石的弹性极限显岩石的变形显著增大，岩石的弹性极限显著增大，岩石的应力著增大，岩石的应力-应变曲线形态发生应变曲线形态发生明显改变，岩石的塑性增大，逐渐由脆性明显改变，岩石的塑性增大，逐渐由脆性转化为延性，出现应变硬化转化为延性，出现应变硬化三轴压缩下的变形三轴压缩下的变形围压对岩石力学性质的影响围压对岩石力学性质的影响岩石由脆性向塑性转化的临界岩石由脆性向塑性转化的临界围压称为转化压力，其值与岩围压称为转化压力，其值与岩石强度和温度有关。石强度和温度有关。27水对岩石力学性质的影响水对岩石力学性质的影响（1）结合水产生的软化、润滑与水楔作用，使得）结合水产生的软化、润滑与水楔作

8、用，使得岩石内粒间粘结力降低。岩石内粒间粘结力降低。（2）自由水的孔隙压力作用和溶蚀、潜蚀作用。）自由水的孔隙压力作用和溶蚀、潜蚀作用。（3）孔隙水压力。孔隙水压力的增大可能导致颗）孔隙水压力。孔隙水压力的增大可能导致颗粒间压应力降低，降低岩石有效应力，造成抗剪粒间压应力降低，降低岩石有效应力，造成抗剪强度下降。强度下降。（4）冻融胀缩作用。孔隙、微裂隙中的水在冻融）冻融胀缩作用。孔隙、微裂隙中的水在冻融时的胀缩作用对岩石力学强度破坏很大。时的胀缩作用对岩石力学强度破坏很大。281）温度引起岩石矿物相变对岩石岩性产生影响；）温度引起岩石矿物相变对岩石岩性产生影响；2）由于温度的变化在岩石内引起

9、热应力的变化；）由于温度的变化在岩石内引起热应力的变化；3）温度条件下岩石孔隙和微裂隙中水的性态改变（如发生相）温度条件下岩石孔隙和微裂隙中水的性态改变（如发生相变）引起岩石渗流场、应力场和变形场的耦合变化。变）引起岩石渗流场、应力场和变形场的耦合变化。温度对岩石力学性质的影响温度对岩石力学性质的影响29温度的影响温度的影响高温变形模量降低，屈服点降低，峰值强度降低变形模量降低，屈服点降低，峰值强度降低延性增加，破坏后区的应力应变曲线由应变软化型向应变硬化型转化延性增加，破坏后区的应力应变曲线由应变软化型向应变硬化型转化30低温处于处于0以下冻结状态的岩石，由于其孔隙水、微裂隙水冻结成冰，冻结

10、力的存在以下冻结状态的岩石，由于其孔隙水、微裂隙水冻结成冰，冻结力的存在增强了岩石颗粒之间及裂隙隙端处的连结力，因而岩石强度显著增高。增强了岩石颗粒之间及裂隙隙端处的连结力，因而岩石强度显著增高。危害：岩石中冰体的形成和发育，在裂隙、孔隙中产生巨大的冻胀力，导致孔隙、危害：岩石中冰体的形成和发育，在裂隙、孔隙中产生巨大的冻胀力，导致孔隙、裂隙张开扩展，岩石内部微结构损伤、破坏，产生冻胀变形。裂隙张开扩展，岩石内部微结构损伤、破坏，产生冻胀变形。温度的影响温度的影响31加载速率对岩石力学性质的影响加载速率对岩石力学性质的影响加载速率越快，加载速率越快，测得的变形模量和强测得的变形模量和强度越高度

11、越高岩石破坏后区的应力岩石破坏后区的应力应变曲线也由应变软化应变曲线也由应变软化型向应变硬化型转化型向应变硬化型转化32灰岩灰岩 围压围压500MPa温度恒定，但温度恒定，但应变率变化应变率变化玄武岩玄武岩 围压围压500MPa应变率恒定，但应变率恒定，但温度变化温度变化 温度不变温度不变缓慢加载缓慢加载加载不变加载不变温度升高温度升高同一个力学松弛行为，具有等效性同一个力学松弛行为，具有等效性33应力应变应变应力温度温度=20200 500 800 应变率应变率=10-3 s-110-4 s-110-6 s-110-7 s-1在一定应变率下:在一定温度下:温度效应时间效应升高温度升高温度=延

12、长时间延长时间34 所谓岩石的时温等效是指，岩石在较高温度较短时间内的所谓岩石的时温等效是指，岩石在较高温度较短时间内的力学性质和力学行为，与其在较低温度较长时间内的力学性质力学性质和力学行为，与其在较低温度较长时间内的力学性质和力学行为等效，即时间尺度对岩石的力学性质和力学行为的和力学行为等效，即时间尺度对岩石的力学性质和力学行为的影响可以等效为温度尺度的影响。影响可以等效为温度尺度的影响。因而可以方便地在短时间内通过高温试验和理论分析科学因而可以方便地在短时间内通过高温试验和理论分析科学地预测岩石长期的力学性质演变规律。地预测岩石长期的力学性质演变规律。岩石时温等效原理研究前沿35-4.9

13、4-4.92-4.9-4.88-4.86-4.84-4.82-4.8-4.780.511.522.533.54Log t(秒)Log J(t)20 C60 C80 C100 C150 C200 C300 C对数(300C)对数(200C)对数(150C)对数(100C)对数(80C)对数(60C)对数(20C)Logarithmic Curves of Creep Compliance vs Time of TGP Granite 三峡花岗岩蠕变柔量的时温等效效应三峡花岗岩蠕变柔量的时温等效效应3614-4.94-4.92-4.9-4.88-4.86-4.84-4.82-4.8-4.78012345678910111213Log t(秒)Log J(t)20C60C80C100C150C200C300CThe Complete Curve of Creep Compliance of TGP Granite at Referential Temperature=20。C1万年10年