岩块的变形与强度性质

岩块的力学属性：

1．弹性（elasticity）：在一定的应力范围内，物体受外力产生的全部变形当去除外力后能够立即恢复其原有的形状和大小的性质。

2．塑性（plasticity）：物体受力后产生变形，在外力去除（卸荷）后不能完全恢复原状的性质。不能恢复的变形叫塑性变形或永久变形、残余变形。

3．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。应变速率随应力变化的变形叫流动变形。

4．脆性（brittle）：物质受力后，变形很小时就发生破裂的性质。

5．延性（ductile）：物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力的性质。

第一节岩块的变形性质

一、单轴压缩条件下的岩块变形性质

1．连续加载下的变形性质

（1）加载方式：

单调加载（等加载速率加载和等应变速率加载）

循环加载（逐级循环加载和反复循环加载）

（2）四个阶段：

①Ⅰ：OA段，孔隙裂隙压密阶段；

②Ⅱ：AC段，弹性变形至微破裂稳定发展阶段（AB段和BC段）

弹性极限→屈服极限

③Ⅲ：CD段，非稳定破裂发展阶段（累进破裂阶段）→“扩容”现象发生

“扩容”：在岩石的单轴压缩试验中，当压力达到一定程度以后，岩石中的破裂（裂纹）继续发生和扩展，岩石的体积应变增量由压缩转为膨胀的力学过程。

—峰值强度或单轴抗压强度

④Ⅳ：D点以后阶段，破坏后阶段（残余强度）

以上说明：

岩块在外荷作用下变形→破坏的全过程，具有明显的阶段性，总体上可分为两个阶段：

1）峰值前阶段（前区）

2）峰值后阶段（后区）

（3）峰值前岩块的变形特征（Miller，1965）

①应力—应变曲线类型

米勒（Miller，1965）6类（σ—εL曲线），如图4.3所示：

Ⅰ：近似直线型（坚硬、极坚硬岩石）：如玄武岩、石英岩等；

Ⅱ：下凹型（较坚硬、少裂隙岩石）：如石灰岩、砂砾岩；

Ⅲ：上凹型（坚硬有裂隙发育）：如花岗岩、砂岩；

Ⅳ：陡“S”型（坚硬变质岩）：如大理岩、片麻岩；

Ⅴ：缓“S”型（压缩性较高的岩石）：如片岩；

Ⅵ：下凹型（极软岩）。

法默（Farmer，1968），根据峰前σ—ε曲线把岩石划分三类，如图4.4所示：

准弹性岩石：细粒致密块状岩石，如无气孔构造的喷出岩、浅成岩浆岩和变质岩等。

具弹脆性性质。

半弹性岩石：空隙率低且具有较大内聚力的粗粒岩浆岩和细粒致密的沉积岩。

非弹性岩石：内聚力低，空隙率大的软弱岩石，如泥岩、页岩、千枚岩等。

②变形参数确定（变形模量、泊松比）

变形模量（modulus of deformation）：

当σ—ε为直线关系时，E为常量。

当σ—ε为非直线关系时，E为变量（初始模量、切线模量、割线模量）。

σ—ε为非直线时，工程上用得最多的是切线模量（通常所说的弹性模量）。其中

初始模量（Ei）：反映了岩石中微裂隙的多少；

切线模量（Et）：反映了岩石的弹性变形特征；

割线模量（Es）：反映了岩石的总体变形特征。

变形模量:指单轴压缩条件下，轴向压力与轴向应变之比。

当σ—ε关系为直线↓，变形多为弹性变形，故变形模量又叫“弹性模量（modulus of elasticity）或杨氏模量”。

泊松比μ（poisson′s ratio）：

指单轴压缩条件下，横向应变（）与轴向应变（）之比。

（采用处的与之经来计算μ）

※E和μ常具有各向异性：

当垂直于层理、片理等微结构面方向加荷时，E最小；

当平行于层理、片理等微结构面方向加荷时，E最大。

（4）峰值后岩块的变形特征

刚性压力机（Rigid machine）和伺服机（Servocontrol machine）的出现→后区研究

岩块σ—ε全过程曲线

岩块应力（σ）—应变（ε）全过程曲线基本模式：

①Wawersik和Fairhust（1970）（图4.5）

Ⅰ型：稳定破裂传播型，后区负坡向，变形能不能使破裂继续扩展；

Ⅱ型：非稳定破裂传播型，后区正坡向，本身所贮存的能量能使破裂继续扩展。

②葛修润等人（1994）（图4.6）

后区曲线在P点右侧。上图的Ⅱ型曲线是人为控制造成的。

岩石越脆，曲线越陡，如新鲜的花岗岩、玄武岩；

越是塑性岩石，后区曲线越缓，如页岩、泥岩、泥灰岩和红砂岩等。

2．循环荷载条件下的变形特征（逐级循环加载和反复循环加载）

（1）同一荷载下，加、卸荷且弹性极限时，大部分为弹性恢复，如图4.7所示

弹性后效：岩石（块）在循环荷载作用下，当卸荷后，大部分弹性变形能很快恢复，而小部分（10%～20%）的弹性变形须经一段时间才能恢复的现象。即指加荷或卸荷条件下，弹性应变滞后于应力的现象。

（2）同一荷载下，加、卸荷且时，如图4.8所示

弹性模量：变形模量：

（3）逐级循环加载，如图4.9所示

每次加、卸荷曲线不重合，且围成封闭环→“回滞环”→“岩石记忆”

（4）反复循环加、卸载（荷），如图4.9所示

（a）次数越多，再加荷曲线越陡（应变强化），回滞环面积变小；

（b）残余变形εp↑；

（c）疲劳强度的出现。

疲劳强度：使岩石发生疲劳破坏时循环荷载的应力水平的大小（非定值）。

岩石疲劳破坏：在循环荷载作用下，岩石会在比峰值应力低的应力水平下破坏的现象。