岩石变形和强度
岩体力学结构面的变形与强度性质
各种结构面抗剪强度指标的变化范围
结构面剪切刚度直剪试验结果
五、粗糙起伏无充填的结构面的强度特征
充填粘土的断层，岩壁风化 15
5
33
0
充填粘土的断层，岩壁轻微 18
8
风化
新鲜花岗片麻岩不连续结构 20
10ห้องสมุดไป่ตู้
面
玄武岩与角砾岩接触面
20
8
37
0
40
0
45
0
致密玄武岩水平不连续结构 20
7
面
玄武岩张开节理面
20
8
38
0
45
0
玄武岩不连续面
12.7
4.5
0
结构面法向刚度直剪试验结果
岩 组
绢 英 岩
绢英 化花 岗岩
（一）规则锯齿形结构面
1. 当法向应力较低时 I 单个凸起体滑移面上的应力：
剪胀效应：结构面在剪切过程中,由 于起伏度的存在,结构面的摩擦角由 b 增大到( b + i ) 的现象。
剪胀：结构面在剪切过程中产生的 法向位移分量的现象。原因在于在 剪应力作用下,沿凸起的滑移,除产生 切向位移外,还产生沿向上的移动。
经验估算结构面特征法向刚度knmpacm剪切刚度ksmpacm抗剪强度参数摩擦角粘聚力cmpa充填粘土的断层岩壁风化15充填粘土的断层岩壁轻微风化18201040玄武岩与角砾岩接触面20玄武岩张开节理面20玄武岩不连续面12745结构类型未浸水抗剪强度浸水抗剪强度24mpa摩擦角cmpa摩擦角cmpa法向刚度kn1mpacm剪切刚度ks1mpacm平直粗糙有陡坎4041015020363801401643526290起伏不平粗糙有4244020027383901702334824199波状起伏粗糙3940012015363701101322544667平直粗糙3839007011353600800922462246平直粗糙有陡坎404202503538390260304213648108起伏大粗糙有陡坎43480350504041030043357867113波状起伏粗糙3940015023373801302738583863平直粗糙38400090153637008013211434558平直粗糙有陡坎404503004438410300341114772112起伏大粗糙有陡坎444803505540440360446116959120波状起伏粗糙4041025035384102103070844884平直粗糙3941015020374001501751904665结构面法向刚度直剪试验结果二剪切变形性质剪切应力剪切位移法向应力结构面剪切试验示意图结构面剪切位移剪切应力曲线峰值剪切强度残余剪切强度剪切位移一剪切变形特征二剪切变形本构方程卡尔哈韦kalhaway方程通过大量试验发现峰值前的剪应力剪位移曲线可用双曲线拟合三剪切刚度及其确定方法定义
第4章 岩石弱面变形与强度
Xe
a A
多处不连续切割叠加：
a
a
i 1
n
i
结构面的密集程度 ：岩体中结构面发育的程度 裂隙度K :同一组结构面沿法线方向单位长度上的节理数量
a.单组节理(具有同一走向）
设取样线长度为L，在 L上
实例： k=4/10=0.4/m d=1/k=2.5m
§2 弱面类型(张版) 原生结构面
火成结构面 沉积结构面 变质结构面 断层 节理 劈理
成因及类型
构造结构面
次生结构面
原生结构面是指在成岩过程中所形成的结构面，其特征和
岩体成因密切相关。
构造结构面是指岩体受地壳运动（构造应力）作用所形成
的结构面，如断层、节理、劈理以及由于层间错动而引起
的破碎层等。 次生结构面是指岩体在外营力（如风化、卸荷、应力变化 、地下水、人工爆破等）作用下而形成的结构面。
Patton公式
arcta分形几何也提供了一种确定粗糙度系数的方法。
3.4 弱面抗剪强度参数
弱面类型 泥化石 黏土岩层面、泥灰 岩层面、页岩层面 砂岩层面、砾岩层 面、石灰岩层面 滑石片岩片理面、 云母片岩片理岩 一般片理面 光滑破碎面 粗破碎面 内摩擦角ψ/0 10－20 20－30 30－40 10－20 20－30 30－40 40－48 内摩擦系数tanψ 0.18-0.36 0.36-0.58 0.58-0.84 0.18-0.36 0.36-0.58 0.58-0.84 0.81-1.11 0-0.490 0.490-0.980 0.490-0.980 0.085-0.2940 黏结系数/MPa 0-0.490 0.490-0.980
阅读理解-尤明庆《岩石试样的强度及变形破坏过程》
阅读拾零尤明庆《岩石试样的强度及变形破坏过程》岩石内部都有缺陷，若研究的尺度与这些缺陷分布相当，则必定要认为岩石是非均质的。
当然，在考虑范围较大、使用更大的尺度时，岩石又可以被认为是具有均匀缺陷的材料。
最为显著的事实是，岩样尺度越大，强度的离散程度越小。
P7随着岩样棱数减少，抗压强度降低，说明边缘的棱角容易损坏，不能用来作为有效的承载面积。
P8在进行岩石力学性质试验研究时，必须始终明确岩石材料的非均质性，试验结果的差异并不完全是由围压、加载速度、应力路径等可控参数引起的，岩样也是试验过程中的一个变化参数。
P8显然杨氏模量表示了岩样的弹性变形特征，是材料参数，与岩样的形状尺度无关；而峰值之后的软化曲线只是材料的特性在具体岩样的宏观表现，并非真正意义上的材料本构关系。
P12 岩样单轴压缩破坏形式复杂多变，通常认为，最终的破坏多数是轴向近乎平行的劈裂破坏，或称岩样单轴抗压强度的降低是由于岩样内部的拉伸破坏造成的。
P13剪切滑移作用还会产生垂直于轴向的拉力，其大小随该滑移面积的增大而增大。
P14如果最初的剪切滑移面出现在岩样内部，那么剪切滑移引起的沿轴向拉张劈裂面可能使岩样侧面的材料脱离主体，成为一个压杆。
细长压杆通常产生失稳而折断，完全失去承载能力。
原来储存的弹性形变恢复，使其长度大于岩样而弯曲。
这种破坏情形会在应力-应变全程曲线上反映出来，即在应变几乎不变时出现一个应力小幅度跌落。
这种应力跌落多出现在峰值附近，但并不会显著影响岩样的整体形变过程。
P14只有材料的剪切破坏才能引起承载能力的降低。
P15Coulomb准则，即轴向最大承载能力T与围压呈线性关系：。
参数Q的力学含义是：岩样在完全剪切破坏时的单轴抗压强度，可以作为岩样的材料强度来看待。
实际单轴压缩过程中由于岩样沿轴向的张拉破坏，岩样无缺陷时的理想强度通常也是小于Q的。
这就意味着，作为材料强度特性的参数Q，是不可能从单一试验中得到的，必须通过不同围压下的岩样强度进行回归分析才能得到。
岩石的强度和变形特性
四、岩石流变性质：
1、岩石流变性质——岩石 , 随时间增长而变化的性质。 2、流变现象：
蠕 变——应力不变，应变随时间增加而增长的现象。
（当 const 时
松 （当
(t )
）
弛——应变不变，应力随时间增加而减小的现象。
const 时 (t )
）
弹性后效——停止加、卸载，应变需经一段时间达到应有值的现象。 粘性流动——蠕变后卸载，部分变形不能恢复的现象。
3、蠕变曲线： 岩石蠕变的类型：
稳定蠕变 （低应力）
不稳定蠕变
稳定蠕变
不稳定蠕变（高应力）
典型蠕变曲线： （蠕变三阶段）
初始蠕变阶段——应变增加，但应变增加速率降低； 定常蠕变阶段——应变增加速率保持不变； 加速蠕变阶段——应变增加速率迅速增加，直至破坏。
加速蠕变
定常蠕变
初始应变
瞬时应变
典型蠕变曲线
与岩石类别有关（粘土矿物岩石蠕变显著） 岩石蠕变
与应力大小有关（高应力蠕变明显，超过极限
应力，蠕变进入不稳定阶段）
蠕变试验：时间长； 测量要求精度高（用千分表）； 载荷恒定。 研究蠕变的意义：了解岩石的长时强度。 长时强度———岩石蠕变破坏时的最低应力值。 长时强度对岩土工程更为重要。 长时强度 < 强度 < 瞬时强度
5、岩石变形中的扩容现象：
①扩容现象——岩石破坏前，因微裂隙产生及内部小块体相对滑移， 导致体积扩大的现象。
②体应变——变形后的体积增量与变形前体积之比。
dv 1 2 1 2 3 v x y z dv E
③体应变曲线：
T
三个阶段：体积减小阶段0F 体积不变阶段F 体积扩大阶压强度——岩石在单轴压缩下，破坏前所能承受的最大压应力。
3岩石力学性质及强度
四、岩石变形特性参数的测定
1、弹性模量E的确定 a、线弹性类岩石――σ ～ε 曲线呈线性关系，曲线上任 一点P的弹性模量E：
E
b
σ ～ε 曲线呈非线性关系
d 初始模量 : E 初＝ d
切线模量（直线段）：
0
a 2 a1 E 切＝ a 2 a1
割线模量：
际受力状态而测定岩石在围压作用下的抗压强度、
变形模量、弹性模量及泊松比。
岩石的三轴抗压强度、变形模量、弹性模量、 泊松比及剪切模量分别为：
P （ 2） 3 A
50 3 Ee （ 4 ） 50 i
Ee G 6） （ 2(1 u )
50 3 E0 50 0
2、间接拉伸试验
A 劈裂法（巴西试验法）
圆盘试件：
2P t d t
方形试件：
2P t ah
式中：P—破坏时的荷载，N;
d— 试件直径；cm；
t—试件厚度，cm； a，h—方形试件边长和厚度，cm。
不规则试件（加压方向应满足h/a≤1.5 ）：
t
P V 2/3
1 与 主 应 力 差 ( σ 1-
σ 3) 的关 系 曲 线 表 示 。
围压对岩石变形的影响
图2－6 三轴应力状态下大理岩的应力－应变曲线
围压对岩石刚度的影响
砂岩：孔隙较多，岩性较软， σ3增大，弹性模量变大。 辉长岩：致密坚硬， σ3增大，弹性模量几乎不变。
围压对岩石强度的影响
图2－6 三轴应力状态下大理岩的应力－应变曲线
岩石力学的弹性变形
E K 3 1 2
弹性模量, E 泊松比, v 体积模量, K 剪切模量, G
3岩石力学性质及强度解析
一些典型的破坏形态
岩石的变形特性，根据其破坏特征，可以分为弹 性、弹塑性、塑性、粘性等(粘性又可分为粘弹性 和粘塑性)等。
§3-2 岩石的变形特性
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
瓦威尔西克（Wawer Sik,1968）对岩石开始宏观破坏 后的性态做了仔细研究，所得结果如图所示。
类型1：试件仍有一定的强度。要使试件进一步破坏，试验机必须进 一步作功，这种类型为稳定破坏型。应力－应变曲线的破坏后区斜率 为负。这种类型为稳定破坏型；（孔隙率大的沉积岩和部分结晶岩） 类型2：试件受力达到其极限强度以前储存的弹性变形能就足以使试 件完全破坏，不但不需要试验机进一步作功，还要逐步卸载，才能作 出破坏后区应力－应变曲线。应力－应变曲线的破坏后区斜率为正。 这种类型为非稳定破坏型；（细粒结晶岩）
小 结：
1．无论岩石在什么状态的应力条件下( 压、拉、剪、弯、扭)，其破坏形式基本上只 有两种：拉伸和剪切。 2． 三向等压>三向不等压>双向压>单向 压>剪切(包括扭转)>弯曲>单向拉伸；
3．从试验数量来看，单向压缩试验、 圆盘劈裂试验最多。
岩石的破坏形式
就其破坏本质而言，岩石破坏有以下三种类型： 1、拉破坏 2、剪切破坏 3、塑性流动破坏
1 与 主 应 力 差 ( σ 1-
σ 3) 的关 系 曲 线 表 示 。
围压对岩石变形的影响
图2－6 三轴应力状态下大理岩的应力－应变曲线
围压对岩石刚度的影响
岩石的地质学实验
岩石的地质学实验岩石是地质学中的重要研究对象，通过实验可以对岩石的性质和形成过程进行深入研究。
地质学实验涵盖了多个方面，包括岩石的物理性质、化学性质、形态特征以及岩石变形和分解等。
本文将重点介绍几种常见的岩石地质学实验。
一、岩石物理性质实验1. 密度测定实验密度是岩石的一个重要物理性质，通常使用质量和体积来表示。
在实验中，我们可以通过称量岩石样品的质量并浸入水中测定体积，然后计算出岩石的密度。
这种实验方法被称为浮法测定。
2. 孔隙度和孔隙率实验岩石的孔隙度是指岩石中的总体积中孔隙占据的部分的比例。
孔隙度和孔隙率通常可以通过测量岩石样品的饱和质量（即含水量）和干质量，然后计算出来。
这些数据对于水文地质和油气勘探等领域具有重要意义。
3. 磁化率实验磁化率是研究岩石磁性的重要参数。
使用磁化率仪可以测量岩石样品在外加磁场作用下的磁化率。
这种实验方法可以用于研究地磁场对岩石反应的影响，以及岩石中可能存在的磁性矿物。
二、岩石化学性质实验1. 酸蚀实验酸蚀实验可以用于确定岩石中存在的酸溶性矿物。
在实验中，可以选择一种酸性试剂（如盐酸）来与岩石样品接触，观察是否产生气泡或溶解反应，从而推断岩石中酸溶性矿物的存在。
2. 岩石溶解实验溶解实验可以用于研究岩石中的可溶性矿物。
在实验中，可以选择一种溶液（如氢氧化钠溶液）与岩石样品接触，观察是否发生溶解反应。
通过溶解实验可以确定岩石中的可溶性矿物类型以及它们的溶解特性。
3. 物理吸附实验物理吸附实验可以研究岩石表面的吸附性质。
在实验中，可以使用一种吸附剂（如活性炭）与岩石样品接触，观察吸附剂上吸附的气体分子或溶质的种类和数量。
这种实验方法对于研究岩石中的孔隙结构和孔隙表面特征具有重要意义。
三、岩石形态特征实验1. 岩石显微镜观察实验显微镜观察实验可以研究岩石的显微结构和组成。
通过使用显微镜，可以观察到岩石中的矿物颗粒、晶体结构以及岩石中可能存在的裂缝和变形等特征。
2. 岩石薄片制备实验岩石薄片制备实验是为了进行岩石显微镜观察而进行的。
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）。
岩石工程特性主要指标
岩石工程特性主要指标岩石工程特性主要指标是用于描述和评价岩石在工程应用中的特性和性能的一系列指标。
这些指标可以用来评估岩石的强度、变形特性、稳定性以及在岩石工程设计和施工过程中的适用性。
以下是一些常见的岩石工程特性主要指标：1.岩石强度指标岩石的强度指标是衡量岩石抵抗外部荷载作用下破坏的能力。
常见的强度指标包括抗压强度、抗拉强度、抗剪强度等。
抗压强度是岩石最常用的强度指标之一，它表示岩石在垂直于作用方向的外部压力下能承受的最大应力。
抗拉强度是岩石抵抗拉伸作用的能力，常用于评估岩石的断裂性质。
抗剪强度是岩石抵抗剪切作用的能力，常用于评估岩石的稳定性。
2.岩石变形特性指标岩石的变形特性指标描述了岩石在受力作用下的变形行为。
常见的变形特性指标包括弹性模量、泊松比、抗弯刚度和岩石的变形模量。
弹性模量代表岩石在受力后恢复原状的能力。
泊松比表示岩石在受力过程中体积收缩的程度。
抗弯刚度是评估岩石抵抗弯曲变形的能力。
岩石的变形模量是描述岩石在受力作用下的变形程度的指标。
3.岩石稳定性指标岩石的稳定性指标是评估岩石在自重和外部荷载作用下的稳定性的能力。
常见的稳定性指标包括摩擦角、强度准则和岩石的排水能力。
摩擦角是用于描述岩石表面之间摩擦的指标，较大的摩擦角表示岩石结构稳定性更好。
强度准则是用于评估岩石破坏的标准，包括强度准则、稳定性准则和应力准则。
岩石的排水能力是指岩石在受水作用时的渗透性和排水性能。
4.岩石侵蚀特性指标岩石的侵蚀特性指标是用来描述岩石在风化、侵蚀、冻融循环等自然环境作用下的耐久性和稳定性。
常见的侵蚀特性指标包括岩石的吸水性、抗冻性和耐候性。
岩石的吸水性是描述岩石对水的渗透能力，抗冻性是评估岩石在冻融循环作用下的稳定性和耐久性。
岩石的耐候性是指岩石在大气、水分和化学作用下的稳定性和抗侵蚀性能。
综上所述，岩石工程特性主要指标包括岩石的强度指标、变形特性指标、稳定性指标和侵蚀特性指标。
这些指标是评估岩石适用性和在岩石工程设计和施工中的性能表现的重要依据。
岩石的物理力学指标及其试验方法、强度特性、变形特性、强度理论、工程岩体分级标准
（一）掌握岩石的物理力学指标及其试验方法；了解岩石的强度特性、变形特性、强度理论；掌握工程岩体分级标准。
1.物理力学指标（物理性质指标）
岩石的容重：单位体积内岩石(包括孔隙体积)的重量称为岩石的容重，单位（N/m³）。
干容重：就是指不含水分状态下的容重。
一般用于表示土的压实效果，干容重越大表示压实效果越好。
最大干容重：是在实验室中得到的最密实状态下的干容重。
密度：单位体积所具有的质量称为密度，公式ρ=m/V(kg/m3);单位体积所具有的重量称为容重，公式γ=G/V（N/m3)，容重等于密度和重力加速度的乘积，即γ=ρg，单位是牛/立方米（N/m³）。
岩石的比重：岩石的比重就是绝对干燥时岩石固体部分实体积(即不包含孔隙的体积)的重量与同体积水(4℃)的重量之比。
单轴压缩试验试件要求：
端部效应是指试样受压时，两端部受其与试验机承压极间摩擦力的束缚、不能自由侧向膨胀而产生的对强度试验值的影响。
渗透系数
2.物理力学指标（变形性质指标）
弹性模量
变形模量
泊松
弹性模量：单位应变的应力。
3.物理力学指标（强度性质指标）
强度指标：抗压强度、抗剪强度、抗剪断强度、抗切强度、抗拉强度
三轴压缩试验：
岩石的强度特性、变形特性、强度
岩石三轴试验要求尽可能地使岩石处于三轴受力情况下
、。
岩石力学参数的测试与分析
岩石力学参数的测试与分析概述岩石力学参数是评估岩石的强度和变形特性的关键指标，对于地质工程、矿山开采、隧道建设等领域具有重要意义。
本文将探讨岩石力学参数的测试与分析方法，以及该领域的研究现状和挑战。
一、岩石力学参数的测试方法岩石力学参数的测试是确定岩石强度、变形模量、黏聚力、内摩擦角等参数的关键步骤。
常见的测试方法包括：1. 压缩试验：通过施加垂直载荷，测量岩石的应力应变关系，得到岩石的强度和变形特性。
2. 剪切试验：应用垂直和水平剪应力，测量岩石的剪切应变和摩擦特性，推导出内摩擦角和黏聚力。
3. 拉伸试验：适用于构成岩石破坏准则的参数，如抗拉强度和韧度。
4. 动态试验：通过施加冲击力或振动载荷，模拟地震作用，研究岩石的振动特性和强度。
二、岩石力学参数的分析方法岩石力学参数的分析是基于测试数据进行的，旨在揭示岩石力学行为和工程性质。
常用的分析方法包括：1. 图形法分析：通过绘制应力与应变曲线，确定岩石的强度特征和破坏模式。
2. 统计学方法：将大量数据进行统计处理和分析，建立岩石力学参数的概率分布模型，提供可靠的工程设计依据。
3. 数值模拟：采用有限元法或边界元法等数值方法，建立岩石的数学模型，模拟各种工况下的应力场和变形特征。
4. 统计学回归分析：通过多元回归等统计学方法，分析影响岩石力学参数的主要因素和相互关系，提高参数测试的准确性。
三、岩石力学参数研究的现状和挑战岩石力学参数的研究是岩石力学领域的重要课题，目前存在以下现状和挑战：1. 数据不一致性：岩石力学参数受到岩石样本的大小、形状、水分等因素的影响，导致不同实验条件下参数结果有较大差异。
2. 复杂多变的地质条件：岩石力学参数的测试和分析需要考虑多种地质条件，如应力状态、温度、湿度等，增加了测试的难度和复杂性。
3. 岩石力学模型的不完善性：目前对于岩石力学行为的理解还存在一定的缺陷，岩石力学模型的建立仍然需要进一步研究和改进。
4. 桥梁效应的挑战：岩石力学参数的测试往往是在小尺度的实验室环境中进行的，如何将实验结果应用到实际工程中，需要克服桥梁效应的挑战。
岩石的力学特性及强度准则
岩石的力学特性及强度准则岩石力学性质主要是指岩石的变形特征及岩石的强度。
由于在石油工程中，并壁稳定、出砂分析、水力压裂、储层物性变化等都与岩石力学性质亲密相关，因此有必要讨论岩石的力学性质及其在物理环境下应力场中的反映。
影响岩石力学性质的因素许多，例如岩石的类型、组构、围压、温度、应变率、含水量、载荷时间以及载荷性质等。
要讨论这些简单因素对岩石力学性质的影响，只能在试验艾博希室内严格掌握某些因素的状况下进行。
岩石的变形特性，最直观的表达方法是通过应力一应变关系曲线及应变随时间变化的曲线来表示。
通常首先讨论在常温、常压（即室温与通常大气压）条件下岩石的力学性质，然后再考虑其他影响因素下岩石的力学性质。
这样才能渐渐弄清在地质条件下，综合因素对岩石力学性质的影响。
岩石在常温、常压下一般产生脆性破坏，但深埋地下的岩石却表现为明显的延性。
，岩石这一性质的变化是由于所处物理环境的转变造成的。
所谓脆性与延性至今尚无非常明确的定义。
一'般所谓脆性破坏是指由弹性变形发生急剧破坏，破坏后塑性变形较小。
延性是指弹性变形之后产生较大的塑性变形而导致破坏，或直接进展为延性流淌。
所谓延性流淌IC现货商是指有大量的永久变形而不至于破坏的性质* 对于岩石而言，破坏前的应变或永久应变在3%以下可作为脆性破坏，5%以上作为延性破坏，3% 一5%为过渡状况。
由于地下的岩体和井壁围岩均处于三向应力状态，所以对岩石力学性态的测定不能靠简单的单轴压缩试验方法，而必需在肯定的围压作用厂（必要时还要考虑温度的作用）进行试验测定。
真三轴试验（岩石上三个主方向的作用力均不等）非常简单，一般均不采纳。
普退采纳的是常规三轴压缩试验方法，一般用圆柱形岩样，在其横向施加液体围压，即在水平的两个主方向上的应力相等且等于围压久，如图1—1所示。
假如上下垫块是带孔可渗透的，亦可通入孔隙流体压力以讨论孔隙压力的影响。
在试验过程中把岩样放在高压室中先对岩样四周用围压油加压至所需的值9c（需要时亦可加孔隙压至所需的夕。
第4章 岩石的变形与强度特性1
2020年4月22日星期三
本章内容：
§4-1 概述 §4-2 岩石的变形特性 §4-3 岩石的蠕变特性 §4-4 岩石的强度试验 §4-5 岩石的强度理论
重点:
1、岩石的单轴压缩变形特性，应力－应变全过程曲线 的工程意义；
2、岩石在三轴压缩条件下的力学特性； 3、岩石的流变性。 4、岩石的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度及其实验室测 定方法 5、岩石在三轴压缩条件下的力学特性； 6、莫尔强度理论、格里菲斯断裂强度理论及判据；
变形性质
单轴压缩
云南腾冲 柱状节理
林县红旗渠
悬挂在山腰的 输水渠道
真是不简单！
试样 试验机
第三节 岩石的单轴抗压强度和破坏形式
圆柱试样单轴压缩强度是岩样达到破坏过程中承 载得的最大载荷与截面积的比值，是岩石材料的 特征参数
圆柱试样
圆 柱
正方形
三
六边形
角
试
形
样
Results of sandstone specimens in uniaxial compression
附加刚 性组件
二、 岩ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的变形特性
（一） 连续加载
1、变形阶段 •空隙压密阶段(OA)
•弹性变形阶段(AB) B点:弹性极限
•微裂隙稳定发展阶段(BC) d
C点:屈服强度
•非稳定发展阶段(CD) D点:峰值强度
(-)
•破坏后阶段(DE) 全过程曲线前过程曲线
峰值 前变 形阶 段
峰值 后变 形阶 段
弹性型
弹-塑性型
塑-弹性型
塑-弹-塑性型1 塑-弹-塑性型2
弹性-蠕变型
4. 峰值后岩块的变形特征 塑性大 的岩石
岩石的变形与强度特征
岩石的变形与强度特征
岩石的变形特征指的是岩石在外力作用下发生形变的能力和方式。
岩石的变形特征可以分为弹性变形、塑性变形和破裂变形。
弹性变形是指岩石受到外力作用后，在力消失后能够恢复原状的能力。
在弹性变形过程中，岩石的分子或晶粒发生微小的变形，但岩石体整体保持无残余变形。
弹性变形是岩石的初始变形阶段，也是岩石的应力-应变关系呈线性的阶段。
塑性变形是指岩石在受到外力作用时，发生可见的变形，并且在力消失后不能完全回复原状的能力。
岩石发生塑性变形时，其分子或晶粒会发生较大的变形，导致岩石内部产生残余变形。
塑性变形是岩石的中等和后期变形阶段，其应力-应变关系呈
非线性。
破裂变形是指岩石在受到较大外力作用或超过岩石强度极限时发生的变形。
在破裂变形过程中，岩石会发生明显的断裂和破碎，并且通常伴随着能量的释放。
岩石的破裂变形是岩石的破坏阶段，岩石在此阶段往往失去了承载能力。
岩石的强度特征指的是岩石承受外力时的力学性能。
岩石的强度特征包括抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、硬度和韧性等。
不同类型的岩石具有不同的强度特征，例如，花岗岩具有高抗压强度和硬度，而粘土具有较低的抗压强度和硬度。
岩石的强度特征是评价岩石工程性质的重要指标，在岩石工程设计和施工中具有重要的意义。
岩石的岩石的力学性质
岩石的1岩石的力学性质－岩石的变形岩石的强度：岩石抵抗外力作用的能力，岩石破坏时能够承受的最大应力。
岩石的变形：岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变化。
岩石在荷载作用下，首先发生的物理力学现象是变形。
随着荷载的不断增加，或在恒定载荷作用下，随时间的增长，岩石变形逐渐增大，最终导致岩石破坏。
岩石变形过程中表现出弹性、塑性、粘性、脆性和延性等性质。
-1・5岩石变形性质的几个基本概念・1）弹性（elasticity）：物体在受外力作用的瞬间即产生全部变形，而去除外力（卸载）后又能立即恢复其原有形状和尺寸的性质称为弹性。
・弹性体按其应力－应变关系又可分为两种类型：・线弹性体：应力－应变呈直线关系。
・非线性弹性体：应力—应变呈非直线的关系。
・2）塑性（plasticity）：物体受力后产生变形，在外力去除（卸载）后变形不能完全恢复的性质，称为塑性。
・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。
・在外力作用下只发生塑性变形的物体，称为理想塑性体。
・理想塑性体，当应力低于屈服极限时，材料没有变形，应力达到后，变形不断增大而应力不变，应力－应变曲线呈水平直线.・3）黏性（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。
・应变速率与时间有关，－>黏性与时间有关・其应力－应变速率关系为过坐标原点的直线的物质称为理想粘性体（如牛顿流体），・4）脆性（brittle）:物体受力后，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，称为延性。
・1・7岩石变形指标及其确定・岩石的变形特性通常用弹性模量、变形模量和泊松比等指标表示。
3）全应力－应变曲线的工程意义・①揭示岩石试件破裂后，仍具有一定的承载能力。
・②预测岩爆。
・若A>B,会产生岩爆・若B>A，不会产生岩爆③预测蠕变破坏。
・当应力水平在H 点以下时保持应力恒定，岩石试件不会发生蠕变。
岩石力学性质试验——单轴压缩强度和变形试验课件(PPT)
提
纲
一、引言 二、单轴压缩强度和变形试验
一、引 言
岩石的力学性质—岩块在力的作用下所表现的性质。 岩石同其它固体材料一样，在不大的力的作用下，
首先发生变形；增大作用力，变形量随之增加；当力和 变形量超过一定的限度以后，即发生破坏。
承受力的作用而发 生变形的性能
（变形性）
岩石的力 学性质
抵抗力的作用而保持其 自身完整的抗破坏性能
二、单轴压缩强度和变形试验
—试验方法
b、真空抽气法饱和试件 饱和器内的水面高于试件； 真空压力——100kPa； 总抽气时间＞4h； 在大气压力下静置4h，取出并沾去表
面水分称重。 称量精确至0.01g。
二、单轴压缩强度和变形试验
—试验方法
（二）试验过程 1、安装传感器 利用橡皮筋把两个
纵向引伸仪固定在沿试 件轴向的两侧；
二单轴压缩强度和变形试验仪器设备二单轴压缩强度和变形试验仪器设备当岩石因破裂扩展发生大应变时通过传感器把这一信号输入伺服控制器中伺服控制器给伺服阀信号使伺服阀打开压力降低使试件保持恒定的变形速率从而控制了岩石的破坏并得到峰值后的变形曲线
岩石力学性质试验
主讲：付 小 敏 成都理工大学
环境与土木工程学院
二、单轴压缩强度和变形试验
—试验方法
5、精度要求： a、试件两端面不平
整度误差不得大于 0.05mm；
b、沿试件高度，直 径的误差不得大于0.3mm；
c、端面应垂直于试 件轴线，最大偏差不得大 于0.250。
二、单轴压缩强度和变形试验
—试验方法
6、试件含水状态：
天然含水状态、烘干状态、饱和状态。 1） 烘干状态 将试件置于烘箱内，在105～1100C温度下烘24h，取出放 入干燥器内冷却至室温后称重。 2）饱水状态 a、自由水法饱和试件 将试件放入水槽，先注水至试件高度的1/4处，以后每隔 2h分别注水至试件高度的1/2和3/4处，6h后全部淹没试件 。 试件在水中自由吸水48h后，取出试件并沾去表面水分称重。
描述岩石的应力应变全过程曲线。
描述岩石的应力应变全过程曲线。
岩石的应力应变全过程曲线描绘了岩石在受力后发生的变形和强度变化。
以下是对这个曲线的描述：
1.开始阶段：在应力逐渐增加的过程中，岩石的应变增加非常小，几乎接近于零。
这一阶段通常被称为“弹性阶段”，在这个阶段，岩石的变形是可逆的，即当应力被移除后，岩石会恢复到原来的形状。
2.屈服阶段：当应力超过一个特定的值（通常称为“屈服点”），岩石的应变将突然增加，而应力则保持相对稳定。
这个阶段通常被称为“塑性阶段”，在这个阶段，岩石的变形是不可逆的。
3.强化阶段：在超过屈服点之后，随着应力的继续增加，应变将逐渐增加，但增加的速度会逐渐减慢。
这个阶段通常被称为“强化阶段”。
4.破裂阶段：当应力达到一个最大值（通常称为“破裂强度”）后，岩石将突然破裂，应变将突然增加。
这个阶段通常被称为“破裂阶段”。
以上就是岩石的应力应变全过程曲线的描述。
需要注意的是，不同的岩石可能会表现出不同的应力应变行为，这取决于它们的成分、结构以及所处的环境等因素。
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P u 1 u2 dP 2 du
岩石变形和强度
若 Wm Wr
则岩石试件除了吸收机器释放的能量以外，尚需 添加其它能量才能继续位移，故试件不可能爆裂。
tan 2 tan 1 2 1
克服试件爆裂的途径：
提高试验机刚度——刚性试验机； 改变峰值前后的加载方式； 通过伺服控制方式控制试件位移等。
峰后区岩石与试验机的刚度分析比较 1——岩石压力—位移曲线；2——试验机压力—
位移曲线；3——岩石曲线在A点的切线 岩石变形和强度
若在A点有一位移增量Δu，则机器释放能量为
Wm
P u
1 2
u tan 2
u
P
u
1 2
u2
Km
使岩石试件继续平静地（不破裂）位移所需的能量为
Wr
P u
1 2
u tan 1 u
2.3.1 单轴抗压强度
y
岩石的单轴抗压强度是指 岩石试件在无侧限条件下，
c
受轴向应力作用破坏时单位
面积上所承受的极限荷载 。
c
4Pmax
D2
0
Pmax ——在无侧限条件下，试件破坏时
的最大轴向荷载 ；
r
——残余强度。 岩石变形和强度
r y
2.3.2 弹性模量、泊桑比
若岩石为线弹性材料（满足虎克定律）
岩石变形和强度
电液伺服控制的试验机闭环控制系统示意图
岩石变形和强度
up ur um
对时间的导数
du p dur dum dt dt dt
岩石试件的压力~位移曲线为：P f ur
试验机机器的位移为：
um
f ur
Km
dur
Km
du p
dt Km岩石变f形'和u强r度 dt
美国MTS公司生产的岩石单轴压缩试验机
岩石变形和强度
岩石的变形与强度
岩石（岩块）力学性质的含义主要包括两个方 面：岩石的变形规律和强度特性。
研究岩石力学变形性质的目的： 确定岩石的本构关系或物理方程（constitutive law
or equation），并确定相应的力学参数，为岩石工程 变形的理论计算提供依据。
研究岩石强度性质的目的： 建立适应岩石特点的强度准则，并确定有关参数。
峰前加载阶段
机器的应变能：
Wm
1 2
Pum
1 2
P
P Km
1 2
P2 Km
岩石试件的应变能 ：
Wr
1 2
P2 Kr
由于 Wm Wr
P
Km Wm
Kr Wr
故峰值前试件不断变形岩，石变到形达和强峰度 值点脆性岩石会突然爆裂。
峰后区岩石的刚度
： Kr
dP du
tan180 1 tan1
而机器的刚度不变 ： Km tan180 2 tan 2
岩石变形和强度
岩石的变形与强度
1 岩石力学性质试验的内容及要求 2 岩石的单轴压缩试验 3 岩石的三轴压缩试验 4 岩石的其它强度试验与测试方法 5 影响岩石力学性质的主要因素 6 岩石的强度准则
岩石变形和强度
1 岩石力学性质试验的内容及要求
1.1 试验内容
(1) 弹性波传播速度测试（纵波：P波、横波：S波）； (2) 单轴压缩试验 ； (3) 三轴压缩试验 ； (4) 单轴拉伸试验 ； (5) 劈裂试验（或称巴西试验） ； (6) 剪切试验 。
主机
控 制 柜 岩石变形和强度
美国MTS公司生产的岩石单轴压缩试验机 监控计算机显示屏
岩石变形和强度
美国MTS公司生 产的岩石单轴压 缩试验机
主机框架
岩石变形和强度
岩石全应力与应变关系曲线的类型
岩石变形和强度
造成岩石试件爆裂的原因主要是试验机的 刚度比岩石试件的刚度相对较小所引起的。
刚度（stiffness）K的定义如下式所示
K P P / HA / H A EA H H / HA / A H H
压力机刚度：
Km
Em Am Hm
试件刚度：
Kr
Er Ar Hr
岩石变形和强度
0.15~0.2MN/mm 0.5MN/mm以上
弹性模量
Eyy
PA PH HH AH
泊桑比
x y
岩石变形和强度
岩石弹性模量的三种计算方法
y
（1）切线模量
c
E
d y d y
y
1
2
c
c 2
0
r y
岩石变形和强度
（2Байду номын сангаас割线模量
y
c
E
y y
y
1
2
c
c 2
0
岩石变形和强度
r y
（3）平均模量
y
弹性范围
c
内，近似直线
段的平均斜率。
c 2
岩石变形和强度
1.2 室内力学试验的基本要求
由于岩石的力学性质会受试验条件的影响，所 以必须按照统一的方法和试验条件进行试验，为此， 国际岩石力学学会提出了一个试验建议方法供世界 各国参考。
力学性质试验的基本要求：
(1) 采用标准试件进行试验。 (2) 试验时应保证试件内部的应力状态均匀，并为
简单应力状态。 (3) 加载速度应非常缓慢，而且应该采用等速度加载。
2 岩石的单轴压缩试验
2.1 试验设备与仪器
普通压力机或万能材料试 验机，最好采用电液伺服控 制的刚性试验机。
2.2 测试内容
1. 轴向荷载；
2. 轴向变形； 3. 径向变形； 4. 轴向应变 ； 5. 横向应变 。
符号规定 压 —— + 拉 —— -
岩石变形和强度
岩石变形和强度
y
4P
D2
P A
y
H H
x
D D
y ——试件的轴向应力；
P——试件的轴向荷载；
D, H——试件的直径和高度。
体积应变： v y 2x
根据以上的试验测量结果，可以绘制岩石的轴向 应力~轴向应变关系曲线、轴向应力~横向应变关 系曲线、轴向应变~横向应变关系曲线以及轴向应 力~体积应变的关系曲线等 。
岩石变形和强度
2.3 岩石的单轴抗压强度与弹性模量
0
岩石变形和强度
r y
2.4 岩石的变形与破坏
2.4.1 岩石的全应力与应变关系曲线
y
y
c
c
0
峰前曲线
峰前区 峰后区
y
0
r y
全应力—应变曲线
岩石变形和强度
岩石具有峰后强度，这是岩石的一个重 要特性。它表示岩石破坏以后，并不是完全 失去承载能力，而是仍然具有一定的强度。
在岩石工程设计时，应该充分利用岩 石的这一特性，让岩石处于峰后区工作， 这样一方面可以节省支护费用，降低工程 造价，另一方面也不会影响岩石工程的稳 定性。
岩石变形和强度
标准试件要求
试件高径比
单轴压缩试验 = 2.0~2.5
三轴压缩试验 = 2.0~2.5
劈裂试验 = 0.5
斜面剪切试验 = 1.0
H
两端面不平行度不大于0.05mm
沿高度直径误差不大于0.3mm
端面应垂直轴线，误差要小于
D
0.25度
岩石变形和强度
取样要求：完整岩块，不含节理裂隙 岩石变形和强度