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。
1、试验测试：
试验设备：普通压力机（60t、100t、200t） 试件： φ5cm，高径比为 2的圆柱体（或5*5*5立方体），每组不少于3块； （国际ISRM规定高径比为2.5—3，我国为1—2—2.5） 加载：0.5—1.0 MPa/s；
Pi Rci Ai
1 n Rc Rci n i 1
ei Rci Rc
平均值：
各试件偏差：单一测值与平均值的差值
标准方差： 反映正负偏差的绝对大小

S 100% Rc
S
e
i 1
n
2 i
n
离散系数： 反映平均值的可靠程度（单一强度偏离平均强度的程度），要求小于15— 20%
五、 岩石的强度性质及测定方法
岩石试件抗压、抗拉、抗剪、三向抗压强度及测定 岩石的极限强度——岩石破坏时所能承受的最大应力。 研究岩石强度的意义： ①作为岩石分类以及巷道、采煤工作面，顶板分类的 主要指标； ②判断工程稳定性的强度准则的基本参数； ③地下工程变形区域计算的判据。
（一）岩石的采样与加工：
横向
体积 纵向
三、岩石三轴压缩变形性质：
1、三轴实验： （真三轴、假三轴） 2、三轴抗压强度： R3c 3、三轴变形特征：
与单轴试验结果基本类似（E、μ基本相同）；
P 10 A
围压增加——三向抗压强度增加； 峰值变形增加； 弹性极限增加； 岩石由弹脆性—弹塑性—应变硬化转变
干砂岩
湿砂岩
变形摸量：
E0
e p
σ ～ε 曲线呈线性关系（线弹性类岩石），曲线上任一点P的
弹性模量E：
E
σ ～ε 曲线呈非线性关系
初始模量:
d E 初＝ d
0
切线模量（直线段）：
a 2 a1 E 切＝ a 2 a1
割线模量：
E割

工程上常用E50 ：
（三）岩石单向抗拉强度：
抗拉强度——在单轴拉伸载荷作用下，破坏时所能承受的最大拉应力。
试验设备：
直接拉伸——万能材料试验机（试件的夹固、轴力共线困难，少用） 间接拉伸——巴西试验装置（劈裂法）
试件破坏形式：拉断、劈裂
抗拉强度：
（巴西法）
2P Rc 式中： ——— dt 试件破坏时最大压力，N
实验所测岩石的各种强度均不是岩石的固有性质。强度指标要受试件尺 寸大小、三维比例、形状规格、含水、加载速率等因素影响。 国际岩石力学学会（ISRM）对标准试件进行了规定，不标准的要予以修 正。
要确保试验岩样的天然状态。 岩样应具有一定的代表性。 钻孔采样时应尽量垂直于层面打孔，偏斜角不大于0.5°。 采取的岩(煤)块规格大体为长×宽×高=20×20×15cm。 上下端面的不平整度不大于0.1mm，上下端面的直径差不大于0.2mm。 试件端面垂直于试件轴的偏差不大于0.001rad。 圆柱形试件：φ 4.8－5.2cm ，高H=（2－2.5)φ 长方体试件：边长L= 4.8－5.2cm , 高H=（2－2.5)L
50 E 50 50
Et
d d
E

Et

Et
E0
e p
②泊松比μ ：（变形传递能力）
泊松比μ ——岩石横向应变与纵向应变的比值。
x y
在弹性阶段：其为常数。 在塑性阶段：不为常数。 （严格讲，μ 仅在弹性范围适用，对塑性部分不适用 , 由于引入变形摸量，塑性区可用，μ 最大为0.5。) ③剪切模量G——剪切虎克定律比例系数。 ④拉梅常数λ ——将应力应变联系起来的弹性常数。 ⑤体积模量Kv——体积弹性摸量。
4、岩石的变形指标及其确定：
①弹性摸量E：（抵抗变形的能力、应力应变比值）
线弹性：
E
直线斜率
E

d （变形曲线导数）； d
非线弹性： f ( ) 切线斜率 E t
割线斜率 Et

（割线斜率）；
弹塑性： 弹性摸量：E = 加载曲线段切线斜率=卸载曲线段割线斜率；
2、试件破坏形式：
X型共轭斜面剪切破坏—软塑性岩石多发生，属压剪破坏； 单斜面剪切破坏————偶尔发生，属压剪破坏；
拉伸（劈裂）破坏———脆硬型岩石多发生，为泊松效应引起。
单轴压缩试验机
单轴压缩岩石试件破坏形态
3、数据处理：
测岩石强度时，需对同一岩样的多个试块进行测试（数量多少依据精 度，经济确定），用统计方法，求得平均抗压强度，作为该种岩石的强度 指标。 单一试件：