第二章 变形体的变形规律

17
2.1.2 岩石的力学性质
弹性:是指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。 这种变形称为弹性变形。分为两种类型：线性弹性和非线性 弹性。 塑性:是指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,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。 粘性:是指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。 脆性:是指物体受力后，变形很小时就发生破裂的性质。 延性:是指物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力的性 质。
23
2.1.2 岩石的力学性质
（4）岩石的流变性质 岩石的流变性：是指岩石在长期静荷载作用下，应力、应变随时
间延长而变化的性质。
工程实践表明，岩石具有流变性，特别是粘土岩、泥质页岩等一 些较软的岩石，流变量可能很大。 蠕变和松驰是流变性的两种宏观表现。 岩石的蠕变：是指在一定温度和应力作用下，岩石随时间延长 （外力不变）而产生的缓慢、连续变形。 岩石的松弛：是指在一定温度和变形条件下，岩石随时间延长而 产生的缓慢、连续应力减小的过程；它反映了应力随时间而衰减的规 律。
研究岩石分类、确定破坏准则、衡量围岩（或上覆岩层）的坚硬程 度等，经常采用这个指标。
（2）岩石的单向抗拉强度
岩石试块在单向拉伸破坏时所能承受的最大拉应力，称为岩石的 单向抗拉强度。 它也是岩石力学的主要指标之一，它远小于岩石的抗压强度，因 此在受载不大时就可能出现拉伸破坏。
28
2.1.2 岩石的力学性质
2 变形体的变形规律
2.1 岩石的物理力学性质
2.2 建筑物变形规律及影响因素 2.3 大坝变形规律及影响因素 2.4 抽水引起的地表变形规律及影响因素
1
2 变形体的变形规律
变形是自然界的普遍现象，是指变形体在各种荷载
作用下，形状、大小及位置在时空域中的变化。
变形体的变形：
与变形体自身特征及外部载荷情况密切相关；
1.01～1.03
1.03～1.07 1.05 1.10 1.10～1.15 /
9
泥质页岩 砂质页岩 硬 砂 岩
2.1.1 岩石的物理性质
三、岩石的水理性质 （1）岩石的含水性
岩石的含水性一般用湿度或含水率表示。
岩石的含水率ω 是指岩石中水的重量 之比，以百分率表示，即 与岩石的烘干重量
岩石含水的多少取决于岩石中空隙的大小和数量。岩石的含水 性对岩石的强度有影响，空隙大的岩石，水浸后其抗压强度降低 25%～45%，一般也要降低15%～20%。致密的岩浆岩，由于空隙度小， 所以其强度降低最少。
t
50
2.1.2 岩石的力学性质
2）泊松比 泊松比 是指单向压缩条件下，横向变形与纵向变形之比， 即
x z
岩块的变形模量和泊松比受岩石矿物组成、结构构造、风化程
度、空隙性、含水率、微结构面及其与荷载方向的关系等多种 因素的影响，变化较大。
26
2.1.2 岩石的力学性质
常见岩石的变形模量和泊松比的经验值
不同的变形体、不同的载荷所产生的变形在大小、性
质、分布等方面均有很大的差别。
工业与民用建筑物变形，大坝变形，抽水地表变形
矿区开采沉陷
2
2.1 岩石的物理力学性质
2.1.1 岩石的物理性质
2.1.2 岩石的力学性质
3
2.1.1 岩石的物理性质
一、岩石的质量指标 （1）岩石的密度
42.1.1 岩石的物理来自质由坚硬矿物组成，且具强的结晶连结的致密状岩石，其抗冻 性较高。反之，则抗冻性低。
（6）岩石的膨胀性
岩石浸水后体积增大和相应地引起压力增大的性质称为岩石 的膨胀性。岩石膨胀造成强度降低。
对于含有粘土矿物的岩石，掌握开挖后遇水膨胀的特性是十 分必要的。
15
2.1.2 岩石的力学性质
岩石的力学性质：岩石的变形性质及强度性质。
0.09～0.35
砾 岩 板 岩 煤
20～80 20～80 10～20
0.20～0.30 0.20～0.30 0.10～0.50
27
2.1.2 岩石的力学性质
二、岩石的强度性质
（1）岩石的单向抗压强度
岩石试块在单向受压时所能承受的最大压应力，称为岩石的单向 抗压强度。
抗压强度是反映岩石力学性质的主要指标之一，在矿山工程中，
变形模量 /GPa 变形模量 /GPa
岩石名称
泊松比
岩石名称
泊松比
花岗岩
石英岩
50～100
60～200
0.17～0.36
0.10～0.25
砂质页岩
泥 岩
20～30
20～50
0.15～0.25
/
砂 岩 细砂岩 石灰岩
页 岩
10～100 30～50 50～100
20～80
0.20～0.30 0.15～0.50 0.18～0.35
（3）岩石的抗剪强度 岩石试块抵抗剪切破坏时所能承受的最大剪切力，称为岩石的抗剪强
度。
它是岩石力学性质中最重要的特性之一，它反映着岩石抵抗剪切
滑动的能力。 （4）岩石的三向抗压强度 岩石试块在三向压应力作用下所能抵抗的最大应力，称为岩石的三 向抗压强度。 地层中的岩石绝大多数都处在三向压缩应力的作用下，因此，从某 种意义上来说，岩石的三向抗压强度是岩石本性的反映。 实验表明，随着侧压力加大，岩石的三向抗压强度增加，且不成线 性关系。
空隙体积Vv与岩石总体积V之比，以百分率表示，即：
岩石空隙性对岩石的性质有显著影响。
一般说来，空隙率大的岩体，整体性较差，岩石的质量密度较小， 强度较低，而透水性较好，风化速度较快，反之亦然。
6
2.1.1 岩石的物理性质
煤矿中常见岩石的空隙率见下表:
岩石名称 砾岩 砂岩 泥岩 空隙率% 0.8～10.0 1.6～28.0 3.0～7.0 岩石名称 石灰岩 石英岩 石英片岩 空隙率% 0.5～27.0 0.1～8.7 0.7～3.0
10
2.1.1 岩石的物理性质
（2）岩石的吸水性 岩石在一定条件下吸收水分的性能称为岩石的吸水性。通常
以吸水率表示。
岩石的吸水率是指岩石试件在常温常压下吸入水分的重量与 岩石的烘干重量的比值，以百分率表示，即：
岩石吸水率的大小，取决于岩石所含空隙的数量和大小，开闭 程度及其分布情况。岩石的吸水率愈大，表明岩石中的空隙大， 数量多，并目连通性好，岩石的力学性质差。
1）应力—应变初始阶段岩石属弹性变形。 2）随着侧向应力的增大，岩石试块的塑性变形增大。说明岩石
的脆性和塑性是相对的，在单向应力或较低的三向应力状态下表现
为脆性的岩石，在高压三向应力状态下破坏前也表现出很大的塑性。 3）随着侧向应力和应力差值的增加，强度极限（峰值）也随之
增大。
4）岩石发生破坏后，虽然其结构发生了变化，但仍然保留一定 的承载能力。实践证明，围压愈大，其残余强度也愈大。
亲水性矿物和易溶性矿物含量越多，空隙越发育，则岩石的
软化程度越大。 岩石均具有不同程度的软化性，浸水软化后，强度降低，
塑性增加。这对岩石力学性质及岩层移动的研究有重要意义。
14
2.1.1 岩石的物理性质
（5）岩石的抗冻性 岩石抵抗冻融破坏的性能称为岩石的抗冻性。
岩石在反复冻融后其强度降低和破坏。
岩石的抗冻性与造岩矿物的物理性质和强度、粒间连结、空 隙的发育情况以及含水率等因素。
18
2.1.2 岩石的力学性质
（2）单轴压缩条件下岩石变形性质 岩石试件在单轴压缩荷载作用下产生变形的全过程可由图
全应力—应变OABCD曲线表示。
由全应力—应变曲线可将岩石的变形分为下列四个阶段： 1）孔隙裂隙压密阶段（OA 阶段）： 即试件中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，在此阶段岩石横向膨胀很小， 试件体积随荷载增大而减小。 2）弹性变形阶段（AB 阶段）： 该阶段的应力—应变近似呈直线。
页岩
泥灰岩
0.4～10.0
1.0～10.0
板岩
0.1～0.45
7
2.1.1 岩石的物理性质
（2）岩石的碎胀性及碎胀系数
从岩体中采掘或崩落下来的碎石，其整个体积大于它在岩体内 的体积。这种体积增大的性质，叫做岩石的碎胀性。 通常用碎胀系数Kp来表示，即
式中， V’为岩石破碎成块后处于松散状态下的体积；V为岩石 在完整情况下的体积。
20
2.1.2 岩石的力学性质
4）破裂后阶段（CD 阶段）： 岩块承载能力达到峰值强度后，其内部结构遭到破坏，但试件基 本保持整体状； 到本阶段，裂隙迅速发展，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沿宏观断裂面的块体滑移，试块承载能力 随变形增大迅速下降，但并不降为零，说明破裂的岩石仍有一定的 承载能力。
岩石的变形性质：是指岩石所表现的弹塑性等力学 属性，在各种应力状态下的应力—应变关系以及岩石 的流变性； 岩石的强度性质：主要包括岩石的单向抗压强度、 单向抗拉强度、抗剪强度以及岩石的三向抗压强度等。
16
2.1.2 岩石的力学性质
一、岩石的变形性质
（1）岩石变形的力学属性 物体上任一点的绝对或相对位移，或者线性尺寸的变化，称 为该物体的变形。 岩石变形分为： 弹性、塑性、粘性、脆性、延性 弹—塑性、 塑—弹性、弹—粘—塑性或粘—弹性 影响岩石变形的因素： （1）岩石的组分和结构； （2）受力条件、大小； （3）温度等环境因素有关。
砾岩
>50
粗砂岩
20～50
中砂岩
5～20 强透水
细砂岩
1～5 中等透水
亚粘土
0.1～ 0.001 弱透水
粘土
<0.001 极弱透水
极强透水