岩石力学-岩石物理力学性质

(5)DE段：岩石由破裂发展为全面破坏。承载能力逐渐降低，尚存的应 力称为残余强度。 岩石残余强度的存在，在矿山生产中具有实际意义。如有的矿柱在 发生局部开裂以后仍能稳固地支撑着顶板，就是残余强度在发挥作 用的例证。
（一）普通试验机下 的变形特性应力、应变 曲线形状与岩性有关
1、典ห้องสมุดไป่ตู้的岩石 应力、应变曲线
（1）承压板端部的摩擦力及其刚度（加垫块的依据） （2）试件的形状和尺寸
形状：圆形试件不易产生应力集中，好加工 尺寸：大于矿物颗粒的10倍； φ50的依据 高径比：研究表明；h/d≥(2－3)较合理 （3）加载速度 加载速度越大，表现强度越高 我国规定加载速度为0.5 －1.0MPa/s （4）环境 含水量：含水量越大强度越低；岩石越软越明显，对泥岩、 粘土等软弱岩体，干燥强度是饱和强度的2－3倍。 温度度：180℃以下部明显：大于180℃，湿度越高强度越 小。
残余强度：是岩石在发生破坏后仍然具有的承载能力。其值可以 在岩石的应力——应变全过程曲线的峰值右侧线段所对应的应力 值测出。
岩石的抗压强度、抗剪强度及抗拉强度：岩石在压缩、剪切或拉 伸应力作用下表现出来的抗破坏能力各不相同，与之对应的强度 值分别为抗压强度、抗剪强度及抗拉强度。
岩石强度不是岩石的固有性质，而是一种指标值。凡是不受试件 的形状、尺寸、采集地、采集人等影响而保持不变的特征，如岩 石的颜色、密度等都是岩石的固有性质。
稳定破裂型 非稳定破裂型
1.4.1.3三轴抗压强度
岩石在三向压缩荷载作用下，达到破坏时所能承受的最大压应力 称为岩石的三轴抗压强度。 (triaxial compressive strength)
σ 1 = f (σ 2 , σ 3 ) τ = f (σ )
真三轴
假三轴
三轴压缩试验的破坏类型
岩石单轴抗压强度
试验施加的围压
S ''' c
=
Sc
+
1+ 1−
sin sin
ϕ ϕ
σa
岩石三轴抗压强度
岩石内摩擦角
粘聚力 内摩擦角
Mohr’s strength envelop
1.4.1.4点荷载强度指标(point load strength index)
是上世纪发展起来的一种简便的现场试验方法。 试件：任何形状，尺寸大致5cm，不做任何加工。 试验：在直接带到现场的点荷载仪上，加载劈裂破坏。
孔隙比是指岩石试件内各种裂隙、孔隙的体积总和与 试件内固体矿物颗粒的体积之比。
（一）孔隙比 e = VV / VC
VV——孔隙体积（水银充填法求出）
（二）孔隙率
n = VV = d s − ρ d × 100 %
V
ds
V=VC+VV
e~n关系
e = VV = VV /V
VC
VC /V
n = 1− γ c /GγW
试件尺寸
影响因素
试件形状 试件三维尺寸比例 加载速率 湿度
宽高比
1.4.1.2单轴抗压强度
岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所能承受的最大压应力称 为岩石的单轴抗压强度。(uniaxial compressive strength)
σc
=
P A
破坏时最大轴向压力 试件的横截面积
X状共扼斜面剪切破坏 单斜面剪切破坏 拉伸破坏
抗冻系数
cf
= σ c − σ cf σc
岩样冻融后的抗压强度
× 100 %
岩样冻融前的抗压强度
岩石在反复冻融后其强度降低的主要原因 (1)构成岩石的各种矿物的膨胀系数不同，当温度变化时，由于 矿物的胀、缩不均而导致岩石结构的破坏。 (2)当温度降到0时，岩石孔隙中的水将结冰，体积最增大9％， 会产生很大的膨胀压力，使岩石的结构发生改变，直至破坏。
对原型的研究程度和对模型力学参数取值的可 靠性，归根结底取决于对岩石或岩体的认知能力。 必须了解岩石的主要物理性质和力学性质及其影响 这些性质的主要因素。
1.2 岩石的基本构成和地质分类
岩石：由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律 聚集而形成的自然物体 。
矿物：存在地壳中的具有一定化学成分和物理性 质的自然元素和化合物。
(2)AB段：该线段大致为直线，表明岩石呈线弹性变形。对应的B点的 应力值称为弹性极限。
(3)BC段：岩石内原有的微裂隙延伸扩展，体积变形由缩小转为增大， 即发生“扩容”。对应的C点的应力值称为屈服极限。
(4)CD段：岩石中的裂隙加速扩展，显示出宏观破坏的迹象，体积膨胀 加剧。对应的D点的应力值称为强度极限。
计算公式：由弹性力学Boursinesq公式
σt
=
2P πdt
劈裂破坏时最大压力 岩石圆盘试件厚度
岩石圆盘试件直径
①荷载沿轴向均匀分布 要求
②破坏面必须通过试件的直径 注：①端部效应 ②并非完全单向应力
由巴西人Hondros提出
抗弯法（梁的三点弯曲试验）
梁边缘到中性轴的距离
σ t = MC / I 梁截面绕中性轴的惯性矩
岩石应力-应变曲线形态的类型
（1）弹性硬岩(直线型)：弹性、脆性 石英英、玄武岩、坚硬砂岩。
（2）下凹型：弹—塑性 石灰岩、粉砂岩；软化效应。
（3）上凹型：塑—弹性 硬化效应，原生裂隙压密，实体部分坚硬的岩石。 例如：片麻岩。
（4）S型：塑—弹—塑型 多孔隙，实体部分较软的岩石：沉积岩（页岩）
Ee
VV
=
V
V − VV
V
=n 1− n
1.3.4岩石的水理性
岩石与水相互作用时所表现出来的性质。 吸水性 透水性 软化性
抗冻性
1.3.4.1岩石的天然含水率
天然状态下岩石中水的质量与岩石烘干质量比值。 ω = mω × 100 % m rd
1.3.4.2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的吸水性。
作用在试件上的最大弯矩
①岩石是各向同性的线弹性材料 适用条件 ②满足平面假设的对称面内弯曲
1.4.1.6抗剪切强度
岩石在剪切荷载作用下达到破坏前所能承受的最大剪应力称 为抗剪切强度。 (shear strength)
单面剪切试验
S0
=
FC A
冲击剪切试验
S0
=
FC 2π ra
双面剪切试验
S0
=
FC 2A
岩石三向压缩强度的影响因素
（1）侧压力的影响 围压越大，轴向压力越大
(2)加载途径对岩石三向压缩强度影响(下图)
A、B、C三条虚线是三个不同的加载途径，加载途径对岩石 的最终三向压缩强度影响不大。
(3)孔隙水压力对岩石三向压缩强度的影响
孔隙水压力使有效应力（围压）减小, 强度降低
无水
有水
岩石三轴抗压强度与单轴抗压强度的关系：
=
σ εe
EP
=
ε
σ p +εe
σ
岩石试件中的应力，压应力为正值；
εe
非弹性岩石的弹性应变；
εp
塑性应变。
应力——应变全过程曲线
岩石应力——应变全过程可划分为五个阶段：
(1)OA段：该线段的斜率由小变大，表明岩石内裂隙被压密实的过程。 在压密阶段，岩石体积缩小。对应的A点的应力值称为压密极限。
弹性常数与强度的确定
弹性模量国际岩石力学学会（ISRH）建议三种方法
初始模量
E0
=

dσ dε
0
( ) 割线模量 E50 = σ / ε 50
( ) 切线模量 Et = dσ / dε 50
极限强度 σ c
反复循环加载曲线
特点：
①卸载应力越大，塑 性滞理越大（原因： 由裂隙的扩大，能量 的消耗）；
蜡容重 天然容重
1.3.2岩石的比重 Gs
岩石固体部分的重量和40C时同体积纯水重量的比值。
Gs =
岩石固体部分体积
Ws Vs ⋅γ
w
1.3.3岩石的孔隙性
岩石固体部分重量 40C单位体积水重量
岩石的孔隙性系指岩石的孔隙和空隙发育程度。
孔隙率是岩石试件内各种裂隙、孔隙的体积总和对于 试件总体积之比。
β =π +φ 42
液压入口
试件标准：
圆柱形试件：φ4.8－5.2cm (7cm)，高H=（2－3)φ 长方体试件：边长L= 4.8－5.2cm (7cm) , 高H=（2－2.5)L 试件两端不平度0.5mm；尺寸误差±0.3mm；两端面垂直于轴线 ±0.25o
单向压缩试件的破坏形态
破坏形态是表现破坏机理的重要特征； 其主要影响因素：①应力状态 ②试验条件
结构：组成岩石的物质成分、颗粒大小和形状以及 其相互结合的情况。
构造: 组成成分的空间分布及其相互间排列关系 这是影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素。
岩浆岩：强度高、均质性好
岩石按成因分类 沉积岩：强度不稳定，各向异性 变质岩：不稳定与变质程度和原 岩性质有关
岩体=岩块+结构面
岩体
结构面
岩块
破坏形态有两类： （1）圆锥形破坏
原因：压板两端存在摩擦力，箍作用（又称端部效应）， 在工程中也会出现。 （2）柱状劈裂破坏
张拉破坏（岩石的抗拉强度远小于抗压强度） 是岩石单向压缩破坏的真实反映（消除了端部效应）
消除试件端部约束的方法 润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部） 加长试件
影响单轴抗压强度的主要因素
扭转剪切试验
S0
=
16M C π D3
1.4.1.7破坏后强度(post-failure strength)
全应力应变曲线三个用途： 预测岩爆、预测蠕变破坏、预测循环加载条件下岩石的破坏
1.4.2岩石的变形特性