高等岩石力学.总结

岩石（体）力学特性专题

第一节刚性压力机的作用原理及在试验中岩石变形破裂机理

一、岩石在普通试验机中进行单向压缩试验时的变形特性

岩石的变形特性通常可从试验时所记录下来的应力-应变曲线

中获得。岩石的应力-应变曲线反映了各种不同应力水平下所

对应的应变(变形)规律。以下介绍具有代表性的典型的应力-

应变曲线。

1.典型的岩石应力-应变曲线分析

图1例示了典型的应力-应变曲线。根据应力-应变曲线的形态

变化c可将其分成OA，AB，BC三个阶段。三个阶段各自显

示了不同的变形特性。

(1)0A阶段，通常被称为压密阶段。其特征是应力-应变曲线呈上凹型，即应变随应力的增加而减少，形成这一特性的主要原因是:存在于岩石内的微裂隙在外力作用下发生闭合所致。

(2)AB阶段，也就是弹性阶段c从图1可知，这一阶段的应力-应变曲线基本呈直线。若在这一阶段卸荷的话其应变可以恢复，由此而称为弹性阶段。这一阶段常用两个弹性常数来描述其变形特性。即弹性模量E和泊松比μ。所谓弹性模量，是指应力-应变曲线中呈直线阶段的应力与应变之比值(或者是该曲线在直线段的斜率)被称作平均模量。就模量的概念而言，岩石的模量还有初始模量、切线模量、割线模量等。在岩石力学中比较常用的是平均弹性模量和割线模量。割线模量是指岩石峰值应力一半的应力、应变之比值。其实质代表了岩石的变形模量。所谓泊松比μ，是指在弹性阶段中，岩石的横向应变与纵向应变之比值。这是描述岩石侧向变形特性的一个参数。最近几年来，经过大量的试验发现，在AB阶段，由于受荷后不断地出现裂纹扩展，岩石将产生一些不可逆的变形。因此从某种意义上来说，它并不属于真正的弹性特性，只能是一种近似的弹性介质。B点是该岩石的屈服点，当应力超过B点，则将进入第三阶段。

(3)BC阶段，也被称作塑性阶段。当应力值超出屈服应力之后，随着应力的增大曲线呈下凹状，明显地表现出应变增大(软化）的现象。进人了塑性阶段，岩石将产生不可逆的塑性变

形。同时应变速率将同时增大，但最小主应变的应变速率的增大表现得更明显。应该指出，对于坚硬的岩石来说，这一塑性阶段很短，有的几乎不存在，它所表现的是脆性破坏的特征。所谓脆性，是指应力超出了屈服应力却并不表现出明显的塑性变形的特性，而因此达到破坏，即为脆性破坏。

二、刚性压力机的作用原理及在试验中岩石变形破裂机理

上面介绍了岩石在普通试验中进行单向压缩试验时所得到的变形特性。这些变形特性反映了岩石“破坏”前的力学特性。绝大多数岩石的变形属脆性，使得“破坏”无明显前兆， 不出现明显的塑性变形，岩石试件突然崩溃，无法记录下崩溃后的应力-应变曲线。那么有人提出了这样的问题：岩石在试验过程中发生崩溃现象是否是岩石所固有的特性？岩石达到“破坏”后的性态是怎样的？经过大量的试验研究发现:达到“破坏”的瞬间，试验机给予岩石试件的附加应力是加剧岩石试件崩溃的主要原因。1970年，沙拉蒙首先全面论述了由于试验机的刚度不同对岩石变形特性的影响，提出了用刚度较大的试验机来减少作用于岩石的附加应力，进而可求得峰值应力后的应力-应变曲线C 以后,这一观点被从事岩石力学工作的研究人员和工程技术人员所接受。刚性试验机和应力-应变全过裎曲线这两个全新的概念进人了岩石力学领域。

(1)刚性试验机工作原理简介

试验机主要是由出力系统和金属框架组成。当

进行岩石压缩试验时，试验机的金属框架则承

受了与出力系统大小相同的拉力。此时，框架

中将贮存着一定数量的弹性应变能。当岩石达

到峰值应力时，由于已超出岩石所能承受的极

限应力，将产生一个较大量级的应变。正是因

为这一应变的产生促使试验机框架向岩石释

放出贮存在机内的弹性应变能。显然，岩石的

突然崩溃是由于这附加的能量所致。图2是分

析试验机刚度大小给予试验结果影响的示意

图。假设：岩石的刚度用S K 表示，并在达峰

值应力后仍具有一定的承载能力，且用 'S K 表

示.试验机的刚度用m K 和'm K 表示且'

m K

的试验机。当试验机加载至岩石的峰值应力之后，若产生一个微小量的应变，则其应力- 应变曲线应沿着AA'移动。这时岩石所能承受的能量为12'

O O AA 围成的而积。当试验机为柔性机('m K )即试验机的刚度小于岩石的刚度。由于加载作用，贮存在试验机内的弹性能为12O ABO 所围成的面积。当应力加至峰值应力时，岩石会突然出现一微小的应变ε∆。与此同时，试验机也将恢复部分能量，并将其作用在岩石上。此时，岩石所能承受的能量比试验机释放的能量小，其大小如图2中所示的由A B A'所围成的面积c 因此，由于附加能量的作用，使岩石的裂纹扩展加剧，并发生崩溃的现象。与此相反，当试验机的刚度大于岩石的刚度，则在相同的条件下，试验机附加给岩石的能量为12O ACO 所围成的面积，比岩石所能承受的能量小AA'C 。要岩石继续产生应变必须依靠外荷载的加载才能实现。因此，当试验机的刚度大于岩石的刚度时，才有可能记录下岩石峰值应力区的应力-应变曲线。 这就是刚度试验机的工作原理。

(2)应力-应变全过程曲线形态

由上述可知，所谓应力-应变全过程曲线，是指在刚性试验上进行试验所获得的包括岩石达到峰值应力之后的应力-应变曲线。

由图3可知，除了上面已介绍的曲线可分成0A ，AB ，BC 三个阶段之外，当应力值过C 点之后还存在着另外两个阶段。

CD 阶段，又被称作应变软化阶段。虽然此时已超出了峰值应力，但岩石仍具有一定的承载能力，而这一承载力将随着应变的增大而逐渐减小，表现出明显的软化现象。

D 点以后为摩擦阶段。它仅表现了岩石产生宏观的断裂面之后，断裂面的摩擦所具有 的抵抗外力的能力。