2-3岩石变形性质

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进入此阶段后,微破裂的发展出 现了质的变化,它们不断聚合形 成了宏观裂隙,直至岩石试件完 全破坏。此时,试件由体积压缩 转为扩容,轴向应变和体积应变 速率迅速增大。当达到D点时, 岩石已经破坏,此时的强度称为 峰值强度。
( 4 ) DE 阶段称为破坏后阶段。当载荷达到 D 点后, 岩石试件内部结构已遭到破坏,但试件基本保持 整体形状。进入本阶段后,宏观裂隙快速发展, 并且相互交叉联合形成宏观断裂面,岩块的变形 主要表现为沿宏观断裂面的块体滑移,
( 2 ) AC 阶段,通常称此 阶段为弹性变形阶段。其 中AB阶段为线弹性变形阶 段;BC为非线性变形阶段。 BC阶段中出现了微裂隙的 破裂,因此也称为破裂稳 定发展阶段。
( 3 ) CD阶段,非稳定破裂发展阶段或称累积性破 坏阶段。 C 点是岩石从弹性变为塑性的转折点, 称为屈服点,其相应的应力称为屈服应力(屈服 极限),数值约为峰值应力的三分之二左右。
从图中可以看出:( 4 )随 着围压的增大,岩石的抗压 强度显著增大,其变形也不 断增大;( 5 ) 随围压的提
高,弹性段的斜率变化不大。 即 E和 v与单轴基本相等。说 明:可以通过简易的单轴试 验,确定复杂应力状态下的 弹性常数。
(b)当 3 为常数时,岩石的变形特性 在不同的 2 作用下(左右方向),其变形曲线如图 2-25a的所示。由图可知: (1)随着 的增大,岩石的屈服应力有所提高; (2)弹性模量基本不变,不受 2 变化的影响; (3)当 2 不断增大时,岩石由塑性逐渐向脆性转换。
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(c)当 为常数时,岩石的变形特性 在不同的 作用下(前后方向),岩石的变形特 性如图2—25(b)所示:(1)其屈服应力几乎不变; (2)岩石的弹性模量也基本不变;(3)岩石始终保持 塑性破坏的特性,只是随 的增大,其塑性变形 量也随之增大。
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3.三轴压缩条件下岩石的变形特性
如果循环载荷的每一次 最大值超过前一次,则 可得图 2-23 所示的曲线。
随着循环次数的增加, 塑性滞回环的面积也有 所扩大,卸载曲线的斜 率也有所增加,这表明 卸载应力下的岩石材料 弹性有所增强。
此外每次卸载后再加载, 在载荷超过上一次循环的最 大载荷以后,变形曲线会沿 着原来的单调加载曲线上升 (如 OC 曲线),好像不曾 受到反复加载的影响,这种 现象称为岩石的变形记忆。
从全应力-应变曲线图可以 看出,岩石的变形可分为 以下四个阶段:
(1)OA阶段,通常被称为孔隙裂隙压密阶段。 (2)AC阶段,通常称此阶段为弹性变形阶段。 (3)CD阶段,非稳定破裂发展阶段或称累积性破坏阶段。 (4)DE阶段称为破坏后阶段。
( 1 ) OA阶段,通常被称为孔隙裂隙压密阶段。 其特征是应力 —应变曲线呈上凹型,在此阶段岩 石试件中原有的张开型结构面和微裂隙逐渐闭合, 横向膨胀较小,试件体积随载荷的增大而减小。 本阶段对节理裂隙丰富的岩石表现较为明显,对 坚硬少裂隙的岩石不明显。
弹性
塑性
粘性
弹性: 物体在受到外力作用的瞬间即产生全部变形,而 除去外力后又能立即恢复其原有形状和尺寸的性 质,其形变叫弹性形变,具有弹性性质的物体称 为弹性体。 弹性体又可分为线弹性体(如图2-19a)和非线弹 性体(如图2-19b)。
塑性: 物体受到外力后产生形变,在外力除去后变形不 能完全恢复的性质,不能恢复的那部分变形称为 塑性变形。 在外力作用下只发生塑性变形的物体称为理想塑 性体(如图2-19c)。 当应力低于屈服极限时,材料没有变形,当应力 达到屈服极限后,应变不断增加而应力不变。
类型Ⅳ:在应力较低时,应力-应变曲线略向上弯 曲,当应力增加到一定数值后,应力-应变曲线逐 渐变为直线,最后曲线向下弯曲,曲线似S型。具 有这种性质的岩石大多为变质岩,如大理岩、片 麻岩等,这些材料被称为塑-弹-塑性体。
类型Ⅴ:基本上与类型Ⅳ相同,只是曲线斜率较 平缓。一般发生在压缩性较高的岩石中。
面积也有所扩大,卸载曲线的斜
率(它代表着岩石的弹性模量) 也逐次略有增加,表明卸载应力 下的岩石材料弹性有所增强。
2) 弹 塑 性 岩 石 增 荷 载 循 环 加 载 变 形 特 征
③岩石的记忆性:每次卸载后 再加载,在荷载超过上一次循
环的最大荷载以后,变形曲线
仍沿着原来的单调加载曲线上 升(图中的OC线),好象不曾 受到反复加载的影响似的,这 种现象称为岩石的变形记忆。
滞回环随着加-卸载
次数的增加而愈来愈 窄,并彼此愈来愈近, 岩石愈来愈接近弹性 变形,直到没有塑性 变形为止。
当循环应力峰值超过临界应力时,反复加、卸载 的应力 - 应变曲线将最终和全应力 - 应变曲线的峰 后段相交,并导致岩石的破坏。
当循环应力小于某一数 值时,循环次数即使很 多,也不会导致试件的 破坏;而超过这一数值 时岩石将在某次循环中 发生破坏(疲劳破坏), 这一数值称为临界应力,
类型 Ⅱ :应力较低时, 应力 - 应变曲线近似于直 线,当应力增加到一定 数值后,应力 - 应变曲线 向下弯曲,随着应力的 增加曲线斜率而逐渐变 小,直至破坏。具有这 种性质的岩石有:软弱 的石灰岩、泥岩和凝灰 岩等,这类材料称为弹 塑性体。
类型 Ⅲ :在应力较低时,应 力-应变曲线略向上弯曲,当 应力增加到一定数值后,应 力-应变曲线逐渐变为直线, 直至破坏。具有这种变形性 质的岩石有:砂岩、花岗岩、 片理平行于压力方向的片岩 和某些辉绿岩等,具有这种 性质的材料称为塑-弹性体。
复合性质。
2.3.2 单轴压缩条件下岩石变形特性 岩石的变形特性通常可以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。 岩石试件在(刚性试验机)单轴压缩载荷作用下 产生变形的全过程,可由如图2-20所示的全应力应变曲线来表示。
粘性: 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。 其应力-应变速率关系为过原点的直线的物质称为 理想粘性体(牛顿流体),如图2-19d所示。
岩石是很多矿物的集合体,具有复杂的组成
成分和结构,因此其力学属性也是很复杂的, 所以,在常温常压下,岩石既不是理想的弹 性体,也不是简单的塑性体和粘性体,而往往表 现出弹-塑性,塑-弹性,弹-粘-塑性或粘-弹性等
类型Ⅵ:应力-应变曲线开始时先有很小一段直线 部分,然后有非弹性的曲线部分,并继续不断地 发生蠕变。这是岩盐和某些软弱岩石的应力-应变 特征曲线。这类材料称为弹-粘性体。
2.3.4 循环载荷条件下的岩石变形特征 在岩石工程中,常常会遇到循环载荷作用,一般 岩石在这种载荷条件下,破坏时的应力往往低于 其静力加载强度。 对于线弹性岩石,在循环载荷作用下,加载路径 与卸载路径完全重合,即其应力-应变路径是相同, 都是沿同一直线往返;对于完全弹性岩石,加载 路径与卸载路径也完全重合,但应力-应变关系是 曲线,经反复加 - 卸载,其应力 - 应变曲线仍服从 此曲线关系。
的HH‘环。
1) 弹 塑 性 岩 石 等 荷 载 循 环 加 载 变 形 特 征
③临界应力:当循环应力峰值小 于某一数值时,循环次数即使很 多,也不会导致试件破坏;而超 过这一数值岩石将在某次循环中
发生破坏(疲劳破坏),这一数
值称为临界应力。循环应力超过 临界应力时,岩石最终破坏,给
定的应力称为疲劳强度。
2.3.5 三轴压缩条件下的岩石变形特征 岩石在三轴压缩应力作用下的变形特性可通过三 轴试验来进行研究。 (a)当 时,岩石的变形特性 即常规三轴试验条件下的试验研究结果表明:有 围压作用时,岩石的变形性质与单轴压缩时不完 全相同。
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可以看出:( 1 )在围压为零或 较低的情况下,岩石呈脆性状态 破坏;( 2 )随着围压的升高, 岩石破坏逐渐从脆性转化到塑性 状态,通常把岩石由脆性转化到 塑性时的临界围压称为转化压力; ( 3 )随着围压的进一步升高, 试件的承载能力则随围压增长而 增长,出现了应变硬化;
岩石的强度随围压的增大而增加;
破坏前岩石的变形随围压的增大而
增加; 随着围压的增加,岩石的塑性增加, 由脆性变为延性, 脆性(<50MPa) 弹塑性(>68.5MPa)
试件的承载能力 迅速下降,但不 会到零,岩石仍 具有一定的承载 能力。
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。
2.3.3应力—应变曲线形态对岩 石的分类类型 岩石的应力—应变曲线随着 岩石性质的不同各有不同的 类型。米勒对28种岩石进行 了大量试验后,根据峰值前 的应力 - 应变曲线的形态将 岩石分成六种类型,如图221所示。
岩石的力学性质
强 度 特 性
单向抗压强度 单向抗拉强度 剪切强度 三轴压缩
变 形 性 质
a.单向压缩变形 b.反复加载变形 c.三轴压缩变形
2.3岩石的变形特性
2.3.1 概述 岩石在载荷作用下,首先发生的物理现象是变形。 随着载荷的不断增加或在恒定载荷作用下,随着 时间的增长,岩石的变形逐渐增大,并最终导致
应力-应变曲线的类型
岩石的应力—应变曲线随着
岩石性质不同有各种不同的
类型。
弹性体
弹塑性体
类型I:弹性体
类型II:弹塑性体 类型III:塑弹性体
塑弹性体 塑-弹-塑性体
类型IV:塑-弹-塑体
类型V:S型 类型VI:弹-粘性体
S型 弹-粘性体
2.3.3 应 力 — 应 变 曲 线 形 态 对岩石的分类类型 类型Ⅰ:应力与应变关系 是一直线或者近似直线, 直到试件发生突然破坏为 止。具有这种变形性质的 岩石有:玄武岩、石英岩、 白云岩以及坚硬的石灰岩。 由于此类材料的塑性阶段 不明显,因此称这类材料 为弹性体材料。
岩石的破坏。
岩石的变形可分为 弹性变形、塑性变形和粘性变形三种形式。
弹性:物体在受外力作用的瞬间即产生全部变形,而去 除 外力后又能 立即恢复其原有形状和尺寸的性质。 塑性:受力后变形,在外力去除后变形不能完全恢复. 粘性: 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
对于非弹性岩石,如果卸载点 P 超过屈服点,则 卸载曲线不与加载曲线重合,形成塑性滞回环。 经研究发现,塑性滞环的形成反映了经过加 —卸 载试验后,消耗于裂隙的扩展和裂隙面之间的摩 擦所作的功。
根据经验,卸载曲线的平均斜率一般与加载曲线 直线段的斜率相同,或者和原点切线斜率相同。 如果施加的等大小的循环载荷,则每一次加载-卸 载都会形成一个塑性滞回环
①等荷载循环加载:如果 多次反复加载与卸载,且
每次施加的最大荷载与第
一次施加的最大荷载一样。
1) 弹 塑 性 岩 石 等 荷 载 循 环 加 载 变 形 特 征 ②塑性滞回环:则每次加、卸
载曲线都形成一个塑性滞回环。
这些塑性滞回环随着加、卸载
的次数增加而愈来愈狭窄,并 且彼此愈来愈近,岩石愈来愈 接近弹性变形,一直到某次循 环没有塑性变形为止,如图中
2) 弹 塑 性 岩 石 增 荷 载 循 环 加 载 变 形 特 征
①增荷载循环加载:如果多
次反复加载、卸载循环,每 次施加的最大荷载比前一次 循环的最大荷载为大。
2) 弹 来自百度文库 性 岩 石 增 荷 载 循 环 加 载 变 形 特 征
②塑性滞回环:每次加、卸载曲 线都形成一个塑性滞回环。随着 循环次数的增加,塑性滞回环的
2.反复加卸载条件下岩石的变形特性
a.线弹性岩石:加载路径与卸载路径重合,沿着同一直线往返. b.完全弹性岩石:加载路径与卸载路径重合; c.弹性岩石:加卸载不重合,应力-应变曲线服从环路规律;
d.非弹性岩石:加载路径与卸载路径不重合,形成塑性滞回环;
(d)
1) 弹 塑 性 岩 石 等 荷 载 循 环 加 载 变 形 特 征
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