2-3岩石变形性质

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，
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。
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。
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 塑 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
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。
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)
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。
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
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
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；
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。
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。
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
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。
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。
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
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
（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
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
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