岩体力学岩石的变形特性

普通试验机得到峰值应力前的变形特性，多数
岩石在峰值后工作。 注：C点不是破坏的 开始（开始点B）， 也不是破坏的终。 说明：崩溃原因， Salamon1970年提 出了刚性试验机下 的曲线。
刚性机
(1)刚性试验机工作简介
压力机加压（贮存弹性应能） 岩石试件达峰点强度（释放 应变能）导致试件崩溃。 AA′O2O1面积——峰点后， 岩块产生微小位移所需的能。 ACO2O1面积——峰点后， 刚体机释放的能（贮存的能） ABO2O1——峰点后， 普通机释放的能（贮存的能）。
（2）应力、应变全过程曲线形态 在刚性机下，峰值前后的全部应力、应变曲线 分四个阶段：1-3阶段同普通试验机。 4阶段应变软化阶段
特点：
①岩石的原生和新生裂隙贯穿，到达D点，靠碎块间的摩擦 力承载，故 D —称为残余应力。 ②承载力随着应变增加而减少，有明显的软化现象。
（3）全应力——应变曲线的补充性质
线性弹性体。
本构方程：k
应力应变曲线（见右图）：
模型符号：H
o
虎克体的性能：a.瞬变性 b.无弹应性力-后应变 效曲线
c.无应力松弛 d.无蠕变流动
5.1 描述流变性质的三个基本元件
(2)塑性元件
材料性质：物体受应力达到屈服极限0时便开始产生 塑性变形，即使应力不再增加，变形仍不 断增长，其变形符合库仑摩擦定律，称其 为库仑(Coulomb)体。是理想的塑性体。
b.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 割线模量
E0
d d
0
c
E50 / 50
切线模量 d / d 50
极限强度 c
2、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）； ②卸载线，相互平行 ③反复加、卸载、曲线、 总趋势保持不变（有 “记忆功能”）。
服，B点对应的 B 应力为屈服极限 。
（3）塑性变形阶段（BC） 特点： ① 1 1 曲线 ，软化现象； ② 塑性变形，变形不可恢复； ③ 应变速率 1 不断增大。 原因： 新裂纹产生，原生裂隙扩展。
岩石越硬，BC段越 短，脆性性质越显著。
脆性：应力超出屈 服应力后，并不表现 出明显的塑性变形的 特性，而破坏，即为 脆性破坏。
典型 蠕 变 曲 线
（二）岩石蠕变的影响因素
（1）岩石的力学性质 （强度，矿物组成）
应力水平 t
—第二阶段越长；
小到一定程度，
第三蠕变不会出现；
很高，第二阶段短，
立即进入三阶段
（2）温度对蠕变的影响
① t 总的应变量越大。
②第二阶段的斜率，温度高，斜率越大。
（3）湿度
饱和试件第二阶段 和总应变量都将
大于干燥状态下的试件结果。
（三）蠕变特性和常规变形特性的联系
五、岩石介质的力学模型
岩石性质变化范围大，用多种模型来 表述。
主要性质：弹性、塑性、粘性。
5.1 描述流变性质的三个基本元件
(1)弹性元件
力学模型：
材料性质：物体在荷载作用下，其变形完全符合虎克
(Hooke)定律。称其为虎克体，是理想的
a.分三全阶段 （1）原生微裂隙压密阶段（OA级）
特点： ① 1 1 曲线 ，应变率随应力增 加而减小； ②塑性变形（变形不可恢复） 原因：微裂隙闭合（压密）
（2）弹性变形阶段（AB段） 特点： ① 1 1 曲线是直线； ② 弹性模量，E为常数（变形可恢复） 原因：岩石固体部分变形，B点开始屈
3、岩石应力-应变曲线形态的类型
（1）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）
（二）刚性试验机下的单向压缩的变形特性
（三） 2 为常数时，岩石的变形特性
（1） 3 B 不变；（2） 3 E不变；
（3）永保塑性变形的特性， 大。
3
塑性变形增
（四）岩石的体积应变特性
V
V V
1 2 3
扩容现象：
岩石在压力下， 发生非线性体积膨胀。
三、岩石的流变特性
弹性（可恢复）
岩 与时间无关的变形
石
变 形
与时间有关的—流变
伺服试验机原理示意图 1.岩石试件；2.垫块；3.上压板；4.下压板； 5.位移传感器。
二、岩石在三向压应力下的变形特性 （一） 2 3 时变形规律见图
2 3 越大，
B ，E越大
（二）当 3 为常数时，岩石的变形特性
（1） 响
2
B
；（2）E基本不受 2 变化影
（3） 2 脆性增强。
塑性（不恢复）
蠕变 岩石的时间效应
松弛
蠕变：应力恒定，岩石应变随时间增大，所产生的变形称为 蠕变（又称为流变）。
松驰：应变恒定，岩石中的应力随时间减少，这种现象称 “松 驰”。
（一）典型的蠕变曲线（分三阶段）
1、初始蠕变阶段（瞬变蠕变阶段）AB。
特点：① 有瞬时应变 0（OA）；② t ，应
变率随时间增长而减小；③卸载后，有瞬时恢复变 形，后弹性后效，弹性后效，变形经过一段时间后， 逐渐恢复的现象。 2、稳定蠕变阶段（BC）（较长）
特点：①应变率 为常量；②卸载：有瞬弹性恢复，
弹后，不可恢复的永久变形。 3、非稳定蠕变阶段（蠕变破坏阶段）
特点：① 剧烈增加；② 曲线；③一般此阶段
比较短暂。
=0.15-0.35， 当 >0.5时，就是扩容.
体积应变 :
e 1 2 3 1 (1 2) 0 1/ 2
(3)克服岩石试件单向压缩时生产爆裂的途径
• 提高试验机的刚度 • 改变峰值后的加载方式 • 伺服控制试件的位移
普通试验机附加刚性组件的试 验装置（提高试验的刚度）
1岩石试件；2、6电阻应变片； 3金属圆筒；4位移计；5钢垫块
①近似对称性 ②B点后卸载有残余应变，重复加载沿另一曲线上 升形成滞环(hysteresis) ，加载曲线不过原卸载 点，但邻近和原曲线光滑衔接。
③ C点后有残余应变，重复加载滞环变大，反复加 卸载随着变形的增加，塑性滞环的斜率降低，总 的趋势不变。
④C点后，可能会出现压应力下的体积增大现象，
称此为扩容(dilatancy)现象。一般岩的