岩石力学 第三章

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（一）单轴压缩条件下的岩块变形 连续加载--变形特征
弹性变形至微破裂稳定发展阶段(A→C)：曲线呈近似直线关系 AB段
9变形随σ呈直线关系增加 9该阶段为弹性变形阶段，变形可恢复 9B点应力称为弹性极限
（一）单轴压缩条件下的岩块变形 连续加载--变形特征
破坏后阶段(D点以后段)： ¾ 试件承载力达到峰值后，内部结构完全破坏，但基本保持整体状 ¾ 裂隙快速发展、交叉且相互联合形成宏观断裂面 ¾ 岩块变形主要表现为沿宏观断裂面的块体滑移，试件承载力随变形 增大迅速下降，但并不降到零。说明破裂的岩石仍有一定承载能力
卸载点（P）应力高于岩石弹性极 限(A)：卸载曲线偏离原加载曲线 ，不再回到原点，变形除弹性变形 (εe)外，还将出现塑性变形(εp)
循环加载
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（一）单轴压缩条件下的岩块变形 同一应力水平下多次循环加卸载
应力高于弹性极限，低于屈服极限 9 曲线随反复加、卸荷次数增加而逐渐变陡 9 回滞环逐渐面积变小 9 残余变形逐次增加，岩块的总变形等于各 次循环产生的残余变形之和-累积变形 9 岩块的破坏产生在反复加、卸荷曲线与应 力-应变全过程曲线交点处。这时的循环 加、卸荷试验所给定的应力-疲劳强度 9 疲劳强度比岩块单轴抗压强度低且与循环 持续时间等因素有关的值
稳定蠕变σC：低应力状态下 发生的蠕变
不稳定蠕变σA 、σB ：较高 应力状态下发生的蠕变
（三）岩石的蠕变性质 蠕变曲线特征—蠕变三个阶段
等速蠕变阶段/稳定蠕变阶段(BC段) 曲线呈近似直线，应变随时间近似等速增加，直到C点 若卸载，则应变将沿TUV线恢复，保留永久应变εp
加速蠕变阶段(CD段)：蠕变加速发展直至岩块破坏(D点)
在压力机上进行。将岩石样品置于压力机承压板之间轴向加荷，岩样破 坏时的应力值
实验样品
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第二节 岩块的强度性质及实验室测试方法
岩块的强度：岩块抵抗外力破坏的能力 根据受力状态不同，岩块的强度可分为：单轴抗压强度、
单轴抗拉强度、剪切强度、三轴压缩（抗压）强度等
一、岩石的抗压强度
概念及测试方法
类型F(弹性-蠕变型) ¾ 开始为一很小的直线段，随后出现不 断增长的塑性变形和蠕变变形 ¾ 盐岩等蒸发岩、极软岩等的特征曲线
（一）单轴压缩条件下的岩块变形 连续加载----峰值前岩块的变形特征
剪切模量(G) 体积模量(Kb)
（1）前过程曲线类型及特征
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（2）变形参数
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（一）单轴压缩条件下的岩块变形 连续加载----峰值前岩块的变形特征
一、岩石的抗压强度 二、岩石的抗拉强度 三、岩石的抗剪强度 四、岩石的硬度及断裂韧性 五、岩石强度参数的矿场获取 六、影响岩石力学性质的因素
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一、岩石的抗压强度
概念及测试方法
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一、岩石的抗压强度
概念及测试方法
二、岩石的抗拉强度
9 岩石的单轴抗拉强度（抗拉强度）：单向拉伸条件下， 岩块能承受的最大拉应力
弹性模量E 9 应力-应变曲线中部直线段的斜率
泊松比(μ) 9 横向应变（εd）与轴向应变（εL）之比
9 一般采用σc/2处的εd与εL计算
（2）变形参数
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（一）单轴压缩条件下的岩块变形
1、弹性岩石：加、卸载路径重合 2、非弹性岩石：
卸载点（P）应力低于岩石弹性极 限(A)：卸载曲线将基本沿加载曲 线回到原点-弹性恢复
岩心
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（二）三轴压缩条件下的岩块变形性
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（二）三轴压缩条件下的岩块变形性 盐岩
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（二）三轴压缩条件下的岩块变形性
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（二）三轴压缩条件下的岩块变形性
（二）三轴压缩条件下的岩块变形性
σ3增大，弹性模量增大，软岩增大明显，致密的硬岩增大不明显 σ3增大，塑性不断增大，σ3增大到一定值，岩石由弹脆性转变为塑性 σ3增大，岩块从脆性劈裂破坏逐渐向塑性剪切及塑性流动破坏方式过渡
9 巴西劈裂法：实验室常用方法
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一、岩石的抗压强度
概念及测试方法
二、岩石的抗拉强度
9 巴西劈裂法：沿着圆柱体直径方向施加集中载荷，试件受力后 沿着受力的直径方向裂开。 圆柱形岩样：
立方形岩样：
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一、岩石的抗压强度
常见岩石的单轴抗压强度
岩石名称 砂岩 页岩 灰岩 白云岩 砾岩
抗压强度（MPa） 20-200 10-100 20-200 80-250 10-150
概念及测试方法
9 形状效应 9 尺寸效应 9 加荷速率 9 温度、湿度
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（二）三轴压缩条件下的岩块变形性
岩石破坏前应变随σ3增大而增大。 围压对变形破坏产生的影响 岩石的峰值强度随σ3增大而增大。
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本章第一次作业
1、利用文件“作业1-1.xls、作业1-2.xls”中的实验数据，完 成以下分析：
（1）两块岩心的尺寸（岩心直径、岩心长度） （2）两块岩心的峰值强度、实验围压 （3）计算两块岩心的弹性模量、泊松比 （4）根据计算机绘制出的应力-应变曲线特征，在作业本 上示意地画出应力-应变曲线（注意曲线典型特征），并分 析围压对变形及强度的影响。
线性应变
受力与变形
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二、岩块的受力与变形性质
9 荷载施加方式不同，岩石表现出的变形性质、强度特 征不同
9 力—变形
单轴加载
压缩 拉伸
连续加载 循环加载
逐级一次循环加载 重复循环加载
加载方式
三轴加载
加剪力
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一、基本概念
受力与变形
角度变化
Δx
τ
γ = Δx = tan Ψ
L
L 施加力后
Ψ
τ 剪应变
常见岩石的弹性模量和泊松比
岩石名称 砂岩 页岩 灰岩 白云岩 砾岩
弹性模量（×104MPa） 1-10 2-8 5-10 4-8 2-8
泊松比 0.2-0.3 0.2-0.4 0.2-0.35 0.2-0.35 0.2-0.3
（2）变形参数
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（一）单轴压缩条件下的岩块变形 连续加载----峰值前岩块的变形特征
（三）岩石的蠕变性质 蠕变曲线特征—蠕变三个阶段
初始蠕变阶段(AB段)/减速蠕变阶段
9 曲线下凹，应变最初随时间增大较快，但应变率随时间迅 速递减，B点达最小值
9 若卸载，则应变沿PQR下降至零。但卸荷后应力立即消失， 应变则随时间逐渐恢复，二者恢复不同步-弹性后效
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（三）岩石的蠕变性质
蠕变的两种类型
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（一）单轴压缩条件下的岩块变形 连续加载--变形特征
BC段：微破裂稳定发展阶段，变形随σ增加逐渐变为曲线关系 ¾ 变形主要表现为塑性变形 ¾ 试件内开始出现新的微裂隙，且随应力增加而逐渐发展 ¾ 载荷不变，微裂隙停止发展。微破裂出现，试件体积压缩 速率减缓，σ-εv曲线偏离直线向纵轴方向弯曲 ¾ 上界C点应力称为屈服极限
实验室试验标准（1972年国际岩石力学学会建议） 9 圆柱体直径最好不少于54mm；高径比约为2.5～3.0 9 圆柱体端面彼此平行并垂直于圆柱体的轴线，且磨平 9 试验机最少应当有一个球形接头，需要涂少量矿物润滑油 9 承压板必须磨光，样品必须放在承压板中心
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第二节 岩块的强度性质及实验室测试方法
根据蠕变曲线的特征，岩石蠕变可划分为三个阶段
典型蠕变曲线
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（三）岩石的蠕变性质
蠕变： ¾ 恒定荷载作用下，变形随时间逐渐增大的性质 ¾ 岩石蠕变现象十分普遍，在天然斜坡、人工边坡及地下洞 室中可以直接观测到
松弛：应变不变时，岩石中的应力随时间减少的现象 弹性后效：加载或卸载时，弹性应变滞后于应力的现象
点:峰值强度 9 破坏后阶段(DE)
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（一）单轴压缩条件下的岩块变形
孔隙裂隙压密阶段(O→A)：
连续加载--变形特征
¾ 原有张开性结构面或微裂隙逐渐闭合，岩石被压密，形成早
期非线性变形
¾ 曲线呈上凹型，曲线斜率随应力增加而逐渐增大。表明微裂
隙初始闭合较快，之后逐渐减慢 ¾ 裂隙化岩石，特别是低角度裂缝发育岩石较明显
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一、基本概念
受力与变形
应变：
9 应力作用下，物体变形（尺寸和形状）的度量
9 应力作用的结果
9 无因次量
9 常用符号
ε ：正应变
γ ：剪应变
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一、基本概念 体积变化
σx σy
V0
受力与变形
σz
σz 体积应变
σy σx V
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一、基本概念 长度变化-----伸长或缩短
ε=(L-L0)/L0=∆L/L0
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（三）岩石的蠕变性质
外部条件不变时，岩石变形和应力受时间因素的影响 岩石变形或应力随时间而变化的现象-流变 岩石应力-应变关系与时间因素有关的性质-流变性 岩石的流变种类
¾ 蠕变 ¾ 松弛 ¾ 弹性后效
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（三）岩石的蠕变性质
蠕变曲线特征
在加载的瞬间，岩块产生一瞬时应变(OA段)，随后便产生 连续不断的蠕变变形
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（三）岩石的蠕变性质
影响蠕变的因素---岩性
岩石在室温和10MPa压应力下的蠕变曲线
石膏在不同应力下的蠕变曲线
受岩石组成、结构 受温度、湿度影响
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一、岩石的抗压强度
岩石抗压强度
概念及测试方法
¾ 单轴抗压强度：单向压缩条件下，岩块能承受的最大压应力 ¾ 三轴抗压强度：三向压应力作用下，岩石能抵抗的最大的轴向应力