1、第三講 巖石的力學(xué)性質(zhì),3.1 巖石的強(qiáng)度性質(zhì),3.1 巖石的強(qiáng)度性質(zhì),巖石強(qiáng)度,巖石在一定荷載條件下達(dá)到破壞時(shí)所能承受的最大應(yīng)力量值稱為巖石的強(qiáng)度（strength of rock）。 根據(jù)荷載條件不同，可分為： 單軸抗壓強(qiáng)度（ uniaxial compressive strength） 三軸抗壓強(qiáng)度（triaxial compressive strength） 抗剪強(qiáng)度( shear strength ) 抗拉強(qiáng)度（tensile strength） 主要是指巖石在天然含水量、飽和及自然風(fēng)干三種狀態(tài)下的強(qiáng)度。國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)試驗(yàn)方法委員會(huì)在試驗(yàn)建議方法中對(duì)試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)條件作了明確規(guī)定，試驗(yàn)

2、必須按照標(biāo)準(zhǔn)條件的要求進(jìn)行。,1、巖石單軸抗壓強(qiáng)度,巖石的單軸抗壓強(qiáng)度 （uniaxial compressive strength，UCS），為巖石試件達(dá)到破壞時(shí)的最大軸向壓力P與試件橫截面積之比A,巖石單軸抗壓強(qiáng)度受到試件的端部條件影響，在試驗(yàn)的準(zhǔn)備過程中必須做好試件端部的平整度和光滑度處理，以消除端部約束效應(yīng)，確保試件完全處于單向受壓狀態(tài)。同時(shí)必須使試件長(zhǎng)度達(dá)到規(guī)定要求，以保證在試件中部出現(xiàn)均勻應(yīng)力狀態(tài)。巖石單軸強(qiáng)度 隨著試件的長(zhǎng)徑比（L/D，高度與直徑之比）的增大而降低，當(dāng)長(zhǎng)徑比L/D2.53時(shí)， 趨于穩(wěn)定。國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)巖石力學(xué)試驗(yàn)建議方法建議試件長(zhǎng)徑比L/D為2.53。我國(guó)水利水

3、電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程建議試件長(zhǎng)徑比L/D宜為2.02.5。通常在單軸壓縮和三軸壓縮試驗(yàn)中所用的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件的尺寸為直徑50mm，高度100mm。,單軸受壓的完整巖石試件可能發(fā)生的最常見的破壞形式是單斜面剪切破壞或X狀共軛斜面剪切破壞。 對(duì)于其它的破裂形式，多數(shù)是由于端部處理不當(dāng)造成的，也可能是試件中含有節(jié)理、裂隙或?qū)永淼冉Y(jié)構(gòu)面的原因，一旦出現(xiàn)，應(yīng)仔細(xì)檢查試驗(yàn)條件是否符合要求。,以上兩種主要的破壞形式都是由于破壞面的應(yīng)力達(dá)到極限狀態(tài)引起的，此時(shí)破裂面上既承受壓應(yīng)力，又承受剪應(yīng)力，因而也稱為壓剪破壞。通過分析可知，破壞面法線與載荷軸線（即試件軸線）的夾角為,2、巖石三軸抗壓強(qiáng)度,巖石的三軸抗壓強(qiáng)度

4、是指三軸壓縮狀態(tài)下巖石試件達(dá)到破壞時(shí)的最大主應(yīng)力量值，或最大差應(yīng)力（differential stress）量值。 三軸壓縮試驗(yàn)有兩種方式： 常規(guī)三軸試驗(yàn)：三個(gè)主應(yīng)力中有兩個(gè)是相等的，試件為圓柱體。 真三軸試驗(yàn)：試驗(yàn)過程中三個(gè)主應(yīng)力互不相等，試件為長(zhǎng)方體或立方體，可以考慮中間主應(yīng)力對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響。,常規(guī)三軸試驗(yàn)：圍壓一般通過液壓油施加。由于試件側(cè)表面被密封套包住，液壓油不會(huì)在試件表面造成摩擦力，因而側(cè)向壓力可以均勻施加到試件表面。常規(guī)三軸試驗(yàn)中的軸壓加載方式與單軸壓縮試驗(yàn)相同，但由于圍壓的作用，加載時(shí)的端部效應(yīng)比單軸加載時(shí)要輕微得多。這就是三軸試驗(yàn)結(jié)果比單軸試驗(yàn)結(jié)果離散性小的主要原因。,

5、隨著圍壓的增加，巖石的強(qiáng)度相應(yīng)增高。,通過不同圍壓下的三軸壓縮試驗(yàn)，可以得到莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線（Mohrs strength envelop）。在一定的圍壓范圍內(nèi)，莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線基本上呈直線型；在更寬的圍壓范圍內(nèi)，莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線近似呈拋物線型。,直線型莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線與剪應(yīng)力軸的截距稱為巖石的粘結(jié)力(conhesion，或稱內(nèi)聚力)，與正應(yīng)力軸的夾角稱為巖石的內(nèi)摩擦角（friction angle）。 而對(duì)拋物線型莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線，工程上為了方便起見常常作一些近似處理，例如取中間近似直線段的延長(zhǎng)線與剪應(yīng)力軸的截距為粘結(jié)力，與正應(yīng)力軸的夾角為內(nèi)摩擦角；或取莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線上與實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)對(duì)應(yīng)點(diǎn)上的切線與剪

6、應(yīng)力軸的截距為粘結(jié)力，與正應(yīng)力軸的夾角為內(nèi)摩擦角等等。,真三軸試驗(yàn)：最小主應(yīng)力通過液壓油施加，另外兩個(gè)主應(yīng)力通過剛性壓板（platen）施加。由于兩個(gè)方向存在端部效應(yīng)，而且在兩個(gè)剛性加載面的角點(diǎn)處應(yīng)力狀態(tài)極其復(fù)雜，因而試驗(yàn)結(jié)果離散性大。要解決這個(gè)問題，比較好的辦法可能是在剛性壓板與試件表面之間增加一層既能減摩又能傳遞應(yīng)力的柔性接觸，但這樣做的同時(shí)將會(huì)進(jìn)一步增加試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)難度。這就是國(guó)內(nèi)外極少有人做這種試驗(yàn)的原因。,3、巖石抗剪強(qiáng)度,巖石的抗剪強(qiáng)度（shear strength）也叫剪切強(qiáng)度，是指巖石在剪切力作用下破壞前所能抵抗的最大剪應(yīng)力。 工程中應(yīng)用最多的是直剪儀壓剪試驗(yàn)和角模壓剪試驗(yàn)。

7、,P,T,T,4、巖石的抗拉強(qiáng)度,巖石在單軸拉伸荷載作用下達(dá)到破壞時(shí)所能承受的最大拉應(yīng)力稱為巖石的抗拉強(qiáng)度（tensile strength），其值等于達(dá)到破壞時(shí)的最大軸向拉伸荷載除以試件的橫截面積。,3.2 巖石的強(qiáng)度性質(zhì),一、巖石的單軸壓縮變形特性,1、巖石的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線,在剛性壓力機(jī)或伺服控制試驗(yàn)機(jī)上可以得到在單軸壓縮荷載作用下巖石的全過程應(yīng)力應(yīng)變曲線,AB段：孔隙裂隙壓密階段，上凹 BC段：彈性變形、縱向微裂隙張開階段 CD段：非穩(wěn)定破裂累進(jìn)發(fā)展階段，C點(diǎn)為屈服點(diǎn)（擴(kuò)容點(diǎn)，約為峰值強(qiáng)度的三分之二），標(biāo)志著巖石開始從彈性變?yōu)樗苄?DE段（破裂后階段）：裂隙快速發(fā)展形成宏觀斷裂面，內(nèi)

8、部結(jié)構(gòu)遭到破壞，試件承載力隨變形增大迅速下降，但并不完全降到零，說明破裂后仍有殘余強(qiáng)度。,巖石應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線分類,單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線典型類型 、線彈性型：玄武巖、石英巖、白云巖等極堅(jiān)硬巖石具有這種性質(zhì) 、彈-塑性型： 石灰?guī)r、泥巖、凝灰?guī)r等較弱巖石具有這種性質(zhì) 、塑-彈性型： 砂巖、花崗巖、片理平行于壓力方向的片巖及某些輝綠巖等具有這種性質(zhì) 、塑-彈-塑型： 如大理巖、片麻巖等變質(zhì)巖具有這種性質(zhì) 、與基本相同，只是曲線斜率較平緩。壓縮性較高的巖石具有這種性質(zhì)，如片理垂直于壓力方向的片巖 、彈-粘型：如鹽巖等軟弱巖石具有這種性質(zhì),假如巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系服從虎克定律（線彈性材料），則壓縮彈性常數(shù)彈

9、性模量 和泊松比 可由下式計(jì)算：,， 為軸向應(yīng)變和橫向應(yīng)變,事實(shí)上，自然界真正意義上的彈性巖石是不存在的，因?yàn)闊o論在任何應(yīng)力水平卸載，都不可能完全恢復(fù)到加載前的初始應(yīng)變狀態(tài)；無論在應(yīng)力應(yīng)變曲線上的任一段上，其變形模量都不完全相同，橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的比值也不是一個(gè)確定的常數(shù)。 所謂巖石的彈性模量、泊松比等，都是人為假定的變形參數(shù)，嚴(yán)格意義上是不存在的。作這樣的人為假定，完全是為了解決實(shí)際問題的簡(jiǎn)化需要。 所謂的巖石彈性模量，是指應(yīng)力應(yīng)變曲線中間近似線性段上的應(yīng)力增量與應(yīng)變?cè)隽恐然蚱淦骄担ú捎们芯€模量或割線模量）；所謂的泊松比，是指應(yīng)力應(yīng)變曲線中間近似線性段上的橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的比值或其平

10、均值。,2、幾種理想的巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型,從理論上將，巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系存在以下理想情況： 線彈性巖石：加載路徑與卸載路徑完全重合，多次反復(fù)加卸載時(shí)，其應(yīng)力應(yīng)變路徑完全沿著同一直線往返。,完全彈性巖石：加卸載路徑完全重合，多次反復(fù)加卸載時(shí)，其應(yīng)力應(yīng)變路徑完全沿著同一條曲線而不是直線往返。,2、幾種理想的巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型,彈性巖石：雖然加卸載曲線不重合，但反復(fù)加載與卸載時(shí)，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線總是服從此環(huán)路的規(guī)律。,2、幾種理想的巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型,彈塑性巖石：卸載曲線不沿加載路徑返回，且應(yīng)變也不能恢復(fù)到原點(diǎn)O。對(duì)于任一應(yīng)變，不是唯一的應(yīng)力與之對(duì)應(yīng)，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系不是單值函數(shù)關(guān)系。,2、幾種

11、理想的巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型,3、巖石的擴(kuò)容,巖石在荷載作用下發(fā)生破壞之前產(chǎn)生體積膨脹大于體積壓縮的非線性體積變形，這種現(xiàn)象稱為巖石的擴(kuò)容（dilatancy）。 巖石的體積應(yīng)變曲線相應(yīng)于巖石的軸向應(yīng)力軸向應(yīng)變曲線、軸向應(yīng)力側(cè)向應(yīng)變曲線和巖石的微裂紋體積應(yīng)變曲線可以分為四個(gè)階段：,OE階段：試件內(nèi)橫向微裂紋閉合，體積應(yīng)變呈線性壓縮。 EF階段：豎向微裂紋穩(wěn)定張開，橫向體積膨脹抵消了一部分軸向體積壓縮，體積變形曲線開始偏離直線段，出現(xiàn)擴(kuò)容的初始階段。 F點(diǎn)附近（出現(xiàn)一個(gè)很短暫的階段）：橫向膨脹與軸向壓縮的速率幾乎相等，體積應(yīng)變?cè)隽拷诹?。為體積不變階段。F點(diǎn)的出現(xiàn)意味著巖石開始屈服。,F點(diǎn)以后：微

12、裂紋急劇擴(kuò)展，橫向體積膨脹超過軸向體積壓縮，試件內(nèi)部出現(xiàn)宏觀裂隙，體積明顯增大，速率越來越大，最終導(dǎo)致試件破壞，為擴(kuò)容迅速發(fā)展階段。,研究巖石的擴(kuò)容不僅可以深入了解巖石的性質(zhì)，同時(shí)還可以預(yù)測(cè)巖石的破壞。巖石擴(kuò)容的急劇發(fā)展意味著巖石即將破壞。 地震發(fā)生前往往伴隨著巖石的急劇擴(kuò)容，導(dǎo)致地下水位、水壓發(fā)生明顯變化，有時(shí)還會(huì)造成局部地表發(fā)生隆起，并且伴隨著聲發(fā)射事件頻率的急劇升高。研究擴(kuò)容與這些現(xiàn)象之間的聯(lián)系，對(duì)揭示地震發(fā)生規(guī)律，預(yù)測(cè)地震等災(zāi)害具有重要意義。 對(duì)預(yù)測(cè)巖爆、礦井沖擊地壓具有重要意義。,4、 巖石的破壞類型,穩(wěn)定型破裂（型破裂）：達(dá)到峰值應(yīng)力以后，試件內(nèi)貯存的變形能并不能使破裂繼續(xù)擴(kuò)展，只

13、有試驗(yàn)機(jī)繼續(xù)作功才能導(dǎo)致試件進(jìn)一步破壞，并由于試件的有效面積隨著破裂而減小，才使試件的承載能力相應(yīng)降低。特點(diǎn)：即使當(dāng)外力超過了巖石的最大承載力以后，仍保持一定的強(qiáng)度。,非穩(wěn)定型破裂（型破裂）：當(dāng)達(dá)到峰值應(yīng)力以后，盡管試驗(yàn)機(jī)不再對(duì)試件做功，但試件內(nèi)貯存的變形能也能使破裂繼續(xù)擴(kuò)展，并最終導(dǎo)致試件的整體破壞。特點(diǎn)：當(dāng)外力超過了巖石的最大承載力以后，巖石迅速失去其承載能力，巖石表現(xiàn)出具有更大的脆性。,5、 巖石的循環(huán)荷載變形特性,在工程中經(jīng)常會(huì)遇到巖石受循環(huán)荷載作用（地震、機(jī)器振動(dòng)）的情況，為了正確認(rèn)識(shí)這種情況下巖石的變形破壞機(jī)理，評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性，需要研究巖石在循環(huán)荷載作用下的疲勞變形特性及損傷演化規(guī)律

14、。有時(shí)，為了研究巖石的本構(gòu)關(guān)系和強(qiáng)度理論，也需要對(duì)巖石在反復(fù)加卸載循環(huán)條件下的變形特性進(jìn)行研究。,對(duì)大多數(shù)巖石，其應(yīng)力應(yīng)變曲線的加載與卸載路徑不相重合，形成滯回環(huán)（hysteresis loop）。滯回環(huán)的面積逐次擴(kuò)大，但卸載曲線斜率基本上維持常量。而且每次卸載后再加載到原來的應(yīng)力再繼續(xù)加載時(shí)，則加載曲線仍然沿著單調(diào)連續(xù)加載曲線上升稱為巖石的變形記憶效應(yīng)。利用這一性質(zhì)，可以獲得巖石穩(wěn)定的卸載模量參數(shù)。,對(duì)于等荷載下的循環(huán)加卸載試驗(yàn)（每循環(huán)加卸載增量相等），當(dāng)卸載點(diǎn)應(yīng)力明顯低于屈服應(yīng)力時(shí)，滯回環(huán)是穩(wěn)定的，每循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變路徑幾乎重復(fù)第一個(gè)滯回環(huán)的規(guī)律，巖石不發(fā)生破壞。但當(dāng)卸載點(diǎn)應(yīng)力接近或超過屈服應(yīng)

15、力時(shí)，隨著加卸載循環(huán)次數(shù)增加，滯回環(huán)應(yīng)變逐漸增大，滯回環(huán)的相對(duì)位置呈現(xiàn)“疏密疏”的規(guī)律，直至巖石發(fā)生疲勞破壞。,二、巖石的三軸壓縮變形特性,巖石的強(qiáng)度及變形特征與巖石的應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)。在單軸壓縮或低圍壓條件下表現(xiàn)出脆性，隨圍壓增加： （1）破壞前巖石的應(yīng)變?cè)黾樱?（2）彈性極限和抗壓強(qiáng)度增加； （3）巖石的塑性增大，逐漸由脆性轉(zhuǎn)化為延性：脆性破壞脆塑性轉(zhuǎn)化的過渡狀態(tài)塑性流動(dòng)特征應(yīng)變硬化現(xiàn)象。,Carrara大理巖 的應(yīng)力應(yīng)變曲線,花崗巖三軸壓縮試驗(yàn)中的圍壓效應(yīng),巖石由脆性向塑性轉(zhuǎn)化的臨界圍壓稱為轉(zhuǎn)化壓力（brittle-ductile transition pressure）。 強(qiáng)度越高的巖

16、石，轉(zhuǎn)化壓力越大。 巖石的脆性延性轉(zhuǎn)化壓力還和溫度相關(guān)，溫度越高，越利于巖石向延性轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化壓力越低。 花崗巖是質(zhì)地堅(jiān)硬的脆性巖石，常溫下花崗巖在圍壓高達(dá)300MPa時(shí)，仍然沒有出現(xiàn)穩(wěn)定的塑性流動(dòng)和應(yīng)變硬化特征,3.3 巖石力學(xué)性質(zhì)的主要影響因素,1、水對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響,水溶液與巖石的物理化學(xué)作用導(dǎo)致巖石力學(xué)性質(zhì)的改變。巖石中的水通常以兩種形式存在：結(jié)合水，自由水，它們對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的劣化產(chǎn)生不同的影響：,（1）結(jié)合水產(chǎn)生的軟化、水楔作用，使顆粒間粘結(jié)力降低。 巖石中親水性最強(qiáng)的是粘土礦物，含粘土礦物多的巖石受水的影響就大。如粘土巖在浸水后其強(qiáng)度最多可降低90，而含粘土礦物少（或不含）的巖

17、石如花崗巖、石英巖等，浸水后強(qiáng)度變化則小得多。 當(dāng)兩個(gè)礦物顆?？康煤芙兴肿友a(bǔ)充到礦物表面時(shí)，在礦物顆粒表面吸著力作用下，水分子擠入礦物顆粒間的縫隙中，產(chǎn)生水楔作用，導(dǎo)致巖石體積膨脹或產(chǎn)生膨脹壓力。巖石吸水后發(fā)生膨脹主要是由于粘土類礦物（如蒙脫石、伊犁石）的水楔作用，所以蒙脫石、伊犁石的存在與否及其含量的多少也是判斷巖石有無膨脹性及膨脹性大小的基本指標(biāo)。,（2）自由水的孔隙壓力作用和溶蝕、潛蝕作用。 自由水不受礦物表面吸著力控制，其運(yùn)動(dòng)主要受重力作用控制。它對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響主要表現(xiàn)在孔隙壓力作用和溶蝕、潛蝕作用。 對(duì)于孔隙和微裂隙中含有自由水的巖石，當(dāng)其突然受載，由于水來不及排除，巖石

18、孔隙或微裂隙中就產(chǎn)生一定的孔隙壓力。孔隙壓力的存在減小了巖石顆粒之間的壓應(yīng)力，從而降低巖石的抗剪強(qiáng)度，甚至使巖石微裂隙尖端出現(xiàn)拉應(yīng)力，從而破壞巖石的連接。 如果巖石中包含易溶的巖石礦物，滲流水（尤其是酸性或堿性水）可將部分礦物溶解（溶蝕），并把剝離的小顆粒帶走（潛蝕），從而削弱巖石顆粒間的連結(jié)力，降低巖石強(qiáng)度，使得巖石變形增大。,2、溫度對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響,（1）高溫對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響 實(shí)驗(yàn)研究表明，隨著溫度升高，巖石的變形模量降低，變形能力增強(qiáng)，巖石由脆性向延性轉(zhuǎn)化；巖石的屈服和峰值強(qiáng)度降低，破壞后區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變曲線由應(yīng)變軟化型向應(yīng)變硬化型轉(zhuǎn)化。,（a）玄武巖,（b）花崗巖,（c）白云巖,（2）低溫對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響 處于0以下凍結(jié)狀態(tài)的巖石，由于其孔隙水、微裂隙水凍結(jié)成冰，凍結(jié)力的存在增強(qiáng)了巖石顆粒之間及裂隙隙端處的連結(jié)力，因而巖石強(qiáng)度顯著增高。在負(fù)溫下一定范圍，隨著溫度的降低，巖石的強(qiáng)度明顯增高。當(dāng)負(fù)溫提高時(shí)，凍結(jié)巖土中可能存在冰的部分融化，巖石強(qiáng)度隨之降低。,巖石中冰體的形成和發(fā)育，在裂隙、孔隙中產(chǎn)生巨大的凍脹力，導(dǎo)致孔隙、裂隙張開擴(kuò)展，巖石內(nèi)部微結(jié)構(gòu)損傷、破壞，產(chǎn)生凍脹變形。隨著凍融次數(shù)的