岩石力学性质变形

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2.4.2岩石的力学性质,岩石的变形,上节课内容：,岩石的强度：,岩石抵抗外力作用的能力，岩石破坏时能够承受的最大应力。,本节课接着讲：,岩石的变形：,岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变化。岩石在荷载作用下，,首先发生的物理力学现象是变形,。随着荷载的不断增加，或在恒定载荷作用下，随时间的增长，岩石变形逐渐增大，最终导致岩石破坏。岩石变形过程中表现出,弹性,、,塑性,、,粘性,、,脆性,和等性质。,1,1）弹性(elasticity),物体在受外力作用的,瞬间即产生全部变形,，而去除外力(卸载)后又,能立即恢复,其原有形状和尺寸的性质称为弹性。,弹性体按其应力应变关系又可分为,两种,类型：,线弹性体：,应力应变呈直线关系。,非线性弹性体：,应力应变呈非直线的关系。,2.4.2.1岩石变形性质的几个基本概念,2,线弹性体,，其应力应变呈直线关系,=,E,非线性弹性体,，其应力,应变呈非直线的关系,=,f(,),弹性(elasticity),3,2）塑性（plasticity）,物体受力后产生变形，在外力去除（卸载）后,变形不能完全恢复,的性质，称为塑性。,不能恢复的那部分变形称为,塑性变形,，或称,永久变形,，,残余变形,。,在外力作用下只发生塑性变形的物体，称为,理想塑性体,。,理想塑性体，,当应力低于屈服极限时，材料没有变形，应力达到屈服极限后，变形不断增大而应力不变，应力应变曲线呈水平直线.,2.4.2.1岩石变形性质的几个基本概念,4,理想塑性体的应力应变关系:,当, ,0,时，,=0,当 ,0,时,，,塑性（plasticity）,5,3）粘性 (viscosity),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，称为粘性。,应变速率与时间有关，粘性与时间有关,其应力应变速率关系为过坐标原点的直线的物质称为,理 想粘性体,（如牛顿流体），如图所示。,应力应变速率关系：,=, d/dt,2.4.2.1岩石变形性质的几个基本概念,6,4）脆性 (brittle),物体受力后，变形很小时就发生破裂的性质。,工程上一般以,5,为标准进行划分，总应变大于5者为塑性材料，反之为脆性材料。,赫德(Heard，1963)以,3,和,5,为界限，将岩石划分三类：总应变小于3者为脆性岩石；总应变在35者为半脆性或脆塑性岩石；总应变大于5者为塑性岩石。,按以上标准，大部分地表岩石在低围压条件下都是,脆性或半脆性,的。,当然岩石的,塑性与脆性是相对的,，在一定的条件下可以相互转化，如在高温高压条件下，脆性岩石可表现很高的塑性。,2.4.2.1岩石变形性质的几个基本概念,7,5）延性 (ductile):,物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力的性质，称为延性。,岩石是矿物的集合体，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。,这一面受岩石成分与结构的影响；,另一方面还和它的,受力条件,，如荷载的大小及其组合情况、加载方式与速率及应力路径等密切相关。,例如，在常温常压下，岩石既不是理想的弹性材料，也不简单的塑性和粘性材料，而往往表现出,弹一塑性,、,塑一弹性,、,弹一粘一塑,或,粘一弹性,等性质。,此外，岩体,赋存的环境条件,，如温度、地下水与地应力对其性状的影响也很大。,2.4.2.1岩石变形性质的几个基本概念,8,1,966年,库克（Cook),教授利用自制的刚性试验机获得了的一条大理岩的全应力应变曲线,典型的全应力-应变曲线可将岩石变形分为下列四个阶段:,孔隙裂隙压密阶段（OA段）：,即试件中原有张开性结构面或微裂隙逐渐闭合，岩石被压密，形成早期的非线性变形，,曲线呈上凹型。在此阶段试件横向膨胀较小，试件体积随载荷增大而减小。本阶段变形对裂隙化岩石来说较明显，而对坚硬少裂隙的岩石则不明显，甚至不显现。,2.4.2.2 单轴压缩条件下岩石变形特征,9,弹性变形至微弹性裂隙稳定发展阶段（AC段：,该阶段的应力应变曲线成近似直线型。其中，AB段为弹性变形阶段，BC段为微破裂稳定发展阶段。,2.4.2.2 单轴压缩条件下岩石变形特征,10,非稳定破裂发展阶段，或称累进性破裂阶段（CD段）：,C点是岩石从弹性变为,塑性的转折点,，称为屈服点。相应于该点的应力为,屈服极限，其值约为峰值强度的2/3,。进入本阶段后，微破裂的发展出现了质的变化，破裂不断发展，直至试件完全破坏。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。本阶段的上界应力称为,峰值强度。,2.4.2.2 单轴压缩条件下岩石变形特征,11,破裂后阶段（D点以后段）：,岩块承载力达到峰值强度后，其内部结构遭到破坏，但试件,基本保持整体状,。到本阶段，裂隙快速发展，交叉且相互联合形成宏观断裂面。此后，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的承载力。,2.4.2.2 单轴压缩条件下岩石变形特征,12,岩石单轴压缩数值试验,单轴压缩破裂过程的数值模拟,13,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。,米勒（Mller）采用28种岩石进行大量的单轴试验后，据,峰值前应力应变曲线,将岩石分成六种类型。,单轴压缩条件岩石应力应变曲线6种类型,类型,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。,由于塑性阶段不明显，这些岩石被称为,弹性岩石,。,例如：,玄武岩,、,石英岩,、,白云岩,以及,极坚固的石灰岩,。,14,类型,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,，随着应力逐渐增加而曲线斜率也就越变越小，直至破坏。,由于这些岩石低应力时表现出弹性，高应力时表现出塑性，所以被称为,弹塑性岩石,。,例如：,较弱的石灰岩,、,泥岩,以及,凝灰岩,等。,单轴压缩条件岩石应力应变曲线6种类型,15,类型,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,，直至发生破坏。,由于这些岩石低应力时表现出塑性，高应力时表现出弹性，所以被称为,塑弹性岩石,。,例如,：砂岩,、,花岗岩,、,片理平行于压力方向的片岩,以及,某些辉绿岩,等。,单轴压缩条件岩石应力应变曲线6种类型,16,类型,应力较低时，应力应变,曲线向上弯曲,，当压力增加到一定值后，变形曲线成为,直线,，最后，曲线,向下弯曲,，曲线似S型。,由于这些岩石低应力时表现出塑性，高应力时表现出弹性，破坏前又表现出塑性，所以被称为,塑弹塑性岩石,。,例如：,大多数为变质岩（大理岩、片麻岩等）,。,单轴压缩条件岩石应力应变曲线6种类型,17,类型,基本上与,类型相同,，,也呈S型,，不过曲线斜率较,平缓,。一般发生在,压缩性较高,的岩石中。,应力垂直于片理的片岩,具有这种性质。,类型,应力应变曲线开始,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,蠕变,。,这类材料被称为,弹粘性岩石,。,例如：,岩盐,、,某些软弱岩石,。,单轴压缩条件岩石应力应变曲线6种类型,18,岩石的变形特性通常用,弹性模量,、,变形模量,和,泊松比,等指标表示。,1)弹性模量和变形模量,2.4.2.3 岩石变形指标及其确定,19,a. 线弹性岩石,应力应变曲线,具有,近似直线,的形式。,弹性模量：,直线的斜率,也即应力（, ）与应变（）的比率被称为岩石的弹性模量，记为E。,其应力应变,关系：, =E,反复,加卸载应力应变曲线,仍为直线。,2.4.2.3 岩石变形指标及其确定,20,b.完全弹性岩石,岩石的,应力应变关系不是直线,，而是曲线。,对于任一应变，都有唯一的应力,与之对应，应力是应变的,函数关系,，即, =f（）,切线模量、初始模量和割线模量：,由于应力应变是一曲线关系，所以这里没有唯一的模量。但对于曲线上任一点的值，都有一个。譬如对应于P点的值，,切线模量,就是P点在曲线上的切线PQ的斜率,E,t,，曲线原点处的切线斜率,E,o,即为,初始模量,，而,割线模量,就是割线OP的斜率,E,s,，通常取,c,/2处的割线模量。,E,t,=,d,/d,;,E,s,=,/,反复,加卸载,当荷载逐渐施加到任意点P，得加载曲线OP。如果在P点将荷载卸去，则卸载曲线仍沿原曲线OP路线退到原点O。,2.4.2.3 岩石变形指标及其确定,21,c.弹性岩石,岩石的应力应变关系不是直线，而是曲线，且,卸载曲线不沿原加载路径返回原点,。,对于任一应变，不是唯一的应力,与之对应，,应力不是应变的函数关系,。,2.4.2.3 岩石变形指标及其确定,切线模量和割线模量：,卸载曲线P点的切线PQ的斜率就是相应于该应力的卸载切线模量，它与加载,切线模量不同,。,而加、卸载的,割线模量相同,。,反复,加卸载,当荷载逐渐施加到任何点P，得加载曲线OP。如果在P点将荷载卸去，则卸载曲线,不沿原曲线,OP路线退到原点O，如图中虚线所示，这时产生了所谓,滞回效应,。,22,d.弹塑性岩石,岩石的应力应变关系不是直线，而是曲线，,卸载曲线不沿原加载路径返回，且应变也不能恢复到原点O,。,对于任一应变，不是唯一的应力,与之对应，应力,不是,应变的,函数关系,。,2.4.2.3 岩石变形指标及其确定,弹性模量和变形模量：,弹性变形，以,e,表示；塑性变形，以,p,表示；总变形，以表示。,弹性模量E：,把卸载曲线的割线的斜率作为弹性模量，即:E =PM/NM=,/,e,；,变形模量E,o,：,是正应力与总应变()之比，即：Eo =PM/OM=,/=/(,e,+,p,),塑性滞回环：,加载曲线与卸载曲线所组成的环，叫做,塑性滞回环,。,23,在循环荷载条件下，,弹性岩石变形,如何？,非弹性岩石（弹塑性） 的变形,又如何呢？,2.4.2.4弹塑性岩石在循环荷载条件下的变形特征,24,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。,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，如图中的HH环。,等荷载,循环加载变形特征,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。此时，,给定的应力称为疲劳强度,。,25,增荷载,循环加载变形特征,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。,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。,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。,26,2.4.2.5三轴压缩条件下的岩石变形特征,如图所示的,大理岩,，在围压为,零或较低,的情况下，岩石,呈脆性状态,；,当围压增大至50MPa时，岩石显示出,由脆性到塑性转化,的过渡状态：,把岩石由脆性转化为塑性的临界围压称为转化压力。,围压增加到68.5MPa时，呈现出,塑性流动状态,；,围压增至165MPa时,试件承载力则随围压稳定增长，出现所谓,应变硬化现象,。,27,随着围压的增大，岩石的,抗压强度,显著增加；,随着围压的增大，岩石的,变形,显著增大；,随着围压的增大，岩石的,弹性极限,显著增大；,随着围压的增大，岩石的应力-应变曲线,形态,发生明显改变；岩石的,性质,发生了变化：,由弹脆性弹塑性应变硬化,。,围压对岩石变形的影响,28,2.4.2.6 岩石的扩容,定义：,岩石的扩容现象,是岩石具有的一种普遍性质，是岩石在荷载作用下，在其破坏之前产生的一种明显的非弹性体积变形。,当外力继续增加，岩石试件的体积不是减小，而是大幅度增加，且增长速率越来越大，最终将导致岩石试件的破坏，这种体积明显扩大的现象称为,扩容,。,29,体积变形阶段,体积应变在弹性阶段内随应力增加而呈线性变化（体积减小），在此阶段内，轴向压缩应变大于侧向膨胀。称为体积变形阶段。,在此阶段后期，随应力增加，岩石的体积变形曲线向左转弯，开始偏离直线段，出现扩容。,在一般情况下，岩石开始出现扩容时的应力约为其抗压强度的1/31/2左右。,实验表明：体积应变曲线可以分为三个阶段：,2.4.2.6 岩石的扩容,30,体积不变阶段,在这一阶段内，随着应力的增加，岩石虽有变形，但,体积应变增量近于零,，,即岩石体积大小几乎没有变化。,在此阶段内可认为,轴向压缩应变等于侧向膨胀,，因此称为体积不变阶段。,2.4.2.6 岩石的扩容,31, 扩容阶段,当外力继续增加，岩石试件的体积不是减小，而是大幅度增加，且增长速率越来越大，最终将导致岩石试件的破坏，这种体积明显扩大的现象称为扩容，此阶段称为扩容阶段。,2.4.2.6 岩石的扩容,在此阶段内，当试件,临近破坏时,，,两侧的膨胀变形之和超过最大主应力方向上的压缩变形值,。,这时，岩石试件的泊松比已经不是一个常量。,32,