岩石的基本物理力学性质.ppt

1 上周学习回顾 Review 岩石力学研究对象及特点 岩石力学研究内容 研究方法 岩石和岩体 研究岩石 岩体 的力学行为 以力学的方法研究岩石工程的稳定性 地下 边坡 岩基三类工程 涉及土木 水利水电 交通 核电 石油 1 岩石与岩体的物理力学性质 2 地应力场 分布规律 测试理论与方法 3 工程岩体的稳定性与岩石工程加固支护 4 岩石力学新理论 新方法 新技术 研究方法 实验室试验 理论分析 物理与数值模拟 原位监测 工程应用 岩石的构成和分类 2 3 岩石和岩体的差别与联系 岩体是由结构面网络及其所围限的岩块 结构体 所组成 1 物质组成 天然矿物的集合体 结构是岩体的显著特征 2 尺度过渡 图 3 赋存条件 复杂的天然应力状态和地下水 这是岩体与其他材料的根本区别之一 4 力学性质 岩体 非均质 不连续 各向异性 5 相互转化 4 岩块 非连续面 联合作用 岩体特性 理论背景 试验基础 岩块研究成果丰硕 采样 试验设备 5 课程章节调整 岩石物理力学性质 岩石的本构模型与强度理论 岩体力学性质 地应力 三大岩石工程 洞 坡 基 6 岩石的物理性质 PhysicalPropertiesofrocks 物理性质 水理性质 容重 空隙性 吸水性 抗冻性 软化性 透水性 比重 7 岩石的力学性质 MechanicalPropertiesofrocks 强度性质 变形性质 破坏形式 强度指标 全应力应变曲线 弹性 塑性 粘性 变形参数 在外载作用下 当岩石内部的应力达到或超过某一极限时 岩石就发生破坏 8 岩石脆 延转换 9 10 岩石的强度性质 Rockstrength 岩石发生破坏时 变形很小 明显声响 一般发生在单轴或低围压坚硬岩石 脆性破坏 破坏时 变形较大 有明显的 剪胀 效应 一般发生在较软弱岩石或高围压坚硬岩石 延性破坏 岩石破坏类型 1 拉破坏 2 压剪破坏 11 岩石的单轴抗压强度 概念 岩石试件在单轴压力 无围压而轴向加压力 下抵抗破坏的极限能力或极限强度 数值上等于破坏时的最大压应力 意义 衡量岩块基本力学性质的重要指标 岩体工程分类 建立岩体破坏判据的重要指标 用来大致估算其他强度参数 12 单轴压缩试验岩样破坏基本形式 破裂角 13 岩石单轴抗压强度 14 岩石的抗拉强度 概念 岩石的抗拉强度是指岩石试件在单向拉伸条件下试件达到破坏的极限值 它在数值上等于破坏时的最大拉应力 意义 衡量岩体力学性质的重要指标 用来建立岩石强度判据 确定强度包络线 选择建筑石材不可缺少的参数 15 常见岩石的抗拉强度 16 岩石的抗剪强度 基本概念 正应力条件下施加剪切力 岩石能抵抗的最大剪力 岩石的抗剪断强度 完整岩块 岩石被剪断时 表现出的 抵抗剪切破坏 的强度 结构面的抗剪强度 岩石沿原生结构面或已被剪断的破裂面 剪切滑动时的 摩擦阻力 17 抗剪强度常用室内试验直接剪切仪 直接剪切试验 角模压剪仪 变角板剪切试验 角模剪切试验 三轴压缩仪 三轴压缩试验 18 优点 简单方便 无需特殊设备 采用普通岩石压力机即可 缺点 试件较小 不易反映岩石裂缝 层理等结构面 剪切面上的受力不均匀等 直剪试验 19 角模压剪试验 采用不同的 角进行试验 则每个 对应一组 和 f 20 三轴压缩试验 试验步骤 先将试件施加侧压力 3 逐渐增加垂直压力 1 试件破坏 得到大主应力 1 即获破坏应力圆 改变侧压力 3 获得对应的 1 和破坏应力圆 21 真三轴试验 常规三轴试验 伪三轴 试样为立方体 试样为圆柱体 22 三轴压缩试验 绘制试验对应 1和 3的应力圆 或称莫尔圆 以及这些应力圆的包络线 即求得岩石的抗剪强度曲线 三轴压缩试验 试验结果整理 23 单轴压缩下的变形 AB 弹性变形段 BC 微破裂稳定发展阶段 典型的应力 应变曲线 常温常压下岩石的典型应力一应变曲线 24 3 体积不变阶段 岩石的扩容 岩石变形性质 体积变形 岩石在荷载作用下发生破坏之前产生体积膨胀大于体积压缩的非线性体积变形 1 体积弹性压缩阶段 25 含水率 弹模 或 含水率 泊松比 岩石的变形指标 26 1 5影响岩石力学性质的主要因素 围压水温度加载速度 应变率 27 随着围压的增加 岩石抗压强度显著提高 岩石的变形显著增大 岩石的弹性极限显著增大 岩石的应力 应变曲线形态发生明显改变 岩石的塑性增大 逐渐由脆性转化为延性 出现应变硬化 三轴压缩下的变形 围压对岩石力学性质的影响 岩石由脆性向塑性转化的临界围压称为转化压力 其值与岩石强度和温度有关 28 水对岩石力学性质的影响 1 结合水产生的软化 润滑与水楔作用 使得岩石内粒间粘结力降低 2 自由水的孔隙压力作用和溶蚀 潜蚀作用 3 孔隙水压力 孔隙水压力的增大可能导致颗粒间压应力降低 降低岩石有效应力 造成抗剪强度下降 4 冻融胀缩作用 孔隙 微裂隙中的水在冻融时的胀缩作用对岩石力学强度破坏很大 29 1 温度引起岩石矿物相变对岩石岩性产生影响 2 由于温度的变化在岩石内引起热应力的变化 3 温度条件下岩石孔隙和微裂隙中水的性态改变 如发生相变 引起岩石渗流场 应力场和变形场的耦合变化 温度对岩石力学性质的影响 30 温度的影响 高温 变形模量降低 屈服点降低 峰值强度降低延性增加 破坏后区的应力应变曲线由应变软化型向应变硬化型转化 31 低温 处于0 以下冻结状态的岩石 由于其孔隙水 微裂隙水冻结成冰 冻结力的存在增强了岩石颗粒之间及裂隙隙端处的连结力 因而岩石强度显著增高 危害 岩石中冰体的形成和发育 在裂隙 孔隙中产生巨大的冻胀力 导致孔隙 裂隙张开扩展 岩石内部微结构损伤 破坏 产生冻胀变形 温度的影响 32 加载速率对岩石力学性质的影响 加载速率越快 测得的变形模量和强度越高岩石破坏后区的应力应变曲线也由应变软化型向应变硬化型转化 33 灰岩围压500MPa温度恒定 但应变率变化 玄武岩围压500MPa应变率恒定 但温度变化 温度不变缓慢加载 加载不变温度升高 同一个力学松弛行为 具有等效性 34 应力 在一定应变率下 在一定温度下 温度效应 时间效应 升高温度 延长时间 35 所谓岩石的时温等效是指 岩石在较高温度较短时间内的力学性质和力学行为 与其在较低温度较长时间内的力学性质和力学行为等效 即时间尺度对岩石的力学性质和力学行为的影响可以等效为温度尺度的影响 因而可以方便地在短时间内通过高温试验和理论分析科学地预测岩石长期的力学性质演变规律 岩石时温等效原理 研究前沿 36 LogarithmicCurvesofCreepCompliancevsTimeofTGPGranite 三峡花岗岩蠕变柔量的时温等效效应 37 TheCompleteCurveofCreepComplianceofTGPGraniteatReferentialTemperature 20 C 1万年 10年