巖體力學(xué)2.3巖石的變形性質(zhì)

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1、上節(jié)課講過：巖石的強(qiáng)度：巖石抵抗外力作用的能力，巖石破壞時(shí)能夠承受的最大應(yīng)力。本節(jié)課接著講：巖石的變形：巖石在外力作用下發(fā)生形態(tài)（形狀、體積）變化。巖石在荷載作用下，首先發(fā)生的物理力學(xué)現(xiàn)象是變形。隨著荷載的不斷增加，或在恒定載荷作用下，隨時(shí)間的增長，巖石變形逐漸增大，最終導(dǎo)致巖石破壞。巖石變形過程中表現(xiàn)出彈性、塑性、粘性、脆性和延性等性質(zhì)。2.3巖石的變形特性（1/44）1巖石變形性質(zhì)的幾個(gè)基本概念1）彈性(elasticity)：物體在受外力作用的瞬間即產(chǎn)生全部變形，而去除外力(卸載)后又能立即恢復(fù)其原有形狀和尺寸的性質(zhì)稱為彈性。彈性體按其應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系又可分為兩種類型：線彈性體：應(yīng)力

2、－應(yīng)變呈直線關(guān)系,σ=Eε非線性彈性體：應(yīng)力—應(yīng)變呈非直線的關(guān)系,σ=f(ε)2.3巖石的變形特性（2/44）22）塑性（plasticity）：物體受力后產(chǎn)生變形，在外力去除（卸載）后變形不能恢復(fù)的性質(zhì)，稱為塑性。不能恢復(fù)的那部分變形稱為塑性變形，或稱永久變形，殘余變形。在外力作用下只發(fā)生塑性變形的物體，稱為理想塑性體。理想塑性體，當(dāng)應(yīng)力低于屈服極限時(shí)，材料沒有變形，應(yīng)力達(dá)到后，變形不斷增大而應(yīng)力不變，應(yīng)力－應(yīng)變曲線呈水平直線.理想塑性體的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系:σ當(dāng)σ<σs時(shí)，ε=0當(dāng)σ≥σs時(shí)，ε→∞σsε2.3巖石的變形特性（3/44）33）黏性(viscosity):物體受力后變形不能在

3、瞬時(shí)完成，且應(yīng)變速率隨應(yīng)力增加而增加的性質(zhì)，稱為粘性。應(yīng)變速率與時(shí)間有關(guān)，→黏性與時(shí)間有關(guān)其應(yīng)力－應(yīng)變速率關(guān)系為過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線的物質(zhì)稱為理想粘性體（如牛頓流體），如圖所示。σ應(yīng)力－應(yīng)變速率關(guān)系：σ=ηdε/dtodε/dt2.3巖石的變形特性（4/44）44）脆性(brittle):物體受力后，變形很小時(shí)就發(fā)生破裂的性質(zhì)。工程上一般以5％為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分，總應(yīng)變大于5％者為塑性材料，反之為脆性材料。赫德(Heard，1963)以3％和5％為界限，將巖石劃分三類：總應(yīng)變小于3％者為脆性巖石；總應(yīng)變?cè)?％～5％者為半脆性或脆－塑性巖石；總應(yīng)變大于5％者為塑性巖石。按以上標(biāo)準(zhǔn)，大部分地表巖石在低

4、圍壓條件下都是脆性或半脆性的。當(dāng)然巖石的塑性與脆性是相對(duì)的，在一定的條件下可以相互轉(zhuǎn)化，如在高溫高壓條件下，脆性巖石可表現(xiàn)很高的塑性。2.3巖石的變形特性（5/44）55）延性(ductile):物體能承受較大塑性變形而不喪失其承載力的性質(zhì)，稱為延性。巖石變形性能影響因素:巖石成分與結(jié)構(gòu):巖石是礦物的集合體，具有復(fù)雜的組成成分和結(jié)構(gòu)，因此其力學(xué)屬性也是很復(fù)雜的。受力條件:如荷載的大小及其組合情況、加載方式與速率及應(yīng)力路徑等密切相關(guān)。例如，在常溫常壓下，巖石既不是理想的彈性材料，也不是簡單的塑性和粘性材料，而往往表現(xiàn)出彈-塑性、塑-彈性、彈-粘-塑或粘-彈性等性質(zhì)。環(huán)境條件:如溫度、地下水與

5、地應(yīng)力對(duì)其性狀的影響也很大。2.3巖石的變形特性（6/44）6單軸壓縮條件巖石應(yīng)力－應(yīng)變曲線6種類型巖石的應(yīng)力—應(yīng)變曲線隨著巖石性質(zhì)不同有各種不同的類型。米勒（Müller）采用28種巖石進(jìn)行大量的單軸試驗(yàn)后，據(jù)峰值前應(yīng)力—應(yīng)變曲線將巖石分成六種類型，如圖所示。2.3巖石的變形特性（7/44）7類型Ⅰ應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系是一直線或者近似直線，直到試件發(fā)生突然破壞為止。由于塑性階段不明顯，這些巖石被稱為彈性巖石。致密堅(jiān)硬巖石如玄武巖、石英巖、白云巖以及極堅(jiān)固的石灰?guī)r。2.3巖石的變形特性（8/44）8類型Ⅱ應(yīng)力較低時(shí)，應(yīng)力—應(yīng)變曲線近似于直線，當(dāng)應(yīng)力增加到一定數(shù)值后，應(yīng)力—應(yīng)變曲線向下彎曲，隨著應(yīng)

6、力逐漸增加而曲線斜率也就越變?cè)叫?，直至破壞。由于這些巖石低應(yīng)力時(shí)表現(xiàn)出彈性，高應(yīng)力時(shí)表現(xiàn)出塑性，所以被稱為彈—塑性巖石。致密但巖性較軟巖石如較弱的石灰?guī)r、泥巖以及凝灰?guī)r等。2.3巖石的變形特性（9/44）9類型Ⅲ在應(yīng)力較低時(shí)，應(yīng)力—應(yīng)變曲線略向上彎曲。當(dāng)應(yīng)力增加到一定數(shù)值后，應(yīng)力—應(yīng)變曲線逐漸變?yōu)橹本€，直至發(fā)生破壞。由于這些巖石低應(yīng)力時(shí)表現(xiàn)出塑性，高應(yīng)力時(shí)表現(xiàn)出彈性，所以被稱為塑—彈性巖石。具孔隙和微裂隙的堅(jiān)硬巖石如砂巖、花崗巖、片理平行于壓力方向的片巖以及某些輝綠巖等。2.3巖石的變形特性（10/44）10類型Ⅳ應(yīng)力較低時(shí)，應(yīng)力—應(yīng)變曲線向上彎曲，當(dāng)壓力增加到一定值后，變形曲線成為直線，

7、最后，曲線向下彎曲，曲線似S型。由于這些巖石低應(yīng)力時(shí)表現(xiàn)出塑性，高應(yīng)力時(shí)表現(xiàn)出彈性，破壞前又表現(xiàn)出塑性，所以被稱為塑—彈—塑性巖石。較堅(jiān)硬致密巖石如大多數(shù)為變質(zhì)巖（大理巖、片麻巖等）。2.3巖石的變形特性（11/44）11類型Ⅴ基本上與類型Ⅳ相同，也呈S型，不過曲線斜率較平緩。一般發(fā)生在壓縮性較高的巖石中。應(yīng)力垂直于片理的片巖具有這種性質(zhì)。2.3巖石的變形特性（12/44）12類型Ⅵ應(yīng)力—應(yīng)變曲線開始先有很小一段直線部分