《巖石力學(xué)課程》PPT課件

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1、第四章巖石的變形Chapter4RockDeformation目的：學(xué)習(xí)和認(rèn)識(shí)巖石在各種物理因素作用下的形狀和大小的變化及其對工程的影響、以及同種類巖石的變形特征。要求：掌握巖石的材料的應(yīng)力～應(yīng)變曲線、全應(yīng)力應(yīng)變曲線。重點(diǎn)：單軸壓縮試驗(yàn)和巖石的全應(yīng)力～應(yīng)變曲線的構(gòu)成分析。難點(diǎn)：根據(jù)巖石的應(yīng)力～應(yīng)變曲線進(jìn)行的材料劃分。學(xué)習(xí)提示LearningHints§4.1概述4.1.1巖石變形的概念巖石變形——指多種地質(zhì)力學(xué)環(huán)境因素和工程荷載共同作用巖石形狀與大小發(fā)生變化。河谷下切、地應(yīng)力釋放、工程開挖等;水庫蓄水、隧洞充水的水荷

2、載等；巖石錨固、支擋建筑物等的變形等§4.1概述4.1.2巖石的變形穩(wěn)定因此，巖體的變形量常作為工程設(shè)計(jì)的控制標(biāo)準(zhǔn)之一。巖體作為建筑物的基礎(chǔ)，其變形與上部結(jié)構(gòu)的變形相互協(xié)調(diào)→影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力?！?.1概述4.1.2巖石的變形穩(wěn)定空間殼體將上游水載傳遞給壩肩巖體，而壩肩巖體的變形另一方面：庫水放空壩體回彈（大），巖體回彈（小）（差異）拱端接觸面“脫開”——開裂，如錦屏一級拱壩。一方面：要影響壩體的變形、應(yīng)力;§4.1概述重力壩右江h(huán)=130m庫空是否向上游傾斜—研究巖體變形的重要性蓄水壩基不均勻變形影響4.1.2巖石的變形

3、穩(wěn)定→不均勻變形造成壩體內(nèi)剪應(yīng)力及主拉應(yīng)力增長，造成開裂錯(cuò)位等不良后果。§4.1概述彈性變形塑性變形蠕變巖石在外力作用下發(fā)生變形，當(dāng)外力取消后又完全恢復(fù)到變形前的狀態(tài)。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到或超過屈服點(diǎn)后會(huì)造成巖石永久應(yīng)變的變形叫做塑性變形（荷載卸去后，變形不能全部恢復(fù)，殘留一部分永久變形）。荷載（應(yīng)力）一定的情況下，巖石變形隨時(shí)間t增加而增加。4.1.2巖石的變形類型§4.1概述4.1.3線彈性變形的本構(gòu)關(guān)系巖石的變形特性通常用E和u兩個(gè)常數(shù)來表示，當(dāng)E和u已知時(shí)，可計(jì)算給定應(yīng)力狀態(tài)下的變形。三維應(yīng)力條件下的Hook定律（三維

4、）§4.1概述4.1.3線彈性變形的本構(gòu)關(guān)系如果已知變形，也可用下式計(jì)算應(yīng)力，其中：K為體積模量；G稱為剪切模量，λ稱為拉梅常數(shù)。一般采用室內(nèi)試驗(yàn)或現(xiàn)場試驗(yàn)，靜力試驗(yàn)或動(dòng)力試驗(yàn)來獲取巖石變形指標(biāo)及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。室內(nèi)試驗(yàn)一般有單軸壓縮試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)等，現(xiàn)場試驗(yàn)有承壓板試驗(yàn)、狹縫試驗(yàn)、環(huán)形加荷試驗(yàn)等。顯然，要了解巖石的變形特性，必須確定/已知巖石的變形指標(biāo)，包括彈性模量，泊松比、剪切模量、體積模量等，顯然，由于巖體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性（含多結(jié)構(gòu)面），其變形指標(biāo)也存在很大的差異，因此確定巖石變形指標(biāo)顯得尤為重要?！?.2巖石變形室

5、內(nèi)試驗(yàn)4.2.1巖石變形的特點(diǎn)試件：D=5.0cm、H＝10.0cm加載：普通壓力機(jī)、剛性壓力機(jī)（MTS、INSTRON等）量測：應(yīng)變片：軸向、側(cè)向單軸壓縮試驗(yàn)§4.2巖石變形室內(nèi)試驗(yàn)單軸壓縮試驗(yàn)成果整理：一般來說為曲線，當(dāng)較小時(shí)，為直線4.2.1巖石變形的特點(diǎn)§4.2巖石變形室內(nèi)試驗(yàn)單軸壓縮試驗(yàn)通過單軸試驗(yàn)，可以獲得以下幾種模量（變形指標(biāo)）：(1)初始彈性模量：曲線上零荷載時(shí)的切線斜率；(2)切線彈性模量：隨應(yīng)力狀態(tài)變化；(3)平均彈性模量：取近似于直線段的平均斜率；(4)割線彈性模量：原點(diǎn)與曲線上某點(diǎn)連線的斜率;

6、4.2.1巖石變形的特點(diǎn)§4.2巖石變形室內(nèi)試驗(yàn)三軸壓縮試驗(yàn)用巖石三軸儀也可直接測定巖石試件的彈性模量。通過巖樣上應(yīng)變體引線——量測軸向、側(cè)向應(yīng)變。對常規(guī)三軸而言：根據(jù)三維Hook定律計(jì)算彈模：4.2.1巖石變形的特點(diǎn)§4.3巖石的變形性質(zhì)4.3.1巖石的應(yīng)力～應(yīng)變?nèi)^程曲線通過剛性壓力機(jī)單軸試驗(yàn)獲得應(yīng)力～應(yīng)變?nèi)^程曲線，分為4個(gè)階段：1.OA－Stage1壓密階段巖體中細(xì)微裂隙受壓閉合；2.AB－Stage2線彈性階段卸載后變形可恢復(fù)，巖石顆粒變形3.BC－Stage3強(qiáng)化/塑性階段卸載后變形不能完全恢復(fù)；4.CD

7、－Stage4軟化階段ε↑，強(qiáng)度下降，塑性變形比重大；Stage1Stage2Stage3Stage4§4.3巖石的變形性質(zhì)4.3.1巖石的應(yīng)力～應(yīng)變?nèi)^程曲線不同巖性的巖樣，σ～ε全過程曲線中某些階段突出，某些階段弱化，可根據(jù)各階段的差異對巖性進(jìn)行劃分?！?.3巖石的變形性質(zhì)4.3.1巖石的應(yīng)力～應(yīng)變?nèi)^程曲線直線型：具有明顯彈性特性且絕大多數(shù)有很高強(qiáng)度的脆性，代表巖石有石英巖、玄武巖等。下凹型：也稱彈塑性區(qū)縣，具有明顯塑性變形，代表巖石有石灰?guī)r、粉砂巖等。上凹型：具有較大的孔隙且?guī)r石又比較堅(jiān)硬，也可作為彈塑性的一

8、種，代表巖石有片麻巖等。S型：呈現(xiàn)塑彈塑性特征，上凹形和下凹形的組合，表現(xiàn)為多孔且有明顯塑性的巖石，代表巖石有大理巖等。4.3.2反復(fù)加載與卸載條件下的變形特性一）彈性階段二）彈塑性（強(qiáng)化）階段1.卸載：卸載→彈性變形恢復(fù)§4.3巖石的變形性質(zhì)加載~卸載過程后，應(yīng)力～應(yīng)變曲線重合（無塑性變形或不可恢復(fù)變形產(chǎn)生）；4.3.2反復(fù)加載與卸載條件下的