2.3岩石力学性质-变形

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1、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、脆性和延性等性质。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

2、。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线弹性体，其应力－应变呈直线关系σ=Eε非线性弹性体，其应力—应变呈非直线的关系σ=f(ε)弹性(elasticity)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

3、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理想塑性体的应力－应变关系:当σ<σ0时，ε=0当σ≥σ0时，ε→∞塑性（plasticity）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：σ=ηdε/dt2.4.2.1岩石变形性

4、质的几个基本概念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3％～5％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

5、几个基本概念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

6、性质的几个基本概念1966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:①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，σ－ε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②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

7、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③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④破裂后阶段（D点以后段）：岩块承载力达到峰值

8、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岩石单轴压缩数值试验单轴压缩破裂过程的数值模拟岩石的应力—应变曲线随着岩石性质不同有各种不同的类型。米勒（Müller）采用28种岩石