岩体力学2.3岩石的变形性质

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1、上节课讲过：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。2.3岩石的变形特性（1/44）1岩石变形性质的几个基本概念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

2、－应变呈直线关系,σ=Eε非线性弹性体：应力—应变呈非直线的关系,σ=f(ε)2.3岩石的变形特性（2/44）22）塑性（plasticity）：物体受力后产生变形，在外力去除（卸载）后变形不能恢复的性质，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，应力达到后，变形不断增大而应力不变，应力－应变曲线呈水平直线.理想塑性体的应力－应变关系:σ当σ<σs时，ε=0当σ≥σs时，ε→∞σsε2.3岩石的变形特性（3/44）33）黏性(viscosity):物体受力后变形不能在

3、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，→黏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。σ应力－应变速率关系：σ=ηdε/dtodε/dt2.3岩石的变形特性（4/44）44）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

4、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。2.3岩石的变形特性（5/44）55）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。岩石变形性能影响因素:岩石成分与结构: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。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，也不是简单的塑性和粘性材料，而往往表现出弹-塑性、塑-弹性、弹-粘-塑或粘-弹性等性质。环境条件:如温度、地下水与

5、地应力对其性状的影响也很大。2.3岩石的变形特性（6/44）6单轴压缩条件岩石应力－应变曲线6种类型岩石的应力—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，如图所示。2.3岩石的变形特性（7/44）7类型Ⅰ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。致密坚硬岩石如玄武岩、石英岩、白云岩以及极坚固的石灰岩。2.3岩石的变形特性（8/44）8类型Ⅱ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

6、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。致密但岩性较软岩石如较弱的石灰岩、泥岩以及凝灰岩等。2.3岩石的变形特性（9/44）9类型Ⅲ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。具孔隙和微裂隙的坚硬岩石如砂岩、花岗岩、片理平行于压力方向的片岩以及某些辉绿岩等。2.3岩石的变形特性（10/44）10类型Ⅳ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，

7、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。较坚硬致密岩石如大多数为变质岩（大理岩、片麻岩等）。2.3岩石的变形特性（11/44）11类型Ⅴ基本上与类型Ⅳ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。2.3岩石的变形特性（12/44）12类型Ⅵ应力—应变曲线开始先有很小一段直线部分