第2章物理性質、強度(課2)巖體力學

1、巖石力學巖石力學巖石力學巖石力學2013年年9月月巖石力學巖石力學第二章 巖石的物理力學性質與強度理論巖石的物理性質巖石的力學性質巖石的強度理論巖石力學巖石力學2 巖石的物理力學性質與強度理論 巖石的物理性質是指由巖石固有的物質組成和結構特征所決定的密度、孔隙性、水理性、熱理性等基本屬性。2.1 巖石的物理性質2.1.1 巖石的非均質性與各向異性 巖石的結構和構造特征決定了巖石的非均勻性、各向異性和裂隙性，巖石的非均勻性、各向異性和裂隙性是巖石材料區(qū)別于其他材料的最突出的結構特征。 非均質性 巖石的非均質性是表征巖石的物理、力學等性質隨空間變化而變化的一種性質。巖石組成物理粒度、

2、圓度等性質的非均質性決定了巖石的非均質性。一般地說，在其他條件相同的條件下，巖石組成的顆粒越細小，巖石越致密，顆粒大小越均勻、一致，則其力學性質越均勻。巖石力學巖石力學 巖石的非均質性可用試驗數(shù)據(jù)的偏差系數(shù)進行估計，即：各觀測值的算術平均值； %100XS(2-1)niinXXS121)(2-2)_XiX式中 n試件個數(shù)。 第i個觀測值；n巖石力學巖石力學 巖石的各向異性是由其生成條件所決定的。巖石在變質或者成巖作用過程中，會使原巖中那些本來沒有明顯方向性排列的片狀、板狀、柱狀礦物，重新做定向排列，或新產生一些變質礦物定向發(fā)育。從不同角度分析，有兩種情況：一種是如前所述，具有定向排列，巖石表現(xiàn)

3、為各向異性；另一種情況是巖石中的各種礦物都是沿著各個不同方向均勻排列，這樣即使巖石含有某些具有明顯軟弱面的礦物。上述這些構造往往巖石力學性質具有明顯的非均勻性，沿著這些構造面，抗剪能力很弱，表現(xiàn)為明顯的軟弱面，垂直于結構面的方向上，承受拉力性能又很差。即使以受壓而論，巖石也會因結構面的方向不同而表現(xiàn)出不同的強度特征。因此巖石的力學性質，不僅與巖石的礦物性質有關，也與巖石的構造有關。 各向異性巖石力學巖石力學 巖石真密度是指巖石固體部分的質量與固體體積的比值，即：sssVm(2-3) 式中 Vs巖石固體體積,cm3,下同。（如何量測） 巖石真密度僅取決于組成巖石的礦物密度及其含量

4、，一般為2.53.2g/cm3。常見巖石的真密度與天然塊體密度見表2-1。巖石真密度常用比重瓶法進行測定。2.1.2 巖石真密度巖石力學巖石力學2.1.3 巖石密度指標 巖石密度是指單位體積巖石(包括巖石中孔隙體積)的質量(單位：g/cm3)。巖石是由固相、液相和氣相組成的，三相物質在巖石中所含的比例不同、礦物巖屑成分不同，密度也會發(fā)生變化。根據(jù)巖石試樣的含水情況不同，巖石塊體密度可以分為天然塊體密度()、干塊體密度(d)和飽和塊體密度(sat)，一般未說明含水狀態(tài)時指天然塊體密度。 （1）天然塊體密度 天然塊體密度是指巖石在自然情況下單位體積的質量，即：Vm(2-4)式中 m巖石試件的總質量

5、，g；V該試件的總體積，cm3。巖石力學巖石力學 表2-1 常見巖石的真密度與天然塊體密度巖石力學巖石力學 (2)干塊體密度 干塊體密度是指巖石孔隙中的液體全部被蒸發(fā)，試件中僅有固體和氣體的狀態(tài)下單位體積的質量，即： (3)飽和塊體密度 飽和塊體密度是指孔隙完全被水充填時單位體積的質量，即：Vmsd(2-5)VuVmVssat(2-6) 式中 Vv孔隙的體積，cm3； u水的密度，g/cm3。巖石力學巖石力學2.1.4 巖石的孔隙性 由于天然巖石屬于多晶體材料，本身存在很多缺陷和相對較多的孔隙或裂隙。一般地層中的巖石孔隙越發(fā)育，巖石(體)的強度就越小，塑性變形（）和滲透性就越大，通常用孔隙率來

6、說明巖石孔隙性的好壞。 巖石中孔隙體積與巖石總體積之比稱為巖石的孔隙率，即：100bpVV(2-7)式中 孔隙率； pV巖石中孔隙體積； bV巖石總體積。 根據(jù)孔隙的大小，可將巖石的孔隙分為三類：巖石力學巖石力學微毛細管孔隙管形孔徑小于0.0002mm，裂縫寬度小于0.0001mm的孔隙。由于流體與周圍介質分子的吸引力極大，以致在常溫常壓下流體在這種孔隙中已不能流動，如致密頁巖中的孔隙。毛細管孔隙管形孔徑在0.00020.5mm之間，裂縫寬度在0.0010.25mm之間的孔隙。由于流體和巖石顆粒分子間的毛細管阻力的作用，流體不能自由流動，但在外力大于這種阻力時可以流動，一般砂巖的粒間孔隙多屬于

7、此類型。超毛細管孔隙管形孔徑大于0.5mm，裂縫寬度大于0.25mm的孔隙。在重力作用下，流體在其中可以自由流動。服從靜力學的一般規(guī)律，一些未膠結和膠結疏松的沙層的孔隙屬于這種類型。巖石力學巖石力學2.1.5 巖石的水理性 巖石在水溶液的作用下所表現(xiàn)的性質或者其性質發(fā)生變化稱為巖石的水理性質，如巖石的吸水性、滲透性、膨脹性、崩解性和軟化性等。 巖石的吸水性 在一定的條件下，巖石吸收水分的性質稱為吸水性。常用吸水性、飽水率和飽水系數(shù)等物理指標來表示。 (1)吸水率 吸水率wa指巖石在常溫常壓下（經過浸水）吸收水分的質量與巖石干質量之比，即：%1001swammw（2-8） 式中 m

8、w1吸收水分的質量； ms 巖石的干質量。 注：巖石吸水率的大小主要取決于巖石中孔隙和裂縫的數(shù)量、大小和其張開與關閉程度，當然也受檢測方法和要求的影響。大部分巖漿巖和變質巖的吸水率多在0.1%2.0%之間，沉積巖的吸水率多在0.2%7.0%之間。巖石力學巖石力學 (2)飽和率 飽和率wp指巖石在高壓(一般為15MPa)或真空條件下吸收水分的質量與巖石的干質量之比，即：%100w2swpmw（2-9） 式中 ww2 巖石在高壓或真空條件下吸收水分的質量； 巖石的飽和吸水率反映了巖石總（開）孔隙率的發(fā)育程度，因此可間接地用它來判斷巖石的風化能力和抗凍性。 （3）飽水系數(shù) 飽水系數(shù)定義為巖石的吸水率

9、和飽水率之比，即： ms 巖石的干質量。巖石力學巖石力學 式中 wa巖石的吸水率；pawww（2-10）wp巖石的飽水率。 表2-2反映了巖石中大、小開孔隙的相對比例關系。一般來說，飽水系數(shù)越大，巖石中的大開孔隙相對越多，小開孔隙相對越少。另外，飽水系數(shù)越大，說明常壓下吸水后余留的孔隙就越少，巖石容易被凍脹破壞，因而其抗凍性差。同時巖石的吸水性和巖石的力學性質密切相關，對于泥頁巖底層和富含黏土礦物的底層，吸水率和飽水率越高就意味著其穩(wěn)定性越差。巖石力學巖石力學表2-2 部分巖石的吸水率巖石類別 巖石名稱 吸水率% 巖 漿 巖 花崗巖 0.010.92 正長巖 0.4714.94 閃長巖 0.3

10、00.48 輝綠巖 0.225.00 玢巖 0.071.65 班巖 0.202.00 安山巖 0.293.00 玄武巖 0.312.69 凝輝巖 0.127.45 沉 積 巖 礫巖 0.205.00 砂巖 0.2012.9 頁巖 1.803.10 石灰?guī)r 0.104.45 變 質 巖 片麻巖 0.103.15 片巖 0.080.55 石英巖 0.100.80 大理巖 0.100.95 巖石力學巖石力學 巖石的滲透性（土層的滲透性） 1.概述： 水在巖土體孔隙中的流動過程稱為滲透。巖土體具有滲 透的性質稱為巖土體的滲透性。由水的滲透引起巖土體邊坡失穩(wěn)、邊坡變形、地基變形、巖溶滲透

11、塌陷等均屬于巖土體的滲透穩(wěn)定問題。水在孔隙介質中的滲透問題，目前的研究在試驗及理論上都有一定的水平，在解決實際問題方面也能夠較好地反映水在孔隙介質中的滲流的運動規(guī)律。 2.巖石的滲透性： 在一定的水力梯度或壓力作用下，巖石能被水透過的性質，稱為透水性。對孔隙介質巖體，一般認為，水在巖石中的流動，如同水在土中流動一樣，也服從于線性滲流規(guī)律達西定律；滲透系數(shù)是表征巖石透水性的重要指標，其大小取決于巖石中空隙、裂隙的數(shù)量、規(guī)模及連通情況等，并可在室內根據(jù)達西定律測定巖石的滲透性一般都很小，遠小于相應巖體的透水性，新鮮致密巖石的滲透系數(shù)一般均小于10-7cm/s量級。巖石力學巖石力學同一種巖石，有裂隙

12、發(fā)育時，滲透系數(shù)急劇增大，一般比新鮮巖石大46個數(shù)量級，甚至更大，說明空隙性對巖石透水性的影響是很大的 3.巖體的滲透性：是一個復雜的問題，根據(jù)目前的研究，巖體的滲流大體可劃分為準均勻介質滲流、裂隙性介質滲流和巖溶性介質滲流三種。(1)準均勻介質滲流： 屬于這一類型的有全、強風化帶及弱風化帶的中上部的多孔隙砂巖。在該滲流場中，達西定律基本上適用；(2) 裂隙性介質滲流：裂隙性介質滲流是巖體滲流的基本形式，水的滲流主要受裂隙的類型、裂隙的大小、裂隙的產狀連通性及裂隙充填情況所控制。(3)巖溶介質滲流：巖溶介質滲流是巖體滲流最復雜的一種形式，由于受巖溶的發(fā)育規(guī)律所控制，巖溶的滲流具有間歇性、隱伏性

13、、封閉性和地下水系等特點。巖石力學巖石力學 巖溶介質滲流的復雜性主要表現(xiàn)在以下三個方面： 多循環(huán)系統(tǒng)共存 這是巖溶介質滲流最突出的特點之一。如一個泉眼可能是一個循環(huán)系統(tǒng)的排泄點，也可能是幾個循環(huán)系統(tǒng)的排泄點。同時，單個系統(tǒng)在空間上可以相互交叉。 裂隙性滲流與管道型滲流共存。 多種滲流特征參數(shù)共存。 巖石的滲透性與孔隙性密切相關，一般而言，隨有效孔隙率增大，巖石中流體的滲流能力增強，巖石逐漸變得疏松，強度逐漸降低。巖石力學巖石力學 膨脹性、崩解性及軟化性 巖石中的黏土礦物具有較強的親水性，在與外來水接觸后致使巖石中顆粒間的水膜增厚，或者水滲入礦物晶體內部，從而引起巖石的體積或長度膨

14、脹，這就是巖石的膨脹性。表示指標膨脹率。 由于吸水膨脹作用，致使巖石內部出現(xiàn)非均勻的應力，加之有溶解物被溶掉，因而造成巖石顆粒及其集合體分散，稱之為巖石的崩解性。 巖石的軟化性是指巖石浸水后引起其強度降低的性能，這種浸水造成巖石強度降低的作用稱為對巖石的軟化作用。而巖石抵抗水軟化作用的能力主要取決于巖石中親水性和易溶性礦物或膠結物的類型和含量，此外也與巖石中孔隙及裂縫的發(fā)育程度密切相關。實例巖石力學巖石力學 2.1.6 巖石的熱理性 巖石的熱理性是指巖石溫度發(fā)生變化時所表現(xiàn)出來的物理性質。表征巖石熱理性的參數(shù)主要有體脹系數(shù)、線脹系數(shù)、熱導率等。 體脹系數(shù)及線脹系數(shù) 巖石受熱后體

15、積或長度發(fā)生膨脹的性質稱為熱脹性,常用體脹系數(shù)和線脹系數(shù)來度量。巖石的體脹系數(shù)(avs)是指溫度上升1所引起的體積增值與其初始體積之比：巖石力學巖石力學表2-3 部分巖石的線脹系數(shù) 線脹系數(shù)( )是指溫度上升1所引起的長度增值與其初始線長度之比：式中 、 分別為巖石的初始體積、初始線長度； 、 分別為巖石在t時的體積、線長度。 otvsVVVolsaootlsLLL (2-15)oVoLtVtL(2-14)巖石力學巖石力學 熱導率 巖石的熱導率是度量巖石的熱傳導能力的參數(shù)。巖石的熱導率(Ct）是指當溫度上升1 時熱量(QT)在單位時間內傳遞單位距離時的損耗值，即： 式中 L 熱

16、量傳遞的距離； t 熱量傳遞L距離所用的時間； T 上升的溫度。 巖石的熱導率(Ct)不僅取決于它的礦物組成及結構構造，而且還與其賦存的環(huán)境關系密切。 LtTQCTt(2-16)巖石力學巖石力學2.2 巖石的力學性質 巖石的力學性質是巖石的一個重要的特性，主要包括在不同荷載作用下的強度特性及變形特性。本節(jié)介紹巖石在單軸壓縮、單軸拉伸、剪切及三軸壓縮條仵下的力學特性，巖石的流變特性以及影響巖石力學特性的主要因素。 2.2.1 巖石單軸壓縮條件下的力學特性 單軸抗壓強度 巖石在單軸壓縮荷載作用下達到破壞前所能承受的最大壓應力稱為巖石的單軸抗壓強度。因為巖石試件只受到軸向壓力作用，側

17、向沒有壓力，因此試件變形沒有受到限制，如圖2-1(a)所示。巖石力學巖石力學作為巖（土）體的兩個重要參數(shù)之一的內摩擦角，是土的抗剪強度 指標，是工程設計的重要參數(shù)。土的內摩擦角反映了土的摩擦特 性，一般認為包含兩個部分：土顆料的表面摩擦力，顆粒間的嵌 入和聯(lián)鎖作用產生的咬合力。 內摩擦角是土力學上很重要的一個概念。內摩擦角最早出現(xiàn)在庫 侖公式中，也就是土體強度決定于摩擦強度和粘聚力，摩擦強度 又分為滑動摩擦和咬合摩擦，兩者共同概化為摩擦角。1定義定義內摩擦角(angle of internal friction)1、巖體在豎力作用下發(fā)生剪切破壞時錯動面的傾角；2、顆粒狀材料(如糧食、砂子)自然

18、堆積時與地面能形成的最大夾角。概念概念作為巖(土)體的兩個重要參數(shù)之一的內摩擦角，是土的抗剪強度指標，是工程設計的重要參數(shù)。土的內摩擦角反映了土的摩擦特性，一般認為包含兩個部分：土顆料的表面摩擦力，顆粒間的嵌入和聯(lián)鎖作用產生的咬合力。內摩擦角是土力學上很重要的一個概念。內摩擦角最早出現(xiàn)在庫侖公式中，也就是土體強度決定于摩擦強度和粘聚力，摩擦強度又分為滑動摩擦和咬合摩擦，兩者共同概化為摩擦角。表達式表達式經典的表達式就是庫倫定律=tan+c巖石力學巖石力學 單軸抗壓強度一般用c表示，其值等于達到破壞時的最大軸向壓力P除以試件的橫截面面積A，即：圖2-1 單軸壓縮試驗巖石試件受力和破壞形式示意圖A

19、Pc(2-17)試件在單軸壓縮荷載作用下破壞時，常見的破壞形式有以下三種：巖石力學巖石力學 X狀共軛斜面剪切破壞如圖2-1(b)所示，破壞面法線與荷載軸 線(試件軸線)的夾角 ，式中 為巖石的內摩擦角，這是一種最常見的破壞形式。 單斜面剪切破壞如圖2-1(c)所示， 定義與圖2-1(b)相同。 橫向拉伸破壞如圖2-1(d)所示，在軸向壓應力作用下，在橫向將產生拉應力，這是洎松效應的結果，發(fā)生這種類型破壞的原因是橫向拉應力超過巖石抗拉極限。24 圖2-1(b)及(c)所示兩種破壞都是由于破壞面上的剪應力超過極限引起的，一般稱為剪切破壞。另外，由于破壞前破壞面所承受的最大剪應力也與破壞面上的正應力

20、有關，因此又稱該類破壞為壓-剪破壞。巖石力學巖石力學 巖石單軸壓縮試驗采用的試件形狀可以是立方體(50mm50mm50mm或70mm70mm70mm)也可以是圓柱體，一般建議使用國際巖石力學學會推薦的圓柱體。圓柱體試件直徑一般為50mm，試件長度L與直徑D之比(L/D)對試驗結果有很大的影響，長度一般為100mm。以c表示巖石單軸抗壓強度,它與L/D的關系如圖2-2所示。圖2-2 單軸抗壓強度值c與試件L/D之間的關系可以看出,當L/D23時，c曲線趨于穩(wěn)定，實驗結果不隨L/D的變化而明顯變化，這說明巖石單軸抗壓強度試驗存在明顯的尺寸效應，故國際巖石力學學會建議進行巖石單軸抗壓強度試驗時所使用

21、的試件長度L與直徑D之比為23。巖石力學巖石力學 試件的端部效應對單軸壓縮試驗結果有重要影響。如圖2-3所示，當試件由上、下兩個鋼板加壓時，鋼板與試件端面之間存在摩擦力，因此在試件端部存在剪應力，并阻止試件端部的側向變形，因此試件端部的應力狀態(tài)不是非線性限制的，也是不均勻的。只有在離開端面一定距離的部位，才會出現(xiàn)均勻應力狀態(tài)。為了減少 “端部效應”，必須在試件和鐵板之間加潤滑劑，以充分減少鋼板與試件端面之間的摩擦力，同時必須使試件長度達到規(guī)定要求，以保證在試件中部出現(xiàn)均勻應力狀態(tài)。圖2-3 壓縮試驗設備示意圖巖石力學巖石力學 全應力-應變曲線及其五個階段的變形特性 圖2-4(a

22、）給出了單軸壓縮荷載作用下江西紅砂巖巖石試件(圖上的RS1-1，RS1-2，RS1-3為同一組紅砂巖的編號)的軸向應力-應變 全過程曲線。一般把該曲線稱為全應力-應變曲線，應力指軸向應力 應變指軸向應變 。圖2-4(b)是一典型巖石應力-應變全過程線。大量的試驗結果表明，圖2-4(b)所示的全應力-應變曲線線可將巖石的變形分為以下五個階段。1111圖2-4 全應力-應變曲線巖石力學巖石力學 孔隙裂隙壓密階段(OA段)試件中張開結構面或微裂隙逐漸閉合，巖石被壓密,形成早期的非線性變形， 曲線呈上凹形。此階段試件橫向膨脹較小，試件體積隨荷載增大而減小。 彈性變形階段(AB段)此階段巖石發(fā)生彈性變形

23、， 曲線幾乎為直線。B點的應力值稱為彈性極限。 微彈性裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段(BC段) 該階段的應力-應變曲線近似直線形。C點的應力值稱為屈服極限，其值約為峰值強度的2/3。 非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段(CD段)該階段微破裂的發(fā)展出現(xiàn)了質的變化，破裂不斷發(fā)展直至試件完全破壞。試件由體積壓縮轉為擴容,軸向應變和體積應變速率迅速增大，D點的應力值稱為峰值強度。1111巖石力學巖石力學 破裂后階段(DE段)又稱為峰后階段，巖石承載力達到峰值強度后，其內部結構遭到破壞，但試件基本保持整體狀。本階段裂隙快速發(fā)展，交叉且相互貫通形成宏觀斷裂面。此后，巖石變形主要表現(xiàn)為沿宏觀斷裂面的塊體滑移，試件承載力隨變形增大迅速下降

24、，但并不降到零，E點的應力值稱為殘余強度。在三軸莊縮條件下，隨著圍壓的增大，殘余強度相應提高，這說明破裂的巖石仍有一定的承載力。 峰值前應力-應變曲線的分類 全應力-應變曲線只有巖石力學伺服試驗機或巖石力學剛性試驗機才能做出，而一般用的多為普通試驗機僅能完成峰值前的巖石應力-應變曲線，峰值前的巖石應力-應變曲線可分成六種類型，如圖2-5所示。巖石力學巖石力學圖2-5 峰值前巖石應力-應變曲線巖石力學巖石力學 類型I 應力-應變關系近似直線，直到試件發(fā)生突然破壞為止。具有這種變形性質的巖石有玄武巖、石英巖、白云巖以及極堅固的石灰?guī)r，由于塑性階段不明顯，這些巖石可視為彈-脆性體。

25、類型II 應力較低時，應力-應變曲線近似于直線，當應力增加到一定數(shù)值后，應力-應變曲線向下彎曲，隨著應力逐漸增加而曲線斜率也就越變越小，直至破壞。具有這種變形性質的巖石有較弱的石灰?guī)r、泥巖以及凝灰?guī)r等，這些巖石被稱為彈-塑性體。 類型III 在應力很低時，應力-應變曲線略向上彎曲。當應力增加到一定數(shù)值后，應力-應變曲線近似呈直線，直至發(fā)生破壞。具有這種變形性質的代表巖石有砂巖、花崗巖、片理平行于壓力方向的片巖以及某些輝綠巖等，這些巖石被稱為塑-彈性體。 類型IV 應力較低時，應力-應變曲線向上彎曲，當壓力增加到一定值后，變形曲線成為直線，最后曲線向下彎曲，曲線似S形。具有這種變形特性的巖石大多

26、數(shù)為變質巖，如大理巖、片麻巖等，這些巖石被稱為塑-彈-塑性體。巖石力學巖石力學 類型基本上與類型相同，也呈S形，不過曲線斜率較平緩。一般發(fā)生在壓縮性較高的巖石中，應力垂直于片理的片巖具有這種性質。 類型應力-應變曲線開始先有很小一段直線部分，然后有非彈性的曲線部分，并繼續(xù)不斷地蠕變，這是巖鹽的應力-應變曲線，某些軟弱巖石也具有類似特性，該類巖石被稱為彈-黏性體。 2.2.2 巖石單軸拉伸條件下的力學特性 巖石單軸抗拉強度的定義 巖石在單軸拉伸荷載作用下達到破壞時所能承受的最大拉應力稱為巖石的單軸抗拉強度。理想化的試驗受力狀態(tài)如圖2-6(a)所示。通常以 表示抗拉強度，其值等于達

27、到破壞時的最大軸向拉伸荷載Pt除以試件的截面積A，即：tAPtt(2-18)巖石力學巖石力學圖2-6 拉伸試驗加載和試件示意圖巖石力學巖石力學 巖石單軸抗拉強度的三種測試方法 巖石在拉伸荷載作用下的破壞通常是沿其橫截面的斷裂破壞，巖石的拉伸破壞試驗主要有直接拉伸試驗法、劈裂試驗法和點荷載試驗法三種，其中后兩種屬于間接試驗方法。 直接拉伸試驗法 如圖2-6(a)所示的拉伸試驗是很困難的，因為不可能像壓縮試驗那樣將拉伸荷載直接施加到試件的兩個端面上，而圖2-6(b) 由于夾具內所產生的應力過于集中，往往引起試件兩端破裂，造成試驗失敗。通常直接試驗如圖2-6(c)和(d)所示，拉伸荷

28、載是施加在強度較高的水泥、環(huán)氧樹脂或金屬連接端上。這樣就保證在試件拉伸斷裂前，它的其他部位不會先行破壞而導致試驗失敗。另一種直接拉伸試驗的裝置如圖2-7所示。該試驗使用“狗骨頭”形狀的巖石試件，在液壓P的作用下，由于試件兩端和中間部位截面積的差距，在試件中引起拉伸應力 ，其值等于：3巖石力學巖石力學 試件斷裂時的 值就是巖石的抗拉強度 。需要指出的是，這是一種限制性的抗拉強度，因為在此試驗條件下，巖石試件除受到軸向拉伸應力外，還受到側向壓應力。3t2121223)(dddp(2-19)圖2-7 限制性直接拉伸裝置巖石力學巖石力學 劈裂試驗法 由于直接拉伸試驗在準備巖石試件方面要進行大量的工作，

29、因此一些間接巖石拉伸試驗方法開始出現(xiàn)。劈裂試驗法(又稱巴西試驗法)就是其中一種。劈裂試驗的試件是一個巖石圓盤，加載方式如圖2-8(a)所示。在實際試驗中，荷載P并不是如圖所示沿著平行于軸線的一條線加到試件上的，那樣會造成沿線加載不均勻。實際上荷載是沿著一條弧線加上去的，但弧高不能超過圓盤直徑的1/20。圖2-8 劈裂試驗加載和應力分布巖石力學巖石力學 由圖2-8(b)可知，拉應力的值比壓應力值低很多，由于巖石抗拉強度低，所以試件因為x方向的拉應力而導致試件沿直徑發(fā)生劈裂破壞。破壞從直徑中心開始，然后向兩端發(fā)展，這反映出巖石的抗拉強度比抗壓強度要低得多。大量試驗表明，巖石的單軸抗拉強度是其單軸抗

30、壓強度的1/10左右。 dtPt2(2-20)式中： P試件劈裂破壞發(fā)生時的最大壓力值，N； d巖石圓盤試件的直徑，m； t巖石圓盤試件的厚度，m。巖石力學巖石力學 點載荷試驗法 點載荷試驗法可通過點載荷強度指標的轉換來求巖石的單軸抗拉強度或單軸抗壓強度。 點荷載試驗的設各比較簡單，小型點荷載試驗裝置由一個手動液壓泵、一個液壓千斤頂和一對圓錐形加壓頭組成，加載方式如圖2-9(a)所示，壓力P由液壓千斤頂提供。加壓千斤頂和壓力頭結構如圖29(b)所示。這種小型點荷載試驗裝置是便攜式的，這是點荷載試驗廣泛采用的重要原因。圖2-9 點載荷試驗示意圖巖石力學巖石力學2yPIs 點荷載試驗的另一個重要優(yōu)

31、點是對試件的要求不嚴格，最好的試仵就是直徑為25100mm的巖芯。對試件尺寸的要求如圖2-10所示。若巖芯中包含節(jié)理、裂隙，在加載時要合理布置加載部位和方向，使強度指標值能均勻地考慮到節(jié)理、裂隙的影響。(2-21) 式中 y試件的高度，m。如圖2-10所示。圖2-10 點荷載試驗對試件形狀和尺寸的要求(a)徑向試驗；(b)軸向試驗；(c)不規(guī)則巖塊試驗 點荷載試驗所獲得的強度指標用Is表示，其計算方法是：巖石力學巖石力學 國際巖石力學學會將直徑為50mm的圓柱體試件徑向加載點荷載試驗的強度指標值Is(50)確定為標準試驗值。對于標準圓柱體試件(50 100mm)米說,單軸抗拉強度的計算方法是:

32、50 sccIk）（）（DIkISS150 50sttIk(2-22)式中 kt-經驗參數(shù)，一般kt的值為0.790.90。 而單軸抗壓強度的計算方法是：(2-23) 式中 kc經驗參數(shù)。kc的取值范圍一般為22.823.7。對于非標準試件來說，需要對IS(50)進行修正，修正方法是：(2-24)）（mm55 01457. 02717. 01DDk(2-25)）（mm55 0058. 0 7540. 01DDk(2-26)巖石力學巖石力學 2.2.3 巖石剪切條件下的力學特性 抗剪強度的定義 抗剪強度的試驗方法 剪切強度試驗分為非限制性剪切強度試驗和限制性剪切強度

33、試驗兩種。 典型的非限制性剪切強度試驗有四種：單面剪切試驗、雙面剪切試驗、沖擊剪切試驗和扭轉剪切試驗，其試驗方法分別見圖2-11（a）（d）。S0表示非限制性剪切強度。 巖石在剪切荷載作用下達到破壞前所能承受的最大剪應力稱為巖石的抗剪強度。式中： IS（50）直徑為50mm標準圓柱體試件的點荷載強度指標值，MPa； IS（D） 直徑為D的非標準試件的點荷載強度指標值，MPa； k1 修正系數(shù)； D 試件直徑，mm。巖石力學巖石力學 （1）單面剪切試驗AFcS/0(2-27) 式中： Fc試件被剪斷前達到的最大剪力，N； A 試件沿剪切方向截面積，m2。2-11 非限制性剪切強度試驗巖石力學巖石

34、力學 （2）雙面剪切試驗）（ AFcS2/0）（ra2/0FcS ）（30/16DMcS (2-28) （3）沖擊剪切試驗式中 a試件厚度，mm； r沖擊孔半徑，m。 （4）扭轉剪切試驗式中 試件被剪斷前達到的最大扭矩，Nm； D 試件直徑，m。(2-29)(2-30) 幾種典型的限制性剪切強度試驗如圖2-12所示(圖中Fc為剪切力，P為正壓力)。CM巖石力學巖石力學 圖2-12 限制性剪切強度試驗 (a)直剪儀壓剪試驗(單面剪)；(b)立方體試件單面剪試驗； (c)試件端部受壓雙面剪試驗；(d)角模壓剪試驗巖石力學巖石力學 圖2-12（d）所示，在壓力P的作用下，剪切面上可分解為沿剪切面的剪

35、應力Psina/A和垂直剪切面的正應力Pcosa/A，如圖2-13所示，a一般取30，45和60等。試驗表明，剪切破壞發(fā)生前一要克服黏聚力，二要克服剪切面上的摩擦力。正應力越大，摩擦力也越大。將限制性剪切強度試驗試件被剪破壞時的剪應力和正應力標注到 應力平面上就是一個點，將所有點連接起來就獲得了莫爾強度包絡線(圖2-14)。圖2-13 角模壓剪試驗示意圖圖2-14 摩爾強度包絡線巖石力學巖石力學 剪切破壞發(fā)生后能使破壞面保持滑動所需的較小剪應力就是破壞面的殘余強度。正應力越大，殘余強度越高。如圖2-15所示， 。只要有正應力存在，巖石剪切破壞面仍具有抗剪切的能力。圖2-15 剪切面正應力和殘余

36、強度剪切強度關系示意圖bac巖石力學巖石力學2.2.4 巖石三軸壓縮條件下的力學特性 巖石在三向壓縮荷載作用下，達到破壞時所能承受的最大壓應力稱為巖石的三軸抗壓強度。與單軸壓縮試驗相比，試件除受軸向壓力外，還受側向壓力。 三軸抗壓強度 三軸壓縮試驗的加載方式有兩種：一種是真三軸加載，試件為立方體，加載方式如圖2-16(a)所示，其中 為主壓應力， 和 為側向壓應力。另一種是常規(guī)三軸試驗(偽三軸試驗)，試件為圓柱體，試件直徑為50mm，直徑與長度之比為23。加載方式如圖2-16(b)所示，軸向壓力 的加載方式與單軸壓縮試驗時相同。側向壓力( )由圓柱形液壓油缸施加。由于試件側表面已

37、被加壓油缸的橡皮套包住，液壓油不會在試件表面造成摩擦力，因而側向壓力可以均勻施加到試件中。其試驗裝置示意圖如圖2-17所示。在上述兩種試驗條件下，三軸抗壓強度均為試件達到破壞時所能承受的最大 值。1211332巖石力學巖石力學圖2-16 三軸試驗加載示意圖圖2-17 常規(guī)三軸試驗裝置圖 圖2-18給出了利用國產的RMT150B巖石力學試驗系統(tǒng)得到的不同圍壓條件下江西紅砂巖的應力-應變全過程曲線。巖石力學巖石力學圖2-18 不同圍壓條件下江西紅砂巖的應力-應變全過程曲線 為了獲得某種巖石的莫爾強度包絡線，必須對一組巖石試件做三軸壓縮試驗。試驗得出每次試件破壞時的應力莫爾圓。各莫爾圓的包絡也就是莫

38、爾強度曲線，如圖2-19(a)所示。如巖石中一點的應力組合(正應力加剪應力)落在莫爾強度包絡線之上，則巖石將出現(xiàn)破壞。巖石力學巖石力學圖2-19 摩爾強度包絡線 莫爾強度包絡線的形狀一般是拋物線形的，如圖2-19(b)所示。但也有試驗得出某些巖石的莫爾強度包絡線是直線形的。直線形強度包絡線與軸的截距稱為巖石的黏聚力(或稱內聚力)，記為C，與 軸的夾角稱為巖石的內摩擦角，記為 。巖石力學巖石力學 巖石在常規(guī)三軸實驗條件下的變形及強度 對于高強度堅硬致密的巖石，如圖2-20(a)中的輝長巖(1-3)-1。曲線(圖中1為軸向應力，3為圍壓，1為軸向應變）。對巖性較弱的砂巖，其(1-3)

39、-1曲線斜率隨著圍壓的增加而明顯變陡。如圖2-20(b)所示，彈性模量隨圍壓3的增大而增大，說明這類巖石原來具有較多的空隙，在圍壓作用下，空隙閉合而使巖石剛度加大。圖2-20 兩種巖石在不同3作用下的(1-3)-1曲線 (a)輝長巖；(b)砂巖（1）圍壓對巖石剛度的影響巖石力學巖石力學（2）圍壓對巖石破壞方式的影響 在不同的圍壓條件下，巖石可以發(fā)生物態(tài)的轉化。圖2-21為大理巖在不同圍壓3作用下的應力差-應變曲線。隨著圍壓3的增大，巖石的 (1-3)-1曲線呈三種型式：當圍壓較小時，曲線屈服點不明顯；達到峰值時應變值很小。巖石在應力達峰值后迅速破壞，且應力急劇下降，峰值強度與殘余強度兩者相差很

40、大，即應力降大，如圖2-21中圍壓3小于60MPa時的曲線。當圍壓較大時，巖石先發(fā)生塑性變形，然后才破壞，破壞后有一定應力降，但要比前者小的多，如圖2-21中圍壓3=85105MPa的曲線。當圍壓很大時，巖石屈服后發(fā)生很大塑性變形。隨著變形的發(fā)展，應力幾乎保持不變(或緩慢增長)，沒有明顯的應力降。如圖2-21中圍壓3大于125MPa時之曲線。 注：巖石應力差-應變曲線隨圍壓3的增大而改變，說明巖石的塑性是隨3的增大而越來越明顯。巖石力學巖石力學圖2-21 大理巖在不同3作用下(1-3)-1曲線 巖石的破壞方式主要有以下兩種：脆性破壞巖石在變形很小時，由彈性變形直接發(fā)展為急劇、迅速的破壞。塑性破

41、壞巖石在發(fā)生較大的永久變形后導致破壞的情況，且破壞后應力降很小。（3）圍壓對巖石強度的影響 由圖2-18和圖2-21可看出，圍壓對巖石三軸抗壓強度的影響是明顯的，即隨著圍壓3的增大，巖石三軸抗壓強度也增大，但其增大的速率則很不同。巖石力學巖石力學2.2.5 巖石的流變特性 巖石流變的定義與巖石蠕變曲線 巖石的流變是指巖石的應力-應變關系與時間因素有關的性質，主要表現(xiàn)為蠕變、松弛、彈性后效和黏性流動。 蠕變是當應力不變時變形隨時間增加而增長的現(xiàn)象。 松弛是當應變不變時，應力隨時間增加而減小的現(xiàn)象。 彈性后效是加(卸)載后，經過一段時間應變才增加(或減少)到應有數(shù)值的現(xiàn)象。 黏性流動

42、即蠕變一段時間后卸載，部分應變永久不恢復的現(xiàn)象。 巖石的蠕變曲線如圖2-22所示（ABC），當巖石在某一較小的恒定荷載(小于“長時荷載”)持續(xù)作用下，變形量隨時間的增加而增加，但變形速率減少，最后變形趨于穩(wěn)定的極限值，這種蠕變稱為穩(wěn)定蠕變。當荷載較大時，如圖中的曲線2和3所示，蠕變是無限增長直到破壞。這種蠕變稱為不穩(wěn)定蠕變。巖石力學巖石力學根據(jù)應變速率不同，巖石的典型蠕變過程可分為三個階段(圖2-23)： 圖2-22 巖石的蠕變曲線 圖2-23 巖石的典型蠕變曲線 第一蠕變階段如曲線中ab段所示，應變速率隨時間增加而減小，故又稱為初始蠕變階段或瞬態(tài)階段。第二蠕變階段如曲線中bc段所示，應變速率

43、保持不變，故又稱為等速蠕變階段或穩(wěn)態(tài)階段。第三蠕變階段如曲線中cd段所示，應變速率迅速增加直到巖石破壞，故又稱為加速蠕變階段或不穩(wěn)階段。巖石力學巖石力學 巖石流變方程的建立方法)()()()(3210tttt （1）巖石流變方程建立的經驗方程法（2-31）巖石蠕變經驗方程的通常形式為：式中， 為 的試件的應變； 為瞬時應變； 為初始階段應變； 為等速階段應變； 為加速階段應變。 典型的巖石蠕變方程有： 冪函數(shù)方程 如圖2-24所示的典型的大理巖應變( )-時間( ，單位為小時，以下同)曲線，可用冪函數(shù)方程表達。 第一、二階段軸向蠕變方程為： 第一、二階段的側向蠕變方程為：（2-3

44、2）（2-33）巖石力學巖石力學 指數(shù)方程 對閃長粉巖試件進行彈簧式單軸壓縮蠕變試驗，加載到5t后產生加速蠕變，其蠕變曲線為指數(shù)方程： 冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)混合方程（2-34） 在室溫(204)和大氣壓(0.1020.05)MPa的條件下，在實驗室對幾種巖石進行單軸蠕變試驗，擬合分析后得到了各種巖石的蠕變方程。 a.干燥的鈣質石灰?guī)r： b.干燥的白云質石灰?guī)r：圖2-24 在87.7MPa恒壓下大理石的軸向和側向蠕變曲線（2-35）（2-36）巖石力學巖石力學（2）巖石流變方程建立的經驗方程法 此法在研究巖石的流變性質時，將介質理想化，歸納成各種模型，模型可用理想化的具有基本性能(包括彈性

45、、塑性和黏性)的元件組合而成。通過這些元件不同形式的串聯(lián)和并聯(lián)，得到一些典型的流變模型體并推導出它們的有關微分方程，即建立模型的本構方程和有關的特性曲線。 1）基本元件 所有的流變模型均可由彈性元件（H）、黏性元件（N）和塑性元件（Y）組合而成。 彈性元件 若材料在荷載作用下的變形性質完全符合胡克定律，則稱該材料為胡克體，是一種理想的彈性體。其力學模型用彈簧原件表示（圖2-25），用H代表。式中，E為彈性系數(shù)。 c.干燥的砂巖：（2-37）（2-38）巖石力學巖石力學圖2-25 彈性元件力學模型及其標志 （a）力學模型； （b）應力-應變曲線 分析式(2-38)可知胡克體的性能：具有瞬時彈性變

46、形性質，無論荷載大小，當0，0 ，且=0時=0。說明沒有彈性后效，即與時間無關。應變?yōu)楹愣〞r，應力也保持不變，應力不因時間增長而減小，故無應力松弛性質。應力保持恒定，應變也保持不變，故無蠕變性質。巖石力學巖石力學 塑性元件 物體達到屈服極限時便開始產生塑性變形，即使應力不再增加，變形仍不斷增長，具有這一性質的物體為理想塑性體，其力學模型用一個摩擦片表示，并以符號Y表示，如圖2-26所示。理想塑性體的本構方程為：式中，s為材料的屈服極限。（2-39）圖2-26 塑性原件力學模型及其性態(tài) (a)力學模型；(b)應力-應變曲線巖石力學巖石力學黏性元件 牛頓流體是一種理想黏性體，牛頓流體的力學模型是用

47、一個帶孔活塞組成的阻尼器表示，簡化的模型如圖2-27(a)所示，并用符號N表示，通常稱為黏性元件。牛頓流體的應力與應變速率成正比圖2-27(c)。 圖2-27 黏性元件力學模型及其性態(tài)(a)力學模型；(b)應變-時間曲線；(c)應力-應變速率曲線 根據(jù)定義，元件的本構關系為：巖石力學巖石力學（2-40）即：（2-41）式中， 為牛頓黏性系數(shù)。 對式（2-41）積分可得：式中，C為積分常數(shù)，當t=0時， =0，則C=0。 當t=t1時， ，即 。Ct 1（2-42）（2-43）分析黏性元件的本構關系，可知黏性元件具有如下性質：巖石力學巖石力學因 ，t=0時， =0。當應力為 時，完成其相應的應變

48、需要時間t1圖2-27(b)，說明應變與時間有關，黏性元件無瞬時變形。當 時， ，積分后得 = 常數(shù)，表明去掉外力后應變?yōu)槌?shù) ，只有再受到相應的壓力時，活塞才回到原位，所以牛頓黏性元件無彈性后效，有永久變形。當應變 =常數(shù)時， ，說明當應變保持某一恒定值后，應力為零，無應力松弛特性。2）組合模型 實際中巖石性質都不是單一的，通常都表現(xiàn)出復雜的特性。為此必須對上述三種兀件進行組合，才能準確地描述巖石的特性。組合的方式為串聯(lián)、并聯(lián)、串并聯(lián)和并串聯(lián)。串聯(lián)以符號“一”表示，并聯(lián)以符號“I”表示。并聯(lián)和串聯(lián)的基本性質如下：巖石力學巖石力學 串聯(lián)應力組合體總應力等于串聯(lián)中任何元件的應力（=1=2）。應變

49、組合體總應變等于串聯(lián)中所有元件應變之和（=1+2）。 并聯(lián)應力組合體總應力等于并聯(lián)中所有元件應力之和（=1+2）。應變組合體總應變等于并聯(lián)中任何元件的應變（=1=2）。 典型的巖石流變模型 （1）圣維南（St.Venant）體 圣維南體由一個彈簧和一個摩擦片串聯(lián)組成，代表理想彈塑性體。其力學模型如圖2-28所示。 1）本構方程 當小于摩擦片的摩擦阻力時，彈簧產生瞬時彈性變形/E，而摩擦片沒有變形，即2=0；當s時，即克服了摩擦片的摩擦阻力后，摩擦片將在作用下無限制滑動。所以，圣維南體的本構方程為：巖石力學巖石力學（2-44）式（2-44）用圖形表示為圖2-29圖2-28 圣維南

50、體力學模型圖2-29 圣維南體本構關系 2）卸載特性 如在某時刻卸載，使=0，則彈性變形全部恢復，塑性變形停止。但已發(fā)生的塑性變形永久保留。圣維南體代表理想彈塑性體，無蠕變，無松弛，無彈性后效。巖石力學巖石力學 （2）馬克斯威爾（Maxwell）體 馬克斯威爾體是一種彈黏性體，它由一個彈簧和一個阻尼器串聯(lián)組成，其力學模型如圖2-30所示。 1）本構方程 由串聯(lián)可得： 由于有：圖2-30 馬克斯威爾體力學模型2121巖石力學巖石力學 所以有：（2-45） 式（2-45）為馬克斯威爾體的本構方程。 2）蠕變方程 在恒定荷載 條件下 ，則 。 本構方程（2-45）簡化為： 解方程，得： 式中，C為積

51、分常數(shù)，利用初始條件求C。 當t=0時， ，由此可知， ，代入上式，可得馬克斯威爾體的蠕變方程為：（2-46）（2-47）（2-48）巖石力學巖石力學 由式(2-48)可知，模型有瞬時應變，應變隨著時間增長逐漸增大，這種模型反映的是等速蠕變，如圖2-31(a)所示。 3）松弛方程 保持 不變，則有 。本構方程式（2-45）變?yōu)椋?解方程得：式中，C為積分常數(shù)，利用初始條件求C。 當t=0時， （ 為瞬時應力），得C=-ln ，將C代入上式得： 所以有：（2-50）（2-49）0（2-52）（2-51） 由式(2-52)可見，當t增加時， 將逐漸減少，即應變恒定時，應力隨時間的增長而逐漸減少，即

52、發(fā)生松弛現(xiàn)象，如圖2-31(b)所示。巖石力學巖石力學圖2-31 馬克斯威爾體的蠕變曲線和松弛曲線 (a)蠕變曲線；(b)松弛曲線（2）開爾文（Kelvin）體 開爾文體是一種黏彈性體，它由胡克體與牛頓體，即一個彈簧與一個阻尼器并聯(lián)而成，圖2-32為其力學模型。圖2-32 開爾文體模型1）本構方程巖石力學巖石力學 由于兩元件并聯(lián)，故： 由上面的式子可得： 式（2-55）即為開爾文體的本構方程。 2）蠕變方程 如果t=0時，施加一個恒定的應力 ，本構方程式（2-55）變?yōu)椋?解方程得：式中，A為積分常數(shù)，可由初始條件求出。22211，EEE（2-54）（2-55）（2-53）（2-58）（2-5

53、7）（2-56）巖石力學巖石力學 整個模型在t=0時不產生變形，即當t=0時， =0。由此可求得： 則有：（2-60）（2-59） 作出式(2-60)所示指數(shù)曲線形式的蠕變曲線，由公式和曲線可知，當 趨于常數(shù)，相當于只有彈簧H的應變，如圖2-33所示，所以這種模型的蠕變屬于穩(wěn)定蠕變。圖2-33 開爾文體蠕變曲線和彈性后效曲線 3）蠕變方程 在t=t1時卸載， ，代入本構方程式（2-55）得： 其通解為 ，C為積分常數(shù)，即： 。巖石力學巖石力學 這里初始條件t=t1， ，即： 可得： 由式（2-60）得到，即： 可得卸載方程：（2-61） 由式(2-61)可知，當t=t1時，瞬時應變 。但隨時間

54、t的增長，應變 逐漸減小，當t 時，彈簧元件與黏性元件完全恢復變形，這就是彈性后效現(xiàn)象。 4）松弛方程 如果令模型應變保持恒定，即 ，此時本構方程為：（2-62）巖石力學巖石力學 式(2-62)表明當應變保持恒定時，應力 也就保持恒定，并不隨時間增長而減小，即模型無應力松弛性能。2.2.6 影響巖石力學性質的主要因素 影響巖石力學特性的因索主要有水、溫度、風化程度、加荷速率、圍壓的大小、各向異性等，下面介紹幾種主要因索對巖石力學性質的影響規(guī)律。 水對巖石力學性質的影響 巖石中的水通常以結合水（或稱束縛水）和自由水（或稱重力水）兩種方式賦存，它們對巖石的影響主要有以下方面：結合水產

55、生的影響聯(lián)結作用：束縛在礦物表面的水分子通過吸引力作用將礦物顆粒拉近、接近起作用，它們對巖石力學性質的影響是微弱的。潤滑作用：水的浸入將可溶鹽溶解解，膠體水解，導致礦物顆粒間連接力減弱，摩擦力減低，起到潤滑作用。水楔作用：礦物顆粒利用其表面吸著力將水分子拉到自己周圍，在兩個顆粒接觸處由于吸著力作用使水分子向兩個礦物顆粒之間的縫隙內擠入，這種現(xiàn)象稱為水楔作用，如圖2-34所示。巖石力學巖石力學自由水產生的影響孔隙壓力作用：巖石中的孔隙和微裂隙中含有重力水，在突然受載而使水來不及排出時，巖石孔隙或裂隙中將產生很高的孔隙壓力。它減小了顆粒之間的壓應力，從而降低了巖石的抗剪強度。溶蝕一潛蝕作用：巖石中

56、的滲透水在其流動過程中可將巖石中可溶物質溶解帶走或小顆粒沖走，從而使巖石強度大為降低，前者稱為溶蝕作用，后者稱為潛蝕作用。在巖體中有酸性或堿性水流時，極易出現(xiàn)溶蝕作用；當水力梯度很大時，孔隙率大、聯(lián)結差的巖石易產生潛蝕作用。圖2-34 水楔作用示意圖巖石力學巖石力學 巖石浸水后強度的降低程度見表2-4。表2-4 部分巖石的軟化系數(shù)巖石力學巖石力學 溫度對巖石力學性質的影響 溫度對巖石力學性質的影響主要分為高溫和低溫的影響兩個方面。高溫的影響：隨著溫度的增高，巖石的塑性增大，屈服點降低，強度也降低。圖2-35(a)即為玄武巖在圍壓為500MPa，溫度為25升高到800時應力-應變特

57、征。低溫的影響：從圖2-35(b)發(fā)現(xiàn)江西飽和紅砂巖單軸抗壓強度在-2020范圍內隨溫度降低而增大。從圖2-35(c)和(d)發(fā)現(xiàn)同一負溫下飽和江西紅砂巖的三軸抗壓強度隨圍壓增大而增大，而抗剪強度指標(黏聚力和內摩擦角)隨溫度的降低而增大。巖石力學巖石力學 圖2-35 溫度對巖石變形的影響(a)玄武巖應力-應變曲線(圍壓500MPa)；(b)飽和江西紅砂巖在不同溫度下的軸向應力-應變曲線；(c)飽和江西紅砂巖在不同溫度下的偏應力-應變曲線(溫度為-5)；(d)飽和江西紅砂巖在不同溫度下的偏應力-應變曲線(溫度為-10)加載速率對巖石力學性質的影響 做單軸壓縮試驗時施加荷載的速度對

58、巖石的變形性質和強度指標有明顯影響。加載速率越快，測得的彈性模量越大；加載速率越慢，彈性模量越小。加載速率越大，獲得的強度指標值越高。巖石力學巖石力學 圍壓對巖石力學性質的影響 在三軸壓縮條件下隨著圍壓的增加，巖石的強度和彈性極限都有顯著增大。 風化對巖石力學性質的影響巖石風化的結果主要從以下幾個方面來降低巖體的性質：降低巖體結構面的粗糙程度并產生新的裂隙，破壞了巖體的完整性。巖體中原生礦物經風化作用后，逐漸為次生礦物所代替，特別是黏土礦物增加。巖體的物理性質發(fā)生改變。一般是：抗水性降低、親水性增高；力學強度降低，壓縮性增大；孔隙性增加，透水性增強。

59、應力路徑對告石變形及強度的影響 應力路徑通常指巖體中某一點(或巖石試件)的應力變化過程，也就是在應力坐標系中，某點(或一個試件)應力變化的軌跡。巖石力學巖石力學 圖2-36(a)所示應力路徑是先使試件受均勻圍壓至d點，然后保持圍壓不變而增加軸向壓力 直至試件破壞，即常規(guī)的連續(xù)加載破壞，如巖石路基的破壞過程等。圖2-36(b)應力路徑是先使試件受均勻圍壓至d點，然后增大軸向壓力 至e點，最后降低圍壓至f點使試件破壞，即卸圍壓破壞，如巖石邊坡的開挖等。圖2-36 巖石三軸壓縮試驗的兩種應力路徑(a)連續(xù)加載破壞；(b)卸圍壓(圖中cg為破壞包線；odf及odef為應力路徑)巖石力學巖石力學 用以表

60、征巖石破壞條件的函數(shù)(應力及應變函數(shù))，稱為破壞判據(jù)或強度準則。強度準則的建立，應反映巖石的破壞機理。將研究巖石破壞的原因、過程及條件的理論，稱為強度理論。大量試驗表明，巖石在復雜受力條件下有張破裂、剪破裂和塑性流動三種破壞機制(表2-5)。2.3 巖石的強度理論 目前在巖石力學中廣泛應用的強度理論有最大正應變理論、莫爾強度理論、剪應變能強度理論、格里菲斯強度理論和霍克-布朗巖石破壞經驗判據(jù)。表2-5 巖石破壞型式和機制巖石力學巖石力學2.3.1 最大正應變理論 最大正應變理論認為：巖石發(fā)生張性破裂的原因是由最大延伸應變 達到了一定的極限應變 。其強度條件為： 極限張應變值 就是單向拉伸破壞瞬