成都理工大學(xué)(01巖石的變形與破壞)

1、1巖巖 體體 力力 學(xué)學(xué)1.1.巖石的變形及強(qiáng)度巖石的變形及強(qiáng)度主講主講 林鋒林鋒 21. 巖石的變形及強(qiáng)度巖石的變形及強(qiáng)度 1.1 1.1 巖石的物理性質(zhì)巖石的物理性質(zhì) 1.2 1.2 巖石單向受壓下的變形與強(qiáng)度巖石單向受壓下的變形與強(qiáng)度 1.3 1.3 巖石變形及強(qiáng)度影響因素分析巖石變形及強(qiáng)度影響因素分析 1.4 1.4 巖石的流變特性巖石的流變特性31.1 巖石的物理性質(zhì)巖石的物理性質(zhì) 1.1.1 1.1.1 巖石巖石 巖石是組成地殼的基本物質(zhì)，由各種造巖礦物巖石是組成地殼的基本物質(zhì)，由各種造巖礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按照一定規(guī)律組合而成的?；驇r屑在地質(zhì)作用下按照一定規(guī)律組合而成的。 構(gòu)成

2、巖石的礦物稱為構(gòu)成巖石的礦物稱為造巖礦物：正長石、斜長造巖礦物：正長石、斜長石、石英、黑云母，白云母、輝石、橄欖石、方解石、石英、黑云母，白云母、輝石、橄欖石、方解石、白云石、高嶺石、赤鐵礦等。石、白云石、高嶺石、赤鐵礦等。 不同礦物，其抗風(fēng)化、抗變形破壞能力不同。不同礦物，其抗風(fēng)化、抗變形破壞能力不同。 巖石按照成因巖石按照成因：巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖。：巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖。 不同成因類型巖石，其主要造巖礦物不同。不同成因類型巖石，其主要造巖礦物不同。41.1.1 巖石巖石深成巖深成巖淺成巖淺成巖噴出巖噴出巖 （1 1）巖漿巖）巖漿巖 由巖漿冷凝而成的巖石由巖漿冷凝而成的巖石。在地在地表

3、以下冷凝的稱為表以下冷凝的稱為侵入巖侵入巖，按照距，按照距離地表深淺分為離地表深淺分為深成巖和淺成巖深成巖和淺成巖；噴出地表冷凝的稱為噴出地表冷凝的稱為噴出巖，可以噴出巖，可以分為熔巖和火山碎屑巖兩類分為熔巖和火山碎屑巖兩類。 巖漿巖以一定形態(tài)的巖體產(chǎn)出，巖漿巖以一定形態(tài)的巖體產(chǎn)出，并在一定的地質(zhì)環(huán)境及物理化學(xué)條并在一定的地質(zhì)環(huán)境及物理化學(xué)條件下形成。件下形成。 巖漿巖的產(chǎn)狀巖漿巖的產(chǎn)狀主要指巖體的形主要指巖體的形態(tài)、大小、和圍巖的接觸關(guān)系等，態(tài)、大小、和圍巖的接觸關(guān)系等，如如巖基、巖株、巖盤、巖脈；以及巖基、巖株、巖盤、巖脈；以及熔巖被、熔巖流、溶巖錐、碎屑錐、熔巖被、熔巖流、溶巖錐、碎屑錐

4、、混合錐等混合錐等。 5 （1 1）巖漿巖）巖漿巖 絕大多數(shù)巖漿巖由結(jié)晶礦物組成，絕大多數(shù)巖漿巖由結(jié)晶礦物組成，常見的造巖礦物不常見的造巖礦物不過二十種，過二十種，根據(jù)化學(xué)成分，可以分為：根據(jù)化學(xué)成分，可以分為： 硅鋁礦物硅鋁礦物：SiOSiO2 2和和AlAl2 2O O3 3較高，不含較高，不含F(xiàn)eOFeO、MgOMgO，包括，包括石英類、長石類及似長石類，由于顏色較淺，又稱為淺色石英類、長石類及似長石類，由于顏色較淺，又稱為淺色和淡色礦物。和淡色礦物。 鐵鎂礦物鐵鎂礦物：FeOFeO和和MgOMgO的含量較高，的含量較高，SiOSiO2 2的含量較低，的含量較低，包括橄欖石類，輝石類，角

5、閃石類及黑云母類，由于顏色包括橄欖石類，輝石類，角閃石類及黑云母類，由于顏色較深，也稱為深色礦物或暗色礦物。較深，也稱為深色礦物或暗色礦物。 按照按照造巖礦物在巖漿巖中的含量和分類中的作用造巖礦物在巖漿巖中的含量和分類中的作用，可，可以分為：以分為：主要礦物、次要礦物和副礦物主要礦物、次要礦物和副礦物三類。三類。1.1.1 巖石巖石6 （1 1）巖漿巖）巖漿巖 巖漿巖的分類方案有很多，這里介紹常見的一種。即巖漿巖的分類方案有很多，這里介紹常見的一種。即 根據(jù)巖石化學(xué)成分中的酸度（根據(jù)巖石化學(xué)成分中的酸度（SiOSiO2 2的重量百分比）和堿度的重量百分比）和堿度相對大小進(jìn)行分類，可以分為如下相

6、對大小進(jìn)行分類，可以分為如下4 4類：類： 超基性巖：超基性巖：SiOSiO2 245%45%，如純橄欖巖、輝石巖，如純橄欖巖、輝石巖 基性巖：基性巖：SiOSiO2 2 454553%53%，輝長巖，輝綠巖，玄武巖，輝長巖，輝綠巖，玄武巖 中性鹽：中性鹽：SiOSiO2 2 535366%66%，閃長巖，安山巖，正長巖，閃長巖，安山巖，正長巖 酸性巖：酸性巖：SiOSiO2 266%66%，花崗巖，流紋巖。，花崗巖，流紋巖。 每大類再根據(jù)堿度大小進(jìn)一步劃分為每大類再根據(jù)堿度大小進(jìn)一步劃分為 鈣堿性、堿性鈣堿性、堿性和過堿性和過堿性。1.1.1 巖石巖石7 （2 2）沉積巖沉積巖 由母巖（巖漿

7、巖、變質(zhì)巖和沉積巖）在地表經(jīng)風(fēng)化、由母巖（巖漿巖、變質(zhì)巖和沉積巖）在地表經(jīng)風(fēng)化、剝蝕而產(chǎn)生的物質(zhì)，通過搬運(yùn)、沉積和固結(jié)作用而形成的巖剝蝕而產(chǎn)生的物質(zhì)，通過搬運(yùn)、沉積和固結(jié)作用而形成的巖石。石。沉積巖由顆粒和膠結(jié)物組成沉積巖由顆粒和膠結(jié)物組成。顆粒顆粒包括不同形狀和大小包括不同形狀和大小的巖屑及不同礦物，的巖屑及不同礦物，膠結(jié)物有膠結(jié)物有泥質(zhì)、鈣質(zhì)、鐵質(zhì)和硅質(zhì)等。泥質(zhì)、鈣質(zhì)、鐵質(zhì)和硅質(zhì)等。 根據(jù)成因分為根據(jù)成因分為碎屑沉積巖、化學(xué)沉積巖和生物沉積巖碎屑沉積巖、化學(xué)沉積巖和生物沉積巖。 由于沉積環(huán)境的影響，沉積巖具有層理構(gòu)造。由于沉積環(huán)境的影響，沉積巖具有層理構(gòu)造。 沉積巖根據(jù)沉積巖根據(jù)層的厚度層

8、的厚度可以劃分為：可以劃分為： 0.2cm,0.2cm,微細(xì)層；微細(xì)層； 0.20.22cm,2cm,片狀層；片狀層；2 210cm,10cm,薄層；薄層； 101050cm,50cm,中厚層；中厚層；5050100cm,100cm,厚層；厚層；100cm,100cm,巨厚層。巨厚層。 層理按形成條件和原因分：層理按形成條件和原因分： 水平層理，波狀層理，交錯(cuò)層理。水平層理，波狀層理，交錯(cuò)層理。1.1 1.1 巖石的物理性質(zhì)巖石的物理性質(zhì) 8 （3 3） 變質(zhì)巖變質(zhì)巖 母巖母巖( (巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖) ) 在地殼中受在地殼中受到到高溫、高壓及化學(xué)活動(dòng)性流體高溫、高壓

9、及化學(xué)活動(dòng)性流體的影響下發(fā)生變質(zhì)的影響下發(fā)生變質(zhì)而形成的巖石。固態(tài)的巖石在地球內(nèi)部的而形成的巖石。固態(tài)的巖石在地球內(nèi)部的壓力壓力和和溫溫度度作用下，發(fā)生作用下，發(fā)生物質(zhì)成分的遷移物質(zhì)成分的遷移和和重結(jié)晶，形成新重結(jié)晶，形成新的礦物組合的礦物組合。同時(shí)。同時(shí)巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造也要變化。但也要變化。但一般情況下，仍然保持著原巖產(chǎn)狀。一般情況下，仍然保持著原巖產(chǎn)狀。 變質(zhì)巖是組成地殼的主要成分之一，一般是在變質(zhì)巖是組成地殼的主要成分之一，一般是在地下深處的高溫（大于地下深處的高溫（大于150150）高壓下產(chǎn)生的，后）高壓下產(chǎn)生的，后來由于來由于地殼運(yùn)動(dòng)地殼運(yùn)動(dòng)而出露地表。而出露地表。

10、一般變質(zhì)巖分為兩大類，一類是一般變質(zhì)巖分為兩大類，一類是正變質(zhì)巖，正變質(zhì)巖，由由巖漿巖經(jīng)變質(zhì)作用巖漿巖經(jīng)變質(zhì)作用形成；另一類是形成；另一類是副變質(zhì)巖，由沉副變質(zhì)巖，由沉積巖經(jīng)變質(zhì)作用形成。積巖經(jīng)變質(zhì)作用形成。 1.1 1.1 巖石的物理性質(zhì)巖石的物理性質(zhì) 9 變質(zhì)巖變質(zhì)巖 大面積變質(zhì)的巖石為大面積變質(zhì)的巖石為區(qū)域性的區(qū)域性的，但也有，但也有局部性的局部性的。其中其中局部性的如果是因?yàn)閹r漿涌出造成周圍巖石的變質(zhì)局部性的如果是因?yàn)閹r漿涌出造成周圍巖石的變質(zhì)稱為稱為接觸變質(zhì)巖接觸變質(zhì)巖；如果是因?yàn)榈貧?gòu)造錯(cuò)動(dòng)造成的巖石；如果是因?yàn)榈貧?gòu)造錯(cuò)動(dòng)造成的巖石變質(zhì)為變質(zhì)為動(dòng)力變質(zhì)巖動(dòng)力變質(zhì)巖。 巖受變質(zhì)作用

11、的程度不同，變質(zhì)情況也不同，一般巖受變質(zhì)作用的程度不同，變質(zhì)情況也不同，一般分為分為低級變質(zhì)、中級和高級變質(zhì)低級變質(zhì)、中級和高級變質(zhì)。變質(zhì)級別越高，變質(zhì)。變質(zhì)級別越高，變質(zhì)程度越深。如程度越深。如沉積巖粘土質(zhì)巖石沉積巖粘土質(zhì)巖石在低級作用下，形成在低級作用下，形成板板巖巖；在中級變質(zhì)時(shí)形成；在中級變質(zhì)時(shí)形成云母片巖云母片巖；在高級變質(zhì)作用下形；在高級變質(zhì)作用下形成成片麻巖片麻巖。 變質(zhì)巖的變質(zhì)巖的主要特征主要特征是這類巖石大多數(shù)具有是這類巖石大多數(shù)具有結(jié)晶結(jié)構(gòu)、結(jié)晶結(jié)構(gòu)、定向構(gòu)造定向構(gòu)造( (如片理、片麻理等如片理、片麻理等) )和由變質(zhì)作用形成的和由變質(zhì)作用形成的特征特征變質(zhì)礦物變質(zhì)巖力學(xué)性

12、質(zhì)與原巖、變質(zhì)作用的性質(zhì)和程變質(zhì)礦物變質(zhì)巖力學(xué)性質(zhì)與原巖、變質(zhì)作用的性質(zhì)和程度等有關(guān)系。度等有關(guān)系。 10 （1 1）重力密度和質(zhì)量密度）重力密度和質(zhì)量密度 （2 2）相對密度）相對密度G Gs s （3 3）孔隙率和孔隙比）孔隙率和孔隙比 （4 4）含水率、吸水率、飽水率和飽水系數(shù)）含水率、吸水率、飽水率和飽水系數(shù) （5 5）巖石的滲透性）巖石的滲透性 （6 6）巖石的膨脹性）巖石的膨脹性 （7 7）巖石的崩解性）巖石的崩解性 （8 8）巖石的軟化性）巖石的軟化性 （9 9）巖石的抗凍性）巖石的抗凍性 1.1.2 1.1.2巖石的基本物理性質(zhì)巖石的基本物理性質(zhì) 1.1 1.1 巖石的物理性質(zhì)

13、巖石的物理性質(zhì) 物理意義與土的基物理意義與土的基本物理性質(zhì)相同本物理性質(zhì)相同11 （1 1）重力密度）重力密度和質(zhì)量密度和質(zhì)量密度 重力密度，簡稱重度，或容重重力密度，簡稱重度，或容重KN/mKN/m3 3。 1.1.2 1.1.2巖石的基本物理性質(zhì)巖石的基本物理性質(zhì) VW 重度：重度：干重度，天然重度，飽和重度。干重度，天然重度，飽和重度。 巖石的質(zhì)量密度巖石的質(zhì)量密度：單位體積巖石的質(zhì)量：單位體積巖石的質(zhì)量（含各種空隙），（含各種空隙），Kg/mKg/m3 3。與重度與重度的關(guān)系如下：的關(guān)系如下：g1.1 1.1 巖石的物理性質(zhì)巖石的物理性質(zhì) 12 （2 2）相對密度）相對密度G Gs s

14、 巖石的干重量巖石的干重量W Ws s除以巖石固體本身的體積除以巖石固體本身的體積V Vs s所所得到的量與得到的量與1 1個(gè)大氣壓下個(gè)大氣壓下4 4 時(shí)純水的重度比值。時(shí)純水的重度比值。1.1.2 1.1.2 巖石的基本物理性質(zhì)巖石的基本物理性質(zhì) wsssVWG w w為為1 1個(gè)大氣壓個(gè)大氣壓44時(shí)純水的重度。時(shí)純水的重度。 巖石的相對密度取決于組成巖石的礦物相對巖石的相對密度取決于組成巖石的礦物相對密度。大部分巖石的相對密度在密度。大部分巖石的相對密度在2.502.802.502.80。13 （3 3）孔隙率和孔隙比）孔隙率和孔隙比 巖石中有較多缺陷（空隙），如組成顆粒之間的孔隙，巖石中

15、有較多缺陷（空隙），如組成顆粒之間的孔隙，各種裂隙、甚至有巖溶通道。各種裂隙、甚至有巖溶通道。 這些空隙根據(jù)連通性，可分這些空隙根據(jù)連通性，可分為為開型空隙開型空隙和和閉空隙閉空隙。開型空隙開型空隙按其開啟程度又可分為按其開啟程度又可分為大、大、小開型空隙小開型空隙。與此相對應(yīng)，可把巖石的空隙率分為。與此相對應(yīng)，可把巖石的空隙率分為總空隙率總空隙率（n n）、總開空隙率（）、總開空隙率（n n0 0）、大開空隙率（）、大開空隙率（n nb b）、小開空隙率）、小開空隙率（n na a）和閉空隙率）和閉空隙率(n(nc c) )幾種，各自的定義如下：幾種，各自的定義如下： %100VVnV 孔隙

16、比孔隙比e e是指巖石中孔隙的體積與是指巖石中孔隙的體積與巖石固體巖石固體V Vs s的體積之比。的體積之比。%VVnVbb100nnVVeV1s%10000VVnV%VVnV100aa%VVnV100cc14 （4 4）含水率、吸水率、飽水率和飽水系數(shù)）含水率、吸水率、飽水率和飽水系數(shù) 天然含水率天然含水率：巖石中水的含量巖石中水的含量W Ww w與巖石烘干重量與巖石烘干重量W Ws s比值的百分率。比值的百分率。100%swWW 巖石的吸水率巖石的吸水率a a是指干燥巖石試樣在一個(gè)大氣壓和室溫是指干燥巖石試樣在一個(gè)大氣壓和室溫條件下吸入水的重量條件下吸入水的重量W Ww w與巖石干重量與巖

17、石干重量W Ws s之比的百分率。之比的百分率。%100%1000assswWWWWW 巖石的飽和吸水率簡稱飽水率巖石的飽和吸水率簡稱飽水率s sa a是指巖樣在強(qiáng)制狀態(tài)是指巖樣在強(qiáng)制狀態(tài)（真空、煮沸或高壓）下，其最大吸入水的重量（真空、煮沸或高壓）下，其最大吸入水的重量W Ww w與巖石與巖石干重量干重量W Ws s之比的百分率。真空抽氣法或煮沸法。之比的百分率。真空抽氣法或煮沸法。%100%100psassswWWWWWWpWp為飽和巖樣重量為飽和巖樣重量 15（4 4）含水率、吸水率、飽水率和飽水系數(shù)）含水率、吸水率、飽水率和飽水系數(shù)飽水系數(shù)飽水系數(shù)是指巖石吸水率與飽水率比值的百分率是指

18、巖石吸水率與飽水率比值的百分率。也可稱。也可稱為飽和系數(shù)。為飽和系數(shù)。100%aaswK 一般一般巖石的飽水系數(shù)在巖石的飽水系數(shù)在0.8。試驗(yàn)表明，當(dāng)。試驗(yàn)表明，當(dāng)Kw91%Kw91%時(shí)，可以免遭凍脹破壞。時(shí)，可以免遭凍脹破壞。 （5 5）巖石的滲透性）巖石的滲透性 是指在水壓力作用下，巖石的孔隙和裂隙透過水的能是指在水壓力作用下，巖石的孔隙和裂隙透過水的能力。力。 用用滲透系數(shù)滲透系數(shù)來衡量。來衡量。 對于水在巖石中滲流來說，滲透系數(shù)的大小取決于巖對于水在巖石中滲流來說，滲透系數(shù)的大小取決于巖石的物理特性和結(jié)構(gòu)特征，如巖石中孔隙和裂隙的大小，石的物理特性和結(jié)構(gòu)特征，如巖石中

19、孔隙和裂隙的大小，開閉程度以及連同情況等。開閉程度以及連同情況等。16 （6 6）巖石的膨脹性）巖石的膨脹性 是指巖石浸水后體積增大的性質(zhì)。是指巖石浸水后體積增大的性質(zhì)。 含有含有蒙脫石、水云母及高嶺石蒙脫石、水云母及高嶺石等粘土礦物成分等粘土礦物成分的的軟質(zhì)巖石軟質(zhì)巖石，常具有較強(qiáng)的膨脹性。，常具有較強(qiáng)的膨脹性。 含有含有絹云母、石墨和綠泥石絹云母、石墨和綠泥石一類礦物的巖石，一類礦物的巖石，有時(shí)也有一定的膨脹性。有時(shí)也有一定的膨脹性。 大多數(shù)結(jié)晶巖和化學(xué)巖是不具有膨脹性的。大多數(shù)結(jié)晶巖和化學(xué)巖是不具有膨脹性的。 膨脹性指標(biāo)：膨脹性指標(biāo)：膨脹力，膨脹率膨脹力，膨脹率。 目前國內(nèi)大多采用目前國

20、內(nèi)大多采用土的固結(jié)儀土的固結(jié)儀和和膨脹儀膨脹儀的方法的方法室內(nèi)測定巖石的膨脹性，主要有：平衡加壓法，壓室內(nèi)測定巖石的膨脹性，主要有：平衡加壓法，壓力恢復(fù)法和加壓膨脹法。力恢復(fù)法和加壓膨脹法。 17%WWId100122 （7 7）巖石的崩解性）巖石的崩解性 指巖石與水相互作用時(shí)指巖石與水相互作用時(shí)，失去粘結(jié)性并變成完全喪失失去粘結(jié)性并變成完全喪失強(qiáng)度的松散物質(zhì)的性能。強(qiáng)度的松散物質(zhì)的性能。用巖石的用巖石的耐崩解性指數(shù)耐崩解性指數(shù)表示。表示。 耐崩解性指數(shù)耐崩解性指數(shù)( (I Id2d2) )可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)做干濕循環(huán)試驗(yàn)確定，可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)做干濕循環(huán)試驗(yàn)確定，規(guī)范建議以第二次干濕循環(huán)的數(shù)據(jù)作為計(jì)算根

21、據(jù)規(guī)范建議以第二次干濕循環(huán)的數(shù)據(jù)作為計(jì)算根據(jù): : 有的試驗(yàn)規(guī)程建議，根據(jù)有的試驗(yàn)規(guī)程建議，根據(jù)耐崩解指數(shù)耐崩解指數(shù)可將可將巖石耐崩性劃巖石耐崩性劃分六個(gè)等級分六個(gè)等級： 很低的很低的(30)(98)(98)。 式中式中 ：W W1 1為試驗(yàn)前試樣的烘干重力（為試驗(yàn)前試樣的烘干重力（N N）；）；W W2 2為第二為第二次循環(huán)后留下的試樣烘干重力（次循環(huán)后留下的試樣烘干重力（N N）。）。18ccwcRR （8 8）巖石的軟化性）巖石的軟化性 巖石浸水飽和后強(qiáng)度降低的性質(zhì)，稱為巖石浸水飽和后強(qiáng)度降低的性質(zhì)，稱為軟化性軟化性，用，用軟軟化系數(shù)化系數(shù)表示。表示。 軟化系數(shù)：軟化系數(shù)：巖樣飽水狀態(tài)下

22、的抗壓強(qiáng)度與巖樣飽水狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度與干燥狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度之比。干燥狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度之比。 巖石的巖石的軟化性軟化性取決于取決于巖石的礦物組成與空隙性巖石的礦物組成與空隙性。當(dāng)巖石。當(dāng)巖石中中含有較多的親水性和可溶性礦物含有較多的親水性和可溶性礦物，且含，且含大開空隙大開空隙較多時(shí)，較多時(shí)，巖石的軟化性較強(qiáng)。一般巖石均具有不同程度的軟化性。巖石的軟化性較強(qiáng)。一般巖石均具有不同程度的軟化性。 粘土巖、泥質(zhì)膠結(jié)的砂巖、礫巖和泥灰?guī)r等巖石，軟化粘土巖、泥質(zhì)膠結(jié)的砂巖、礫巖和泥灰?guī)r等巖石，軟化性較強(qiáng)，軟化系數(shù)一般為性較強(qiáng)，軟化系數(shù)一般為0.6，甚至更低。，甚至更低。 一般認(rèn)為，一般認(rèn)

23、為，軟化系數(shù)軟化系數(shù)0.750.75時(shí)，巖石的軟化性弱，時(shí)，巖石的軟化性弱，同時(shí)同時(shí)也說明巖石抗凍性和抗風(fēng)化能力強(qiáng)。也說明巖石抗凍性和抗風(fēng)化能力強(qiáng)。 而而軟化系數(shù)軟化系數(shù)0.7510-1/s 動(dòng)載動(dòng)載試驗(yàn)試驗(yàn) 10-6/s10-1/s10-6/s靜載靜載試驗(yàn)試驗(yàn) 蠕變?nèi)渥冊囼?yàn)試驗(yàn) 正常應(yīng)正常應(yīng)變速率變速率 復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中工程巖體受荷特點(diǎn)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中工程巖體受荷特點(diǎn) 4 圍壓對巖石破壞方式的影響圍壓對巖石破壞方式的影響 一、圍壓條件分類一、圍壓條件分類 巖體一般處在三向應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)圍壓條件，將巖體荷巖體一般處在三向應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)

24、圍壓條件，將巖體荷載條件分為：載條件分為： 單軸荷載：單軸荷載：圍壓為零；圍壓為零； 雙向荷載：雙向荷載：兩向受到應(yīng)力作用。兩向受到應(yīng)力作用。 三軸荷載：三軸荷載：可以分為可以分為 (a)(a)常規(guī)三軸試驗(yàn)（假三軸）常規(guī)三軸試驗(yàn)（假三軸）:1 12 23 3 , ,主要研究主要研究圍壓對巖石變形、強(qiáng)度及破壞的影響；圍壓對巖石變形、強(qiáng)度及破壞的影響； (b)(b)三軸不等應(yīng)力試驗(yàn)（真三軸）三軸不等應(yīng)力試驗(yàn)（真三軸）1 12 2 3 3 ：主要主要研究中間主應(yīng)力對巖石變形、強(qiáng)度及破壞的影響。研究中間主應(yīng)力對巖石變形、強(qiáng)度及破壞的影響。48二、三軸等圍壓下巖石的變形及強(qiáng)度二、三軸等圍壓下巖石的變形及

25、強(qiáng)度 （1 1）對于高強(qiáng)度堅(jiān)硬致密的巖石，其彈模并不因圍壓的不同有）對于高強(qiáng)度堅(jiān)硬致密的巖石，其彈模并不因圍壓的不同有明顯的變化；對于巖性軟弱的巖石，其彈模隨圍壓的增大而增明顯的變化；對于巖性軟弱的巖石，其彈模隨圍壓的增大而增大，圍壓起到壓密、恢復(fù)增加剛度的作用；大，圍壓起到壓密、恢復(fù)增加剛度的作用； （2 2）不同圍壓下，巖石可以發(fā)生物態(tài)的轉(zhuǎn)化，即巖石）不同圍壓下，巖石可以發(fā)生物態(tài)的轉(zhuǎn)化，即巖石破壞方式破壞方式發(fā)生明顯，甚至根本轉(zhuǎn)變。發(fā)生明顯，甚至根本轉(zhuǎn)變。 如往往由低圍壓下的脆性破壞轉(zhuǎn)化為高圍壓下的延性破壞。如往往由低圍壓下的脆性破壞轉(zhuǎn)化為高圍壓下的延性破壞。 （3 3）巖石的破壞方式及變

26、化）巖石的破壞方式及變化 基本概念基本概念 脆性破壞：脆性破壞：巖石在變形很小時(shí)，由彈性變形直接發(fā)展為急劇巖石在變形很小時(shí)，由彈性變形直接發(fā)展為急劇、迅速的破壞，破壞后的應(yīng)力降較大。、迅速的破壞，破壞后的應(yīng)力降較大。 延性破壞和延性流動(dòng)：延性破壞和延性流動(dòng)：指巖石在發(fā)生較大的永久變形后導(dǎo)致指巖石在發(fā)生較大的永久變形后導(dǎo)致破壞的情況破壞的情況。當(dāng)巖石在應(yīng)力作用下應(yīng)變持續(xù)不斷增長而不出現(xiàn)當(dāng)巖石在應(yīng)力作用下應(yīng)變持續(xù)不斷增長而不出現(xiàn)破裂，即只有屈服而無破裂時(shí)，稱為破裂，即只有屈服而無破裂時(shí)，稱為延性流動(dòng)。延性流動(dòng)。 延性度：延性度：巖石在達(dá)到破壞前的全應(yīng)變或永久應(yīng)變巖石在達(dá)到破壞前的全應(yīng)變或永久應(yīng)變.

27、 . 圍壓對巖石破壞方式的影響圍壓對巖石破壞方式的影響49 （3 3）巖石的破壞方式及變化）巖石的破壞方式及變化 基本概念基本概念 脆性破壞：脆性破壞：巖石在變形很小時(shí)，由彈性變形直接發(fā)展為巖石在變形很小時(shí)，由彈性變形直接發(fā)展為急劇、迅速的破壞，破壞后的應(yīng)力降較大。急劇、迅速的破壞，破壞后的應(yīng)力降較大。 延性破壞和延性流動(dòng)：延性破壞和延性流動(dòng)：指巖石在發(fā)生較大的永久變形后指巖石在發(fā)生較大的永久變形后導(dǎo)致破壞的情況導(dǎo)致破壞的情況。當(dāng)巖石在應(yīng)力作用下應(yīng)變持續(xù)不斷增長而當(dāng)巖石在應(yīng)力作用下應(yīng)變持續(xù)不斷增長而不出現(xiàn)破裂，即只有屈服而無破裂時(shí)，稱為不出現(xiàn)破裂，即只有屈服而無破

28、裂時(shí)，稱為延性流動(dòng)。延性流動(dòng)。 延性度：延性度：巖石在達(dá)到破壞前的全應(yīng)變或永久應(yīng)變巖石在達(dá)到破壞前的全應(yīng)變或永久應(yīng)變. . 延性度小于延性度小于3%3%，為脆性破壞；為脆性破壞； 延性度大于延性度大于5%5%，為延性破壞和延性流動(dòng)；為延性破壞和延性流動(dòng)； 延性度在延性度在35%35%之間時(shí)，之間時(shí)，為過渡類型。為過渡類型。 二、三軸等圍壓下巖石的變形及強(qiáng)度二、三軸等圍壓下巖石的變形及強(qiáng)度50 延性度小于延性度小于3%，為脆性破壞；為脆性破壞； 延性度大于延性度大于5%，為延性破壞和延性流動(dòng)；為延性破壞和延性流動(dòng)； 延性度在延性度在35%之間時(shí)，之間時(shí)，為過渡類型。為過渡類型。 （4 4）圍壓增

29、加，巖石三軸極限強(qiáng)度也增加，但脆性破壞巖石）圍壓增加，巖石三軸極限強(qiáng)度也增加，但脆性破壞巖石增加很快，而延性破壞巖石增長緩慢。增加很快，而延性破壞巖石增長緩慢。二、三軸等圍壓下巖石的變形及強(qiáng)度二、三軸等圍壓下巖石的變形及強(qiáng)度三、三軸不等圍壓下巖石的變形及強(qiáng)度三、三軸不等圍壓下巖石的變形及強(qiáng)度 主要研究中間主應(yīng)力的影響。主要研究中間主應(yīng)力的影響。 巖石真三軸試驗(yàn)是從巖石真三軸試驗(yàn)是從2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代末開始的。年代末開始的。 張金鑄對張金鑄對6969個(gè)細(xì)砂巖試驗(yàn)表明個(gè)細(xì)砂巖試驗(yàn)表明 22對三軸極限抗壓強(qiáng)度、彈性模量的影響規(guī)律都是隨對三軸極限抗壓強(qiáng)度、彈性模量的影響規(guī)律都是隨22增加先增

30、后減，但幅度不大；增加先增后減，但幅度不大；511.3.2 荷載條件因素荷載條件因素 應(yīng)力路徑：應(yīng)力路徑：通常指巖體中某一點(diǎn)（或一塊巖石試件）的通常指巖體中某一點(diǎn)（或一塊巖石試件）的應(yīng)力變化過程，即在應(yīng)力坐標(biāo)系中，某點(diǎn)的應(yīng)力變化軌跡。應(yīng)力變化過程，即在應(yīng)力坐標(biāo)系中，某點(diǎn)的應(yīng)力變化軌跡。也稱為應(yīng)力途徑，或加載方式。也稱為應(yīng)力途徑，或加載方式。 應(yīng)力路徑及其對巖體力學(xué)性質(zhì)的影響應(yīng)力路徑及其對巖體力學(xué)性質(zhì)的影響 132 破壞包線破壞包線 c g 13單軸或假三軸條件應(yīng)力單軸或假三軸條件應(yīng)力空間及應(yīng)力路徑空間及應(yīng)力路徑三軸條件應(yīng)力空間三軸條件應(yīng)力空間2 等壓線等壓線 5

31、2 幾種典型的應(yīng)力路徑（應(yīng)力變化過程）為：幾種典型的應(yīng)力路徑（應(yīng)力變化過程）為： （1 1）單調(diào)加載）單調(diào)加載：巖石在峰值前承受的荷載一直在增加巖石在峰值前承受的荷載一直在增加（按照正常應(yīng)變（力）速率進(jìn)行）：（按照正常應(yīng)變（力）速率進(jìn)行）：等加載速率加載、等變等加載速率加載、等變形速率加載。形速率加載。 （2 2）循環(huán)加載）循環(huán)加載 逐級循環(huán)加載：逐級循環(huán)加載：荷載加到一定值后，全部卸出，再加荷載加到一定值后，全部卸出，再加載到比卸載點(diǎn)高的值，全部卸出，如此逐級循環(huán)。載到比卸載點(diǎn)高的值，全部卸出，如此逐級循環(huán)。 反復(fù)循環(huán)加載：反復(fù)循環(huán)加載：在同一壓力水平上，反復(fù)加、卸載在同一壓力水平上，反復(fù)加

32、、卸載（不一定全部卸除）。（不一定全部卸除）。 （3 3）蠕變：）蠕變：恒定加載水平（應(yīng)力或應(yīng)力差），變形隨時(shí)恒定加載水平（應(yīng)力或應(yīng)力差），變形隨時(shí)間增長的現(xiàn)象。間增長的現(xiàn)象。 （4 4）松弛：）松弛：應(yīng)變恒定，應(yīng)力隨時(shí)間逐漸減小的現(xiàn)象。應(yīng)變恒定，應(yīng)力隨時(shí)間逐漸減小的現(xiàn)象。 可據(jù)地質(zhì)環(huán)境演化特征及巖體條件，設(shè)定應(yīng)力路徑?？蓳?jù)地質(zhì)環(huán)境演化特征及巖體條件，設(shè)定應(yīng)力路徑。 應(yīng)力路徑及其對巖體力學(xué)性質(zhì)的影響應(yīng)力路徑及其對巖體力學(xué)性質(zhì)的影響 53逐級循環(huán)加載逐級循環(huán)加載 132 破壞包線破壞包線 c c g g 逐級循環(huán)加載條件下，巖體具有應(yīng)變強(qiáng)化現(xiàn)象，但對峰值強(qiáng)逐級循環(huán)加載條件下，巖體具

33、有應(yīng)變強(qiáng)化現(xiàn)象，但對峰值強(qiáng)度一般無明顯影響。度一般無明顯影響。 巖石具有巖石具有“記憶記憶”特性。特性。“記憶點(diǎn)記憶點(diǎn)”前后巖體變形特性有較前后巖體變形特性有較為明顯的差異，尤其是微裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展方面。為明顯的差異，尤其是微裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展方面。 據(jù)此可以進(jìn)據(jù)此可以進(jìn)行記憶點(diǎn)最大應(yīng)力水平測量（行記憶點(diǎn)最大應(yīng)力水平測量（“KaiserKaiser”效應(yīng)法）。效應(yīng)法）。 應(yīng)力路徑及其對巖體力學(xué)性質(zhì)的影響應(yīng)力路徑及其對巖體力學(xué)性質(zhì)的影響 54反復(fù)循環(huán)加載反復(fù)循環(huán)加載 反復(fù)循環(huán)加載下，巖體強(qiáng)度會降低（與循環(huán)的應(yīng)力水平反復(fù)循環(huán)加載下，巖體強(qiáng)度會降低（與循環(huán)的應(yīng)力水平及循

34、環(huán)次數(shù)有關(guān)），巖體發(fā)生及循環(huán)次數(shù)有關(guān)），巖體發(fā)生疲勞破壞。疲勞破壞。使巖石發(fā)生疲勞破使巖石發(fā)生疲勞破壞時(shí)循環(huán)荷載的應(yīng)力水平的大小，稱為壞時(shí)循環(huán)荷載的應(yīng)力水平的大小，稱為疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度。 存在存在極限應(yīng)力水平極限應(yīng)力水平：當(dāng)循環(huán)荷載的最大應(yīng)力低于低于這：當(dāng)循環(huán)荷載的最大應(yīng)力低于低于這一應(yīng)力水平時(shí)，應(yīng)變在荷載作用下達(dá)到一定值之后，無論循一應(yīng)力水平時(shí)，應(yīng)變在荷載作用下達(dá)到一定值之后，無論循環(huán)荷載延續(xù)試時(shí)間多長，應(yīng)變不再增長。環(huán)荷載延續(xù)試時(shí)間多長，應(yīng)變不再增長。 應(yīng)力路徑及其對巖體力學(xué)性質(zhì)的影響應(yīng)力路徑及其對巖體力學(xué)性質(zhì)的影響 132 峰值破壞包線峰值破壞包線 c g 疲勞破壞包線疲勞

35、破壞包線 f極限應(yīng)力水平極限應(yīng)力水平55 不同應(yīng)力路徑下的三軸試驗(yàn)表明，不同應(yīng)力路徑下的三軸試驗(yàn)表明，巖石不是只由于最大主應(yīng)巖石不是只由于最大主應(yīng)力增加而產(chǎn)生變形與破壞，中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，特別是力增加而產(chǎn)生變形與破壞，中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，特別是最小主應(yīng)力變化，對于巖石擴(kuò)容和強(qiáng)度的影響值得重視。最小主應(yīng)力變化，對于巖石擴(kuò)容和強(qiáng)度的影響值得重視。 綜上，應(yīng)力路徑的影響主要有：綜上，應(yīng)力路徑的影響主要有： （1 1）單軸壓縮試驗(yàn)，在逐級循環(huán)加載下，峰值前，巖體具有）單軸壓縮試驗(yàn)，在逐級循環(huán)加載下，峰值前，巖體具有應(yīng)變強(qiáng)化特性；峰值后，有應(yīng)變軟化現(xiàn)象；應(yīng)變強(qiáng)化特性；峰值后，有應(yīng)變軟化現(xiàn)象；

36、（2 2）單軸壓縮試驗(yàn)，在反復(fù)循環(huán)加載條件下，巖體會發(fā)生疲）單軸壓縮試驗(yàn)，在反復(fù)循環(huán)加載條件下，巖體會發(fā)生疲勞破壞，疲勞強(qiáng)度取決于使巖石發(fā)生疲勞破壞時(shí)循環(huán)荷載的應(yīng)勞破壞，疲勞強(qiáng)度取決于使巖石發(fā)生疲勞破壞時(shí)循環(huán)荷載的應(yīng)力水平的大小及循環(huán)荷載持續(xù)的時(shí)間（或循環(huán)的次數(shù)）；存在力水平的大小及循環(huán)荷載持續(xù)的時(shí)間（或循環(huán)的次數(shù)）；存在極限極限應(yīng)力水平。極限極限應(yīng)力水平。 （3 3）三軸壓縮條件下，巖石的三軸極限強(qiáng)度提高，巖石的變）三軸壓縮條件下，巖石的三軸極限強(qiáng)度提高，巖石的變形參數(shù)一般也有明顯提高；不同學(xué)者對巖石強(qiáng)度與應(yīng)力路徑關(guān)形參數(shù)一般也有明顯提高；不同學(xué)者對巖石強(qiáng)度與應(yīng)力路徑關(guān)系的研究結(jié)論有明顯不同

37、：有人認(rèn)為有關(guān)，也有人認(rèn)為無關(guān)，系的研究結(jié)論有明顯不同：有人認(rèn)為有關(guān)，也有人認(rèn)為無關(guān)，這應(yīng)與研究對象有關(guān)。這應(yīng)與研究對象有關(guān)。 應(yīng)力路徑及其對巖體力學(xué)性質(zhì)的影響應(yīng)力路徑及其對巖體力學(xué)性質(zhì)的影響 561.3.2 荷載條件因素荷載條件因素 荷載速率對巖石強(qiáng)度的影響荷載速率對巖石強(qiáng)度的影響 （以壓縮試驗(yàn)為例）。（以壓縮試驗(yàn)為例）。 巖石的強(qiáng)度隨加載速率增大而增大，但加巖石的強(qiáng)度隨加載速率增大而增大，但加荷速率在同一數(shù)量級內(nèi)變化時(shí)，對強(qiáng)度的影響荷速率在同一數(shù)量級內(nèi)變化時(shí)，對強(qiáng)度的影響不大；不大； 巖石強(qiáng)度對于加載速率的敏感性隨巖石巖石強(qiáng)度對于加載速率的敏感

38、性隨巖石（巖性）而不同；（巖性）而不同； 對大部分巖石而言，加載速率對巖石強(qiáng)度對大部分巖石而言，加載速率對巖石強(qiáng)度的影響在巖石彈性階段不明顯，在裂紋擴(kuò)展變的影響在巖石彈性階段不明顯，在裂紋擴(kuò)展變形階段，巖石強(qiáng)度隨加載速率增加顯著。形階段，巖石強(qiáng)度隨加載速率增加顯著。571.3.3 1.3.3 賦存環(huán)境賦存環(huán)境溫度、風(fēng)化、初始應(yīng)力場；水。溫度、風(fēng)化、初始應(yīng)力場；水。 溫度影響：溫度影響：圍壓一定時(shí)，一般隨溫度增加，巖石的延性增加，圍壓一定時(shí)，一般隨溫度增加，巖石的延性增加，而強(qiáng)度下降。而強(qiáng)度下降。 風(fēng)化：風(fēng)化：降低巖石強(qiáng)度（抗壓、抗拉、抗剪、變形參數(shù)等）。降低巖石強(qiáng)度（抗壓、抗拉、抗剪、變形參數(shù)

39、等）。 初始應(yīng)力初始應(yīng)力不同，巖石演化的應(yīng)力路徑不同，由前面的研究不同，巖石演化的應(yīng)力路徑不同，由前面的研究成果表明，巖體的變形參數(shù)一般也有差別成果表明，巖體的變形參數(shù)一般也有差別 水：水：水對巖石、礦物具有軟化效應(yīng)，導(dǎo)致巖石抗壓強(qiáng)度、抗水對巖石、礦物具有軟化效應(yīng)，導(dǎo)致巖石抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度降低。剪強(qiáng)度降低。581.3.4尺寸效應(yīng)尺寸效應(yīng) (1) (1)在進(jìn)行巖石或巖體試驗(yàn)時(shí)，隨著采用試在進(jìn)行巖石或巖體試驗(yàn)時(shí)，隨著采用試件尺寸的變化，它可能是完整巖塊、單一巖石，件尺寸的變化，它可能是完整巖塊、單一巖石，節(jié)理巖體，復(fù)雜巖體節(jié)理巖體，復(fù)雜巖體. . (2) (2)巖石（體）試驗(yàn)的尺寸效應(yīng)，直接關(guān)系

40、巖石（體）試驗(yàn)的尺寸效應(yīng)，直接關(guān)系到如何正確使用試驗(yàn)結(jié)果，一般來說，隨著試到如何正確使用試驗(yàn)結(jié)果，一般來說，隨著試件尺寸的增加，巖石（體）的參數(shù)值總是減速件尺寸的增加，巖石（體）的參數(shù)值總是減速減小（或增加）。當(dāng)試件尺寸改變對參數(shù)影響減?。ɑ蛟黾樱?。當(dāng)試件尺寸改變對參數(shù)影響很小時(shí)，我們稱此最小尺寸巖石（體）為很小時(shí)，我們稱此最小尺寸巖石（體）為基本基本代表單元代表單元(REV)(REV)（Representative Elementary Representative Elementary VolumeVolume）尺寸效應(yīng)對單軸抗壓強(qiáng)度有影響尺寸效應(yīng)對單軸抗壓強(qiáng)度有影響尺寸效應(yīng)對抗剪強(qiáng)度有影

41、響尺寸效應(yīng)對抗剪強(qiáng)度有影響591.4 巖石的流變巖石的流變 基本概念基本概念 粘性：粘性：指材料受力后變形不能在瞬間完成，且應(yīng)變的指材料受力后變形不能在瞬間完成，且應(yīng)變的速率隨應(yīng)力的大小而改變的性質(zhì)。理想的粘性材料，其應(yīng)速率隨應(yīng)力的大小而改變的性質(zhì)。理想的粘性材料，其應(yīng)力力 應(yīng)變速率曲線呈直線關(guān)系，且通過原點(diǎn)。應(yīng)變速率曲線呈直線關(guān)系，且通過原點(diǎn)。 流變：流變：是指物質(zhì)在外部條件不變的情況下，應(yīng)力或變是指物質(zhì)在外部條件不變的情況下，應(yīng)力或變形隨時(shí)間而變化的現(xiàn)象。形隨時(shí)間而變化的現(xiàn)象。 巖石的流變性主要包括以下幾方面：巖石的流變性主要包括以下幾方面： 蠕變：蠕變：指在指在恒定應(yīng)力恒定應(yīng)力條件下，變

42、形隨時(shí)間逐漸增長的條件下，變形隨時(shí)間逐漸增長的現(xiàn)象。現(xiàn)象。 松弛：松弛：指指應(yīng)變一定應(yīng)變一定時(shí)，應(yīng)力隨時(shí)間逐漸減小的現(xiàn)象；時(shí)，應(yīng)力隨時(shí)間逐漸減小的現(xiàn)象； 流動(dòng)特征：流動(dòng)特征：指指時(shí)間一定時(shí)間一定時(shí)，應(yīng)變速率與應(yīng)力的關(guān)系時(shí)，應(yīng)變速率與應(yīng)力的關(guān)系 長期強(qiáng)度：長期強(qiáng)度：指指長期荷載長期荷載（應(yīng)變速率小于（應(yīng)變速率小于10106 6/s/s）作用）作用下巖石的強(qiáng)度。下巖石的強(qiáng)度。601.4 巖石的流變巖石的流變 1.4.1 1.4.1 巖石的蠕變和流動(dòng)巖石的蠕變和流動(dòng) （一）巖石的蠕變曲線分析（一）巖石的蠕變曲線分析 對一組試件，分別施以不同大小的對一組試件，分別施以不同大小的恒定荷載，恒定荷載，測定

43、測定各試件在不同時(shí)間的應(yīng)變值，則可以得到一組蠕變曲線。各試件在不同時(shí)間的應(yīng)變值，則可以得到一組蠕變曲線。 蠕變曲線蠕變曲線： 軸向壓力下的軸向壓力下的t t 曲線；曲線； 剪切力作用下的剪切力作用下的t t 曲線）。曲線）。611.4.1 巖石的蠕變和流動(dòng)巖石的蠕變和流動(dòng) 趨于穩(wěn)定的蠕變：趨于穩(wěn)定的蠕變：在較小在較小的恒定荷載下，變形隨時(shí)的恒定荷載下，變形隨時(shí)間增長，但變形速率卻遞間增長，但變形速率卻遞減，并最終趨于穩(wěn)定；減，并最終趨于穩(wěn)定； 非趨于穩(wěn)定的蠕變：非趨于穩(wěn)定的蠕變：當(dāng)恒當(dāng)恒定荷載超過某一極限值，定荷載超過某一極限值，變形隨時(shí)間不斷增長而最變形隨時(shí)間不斷增長而最終導(dǎo)致破壞；終導(dǎo)致破

44、壞； 極限長期強(qiáng)度：極限長期強(qiáng)度：趨于穩(wěn)定趨于穩(wěn)定的蠕變和非趨于穩(wěn)定的蠕的蠕變和非趨于穩(wěn)定的蠕變?nèi)渥冎g的臨界恒定荷變?nèi)渥冎g的臨界恒定荷載（應(yīng)力），也稱為載（應(yīng)力），也稱為第三第三屈服強(qiáng)度，可簡稱為長期屈服強(qiáng)度，可簡稱為長期強(qiáng)度。強(qiáng)度。（1）極限長期強(qiáng)度）極限長期強(qiáng)度 （一）巖石的蠕變曲線分析（一）巖石的蠕變曲線分析 趨于穩(wěn)定的蠕變趨于穩(wěn)定的蠕變非趨于穩(wěn)定的蠕變非趨于穩(wěn)定的蠕變 62 極限長期強(qiáng)度的試驗(yàn)確定方法極限長期強(qiáng)度的試驗(yàn)確定方法 極限長期強(qiáng)度極限長期強(qiáng)度也就是使巖石在無限長時(shí)間內(nèi)因蠕變達(dá)也就是使巖石在無限長時(shí)間內(nèi)因蠕變達(dá)到破壞時(shí)的應(yīng)力值，以到破壞時(shí)的應(yīng)力值，以或或表示，簡稱長期強(qiáng)度。

45、表示，簡稱長期強(qiáng)度。 （一）巖石的蠕變曲線分析（一）巖石的蠕變曲線分析 極限長期強(qiáng)度的試驗(yàn)及極限長期強(qiáng)度的試驗(yàn)及分析步驟如下：分析步驟如下： 取一組樣，在每一試取一組樣，在每一試件上施加不同的應(yīng)力，從而件上施加不同的應(yīng)力，從而獲得獲得一組在不同應(yīng)力作用下一組在不同應(yīng)力作用下的蠕變曲線。的蠕變曲線。 獲取不同時(shí)間的應(yīng)獲取不同時(shí)間的應(yīng)力力應(yīng)變等時(shí)數(shù)據(jù)：應(yīng)變等時(shí)數(shù)據(jù)：對各條對各條蠕變曲線，取對應(yīng)不同時(shí)間蠕變曲線，取對應(yīng)不同時(shí)間的應(yīng)力值和和應(yīng)變值。的應(yīng)力值和和應(yīng)變值。0t1tnt63極限長期強(qiáng)度的試驗(yàn)確定方法極限長期強(qiáng)度的試驗(yàn)確定方法 （一）巖石的蠕變曲線分析（一）巖石的蠕變曲線分析 作應(yīng)力作應(yīng)力應(yīng)變

46、等時(shí)曲線：應(yīng)變等時(shí)曲線：一個(gè)時(shí)間有一條曲線。一個(gè)時(shí)間有一條曲線。 試驗(yàn)結(jié)果分析：試驗(yàn)結(jié)果分析： 曲線簇前段為直線，斜率曲線簇前段為直線，斜率為彈性模量，或變形模量。為彈性模量，或變形模量。其值隨時(shí)間增長而減小。其值隨時(shí)間增長而減小。 曲線簇后段為曲線，隨曲線簇后段為曲線，隨t t增增加而逐漸變平。根據(jù)這樣的加而逐漸變平。根據(jù)這樣的變化趨勢，可以繪得到一條變化趨勢，可以繪得到一條與與t = t = 的平行于橫坐標(biāo)的平行于橫坐標(biāo) 的直線，該線與縱坐標(biāo)的直線，該線與縱坐標(biāo)相交得到的應(yīng)力值，即為極相交得到的應(yīng)力值，即為極限長期強(qiáng)度限長期強(qiáng)度 。 如果應(yīng)力超過如果應(yīng)力超過 ，則巖，則巖石將由蠕變發(fā)展至破

47、壞。石將由蠕變發(fā)展至破壞。641.4.1 1.4.1 巖石的蠕變和流動(dòng)巖石的蠕變和流動(dòng) 蠕變曲線具有明顯的階段性特征：蠕變曲線具有明顯的階段性特征： 瞬時(shí)蠕變：瞬時(shí)蠕變：荷載一加上就發(fā)荷載一加上就發(fā)生的變形；生的變形； 第一階段蠕變，又叫初始蠕第一階段蠕變，又叫初始蠕變，或阻尼蠕變，變，或阻尼蠕變，應(yīng)變隨時(shí)間減速應(yīng)變隨時(shí)間減速增長；增長； 第二階段蠕變，又稱等速蠕第二階段蠕變，又稱等速蠕變，變，應(yīng)變隨時(shí)間近于等速增。應(yīng)變隨時(shí)間近于等速增。 第三階段蠕變：又稱加速蠕第三階段蠕變：又稱加速蠕變，變，應(yīng)變速率隨時(shí)間加速增長，直應(yīng)變速率隨時(shí)間加速增長，直至試件破壞。至試件破壞。（一）巖石的蠕變曲線分析

48、（一）巖石的蠕變曲線分析 （2 2）蠕變的階段性）蠕變的階段性 并非所有巖石都有并非所有巖石都有等速蠕變階段，等速蠕變階段，只有蠕變過程中結(jié)構(gòu)只有蠕變過程中結(jié)構(gòu)的軟化和硬化達(dá)到的軟化和硬化達(dá)到動(dòng)平衡，蠕變速率才能保持不變。動(dòng)平衡，蠕變速率才能保持不變。651.4.1 巖石的蠕變和流動(dòng)巖石的蠕變和流動(dòng) 應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變速率曲線：應(yīng)變速率曲線： 在應(yīng)力不變的條件下，在應(yīng)力不變的條件下，巖石蠕變過程中的應(yīng)變率巖石蠕變過程中的應(yīng)變率是變化的，但每一條蠕變是變化的，但每一條蠕變曲線都有一個(gè)最小應(yīng)變率。曲線都有一個(gè)最小應(yīng)變率。具有等速蠕變階段的蠕變具有等速蠕變階段的蠕變曲線，等速蠕變階段的速曲線，等速蠕變階段

49、的速率即為最小的（正或剪）率即為最小的（正或剪）應(yīng)變率。應(yīng)變率。 對這一系列恒定應(yīng)力對這一系列恒定應(yīng)力最小應(yīng)變率，可作出應(yīng)最小應(yīng)變率，可作出應(yīng)力力應(yīng)變速率曲線。應(yīng)變速率曲線。（二）巖石的應(yīng)力（二）巖石的應(yīng)力應(yīng)變速率曲線分析應(yīng)變速率曲線分析 （1 1）巖石的應(yīng)力）巖石的應(yīng)力 應(yīng)變速率曲線應(yīng)變速率曲線t)(minmin)()()(minmin應(yīng)力應(yīng)力最小應(yīng)變率：最小應(yīng)變率： 661.4.1 1.4.1 巖石的蠕變和流動(dòng)巖石的蠕變和流動(dòng) 粘滯系數(shù)：粘滯系數(shù)：應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變速率曲線上應(yīng)變速率曲線上首個(gè)首個(gè)直線段的斜率。它是直線段的斜率。它是表征巖石蠕變、流動(dòng)表征巖石蠕變、流動(dòng)特征的指標(biāo)。特征的指標(biāo)。 如

50、常溫常壓下飽水如常溫常壓下飽水軟弱泥巖的軟弱泥巖的值的為值的為1010121210101313Pa.s;Pa.s; 石灰?guī)r、硬的砂巖石灰?guī)r、硬的砂巖為為10101515101016 16 Pa.sPa.s（2 2）粘滯系數(shù)）粘滯系數(shù) 1（二）巖石的應(yīng)力（二）巖石的應(yīng)力應(yīng)變速率曲線分析應(yīng)變速率曲線分析 67 巖石也具有粘性特巖石也具有粘性特征，因而，巖石是粘征，因而，巖石是粘彈塑性體。彈塑性體。 描述粘性的基本力學(xué)描述粘性的基本力學(xué)模型是模型是理想粘滯液體，理想粘滯液體，或稱為或稱為牛頓（牛頓（NewtonNewton）體，或體，或N N體，或粘滯元體，或粘滯元件。其模型是一個(gè)粘件。其模型是一個(gè)

51、粘壺。壺。 N N體服從牛頓的粘體服從牛頓的粘滯定律：應(yīng)力與應(yīng)變滯定律：應(yīng)力與應(yīng)變速率成正比。速率成正比。牛頓體牛頓體粘壺模型粘壺模型（三）描述粘性的基本力學(xué)模型（三）描述粘性的基本力學(xué)模型1.4.1 巖石的蠕變和流動(dòng)巖石的蠕變和流動(dòng)穿穿孔孔活活塞塞裝滿粘滯裝滿粘滯性液體的性液體的圓筒圓筒加載曲線加載曲線681.4.2 1.4.2 巖石的流變模型巖石的流變模型 綜合前述分析：巖石是粘彈塑性體，在各種力場的綜合前述分析：巖石是粘彈塑性體，在各種力場的作用下，巖石既會發(fā)生瞬態(tài)的彈塑性變形和破壞，也會發(fā)作用下，巖石既會發(fā)生瞬態(tài)的彈塑性變形和破壞，也會發(fā)生與時(shí)間有關(guān)的流變。為分析巖體的變形破壞規(guī)律，首

52、先生與時(shí)間有關(guān)的流變。為分析巖體的變形破壞規(guī)律，首先需要建立反應(yīng)巖體變形破壞規(guī)律的本構(gòu)關(guān)系。需要建立反應(yīng)巖體變形破壞規(guī)律的本構(gòu)關(guān)系。 本構(gòu)關(guān)系本構(gòu)關(guān)系：材料應(yīng)力、應(yīng)變、時(shí)間和強(qiáng)度之間的內(nèi)在：材料應(yīng)力、應(yīng)變、時(shí)間和強(qiáng)度之間的內(nèi)在關(guān)系。它是進(jìn)行關(guān)系。它是進(jìn)行材料變形及破壞問題力學(xué)分析材料變形及破壞問題力學(xué)分析的基礎(chǔ)。的基礎(chǔ)。 巖體本構(gòu)關(guān)系的建立巖體本構(gòu)關(guān)系的建立，首先首先要能反映巖體變形破壞發(fā)要能反映巖體變形破壞發(fā)展過程、機(jī)制及規(guī)律；要抓住巖體主要變形性質(zhì)；符合工展過程、機(jī)制及規(guī)律；要抓住巖體主要變形性質(zhì)；符合工程活動(dòng)對巖體的影響；盡可能簡化等。程活動(dòng)對巖體的影響；盡可能簡化等。 本節(jié)，只關(guān)注巖石

53、的流變模型。本節(jié)，只關(guān)注巖石的流變模型。 巖石蠕變模型建立方法有兩種：巖石蠕變模型建立方法有兩種：一類是經(jīng)驗(yàn)公式，一一類是經(jīng)驗(yàn)公式，一類是力學(xué)模型分析法。類是力學(xué)模型分析法。 691.4.2 1.4.2 巖石的流變模型巖石的流變模型 巖石蠕變經(jīng)驗(yàn)公式巖石蠕變經(jīng)驗(yàn)公式 長期荷載作用下，巖石蠕變變形一般包括長期荷載作用下，巖石蠕變變形一般包括瞬時(shí)蠕變瞬時(shí)蠕變、初始蠕變初始蠕變、等速蠕變等速蠕變和和加速蠕變加速蠕變等階段，因而蠕變變形一等階段，因而蠕變變形一般表達(dá)式可表示如下：般表達(dá)式可表示如下：)() t (etMtT瞬時(shí)蠕變瞬時(shí)蠕變 初始蠕變初始蠕變等速蠕變等速蠕

54、變加速蠕變加速蠕變e) t (Mt)(Tt式中：式中： 課本上提供了冪函數(shù)，對數(shù)函數(shù)，指數(shù)函數(shù)等形式的課本上提供了冪函數(shù)，對數(shù)函數(shù)，指數(shù)函數(shù)等形式的經(jīng)驗(yàn)公式。經(jīng)驗(yàn)公式。 總體上總體上目前建立的蠕變經(jīng)驗(yàn)公式，絕大多是目前建立的蠕變經(jīng)驗(yàn)公式，絕大多是初始蠕變和等速蠕變的，對于加速蠕變，至今尚未找到簡初始蠕變和等速蠕變的，對于加速蠕變，至今尚未找到簡單的公式。單的公式。701.4.2 巖石的流變模型巖石的流變模型 一、巖體基本性質(zhì)的力學(xué)模型一、巖體基本性質(zhì)的力學(xué)模型 巖體具有巖體具有彈性、塑性和粘性特性，彈性、塑性和粘性特性，其相應(yīng)的力學(xué)模型分其相應(yīng)的力學(xué)模型分別是別是彈性固體（胡克體（彈性固體（胡

55、克體（HookeHooke）、）、 H H體），完全塑性固體體），完全塑性固體（圣維南體（圣維南體（St.St.V V體）和理想粘滯液體（牛頓體、體）和理想粘滯液體（牛頓體、N N體）。體）。 如相鄰介質(zhì)抗變形能力相差甚遠(yuǎn)時(shí)，可以將抗變形能力如相鄰介質(zhì)抗變形能力相差甚遠(yuǎn)時(shí)，可以將抗變形能力強(qiáng)的材料視為不發(fā)生變形的強(qiáng)的材料視為不發(fā)生變形的剛性固體（歐幾里德（剛性固體（歐幾里德（EuclidEuclid）體，體，EuEu體）。體）。 巖石蠕變的力學(xué)模型巖石蠕變的力學(xué)模型 71 （1 1）剛性固體）剛性固體 它是在任何荷載作用下沒有變它是在任何荷載作用下沒有變形的固體，其力學(xué)模型用一根

56、無伸形的固體，其力學(xué)模型用一根無伸縮的剛桿表示?？s的剛桿表示。EG三向荷載下三向荷載下的胡克定律的胡克定律為：為：)(13211E)(13122E)(12133E或或（2 2）完全彈性固體）完全彈性固體 服從胡克定律，在單向荷載下有：服從胡克定律，在單向荷載下有：一、巖體基本性質(zhì)的力學(xué)模型一、巖體基本性質(zhì)的力學(xué)模型72 （3 3）完全塑性體（）完全塑性體（St.VSt.V體）體） 為一對接觸摩擦片，其摩擦為一對接觸摩擦片，其摩擦力為材料的屈服強(qiáng)度力為材料的屈服強(qiáng)度y y。yy無塑性變形無塑性變形有塑性變形有塑性變形 屈服條件下的屈服條件下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系服從應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系服從流動(dòng)法則流動(dòng)法則。應(yīng)變

57、強(qiáng)化應(yīng)變軟化一、巖體基本性質(zhì)的力學(xué)模型一、巖體基本性質(zhì)的力學(xué)模型理想塑性理想塑性理想塑性理想塑性73（4 4）理想粘滯液體（）理想粘滯液體（N N體）體） 服從牛頓的粘滯定律，力學(xué)模型服從牛頓的粘滯定律，力學(xué)模型為粘壺，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為：為粘壺，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為：N N體無彈性、無強(qiáng)度。體無彈性、無強(qiáng)度。或或應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變速應(yīng)變速率曲線率曲線 應(yīng)力應(yīng)力時(shí)間曲線時(shí)間曲線(a)(a)(b)(b)(c)(c)(d)(d)應(yīng)變應(yīng)變時(shí)間曲線時(shí)間曲線一、巖體基本性質(zhì)的力學(xué)模型一、巖體基本性質(zhì)的力學(xué)模型741.4.2 1.4.2 巖石的流變模型巖石的流變模型 巖石常見蠕變模型巖

58、石常見蠕變模型 （1 1）組合約定）組合約定 巖體是粘彈塑性體，建立其蠕變模型需要用巖體是粘彈塑性體，建立其蠕變模型需要用組合模型組合模型。 采用組合描述時(shí)，各基本模型（或元件）采采用組合描述時(shí)，各基本模型（或元件）采用用串聯(lián)串聯(lián)或或并聯(lián)并聯(lián)連接方式。可以簡單組合，也可以連接方式?？梢院唵谓M合，也可以復(fù)雜組合。復(fù)雜組合。 并聯(lián)采用并聯(lián)采用“”符號符號表示，每個(gè)單元體模型表示，每個(gè)單元體模型擔(dān)負(fù)的荷載之和等于總荷載，擔(dān)負(fù)的荷載之和等于總荷載，它們的位移或變形它們的位移或變形相同相同； 串聯(lián)采用串聯(lián)采用“”符號符號表示。每個(gè)單元體模型表示。每個(gè)單元體模型擔(dān)負(fù)統(tǒng)一荷載，而擔(dān)負(fù)統(tǒng)一荷載，而它們的位移是可以相加的它們的位移是可以相加的。7 巖石常見蠕變模型巖石常見蠕變模型 （2 2）彈粘性體）彈粘性體 （P32P32） 也稱為也稱為馬克斯韋爾馬克斯韋爾(C. Maxwell)(C. Maxwell)體，體，簡稱簡稱M M體體，它是由，它是由彈性元件（彈性元件（H H）與粘性元件（）與粘性元件（N N）串聯(lián)而成的組合模型。）串聯(lián)而成的組合模型。 模型符號為模型符號為 ： M M= =H HN N兩側(cè)同時(shí)對時(shí)間求導(dǎo)：兩側(cè)同時(shí)對時(shí)間求導(dǎo)：ve(1.4-3)(1.4-3)ve 對于彈簧來說，有：對于彈簧來說，有：eGeG 或或(1.4-2)(1.4-2)對于粘壺