岩石力学第章岩石的基本物理力学性质省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第第 二二 章章 岩石基本物理力学性质岩石基本物理力学性质第第1 1页页本章内容：本章内容：22-1-1 岩石基本物理性质岩石基本物理性质 2-2 2-2 岩石岩石静力学特征静力学特征 2-2-3 3 岩石流变性（时效性、粘性）岩石流变性（时效性、粘性）2-2-4 4 岩石各向异性岩石各向异性 2-2-5 5 影响岩石力学性质原因影响岩石力学性质原因 2-6 2-6 岩石强度理论岩石强度理论 第第2 2页页计划课时：计划课时：13 1 1、岩石基本物理性质；、岩石基本物理性质；2 2、岩石单轴压缩变形特征：、岩石单轴压缩变形特征：应力应变全过程曲线及工程意义；应力应变全过程曲线及工程意义；3 3、岩石抗压、抗拉、抗剪强度及其试验室测定方法；、岩石抗压、抗拉、抗剪强度及其试验室测定方法；4 4、岩石在三轴压缩条件下力学特征；、岩石在三轴压缩条件下力学特征；5 5、莫尔强度理论、格里菲斯断裂强度理论及判据；、莫尔强度理论、格里菲斯断裂强度理论及判据；6 6、岩体强度各向异性；、岩体强度各向异性；7 7、岩石流变性。、岩石流变性。难点：难点：岩石流变性。岩石流变性。重点重点:第第3 3页页 关键术语关键术语:密度；重度；岩石孔隙性；孔隙率；孔隙比；岩石水理性；吸密度；重度；岩石孔隙性；孔隙率；孔隙比；岩石水理性；吸水率；饱水率；饱水系数；岩石透水性；渗透系数；岩石碎胀性；水率；饱水率；饱水系数；岩石透水性；渗透系数；岩石碎胀性；碎胀系数；岩石软化性；软化系数；脆性、塑性、延性、粘性（流碎胀系数；岩石软化性；软化系数；脆性、塑性、延性、粘性（流变性）；蠕变；松弛；弹性后效；扩容；岩石强度；抗压强度；抗变性）；蠕变；松弛；弹性后效；扩容；岩石强度；抗压强度；抗拉强度；抗剪强度；拉强度；抗剪强度；峰值强度；长久强度；残余强度；岩石变形；峰值强度；长久强度；残余强度；岩石变形；全应力应变曲线；刚性压力机；强度理论。全应力应变曲线；刚性压力机；强度理论。要求：要求：1 1、须掌握本课程重点难点内容；、须掌握本课程重点难点内容；2 2、了解岩石扩容；、了解岩石扩容；3 3、了解影响岩石力学性质原因；、了解影响岩石力学性质原因；4 4、了解岩石流变本构模型。、了解岩石流变本构模型。第第4 4页页2.1 2.1 岩石基本物理性质岩石基本物理性质 岩石由固体，水，空气等岩石由固体，水，空气等三相三相组成。组成。单位体积岩石质量称为岩石单位体积岩石质量称为岩石密度密度。单位体积岩石重力称为岩石单位体积岩石重力称为岩石重度（容重）重度（容重）。所谓单位体积就是包含孔隙体积在内体积。所谓单位体积就是包含孔隙体积在内体积。（g/cmg/cm3 3），），gg (kN/m(kN/m3 3)岩岩石石密密度度可可分分为为天天然然密密度度、干干密密度度和和饱饱和和密密度度。对对应应地地，岩岩石石重度可分为重度可分为天然重度天然重度、干重度干重度和和饱和重度饱和重度。一、密度（一、密度（）和重度）和重度()()第第5 5页页 1 1、岩石天然密度（、岩石天然密度（）和天然重度（）和天然重度（）指指岩石岩石在在天然状天然状态态下密度和重度。下密度和重度。（g/cm3）(kN/m3)式中：式中：WW天然状态下岩石试件质量天然状态下岩石试件质量(g(g；)V V岩石试件体积岩石试件体积(cm(cm3 3)；gg重力加速度。重力加速度。2.1 岩石基本物理性质岩石基本物理性质 第第6 6页页 干干密密度度是是指指岩岩石石孔孔隙隙中中液液体体全全部部被被蒸蒸发发后后单单位位体体积积岩岩石石质质量量，对应重度即为干重度。对应重度即为干重度。2 2、干密度（、干密度（d d）和干重度）和干重度(d d)（g/cmg/cm3 3）(kN/m(kN/m3 3)式中：式中：W Wd d岩石试件烘干后质量岩石试件烘干后质量(g)(g)；VV岩石试件体积岩石试件体积(cm(cm3 3)；gg重力加速度。重力加速度。2.1 岩石基本物理性质岩石基本物理性质 第第7 7页页 3 3、饱和密度（、饱和密度（）和饱和重度）和饱和重度(w w)饱饱和密度就是和密度就是饱饱水状水状态态下岩石下岩石试试件密度。件密度。式中：式中：W WW W饱水状态下岩石试件质量饱水状态下岩石试件质量 (g)(g)；VV岩石试件体积岩石试件体积(cm(cm3 3)；gg重力加速度。重力加速度。（g/cm3）(kN/m3)2.1 岩石基本物理性质岩石基本物理性质 第第8 8页页 二、岩石比重二、岩石比重(G(Gs s)岩石岩石比重比重：岩石固体：岩石固体质质量与同体量与同体积积水水质质量之比量之比值值。岩石岩石固体体固体体积积：不包含孔隙体：不包含孔隙体积积在内体在内体积积。岩石比重可在岩石比重可在试验试验室室进进行行测测定，其定，其计计算公式算公式为为：式中：式中：G GS S岩石比重；岩石比重；W Ws s干燥岩石质量干燥岩石质量(g)(g);V Vs s岩石固体体积岩石固体体积(cm(cm3 3););W 40C时水密重。时水密重。2.1 岩石基本物理性质岩石基本物理性质 第第9 9页页 三、岩石空隙性三、岩石空隙性空隙空隙：岩石中孔隙和裂隙总称。岩石中孔隙和裂隙总称。小开型空隙小开型空隙空隙空隙闭型空隙闭型空隙开型空隙开型空隙大开型空隙大开型空隙 闭型空隙闭型空隙：岩石中不与外界相通空隙。：岩石中不与外界相通空隙。开型空隙开型空隙：岩石中与外界相通空隙。包含大开型空隙和小开型空：岩石中与外界相通空隙。包含大开型空隙和小开型空隙。隙。在常温下水能进入大开型空隙，而不能进入小开型空隙。只有在常温下水能进入大开型空隙，而不能进入小开型空隙。只有在真空中或在在真空中或在150150个大气压以上，水才能进入小开型空隙。个大气压以上，水才能进入小开型空隙。空空隙隙度度：指指岩岩石石裂裂隙隙和和孔孔隙隙发发育育程程度度，其其衡衡量量指指标标为为空空隙隙率率(n)(n)或或空隙空隙比（比（e e）。）。2.1 岩石基本物理性质岩石基本物理性质 第第1010页页 依据岩石空隙类型不一样，岩石空隙率分为依据岩石空隙类型不一样，岩石空隙率分为：(1)1)总空隙率总空隙率n n (2)(2)大大开空隙率开空隙率n nb b (3)(3)小小开空隙率开空隙率n nl l (4)(4)总总开空隙开空隙率率n no o (5)5)闭空隙率闭空隙率n nc c普通提到岩石空隙率时系指岩石总空隙率。普通提到岩石空隙率时系指岩石总空隙率。1 1、空隙率、空隙率2.1 岩石基本物理性质岩石基本物理性质 第第1111页页 (1)(1)总总空空隙隙率率n:即即岩岩石石试试件件内内空空隙隙体体积积（V VV V)占占试试件件总总体体积积(V)V)百分比。百分比。(2)(2)大大开开空空隙隙率率n nb b:即即岩岩石石试试件件内内大大开开型型空空隙隙体体积积（V Vb b)占占试试件件总总体积体积(V)V)百分比。百分比。(3 3)小开空隙率小开空隙率n nl l:即岩石试件内小开型空隙体积（即岩石试件内小开型空隙体积（V VS S)占试件总占试件总体积体积(V)V)百分比。百分比。2.1 岩石基本物理性质岩石基本物理性质 第第1212页页 (4)(4)总总开开空空隙隙率率（孔孔隙隙率率）no:即即岩岩石石试试件件内内开开型型空空隙隙总总体体积积（V V0 0)占试件总体积占试件总体积(V)V)百分比。百分比。(5 5)闭闭空空隙隙率率n nc c:即即岩岩石石试试件件内内闭闭型型空空隙隙体体积积（V Vc c)占占试试件件总总体积体积(V)V)百分比。百分比。2.1 岩石基本物理性质岩石基本物理性质 第第1313页页 所所谓谓空空隙隙比比是是指指岩岩石石试试件件内内空空隙隙体体积积（V V V V)与与岩岩石石试试件件内内固固体体矿矿物物颗颗粒体粒体积积（V Vs s)之比。之比。2 2、空隙比、空隙比(e)(e)2.1 岩石基本物理性质岩石基本物理性质 第第1414页页 四、岩石水理性质四、岩石水理性质 岩岩石石遇遇水水后后会会引引发发一一些些物物理理、化化学学和和力力学学性性质质改改变变，岩石岩石这这种性种性质质称称为为岩石水理性。岩石水理性。1 1、岩石天然含水率、岩石天然含水率 岩石在天然状态下，岩石在天然状态下，含水质量含水质量与与烘干质量烘干质量比值比值 2 2、岩石吸水性岩石吸水性 岩岩石石吸吸收收水水分分性性能能称称为为岩岩石石吸吸水水性性，其其吸吸水水量量大大小小取决取决于于岩石孔隙体岩石孔隙体积积大小及其密大小及其密闭闭程度。程度。岩石吸水性指岩石吸水性指标标有有吸水率吸水率、饱饱水率水率和和饱饱水系数水系数。2.1 岩石基本物理性质岩石基本物理性质 第第1515页页（1 1）岩石吸水率）岩石吸水率(a a)：是是指指岩岩石石试试件件在在标标准准大大气气压压力力下下吸吸入入水水重重量量W W1 1与与岩岩石石干干重重量量W Ws s之比。之比。岩岩石石吸吸水水率率大大小小，取取决决于于岩岩石石所所含含孔孔隙隙、裂裂隙隙数数量量、大大小小、开开闭闭程度及其分布情况程度及其分布情况。另外，另外，还还与与试验试验条件条件（整体和碎块，（整体和碎块，浸水浸水时间时间等）等）相关。相关。依据岩石吸水率可求得岩石大开空隙率依据岩石吸水率可求得岩石大开空隙率n nb b.式中：式中：W W s s为干燥岩石重量为干燥岩石重量；d d,w w分别为干燥岩石和水重度分别为干燥岩石和水重度。2.1 岩石基本物理性质岩石基本物理性质 第第1616页页（2 2）岩石饱水率（）岩石饱水率（sasa）岩岩石石饱饱水水率率指指在在高高压压（150150个个大大气气压压）或或真真空空条条件件下下，岩岩石石吸吸入入水重量水重量W Wsasa与岩石干重量与岩石干重量W Ws s之比，即：之比，即：依据饱水率求得岩石总开空隙率依据饱水率求得岩石总开空隙率n n0 0：式中：式中：W Ws s为干燥岩石重量；为干燥岩石重量；d d,w w干燥岩石和水重度。干燥岩石和水重度。2.1 岩石基本物理性质岩石基本物理性质 第第1717页页 （3 3）岩石饱水系数（）岩石饱水系数（k kw w）岩石吸水率与饱水率之比称为岩石饱水系数，即岩石吸水率与饱水率之比称为岩石饱水系数，即 饱水系数反应了岩石中大开空隙和小开空隙相对含量。饱水系数反应了岩石中大开空隙和小开空隙相对含量。饱水系数越大，岩石中大开空隙越多，而小开空隙越少。饱水系数越大，岩石中大开空隙越多，而小开空隙越少。吸水性较大岩石吸水后往往会产生膨胀，给井巷支护造成很大吸水性较大岩石吸水后往往会产生膨胀，给井巷支护造成很大压力。压力。2.1 岩石基本物理性质岩石基本物理性质 第第1818页页 2 2、岩石软化性、岩石软化性 岩岩石石软软化化性性：岩岩石石在在饱饱水水状状态态下下其其强强度度相相对对于于干干燥燥状状态态下下降降低性能，可用软化系数低性能，可用软化系数c c表示表示。软软化化系系数数：岩岩石石试试样样在在饱饱水水状状态态下下抗抗压压强强度度cwcw与与在在干干燥燥状状态态下抗下抗压压强强度度c c之比。之比。各各类类岩石岩石软软化系数化系数 c c=0.45=0.450.90.9之之间间。c c 0.75,0.75,岩石软化性弱、抗水、抗风化能力强；岩石软化性弱、抗水、抗风化能力强；c c 0.7523 常规三轴试验常规三轴试验：12=3 立方试件：试验加载困难性立方试件：试验加载困难性 圆柱试件：只能作常规三轴试验圆柱试件：只能作常规三轴试验2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征 第第3232页页2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征 第第3333页页常规三轴试验极限莫尔圆常规三轴试验极限莫尔圆极限莫尔圆包络线极限莫尔圆包络线岩石强度曲线岩石强度曲线2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征 第第3434页页2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征 第第3535页页点荷载强度指标点荷载强度指标 点荷载试验起源点荷载试验起源 点荷载强度指标点荷载强度指标 尺寸效应尺寸效应-ISRM推荐推荐IS(50)换算成岩石单轴抗压强度换算成岩石单轴抗压强度2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征 y yx x第第3636页页2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征 第第3737页页2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征 第第3838页页岩石抗拉强度岩石抗拉强度非限制性直接拉伸非限制性直接拉伸直接拉伸存在工艺问题直接拉伸存在工艺问题 端部施力问题端部施力问题 裂纹影响问题裂纹影响问题2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征 第第3939页页2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征 第第4040页页限制性直接拉伸限制性直接拉伸2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征 第第4141页页间接拉伸间接拉伸 劈裂试验（巴西试验）劈裂试验（巴西试验）弹性力学劈裂问题计算公式简化弹性力学劈裂问题计算公式简化2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征 第第4242页页2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征 第第4343页页 方形试件方形试件：式中：式中：P P破坏时荷载，破坏时荷载，N;N;d d 试件直径；试件直径；cm；t t试件厚度，试件厚度，cm；a a，h h方形方形试件边长试件边长和厚度和厚度，cm。2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征 第第4444页页 不规则试件（加压方向应满足不规则试件（加压方向应满足h/a1.5）：）：式中：式中：P P破坏时荷载，破坏时荷载，N;N;a a加压方向尺寸；加压方向尺寸；h h厚度；厚度；V不规则试件体积。不规则试件体积。因因为为岩岩石石中中微微裂裂隙隙，在在间间接接拉拉伸伸试试验验中中，外外力力都都是是压压力力，必必定定使使部部分分微微裂裂隙隙闭闭合合，产产生生摩摩擦擦力力，从从而而使使测测得得抗抗拉强度值比直接拉伸法测得大。拉强度值比直接拉伸法测得大。2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征 第第4545页页岩石剪切试验方法岩石剪切试验方法 非限制性剪切非限制性剪切 剪切面上无压力剪切试验（纯剪切）剪切面上无压力剪切试验（纯剪切）2.2 2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征 岩石抗剪强度岩石抗剪强度第第4646页页2.2 2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征第第4747页页 限制性剪切试验限制性剪切试验-剪切面上有压应力剪切面上有压应力2.2 2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征第第4848页页2.2 2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征第第4949页页2.2 2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征第第5050页页尺寸：直径或边长大于尺寸：直径或边长大于50mm50mm，高度应等于直径或边长。，高度应等于直径或边长。改变改变P P，即可测得多组，即可测得多组、，作出，作出曲线。曲线。2.2 2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征第第5151页页2.2 2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征第第5252页页 斜剪试验斜剪试验 忽忽略略端端部部摩摩擦擦力力，依依据据力力平平衡衡原原理理，作作用用于于剪剪切切面面上上法法向向力力N N和和切切向向力力Q Q可按下式计算：可按下式计算：N=Pcos N=Pcos Q=Psin Q=Psin剪剪切切面面上上法法向向正正应应力力和和剪剪应应力力为：为：2.2 2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征第第5353页页2.2 2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征c第第5454页页 2.2 2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征第第5555页页剪切破坏后残余强度问题2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征 第第5656页页岩石破坏后强度岩石破坏后强度普通试验机上测试岩石应力应变关系致密、坚硬、少裂隙致密、坚硬、少裂隙少裂隙、岩少裂隙、岩性较软性较软致密、坚硬、多裂隙致密、坚硬、多裂隙较多裂隙、较多裂隙、岩性较软岩性较软2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征 第第5757页页普通试验机试验结果材料破坏后强度概念普通试验机不能作出全应力应变曲线试验机内部弹性变形能问题试验机刚构件刚度系数试验机液压支柱刚度系数增加刚度系数办法2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征 第第5858页页刚性试验机概念刚性伺服试验机概念全应力应变曲线2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征 第第5959页页v全应力应变曲线用途全应力应变曲线用途预测岩爆预测岩爆 A为弹性变形能为弹性变形能 B为岩石破坏耗散能为岩石破坏耗散能 当当AB时，岩石破坏时，岩石破坏后还有余能后还有余能-岩爆岩爆 当当AB时，岩石破坏时，岩石破坏后已无余能后已无余能2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征 第第6060页页 预测蠕变破坏预测蠕变破坏 长久强度概念长久强度概念 长久强度与瞬时强长久强度与瞬时强度关系度关系 长久强度程度长久强度程度-时时间无限长但长久强度间无限长但长久强度不会无限小不会无限小 蠕变终止概念蠕变终止概念 蠕变终止轨迹蠕变终止轨迹 蠕变终止轨迹蠕变终止轨迹2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征 第第6161页页 预测循环加载岩石破坏预测循环加载岩石破坏 加载与卸载加载与卸载 完全卸载与不完全卸完全卸载与不完全卸载载 循环加载概念循环加载概念 逐层循环加载概念逐层循环加载概念 循环加载引发破坏循环加载引发破坏 2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征 第第6262页页弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形线弹性变形线弹性变形非线弹性变形非线弹性变形变形变形2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征 理想弹性体理想弹性体理想弹塑性体理想弹塑性体线性硬化弹塑性体线性硬化弹塑性体理想粘性体理想粘性体2、岩石变形特征、岩石变形特征0 0理想刚性体理想刚性体 概述概述第第6363页页 单轴压缩条件下岩石变形特征单轴压缩条件下岩石变形特征 如图全应力应变曲线可分几段如图全应力应变曲线可分几段 压密阶段（压密阶段（OA）-原有张性原有张性裂隙被压密，曲线上凹裂隙被压密，曲线上凹 弹性变形阶段（弹性变形阶段（AC）-近乎近乎直线，直线，AB为线性弹性，为线性弹性，BC微裂微裂隙稳定发展隙稳定发展 非稳定破裂阶段（非稳定破裂阶段（CD）-C点点可认为是屈服点，可认为是屈服点，C点后裂隙非稳点后裂隙非稳定发展定发展-扩容扩容 破裂后阶段（破裂后阶段（D点以后）点以后）-峰峰值强度以后，裂隙快速发展、破值强度以后，裂隙快速发展、破坏，不过还有一定承载力坏，不过还有一定承载力 2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征 第第6464页页岩石全应力应变曲线及破坏后性态岩石全应力应变曲线及破坏后性态2.2 2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征第第6565页页岩石应力应变曲线几个类型岩石应力应变曲线几个类型米勒分类米勒分类 类型类型：直线型（线弹性）：直线型（线弹性）类型类型：下凹型（弹塑性）：下凹型（弹塑性）类型类型：上凹型（塑弹性）：上凹型（塑弹性）类型类型：S型（塑弹塑型（塑弹塑-高模量）高模量）类型类型：S型（塑弹塑型（塑弹塑-低模量）低模量）类型类型：类弹粘性：类弹粘性2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征 O OO OO OO OO OO O第第6666页页循环荷载条件下岩石变形特征循环荷载条件下岩石变形特征v实践证实，循环荷载下岩石强度低于单调荷载下强度实践证实，循环荷载下岩石强度低于单调荷载下强度 理想线弹性材料理想线弹性材料-加载卸载路线加载卸载路线-直线相同直线相同-重合重合 完全弹性岩石完全弹性岩石-加载卸载路线加载卸载路线-曲线重合（近乎）曲线重合（近乎）弹性岩石弹性岩石-加载卸载路线不重合加载卸载路线不重合-但平均斜率相等但平均斜率相等 非弹性岩石非弹性岩石-在屈服点以上卸载时加卸载曲线不重合在屈服点以上卸载时加卸载曲线不重合-回滞环回滞环-屡次加载卸载回滞环趋密屡次加载卸载回滞环趋密-趋极限趋极限 2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征 第第6767页页 岩石变形记忆岩石变形记忆 单调加载应力应变曲线单调加载应力应变曲线 逐层增加加载卸载曲线逐层增加加载卸载曲线 岩石变形记忆岩石变形记忆2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征 第第6868页页 三轴压缩条件下岩石变形特征三轴压缩条件下岩石变形特征v常规三轴（等围压）应力应变试验常规三轴（等围压）应力应变试验v大理岩和花岗岩试验结果大理岩和花岗岩试验结果2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征 第第6969页页几点结论：伴随围压增大轴向抗压强度增大几点结论：伴随围压增大轴向抗压强度增大 伴随围压增大轴向变形增大伴随围压增大轴向变形增大 伴随围压增大岩石弹性极限增大伴随围压增大岩石弹性极限增大 伴随围压增大应力应变关系改变伴随围压增大应力应变关系改变脆性脆性-弹塑性弹塑性硬化硬化2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征 第第7070页页2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征 第第7171页页 岩石变形指标及其确定岩石变形指标及其确定A、弹性模量、弹性模量 线弹性岩石线弹性岩石 非线弹性岩石非线弹性岩石 切线模量切线模量 割线模量割线模量 弹塑性岩石弹塑性岩石 卸载割线模量卸载割线模量 变形模量变形模量2.2 岩石岩石静力学特征静力学特征 第第7272页页B、泊松比、泊松比 横向应变与轴向应变比值横向应变与轴向应变比值 另外几个主要常数另外几个主要常数 常见岩石弹性模量与泊松比常见岩石弹性模量与泊松比 参见参见Tab 1-13,Page612.2 岩石岩石静力学特征静力学特征 第第7373页页第第7474页页 岩石扩容岩石扩容A、岩石体应变、岩石体应变取单元体，其体积为：取单元体，其体积为：dv=dxdydz变形后体积变形后体积:dv+dv=(dx+dx)(dy+dy)(dz+dz)=dx(1+x)dy(1+y)dz(1+z)则体体积应变为：第第7575页页将弹性力学物理方程代入将弹性力学物理方程代入对于直角坐标下三维问题对于直角坐标下三维问题第第7676页页岩石扩容概念岩石扩容概念体积压缩变形阶段体积压缩变形阶段 12+3 扩容点应力是强度二扩容点应力是强度二分之一左右分之一左右体积不变阶段体积不变阶段 1=2+3扩容阶段扩容阶段 体积增加阶段体积增加阶段 12+3第第7777页页 岩石各向异性岩石各向异性v应力和应变关系应力和应变关系第第7878页页将上式用矩阵表示之将上式用矩阵表示之 应力列矩阵等于刚度矩阵乘以应变列矩阵应力列矩阵等于刚度矩阵乘以应变列矩阵第第7979页页应力应变关系还能够写成以下形式应力应变关系还能够写成以下形式v用应力表示应变形式第第8080页页将上式用矩阵表示之将上式用矩阵表示之 应变列矩阵应变列矩阵等于等于柔度矩阵柔度矩阵左乘以左乘以左乘以左乘以应力列矩阵应力列矩阵第第8181页页 极端各向异性体极端各向异性体 极端各向异性体极端各向异性体：任意两个不一样方向，力学性能都不一样：任意两个不一样方向，力学性能都不一样 对于用应力表示应变情形对于用应力表示应变情形 柔度矩阵中各元素意义：柔度矩阵中各元素意义：1，2，3分别代表分别代表x，y，z坐标方向坐标方向 4，5，6分别代表分别代表xy，yz，zx平面平面 柔度矩阵中元素柔度矩阵中元素aij表示当表示当 j 方向应力为方向应力为1时，引发时，引发 i 方向应变方向应变 弹性力学已经证实：弹性力学已经证实：aij=aji，同理，刚度矩阵中元素同理，刚度矩阵中元素 cij=cji 矩阵矩阵A中共中共36个元素，主元素个元素，主元素6个，其余个，其余30个对称位置相等个对称位置相等 所以，柔度矩阵中只有所以，柔度矩阵中只有2121个元素个元素个元素个元素是独立。是独立。同理，矩阵刚度同理，矩阵刚度D中也是只有中也是只有2121个元素个元素个元素个元素是独立。是独立。第第8282页页 正交各向异性体应力应变关系正交各向异性体应力应变关系v弹性对称面：弹性对称面：弹性体内存在这么面，任何关于该面对称方向，弹弹性体内存在这么面，任何关于该面对称方向，弹性性能相同。性性能相同。v弹性主向：弹性主向：与弹性对称面垂直方向。与弹性对称面垂直方向。v正交各向异性体：正交各向异性体：弹性体内存在相互正交三组弹性主面。弹性体内存在相互正交三组弹性主面。v令三个弹性对称面为坐标平面，三个弹性主向为坐标轴方向。令三个弹性对称面为坐标平面，三个弹性主向为坐标轴方向。v因为对称缘故，任何平面切应力，都不能引发垂直于该平面正应因为对称缘故，任何平面切应力，都不能引发垂直于该平面正应变。所以有：变。所以有：a14=a15=a16=a24=a25=a26=a34=a35=a36=0v一样，正应力也不能引发与之垂直平面内切应变，所以有：一样，正应力也不能引发与之垂直平面内切应变，所以有：a41=a51=a61=a42=a52=a62=a43=a53=a63=0v切应力只能引发其作用平面内切应变，不会引发其它方向切应变切应力只能引发其作用平面内切应变，不会引发其它方向切应变 a45=a46=a56=a54=a64=a65=0第第8383页页则柔度矩阵变成下式则柔度矩阵变成下式v正交各向异性体柔度矩阵正交各向异性体柔度矩阵考虑对称性，真正独立元素只有考虑对称性，真正独立元素只有9 9个个第第8484页页 横观各向同性体应力应变关系横观各向同性体应力应变关系v横观各向同性体：横观各向同性体：材料内部存在这么一个面，平行这个面方材料内部存在这么一个面，平行这个面方向力学性能都相同，而垂直于这个面方向力学性能与之不一样。向力学性能都相同，而垂直于这个面方向力学性能与之不一样。v若取该面为若取该面为xz平面，垂直该面为平面，垂直该面为y方向方向v单位单位x x引发引发z z与单位与单位z z引发引发 x x相等，所以相等，所以a a1111=a=a3333v单位单位x x引发引发y y与单位与单位z z引发引发 y y相等，所以相等，所以a a2323=a=a2121v单位单位xyxy引发引发xyxy与单位与单位yzyz引发引发 yzyz相等，所以相等，所以a a4444=a=a5555v柔度矩阵中只有柔度矩阵中只有6 6个独立元素个独立元素第第8585页页各个系数（元素）详细值各个系数（元素）详细值v柔度矩柔度矩阵中各个元素及其含中各个元素及其含义1 11 12 2第第8686页页各向同性体应力应变关系各向同性体应力应变关系v在各向同性体中，E1=E2，1=2第第8787页页2-5 2-5 影响岩石力学性质原因影响岩石力学性质原因一、矿物成份对岩石力学性质影响一、矿物成份对岩石力学性质影响1 1、矿物硬度影响、矿物硬度影响 矿物硬度大，岩石弹性越显著，强度越高。矿物硬度大，岩石弹性越显著，强度越高。如岩浆岩中，橄榄石等矿物含量多，弹性越显著，强度越高；如岩浆岩中，橄榄石等矿物含量多，弹性越显著，强度越高；沉积岩中，砂岩弹性及强度随石英含量增加而增高；沉积岩中，砂岩弹性及强度随石英含量增加而增高；石灰岩弹性和强度随硅质物含量增加而增高。石灰岩弹性和强度随硅质物含量增加而增高。变变质质岩岩中中，含含硬硬度度低低矿矿物物（如如云云母母、滑滑石石、蒙蒙脱脱石石、伊伊利利石石、高岭石等）越多，强度越低。高岭石等）越多，强度越低。第第8888页页2 2、不稳定矿物影响、不稳定矿物影响 化学化学性质性质不稳定不稳定矿物：如黄铁矿、霞石等矿物：如黄铁矿、霞石等 易溶于水易溶于水盐类矿物：如石膏、滑石、钾盐等盐类矿物：如石膏、滑石、钾盐等 含有这些矿物岩石其力学性质随时间而改变。含有这些矿物岩石其力学性质随时间而改变。3 3、粘土矿物影响、粘土矿物影响 含有粘土矿物含有粘土矿物岩石：岩石：蒙脱石、伊利石、高岭石等蒙脱石、伊利石、高岭石等 遇水时发生膨胀和软化，强度降低很大。遇水时发生膨胀和软化，强度降低很大。2-5 影响岩石力学性质原因影响岩石力学性质原因第第8989页页 二、岩石结构结构对岩石力学性质影响二、岩石结构结构对岩石力学性质影响 1 1、岩石结构影响、岩石结构影响 岩石结构岩石结构岩石中晶粒或岩石颗粒大小、形状及结合方式。岩石中晶粒或岩石颗粒大小、形状及结合方式。岩浆岩：致密结构、粒状结构、斑状结构、玻璃质结构；岩浆岩：致密结构、粒状结构、斑状结构、玻璃质结构；沉积岩：粒状结构、片架结构、斑基结构；沉积岩：粒状结构、片架结构、斑基结构；变质岩：板理结构、片理结构、片麻理结构。变质岩：板理结构、片理结构、片麻理结构。岩石结构对岩石力学性质影响主要表现在结构差异上。岩石结构对岩石力学性质影响主要表现在结构差异上。比如：粒状结构中，等粒结构比非等粒结构强度高；比如：粒状结构中，等粒结构比非等粒结构强度高；在等粒结构中，细粒结构比粗粒结构强度高。在等粒结构中，细粒结构比粗粒结构强度高。2-5 影响岩石力学性质原因影响岩石力学性质原因第第9090页页 2 2、岩石结构影响、岩石结构影响 岩岩石石结结构构岩岩石石中中不不一一样样矿矿物物集集合合体体之之间间或或矿矿物物集集合合体体与与其其它组成部分之间它组成部分之间排列方式及充填方式。排列方式及充填方式。岩浆岩：颗粒排列无一定方向，形成块状结构；岩浆岩：颗粒排列无一定方向，形成块状结构；沉积岩：层理结构、页片状结构；沉积岩：层理结构、页片状结构；变质岩：板状结构、片理结构、片麻理结构。变质岩：板状结构、片理结构、片麻理结构。层理、片理、板理和流面结构等统称为层理、片理、板理和流面结构等统称为层状结构层状结构层状结构层状结构。宏观上：块状结构岩石多含有宏观上：块状结构岩石多含有各向同性各向同性特征特征 层状结构岩石含有层状结构岩石含有各向异性各向异性或或横观各向同性横观各向同性特征特征。2-5 影响岩石力学性质原因影响岩石力学性质原因第第9191页页 三、水对岩石力学性能影响三、水对岩石力学性能影响 岩石中水岩石中水 水水对对岩岩石石力力学学性性质质影影响响与与岩岩石石孔孔隙隙性性和和水水理理性性（吸吸水水性性、软软化化性性、崩解性崩解性、膨胀性膨胀性、抗冻性抗冻性）相关。）相关。水对岩石力学性质影响：连结作用水对岩石力学性质影响：连结作用 润滑作用润滑作用 水楔作用水楔作用 孔隙压力作用孔隙压力作用 溶蚀及潜蚀作用。溶蚀及潜蚀作用。结合水（连结、润滑、水楔作用）结合水（连结、润滑、水楔作用）重力水（自由水）（孔隙压力、溶蚀及潜蚀）重力水（自由水）（孔隙压力、溶蚀及潜蚀）2-5 影响岩石力学性质原因影响岩石力学性质原因第第9292页页 1 1、连结作用：、连结作用：束束缚缚在在矿矿物物表表面面水水分分子子经经过过其其吸吸引引力力将将矿矿物物颗颗粒粒拉拉近近，起起连连结结作用。作用。这这种种作作用用相相对对于于矿矿物物颗颗粒粒间间连连结结强强度度非非常常微微弱弱，故故对对岩岩石石力力学学性质影响很小，但对于被土充填结构面力学性质影响很显著。性质影响很小，但对于被土充填结构面力学性质影响很显著。2 2、润滑作用：、润滑作用：由由可可溶溶盐盐、胶胶体体矿矿物物连连结结岩岩石石，当当水水浸浸入入时时，可可溶溶盐盐溶溶解解，胶胶体体水水解解，造造成成矿矿物物颗颗粒粒间间连连结结力力减减弱弱，摩摩擦擦力力降降低低，水水起起到到润润滑滑作作用。用。2-5 影响岩石力学性质原因影响岩石力学性质原因第第9393页页 3 3、水楔作用：、水楔作用：当当两两个个矿矿物物颗颗粒粒靠靠得得很很近近，有有水水分分子子补补充充到到矿矿物物表表面面时时，矿矿物物颗颗粒粒利利用用其其表表面面吸吸引引力力将将水水分分子子拉拉到到自自己己周周围围，在在颗颗粒粒接接触触处处因因为为吸吸引引力力作作用用使使水水分分子子向向两两个个矿矿物物颗颗粒粒之之间间缝缝隙隙内内挤挤入入，这这种种现现象象称称为水楔作用。为水楔作用。水楔作用两种结果：水楔作用两种结果：一是岩石一是岩石体积膨胀体积膨胀，产生，产生膨胀压力膨胀压力；二二是是水水胶胶连连结结代代替替胶胶体体及及可可溶溶盐盐连连结结，产产生生润润滑滑作作用用，岩岩石石强强度降低。度降低。2-5 影响岩石力学性质原因影响岩石力学性质原因第第9494页页 4 4、孔隙水压力作用：、孔隙水压力作用：对对于于孔孔隙隙或或裂裂隙隙中中含含有有自自由由水水岩岩石石，当当其其突突然然受受荷荷载载作作用用水水来来不不及及排排出出时时，会会产产生生很很高高孔孔隙隙水水压压力力，减减小小了了颗颗粒粒之之间间压压应应力力，从从而降低了岩石抗剪强度。而降低了岩石抗剪强度。有效应力有效应力概念概念 5 5、溶蚀潜蚀作用：、溶蚀潜蚀作用：水在岩石中渗透：可将可溶物质溶解带走（溶蚀）水在岩石中渗透：可将可溶物质溶解带走（溶蚀）有时将岩石中小颗粒冲走（潜蚀）有时将岩石中小颗粒冲走（潜蚀）从而使岩石强度大为降低，变形增大。从而使岩石强度大为降低，变形增大。水对岩石强度影响通惯用软化系数表示。水对岩石强度影响通惯用软化系数表示。2-5 影响岩石力学性质原因影响岩石力学性质原因第第9595页页 四、四、温度对岩石力学性能影响温度对岩石力学性能影响 1 1、不一样温度下岩石变形特征和强度、不一样温度下岩石变形特征和强度 温度升高：岩石延性加大，屈服点降低，强度也降低。温度升高：岩石延性加大，屈服点降低，强度也降低。2-5 影响岩石力学性质原因影响岩石力学性质原因第第9696页页 2 2、高温高压下岩石破坏机理、高温高压下岩石破坏机理 岩石在高温高压下产生微裂隙。岩石在高温高压下产生微裂隙。比如花岗岩：比如花岗岩：（1 1）微破碎带；）微破碎带；（2 2）粒间微透镜带；）粒间微透镜带；（3 3）短程破裂；）短程破裂；（4 4）扭折带边界破裂；）扭折带边界破裂；（5 5）晶内破裂；）晶内破裂；（6 6）颗粒边界破裂。）颗粒边界破裂。2-5 影响岩石力学性质原因影响岩石力学性质原因第第9797页页 五、五、加载速度对岩石力学性能影响加载速度对岩石力学性能影响 岩石岩石加载变形岩石岩石加载变形-空隙压缩、警觉错动空隙压缩、警觉错动-迟缓流动迟缓流动 加载速度对岩石变形性质和强度指标有显著影响：加载速度对岩石变形性质和强度指标有显著影响：加载速度越加载速度越快快，测得，测得弹性模量越大弹性模量越大，强度指标越高强度指标越高。国际岩石力学学会（国际岩石力学学会（ISRM)ISRM)提议：提议：加载速度为加载速度为0.50.51MP1MPa/sa/s；从开始试验直至岩石试件破坏时间为从开始试验直至岩石试件破坏时间为5 51010分钟。分钟。2-5 影响岩石力学性质原因影响岩石力学性质原因第第9898页页 六、六、受力状态对岩石力学性能影响受力状态对岩石力学性能影响 岩岩石石脆脆性性和和塑塑性性并并非非完完全全岩岩石固有性质；石固有性质；而而与与岩岩石石受受力力状状态态相相关关，伴伴随受力状态改变；随受力状态改变；其其脆脆性性和和塑塑性性时时能能够够相相互互转转化。化。比比如如坚坚硬硬花花岗岗岩岩在在很很高高地地应应力力条条件件下下，表表现现出出显显著著塑塑性性变变形形。这与试验结果吻合。这与试验结果吻合。2-5 影响岩石力学性质原因影响岩石力学性质原因第第9999页页 七、七、风化对岩石力学性能影响风化对岩石力学性能影响 风化概念风化概念 风化程度不一样，对岩石力学性质影响程度也不一样：风化程度不一样，对岩石力学性质影响程度也不一样：1 1、降低岩体结构面粗糙程度并产生新裂隙、降低岩体结构面粗糙程度并产生新裂隙 -使岩体分裂成更小碎块，深入破坏岩体完整性。使岩体分裂成更小碎块，深入破坏岩体完整性。2 2、岩石在化学风化过程中矿物成份发生改变、岩石在化学风化过程中矿物成份发生改变 -原原生生矿矿物物受受水水解解、水水化化、氧氧化化等等作作用用，逐逐步步为为次次生生矿矿物物所代替，尤其是产生粘土矿物。所代替，尤其是产生粘土矿物。3 3、因为岩石和岩体成份结构和结构改变，岩体物理力学性质、因为岩石和岩体成份结构和结构改变，岩体物理力学性质也随之改变。也随之改变。普通：普通：抗水性降低，亲水性增高抗水性降低，亲水性增高（如膨胀性、崩解性、软化（如膨胀性、崩解性、软化性增强），性增强），强度降低，压缩性加大，孔隙性增加，透水性增强强度降低，压缩性加大，孔隙性