新版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

第二章第二章 岩石基本物理力学性质岩石基本物理力学性质 岩石基本物理力学性质是岩体最基本、最主要岩石基本物理力学性质是岩体最基本、最主要性质之一，也是岩石力学学科中研究最早、最完性质之一，也是岩石力学学科中研究最早、最完善内容之一善内容之一。基本要求：基本要求：l l掌握岩石基本物理性质，了解岩石变形性质掌握岩石基本物理性质，了解岩石变形性质掌握岩石基本物理性质，了解岩石变形性质掌握岩石基本物理性质，了解岩石变形性质l l掌握岩石强度性质；掌握岩石强度性质；掌握岩石强度性质；掌握岩石强度性质；l l了解岩石流变特征及分类，了解岩石介质模型了解岩石流变特征及分类，了解岩石介质模型了解岩石流变特征及分类，了解岩石介质模型了解岩石流变特征及分类，了解岩石介质模型 l l了解岩石破坏机理，了解格里菲斯理论了解岩石破坏机理，了解格里菲斯理论了解岩石破坏机理，了解格里菲斯理论了解岩石破坏机理，了解格里菲斯理论l l掌握莫尔强度理论，掌握库仑掌握莫尔强度理论，掌握库仑掌握莫尔强度理论，掌握库仑掌握莫尔强度理论，掌握库仑莫尔强度理论莫尔强度理论莫尔强度理论莫尔强度理论第1页第一章第一章 岩石基本物理力学性质岩石基本物理力学性质主讲内容：主讲内容：第一节第一节 岩石物理性质岩石物理性质第二节第二节 岩石强度性质岩石强度性质第三节第三节 岩石变形特征岩石变形特征第四节第四节 岩石流变特征岩石流变特征第五节第五节 岩石强度理论岩石强度理论第2页一、岩石容重一、岩石容重二、岩石比重二、岩石比重 三、岩石孔隙性三、岩石孔隙性四、岩石水理性质四、岩石水理性质第一节第一节 岩石基本物理性质岩石基本物理性质含水性含水性含水性含水性吸水性吸水性吸水性吸水性透水性透水性透水性透水性软化性软化性软化性软化性抗冻性抗冻性抗冻性抗冻性膨胀性膨胀性膨胀性膨胀性崩解性崩解性崩解性崩解性第3页一、岩石容重：岩石单位体积（包含岩石内孔隙体积）重量称为岩岩石单位体积（包含岩石内孔隙体积）重量称为岩石容重，容重表示式为：石容重，容重表示式为：岩石容重取决于组成岩石矿物成份、孔隙发育程度及其含水量。岩石容重大小，在一定程度上反应出岩石力学性质优劣。依据岩石含水情况，将容重分为天然容重、干容重、和饱和容重。测定方法：量积法（直接法）、水中法、蜡封法第一节第一节 岩石基本物理性质岩石基本物理性质第4页岩石比重：岩石固体重量岩石比重：岩石固体重量（WsWs）与同体积水在与同体积水在44时重时重量比量比Vs固体体积；水比重 二、岩石比重 第5页三、岩石孔隙性：反应裂隙发育程度指标 岩石中空隙有开型空隙和闭型空隙之分；岩石中空隙有开型空隙和闭型空隙之分；开型空隙按其开启程度又有大、小开型空隙之开型空隙按其开启程度又有大、小开型空隙之分。分。总空隙率（总空隙率（n n）总开空隙率（总开空隙率（n n0 0）大开空隙率（大开空隙率（n nb b）小开空隙率（小开空隙率（n ns s）闭空隙率闭空隙率(n(nc c)普通提到岩石空隙率系指总空隙率普通提到岩石空隙率系指总空隙率 第6页第二节第二节 岩石强度特征岩石强度特征强度单向抗压强度单向抗拉强度剪切强度三轴压缩真三轴假三轴PPPP第7页一、岩石单轴抗压强度1.定义定义：岩石在单轴压缩荷载作用下到达破坏前岩石在单轴压缩荷载作用下到达破坏前所能承受最大压应力称为岩石单轴抗压强度所能承受最大压应力称为岩石单轴抗压强度 式中：P无侧限条件下轴向破坏荷载 A试件截面积c=P/APPA A第8页二、岩石抗拉强度1.1.定义：岩石在单轴拉伸荷载作用下到达破 坏时所能承受最大拉应力称为岩石 单轴抗拉强度(Tensile strength)。试件在拉伸荷载作用下破 坏通常是沿其横截面断裂破坏。直接试验直接试验间接试验间接试验试验方法试验方法试验方法试验方法第9页三 岩石抗剪强度1.1.1.1.定义定义定义定义 岩石在剪切荷载作用下到达破坏前所能承受岩石在剪切荷载作用下到达破坏前所能承受最大剪应力称为岩石抗剪切强度（最大剪应力称为岩石抗剪切强度（Shear Shear strengthstrength）。所能抵抗最大剪应力惯用）。所能抵抗最大剪应力惯用 表示表示 剪切强度试验分为非限制性剪切强度试验（Unconfined shear strength test）和限制性剪切强度试验（Confined shear strength test）二类。非限制性剪切试验在剪切面上只有剪应力存在，没有正应力存在；限制性剪切试验在剪切面上除了存在剪应力外，还存在正应力。第10页四四.三轴抗压强度三轴抗压强度 l l1)1)定义定义：岩石在三向压缩荷 载作用下，到达破坏时所能 承受最大压应力称为岩石三轴抗压强度(Triaxial compressive strength)。l l与单轴压缩试验相比，试件除受轴向压力外，还受侧向压力。侧向压力限制试件横向变形，因而三轴试验是限制性抗压强度(confined compressive strength)试验。第11页第三节第三节 岩石变形性质岩石变形性质 岩石变形有岩石变形有岩石变形有岩石变形有弹性变形弹性变形、塑性变形塑性变形和和粘性变形粘性变形三种三种三种三种.弹性：弹性：物体在受外力作用物体在受外力作用瞬间瞬间即产生全部变形，而去除即产生全部变形，而去除 外力后又能外力后又能 马上恢复马上恢复其原有形状和尺寸性质。其原有形状和尺寸性质。塑性：塑性：物体受力后变形，在外力去除后变形物体受力后变形，在外力去除后变形不能完全恢复不能完全恢复.粘性：粘性：物体受力后变形物体受力后变形不能在瞬时完成不能在瞬时完成，且应变速率随应力，且应变速率随应力 增加而增加性质增加而增加性质弹性塑性粘性第12页岩石变形指标及其确定岩石变形指标及其确定1.弹性模量E 定义为 ，因为单向受压情况下岩石应力应变关系是非线性，所以变形模量不是常数，惯用变形模量有以下几个：1）初始模量，用应力应变曲线坐标 原点切线斜率表示3）割线模量，由应力应变曲线起始点与曲线上另一点作割线，割线斜率就是割线模量，普通选强度为50%应力点 2）切线模量，用应力应变曲线任一点切线斜率表示：第13页第四节第四节 岩石流变理论流变现象：材料应力材料应力-应变关系与时间原因相关性质，应变关系与时间原因相关性质，称为流变性。材料变形过程中含有时间效应现称为流变性。材料变形过程中含有时间效应现象，称为流变现象。象，称为流变现象。蠕变流变种类：松弛 弹性后效 弹性元件弹性元件(H)(H)流变学中基本元件:塑性元件塑性元件(Y)(Y)粘性元件粘性元件(N)(N)第14页流变概念流变现象：材料应力-应变关系与时间原因相关性质，称为流变性。材料变形过程中含有时间效应现象，称为流变现象。流变种类：蠕变 松弛 弹性后效应力不变，应变随时间增加而增加第15页流变概念流变现象：材料应力-应变关系与时间原因相关性质，称为流变性。材料变形过程中含有时间效应现象，称为流变现象。流变种类：蠕变 松弛 弹性后效应变不变，应力随时间增加而减小第16页流变概念流变现象：材料应力-应变关系与时间原因相关性质，称为流变性。材料变形过程中含有时间效应现象，称为流变现象。流变种类：蠕变 松弛 弹性后效加载或卸载时，弹性应变滞后于应力现象第17页（1）弹性元件（N）(b)(a)弹性元件模型简图与应力应变关系 从上图能够看出弹性元件力学特点为：应力仅仅依赖于应变，与时间无关，弹性变形瞬间完成，只要受力不变，变形就不变。简而言之，弹性元件有受力瞬间变形，应力应变一一对应特点。流变学中基本元件流变学中基本元件本构方程：本构方程：注：将描述应力-应变或与时间（t）关系式叫本构方程。第18页描述流变性质三个基本元件(1)弹性元件弹性元件 力学模型：力学模型：材料性质：物体在荷载作用下，其变形完全符合虎克材料性质：物体在荷载作用下，其变形完全符合虎克 (Hooke)定律。称其为虎克体，是理想定律。称其为虎克体，是理想 线性弹性体。线性弹性体。本构方程：本构方程：s=s=ke eo应力应变曲线（见右图）：应力应变曲线（见右图）：o模型符号：模型符号：H Ho虎克体性能：虎克体性能：a.瞬变性瞬变性 b.无弹性后效无弹性后效o c.无应力松弛无应力松弛 d.无蠕变流动无蠕变流动第19页描述流变性质三个基本元件(2)塑性元件塑性元件 材料性质：物体受应力到达屈服极限材料性质：物体受应力到达屈服极限s s0 0时便开始产生时便开始产生 塑性变形，即使应力不再增加，变形仍不塑性变形，即使应力不再增加，变形仍不 断增加，其变形符合库仑摩擦定律，称其断增加，其变形符合库仑摩擦定律，称其 为库仑为库仑(Coulomb)(Coulomb)体。是理想塑性体。体。是理想塑性体。力学模型：力学模型：本构方程：本构方程：=0，（当（当 ssss0 0时）时），（当（当s s s s0 0时）时）第20页描述流变性质三个基本元件(2)塑性元件塑性元件 应力应变曲线应力应变曲线 模型符号：模型符号：Y 库仑体性能：库仑体性能：当当ssss0 0时，时，=0，低应力时无变形低应力时无变形 当当s s s s0 0时，时，到达塑性极限时到达塑性极限时 有蠕变有蠕变第21页描述流变性质三个基本元件(3)粘性元件粘性元件 材料性质：物体在外力作用下，应力与应变速率成材料性质：物体在外力作用下，应力与应变速率成 正比，符合牛顿正比，符合牛顿(Newton)流动定律。称流动定律。称 其为牛顿流体，是理想粘性体。其为牛顿流体，是理想粘性体。力学模型：力学模型：本构方程：本构方程：应力应变速率曲线（见右图）应力应变速率曲线（见右图）模型符号：模型符号：N第22页描述流变性质三个基本元件(3)粘性元件 牛顿体性能：a.有蠕变 即有蠕变现象即有蠕变现象应变应变-时间曲线时间曲线应力与应变无关，应力应力与应变无关，应力与应变速率一一对应，与应变速率一一对应，受力瞬间不变形，随时受力瞬间不变形，随时间流逝变形趋于无限特间流逝变形趋于无限特点点第23页(3)粘性元件粘性元件 牛顿体性能：牛顿体性能：b.无瞬变无瞬变 c.无松弛无松弛 d.无弹性后效无弹性后效 描述流变性质三个基本元件应变应变-时间曲线时间曲线第24页组合模型及其性质(1)串联和并联性质 第25页组合模型及其性质（2）马克斯威尔(Maxwell)体 本构方程：本构方程：由串由串联联性性质质：=1 1=2 2 模型符号：M=H-N第26页（3）开尔文（kelvin）体模型符号：K=H|N四、组合模型及其性质第27页第五节第五节 岩石强度理论岩石强度理论l1 强度理论概述强度理论概述l2 CoulombCoulomb强度准则强度准则l3 MohrMohr强度理论强度理论l4 GriffithGriffith强度理论强度理论第28页岩石岩石强度理论强度理论一、库伦准则：由库仑由库仑（CACoulombCACoulomb）17731773年提出，最简单、年提出，最简单、最主要准则，最主要准则，应用简便应用简便u认为：岩石破坏主要是剪切破坏，岩石强度岩石破坏主要是剪切破坏，岩石强度等于岩石本身抗剪切摩擦等于岩石本身抗剪切摩擦粘结力和剪切面上法向和剪切面上法向力产生力产生摩擦力。l试验基础：岩土材料压剪或三轴试验和纯剪。岩土材料压剪或三轴试验和纯剪。l破坏机理：（基本思想）材料属压剪破坏，剪切（基本思想）材料属压剪破坏，剪切破坏力一部分用来克服与正应力无关破坏力一部分用来克服与正应力无关粘结力，使，使材料颗粒间脱离联络；另一部分剪切破坏力用来材料颗粒间脱离联络；另一部分剪切破坏力用来克服与正应力成正比克服与正应力成正比摩摩力，使面内错动而最终，使面内错动而最终破坏。破坏。第29页一、库伦准则：l数学表示式：内摩擦系数内摩擦系数 l库仑准则应用:处理在压力（应力）作用下破坏判推，处理在压力（应力）作用下破坏判推，不适应于拉破坏。不适应于拉破坏。l破坏判断2个方面：一个是判断材料在何种应力环一个是判断材料在何种应力环境下破坏，二是判断破坏面方位角。当然，这种判断境下破坏，二是判断破坏面方位角。当然，这种判断是在材料特征常数是在材料特征常数 f,c f,c 为已知条件下去判断。为已知条件下去判断。表示在破坏面上正应力与剪应力组合关系满足上式表示在破坏面上正应力与剪应力组合关系满足上式.参数意义第30页库仑准则主要公式：注意：使使用用上上述述公公式式求求解解库库仑仑准准则则判判断断岩岩石石破破坏坏问问题题时时，能能够够有有(a)-(a)-(e)(e)公公式式变变异异以以供供处处理理问问题题使使用，一定要注意公式中已知与未知参数意义。用，一定要注意公式中已知与未知参数意义。第31页岩石强度理论岩石强度理论由正应力和剪应力组合由正应力和剪应力组合作用使岩石产生破坏作用使岩石产生破坏（受拉破坏、拉剪破（受拉破坏、拉剪破 坏，压剪破坏）坏，压剪破坏）二、莫尔强度理论（Mohr 19提出，莫尔强度准则）（一）基本思想（一）基本思想以（脆性材料、铸铁）试验数据统计分析为基础；不考虑中间主应力对岩石强度影响；第32页三三.格里菲斯强度理论格里菲斯强度理论 （1920、1921）1 1 1 1）基本假设（观点）：）基本假设（观点）：）基本假设（观点）：）基本假设（观点）：物体内随机分布许多物体内随机分布许多裂隙裂隙；全部裂隙都全部裂隙都张开、贯通、独立张开、贯通、独立；裂隙断面呈裂隙断面呈扁平椭圆扁平椭圆状态；状态；在任何应力状态下，在任何应力状态下，裂隙尖端产生拉应力裂隙尖端产生拉应力集集 中，造成裂隙沿某个有利方向深入扩展。中，造成裂隙沿某个有利方向深入扩展。最终在本质上都是最终在本质上都是拉应力引发拉应力引发岩石破坏。岩石破坏。211111111112第33页