大学岩石力学讲义1.docx
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1、第一章 岩石的力学性质岩石和岩体的力学性质,是矿山岩体力学的基本问题。岩石的力学性质主要指:在各种载荷作用下,它们的变形特征,出现塑性流动和发生破坏的条件。表征岩石力学性质的参数如下:变形参数:岩石的变形摸量,弹性摸量,切变摸量,泊松比和流变性等。强度特性参数:岩石抗拉,抗弯,抗煎,抗压等各种强度极限。第一节、岩石的成分及结构与其力学性质的关系岩石是多种矿物颗粒的集合体。岩石一般有下列十余中主要矿物组成,即长石(正长石、斜长石)、石英、云母(黑云母、白云母)、角闪石、辉石、橄榄石、方解石、白云石、高岭土、赤铁矿等。它们在矿石中的含量按岩石成因而异。岩层按成因分类为:岩浆岩 系由岩浆在地壳内不同
2、深度冷凝而成;沉积岩 是由已有岩体经风化、崩溃、搬迁、再胶结或化学作用而形成;变质岩 则由已有岩石在高温高压条件下经过改变而形成的。基本概念(1)、岩石的结构:岩石的矿物颗粒的大小、形状、表面特征、颗粒相互关系、胶结类型等特征。(2)、岩石的构造:岩石的组成部分在定向的排列情况。如层面、断层(几何特征)。晶体结构是岩浆岩和变质岩的最大特征,也是很多沉积岩的特征。(3)、矿物的晶体:构成矿物的各种化学元素的原子(离子)在空间一定规律排列,使其具有规则的几何形状的固体称为晶体。(4)、矿物的晶体的结构类型:等粒结构,不等粒结构,斑状结构。图1-1是典型晶体结构类型岩浆岩和变质岩的晶体结构与岩石力学
3、性质的关系:晶粒细小,等粒状,岩石强度大。颗粒大的斑状结构晶体内部或晶粒间含有缺陷,岩石强度低。沉积岩的结构与力学性质的关系沉积岩中的岩石碎屑之间由胶结物将连结在一起。其力学性质取决于胶结物和胶结类型。图1-2基质胶结:岩石碎屑被胶结物包围,强度取决于胶结物。接触胶结:仅颗粒接触处有胶结物,胶结不牢,强度低,透水性强。孔隙胶结:胶结物完全成部分地充填与颗粒孔隙之间。胶结牢固,所以岩石强度和透水性主要由胶结物性质及充填程度确定。胶层物分类:硅质和铁质强度高,钙质次之,泥质最低。沉积强度主要取决于胶结物性质及充填程度。除构成岩石的矿物颗粒大小,结合方式对其力学性质有影响外,矿物的排列方式(构造)及
4、沉积顺序亦表现出影响。如云母片岩、片麻岩、页岩等,则表现出力学性质的各向异性。第二节 影响岩石力学性质的物理特性一、容重和比重1、容重式中容重;W岩石试件重量;V岩石试件体积岩石容重与岩性和成因有关。从岩石力学的角度,岩石的容重和比重影响到岩石的自重应力场和惯性质量岩石容重的测试方法。2、比重岩石比重是扣除孔隙的岩石干重和其实体积之比,再与4水的容重之比。式中岩石比重;Wd岩石试件在烘箱中烘至105保持恒温、恒重时,岩石固体重量;V扣除孔隙的岩石试件固体部分的体积;4时水的容重。二、岩石的孔隙度岩石的孔隙度是岩石试件中孔隙体积与包括孔隙的岩石体积之比,直接测量孔隙体积是困难的,一般通过测量岩石
5、重量,再通过一些换算公式测量岩石的孔隙式中Ws为水饱和的岩石试件重量(如某种岩石与水有化学反应时,应改用与岩石无化学反应的液体);Wd干燥岩石试件的重量;V岩石试件体积;液体的密度。几种岩石的容重、比重、孔隙度见下表三、岩石的水理性质实践表明,水能瞬时地或逐渐地改变岩石的力学性质和性态。岩石在水溶液作用下所表现出的力学的、物理的、化学的性质称为岩石的水理性质。(1)、岩石的渗透性水通过岩石流动的难易程度,在一维条件下,有式中v 渗流速度,也称比流量;p 孔隙水压力;K 渗透系数。岩石的渗透性通常用渗透系数K衡量,K越大,渗透性越好。(2)、软化性岩石被水湿润后,强度降低,柔度增加(弹性模量降低
6、)的特性。(3)、溶蚀性由于水的化学作用,岩石中的某些成分被水流带走的现象。溶蚀造成岩石致密程度降低,孔隙度增大,渗透性改善,强度降低。(4)、膨胀性岩石受水浸湿后,体积膨胀的现象。岩石膨胀造成强度降低、柔度增加并导致应力的不均匀。第三节 岩石的变形特征岩石在载荷作用下首先发生的现象是变形。岩石的变形性对采矿工程和岩石工程有重要影响。岩石的单向、二向、三向变形特征不同,但研究最充分的是岩石的单向变形,岩石的变形(用应变表示)与载荷(用应力表示)有关,但有时还与时间有关。当岩石的变形不仅取决于应力还取决于时间时,需要考虑岩石的流变特性。脆性、塑性、坚硬等说法是通常用来描述岩石变形性能(有时也包括
7、强度)的直观说法,形象但不十分严格。脆性材料 破坏具有突变性的材料。延性材料 破坏比较平缓的材料。脆性 破坏前永久变形的大小,可用脆性度度量(库克)。延性 塑性,永久变形。一、岩石在单向受压状态下的变形下面图是单向受压情况下岩石的应力应变应变的全过程曲线。图1-3是全图,图1-4是屈服以前的局部放大图。图1-3图1-4从图中可以看出在单向受载下岩石的变形可划分为四个阶段:1、微裂隙压密段(OA段),岩石内部原有裂隙的闭合超过新产生的裂隙,曲线上凹;2、弹性变形阶段(AB段),岩石内部原有裂隙的压密与新产生的裂隙大致相等,岩石被继续压缩,应力应变曲线的斜率不变,应力应变关系呈现为线性;3、岩石总
8、体上进入裂隙发展和扩展的阶段(BC)段,在该阶段岩石中新产生的裂隙超过了被压密的裂纹,曲线向下凹,开始进入塑性阶段,并发生体积膨胀。同时有声发射加剧的现象;4、裂隙加速产生并不稳定扩展,直至岩石试件完全丧失承载能力(CD)段。破坏过程。在这个阶段随着应变的增加,岩石强度减小,岩石的这种特性称为岩石的应变弱化,应变弱化岩石区别于金属的显著的力学性质之一对于均匀各向同性介质,按线弹塑性理论,在弹性阶段的体积变形为按照这个关系可以描述岩石单向压应力与体积变形的关系。一般认为,当体积变形偏离弹性压缩并增大,就认为产生了压应力作用下的体积膨胀,压应力下的体积膨胀是岩石区别于金属的另一显著的力学性质。压应
9、力作用岩石的应力应变全过程曲线反映了岩石在压应力作用下其内部裂隙的发展过程、渐近破坏,应变弱化的是岩石区别于金属的最主要的力学特性。二、试验机特性与岩石的应力应变全过程曲线首先介绍刚度的定义。设物体所受的载荷为Q,在Q的作用下,总的变形为U,如果物体是弹性的,则Q与U之间的关系为Q=KU (1-1)式中K就是该物体的刚度。从上式可以看出,刚度K是物体产生单位位移(总体变形)所需要的力(载荷)。这里弹性表现为K是与U无关的是一个常数。对于弹性介质,应力应变的线性关系等价于载荷Q和位移(总体变形)的线性关系。这是因为,如果A是弹性试件的面积,L 是试件的长度,Q是试件所受的载荷,是试件在载荷Q的作
10、用下的总变形,则是试件应力,是试件应变,弹性变形要求 (1-2)从上式可得出 (1-3)由于E是常数,因此K也是常数,因此线弹性的应力应变关系导致线性的载荷位移关系,但必须指出的是,刚度包含了几何因素,因此不是材料内秉的力学性质,而是一种结构特性。岩石试验机在其工作范围内总体的力学特性是弹性的,否则试验机不能正常工作。这样试验机和岩石组成的力学系统可以简化成下图的力学模型,若P是试验机所受力,Q是岩石试样所受的力,由于试验机与试样组成了串联系统,因此在平衡状态下P=R (1-4)由于试验机在弹性范围内工作,因此 (1-5)式中Um试验机的变形,Km试验机的刚度。UR岩石的变形,Km试验机的刚度
11、从图13可以看到,岩样的应力应变关系是非线性的,岩石的刚度KR是变形UR的函数,因此UUR图15 试验机岩样系统的力学模型试验机岩样 (1-6)式中UR岩石的变形。若系统的总位移是U。在岩样破坏前的加载过程中,外部对系统的功为 (1-7)储存在试验机中的弹性变形能为 (1-8)储存在岩样中的变形能和由于岩样内裂隙生成、扩展所消耗的功之和为 (1-9)上式可以写为 (1-10)式中是岩样从变形为零到变形为UR过程中的平均刚度。上式的正确性可由定积分的第一中值定理得到(见有关数学分析的教程)。由于P=R,如果试验机的刚度KM小于岩样的平均刚度,即KM WR。此时,岩样一旦发生破坏,则储存在试验机中
12、的弹性能突然释放,对岩样产生冲击作用,破坏以突变的形式发生,试验终止,无法得到岩样的全程曲线。当岩样进入过过峰值强度后的变形区,使岩样继续压缩所需要的载荷减小,系统受力P=Q减小,如果此时KM ,则从图1-7可见,即使外界不对系统作功,岩样的变形也可继续发生。从图1-7还可见到,岩样从URC变到URP过程中,载荷降低了,这引起试验机变形恢复,并释放能量。从图1-7可以看出,若KMQRP。在这种情况下,一旦岩样的变形进入了过峰值强度后的URP时,储存在试验机中弹性变形能突然释放,对岩样产生冲击作用,导致岩石的突然破坏。无法得到岩样的应力应变全过程曲线。图16 普通柔性试验机上岩样的突然破坏图16
13、 试验机与岩样的相互作用反之,如果试验机的刚度KM更大,当岩样进入过峰值强度后的变形区,岩样继续变形,的过程中,试验机释放的弹性能小于岩样继续压缩的变形能。试验机的载荷PCP也小于岩样的载荷QCP,因此,必须外界继续对试验系统作功,岩样才能继续压缩(见图1-8)。KM很大的试验机叫刚性试验机。图18 刚性试验机与岩样的相互作用最早的岩石应力应变全过程曲线是在刚性试验机上得到的,现在有了更先进的伺服试验机能使试验机施于岩石的载荷与岩样强度的衰减同步降低。三、岩石应力应变曲线的类型类型:线性应力应变关系。坚硬岩石,细粒岩浆岩、细粒变质岩、玄武岩、石英岩、辉绿岩、白云岩和坚硬石灰岩,脆性破坏。类型:
14、弹塑性。开始弹性,以后塑性。代表性岩为石灰岩、粉砂岩、凝灰岩。类型:塑弹性开始上凹,后转为直线。破坏以前没有明显屈服。具有这类塑弹性变形特征的是岩石中有孔隙和细裂隙的坚硬岩石,如砂岩、花岗岩、某些辉绿岩等。类型:塑性弹性(细S型)。线性段斜率较大。这类变形的岩石有坚硬致密的变质岩,如大理岩、片麻岩。类型:亦为细S型,但线性段斜率较小。如在垂直片理方向受压的片岩,有很高的压缩性和很大的塑性变形。类型:岩盐及其他蒸发岩的变形特征曲线。开始是很短的直线,随后出现不断增大的非弹性变形和连续蠕变。9三轴试验下的应力应变曲线(围压的影响)1、围压对围岩的影响因围岩不同而异,硬岩受围压影响小,较软的砂岩受围
15、岩影响大。2、围压加大时破坏时的峰值载荷增大(强度增加),塑性变形增大。 这些从下图可以看出。10加载速度对岩石变形的影响随着加载速率增加,曲线斜率增大,即变形模量增大。11四、变形指标及其测定反映岩石变形特性的指标有弹性模量(变形模量)和泊松比(侧向变形系数)。弹性模量E(变形模量)的定义为,由于单向受压情况下岩石的应力应变关系是非线性的,因此变形模量不是常数,常用的变形模量有以下几种1、初始模量,用应力应变曲线坐标原点的切线斜率表示,即2、割线模量,由应力应变曲线的起始点与曲线上另一点作割线,割线的斜率就是割线模量,一般选强度为50%的应力点3、切线模量,用应力应变曲线直线段的斜率表示随岩
16、性不同,这三种模量可以相差很大。一般有,有时可以用反映岩石孔隙发育的程度。在工程应用上应用哪一种模量到目前还没有统一的规定。4、泊松比,单向载荷作用下,横向变形与纵向变形之比式中为平行加载方向的纵向应变,为垂直于加载方向的横向应变。第四节 岩石的流变性岩石的流变是其本构方程(应力应变关系)随时间而变化的性质。更准确地说是岩石的应力率与应变率之间的物理关系。最常见的岩石流变是在外力不变的情况下岩石的变形随时间流逝而增长,即蠕变。岩石的蠕变不一定要在外载荷很大时才发生,也不一定要在高温下才发生。即使在常温条件下,尽管作用在岩石上的载荷很小,只要它的作用肘间相当长。也会发生永久变形。在地壳中所看到的
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