岩体力学岩石的变形特性
普通试验机得到峰值应力前的变形特性,多数
岩石在峰值后工作。 注:C点不是破坏的 开始(开始点B), 也不是破坏的终。 说明:崩溃原因, Salamon1970年提 出了刚性试验机下 的曲线。
刚性机
(1)刚性试验机工作简介
压力机加压(贮存弹性应能) 岩石试件达峰点强度(释放 应变能)导致试件崩溃。 AA′O2O1面积——峰点后, 岩块产生微小位移所需的能。 ACO2O1面积——峰点后, 刚体机释放的能(贮存的能) ABO2O1——峰点后, 普通机释放的能(贮存的能)。
(2)应力、应变全过程曲线形态 在刚性机下,峰值前后的全部应力、应变曲线 分四个阶段:1-3阶段同普通试验机。 4阶段应变软化阶段
特点:
①岩石的原生和新生裂隙贯穿,到达D点,靠碎块间的摩擦 力承载,故 D —称为残余应力。 ②承载力随着应变增加而减少,有明显的软化现象。
(3)全应力——应变曲线的补充性质
线性弹性体。
本构方程:k
应力应变曲线(见右图):
模型符号:H
o
虎克体的性能:a.瞬变性 b.无弹应性力-后应变 效曲线
c.无应力松弛 d.无蠕变流动
5.1 描述流变性质的三个基本元件
(2)塑性元件
材料性质:物体受应力达到屈服极限0时便开始产生 塑性变形,即使应力不再增加,变形仍不 断增长,其变形符合库仑摩擦定律,称其 为库仑(Coulomb)体。是理想的塑性体。
b.弹性常数与强度的确定
弹性模量国际岩石力学学会(ISRH)建议三种方法
初始模量 割线模量
E0
d d
0
c
E50 / 50
切线模量 d / d 50
极限强度 c
2、反复循环加载曲线
特点: ①卸载应力越大,塑性 滞理越大(原因:由裂 隙的扩大,能量的消 耗); ②卸载线,相互平行 ③反复加、卸载、曲线、 总趋势保持不变(有 “记忆功能”)。
服,B点对应的 B 应力为屈服极限 。
(3)塑性变形阶段(BC) 特点: ① 1 1 曲线 ,软化现象; ② 塑性变形,变形不可恢复; ③ 应变速率 1 不断增大。 原因: 新裂纹产生,原生裂隙扩展。
岩石越硬,BC段越 短,脆性性质越显著。
脆性:应力超出屈 服应力后,并不表现 出明显的塑性变形的 特性,而破坏,即为 脆性破坏。
典型 蠕 变 曲 线
(二)岩石蠕变的影响因素
(1)岩石的力学性质 (强度,矿物组成)
应力水平 t
—第二阶段越长;
小到一定程度,
第三蠕变不会出现;
很高,第二阶段短,
立即进入三阶段
(2)温度对蠕变的影响
① t 总的应变量越大。
②第二阶段的斜率,温度高,斜率越大。
(3)湿度
饱和试件第二阶段 和总应变量都将
大于干燥状态下的试件结果。
(三)蠕变特性和常规变形特性的联系
五、岩石介质的力学模型
岩石性质变化范围大,用多种模型来 表述。
主要性质:弹性、塑性、粘性。
5.1 描述流变性质的三个基本元件
(1)弹性元件
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
(Hooke)定律。称其为虎克体,是理想的
a.分三全阶段 (1)原生微裂隙压密阶段(OA级)
特点: ① 1 1 曲线 ,应变率随应力增 加而减小; ②塑性变形(变形不可恢复) 原因:微裂隙闭合(压密)
(2)弹性变形阶段(AB段) 特点: ① 1 1 曲线是直线; ② 弹性模量,E为常数(变形可恢复) 原因:岩石固体部分变形,B点开始屈
3、岩石应力-应变曲线形态的类型
(1)直线型:弹性、脆性 石英英、玄武岩、坚硬砂岩。
(2)下凹型:弹—塑性 石灰岩、粉砂岩;软化效应。
(3)上凹型:塑—弹性 硬化效应,原生裂隙压密,实体部分坚硬的岩石。 例如:片麻岩。
(4)S型:塑—弹—塑型 多孔隙,实体部分较软的岩石:沉积岩(页岩)
(二)刚性试验机下的单向压缩的变形特性
(三) 2 为常数时,岩石的变形特性
(1) 3 B 不变;(2) 3 E不变;
(3)永保塑性变形的特性, 大。
3
塑性变形增
(四)岩石的体积应变特性
V
V V
1 2 3
扩容现象:
岩石在压力下, 发生非线性体积膨胀。
三、岩石的流变特性
弹性(可恢复)
岩 与时间无关的变形
石
变 形
与时间有关的—流变
伺服试验机原理示意图 1.岩石试件;2.垫块;3.上压板;4.下压板; 5.位移传感器。
二、岩石在三向压应力下的变形特性 (一) 2 3 时变形规律见图
2 3 越大,
B ,E越大
(二)当 3 为常数时,岩石的变形特性
(1) 响
2
B
;(2)E基本不受 2 变化影
(3) 2 脆性增强。
塑性(不恢复)
蠕变 岩石的时间效应
松弛
蠕变:应力恒定,岩石应变随时间增大,所产生的变形称为 蠕变(又称为流变)。
松驰:应变恒定,岩石中的应力随时间减少,这种现象称 “松 驰”。
(一)典型的蠕变曲线(分三阶段)
1、初始蠕变阶段(瞬变蠕变阶段)AB。
特点:① 有瞬时应变 0(OA);② t ,应
变率随时间增长而减小;③卸载后,有瞬时恢复变 形,后弹性后效,弹性后效,变形经过一段时间后, 逐渐恢复的现象。 2、稳定蠕变阶段(BC)(较长)
特点:①应变率 为常量;②卸载:有瞬弹性恢复,
弹后,不可恢复的永久变形。 3、非稳定蠕变阶段(蠕变破坏阶段)
特点:① 剧烈增加;② 曲线;③一般此阶段
比较短暂。
=0.15-0.35, 当 >0.5时,就是扩容.
体积应变 :
e 1 2 3 1 (1 2) 0 1/ 2
(3)克服岩石试件单向压缩时生产爆裂的途径
• 提高试验机的刚度 • 改变峰值后的加载方式 • 伺服控制试件的位移
普通试验机附加刚性组件的试 验装置(提高试验的刚度)
1岩石试件;2、6电阻应变片; 3金属圆筒;4位移计;5钢垫块
①近似对称性 ②B点后卸载有残余应变,重复加载沿另一曲线上 升形成滞环(hysteresis) ,加载曲线不过原卸载 点,但邻近和原曲线光滑衔接。
③ C点后有残余应变,重复加载滞环变大,反复加 卸载随着变形的增加,塑性滞环的斜率降低,总 的趋势不变。
④C点后,可能会出现压应力下的体积增大现象,
称此为扩容(dilatancy)现象。一般岩的