岩石（体）力学特性专题第一节刚性压力机的作用原理及在试验中岩石变形破裂机理一、岩石在普通试验机中进行单向压缩试验时的变形特性岩石的变形特性通常可从试验时所记录下来的应力-应变曲线中获得。

岩石的应力-应变曲线反映了各种不同应力水平下所对应的应变(变形)规律。

以下介绍具有代表性的典型的应力-应变曲线。

1.典型的岩石应力-应变曲线分析图1例示了典型的应力-应变曲线。

根据应力-应变曲线的形态变化c可将其分成OA，AB，BC三个阶段。

三个阶段各自显示了不同的变形特性。

(1)0A阶段，通常被称为压密阶段。

其特征是应力-应变曲线呈上凹型，即应变随应力的增加而减少，形成这一特性的主要原因是:存在于岩石内的微裂隙在外力作用下发生闭合所致。

(2)AB阶段，也就是弹性阶段c从图1可知，这一阶段的应力-应变曲线基本呈直线。

若在这一阶段卸荷的话其应变可以恢复，由此而称为弹性阶段。

这一阶段常用两个弹性常数来描述其变形特性。

即弹性模量E和泊松比μ。

所谓弹性模量，是指应力-应变曲线中呈直线阶段的应力与应变之比值(或者是该曲线在直线段的斜率)被称作平均模量。

就模量的概念而言，岩石的模量还有初始模量、切线模量、割线模量等。

在岩石力学中比较常用的是平均弹性模量和割线模量。

割线模量是指岩石峰值应力一半的应力、应变之比值。

其实质代表了岩石的变形模量。

所谓泊松比μ，是指在弹性阶段中，岩石的横向应变与纵向应变之比值。

这是描述岩石侧向变形特性的一个参数。

最近几年来，经过大量的试验发现，在AB阶段，由于受荷后不断地出现裂纹扩展，岩石将产生一些不可逆的变形。

因此从某种意义上来说，它并不属于真正的弹性特性，只能是一种近似的弹性介质。

B点是该岩石的屈服点，当应力超过B点，则将进入第三阶段。

(3)BC阶段，也被称作塑性阶段。

当应力值超出屈服应力之后，随着应力的增大曲线呈下凹状，明显地表现出应变增大(软化）的现象。

进人了塑性阶段，岩石将产生不可逆的塑性变形。

同时应变速率将同时增大，但最小主应变的应变速率的增大表现得更明显。

应该指出，对于坚硬的岩石来说，这一塑性阶段很短，有的几乎不存在，它所表现的是脆性破坏的特征。

所谓脆性，是指应力超出了屈服应力却并不表现出明显的塑性变形的特性，而因此达到破坏，即为脆性破坏。

二、刚性压力机的作用原理及在试验中岩石变形破裂机理上面介绍了岩石在普通试验中进行单向压缩试验时所得到的变形特性。

这些变形特性反映了岩石“破坏”前的力学特性。

绝大多数岩石的变形属脆性，使得“破坏”无明显前兆， 不出现明显的塑性变形，岩石试件突然崩溃，无法记录下崩溃后的应力-应变曲线。

那么有人提出了这样的问题：岩石在试验过程中发生崩溃现象是否是岩石所固有的特性？岩石达到“破坏”后的性态是怎样的？经过大量的试验研究发现:达到“破坏”的瞬间，试验机给予岩石试件的附加应力是加剧岩石试件崩溃的主要原因。

1970年，沙拉蒙首先全面论述了由于试验机的刚度不同对岩石变形特性的影响，提出了用刚度较大的试验机来减少作用于岩石的附加应力，进而可求得峰值应力后的应力-应变曲线C 以后,这一观点被从事岩石力学工作的研究人员和工程技术人员所接受。

刚性试验机和应力-应变全过裎曲线这两个全新的概念进人了岩石力学领域。

(1)刚性试验机工作原理简介试验机主要是由出力系统和金属框架组成。

当进行岩石压缩试验时，试验机的金属框架则承受了与出力系统大小相同的拉力。

此时，框架中将贮存着一定数量的弹性应变能。

当岩石达到峰值应力时，由于已超出岩石所能承受的极限应力，将产生一个较大量级的应变。

正是因为这一应变的产生促使试验机框架向岩石释放出贮存在机内的弹性应变能。

显然，岩石的突然崩溃是由于这附加的能量所致。

图2是分析试验机刚度大小给予试验结果影响的示意图。

假设：岩石的刚度用S K 表示，并在达峰值应力后仍具有一定的承载能力，且用 'S K 表示.试验机的刚度用m K 和'm K 表示且'm K <m K 。

前者代表小刚度的试验机，后者代表大刚度的试验机。

当试验机加载至岩石的峰值应力之后，若产生一个微小量的应变，则其应力- 应变曲线应沿着AA'移动。

这时岩石所能承受的能量为12'O O AA 围成的而积。

当试验机为柔性机('m K )即试验机的刚度小于岩石的刚度。

由于加载作用，贮存在试验机内的弹性能为12O ABO 所围成的面积。

当应力加至峰值应力时，岩石会突然出现一微小的应变ε∆。

与此同时，试验机也将恢复部分能量，并将其作用在岩石上。

此时，岩石所能承受的能量比试验机释放的能量小，其大小如图2中所示的由A B A'所围成的面积c 因此，由于附加能量的作用，使岩石的裂纹扩展加剧，并发生崩溃的现象。

与此相反，当试验机的刚度大于岩石的刚度，则在相同的条件下，试验机附加给岩石的能量为12O ACO 所围成的面积，比岩石所能承受的能量小AA'C 。

要岩石继续产生应变必须依靠外荷载的加载才能实现。

因此，当试验机的刚度大于岩石的刚度时，才有可能记录下岩石峰值应力区的应力-应变曲线。

这就是刚度试验机的工作原理。

(2)应力-应变全过程曲线形态由上述可知，所谓应力-应变全过程曲线，是指在刚性试验上进行试验所获得的包括岩石达到峰值应力之后的应力-应变曲线。

由图3可知，除了上面已介绍的曲线可分成0A ，AB ，BC 三个阶段之外，当应力值过C 点之后还存在着另外两个阶段。

CD 阶段，又被称作应变软化阶段。

虽然此时已超出了峰值应力，但岩石仍具有一定的承载能力，而这一承载力将随着应变的增大而逐渐减小，表现出明显的软化现象。

D 点以后为摩擦阶段。

它仅表现了岩石产生宏观的断裂面之后，断裂面的摩擦所具有 的抵抗外力的能力。

(3)达到峰值应力后，应力-应变曲线所具有的特征及其类型a)岩石达到峰值应力之后，仍然具有一定的承载能力，而岩石突然的“崩溃”是一种假象。

因此，以前将应力达峰值应力时，称作岩石“破坏”是不够严密的。

其实质并非完全破坏，仅仅表现为承载能力的降低。

b)在反复加-卸载的情况下，曲线也会形成塑性滞环，而且塑性滞环的平均斜率是在逐渐降低，表现出应变软化的特征。

此外，曲线仍具有记忆能力，反复加-卸载试验对岩体的变形特性并无多大的影响。

岩石在刚性试验机上进行试验其曲线类型根据岩性的不同可以分成两种类型。

第一种类型为稳定型。

当试件所受的荷载超过其峰值应力后，只有在外力继续作功的情况下，才能使其破损进一步发展。

如图3中的类型I 。

第二种类型为图中的类型II 。

该类试件将出现不稳定的裂纹扩展，试件无需外力继续作功破裂会持续发展，直至丧失承载能力。

这类曲线被称作非稳定型曲线。

第二节 水对岩石（体）力学特性的影响(―)岩石的含水性质1.岩石的含水量（w ）岩石的含水量是指岩石孔隙中含水的质量w C 与固体质量1C 之比的百分数：1C C w w 根据试件含水量状态的不同，可分成岩石在天然状态下的含水量和饱和状态下的含水量。

其试验方法类似于密度试验的方法。

其差别在于必须求出含水的质量。

岩石的含水量对于软岩来说是一个比较重要的参数。

组成软岩的矿物成分中往往含有较多的粘土矿物，而这些粘土矿物遇水软化的特性，将对岩石的变形、强度有很大的影响。

对于中等坚硬以上的岩石而言，其影响就显得并不重要。

2.岩石的吸水率（d w ）岩石的吸水率是指岩石吸人水的质量与试件固体的质量之比：()c d d w γγγ/-=岩石吸水率的试验方法类似于饱和密度的试验方法。

可通过饱和密度的试验，得到岩 石的吸水率。

吸水率是一个间接反映岩石内孔隙多少的指标,与岩石的含水量一样，对于软岩它是一个比较重要的参数。

(二）岩石的渗透性岩石的渗透性是指岩石在一定的水压力作用下，水穿透岩石的能力。

它反映了岩石中裂隙间相互连通的程度。

大多数岩石的渗透性可用达西定律来描述：A dxdh K q x = 式中x q ——沿x 方向水的流量；h ——水头的髙度；A ——垂直于x 方向的截面面积；K ——岩石的渗透系数。

就一般工程而言，所关心的是渗透系数K 的大小。

通常，渗透系数K 是利用径向渗透试验而得到。

所谓径向渗透试验，是采用钻有一同轴孔的岩芯，使这空心圆柱体试样能够产生径向流动。

当液体表面作用着恒定的压力时，使液体沿着岩石内的裂隙网流动，测得各系数，进而求得岩石的渗透系数。

岩石的渗透性对于解决一些实际问题具有直接的意义，例如：将水、油或者气体泵入多孔隙的岩体中；为了能量转换而在地下洞室中贮存液体；评价水库的不透水性；排除深埋洞室的渗水等等。

但是，就渗透性而言，岩体的渗透特性远远比岩石的渗透性来得重要。

其原因是岩体中存在着的不连续面，使其渗透系数要比岩石的大得多而引人注。

目前，国外已有人正在进行现场岩体的渗透性试验研究，看来这才是研究岩石渗透性的最佳方向。

(三）软化系数（η)软化系数是指岩石于燥状态下的单轴抗压强度和饱和单轴抗压强度的比值。

它 是表示岩石抗风化能力的一个指标：cdcc R R =η 软化系数卩是一个小于或等于1的系数，该值越小，则表示岩石受水的影响越大。

(四）岩石耐崩解性指数（d I )耐崩解性指数是通过对岩石试件进行烘干，浸水循环试验所得的指数。

它直接反映了岩石在浸水和温度变化的环境下抵抗风化作用的能力。

耐崩解性指数的试验是将经过烘干的试块(约重500g ，且分成十块左右），放人一个带有筛孔的圆筒内，使该圆筒在水槽中以 20r/min 的速度，连续旋转l0min ，然后将留在圆筒内的岩块取出再次烘干称重。

如此反复进行两次后，按下式求得耐崩解性指数：sr d m m I =2 式中2d I ——表示经两次循环试验而求得的耐崩解性指数，该指数在0~ 100%内变化； s m ——试验前试块的烘干质量；r m ——残留在圆筒内试块的烘干质量。

甘布尔认为:耐崩解性指数与岩石成岩的地质年代无明显的关系，而与岩石的密度成正比，与岩石的含水量成反比。

并列出了表2-1的分类，对岩石的耐崩解性进行评价。

(五）岩石的膨胀性含有粘土矿物的岩石，遇水后会发生膨胀现象。

这是因为粘土矿物遇水促使其颗粒间的水膜增厚所致，因此，对于含有粘土矿物的岩石，掌握经开挖后遇水膨胀的特性是十分必要的。

岩石的膨胀特性通常以岩石的自由膨胀率、岩石的侧向约束膨胀率、膨胀压力等来表述。

1.岩石的自由膨胀率岩石的自由膨胀率是指岩石试件在无任何约束的条件下浸水后所产生膨胀变形与试件原尺寸的比值。

常用的有岩石的径向自由膨胀率（D V ）和轴向自由膨胀率（H V )。

这一参数适用于不易崩解的岩石：HH V H ∆= D D V D ∆= 式中D H ∆∆,——分别是浸水后岩石试件轴向、径向膨胀变形量；H ，D ——分别是岩石试件试验前的髙度、直径。