岩石的基本物理力学性质

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1、 岩石的基本物理力学性质是岩体最基本、最重要的性质之一，也是岩石力学学科中研究最早、最完善的内容之一。基本要求：基本要求：主讲内容：主讲内容：第一节第一节 岩石的物理性质岩石的物理性质第二节第二节 岩石的强度性质岩石的强度性质第三节第三节 岩石的变形特征岩石的变形特征第四节第四节 岩石的流变特性岩石的流变特性第五节第五节 岩石的强度理论岩石的强度理论一、岩石的容重一、岩石的容重二、岩石的比重二、岩石的比重 三、岩石的孔隙性三、岩石的孔隙性四、岩石的水理性四、岩石的水理性质质第一节第一节 VW / 岩石的容重取决于组成岩石的矿物成分、孔隙发育程度及其含水量。岩石容重的大小，在一定程度上反映出岩石

2、力学性质的优劣。根据岩石的含水状况，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、蜡封法岩石的比重：岩石固体重量岩石的比重：岩石固体重量（WsWs）与同体积水在与同体积水在44时的时的重量比重量比Vs固体体积； 水的比重)/(WsVWsGsW三、岩石的孔隙性：反映裂隙发育程度的指标 岩石中的空隙有开型空隙和闭型空隙之分；岩石中的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

3、隙率（n ns s）闭空隙率闭空隙率( (n nc c) )一般提到的岩石空隙率系指总空隙率一般提到的岩石空隙率系指总空隙率 %100%100%100%100%100,0,0VVnVVnVVnVVnGGVVnccssbbd第二节第二节 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PPPP1.定义定义：岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所能承受的最大压应力称为岩石的单轴抗压强度所能承受的最大压应力称为岩石的单轴抗压强度 式中：P无侧限的条件下的轴向破坏荷载 A试件截面积c=P/APP 剪切强度试验分为非限制性剪切强度试验（Unconfined she

4、ar 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。四四. . 三轴抗压强度三轴抗压强度 第三节第三节 岩石的变形性质岩石的变形性质弹性变形、塑性变形和粘性变形 弹性：瞬间立即恢复 塑性：不能完全恢复. 粘性：不能在瞬时完成弹性塑性粘性 E ddEt/ 1.弹性模量E 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

5、点的切线斜率表示3）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 / Es00 ddE2）切线模量，用应力应变曲线任一点的切线斜率表示： 第四节第四节 流变现象：流变的种类流变学中的基本元件: k k应力不变，应变随时间增加而增长应变不变，应力随时间增加而减小加载或卸载时，弹性应变滞后于应力的现象（1）弹性元件（N）EO(b)(a)弹性元件的模型简图与应力应变关系 从上图可以看出弹性元件的力学特点为：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，应力应变一一对应的特点。

6、 注：将描述应力-应变或与时间（t）的关系式叫本构方程。 K 描述流变性质的三个基本元件(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，是理想的定律。称其为虎克体，是理想的 线性弹性体。线性弹性体。 本构方程：本构方程：k 应力应变曲线（见右图）：应力应变曲线（见右图）： 模型符号：模型符号：H H 虎克体的性能：虎克体的性能：a.瞬变性瞬变性 b.无弹性后效无弹性后效 c.无应力松弛无应力松弛 d.无蠕变流动无蠕变流动o应 力 - 应 变 曲 线描述流变性质的三个基本

7、元件(2)塑性元件塑性元件 材料性质：物体受应力达到屈服极限材料性质：物体受应力达到屈服极限 0 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 断增长，其变形符合库仑摩擦定律，称其断增长，其变形符合库仑摩擦定律，称其 为库仑为库仑(Coulomb)(Coulomb)体。是理想的塑性体。体。是理想的塑性体。 力学模型：力学模型： 本构方程：本构方程： =0 ， （当（当 0 0时）时） ， （当（当 0 0时）时）描述流变性质的三个基本元件(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 库仑体的性能：库仑体的性能：

8、 当当0 0时，时，=0 ， 低应力时无变形低应力时无变形 当当 0 0时，时，达到塑性极限时达到塑性极限时 有蠕变有蠕变应 力 -应 变 曲 线o0描述流变性质的三个基本元件(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，是理想的粘性体。其为牛顿流体，是理想的粘性体。 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：Ndtdddto描述流变性质的三个基本元件(3)粘性元件 牛

9、顿体的性能： a.有蠕变 即有蠕变现象即有蠕变现象0110tCtCconstt 积分t=0初始条件：=0当时， 与 成比例关系( b )应变- 时间曲线ot应变应变-时间曲线时间曲线dtd 本构方程本构方程应力与应变无关，应应力与应变无关，应力与应变速率一一对力与应变速率一一对应，受力瞬间不变形，应，受力瞬间不变形，随时间流逝变形趋于随时间流逝变形趋于无限的特点无限的特点(3)粘性元件粘性元件 牛顿体的性能：牛顿体的性能： 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 1, t应变与时间有关系不能瞬时完成0,0dconstdt0当 时，代入本构方程得 ，应力与时间无关，无松弛现

10、象00,dconstdt当 时，代入本构方程，得即应变与时间无关，无弹性后效0110tCtCconstt 积分t=0初始条件：=0当时， 与 成比例关系描述流变性质的三个基本元件( b )应变- 时间曲线ot应变应变-时间曲线时间曲线dtd 本构方程本构方程组合模型及其性质(1)串联和并联的性质 212 1=串联性质1212并联性质 k k组合模型及其性质（2）马克斯威尔(Maxwell)体 本构方程：本构方程：由串联性质：由串联性质： =1 1=2 2 21 模型符号：M=H-N21（3）开尔文（kelvin）体模型符号：K=H|N四、组合模型及其性质第五节第五节 一、库伦准则：认为： 粘结

11、力摩擦力l 实验基础： l 破坏机理：粘结力摩摩力一、库伦准则：l 数学表达式：tan ctanfl库仑准则的应用l破坏判断2个方面参数意义)(库仑准则主要公式： 231312/45)sin1/(cos2sin1sin1sin1cos2tgccfctgCcc注意：二、二、莫尔强度理论莫尔强度理论（Mohr 1900年提出，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的影响；三三. . 格里菲斯强度理论格里菲斯强度理论 （1920、1921） 1 1）基本假设（观点）：）基本假设（观点）： 物体内随机分布许多裂隙； 所有裂隙都张开、贯通、独立； 裂隙断面呈扁平椭圆状态； 在任何应力状态下，裂隙尖端产生拉应力集 中，导致裂隙沿某个有利方向进一步扩展。 最终在本质上都是拉应力引起岩石破坏。 111111111211111111112