北科大岩石力学课件-李长洪1.2_岩石的力学性质.ppt

1 岩石的力学性质－岩石的变形 上节课讲过：岩石的强度：岩石抵抗外力作用的能力，岩石破坏时能够承受的最大应力。本节课接着讲：岩石的变形：岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变化。岩石在荷载作用下，首先发生的物理力学现象是变形。随着荷载的不断增加，或在恒定载荷作用下，随时间的增长，岩石变形逐渐增大，最终导致岩石破坏。岩石变形过程中表现出弹性、塑性、粘性、脆性和延性等性质。 1.5 岩石变形性质的几个基本概念 1）弹性(elasticity)： 物体在受外力作用的瞬间即产生全部变形，而去除外力(卸载)后又能立即恢复其原有形状和尺寸的性质称为弹性。 弹性体按其应力－应变关系又可分为两种类型： 线弹性体：应力－应变呈直线关系。 非线性弹性体：应力—应变呈非直线的关系。 线弹性体，其应力－应变呈直线关系 σ=Eε 非线性弹性体，其应力—应变呈非直线的关系 σ=f(ε) 2）塑性（plasticity） ：物体受力后产生变形，在外力去除（卸载）后变形不能完全恢复的性质，称为塑性。 不能恢复的那部分变形称为塑性变形，或称永久变形，残余变形。 在外力作用下只发生塑性变形的物体，称为理想塑性体。 理想塑性体，当应力低于屈服极限时，材料没有变形，应力达到后，变形不断增大而应力不变，应力－应变曲线呈水平直线. 理想塑性体的应力－应变关系: 当σ σs 时， ε=0 当σ ≥σs 时， ε－＞∞ σ σs o ε 3）黏性 (viscosity): 物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质，称为粘性。 应变速率与时间有关，－黏性与时间有关 其应力－应变速率关系为过坐标原点的直线的物质称为理想粘性体（如牛顿流体），如图所示。 σ 应力－应变速率关系： σ=η dε/dt o dε/dt 4）脆性 (brittle): 物体受力后，变形很小时就发生破裂的性质。 工程上一般以5％为标准进行划分，总应变大于5％者为塑性材料，反之为脆性材料。 赫德(Heard，1963)以3％和5％为界限，将岩石划分三类：总应变小于3％者为脆性岩石；总应变在3％～5％者为半脆性或脆－塑性岩石；总应变大于5％者为塑性岩石。 按以上标准，大部分地表岩石在低围压条件下都是脆性或半脆性的。 当然岩石的塑性与脆性是相对的，在一定的条件下可以相互转化，如在高温高压条件下，脆性岩石可表现很高的塑性。 5）延性 (ductile): 物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力的性质，称为延性。 岩石是矿物的集合体，具有复杂的组成成分和结构，因此其力学属性也是很复杂的。这一面受岩石成分与结构的影响； 另一方面还和它的受力条件，如荷载的大小及其组合情况、加载方式与速率及应力路径等密切相关。 例如，在常温常压下，岩石既不是理想的弹性材料，也不简单的塑性和粘性材料，而往往表现出弹一塑性、塑一弹性、弹一粘一塑或粘一弹性等性质。 此外，岩体赋存的环境条件，如温度、地下水与地应力对其性状的影响也很大。 1.6 单轴压缩条件岩石应力－应变曲线6种类型 岩石的应力—应变曲线随着岩石性质不同有各种不同的类型。 米勒（Müller）采用28种岩石进行大量的单轴试验后，据峰值前应力—应变曲线将岩石分成六种类型，如图所示。 类型Ⅰ 应力与应变关系是一直线或者近似直线，直到试件发生突然破坏为止。 由于塑性阶段不明显，这些岩石被称为弹性岩石。 例如：玄武岩、石英岩、白云岩以及极坚固的石灰岩。 类型Ⅱ 应力较低时，应力—应变曲线近似于直线，当应力增加到一定数值后，应力—应变曲线向下弯曲，随着应力逐渐增加而曲线斜率也就越变越小，直至破坏。 由于这些岩石低应力时表现出弹性，高应力时表现出塑性，所以被称为弹—塑性岩石。 例如：较弱的石灰岩、泥岩以及凝灰岩等。 类型Ⅲ 在应力较低时，应力—应变曲线略向上弯曲。当应力增加到一定数值后，应力—应变曲线逐渐变为直线，直至发生破坏。 由于这些岩石低应力时表现出塑性，高应力时表现出弹性，所以被称为塑—弹性岩石。 例如：砂岩、花岗岩、片理平行于压力方向的片岩以及某些辉绿岩等。 类型Ⅳ 应力较低时，应力—应变曲线向上弯曲，当压力增加到一定值后，变形曲线成为直线，最后，曲线向下弯曲，曲线似S型。 由于这些岩石低应力时表现出塑性，高应力时表现出弹性，破坏前又表现出塑性，所以被称为塑—弹—塑性岩石。 例如：大多数为变质岩（