岩石力学性质-变形.ppt

－岩石的变形
上节课内容：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、脆性和等性质。
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)
弹性(elasticity)
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，应力达到屈服极限后，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 <σ0时， ε=0
当σ ≥σ0 时， ε→∞
塑性（plasticity）
3）粘性 (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，粘性与时间有关
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。
应力－应变速率关系：
σ=η 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。

1966年库克（Cook)教授利用自制的刚性试验机获得了的一条大理岩的全应力－应变曲线,典型的全应力-应变曲线可将岩石变形分为下列四个阶段:
① 孔隙裂隙压密阶段（OA段）：即试件中原有张开性结构面或微裂隙逐渐闭合，岩石被压密，形成早期的非线性变形，σ－ε曲线呈上凹型。在此阶段试件横向膨胀较小，试件体积随载荷增大而减小。本阶段变形对裂隙化岩石来说较明显，而对坚硬少裂隙的岩石则不明显，甚至不显现。
单轴压缩条件下岩石变形特征
② 弹性变形至微弹性裂隙稳定发展阶段（AC段〕：该阶段的应力—应变曲线成近似直线型。其中，AB段为弹性变形阶段，BC段为微破裂稳定发展阶段。
单轴压缩条件下岩石变形特征