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1、关于岩石力学基本性质第一页，讲稿共六十八页哦第一部分第一部分 岩石的变形特性岩石的变形特性 第二部分第二部分 岩石的基本强度岩石的基本强度主要内容第二页，讲稿共六十八页哦岩石的变形特性岩石的变形特性 单向压缩应力作用下的变形特性 三向压缩应力作用下的变形特性 近几年来，人们在岩体工程的现场测量中，所获得的数据大多都是岩体的变形值。因此，为了能够更好、更全面地利用这些数据为工程服务，需要全面地掌握岩石的变形规律及特征，并在此基础上综合结构面的力学特性，分析岩体结构的稳定性。随着对变形特性研究的深入，甚至有人提出了用变形表示的强度判据代替以往常用的用应力表示的强度判据。第三页，讲稿共六十八页哦单向
2、压缩应力作用下的变形特性单向压缩应力作用下的变形特性 OA段：裂隙压密阶段。主要特点是在加载初期，随着载荷的增长，应力-应变曲线向上弯曲，仿佛岩石随应力增加（作功）而硬化。AB段：线弹性阶段（线性变形阶段）。基本特点是，随着载荷的增加，其变形基本上按比例增长。这个阶段曲线基本保持线性规律，曲线斜率为常数。BC段：临近宏观破坏阶段。应力-应变曲线逐渐偏离线性向下弯曲，曲线斜率逐渐减小。过了C点（峰值载荷）后，岩石便进入了岩石破坏的后期阶段。这个阶段岩石力学行为可分为两种情况。第一种情况，弹性模量和强度逐渐下降，即岩石表现出渐进劣化的行为（CD实线段）。第二种情况，弹性模量和强度突然下降，即岩石表
3、现出显著的脆性破坏行为（CD虚线段）。DE段：宏观破坏阶段。岩石的宏观破裂面已经形成。第四页，讲稿共六十八页哦反复循环加载曲反复循环加载曲岩石在反复加-卸载情况下应力应变实验曲线当进行加-卸载试验时，人们发现岩石的应力-应变曲线将成为一个环，通常将它称作塑性滞环。它的形成说明，在加-卸载过程中，裂隙的扩展和裂隙面之间的摩擦将不断消耗能量。由加-卸载曲线可知，整个加-卸载过程对岩石的变形特性影响并不大。尤其是在加载后的曲线似乎始终沿着原应力-应变曲线的轨迹发展。第五页，讲稿共六十八页哦三向压缩应力作用下的变形特性三向压缩应力作用下的变形特性 随着围压（2=3）的增加，岩石的强度（最大承载能力）随
4、之提高；岩石的弹性模量有随围压增大而增大的趋势，但增幅不大；随着围压的增加，峰值应力所对应的应变值有所增大。其变形特性表现出低围压下的脆性向高围压的塑性转换的规律。第六页，讲稿共六十八页哦 当作用的外荷载较小时，体积应变主要表现为线性特征，且岩石的体积随荷载的增大而减小。然而，当外荷载达到一定的值之后，体积应变经过了保持不变的阶段，开始发生体积膨胀的现象。这一现象在岩体力学中被称为扩容。即体积的非线性膨胀，且这一体积膨胀是不可逆的。产生扩容现象的主要原因是岩石试件在加载过程中，由于在岩石中存在的微裂纹张开、扩展、贯通等现象，使岩石内孔隙增大，促使其体积也随之增大。这一体积变化的规律在三向压缩试
5、验中都会出现。但是，由于围压的增大，会出现扩容量随之减弱的现象。第七页，讲稿共六十八页哦岩石基本强度岩石基本强度 单轴抗压强度 抗拉强度 抗剪强度 第八页，讲稿共六十八页哦单轴抗压强度单轴抗压强度 通过试验机按一定的加载速度对岩石试件单向加压，直至试件失去最大承载能力而破坏。即岩石的单轴抗压强度是指岩石试件在无侧向约束的条件下所能承受的最大轴向压缩荷载：第九页，讲稿共六十八页哦单轴抗拉强度单轴抗拉强度 直接拉伸法 通过试验机对岩石试件直接施加拉伸荷载的一种岩石抗拉强度的方法。通过记录试件承受的最大拉伸荷载，按下式求得其抗拉强度指标：第十页，讲稿共六十八页哦单轴抗拉强度单轴抗拉强度 抗弯法 抗弯
6、法是利用结构试验中梁的三点或四点加载的方法，使梁的下沿产生纯拉应力的作用，造成岩石试件产生断裂破坏。根据试件所受的最大弯矩，间接地求出岩石的抗拉强度值：t=第十一页，讲稿共六十八页哦单轴抗拉强度单轴抗拉强度 劈裂法（巴西法）劈裂法也称作径向压裂法，因为是南美巴西人杭德罗斯（Hondros，1981）提出的试验方法，故被称为巴西法。这种试验方法是：用一个实心圆柱形试件，使它承受径向压缩线荷载至破坏。解析理论表明，这种加载方式将在靠近圆柱（或圆盘）中心的垂直方向上产生最大的拉伸应力，因此可以据此求出岩石的抗拉强度：t=第十二页，讲稿共六十八页哦抗剪强度抗剪强度 岩石的剪切强度是指岩石在一定的应力条
7、件下（主要指压应力）所能抵抗的最大剪应力，通常用表示。分为3种：（a）抗剪断试验 （b）抗切试验 （c）弱面抗剪切试验第十三页，讲稿共六十八页哦第十四页，讲稿共六十八页哦抗剪强度与抗压强度关系抗剪强度与抗压强度关系以不同的值夹具进行试验（以采用较大的角度为好），分别按上式求出相应的及值，就可以在-坐标纸上作出他们的关系曲线，如图2-10（a）所示。岩石的抗剪断强度关系曲线是一条弧形曲线，一般把它简化为直线形式见图2-10（b）。这样，岩石的抗剪断强度与压应力之间就建立了如下关系式：第十五页，讲稿共六十八页哦构造研究中的构造研究中的应力分析应力分析基础基础第十六页，讲稿共六十八页哦基本概念基本概
8、念外力外力、内力内力 处处于于地地壳壳和和岩岩石石圈圈中中的的任任何何地地质质体体，都都会会受受到到相相邻邻介质的作用力。介质的作用力。第十七页，讲稿共六十八页哦力力是物体之间或物体内部粒子之间是物体之间或物体内部粒子之间的一种相互作用它趋向于引起的一种相互作用它趋向于引起物体形态，大小或运动状态的改物体形态，大小或运动状态的改变变面力面力（接触力）（接触力）体力体力（非接触力）（非接触力）第十八页，讲稿共六十八页哦 外力外力 被研究物体被研究物体（对象）以外的物体施加（对象）以外的物体施加于所研究物体的作用力。于所研究物体的作用力。内力内力 由外力作用引由外力作用引起的物体内部各部分之间起的
9、物体内部各部分之间的相互作用力。的相互作用力。第十九页，讲稿共六十八页哦内力外力，是个内力外力，是个相对概念相对概念内力内力外力。视研究对象而定外力。视研究对象而定内力可能是均匀分布的，也可能不是，内力可能是均匀分布的，也可能不是，为了便于度量和研究，提出了为了便于度量和研究，提出了“应力应力”的概念。其分析方法的概念。其分析方法 截面法。截面法。第二十页，讲稿共六十八页哦应力应力单位面积上的内力。一般用单位面积上的内力。一般用“公斤平方厘米公斤平方厘米”表示表示 内力内力/面积面积 P/dP/dA A第二十一页，讲稿共六十八页哦 一般地，应力是矢量。当一般地，应力是矢量。当P不垂直于时，有：
10、不垂直于时，有：正应力正应力 垂直于被作用面垂直于被作用面 的应力，用的应力，用 表示表示 剪应力剪应力 平行于被作用面平行于被作用面 的应力，用的应力，用 表示表示第二十二页，讲稿共六十八页哦第二十三页，讲稿共六十八页哦应力的符号应力的符号 约定：约定：正应力正应力以挤压为正、以挤压为正、以拉张为负；以拉张为负；剪应力剪应力以逆时针以逆时针方向为正、以顺时针方向为负。方向为正、以顺时针方向为负。第二十四页，讲稿共六十八页哦总应力总应力正应力的平方与剪应力的平方之正应力的平方与剪应力的平方之和的开平方。和的开平方。主应力主应力 应力反应了作用在截面上内力的密集程度应力反应了作用在截面上内力的密
11、集程度对形状不规则的物体，在外力作用下，沿截对形状不规则的物体，在外力作用下，沿截面最弱处易于破坏面最弱处易于破坏第二十五页，讲稿共六十八页哦点应力状态点应力状态应应力力矢矢量量（）是是与与截截面面联联系系在在一一起起的的通通过过地地壳壳岩岩石石中中的的任任何何一一点点（m），可可作作出出无无数数个个截截面面，因因而而存存在在无无数数个个应应力力矢矢量量故故地地块块中中某某一一点点的的应应力力状状态态是是不不能能用用一一个简单的矢量来表示的个简单的矢量来表示的 第二十六页，讲稿共六十八页哦 一点的应力状态，在直一点的应力状态，在直角坐标系中可以近似地看角坐标系中可以近似地看成是一个无限微小的正
12、六成是一个无限微小的正六面体单元体。面体单元体。第二十七页，讲稿共六十八页哦一一点点的的应应力力状状态态第二十八页，讲稿共六十八页哦 主应力主应力 弹性力学可以证明：对于给弹性力学可以证明：对于给定的一个单元体，总能够找到这定的一个单元体，总能够找到这样一种取向：单元体表面上的剪样一种取向：单元体表面上的剪应力分量都为零，即应力分量都为零，即三个三个正交截正交截面上面上没有剪应力没有剪应力作用而作用而只有正应只有正应力力作用，这种情况下的作用，这种情况下的正应力正应力称称为该点的为该点的主应力主应力，分别以，分别以 1、2、3表示。表示。第二十九页，讲稿共六十八页哦第三十页，讲稿共六十八页哦且
13、约定：且约定：1 2 3，其中：，其中：1、2、3分别代表最大、中间和最小主应力。分别代表最大、中间和最小主应力。应应力力椭椭球球第三十一页，讲稿共六十八页哦当当 1、2、3 中有两个主应力为零，而另一中有两个主应力为零，而另一个不为零时，称为个不为零时，称为单轴应力单轴应力状态；状态；当当 1、2、3 中有两个主应力不为零，中有两个主应力不为零，而另一个为零时，称为而另一个为零时，称为双轴应力双轴应力状态；状态；当当 1、2、3 中三个主应力均不为零时中三个主应力均不为零时，称为，称为三轴应力三轴应力状态。特殊地，当状态。特殊地，当 1=2=3时，称为时，称为均压均压状态。状态。而而 1 3
14、=，称为，称为差异应力差异应力，它是引它是引起物体发生形变的力起物体发生形变的力。第三十二页，讲稿共六十八页哦 主方向主方向 主应力作用的方向主应力作用的方向 主平面主平面 三个分别包含其中两个主三个分别包含其中两个主应力的正交截面。应力的正交截面。第三十三页，讲稿共六十八页哦主主方方向向(A)主主平平面面(B)第三十四页，讲稿共六十八页哦应力莫尔圆应力莫尔圆第三十五页，讲稿共六十八页哦 （1）当）当=0 时，时，=1，=0；（2）当）当=90 时，时，=2，=0；（3）当当=45 或或135 时，时，=最大值，最大值，为为(1-2)/2；（4）当）当 1=2，=0时，为均压无剪应时，为均压无
15、剪应 力；在力；在 三维状态中，当三维状态中，当 1=2=3 时，为静水压力。时，为静水压力。应力莫尔圆的应力莫尔圆的物理意义物理意义是：是：第三十六页，讲稿共六十八页哦应力场及其表示方法应力场及其表示方法应力场应力场某个地质体（物体）某个地质体（物体）内部各点的瞬时应力状态在三内部各点的瞬时应力状态在三维空间上的组成的维空间上的组成的总体总体，称为，称为应力场。应力场。第三十七页，讲稿共六十八页哦应力场的表示方法：应力场的表示方法：一般地，用地质体（物体）一般地，用地质体（物体）内各点的主应力内各点的主应力 1、2、3，或最大或最小剪应力或最大或最小剪应力 的大小的大小和方位来表示其应力场的
16、状和方位来表示其应力场的状态和特征。态和特征。第三十八页，讲稿共六十八页哦 依次沿相邻的各点的主应力或剪依次沿相邻的各点的主应力或剪应力方向连接得到的轨迹线称为应力方向连接得到的轨迹线称为应力应力轨迹线轨迹线，由它们绘制而成的，由它们绘制而成的应力轨迹应力轨迹图图能够客观地形象地定性表示某个地能够客观地形象地定性表示某个地质体（物体）内的应力分布状态；而质体（物体）内的应力分布状态；而主应力或剪应力的主应力或剪应力的应力等值线图应力等值线图能定能定量地表示某个地质体（物体）内各点量地表示某个地质体（物体）内各点的应力分布及其变化特点。因此，这的应力分布及其变化特点。因此，这两种图件是两种图件是
17、常用常用的的有效有效的应力状态表的应力状态表示方法之一。示方法之一。第三十九页，讲稿共六十八页哦第四十页，讲稿共六十八页哦应力场的扰动应力场的扰动均匀应力场均匀应力场非均匀应力场非均匀应力场由于岩块或地块内部的由于岩块或地块内部的局部不均匀性和不连续性等，可造成应力场局部不均匀性和不连续性等，可造成应力场的局部变化即称为应力场的扰动的局部变化即称为应力场的扰动第四十一页，讲稿共六十八页哦变形岩石的应变分析基础变形岩石的应变分析基础第四十二页，讲稿共六十八页哦一、变形和位移一、变形和位移1，变形，变形 处处于于地地壳壳和和岩岩石石圈圈中中的的任任何何地地质质体体，受受到到力力作作用用而而会发生变
18、形。会发生变形。变变形形是是指指地地质质体体（物物体体）初初始始形形状状、方方位位或或位位置置发生了改变。发生了改变。第四十三页，讲稿共六十八页哦2，位移位移 位移位移是指地质体（物体）及其是指地质体（物体）及其内部各质点初始位置的改变，是通内部各质点初始位置的改变，是通过物体内各质点的初始位置和终止过物体内各质点的初始位置和终止位置的变化来表达的。位置的变化来表达的。质点的初始位置和终止位置的质点的初始位置和终止位置的连线叫连线叫位移矢量位移矢量。这条线只代表位。这条线只代表位移的最终结果，而不代表位移的实移的最终结果，而不代表位移的实际路径。际路径。第四十四页，讲稿共六十八页哦3，位移方式
19、位移方式 四种方式四种方式:平移平移 旋转旋转形变形变体变体变第四十五页，讲稿共六十八页哦平平移移：变变形形前前后后质质点点位位置置的的平平行行移移动动第四十六页，讲稿共六十八页哦第四十七页，讲稿共六十八页哦第四十八页，讲稿共六十八页哦旋旋转转：变变形形前前后后物物质质线线方方位位的的改改变变第四十九页，讲稿共六十八页哦第五十页，讲稿共六十八页哦第五十一页，讲稿共六十八页哦形形变变：变变形形前前后后物物体体形形状状的的改改变变第五十二页，讲稿共六十八页哦体变体变：变形前后物体体积的改变：变形前后物体体积的改变第五十三页，讲稿共六十八页哦二、二、应变应变 应应变变是是指指变变形形前前后后物物体体
20、的的形形状状、大大小小或或物物质线方位的改变质线方位的改变量量。第五十四页，讲稿共六十八页哦2.1 线应变线应变 指指变变形形前前后后物物体体中中线线段段长长度度的的改改变变量量，一一般用般用e表示：表示：e=（L1-L0）/L0 （1）（1）式式中中L0和和L1分分别别代代表表变变形形前前和和变变形形后后线线段段的的长长度度。并并约约定定：伸伸长长应应变变为为正正值值、缩缩短短应变为负值应变为负值。L0L1第五十五页，讲稿共六十八页哦2.2 平方长度比平方长度比 指变形前后线段长度比的平指变形前后线段长度比的平方，一般用方，一般用 表示：表示：=(L1/L0)2=(1+e)2 （2）第五十六
21、页，讲稿共六十八页哦2.3 剪应变剪应变 变变形形前前相相互互垂垂直直的的两两条条物物质质线线，变变形形后后其其夹夹角角偏偏离离直直角角的的改改变变量量称称为为角角剪剪应应变变，其其正正切切称称为为剪剪应变应变 。L1L0L第五十七页，讲稿共六十八页哦即：即：=tan （3）并约定：并约定：逆时针逆时针方向方向旋转的剪应变为旋转的剪应变为正值正值、顺顺时针时针方向旋转的剪应变为方向旋转的剪应变为负值负值。第五十八页，讲稿共六十八页哦3.均匀应变和非均匀应变均匀应变和非均匀应变3.1 均匀应变均匀应变 变形物体内各点的应变特征相同。变形物体内各点的应变特征相同。3.2 非均匀应变非均匀应变 变形
22、物体内各点的应变特征发生不同的变形物体内各点的应变特征发生不同的变化。变化。第五十九页，讲稿共六十八页哦4.连续变形和不连续变形连续变形和不连续变形 如如果果物物体体内内从从一一点点到到另另一一点点的的应应变变状状态态是是逐逐渐渐改改变变的的，则则称称为为连连续续变变形形；如如果果是是突突然然改改变变的的，则则应应变变是是不不连连续续的的，称称为为不不连连续续变变形形。例例如如物物体体的的两两部部分分之间发生了断裂。之间发生了断裂。第六十页，讲稿共六十八页哦5.应变椭球体应变椭球体5.1概念概念 单单位位圆圆球球体体经经均均匀匀应应变变变变成成的椭球体称为的椭球体称为应变椭球体应变椭球体。第六
23、十一页，讲稿共六十八页哦 从数学上可以证明和推导出，由单从数学上可以证明和推导出，由单位圆球变成的应变椭球有三个互相垂直位圆球变成的应变椭球有三个互相垂直的主轴，沿主轴方向只有线应变而没有的主轴，沿主轴方向只有线应变而没有剪应变。这三个主轴分别以剪应变。这三个主轴分别以X、Y、Z或或A、B、C表示，并分别代表应变椭球体表示，并分别代表应变椭球体的最大、中间和最小的最大、中间和最小应变主轴应变主轴。包含应。包含应变椭球体的任意两个应变主轴的平面变椭球体的任意两个应变主轴的平面称为称为应变主平面应变主平面。分别以。分别以XY、XZ、YZ或或AB、AC、BC三个平面表示。三个平面表示。第六十二页，讲
24、稿共六十八页哦第六十三页，讲稿共六十八页哦第六十四页，讲稿共六十八页哦6.旋转变形和非旋转变形旋转变形和非旋转变形6.1 旋转变形旋转变形 变变形形过过程程中中平平行行于于应应变变椭椭球球体体主主应应变变轴轴方方向向的的物物质质线线方方位位发发生生了了改改变变的的变变形形（应应变变），称称为为旋旋转转变变形形。简简单单剪剪切切变变形形（一一种种体体变变为为零零的的平平面面应应变变）就就是是其其典典型型的代表。的代表。第六十五页，讲稿共六十八页哦简单剪切变形简单剪切变形第六十六页，讲稿共六十八页哦6.2 非旋转变形非旋转变形 变形过程中平行于应变椭变形过程中平行于应变椭球体主应变轴方向的物质线方球体主应变轴方向的物质线方位始终保持不变的变形（应变）位始终保持不变的变形（应变），称为非旋转变形。，称为非旋转变形。纯剪变形纯剪变形（一种体变为零的平面应变）就（一种体变为零的平面应变）就是其典型的代表。是其典型的代表。第六十七页，讲稿共六十八页哦05.10.2022感谢大家观看第六十八页，讲稿共六十八页哦