第四章 1 岩石的变形.doc

第四章 岩石的变形 基本概念 1、岩石变形的定义： 岩石变形： 指岩石在任何物理因素作用下形状和大小的变化。 工程上的岩石变形是指在外力作用下引起的形状和大小的变化。 变形类型： 弹性变形、塑性变形、粘性变形。 弹性变形： 是指材料在外力的作用下发生变形并在外力撤去后立即恢复到它原有的形状和尺寸的性质。把外力撤去后能够恢复的变形称为弹性变形。 线弹性：应力——应变关系呈直线关系。 非线性：应力——应变关系呈曲线关系（或完全弹性）。 塑性变形： 是指材料受力后，在应力超过屈服应力时仍能继续变形而不即行断裂，撤去外力后，变形又不能完全恢复的性质。不能恢复的变形为塑性变形（永久变形）。 弹塑性变形：材料产生的变形在荷载卸去后，有部分能恢复，有一部分不能够恢复的性质。初始为弹性变形，应力达屈服应力后转为塑性变形。 粘性： 指材料受力后变形不能在瞬间完成，切应变的速率随应力的大小而改变的性质。应变速率随应力而变化的变形称为流变(流动变形)。 岩石变形的力学参数 1、弹性模量 线弹性： 非线弹性： 定义几个弹性模量： 初始弹性模量 应力为零时的曲线斜率，即 切线弹性模量 曲线上任一点的斜率，即 平均弹性模量 曲线上近于直线段的斜率。 割线弹性模量 曲线原点与曲线上任一点连线的斜率。 2、泊松比 3、剪切模量 4、拉梅常数： 5、体积弹性模量： 其中： 6、卸载模量 卸载曲线的割线斜率。 加载曲线与卸载曲线构成了塑性滞回环。加载曲线直线段的平均弹性模量，与卸载曲线割线的斜率相等，因此，可用卸载模量代替弹性模量。 7、变形模量 变形模量为总变形量与平均应力的比值。 对于弹塑性岩石，其变形由弹性变形和塑性变形组成 则变形模量是描述岩石的总体变形。 岩石变形的基本特征 1、变形阶段 由岩石变形曲线的变化特征，可分为四个阶段： 0～A段，为弹性阶段 应力 — 轴向应变()曲线微呈上凹形，弹性模量由小变大，即由初始弹性模量变到平均弹模。 2）A～B段，为弹性阶段 应力—轴向应变曲线接近于直线，其弹性模量为常数，等于直线的斜率，即平均弹性模量。 应力—横向应变曲线()也接近于直线。其值接近于常数，体积应变也呈线性增加。这一阶段属于弹性工作阶段。 3）B～C段，为塑性阶段 应力—轴向应变()曲线向下弯曲，曲线的斜率随应力的增加而逐渐降低，切线弹模由平均弹模降至零。在这一范围内，岩石将发生不可恢复的变形，加载和卸载的每次循环都是不同的曲线。 应力—横向应变曲线()逐渐变缓； 体积应变减少，即岩石的体积由压缩转为膨胀。这一阶段属于塑性阶段，主要是在轴向形成新的细微裂隙。 B点为岩石从弹性转变为塑性的转折点，相应的应力为屈服应力。 4）C～D段，破坏阶段 应力—轴向应变()为下降曲线，其斜率为负值。从C点开始为材料破坏后的变形，C点为岩石破坏时的最大轴向应力，即单轴抗压强度。 在C～D这一区段内，卸载可能产生很大的残余变形，卸载后再加载的曲线终点U（与CD线相交）低于卸载的初始点S。 2、应力－应变曲线类型 根据大量试验结果，共有六种类型。 类型Ⅰ： 应力－应变关系时一直线或近似的直线，直到试样发生突然破坏为止。 多为脆性岩石，如玄武岩、石英岩、白云岩等，属于弹性材料。 类型Ⅱ： 再应力较低时，应力－应变关系近似直线。 当应力增加到一定值后，曲线向下弯曲，且随着应力增加，曲线斜率也愈来愈小，直至破坏。 一般为弹塑性的软岩，如石灰岩、泥岩、凝灰岩等。 类型Ⅲ： 在应力较低时，应力－应变曲线略向上弯曲， 当应力增加到一定值后，曲线逐渐变为直线，直至试样发生破坏。 其代表岩石有：砂岩、花岗岩、辉绿岩等，属于塑 － 弹性。 类型Ⅳ： 应力较低时，曲线向上弯曲； 当应力增加到一定值后，曲线成为直线，最后又向下弯曲，曲线近似S型。 代表岩石多为变质岩，如大理岩、片麻岩等。 具有塑－弹－塑性质。 类型Ⅴ： 与Ⅳ相似，曲线呈S型，但曲线的斜率较平缓。 一般发生在压缩性较大的岩石中， 如片理垂至于压力方向的片麻岩等。 类型Ⅵ： 曲线先有很小一段直线， 然后有非弹性的曲线部分，并继续不断蠕变。 某些软岩也具有类似的特性。 这种变形属于弹－塑－蠕变性质。 在以上各类曲线中，曲线出现下弯段是由于在高应力作用下，岩石内部形成细微裂隙和局部破坏的缘故； 而向上弯曲段则表明岩石在应力作用下，原有的裂隙闭合的结果。 因此， 上弯段——微裂隙闭合，属塑性变形。 下弯段—