文档介绍：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。
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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。
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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)
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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.
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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
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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
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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。
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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。
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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。
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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。
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