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第1章 岩石性质与应力状态 刘双跃 电话Email:llssyz@126.com 禅思顿悟，学以致用 第1章 岩石性质与应力状态 1.1 岩石的物理性质 1.2 岩石的力学性质 1.3 岩石的应力状态 2 1.2 岩石的力学性质 1.2.1 岩石的变形特征 1.2.2 岩石的强度特征 1.2.3 岩石的硬度 3 1.2.1 岩石的变形特征 (1)静荷载下岩石的变形特征 (2)岩石在三向静荷载压缩条件下的变形特征 (3)动荷载下岩石的变形特征 5 外荷载按作用性质可以分为： 静荷载 动荷载 岩石在外荷载作用下，因应力增加会发生相应的应变。 当荷载增大到破坏值，或荷载达到某一数值而恒定保持下去，均会导致岩石破坏。 变形和破坏是岩石在荷载作用下的两个发展阶段。 变形中包含着破坏的因素，而破坏是变形发展所致。 1.2.1 岩石的变形特征 (1) 静荷载下岩石的变形特征 6 岩石在静荷载单向压缩情况下，应力-应变的一般关系如图l-l所示。 I—0A段 应力应变曲线呈上凹型，这是岩石中原有裂隙和孔隙受压后逐渐闭合所致，称为裂隙压密闭合阶段。 对于致密岩石这个阶段很小，甚至没有。 图1-1 一般岩石在室温和大气条件下单向压缩实验曲线 Ⅱ—AB段 应力应变曲线呈直线型，即曲线的斜率近似为常数，称为线弹性阶段。 在Ⅱ段内如果卸除荷载，变形能完全恢复。 B点对应的应力称为弹性极限或屈服应力，B点为屈服点。 1.2.1 岩石的变形特征 (1) 静荷载下岩石的变形特征 7 图1-1 一般岩石在室温和大气条件下单向压缩实验曲线 Ⅲ—BC段 应力应变曲线呈下凹型，曲线斜率逐渐减小，此阶段内局部破损逐渐增大而导致岩石达到强度极限c点，称为破裂发展阶段。 如为普通试验机则到达c点后，由于加载系统储存的弹性能量的突然释放会致使试件破坏；加载刚性试验机，由于加载系统储存的弹性能量大大减少和试验机及时地减少荷载，则可以观察到应力应变曲线第IV阶段。 如果在BC内任一点P卸载，曲线PQ变化；重新加裁，曲线按QR变化。 PQR称为塑性滞环。 QS为弹性变形，卸裁时可恢复； OQ为塑性变形，卸载时不能恢复。 C点对应的应力称为极限抗压强度。 1.2.1 岩石的变形特征 岩石在静荷载单向压缩情况下，应力-应变的一般关系如图l-l所示。 (1) 静荷载下岩石的变形特征 8 图1-1 一般岩石在室温和大气条件下单向压缩实验曲线 IV—CD段 为应力应变曲线的软化阶段。在这个阶段内，岩石仍保持一整体继续抵抗荷载；当岩石破裂仍继续发展，直到D点才最终破裂；从D点以后应力基本不变而应变无限增长。 D点应力被称为残余强度。 凹曲线的存在，说明岩石在达到极限强度以后，仍然存在着承裁能力。 这符合一部分矿山工程的实际情况，如巷道围岩多数平稳地破裂，破裂后仍然具有一定的强度。 因此，在岩体已经开裂破坏而尚未垮落的情况下，如能采取措施制止或缓和岩体变形，则岩体破坏就会停止而仍然保持相当大的承载能力。 锚喷支护就是制止岩体变形的十分有效的措施。 岩石在静荷载单向压缩情况下，应力-应变的一般关系如图l-l所示。 1.2.1 岩石的变形特征 (1) 静荷载下岩石的变形特征 9 应力应变关系总结 I—OA，裂隙压密闭合阶段 Ⅱ—AB，线弹性阶段 Ⅲ—BC，破裂发展阶段 Ⅳ一CD，软化阶段 1.2.1 岩石的变形特征 (1) 静荷载下岩石的变形特征 10 岩石受单轴压缩时，始终伴随着体积变化，其一般规律是在弹性阶段体积减小而在塑性阶段体积膨胀。 通常将体积改变量ΔV原体积V比值称为体积应变，也称体积改变率。 体积应变εv三向应变之间的关系为： εv =εx+εy +εz 由于岩石具有在弹性阶段体积变小和塑性阶段体积增大的特点，故在塑性阶段，试件要先恢复至原体积而后再超过原体积。 相对于试件原体积而言，体积由减小到增大的转折点大约在δ＝Rc/2附近，Rc为岩石单轴抗压强度。 1.2.1 岩石的变形特征 (1) 静荷载下岩石的变形特征 11 岩石在塑性阶段的体积膨胀称为扩容现象，它主要是由于变形引起裂隙发展和张开而造成的。 它对于研究巷道变形和围岩对支护造成的压力等问题有重要意义。 岩石受载后变形很小即破裂的性质称为脆性。 永久变形或全变形小于3％者为脆性破坏，具有这种特性的岩石称为脆性岩石。 永久变形或全变形大于5%者为塑性破坏，具有这种特性的岩石称为塑性岩石。 永久变形或全变形为3％~5％为过渡状态。 1.2.1 岩石的变形特征 (1) 静荷载下岩石的变形特征 12 岩石的弹性、塑性和脆性不是绝对的，可随受力状态、加载速度、温度等条件变化而变化。 例如： 多数岩石在单向或三向低压应力状态下表现出脆性，但在三向高压应力状态下脆性岩石在破坏前都表现出很