高黎----岩石峰后的变形特征与强度特征

岩石峰后的变形特征与强度特征一、岩石变形定义、研究方法、研究现状与研究意义石在外力或其他物理因素（如温度、湿度）作用下发生形状或体积的变化。不仅小的岩块，就是整个地壳岩体在力的作用下也会不断变形，地壳目前的蠕变速率一般为 10-16秒，西藏高原和喜马拉雅山以每年几厘米的速率上升。地壳变形急剧的地方会产生断层、褶皱等。工程岩体往往因为变形过大，导致失稳。因此岩石变形特性是岩石力学研究的重要内容之一。研究的重点是岩石的应力应变时间关系。中国学者在岩石变形，尤其是岩石流变研究方面起步较早，占有重要地位。包括单向和三向条件下的变形曲线特性、弹性和塑性变形、流变（应力-应变-时间关系）和扩容。岩石流变主要包括蠕变和松弛。在应力不等时岩石的变形随时间不断增长的现象称为蠕变。在应变不变时岩石中的应力随时间减少的现象称为松弛。岩石扩容是指在偏应力作用下，当应力达到某一定值时岩石的体积随着偏应力的增大而增大的现象。研究岩石变形在室内常用单轴或三轴压缩方法、多数试验往往结合强度研究进行。为了测定岩石应力达到峰值后的应力与应变关系，必须应用伺服控制刚性压力机。野外试验有承压板法、水压法、钻孔膨胀计法和动力法等。根据室内外试验可获得应力与应变关系和应力-应变-时间关系以及相应的变形参数，如弹性模量、变形模量、泊松比、弹性抗力系数、流变常数等。将岩块置于单轴压缩条件下进行试验,以获得它的变形性质。图 1 是粉砂岩的试验结果。用普通压力机,只能得到岩样破坏以前的应力-应变(或变形)关系曲线，用近年研制成的“刚性压力机”还可得到破坏后的资料。利用这些试验结果,可以研究岩样的应力-应变全过程，阐明破坏机理和变形特性。天然岩体常处于三向应力状态，因此也常在室内用三轴试验来研究周围压力对岩石变形的影响。试验表明，在围压较低的情况下，岩石往往呈脆性破坏，变形较小。围压超过一定程度以后，岩石表现出塑性流动性质，变形较大。一般岩块由于包含的裂隙少,在同样受力条件下,所得变形远较裂隙岩块的变形小。对于工程设计，一般应用野外岩体试验所得的变形参量。二、岩石的全应力应变曲线（图 1）岩石全应力应变曲线岩石全应力应变曲线，亦称“应力-应变图”。表示材料在外力或外因变化的作用下,应力与应变变化特征的曲线。全应力应变曲线，表征了岩石从开始变形，逐渐破坏，到最终失去承载能力的整个过程。根据岩石的变形全应力应变曲线分为 6 个阶段， 各个阶段的特征和反映的物理意义如下：（1）OA 段，应力缓慢增加，曲线朝上凹，岩石试件内裂隙逐渐被压缩闭合而产生非线性变形，卸载后全部恢复，属于弹性变形。(2) AB 段，线弹性变形阶段，曲线接近直线，应力应变属线性关系，卸载后可完全恢复。（3）BC 段，曲线偏离线性，出现塑性变形。从 B 点开始，试件内部开始出现平行于最大主应力方向的微裂隙。随应力增大，数量增多，表征着岩石的破坏已经开始。（4）CD 段，岩石内部裂纹形成速度增快，密度加大，D 点应力到达峰值，到达岩石最大承载能力。（5）DE 段，应力继续增大，岩石承载力降低，表现出应变软化特征。此阶段内岩石的微裂隙逐渐贯通。（6）残余强度。强度不再降低，变形却不断增大。三、岩石全应力应变曲线峰后的强度及其变形特征研究岩石试件承载力达到峰值强度后，其内部结构遭到破坏，但试件基本保持整体状。到破裂后阶段，裂隙快速发展，交叉且相互联合形成宏观断裂面。此后，岩石试件变形主要表现为沿宏观断裂面的块体滑动，试件承载力随变形增大迅速下降，但并不降到零，说明破裂的岩石仍有一定的承载力。岩石达到峰值后如果继续对其施加压力，拉力，剪切力。岩石会产生各种各样的变形。（1） 岩石峰后的抗压强度和变形特性岩石在经历抗压试验，经历前三阶段到达承载力峰值，内部结构已经遭到破坏，但是还有一定的承载力，继续对其施压，超过最后承载力时，试件会突然崩裂。试件在加载压力接近峰值压力时，试件内部的微裂隙会一直发展，继续加载压力，进入非稳定发展阶段，岩石会从弹性变为塑性的转折点，即屈服点。在本阶段试件微破裂发生质的变化，直至完全破坏。试件体积从压缩转为扩容，轴向应变与体积应变速率迅速增大， ，继续加压，岩块会沿宏观断裂面的块体滑移，最后破碎。（2） 岩石峰后的抗拉强度和变形特性