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干湿状态下岩石动静弹性参数变化规律及关系

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第３４卷第２期　２　０　０　８年１月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸｌ　ＡＲＣＨＩＴＥＣｎ珏　Ｅ　ＶｏＩ．３４　Ｎｏ．２　Ｊａｎ．２００８　・１７・　

文章编号：１００９—６８２５（２００８１０２．００１７—０２　

干湿状态下岩石动静弹性参数变化规律及关系　

刘建辉　方　云　胡学军　

摘要：以某核电场基岩的花岗岩为研究对象，通过弹性模量和泊松比两种方法测得岩石在烘干和饱和两种不同状态下　

的弹性参数，并对实测结果进行了对比分析，总结了岩石在两种不同状态下的动静弹性参数的变化规律及动静态系数间　

的函数关系式，对岩土工程设计具有重要意义。　

关键词：岩石，动弹性力学参数，泊松比，力学特性　

中图分类号：ＴＵ４５２　文献标识码：Ａ　

引言　

弹性模量和泊松比是表征岩石变形的重要力学参数，其大小　

可以由动态的弹性波测试和静态的室内压缩试验两种方法获得。　

室内的动态测试法是通过测定超声波在岩样中的传播速度转换　

得到的。静态法是通过对岩样进行单轴或三轴静态加载测其变　

形而得到的。　在岩土工程实践中，多习惯于采用静态法获得岩石的力学参　

数，但是静态试验法要花大量的人力和物力，而超声波测试相对　要简便得多，是研究岩体物理力学性质行之有效的方法ｎｊ。总结　

岩石的动态与静态弹性模量的相关性，力求通过类比、节省静力　试验的工作量，是众多学者研究已久的课题（１－６］。岩石的动、静弹　

性力学参数的变化规律及动、静态系数间的相互关系，对岩土工　

程设计具有重要意义。　

１试验研究　

１．１岩石试样特性及试验务件　

本次试验所用岩石试样采自某地区一核电站基岩。岩性为　

燕山早期侵入的花岗岩，包括有中等风化和微风化两种风化状　

态。试样的制备按ＧＢ／Ｔ　５０２６６—９９工程岩土试验实验方法标准　

的要求进行。测试岩样的尺寸为：直径５．７　Ｃ／２ｑ，长度１０．３　Ｃ／２ｑ。饱　

和试样是在２　ＭＰａ压力下饱水２４　ｈ制备，烘干试样在１１０℃烘　

烤箱中烘烤２４　ｈ制备。　

本次试验总体上先按照花岗岩的风化程度将其分为中等风　

化和微风化两大类，然后再将各大类依据岩样的颜色、裂隙发育　

程度等因素细分为５组。　

１．２试验方法　

动态弹性参数试验是利用武汉岩海公司生产的ＲＳ－ｓ１１Ｃ）１Ｃ　型非金属声波检测仪来完成的。通过５０Ｋ的纵波传感器及横渡　

传感器测定干湿不同状态下岩石试样的横、纵弹性波速。试验时　

把岩石试样平行夹在声波发射与接收两换能器之间，两换能器中　

心对正。在横波测试过程中，以锡箔作为换能器与岩样之间的耦　

合剂；纵波测试过程中，以凡士林作为耦合剂。按式（１），式（２）确　

定岩石的动弹性模量　和泊松比　Ｈｊ：　

Ｆ．一　！　二　！　ｒ１、　

一　

＝（Ｒ　—２）／２（Ｒ　—１）　（２）　

其中，Ｅｄ为岩石的动弹性模量；ＩＤ为岩石试件的密度；　为　岩石的动泊松比；Ｒ＝　／　。　静态弹性参数试验是在英国ＩＮＳＴＲＯＮ公司生产的液压伺　

服机系统上完成的。该系统通过计算机编程控制记录整个试件　

受压过程，并形成相应的应力一应变全过程曲线。可直接从计算　

机读出应力值、纵向应变和横向应变。通过此单轴压缩试验系统　

获得岩石的变形参数。采用一元回归分析方法，取载荷一纵向变　

形曲线上直线段的斜率为切线模量作为静弹性模量Ｅ　。静态泊　

松比依据试样的横向变形与纵向变形之比求得。　

２试验结果的对比分析与规律探讨　

２．１　弹性模量的对比分析及规律探讨　

岩样的动静弹性模量之比受岩样风化程度和干湿程度的影　响。在干燥状态时，中等风化岩样的动静弹性模量之比均大于１，　

而处于微风化状态的岩样取值均小于１。岩样处于饱和状态时，　

中等风化与微风化岩样的动静弹性模量之比均大于１，且中等风　

化时的比值大于微风化时的比值。中等风化时的比值在２～５之　

间，而微风化时的比值均在１～２之间。另外，应用回归分析方　

法，对试验所得数据进行拟合，得到不同状态和不同试验条件下　

岩样的动、静弹性模量间呈二次多项式函数关系，其关系曲线见　

图１和图２。　＋烘干试样动静弹性模量关系拟合曲线　４５　４ｏ　

∞３５　

删２５　２０　１５　融１０　箍　５　０　

动弹性模量Ｅａ／ＧＰａ　图１　中等风化花岗岩干湿状态下动静弹性模量关系　

＋烘干试样动静弹性模量关系拟合曲线　９０　重　

６ｏ　删５０　４ｏ　掣３ｏ　墓２。０。　

０　动弹性模量Ｅａ／ＧＰａ　图２　微风化花岗岩干湿状态下动静弹性模量关系　

收稿Ｆｔ期：２００７．０９．０１　作者简介：刘建辉（１９８０一），男，中国地质大学（武汉）工程学院地质工程专业硕士研究生，湖北武汉４３００７４　方云（１９５５一），男，教授，中国地质大学（武汉）工程学院，湖北武汉４３００７４　胡学军（１９６２一），男，助理工程师，中国地质大学（武汉）工程学院岩石力学实验室，湖北武汉

４３００７４　维普资讯 http://www.cqvip.com ．１殳．　第３４卷　山　西　建　筑２　０　０　８　１　・１８・　年月　

２．２泊松比的对比分析及规律探讨　

图３和图４为不同风化程度、不同干湿条件下动静泊松比的　

试验成果。由图可知：动、静态泊松比试验数据离散性较大，相关　性差。葛洪魁等［３　也得出了类似的试验结论。　

●烘干状态下动静泊松比　

越　轻　瘿　拍　箍　

越　轻　瘿　桶　箍　动态泊松比　图３　中风化烘干与饱和状态下动静泊松比　

●烘干状态下动静泊松比　

动态泊松比　图４　微风化烘干与饱和状态下动静泊松比　拟合后不同状态和不同试验条件下岩样的动、静弹性模量间　

的关系式如下：　１）中等风化状态、烘干试验条件下岩样的动、静弹性模量间　

的关系式：　

Ｅ　＝一０．０１６×Ｅ丢＋３．６０６×Ｅｄ一９１．７９５　（３）　

２）中等风化状态、饱和试验条件下岩样的动、静弹性模量问　

的关系式：　

Ｅ＝一０．０１３×Ｅ　＋１．６７０×Ｅｄ一３１．０８２　（４）　

３）微风化状态、烘干试验条件下岩样的动、静弹性模量间的　

关系式：　

Ｅ　＝一０．２９１×Ｅ丢＋２６．０９５×Ｅｄ一５０５．９７０　（５）　

４）微风化状态、饱和试验条件下岩样的动、静弹性模量间的　

关系式：　

Ｅ　＝０．０５５×Ｅ丢一５．５３４×Ｅｄ＋１７２．８００　（６）　

３动静弹性力学参数变化的影响因素及分析　

３．１风化状态　

对试验结果数据对比可知：风化程度对岩石的动静态弹性力　

学参数影响最为显著。由于岩块具有明显的非均质性，其内部含　

有错位、裂隙、节理等各种损伤。这些损伤随机分布在岩块中，对　

弹性波的传播速度有着极大影响，从而导致岩石的动静弹性参数　

的差异。　进行分析，可以得知当岩石中发育与轴向平行的节理或裂隙时，　

动态模量高于静态模量。当裂隙或节理多沿径向展布时，声波在　

空气中的传播速度最慢，可能导致动态模量低于静态模量。　

３．２试验条件　

试验表明，相同的试样在不同的试验条件（烘干或饱和）下所　

得的结果也不同。由于声波在水中的传播速度比在空气中大，岩　

石在饱水状态下的动弹模量比干燥状态下的动弹模量大。岩石　含水量的变化对波速的影响已有很多学者进行了相关研究［２－６］，　

研究结果表明：岩石均具有干燥状态时波速值低，吸水后随着饱　

和度的增＝ｂ　波速逐渐增大的现象，即岩石动弹模量随着岩石的吸　

水饱和度的增大而增加。　

３．３试验方法　

试验方法对试验结果也有影响。由于动态声波测试为小应　

变测试，而静态单轴试验属于大应变测试，在静态大应变条件下，　

岩石将会沿裂隙面或颗粒接触面发生滑动摩擦，使岩石的静态模　

量减小，而声波引起的应变很小，不足以引起这种滑动，因而对于　

干燥试验条件下中等风化类岩石，一般动态模量高于静态模量。　

４结语　

１）对试验结果进行分析可知，在干燥状态时，中等风化岩样　的动静弹性模量之比均大于１，而处于微风化状态的岩样其值均　

小于１。岩样处于饱和状态时，中等风化与微风化岩样的动静弹　

性模量之比均大于１，且中等风化时的比值均大于微风化时的比　

值。２）不同状态和不同试验条件下岩样的动、静弹性模量问相关　

性较好，呈二次多项式函数关系，在工程实践中可以根据动弹性　模量来估算静弹性模量。而动静泊松比的离散性很大，其相关性　

不明显。３）花岗岩岩样的动静弹性参数问关系受风化程度、试验　条件、试验方法等因素影响。其中风化程度较其他因素的影响明　

显。４）影响岩石力学特性的因素较多，试验结果常常呈现一定的　

波动。为了取得符合工程实际的结果，应该基于大量的试验数据　

进行回归分析。　

参考文献：　［１］王让甲．声波岩石分级和岩石动弹性力学参数的分析研究　

Ｉ　Ｍ１．北京：地质出版社，１９９７．１７—１９．　［２］葛洪魁，陈颗，林英松．岩石动态与静态弹性参数差别的微　

观机理［Ｊ］．石油大学学报（自然科学版），２００１，２５（４）：３４—３５．　［３］林英松，葛洪魁．岩石动静态力学参数的试验研究［Ｊ］．岩石力　

学与工程学报，１９９８，１７（２）：２１６—２２２．　

［４］杨圣奇，张学民．岩块声学特性的试验研究［Ｊ］．辽宁工程技术　

大学学报，２００３，２２（６）：７７３—７７５．　［５］罗淦堂，胡月兰．岩石湿度对纵波速度的影响［Ｊ］．岩土工程学　

报，１９８５（５）：６７—６８．　［６］王桂花，张建国．含水饱和度对岩石力学参数影响的实验研究　

［Ｊ］．石油钻探技术，２ｏ０１，２９（４）：６１．　试验前对岩样进行裂隙、节理的统计描述，然后对照试验结果　

Ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｉｎｇ　ｒｕｌｅ　ｏｆ　ｄｙｎａｍｉｃ　ａｎｄ　ｓｔａｔｉｃ　ｅｌａｓｔｉｃ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　

ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅｓ　ｏｆ　ｄｒｙ　ａｎｄ　ｗｅｔ　ｒｏｃｋ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　

ＬＩＵ　Ｊｉａｎ－ｈｕｉ　ＦＡＮＧＹｕｎ　ＨＵＸｕｅ－ｊｕｎ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　ｇｒａｎｉｔｅ　ｏｆ　ｂｅｄｒｏｃｋ　ｉｎ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｎｕｃｌｅａｒ　ｐｏｗｅｒ　ｐｌａｎｔ　ａＳ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　０ｂｊｅｔ，ｔｈｅ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｅｌａＳｔｉｃ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｏｃｋ　

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ｓｕｒｉｎｇ　ｒｅｓｕｌｔｓ，ａｎｄ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ　ｃｈａｎｇｉｎｇ　ｒｕｌｅｓ　ｏｆ　ｒｏｃｋ’Ｓ　ｄｙｎａｍｉｃ　ａｎｄ　ｓｔａｔｉｃ　ｅｌａＳｔｉｃ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｕｎｄｅｒ　ｔｗｏ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｑｕａ—　

ｔｉｏｎｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｄｙｎａｍｉｃ　ａｎｄ　ｓｔａｔｉｃ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｗｈｉｃｈ　ｈａＳ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｓ　ｆｏｒ　ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｄｅｓｉｇｎ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｒｏｃｋ，ｄｙｎａｍｉｃ　ｅｌａＳｔｉｃ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ，Ｐｏｉｓｓｏｎ’Ｓ　ｒａｔｉｏ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉ

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水环境下岩石蠕变特性及本构模型研究综述

水环境下岩石蠕变特性及本构模型研究综述

Hans Journal of Civil Engineering 土木工程, 2023, 12(9), 1197-1202 Published Online September 2023 in Hans. https:///journal/hjce https:///10.12677/hjce.2023.129138

文章引用: 石棋军. 水环境下岩石蠕变特性及本构模型研究综述[J]. 土木工程, 2023, 12(9): 1197-1202. DOI: 10.12677/hjce.2023.129138

水环境下岩石蠕变特性及本构模型 研究综述 石棋军 重庆科技学院建筑工程学院，重庆 收稿日期：2023年8月6日；录用日期：2023年8月27日；发布日期：2023年9月7日 摘 要 岩石的重要力学特性之一是蠕变，而水又是影响岩石的蠕变力学性能的一个关键因素。本文主要阐述了近年来国内外学者对岩石在水环境下进行的蠕变试验和本构方程方面的研究成果，并对未来的岩石蠕变及本构方程研究方向进行了展望。 关键词 岩石，蠕变试验，本构方程，水环境 Research Review on Creep Characteristics and Constitutive Model of Rock under Water Environment Qijun Shi School of Civil Engineering and Architecture, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing Received: Aug. 6th, 2023; accepted: Aug. 27th, 2023; published: Sep. 7th, 2023 Abstract One of the important mechanical properties of rocks is creep, and water is a key factor affecting the creep mechanical properties of rocks. In this paper, the research results of creep test and con-stitutive equation of rock in water environment carried out by domestic and foreign scholars in recent years are mainly described, and the research direction of rock creep and constitutive equa-tion in the future is prospected. 石棋军

岩石的岩石的力学性质

岩石的岩石的力学性质

岩石的1岩石的力学性质－岩石的变形

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。

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。

 1.5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。

 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.

 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），

 4）脆性(brittle):物体受力后，变形很小时就发生破裂的性质。

 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。

 1.7岩石变形指标及其确定

 岩石的变形特性通常用弹性模量、变形模量和泊松比等指标表示。

3）全应力－应变曲线的工程意义

 ①揭示岩石试件破裂后，仍具有一定的承载能力。

 ②预测岩爆。

 若A>B，会产生岩爆

岩石应力应变曲线四个阶段的特点

岩石应力应变曲线四个阶段的特点

岩石应力应变曲线四个阶段的特点介绍如下：

岩石的应力-应变曲线通常分为四个阶段，分别是弹性阶段、塑性前期阶段、塑性流动阶段和破裂阶段。这四个阶段的特点如下：

1. 弹性阶段：在这个阶段内，岩石的应力与应变呈线性关系，即服从胡克定律。当岩石受到外界应力时，它会发生弹性变形，当外界应力消失时，岩石会恢复原来的形状。这个阶段的特点是应力与应变成正比，变形为弹性变形，没有残余变形。

2. 塑性前期阶段：当岩石的应力超过一定的值时，它就会发生一些微小的塑性变形，这个阶段称为塑性前期阶段。在这个阶段内，岩石的应变随着应力的增加而不断增加，但是应力与应变的关系不再是线性的，而是开始变得曲线化。

3. 塑性流动阶段：当岩石的应力继续增加时，它会发生更加明显的塑性变形，这个阶段称为塑性流动阶段。在这个阶段内，岩石的应变呈现出非线性的增长趋势，而应力与应变的关系也呈现出曲线化的趋势。这个阶段的特点是，岩石的应变速率逐渐增大，同时岩石的应力也逐渐增大。

4. 破裂阶段：当岩石的应力继续增加时，最终会达到岩石的破裂强度，这个阶段称为破裂阶段。在这个阶段内，岩石的应变速率急剧增大，同时岩石的应力也急剧增大，直到岩石最终破裂。这个阶段的特点是，岩石的应变速率达到了峰值，同时岩石的应力也达到了峰值。

岩石的变形与强度特征

岩石的变形与强度特征

岩石的变形与强度特征

岩石的变形特征指的是岩石在外力作用下发生形变的能力和方式。岩石的变形特征可以分为弹性变形、塑性变形和破裂变形。

弹性变形是指岩石受到外力作用后，在力消失后能够恢复原状的能力。在弹性变形过程中，岩石的分子或晶粒发生微小的变形，但岩石体整体保持无残余变形。弹性变形是岩石的初始变形阶段，也是岩石的应力-应变关系呈线性的阶段。

塑性变形是指岩石在受到外力作用时，发生可见的变形，并且在力消失后不能完全回复原状的能力。岩石发生塑性变形时，其分子或晶粒会发生较大的变形，导致岩石内部产生残余变形。塑性变形是岩石的中等和后期变形阶段，其应力-应变关系呈非线性。

破裂变形是指岩石在受到较大外力作用或超过岩石强度极限时发生的变形。在破裂变形过程中，岩石会发生明显的断裂和破碎，并且通常伴随着能量的释放。岩石的破裂变形是岩石的破坏阶段，岩石在此阶段往往失去了承载能力。

岩石的强度特征指的是岩石承受外力时的力学性能。岩石的强度特征包括抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、硬度和韧性等。不同类型的岩石具有不同的强度特征，例如，花岗岩具有高抗压强度和硬度，而粘土具有较低的抗压强度和硬度。岩石的强度特征是评价岩石工程性质的重要指标，在岩石工程设计和施工中具有重要的意义。