岩石强度性质

岩石力学RockMechanics主讲教师：蔚宝华联系电话：[phone]电子邮箱：[e-mail]岩块的强度特征概述岩石的抗压强度岩石的抗拉强度岩石的抗剪强度强度准则第一节概述在外载作用下，当岩石内部的应力达到或超过某一极限时，岩石就发生破坏岩石破坏的形式主要有：*拉伸破坏#脆性破坏*剪切破坏#延性破坏第一节概述脆性破坏：岩石在荷载作用下没有显著觉察的变形就突然破坏。*大多数坚硬岩石在一定条件下都表现出脆性破坏的性质。*产生这种破坏的原因可能是岩石中裂隙发生和发展的结果。例如，地下洞室开挖后，由于洞室周围的应力显著增大，洞室岩可能产生许多裂隙，尤其是洞顶的张裂隙，这些都是脆性破坏的结果。第一节概述延性破坏：岩石在破坏之前变形很大，且没有明显的破坏荷载，表现出显著的塑性变形，流动或挤出，这种破坏称为延性或韧性破坏。塑性变形是岩石内结晶晶格结位的结果。在一些软弱岩石中这种破坏较为明显。有些洞室的底部岩石隆起，两侧围岩向洞内膨胀都属延性破坏的例子。坚硬岩石一般属于脆性破坏，但在两向或三向受力较大的情况下，或者在高温的影响下，也可能延性破坏。第一节概述岩体破坏的主要形式是弱面剪切破坏弱面剪切破坏：岩体中存在着许多软弱结构面，细微裂隙等弱面，在荷载作用下，弱面上的剪应力一旦超过弱面的抗剪强度时，岩体将弱面剪切破坏，致使岩体产生滑移。如节理岩体中的地下洞室顶部岩块崩塌，洞侧岩石的滑动，以及岩坡沿软弱面的失稳等，都属于弱面剪切破坏。第一节概述岩石在破坏前后的应力--应变关系比金属材料复杂得多，岩石究竟属于脆性材料还是属于塑性材料，这不仅取决于岩石性质，且受应力状态，地温，受荷时间等多种因素的影响。第一节概述岩石强度：岩石的强度是指荷载作用下岩石的抵抗破坏的能力。为了研究岩石的强度特征，经常将岩石制备成试件在实验室进行试验，依据试样应力状态的不同分为：岩石单轴抗压强度试验，抗拉强度试验，抗剪强度试验等。试验时将岩样制备成规定的试件然后按相应的试验规程进行试验。试验测定的强度指标分又可为：单轴抗压强度，单轴抗拉强度，抗剪切强度等。第二节岩石的抗压强度一、岩石抗压强度的定义及研究意义1.岩石抗压强度的定义岩石的抗压强度是岩石试件在单轴压力下抵抗破坏的极限能力，极限强度在数值上等于破坏时的最大压应力。2.测定岩石抗压强度的意义A衡量岩块基本力学性质的重要指标B建立岩石破坏判据的重要指标C用来大致估算其他强度参数第二节岩石的抗压强度二、岩石抗压强度测定圆柱形试件：φ4.8－5.2cm，高H=（2－2.5)φ长方体试件：边长L=4.8－5.2cm,高H=（2－2.5)L试件两端不平度0.5mm；尺寸误差±0.3mm;两端面垂直于轴线±0.25o2.岩样标准1.计算方法APRc/P—轴向破坏荷载A—试件界面积式中：第二节岩石的抗压强度三、岩石试样的破坏形式劈裂破坏剪切破坏延性破坏第二节岩石的抗压强度2.试验条件方面的因素①试样的的几何形状及加工精度；②加载速率；③端面条件-端面效应；⑤层理结构-取心方式3.环境的影响—温度和湿度的影响1.岩石自身性质的因素岩石自身的性质（矿物组成、颗粒大小及形状、粒间连接、结构特征、微结构面、风化程度）对其抗压强度起决定作用四、岩石抗压强度的影响因素第二节岩石的抗压强度岩石种类抗压强度(MPa)岩石种类抗压强度(MPa)粗玄岩196～343石英片岩69～178辉长岩177～294云母片岩59～127闪长岩177～294凝灰岩59～167玄武岩147～294千枚岩49～196石英岩147～294片麻岩49～196花岗岩98～245石灰岩29～245流纹斑岩98～245砂岩19.6～196大理岩98～245泥灰岩12～98板岩98～196页岩9.8～98白云岩78～245煤4.9～49四、岩石抗压强度的影响因素—岩石自身性质的因素2试验条件对岩石抗压强度的影响①试样几何形状及加工精度的影响多边形试样易引起应力集中，故易破坏；横截面形状对强度的影响：圆形六多边形四边形三边形试件；加工精度影响应力分布形式，如弯矩。岩石具有尺寸效应：试样尺寸越大，岩石强度越低圆形试件的优点：不易产生应力集中，好加工；对圆柱试件的尺寸要求：大于矿物颗粒的10倍；高径比：h/d≥(2－3)较合理，尺寸效应其抗压强度影响的经验公式：)/(222.0778.01Dhcc2试验条件对岩石抗压强度的影响②加载速率对抗压强度的影响：加载速度越大，表现强度越高，我国规定加载速度为0.5-1.0MPa/s2试验条件对岩石抗压强度的影响③端面条件：主要是端面摩擦力限制试样的横向膨胀,改变端部应力状态层理结构强度各向异性2试验条件对岩石抗压强度的影响3环境对抗压强度的影响含水量：含水量越大强度越低；岩石越软越明显，对泥岩、粘土等软弱岩体，干燥强度是饱和强度的2－3倍。见下表（Nextpage）温度度：180℃以下不明显：大于180℃，湿度越高强度越小。注意：岩芯的保存——尽可能的维持井下状况第二节岩石的抗压强度第三节单轴抗拉强度1.定义：岩石的抗拉强度就是岩石试件在单轴拉力作用下抵抗破坏的极限能力或极限强度在数值上等于破坏时的最大拉应力，岩石的抗拉强度比其抗压强度低得多。2.意义：a）衡量岩体力学性质的重要指标b）用来建立岩石强度判据，确定强度包络线c）选择建筑石材不可缺少的参数3.测定方法：a）直接拉伸b）间接法（劈裂法、点荷载法、三点弯曲法）a）直接法试验时将这种试件两端固定在拉力机上，然后对试样施加轴向拉力，直至试件破坏，试件的抗拉强度为：APt缺点：试样制备困难，它不易与拉力机固定，且在试样断裂处附近往往有应力集中，同时难免在试件两端面有弯矩关键技术：①试件和夹具之间的连接；②加力P与试件同心B）劈裂法（巴西法），对称径向压裂法由巴西人Hondros提出试件：实心圆柱φ50mm；厚度l=(0.5-1)D试验：径向压缩破坏（张开）要求：①荷载沿轴向均匀分布②破坏面必须通过试件的直径B）劈裂法（巴西法），对称径向压裂法注：①端部效应②并非完全单向应力计算公式：由弹性力学公式Dtpt/2式中：t——试验中心的最大拉应力，抗拉强度p——试验中破坏时的压力D——试件的直径t——试件的厚度B）劈裂法（巴西法），对称径向压裂法C）点荷载试验法是上世纪发展起来的一种简便的现场试验方法试件：任何形状，尺寸大致5cm，不做任何加工试验：在直接带到现场的点荷载仪上，加载劈裂破坏。2/DPIIRt96.015196.0151iitIR计算：式中：P——试件破坏时的极限D——加载点试件的厚度统计公式：要求:（由于离散性大），每组15个，取均值，即建议：用φ5cm的钻孔岩芯为试件。岩石中包含有大量的微裂隙和孔隙，岩块抗拉强度受其影响很大，直接削弱了岩块的抗拉强度。相对而言，空隙对岩块抗压强度的影响就小得多，因此，岩块的抗拉强度一般远小于其抗压强度。通常把抗压强度与抗拉强度的比值称为脆性度，用以表征岩石的脆性程度。4影响因素：结构面的影响（裂隙空隙）常见岩石的抗拉强度岩石名称抗拉强度（MPa）岩石名称抗拉强度（MPa）岩石名称抗拉强度（MPa）辉长岩15~36花岗岩7~25页岩2~10辉绿岩15~35流纹岩15~30砂岩4~25玄武岩10~30闪长岩10~25砾岩2~15石英岩10~30安山岩10~20灰岩5~20大理岩7~20片麻岩5~20千枚岩、片岩1~10白云岩15~25板岩7~15三、剪切强度1.定义：在剪切荷载作用下，岩块抵抗剪切破坏的最大剪应力，称为剪切强度2.类型：1）抗剪断强度：指试件在一定的法向应力作用下，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力2）抗切强度：指试件上的法向应力为零时，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力3）摩擦强度：指试件在一定的法向应力作用下，沿已有破裂面（层面、节理等）再次剪切破坏时的最大剪应力。抗剪试验又称摩擦试验3、意义：反映岩块的力学性质的重要指标用来估算岩石力学参数及建立强度判据4、抗剪断强度的测试方法：1）直剪试验2）变角板剪切试验3）三轴试验三、剪切强度1）直剪试验直剪试验在直剪仪上进行，按库仑定律求岩块的剪切强度参数C、φ值。)cos(sin)sin(cosfAPfAP变角板剪切试验P——压力机的总压力A——破坏面面积——试件倾角f——圆柱形滚子与上下压板的摩擦系数楔形剪切仪试验设备破坏面应力计算：试验结果处理讲了强度准则后我们在回过头来看如何对试验结果进行分析Apmm1第四节三轴压缩强度定义：试件在三向压应力作用下能抵抗的最大轴向应力测定方法:在一定的围压σ3下，对试件进行三轴试验时，岩块的三轴压缩强度σ1m(MPa)为：围压对变形破坏的影响岩石破坏前应变峰值强度随3增大而增大随3增大岩石变形模量增大，软岩增大明显，致密的硬岩增大不明显随3增大，岩石的塑性不断增大，随3增大到一定值时，岩石由弹脆性转变为塑性。这时，3的大小称为“转化压力”。随3的增大，岩块从脆性劈裂破坏逐渐向塑性剪切及塑性流动破坏方式过渡。围压对变形破坏的影响围压对变形破坏的影响围压对变形破坏的影响利用三轴试验确定抗剪强度根据一组试件(4个以上)试验得到的三轴压缩强度σ1m和相应的σ3以及单轴抗拉强度σt。在σ-τ坐标系中可绘制出岩块的强度包络线。除顶点外，包络线上所有点的切线与σ轴的夹角及其在τ轴上的截距分别代表相应破坏面的内摩擦角(φ)和粘聚力(C)。抗剪试验又称摩擦试验试验结果处理讲了强度准则后我们在回过头来看如何对试验结果进行分析利用三轴试验确定抗剪强度根据一组试件(4个以上)试验得到的三轴压缩强度σ1m和相应的σ3以及单轴抗拉强度σt。在σ-τ坐标系中可绘制出岩块的强度包络线。除顶点外，包络线上所有点的切线与σ轴的夹角及其在τ轴上的截距分别代表相应破坏面的内摩擦角(φ)和粘聚力(C)。定义：表征岩石破坏条件的应力状态与岩石强度参数间的函数关系，称为破坏判据（failurecriterion)或称强度准则、强度判据。σ1=F(σ2,σ3,σC,σt,C,Ф)第五节岩石的强度准则强度参数和强度准则莫尔判据莫尔-库仑判据格里菲斯判据八面体强度判据第五节岩石的强度准则莫尔认为：材料在极限状态下，剪切面上的剪应力就达到了随法向应力和材料性质而定的极限值时，发生破坏。也就是说，当材料中一点可能滑动面上的剪应力超过该面上的剪切强度时，该点就产生破坏，而滑动面的剪切强度τ又是作用于该面上法向应力σ的函数。一、莫尔判据)(f判断岩石中一点是否会发生剪切破坏时，可在莫尔包络线上，叠加上反映实际研究点应力状态的莫尔应力圆，如果应力圆与包络线相切或相割，则研究点将产生破坏；如果应力圆位于包络线下方，则不会产生破坏。一、莫尔判据)(2tn1、抛物线型n是待定系数如何表达成主应力的表达形式？如何确定n？从强度曲线上的一点M的应力状态出发莫尔园（Mohr’sCircle）11222sin212cos2121212121)(2tn1、抛物线型)(412sin1)(22)(2sin2223131tttnnnctgddnctg2312314)(2)(nnnt)(2tn1、抛物线型)2(20)2(2022213tccctccnnn近似解：，单轴压缩条件下：2312314)(2)(nnnt适用于岩性较坚硬至较软弱的岩石，如泥灰岩、砂岩、泥页岩等岩石。)(2tn1、抛物线型2431223122)2(4)2()2()()()2(2tccttcctctcc2.双曲线型适用于砂岩、灰岩、花岗岩等坚硬、较坚硬岩石。210222)3(2