2.3-岩石的强度特性

第三节岩石的强度特性与工程材料有关的两个问题：1最大承载力—许用应力[]？—强度特性2最大允许变形－许用应变[]？—变形特性本节讨论[]问题强度：是材料受力时抵抗破坏的能力，即指材料在荷载作用下所能承受的最大的单位面积上的力。本节强度单向抗压强度单向抗拉强度剪切强度三轴压缩强度真三轴假三轴一岩石单轴抗压强度1.定义：指岩石试件在无侧限约束的条件下，受轴向压力作用破坏时单位面积上承受的荷载。APRc/式中：P—无侧限约束条件下轴向破坏荷载；A—试件截面积。（与试件轴线或轴向力垂直）2.试验方法：《工程岩体试验方法标准》：加载速度：0.5-1.0MPa/s；形状：圆柱形试件：φ4.8－5.4cm，高H=（2－2.5)φ长方体试件：边长L=4.8－5.4cm,高H=（2－2.5)D试件两端不平整度≤0.05mm；直径或边长尺寸误差≤0.3mm；两端面应垂直于轴线，最大偏差≤0.25°。3.单向压缩试件的破坏形态破坏形态有2类：（1）圆锥形破坏原因：承压板两端与试件间存在摩擦力，箍作用（又称端部效应）。（2）柱状劈裂破坏原因：①消除了端部效应；②岩石的抗拉强度远小于抗压强度。消除试件端部约束的方法：①润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油等）；②加垫块（垫块与试件同刚度或同材料）。岩石破坏形态的主要影响因素：①应力状态（单双轴）②试验条件（摩擦）破坏现象：试件破坏时，主要出现平行于试件轴向的垂直裂缝，使试件丧失了抵抗外力的作用破坏现象：试件侧向部分岩石逐渐向外变形、剥离，最终形成两个圆锥形。压应力区压应力区拉应力区4.影响单轴抗压强度的主要因素（1）承压板端部的摩擦力及其刚度：①承压板刚度很大，接触面的应力分布不均匀—山字型；②承压板刚度很小（柔性承压板），岩石断面的应力—抛物线型；③应该：承压板刚度与岩石试件刚度相同（或加垫块），岩石断面的应力—均布应力。刚度要求一致的原因：刚度不一致↓应力分布不均匀↓变形不协调（2）试件的形状和尺寸形状：圆柱形试件不易产生应力集中，好加工，精度易保证。多采用圆柱形，较少采用圆柱体。尺寸：尺寸↑，强度↓。统计结果：试件直径4—6cm，且＞最大矿物颗粒直径的10倍，强度值比较稳定。标准直径：5cm.（3）高径比：h/d不同，岩石单轴抗压强度不同。（课本图2-4）h/d=2-3时，强度稳定。标准高径比：h/d=2。（4）加载速度加载速度越大，表现的强度越高(图2－5)原因：变形速率＜加载速率，变形还未充分传播并稳定，载荷便继续增加，岩体内的塑性变形来不及产生和扩展，便增加了岩石的强度。我国规定：0.5－1.0MPa/s（5）环境①含水率：含水率越大强度越低；岩石越软受水影响越明显。对泥岩、粘土等软弱岩体，干燥强度是饱和强度的2－3倍。②温度：影响不明显。一般，温度越高，岩石强度略有降低。二岩石的抗拉强度1.定义：岩石试件在受到轴向拉应力后试件发生破坏时的单位面积上所受的拉力。岩石抗拉强度的测试方法：①直接拉伸法；②间接法（抗弯法；巴西劈裂法；点荷载试验法）。2.直接拉伸法：(1)圆柱形试件：直径1cm，长度10cm。如右图，利用试件两端与试验机夹具间的摩擦力，对岩石试件直接施加拉力，测试岩石的抗拉强度。抗拉强度：P—试件能承受的最大拉力；A—垂直拉应力方向试件的截面积。APRt/试验2个关键技术①试件和夹具之间的连接：必须有足够的摩擦力，避免出现试件与夹具的脱落；②拉力P与试件同轴心：避免偏心受弯。实际中，由于该试验对试件加工和加载要求条件较高，很少采用该试验方法.(2)限制性直接拉伸装置示意图2221321()pddd3.间接方法IMCt/（1）抗弯法（梁的弯曲试验）抗弯法是利用梁的三点或四点弯曲加载的方法，使梁的下沿产生纯拉应力的作用而使岩石试件产生拉断破坏，从而间接求出岩石抗拉强度的一种试验方法。抗拉强度：——三点或四点弯曲梁内的最大拉应力；梁发生破坏时的极限就是；tttRM——作用在试件上的最大弯矩；C——梁边缘到中性轴的距离；I——梁截面绕中性轴的惯性矩。①梁的截面严格保持为平面；②岩石是均质的线弹性材料，即服从胡克定律；③弯曲发生在梁的对称平面内；④拉伸和压缩的应力－应变特性相同。对岩石而言，第4假设很难满足，因此试验结果存在一定偏差，且试件较难加工，该方法应用较少。抗弯法的4个假设条件，即适用条件：（2）劈裂法（巴西法）（最常用的测试方法）tR试验要求①荷载沿轴向均匀分布；②破坏面必须通过试件的直径。由巴西人杭德罗斯提出，故又称巴西法。标准试件：实心圆柱Ｄ＝50mm；厚度ｔ＝25mm试验：用一个实心圆柱形试件，使它承受径向压缩线荷载作用至破坏，间接求抗拉强度。承受径向压缩荷载，产生张开破坏。计算基础（理论基础）抗拉强度：DtpRt/2式中：—试件中心的最大拉应力，即抗拉强度；p—试件破坏时的极限压力；D—试件的直径；t—试件的厚度。（3）点荷载试验法是20世纪70年代发展起来的一种简便的试验方法。试件：任何形状:5cm岩芯或不规则岩块。试验：直接在点荷载仪进行加载，直至劈裂破坏。二者不同：巴西法—线荷载；点荷载法—点荷载。2/esDPI15196.0151iitIR点荷载法所确定的试验值，可用点荷载强度指数IS来表示：式中：P—试件破坏时的极限荷载D——加载点处试件的厚度经过大量统计，得出IS与σt之间的关系：试验要求:（由于离散性大），每组15个，取均值，即：标准试件建议：用φ5cm的钻孔岩芯为标准试件。296.096.0estDPIRt三岩石的抗剪强度1.定义指岩石在一定的应力条件下（主要指压应力），所能抵抗的最大剪应力，常用表示2.剪切强度试验类型（如下图）：a.抗剪断试验b.抗切试验c.弱面抗剪切试验3.室内试验（抗剪断试验）①试验仪器楔形剪切仪，加载装置②计算公式cossinsincosfPQfPN式中：p——压力机的总压力α——试件倾角f——圆柱形滚珠与上下压板的摩擦系数剪切破坏面上的正压力Ｎ和剪切力Ｑ为：抗剪断仪cossinsincosfPQfPN剪切破坏面上的正应力σ和剪应力τ为：cossinsincosfAPAQfAPAN岩石的抗剪断σ－τ曲线（强度曲线）•改变夹具倾角α；（α在30度到70度之间）•做一组（大于5次）不同α的试验，记录所得的σ，τ值；由该组值作曲线的近似直线得方程ctan式中tanφ－岩石抗剪切内摩擦系数c－岩石的粘结力（内聚力）四岩石在三向压缩应力作用下的强度1.定义指在不同三向压缩应力作用下岩石抵抗外荷载的最大应力。通式为：321321,,,ff2.三向压缩试验简介（1）真三轴见图16（2）假三轴见图17321321321,,分别为最大、中间、最小主应力。3.三轴压缩试验的破坏类型34.岩石三向压缩强度的影响因素（1）侧压力的影响围压越大，极限最大主应力越大（应力圆说明）（2）加载途径对岩石三向压缩强度影响加载途径对岩的最终三向压缩强度影响不大。（３）试件尺寸与加载速率对岩石三向压缩强度影响尺寸↑，强度↓速率↑，强度↑（４）孔隙水压力对岩石三向压缩强度的影响孔隙水压力使有效应力（围压）减小强度降低无水有水返回