第3章岩石的强度

第3章岩石的强度华北水利水电学院岩土工程系岩石力学课程组水利水电工程中，存在着与岩石强度密切相关的问题，如岩基的承载力，岩坡稳定性，地下洞室开挖洞周围岩石(围岩)的应力分布及其稳定等。岩体是一个复杂的地质体，它的强度不仅与组成岩体的岩石性质有关，而且与岩体内的软弱结构面(节理、裂隙、层理、断层等)有关，此外还与岩体所受应力状态有关。软弱结构面常常是岩体最薄弱的地方，几组软弱结构面可以将岩体分割成各种形状和大小不同的岩块。岩体的强度决定于这些岩块的强度和结构面的强度。当然，岩块本身也有一些微结构面(细微裂隙)，但这些微结构面甚小(肉眼不易觉察)，一般对试件强度影响甚微。岩块内微结构面的作用将直接反映到岩石试件的力学性质上。通常所讲的岩石强度，一般是指岩石试件的强度，它实际上代表岩体内岩块的强度。概述3.1概述1）脆性破坏：大多数坚硬岩石在一定的条件下都表现出脆性破坏的性质。也就是说，这些岩石在荷载作用下没有显著觉察的变形就突然破坏。产生这种破坏的原因可能是岩石中裂隙的发生和发展的结果。例如，在地下洞室开挖后，由于洞室周围的应力显著增大，洞室围岩可能产生许多裂隙，尤其是洞室顶部的张裂隙，这些都是脆性破坏的结果。2）塑性破坏：在两向或三向受力情况下，岩石在破坏之前的变形较大，没有明显的破坏荷载，表现出显著的塑性变形、流动或挤出，这种破坏即为塑性破坏。塑性变形是岩石内结晶晶格错位的结果。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、两侧围岩向洞内鼓胀都是塑性破坏的例子。岩石的破坏形式：3.1概述3）弱面剪切破坏：由于岩层中存在节理、裂隙、层理、软弱夹层等软弱结构面，岩层的整体性受到破坏。在荷载作用下，这些软弱结构面上的剪应力大于该面上的强度时，岩体就产生沿着弱面的剪切破坏，从而使整个岩体滑动。图3-1为几种破坏形式的简图。岩石的破坏形式：3.1概述图3-1岩石的破坏形式（a）、（b）脆性断裂破坏；（c）脆性剪切破坏；（d）延性破坏；（e）弱面剪切破坏岩石的抗压强度就是岩石试件在单轴压力下达到破坏的极限值，它在数值上等于破坏时的最大压应力，见图3-2。岩石的抗压强度一般在实验室内用压力机进行加压试验测定的。试件通常用圆柱形(钻探岩心)或立方柱状(用岩块加工)。试件的断面尺寸，圆柱形试件采用直径D=5cm，也有采用D=7cm的；立方柱状试件，采用5×5cm或7×7cm。试件的高度h应当满足下列条件：圆柱形试件：h=(2~2.5)D立方柱形试件：h=(2~2.5)这里D为试件的横断面直径，A为试件的横断面积3.2.1岩石的抗压强度：3.2岩石的强度性质试验结果按下式计算抗压强度：3.2.1岩石的抗压强度：3.2岩石的强度性质APRcβ图3-2抗压试验图3-3岩石试件在单轴压缩时的破坏表3-1岩石的单轴抗压强度和抗拉强度3.2.1岩石的抗压强度：3.2岩石的强度性质cRtRcRtR岩石名称抗压强度(MPa)抗拉强度(MPa)岩石名称抗压强度(MPa)抗拉强度(MPa)花岗岩100~2507~25石灰岩30~2505~25闪长岩180~30015~30白云岩80~25015~25粗玄岩200~35015~35煤5~502~5玄武岩150~30010~30片麻岩50~2005~20砂岩20~1704~25大理岩100~2507~20页岩10~1002~10板岩100~2007~20(1)结晶程度和颗粒大小：岩石的结晶程度和颗粒大小对其抗压强度的影响是显著的。一般来说，结晶岩石比非结晶岩石强度高，细粒结晶的岩石比粗粒结晶的岩石强度高。如以粗晶方解石组成的大理岩强度为80~120MPa，而晶粒为千分之几毫米组成的致密石灰岩的强度能达到260MPa。细晶花岗岩的强度能达到260MPa，而粗晶花岗岩的强度就会降低到120MPa。（2）胶结情况：对沉积岩来说，胶结情况和胶结物对强度的影响很大。石灰质胶结的岩石强度较低，如石灰质胶结的砂岩的强度在20～100MPa之间。而硅质胶结的具有很高的强度，例如致密的砂岩和胶结物为硅质的砂岩的强度都很高，有时可达200MPa。泥质胶结的岩石强度最低，软弱岩石往往属于这类。以粘土颗粒而论，由硅质胶结的泥板岩的强度可达200MPa，而由泥质胶结的泥质页岩的强度最高也不会超过100MPa。3.2.1岩石的抗压强度——影响因素3.2岩石的强度性质（3）矿物成分：不同矿物组成的岩石，具有不同的抗压强度，这是由于矿物本身的特点，不同的矿物有着不同的强度。但即使相同矿物组成的岩石，也因受到颗粒大小、连结胶结情况、生成条件等影响，它们的抗压强度也可相差很大。例如，石英是已知造岩矿物中强度较高的矿物，如果石英的颗粒在岩石中互相连结成骨架，则随着石英的含量的增加岩石的强度也增加。（4）生成条件：岩石的生成条件直接影响着岩石的强度。在岩浆岩结构中，形成具有非结晶物质，则就要大大地降低岩石的强度。3.2.1岩石的抗压强度——影响因素3.2岩石的强度性质（5）水的作用：水对岩石的抗压强度起着明显的影响。当水侵入岩石时，水就顺着裂隙孔隙进入润湿岩石全部自由面上的每个矿物颗粒。由于水分子的侵入改变了岩石物理状态，削弱了粒间联系，使强度降低。其降低程度取决于孔隙和裂隙的状况、组成岩石的矿物成分的亲水性和水分含量、水的物理化学性质等。（6）块体密度的影响：块体密度也常常是反映强度的因素，如石灰岩的块体密度从1500kg/m3增加到2700kg/m3，其抗压强度就由5MPa增加到180MPa。3.2.1岩石的抗压强度——影响因素3.2岩石的强度性质（7）风化作用：风化作用对岩石的强度有重要影响。例如，未风化的花岗岩的抗压强度一般超过100MPa，而强风化的花岗岩的抗压强度可降至4MPa。(8)试验方法：主要影响因素有试件形状、尺寸、岩样加工程度、压力机的加压板和岩样的加压面之间的接触情况、加荷速率等等。。一般试件尺寸大，试验所获得的岩石强度值也高，同时，试件宽高比相对大的试件其测得的值也大。9）加荷速率对岩石强度也有影响，因为快速的加荷方式就具有动力的特性。加荷速率增加，其抗压强度也就增大。3.2.1岩石的抗压强度——影响因素3.2岩石的强度性质岩石的抗拉强度是指岩石试件在单向拉伸条件下试件达到破坏的极限值，它在数值上等于破坏时的最大拉应力。和岩石的抗压强度相比较，抗拉强度的研究要少得多。岩石的直接抗拉试验的试件如图3-5所示。在试验时将这种试样的两端固定的拉力机上。然后对试样施加轴向拉力直至破坏，算出试样的抗拉强度：3.2.2岩石的抗拉强度3.2岩石的强度性质APRTt目前常用混凝土试验中的劈裂法测定岩石的抗拉强度。试件的形状用得最多的是圆柱体和立方体。试验时沿着圆柱体的直径方向施加集中荷载，这可以在试件与上、下承压板接触处各放一根钢丝来实现。这样试件受力后就有可能沿着受力的直径裂开，见图：3.2.2岩石的抗拉强度3.2岩石的强度性质σxσπσxxDlPRtmax2岩石的抗剪强度就是岩石抵抗剪切滑动的能力，它是岩石力学中需要研究的最重要指标之一，往往比抗压和抗拉强度更有意义。根据莫尔一库仑强度理论，岩石的抗剪强度可用凝聚力c和内摩擦角来表示，它们可以通过室内外的剪切试验确定。岩石的剪切试验可分为抗剪断试验、抗剪试验(或称摩擦试验)以及抗切试验(在剪切面上不加法向荷载的情况下剪切)三种。决定抗剪断(抗剪)强度的方法可分为室内和现场两大类。室内试验常用直接剪切仪(直接剪切试验)、楔形剪切仪(楔形剪切试验)、三轴压缩仪(三轴压缩试验)测定岩石的抗剪断(抗剪)指标。现场试验主要以直接剪切试验为主，有时也可做三轴强度试验。3.2.3岩石的抗剪强度3.2岩石的强度性质直接剪切试验直接剪切试验采用直接剪切仪来进行。岩石的直接剪切仪与土的直接剪切仪类似，试验仪器装置如图3-7a所示。仪器主要由上、下两个刚性匣子所组成，试件在平面内的尺寸，《水利水电工程岩石试验规程》(1981年试行)规定：对测定软弱结构面的试件，规定为15×15～30×30cm，并规定结构面上、下岩石的厚度分别约为断面尺寸的1/2左右，对于测定岩石本身抗剪强度的试件没有明确规定，一般用5×5cm。3.2.3岩石的抗剪强度3.2岩石的强度性质NT12直接剪切试验每次试验时，先在试样上施加垂直荷载P，然后在水平方向逐渐施加水平剪切力T，直至达到最大值发生破坏为止。3.2.3岩石的抗剪强度3.2岩石的强度性质0123456702143n(mm)v(mm)(MPa)0f'''''''''''f''''f'''f''f'直接剪切试验从图3-10上还可以看出，剩余强度也就是失去凝聚力而仅有内摩擦力的强度，根据研究，失去凝聚力的原因主要是由于不断位移引起晶格错位的缘故。3.2.3岩石的抗剪强度3.2岩石的强度性质f'0''f'a'p'a''0'p''0'f''f''0''试件N(b)Q(a)B234A1PsinPcosPfPp'p''楔形剪切试验楔形剪切试验用楔形剪切仪进行。这种仪器的主要装置见图3-11(a)。试验时的受力情况见图3-11(b)。把装有试件的这种装置放在压力机上进行加压，直至试件沿着AB面发生剪切破坏。所以这种试验实际上也是另一种形式的直接剪切试验。3.2.3岩石的抗剪强度3.2岩石的强度性质a'a''0'f'p'0''p''0'p''p'f''0''f''f'2B34A1试件(a)(b)NQPsinPcosPfPτf(Mpa)σ（MP图3-11楔形剪切仪图3-12楔形剪切试验结果轴压缩试验这种试验就是利用三轴向压力试验的成果来求出剪切面上的与的关系。试验的装置(图3-13)与试验的方法和土的三轴压力试验相类似，3.2.3岩石的抗剪强度3.2岩石的强度性质图3-13三轴试验装置示意图1-施加垂直压力；2-侧压力液体出口；3-侧压力液体进口；4-密封设备；5-压力室；6-侧压力；3-球状底座；8-试件三轴压缩试验这种试验就是利用三轴向压力试验的成果来求出剪切面上的与的关系。试验的装置(图3-13)与试验的方法和土的三轴压力试验相类似，3.2.3岩石的抗剪强度3.2岩石的强度性质图3-14极限莫尔应力圆图3-15角闪岩的三轴试验结果σ3σ1σ3σ3σ1σ1στ正应力σ(MPa)剪应力τ莫尔包络线现场直接剪切试验在我国许多工程中普遍采用的试验方法是双千斤顶法，此法是用两个油压千斤顶(有的单位用两个压力钢枕)按图3-16所示的方式布置，一个用来施加垂向荷载，另一个用来施加侧向推力。试验多数是放在岩壁上专门开凿的试洞中进行；如果采用反力框架，也可以在露天的坑道或大口径钻井的井底进行。施加侧向推力的方式有平推法和斜推法两种。在采用斜推法时应当使垂向荷载与侧向推力的合力通过剪切面的中心，这样可使应力分布均匀。3.2.3岩石的抗剪强度3.2岩石的强度性质图3-16岩体现场抗剪试验图3-17角闪岩的三轴试验结果12123450(MPa)21340.51.5n(mm)124.03现场岩体三轴强度试验大型岩体三轴强度试验是采用同直剪试验一样的方法制备试件；垂直荷载是用扁千斤顶通过传力柱传到上部围岩产生的反力供给；侧向荷载分别由x轴、y轴上的两对扁千斤顶组产生。3.2.3岩石的抗剪强度3.2岩石的强度性质图3-20岩体三轴强度试验装置2365741当物体处于简单的受力情况时，如杆件的拉伸和压缩处于单向应力状态等，材料的危险点处于简单应力状态，则材料的强度可以由简单的试验来决定(单向抗压强度试验，单向抗拉强度试验，纯剪试验等)。在单向应力状态下表现出脆性的岩石，在三向应力状态下可以具有塑性性质，同时它的强度极限也大大提高，如图3-21所示，在各向压缩的情况下，岩石能够承受很大的荷载，而没有可觉察到的破坏