巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)及其試驗(yàn)方法

1、巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)及其試驗(yàn)方法第一講巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)及其試驗(yàn)方法（之一）一、內(nèi)容提要：本講主要講述巖石的物理力學(xué)性能等指標(biāo)及其試驗(yàn)方法，巖石的強(qiáng)度特性。二、重點(diǎn)、難點(diǎn)：巖石的強(qiáng)度特性，對(duì)巖石的物理力學(xué)性能等指標(biāo)及其試驗(yàn)方法作一般了解。一、概述巖體力學(xué)是研究巖石和巖體力學(xué)性能的理論和應(yīng)用的科學(xué)，是探討巖石和巖體對(duì)其周圍物理環(huán)境（力場(chǎng)）的變化作出反應(yīng)的一門力學(xué)分支。所謂的巖石是指由礦物和巖屑在長(zhǎng)期的地質(zhì)作用下，按一定規(guī)律聚集而成的自然體。由于成因的不同，巖石可分成火成巖、沉積巖、變質(zhì)巖三大類。巖體是指在一定工程范圍內(nèi)的自然地質(zhì)體。通常認(rèn)為巖體是由巖石和結(jié)構(gòu)面組成。所謂的結(jié)構(gòu)面是指沒有或者

2、具有極低抗拉強(qiáng)度的力學(xué)不連續(xù)面，它包括一切地質(zhì)分離面。這些地質(zhì)分離面大到延伸幾公里的斷層，小到巖石礦物中的片理和解理等。從結(jié)構(gòu)面的力學(xué)來(lái)看，它往往是巖體中相對(duì)比較薄弱的環(huán)節(jié)。因此，結(jié)構(gòu)面的力學(xué)特性在一定的條件下將控制巖體的力學(xué)特性，控制巖體的強(qiáng)度和變形?！纠}11巖石按其成因可分為（）三大類。A.火成巖、沉積巖、變質(zhì)巖B.花崗巖、砂頁(yè)巖、片麻巖C.火成巖、深成巖、淺成巖D,堅(jiān)硬巖、硬巖、軟巖答案：A【例題2】片麻巖屬于（）。A.火成巖B.沉積巖C.變質(zhì)巖答案：C【例題31在一定的條件下控制巖體的力學(xué)特性，控制巖體的強(qiáng)度和變形的是（）。A.巖石的種類B,巖石的礦物組成C.結(jié)構(gòu)面的力學(xué)特性D.巖石

3、的體積大小答案：C二、巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)及其試驗(yàn)方法（一）巖石的質(zhì)量指標(biāo)與巖石的質(zhì)量有關(guān)的指標(biāo)是巖石的最基本的，也是在巖石工程中最常用的指標(biāo)。1巖石的顆粒密度（原稱為比重）巖石的顆粒密度是指巖石的固體物質(zhì)的質(zhì)量與其體積之比值。巖石顆粒密度通常采用比重瓶法來(lái)求得。其試驗(yàn)方法見相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。巖石顆粒密度可按下式計(jì)算2巖石的塊體密度巖石的塊體密度是指單位體積巖塊的質(zhì)量。按照巖塊含水率的不同，可分成干密度、飽和密度和濕密度。(1)巖石的干密度巖石的干密度通常是指在烘干狀態(tài)下巖塊單位體積的質(zhì)量。該指標(biāo)一般都采用量積法求得。即將巖塊加工成標(biāo)準(zhǔn)試件(所謂的標(biāo)準(zhǔn)試件是指滿足圓柱體直徑為4854mm,高徑

4、比為2.02.5,含大顆粒的巖石，具試件直徑應(yīng)大于巖石最大顆粒直徑的10倍；并對(duì)試件加工具有以下的要求；沿試件高度，直徑或邊長(zhǎng)的誤差不得大于0.3mm；試件兩端面的不平整度誤差不得大于0.05mm;端面垂直于試件軸線，最大偏差不得大于0.25。)。測(cè)量試件直徑或邊長(zhǎng)以及高度后，將試件置于烘箱中，在105110c的恒溫下烘24h,再將試件放入干燥器內(nèi)冷卻至重溫，最后稱試件的質(zhì)量。巖塊干密度可按下式分式計(jì)算求得：(2)巖塊的飽和密度巖塊的飽和密度是指巖塊的空隙中充滿水的狀態(tài)下(飽和X態(tài))所測(cè)得的密度。飽和密度的試驗(yàn)方法，通常也可采用量積法，只是在巖塊稱重前，使試件成為飽和狀態(tài)。一般可采用真空抽氣法

5、和水浸法兩種使試件飽和。而有關(guān)規(guī)范中建議采用真空抽氣法，由此求得的指標(biāo)偏差較小。(3)濕密度濕密度一般認(rèn)為是指巖塊在天然狀態(tài)下的密度。由于巖塊在取樣，加工過(guò)程中都用水來(lái)冷卻切割工具，因此在工程中不太采用這個(gè)參數(shù)而很少求該指標(biāo)。但是，在有些工程中的特殊需要，必須提供該指標(biāo)時(shí)，通常采用蠟封法求該指標(biāo)。蠟封法可按下式計(jì)算巖塊的干密度與濕密度?！纠}4】巖石的質(zhì)量指標(biāo)包括巖石的（）。A.顆粒密度和塊體密度B.干密度和濕密度C.干密度、飽和密度和濕密度D.顆粒密度和干密度答案：A【例題5】測(cè)試巖石的干密度時(shí)，需將標(biāo)準(zhǔn)試件置于烘箱中，在（）的恒溫下烘24h,再將試件放入干燥器內(nèi)冷卻至重溫，最后稱試件的質(zhì)量

6、。A. 105110cB. 7090cC. 90110cD. 80120c答案：A【例題61某巖石中顆粒最大粒徑為1cm,用該巖石制作標(biāo)準(zhǔn)試件時(shí)，試件直徑為（）。A. 48mmB. 50mmC. 54mmD. 12cm答案：D（二）巖石的水理性質(zhì)1巖石的含水率巖石的含水率是指巖石試件中含水的質(zhì)量與固體質(zhì)量的比值。由于大都巖塊的含水率比較小，因此對(duì)巖塊含水率試驗(yàn)也提出了相對(duì)比較高的要求，采集試樣不得采用爆破或鉆孔法。在試件采取、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和制備過(guò)程中，其含水率的變化不得大于1%。巖塊的含水率試驗(yàn)采用烘干法，即將從現(xiàn)場(chǎng)采取的試件加工成不小40g的巖塊，放入烘箱內(nèi)在105110c的恒溫下將試件烘干，

7、后將其放置在干燥器內(nèi)冷卻至室溫稱其質(zhì)量，重復(fù)上述過(guò)程直至將試件烘干至恒重為止。恒重的判斷條件是相鄰24h兩次稱量之差不超過(guò)后一次稱量的0.1%,最后可按下式計(jì)算巖石的含水率：2巖石的吸水性巖石的吸水性主要采用其吸水率來(lái)表示。巖石的吸水率是指巖石在某種條件下吸入水的質(zhì)量與巖石固體的質(zhì)量之比值。它是一個(gè)間接反映巖石中孔隙多少的一個(gè)指標(biāo)。巖石的吸水率按其試驗(yàn)方法的不同可分成巖石吸水率和巖石飽和吸水率兩個(gè)指標(biāo)。（1）巖石吸水率巖石吸水率一般都采用規(guī)則試件進(jìn)行試驗(yàn)（規(guī)則試件的具體要求同前所述的標(biāo)準(zhǔn)試件要求）。該試驗(yàn)方法是先將試件放入烘箱，在105110c溫度下烘24h,取出放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫后稱量。

8、將試件放入水槽，先放入1/4試件高度的水，以后每隔2h將水分別增至試件高度的1/2和3/4處，6h后將試件全部浸入水中，放置4h后，擦干表面水分稱量。巖石吸水率可按下式求得:（2）巖石飽和吸水率巖石飽和吸水率是采用強(qiáng)制方法使巖石飽和，通常采用煮沸法或者真空抽氣法。當(dāng)采用煮沸法飽和試件時(shí)，要求容器內(nèi)的水面始終高于試件，煮沸時(shí)間不得小于6h;當(dāng)采用真空抽氣法時(shí)，同樣要求容器內(nèi)水面始終高于試件，真空壓力表面讀數(shù)為100kPa。直至無(wú)氣泡逸出為止，并要求真空抽氣時(shí)間不得小于4h,最后擦干飽和試件表面水分稱量，其飽和吸水率可按下式計(jì)算：3巖石的膨脹性和崩解性1）巖石的膨脹性巖石的膨脹性是指在天然狀態(tài)下含

9、易吸水膨脹礦物巖石的膨脹特性。這主要反映含有粘土礦物的巖石的性質(zhì)。由于粘土礦物遇水后顆粒之間的水膜將增厚，最終導(dǎo)致其體積增大。這對(duì)于巖石的力學(xué)特性以及巖石工程的施工將造成較大的影響，有必要掌握這類巖石遇水時(shí)的膨脹性，以改進(jìn)施工與支護(hù)設(shè)計(jì)的參數(shù)。巖石的膨脹性通?？捎米杂膳蛎浡?、側(cè)向約束膨脹率和膨脹壓力來(lái)表示。（1）自由膨脹率自由膨脹率是表示易崩解的巖石在天然狀態(tài)下不受任何條件的約束，巖石浸水后自由膨脹（徑向和軸向）變形量與試件原尺寸之比。自由膨脹率試驗(yàn)一般是將采用干法加工成的試件放入自由膨脹率試驗(yàn)儀器（見圖15-1-1）,按圖示的方法放置好試件及其量測(cè)儀表，最后緩慢地向盛水容器四周注入純水，直至

10、淹浸上部透水板。隨后測(cè)度千分表的變形讀數(shù)。最先的一小時(shí)內(nèi)，每隔10min測(cè)讀一次，以后每小時(shí)測(cè)讀一次，直至3次讀數(shù)差不大于0.001mm后終止試驗(yàn)。另外要求浸水后試驗(yàn)時(shí)間不得小于48ho巖石的自由膨脹率可按下式計(jì)算：巖石側(cè)向約束膨脹率是巖石試件在有側(cè)限條件下，軸向受有限荷載時(shí)，浸水后產(chǎn)生的軸向變形與試件原高度之比值。巖石側(cè)向約束膨脹試驗(yàn)，一般將加工好的試件放入內(nèi)涂有凡士林的金屬套環(huán)內(nèi)，并在試件上下分別設(shè)置薄型濾紙和透水板，隨后在試件頂部放上能對(duì)試件持續(xù)施加5kPa壓力的金屬荷載塊，并在上面安裝垂直千分表，安裝完畢后可按上述自由膨脹率的試驗(yàn)方法及終止試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)。巖石側(cè)向約束膨脹率可按下式求

11、得：（3）膨脹壓力巖石的膨脹壓力是指巖石試件浸水后保持原表體積不變所需的壓力。巖石的膨脹壓力通常是將按要求加工成的試件放入金屬套環(huán)內(nèi)，并在試件上下兩端放置薄型濾紙和金屬透水板，隨后安裝加壓系統(tǒng)及位移量測(cè)系統(tǒng)?？衫脺y(cè)得的荷載按下式計(jì)算膨脹壓力。2）巖石的耐崩解性巖石的耐崩解性是表示粘土類巖石和風(fēng)化巖石抗風(fēng)化能力的一個(gè)指標(biāo)。是模擬日曬雨淋的過(guò)程，在特定的試驗(yàn)設(shè)置中，經(jīng)過(guò)干燥和浸水兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)后，試件殘留的質(zhì)量與原質(zhì)量之比值。巖石的耐崩解性用巖石耐崩解性指數(shù)（Id2）來(lái)表示。巖石耐崩解性指數(shù)可按下式計(jì)算：表15-1-1例示甘布爾指出的耐崩解性分級(jí)，可對(duì)巖石的抗風(fēng)化特性作定性的分析。4巖石的超聲波波

12、速巖石的超聲波波速是利用超聲波在巖石中的傳播過(guò)程中，由于其微裂隙和孔隙的存在影響其傳播的速度特性，進(jìn)而評(píng)價(jià)巖石致密程度的一個(gè)指標(biāo)。巖石超聲波可根據(jù)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與其傳播方向的異同分成二類波速，當(dāng)給予巖石一個(gè)脈沖后，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的方向與其傳播的方向垂直的波速稱為橫波或剪切波；巖質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與傳播的方向一致的波速稱為縱波或壓縮波。巖石的超聲波波速一般都在規(guī)則試件上進(jìn)行的。根據(jù)換能器布置的方法，波速測(cè)試有直透法或平透法兩種。其中，直透法是最常用的方法。試驗(yàn)時(shí)要求將試件放置于測(cè)試架中，并能對(duì)換能器施加約0.15MPa的壓力，并測(cè)試縱波或橫波在試件中行走的時(shí)間，最后將發(fā)射、接收換能器對(duì)接，測(cè)讀零延時(shí)。超聲

13、波波速按下式求得：【例題7】下列不屬于巖石的水理性質(zhì)的是（）。A,巖石的含水率B,巖石的吸水性C.巖石的膨脹性和崩解性D,巖石的濕密度答案：D【例題81巖石的超聲波波速可以作為評(píng)價(jià)巖石（）的一個(gè)指標(biāo)。A,堅(jiān)硬程度B.致密程度C.膨脹性D.崩解性答案：B三、巖石的強(qiáng)度特性巖石的強(qiáng)度分成單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度以及三向壓縮強(qiáng)度等。下面主要介紹巖石在這些不同荷載作用下的強(qiáng)度特性。（一）巖石單軸抗壓強(qiáng)度巖石單軸抗壓強(qiáng)度是指巖石試件在無(wú)側(cè)限條件下，受軸向力作用破壞時(shí)，單位面積上所施加的荷載。其值可按下式求得1巖石單軸抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)方法按照國(guó)家工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)”中的要求，巖石試件的加工應(yīng)滿足前

14、面所敘述的標(biāo)準(zhǔn)試件的要求，并其放在試驗(yàn)機(jī)中心，以每秒0.51.0MPa的加載速度直至破壞。同時(shí)要求在試驗(yàn)前對(duì)試件作詳細(xì)的描述，內(nèi)容包括巖性和巖石中所包含的節(jié)理之間的關(guān)系、含水狀態(tài)等項(xiàng)目，并記錄下試件破壞后的形態(tài)。2巖石在單軸抗壓試驗(yàn)破壞后的形態(tài)特征在外荷載作用下巖石試件破壞后的形態(tài)是表現(xiàn)巖石破壞機(jī)理的重要特征，它不僅表現(xiàn)出巖石受力過(guò)程中的應(yīng)力分布狀況，還反映了不同試驗(yàn)條件中對(duì)它的影響。巖石在單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中出現(xiàn)的破壞形態(tài)大約可分成兩種：1）圓錐形破壞（見圖15-1-2a）:這類破壞形態(tài)的試件，由于中間的巖石被剝離使得巖石破壞后呈兩個(gè)尖頂?shù)膱A錐體。經(jīng)分析可知，產(chǎn)生這種破壞形態(tài)的主要原因是上、下

15、壓板在施加荷載時(shí)，與巖石試件端面之間產(chǎn)生了較大的摩擦力，促使巖石端部產(chǎn)生了一個(gè)相當(dāng)于箍的約束作用。此時(shí)，巖石試件內(nèi)的應(yīng)力分布如圖15-1-3所示。由于拉應(yīng)力的作用使得這部分巖石被剝離而形成圓錐體。因此從某種意義上來(lái)說(shuō)圓錐體的破壞形態(tài)并沒有真正反映其破壞特征，而是帶有試驗(yàn)系統(tǒng)所給予的影響。2）柱狀劈裂破壞（見圖15-1-2b）:在發(fā)現(xiàn)圓錐形破壞的真正原因之后有人在上下壓板與試件端面之間，涂上了一層薄薄的凡士林以減小接觸面之間的摩擦力，最終巖石試件由于產(chǎn)生平行于所施加的軸向力的裂縫而破壞。對(duì)于不同的巖石所含的礦物成份和所含裂隙的不同，局部還會(huì)出現(xiàn)些較小的斜向裂縫。應(yīng)該說(shuō)柱狀劈裂破壞是真正反映巖石單

16、軸壓縮破壞的形O【例題9】下列不屬于巖石在單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中出現(xiàn)的破壞形態(tài)的是（）。A.圓錐形破壞B.柱狀劈裂破壞C.三角形破壞答案：C【例題10】能夠真正反映巖石單軸壓縮破壞的形態(tài)是（）。A.圓錐形破壞B.柱狀劈裂破壞C.三角形破壞答案：B【例題11在作巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，如果增加上下壓板與試塊之間的摩擦力，則巖石的破壞形態(tài)呈（）。A.圓錐形破壞B.柱狀劈裂破壞C.三角形破壞答案：A3巖石單軸抗壓強(qiáng)度的影響因素1）承壓板給予單軸抗壓強(qiáng)度的影響除了上述試件端面與承壓板之間的摩擦力影響試件的破壞形態(tài)以外，還有承壓板的剛度也將影響試件端面的應(yīng)力分布狀態(tài)。由研究可知，當(dāng)承壓板剛度很大時(shí)，其接觸面

17、的應(yīng)力分布很不均勻，呈山字形，如圖15-1-4所示。顯然，這將影響整個(gè)試件的受力狀態(tài)。圖15-1-4在剛性承壓板之間壓縮時(shí)巖石端面的應(yīng)力分布因此，有人建議試驗(yàn)機(jī)的承壓板（或者墊塊）盡可能采用與巖石剛度相接近的材料，避免由于剛度的不同而引起變形不協(xié)調(diào)造成應(yīng)力分布不均勻的現(xiàn)象，減少對(duì)強(qiáng)度的影響。2）試件尺寸及形狀對(duì)單向軸抗壓強(qiáng)度的影響巖石力學(xué)試驗(yàn)最早采用邊長(zhǎng)為5cm的立方體試件。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，試件的尺寸、形狀、高徑比都將影響巖石的強(qiáng)度值。（1）巖石試件的形狀眾所周知，方形試件的四個(gè)邊角會(huì)產(chǎn)生很明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。這將影響整個(gè)試件在受力后的應(yīng)力分布狀態(tài)。此外，從另外一個(gè)角度來(lái)說(shuō)方柱體的試件加工要比圓柱

18、形試件困難得多，不易達(dá)到有關(guān)加工精度的要求。因此，目前，絕大多數(shù)的國(guó)家都采用圓柱形的巖石試件。(2)巖石試件的尺寸試件的強(qiáng)度通常隨其尺寸的增大而減小。這就是巖石力學(xué)中被稱之為尺寸效應(yīng)。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，試件的尺寸對(duì)其強(qiáng)度的影響在很大程度上取決于組成巖石的礦物顆粒的大小。研究結(jié)果表明，巖石試件的直徑為46cm,且滿足試件直徑大于其最大礦物顆粒直徑的10倍以上的巖石試件，強(qiáng)度值較為穩(wěn)定。因此，目前采取直徑為4.85.4cm且直徑大于最大礦物顆粒直徑的10倍以上的巖石試件，作為標(biāo)準(zhǔn)尺寸。(3)巖石試件的高徑比在圖15-1-5中，可以看到由于高徑比h/d的不同，對(duì)巖石強(qiáng)度產(chǎn)生不同的影響。從曲線的特征中，明顯

19、地看出了高徑比在23時(shí)，巖石單軸抗壓強(qiáng)度值已趨勢(shì)穩(wěn)定的特性?？梢娙「邚奖葹?3時(shí)，對(duì)其強(qiáng)度來(lái)說(shuō)是比較合理的。據(jù)此，目前世界上幾乎所有國(guó)家都采用直徑為4.85.4cm、高度為直徑的2.02.5倍的圓柱形試件進(jìn)行巖石室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)。這不僅考慮了不同尺寸、形態(tài)、高徑比對(duì)其強(qiáng)度的影響，同時(shí)還考慮了巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果的可比性。3)加載速率對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度的影響巖石的單軸抗壓強(qiáng)度通常隨加載速率的提高而增大，如圖15-1-6所示。在很高的加載速率下，如沖撞等試驗(yàn)所求得的單軸抗壓強(qiáng)度甚至可數(shù)倍于緩慢加載的試驗(yàn)結(jié)果。經(jīng)微觀分析發(fā)現(xiàn)，由于礦物在高速率加載時(shí)未充分變形而提高了它的抗外荷載的能力。因此，選擇適當(dāng)?shù)募虞d速率對(duì)

20、其試驗(yàn)結(jié)果來(lái)說(shuō)是比較重要的。我國(guó)有關(guān)巖石力學(xué)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，其加載速率應(yīng)控制在0.510MPa/s之間，且按巖石的軟硬不同可取其不同的加載速率，這一加載速率與國(guó)外的許多試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中所提出的要求是一致的。4)環(huán)境對(duì)巖石單軸抗壓強(qiáng)度的影響(1)巖石的軟化系數(shù)在完全烘干狀態(tài)下與飽和狀態(tài)下所求得的單軸抗壓強(qiáng)度值有著一定的差別，這一差別在軟巖中表現(xiàn)得更為突出。即前者的值往往要比后者大得多。巖石的軟化系數(shù)就是表示巖石中的不同含水率影響單軸抗壓強(qiáng)度的一個(gè)具體的反映。見公式(15-1-16)o由于孔隙中的水對(duì)巖石中的礦物的風(fēng)化、軟化、膨脹以及溶蝕作用，使得在飽和狀態(tài)下巖石單軸抗壓強(qiáng)度有所降低。對(duì)于泥巖、粘土巖、

21、頁(yè)巖等軟弱的巖石，二者的差值甚至可達(dá)23倍。而對(duì)于致密堅(jiān)硬的巖石，二者的差別甚小。表15-1-2列出了各種不同巖性的軟化系數(shù)。(2)溫度對(duì)巖石單軸抗壓強(qiáng)度的影響巖石力學(xué)試驗(yàn)一般是在室溫的條件下進(jìn)行的。溫度對(duì)巖石強(qiáng)度的影響并不是很明顯。然而，若對(duì)巖石試件進(jìn)行加溫，則巖石軸向壓縮強(qiáng)度將產(chǎn)生明顯的變化。地?zé)岬睦靡约霸诤穗姽こ讨泻藦U料處置等具體問(wèn)題中，溫度對(duì)巖石力學(xué)力學(xué)性質(zhì)的影響成為非常重要的、急于解決的研究課題之一。近年來(lái)，人們很重視溫度對(duì)巖石的力學(xué)特性的影響的研究。據(jù)最新的研究報(bào)導(dǎo)，溫度對(duì)巖石強(qiáng)度的影響主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面：一是由于溫度的升高使巖石內(nèi)的化學(xué)成分、結(jié)晶水等產(chǎn)生變化，進(jìn)而影響了巖石的強(qiáng)

22、度。由試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)溫度加至180c左右時(shí)，巖石中礦物周圍的部分結(jié)晶水會(huì)消失，使強(qiáng)度降低。當(dāng)加溫高達(dá)380C左右時(shí)，石英等礦物會(huì)發(fā)生品變而使強(qiáng)度急劇下降。二是由于溫度的提高，巖石內(nèi)將儲(chǔ)存著一定的熱應(yīng)力，進(jìn)而使巖石的抵抗外荷載的能力降低。溫度對(duì)巖石強(qiáng)度的影響是一個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題，從總體上來(lái)說(shuō)，溫度的增加會(huì)使巖石強(qiáng)度降低。但也有人提出，在180c左右時(shí)，對(duì)強(qiáng)度影響不大的說(shuō)法。因此，這還是一個(gè)有待于進(jìn)步深入研究的課題。除了以上的影響因素以外，還有巖石礦物成分、顆粒尺寸、孔隙率等都將影響巖石的強(qiáng)度。但是，這些因素可作為強(qiáng)度的間接影響因素，所以，不在此一一介紹?！纠}12】在下列各項(xiàng)中，對(duì)巖石的單軸抗壓

23、強(qiáng)度無(wú)影響的是（）。A.承壓板B.試件的尺寸和形狀C,加載速度D.荷載大小答案：D【例題13總體而言，溫度的增加會(huì)使巖石強(qiáng)度（）。A.增加B.降低C.不變D,無(wú)法判斷答案：B【例題14為獲得合理的巖石單軸抗壓強(qiáng)度，巖石試件的高徑比h/d宜取為（）。A. 1/4-3/4B. 1-2C. 2-3D. 34答案：C【例題15當(dāng)巖石的軟化系數(shù)等于或小于（）時(shí)，該巖石應(yīng)判定為軟化巖石。A. 1B. 0.85C. 0.75D. 0.55答案：C（二）巖石的抗拉強(qiáng)度巖石的抗拉強(qiáng)度是指巖石試件在受到軸向拉應(yīng)力后其試件發(fā)生破壞時(shí)的單位面積所能承受的拉力。由于巖石是一種具有許多微裂隙的介質(zhì)。在進(jìn)行抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，

24、巖石試件的加工和試驗(yàn)環(huán)境的易變性，使得人們不得不對(duì)其試驗(yàn)方法進(jìn)行了大量的研究，提出了多種求抗拉強(qiáng)度值的方法。以下就目前常用的四種方法作一介紹。1直接拉伸法這是利用巖石試件與試驗(yàn)機(jī)夾具之間的粘結(jié)力或摩擦力，對(duì)巖石試件直接施加拉力，測(cè)試巖石抗拉強(qiáng)度的一種方法。通過(guò)試驗(yàn)可按下式求得其抗拉強(qiáng)度值：Rt=P/A(MPa)(15-1-16b)進(jìn)行直接拉伸法試驗(yàn)的關(guān)鍵在于：一是巖石試件與夾具間必須有足夠的粘結(jié)力或者摩擦力；二是所施加的拉力必須與巖石試件同軸心。否則，就會(huì)出現(xiàn)巖石試件與夾具脫落、或者由于偏心荷載，使試件的破壞斷面不垂直于巖石試件的軸心等現(xiàn)象，致使試驗(yàn)失敗。2抗彎法抗彎法是利用結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中梁的三點(diǎn)

25、或四點(diǎn)加載的方法，使梁的下沿產(chǎn)生純拉應(yīng)力，使巖石試件產(chǎn)生斷裂破壞的原理，間接地求出巖石的抗拉強(qiáng)度值。此時(shí)，其抗拉強(qiáng)度值可按下式求得：公式(15-1-17)的成立是建立在以下四個(gè)基本假設(shè)基礎(chǔ)之上：梁的截面嚴(yán)格保持為平面。材料是均質(zhì)的，服從虎克定律。彎曲發(fā)生在梁的對(duì)稱面內(nèi)。拉伸和壓縮的應(yīng)力一應(yīng)變特性相同。對(duì)于巖石而言，第4個(gè)假設(shè)與巖石的特性存在著較大的差別。因此，利用抗彎法求得的抗拉強(qiáng)度也存在著一定的偏差。且試件的加工也遠(yuǎn)比直接拉伸法麻煩。故此方法應(yīng)用要比直接拉伸法相對(duì)少些。3劈裂法(巴西法)劈裂法也稱作徑向壓裂法，因?yàn)槭怯赡厦腊臀魅撕嫉铝_斯(Hondros)提出的試驗(yàn)方法，故被人稱作為巴西法。這

26、種試驗(yàn)方法是：用一個(gè)實(shí)心圓柱形試件，使它承受徑向壓縮線荷載直至破壞，求出巖石的抗拉強(qiáng)度。按我國(guó)巖石力學(xué)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：試件的直徑應(yīng)為5cm、其厚度為直徑的一倍。根據(jù)布辛奈斯克(Bousinesq)半無(wú)限體上作用著集中力的解析解，求得試件破壞時(shí)作用在試件中心的最大拉應(yīng)力為根據(jù)解析解分析的結(jié)果，要求試驗(yàn)時(shí)所施加的線荷載必須通過(guò)試件的直徑，并在破壞寸具破裂面亦通過(guò)該試件的直徑。否則，試驗(yàn)結(jié)果將帶來(lái)較大的誤差。4點(diǎn)荷載試驗(yàn)法點(diǎn)荷載試驗(yàn)法是一種簡(jiǎn)便的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法。該試驗(yàn)方法最大的特點(diǎn)是可利用現(xiàn)場(chǎng)取得的任何形狀的巖塊，可以是5cm的鉆孔巖芯，也可以是開挖后掉落下的不規(guī)則巖塊，不作任何巖樣加工直接進(jìn)行試驗(yàn)

27、。該試驗(yàn)裝置是一個(gè)極為小巧的設(shè)備，具加載原理類于劈裂法，不同的是劈裂法所施加的是線荷載，而點(diǎn)荷載法是施加的點(diǎn)荷載，點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)I可按下式求得：I=P/D2(MPa)(15-1-18)經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，提出了表示點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)與巖石抗拉強(qiáng)度之間的近似的關(guān)系式，其式如下：Rt=0.96I=0.96P/D2(15-l-19)由于點(diǎn)荷載試驗(yàn)的結(jié)果離散性較大。因此要求每組試驗(yàn)必須達(dá)到一定的數(shù)量，通常進(jìn)行15個(gè)試件的試驗(yàn)，最終按其平均值求得其強(qiáng)度指數(shù)并推算出巖石的抗拉強(qiáng)度。最近，由于許多巖體工程分類中都采用了荷載強(qiáng)度指數(shù)作為一個(gè)定量的指標(biāo)。因此有人建議采用直徑為5cm的鉆孔巖芯作為標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行

28、試驗(yàn)，使點(diǎn)荷載試驗(yàn)的結(jié)果更趨合理，且具有較強(qiáng)的可比性?！纠}16】利用點(diǎn)荷載試驗(yàn)可以求得巖石的（）。A.抗壓強(qiáng)度B.抗拉強(qiáng)度C.抗剪強(qiáng)度D.三向壓縮強(qiáng)度答案：B【例題17某巖石試件經(jīng)點(diǎn)荷載試驗(yàn)測(cè)得其強(qiáng)度指數(shù)I=0.5Mpa,則其抗拉強(qiáng)度為（）。A. 0.5MpaB. 0.48MpaC. 0.45MpaD. 0.35Mpa答案：B【例題18】當(dāng)利用點(diǎn)荷載試驗(yàn)確定巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí)，由于點(diǎn)荷載試驗(yàn)的結(jié)果離散性較大，通常進(jìn)行15個(gè)試件的試驗(yàn)，最終按其（）求得其強(qiáng)度指數(shù)并推算出巖石的抗拉強(qiáng)度。A.平均值B.標(biāo)準(zhǔn)值C.最小平均值D.最大平均值答案：A（三）巖石的抗剪強(qiáng)度巖石的剪切強(qiáng)度是指巖石在一定的應(yīng)力條

29、件下（主要指壓應(yīng)力）所能抵抗的最大剪應(yīng)力，通常用表示。巖石的剪切強(qiáng)度有三種：抗剪斷強(qiáng)度、抗切強(qiáng)度和弱面抗剪強(qiáng)度（包括摩擦試驗(yàn)）。這三種強(qiáng)度試驗(yàn)的受力條件不同，其示意圖見圖15-1-11o室內(nèi)的巖石剪切強(qiáng)度測(cè)定，最常用的是測(cè)定巖石的抗剪斷強(qiáng)度。一般用楔形剪切儀，其主要裝置如圖1-12所示。把巖石試件置于楔形剪切儀中，并放在壓力機(jī)上進(jìn)行加壓試驗(yàn)，則作用于剪切平面上的法向壓力N與切向力Q可按下式計(jì)算：試件剪切面積F除上式，即可得到受剪面上的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力（試件受剪破壞時(shí)，即為巖石的抗剪斷強(qiáng)度）：一般采用角度為30。70°以采用較大的角度為好），分別按上式求出相應(yīng)的及值，就可以在-坐標(biāo)紙上

30、作出它們的關(guān)系曲線，如圖1-13（a）所示。巖石的抗剪斷強(qiáng)度關(guān)系曲線是一條弧形曲線，一般把它簡(jiǎn)化為直線形式（見圖1-13（b）o這樣，巖石的抗剪斷強(qiáng)度與壓應(yīng)力之間【例題19】下列各項(xiàng)中不屬于巖石的剪切強(qiáng)度的是（）。A.抗剪斷強(qiáng)度B.抗切強(qiáng)度C.弱面抗剪強(qiáng)度D.抗拉強(qiáng)度答案：D（四）巖石在三向壓縮應(yīng)力作用下的強(qiáng)度地層中的巖石絕大多數(shù)都處在三向壓縮應(yīng)力的作用下，因此，從某種意義上來(lái)說(shuō)巖石在三向壓縮應(yīng)力作用下的強(qiáng)度特性是巖石本性的反映，由此而顯得更為重要。三向壓縮應(yīng)力作用下的強(qiáng)度是指在不同的側(cè)壓力作用下的三向壓縮強(qiáng)度。由于三向應(yīng)力狀態(tài)由許多不同的應(yīng)力組合而成，因此，巖石的三向壓縮強(qiáng)度通常用一個(gè)函數(shù)式

31、表示，其通式為：其中，為最大主應(yīng)力，而分別為中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力。從公式(15-1-23)可知，巖石的三向壓縮應(yīng)力的強(qiáng)度可用兩種不同的表達(dá)式。兩種不同的表達(dá)式是等價(jià)的。由于巖石三向壓縮強(qiáng)度是根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果而建立，從目前的研究成果來(lái)說(shuō)，很難用一個(gè)具體的顯式函數(shù)形式給予精確的描述。此外，由試驗(yàn)的結(jié)果可知，隨著所施加的圍壓的增大，其相應(yīng)的極限最大主應(yīng)力也將隨之增大。因此，從總體上來(lái)說(shuō)，它是一個(gè)單調(diào)函數(shù)。1三向壓縮試驗(yàn)方法簡(jiǎn)介三向壓縮應(yīng)力試驗(yàn)根據(jù)施加側(cè)向壓力的不同，可分成真三軸試驗(yàn)假三軸試驗(yàn)二者的區(qū)別在于側(cè)壓的不同。前者兩個(gè)水平方向施加的壓力不等，而后者相等。由于真三軸試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)機(jī)的特殊要求，使這試驗(yàn)要花費(fèi)很大的人力、物力和財(cái)力。而假三軸試驗(yàn)要比真三軸試驗(yàn)容易得多，成為巖石力學(xué)中最常用的試驗(yàn)方法之一。圖15-1-14是假三軸試驗(yàn)機(jī)施加三向壓力的裝置示意圖，圍壓是通過(guò)液體施加在試件上。通常假三軸試驗(yàn)先施加按一定要求設(shè)定的圍壓值，并保持不變，隨后施加豎向荷載直至破壞。而真三軸試驗(yàn)卻要求能夠分別施加三個(gè)方向上的大小不同的荷載。2三向壓縮試驗(yàn)的破壞類型表15-1-3例示了假三軸試驗(yàn)在不同圍壓作用下的破壞類型。巖石試件在低圍壓作用下（表中情況1,2）,其破壞形式主要表現(xiàn)為劈裂破壞。這一破壞形式與單軸壓縮破壞很接近，說(shuō)明圍壓對(duì)其破壞