巖石強度特性

1、第三節(jié) 巖石的強度特性 與工程材料有關(guān)的兩個問題： 1 最大承載力許用應(yīng)力 ？ 2 最大允許變形許用應(yīng)變 ？變形特性 本節(jié)討論 問題 強度：是材料受力時抵抗破壞的能力，即指材料在荷載作用本節(jié) 強度單向抗壓強度單向抗拉強度剪切強度三軸壓縮強度真三軸假三軸1一 巖石單軸抗壓強度1.定義：指巖石試件在無側(cè)限約束的條件下，受軸向壓 力作用破壞時單位面積上承受的荷載。 式中：P無側(cè)限約束條件下軸向破壞荷載； A試件截面積。（與試件軸線或軸向力垂直） 2.試驗方法： 工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)： 加載速度：0.5-1.0MPa/s； 形狀：圓柱形試件：4.85.4cm ，高H=（22.5) 長方體試件：邊長L=

2、 4.85.4cm , 高H=（22.5)D 試件兩端不平整度0.05mm；直徑或邊長尺寸誤差 0.3mm；兩端面應(yīng)垂直于軸線，最大偏差 0.25。23.單向壓縮試件的破壞形態(tài)破壞形態(tài)有2類：（1）圓錐形破壞 原因：承壓板兩端與試件間存在摩擦力，箍作用（又稱 端部效應(yīng)）。（2）柱狀劈裂破壞 原因：消除了端部效應(yīng)； 巖石的抗拉強度遠小于抗壓強度。 消除試件端部約束的方法： 潤滑試件端部（如墊云母片；涂黃油等）； 加墊塊（墊塊與試件同剛度或同材料）。 巖石破壞形態(tài)的主要影響因素： 應(yīng)力狀態(tài)（單雙軸）試驗條件（摩擦）3破壞現(xiàn)象：試件破壞時，主要出現(xiàn)平行于試件軸向的垂直裂縫，使試件喪失了抵抗外力的作用

3、破壞現(xiàn)象：試件側(cè)向部分巖石逐漸向外變形、剝離，最終形成兩個圓錐形。4壓應(yīng)力區(qū)壓應(yīng)力區(qū)拉應(yīng)力區(qū)54.影響單軸抗壓強度的主要因素（1）承壓板端部的摩擦力及其剛度： 承壓板剛度很大，接觸面的應(yīng)力 分布不均勻山字型； 承壓板剛度很小（柔性承壓板）， 巖石斷面的應(yīng)力拋物線型； 應(yīng)該：承壓板剛度與巖石試件剛度 相同（或加墊塊），巖石斷面的應(yīng) 力均布應(yīng)力。 剛度要求一致的原因： 剛度不一致 應(yīng)力分布不均勻 變形不協(xié)調(diào)6（2）試件的形狀和尺寸 形狀：圓柱形試件不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，好加工，精度 易保證。多采用圓柱形，較少采用圓柱體。 尺寸：尺寸，強度。 統(tǒng)計結(jié)果：試件直徑46cm，且最大礦物顆粒直徑的 10倍，強

4、度值比較穩(wěn)定。 標(biāo)準(zhǔn)直徑：5cm.（3）高徑比： h/d不同，巖石單軸抗壓強度不同。（課本圖2-4） h/d=2-3時，強度穩(wěn)定。 標(biāo)準(zhǔn)高徑比：h/d=2。7（4）加載速度 加載速度越大，表現(xiàn)的強度越高 (圖25) 原因：變形速率加載速率，變 形還未充分傳播并穩(wěn)定， 載荷便繼續(xù)增加，巖體內(nèi) 的塑性變形來不及產(chǎn)生和 擴展，便增加了巖石的強度。 我國規(guī)定：0.5 1.0MPa/s（5）環(huán)境 含水率：含水率越大強度越低；巖石越軟受水影響越 明顯。對泥巖、粘土等軟弱巖體，干燥強度 是飽和強度的23倍。 溫度：影響不明顯。一般，溫度越高，巖石強度略有 降低。8二 巖石的抗拉強度1. 定義：巖石試件在受到

5、軸向拉應(yīng)力后試件發(fā)生破壞時的 單位面積上所受的拉力。 巖石抗拉強度的測試方法：直接拉伸法；間接法（抗彎法；巴西劈裂法；點荷載試驗法）。2. 直接拉伸法：(1) 圓柱形試件：直徑1cm，長度10cm。 如右圖，利用試件兩端與試驗機夾具間的摩擦力，對巖石試件直接施加拉力，測試巖石的抗拉強度。 抗拉強度： P試件能承受的最大拉力； A垂直拉應(yīng)力方向試件的截面積。9試驗2個關(guān)鍵技術(shù)試件和夾具之間的連接：必須有足夠的摩擦力，避免出現(xiàn)試件與夾具的脫落；拉力P與試件同軸心：避免偏心受彎。 實際中，由于該試驗對試件加工和加載要求條件較高，很少采用該試驗方法.(2)限制性直接拉伸裝置示意圖103. 間接方法（1

6、）抗彎法（梁的彎曲試驗） 抗彎法是利用梁的三點或四點彎曲加載的方法，使梁的下沿產(chǎn)生純拉應(yīng)力的作用而使巖石試件產(chǎn)生拉斷破壞，從而間接求出巖石抗拉強度的一種試驗方法。 抗拉強度： 三點或四點彎曲梁內(nèi)的最大拉應(yīng)力；梁發(fā)生破壞時的極限 就是 ；M 作用在試件上的最大彎矩；C 梁邊緣到中性軸的距離；I 梁截面繞中性軸的慣性矩 。 11 梁的截面嚴格保持為平面； 巖石是均質(zhì)的線彈性材料，即服從胡克定律； 彎曲發(fā)生在梁的對稱平面內(nèi)； 拉伸和壓縮的應(yīng)力應(yīng)變特性相同。 對巖石而言，第4假設(shè)很難滿足，因此試驗結(jié)果存在一定偏差，且試件較難加工，該方法應(yīng)用較少?？箯澐ǖ?個假設(shè)條件，即適用條件：12（2）劈裂法（巴西

7、法）（最常用的測試方法）試驗要求荷載沿軸向均勻分布；破壞面必須通過試件的直徑。 由巴西人杭德羅斯提出，故又稱巴西法。標(biāo)準(zhǔn)試件：實心圓柱50mm；厚度25mm試驗：用一個實心圓柱形試件，使它承受徑向壓縮線荷 載作用至破壞，間接求抗拉強度。 承受徑向壓縮荷載，產(chǎn)生張開破壞。計算基礎(chǔ)（理論基礎(chǔ)）抗拉強度：式中： 試件中心的最大拉應(yīng)力，即抗拉強度；p 試件破壞時的極限壓力；D 試件的直徑；t 試件的厚度。13（3）點荷載試驗法 是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種簡便的試驗方法。試件：任何形狀:5cm巖芯或不規(guī)則巖塊。試驗：直接在點荷載儀進行加載，直至劈裂破壞。二者不同：巴西法線荷載； 點荷載法點荷載。1

8、4 點荷載法所確定的試驗值，可用點荷載強度指數(shù)IS來表示： 式中：P 試件破壞時的極限荷載 D 加載點處試件的厚度經(jīng)過大量統(tǒng)計，得出IS與t之間的關(guān)系：試驗要求:（由于離散性大），每組15個，取均值， 即： 標(biāo)準(zhǔn)試件建議：用5cm的鉆孔巖芯為標(biāo)準(zhǔn)試件。15三 巖石的抗剪強度1. 定義 指巖石在一定的應(yīng)力條件下（主要指壓應(yīng)力），所能抵抗的最大剪應(yīng)力，常用 表示 2. 剪切強度試驗類型（如下圖）：a.抗剪斷試驗b.抗切試驗c.弱面抗剪切試驗163. 室內(nèi)試驗（抗剪斷試驗） 試驗儀器 楔形剪切儀，加載裝置 計算公式式中： p壓力機的總壓力 試件傾角 f 圓柱形滾珠與上下壓板的摩擦系數(shù)剪切破壞面上的正壓力和剪切力為：17抗剪斷儀18剪切破壞面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力為：19巖石的抗剪斷曲線（強度曲線） 改變夾具傾角；（在30度到70度之間）做一組（大于5次）不同的試驗，記錄所得的 ，值；由該組值作曲線的近似直線得方程 式中 tan巖石抗剪切內(nèi)摩擦系數(shù) c 巖石的粘結(jié)力（內(nèi)聚力）2021四巖石在三向壓縮應(yīng)力作用下的強度1. 定義 指在不同三向壓縮應(yīng)力作用下巖石抵抗外荷載的最大應(yīng)力。通式為： 2. 三向壓縮試驗簡介 （1） 真三軸 見圖16 （2） 假三軸 見圖17分別為最大、中間、最小主應(yīng)力。2223243.三軸壓縮試驗的破壞類型254.巖石三向壓縮強度的影響因素（1）側(cè)壓力的影響