巖石的力學(xué)性質(zhì)強(qiáng)度性質(zhì)

巖石的力學(xué)性質(zhì)強(qiáng)度性質(zhì)第一頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日12.3

巖石的力學(xué)性質(zhì)

巖石的性質(zhì)與組成巖石的礦物顆粒以及其間的膠結(jié)物性質(zhì)有關(guān)。分為固結(jié)性巖石和松散性巖石。固結(jié)性巖石：礦物顆粒是固結(jié)在一起的，如基巖。松散性巖石：顆粒間的結(jié)合力破壞，如粘土，砂土等。

第二頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日2巖石的力學(xué)性質(zhì)強(qiáng)度特性：巖石抵抗外力作用的能力，巖石破壞時(shí)能夠承受的最大應(yīng)力。變形性質(zhì)：巖石在外力作用下發(fā)生形態(tài)（形狀、體積）變化。

力學(xué)性質(zhì)變形性質(zhì)a.單向壓縮變形

b.反復(fù)加載變形

c.三軸壓縮變形強(qiáng)度特性單向抗壓強(qiáng)度單向抗拉強(qiáng)度剪切強(qiáng)度三軸壓縮第三頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日3巖石的力學(xué)性質(zhì)工程師對(duì)材料提出兩個(gè)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[]？本節(jié)討論[]問題強(qiáng)度：材料受力時(shí)抵抗破壞的能力。強(qiáng)度單向抗壓強(qiáng)度單向抗拉強(qiáng)度剪切強(qiáng)度三軸壓縮真三軸偽三軸第四頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日4一巖石的單軸抗壓強(qiáng)度1.定義：巖石在單軸壓縮荷載作用下達(dá)到破壞前所能承受的最大壓應(yīng)力稱為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度

式中：P——無(wú)側(cè)限的條件下的軸向破壞荷載 A——試件截面積σc=P/APPA2.3.1巖石的強(qiáng)度特性第五頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日52.試驗(yàn)方法(鉆機(jī))巖石試件第六頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日6切割機(jī)第七頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日7a.試件兩端不平度0.5mm；b.尺寸誤差±0.3mm;c.兩端面垂直于軸線±0.25度磨床第八頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日8試驗(yàn)機(jī)第九頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日9三種破壞形式：1.X狀共軛斜面剪切破壞，是最常見的破壞形式。2.單斜面剪切破壞，這種破壞也是剪切破壞。3.拉伸破壞，在軸向壓應(yīng)力作用下，在橫向?qū)a(chǎn)生拉應(yīng)力。這是泊松效應(yīng)的結(jié)果。這種類型的破壞就是橫向拉應(yīng)力超過巖石抗拉極限所引起的。第十頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日10非標(biāo)準(zhǔn)試件的對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響及其修正圓柱形試件：D一般不小于50mm，高L=（2.5－3)D長(zhǎng)方體試件：50×50×50mm或70×70×70mm

試件標(biāo)準(zhǔn)第十一頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日113.實(shí)驗(yàn)原理壓縮實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖(500t壓力機(jī))端部效應(yīng)消除方法:①潤(rùn)滑試件端部（如墊云母片；涂黃油在端部）②加長(zhǎng)試件第十二頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日124.影響單軸抗壓強(qiáng)度的主要因素（1）承壓板端部的摩擦力及其剛度（加墊塊的依據(jù)）（2）試件的形狀和尺寸形狀：圓形試件不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，好加工尺寸：大于礦物顆粒的10倍；φ50的依據(jù)高徑比：研究表明；L/D≥(2.5－3)較合理（3）加載速度加載速度越大，表現(xiàn)強(qiáng)度越高)

我國(guó)規(guī)定加載速度為0.5～0.8MPa/s（4）環(huán)境含水量：含水量越大強(qiáng)度越低；巖石越軟越明顯，對(duì)泥巖、粘土等軟弱巖體，干燥強(qiáng)度是飽和強(qiáng)度的2－3倍。溫度：180℃以下不明顯：大于180℃，溫度越高強(qiáng)度越小。第十三頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日13第十四頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日14二巖石的抗拉強(qiáng)度定義：巖石在單軸拉伸荷載作用下達(dá)到破壞時(shí)所能承受的最大拉應(yīng)力稱為巖石的單軸抗拉強(qiáng)度(Tensilestrength)。

試件在拉伸荷載作用下的破壞通常是沿其橫截面的斷裂破壞。直接試驗(yàn)間接試驗(yàn)試驗(yàn)方法第十五頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日152.直接拉伸試驗(yàn)加載和試件示意圖第十六頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日16計(jì)算公式：破壞時(shí)的最大軸向拉伸荷載(Pt)除以試件的橫截面積(A)。即：

σt=Pt/A第十七頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日17直接拉伸試驗(yàn)加載和試件示意圖－限制性第十八頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日183.間接方法①巖石是各向同性的線彈性材料②滿足平面假設(shè)的對(duì)稱面內(nèi)彎曲適用條件：（1）抗彎法（梁的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)）第十九頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日19（2）劈裂法（巴西法）要求①荷載沿軸向均勻分布②破壞面必須通過試件的直徑注：①端部效應(yīng)②并非完全單向應(yīng)力試驗(yàn)：徑向壓縮破壞（張開）計(jì)算公式：由彈性力學(xué)Boursinesq公式式中：——試驗(yàn)中心的最大拉應(yīng)力p——試驗(yàn)中破壞時(shí)的壓力D——試件的直徑t——試件的厚度第二十頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日20a.試件:為一巖石圓盤，加載方式如圖所示。實(shí)際上荷載是沿著一條弧線加上去的，但孤高不能超過圓盤直徑的1/20。第二十一頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日21b.應(yīng)力分布：圓盤在壓應(yīng)力的作用下，沿圓盤直徑y(tǒng)—y的應(yīng)力分布和x—x方向均為壓應(yīng)力。而離開邊緣后，沿y—y方向仍為壓應(yīng)力，但應(yīng)力值比邊緣處顯著減少。并趨于均勻化；x—x方向變成拉應(yīng)力。并在沿y—y的很長(zhǎng)一段距離上呈均勻分布狀態(tài)。c.破壞原因：由于巖石的抗拉強(qiáng)度很低，所以試件還是由于x方向的拉應(yīng)力而導(dǎo)致試件沿直徑的劈裂破壞。破壞是從直徑中心開始，然后向兩端發(fā)展，反映了巖石的抗拉強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度要低得多的事實(shí)。第二十二頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日22（3）點(diǎn)荷載試驗(yàn)法是上世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的一種簡(jiǎn)便的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法。試件：任何形狀，尺寸大致50mm，不做任何加工。試驗(yàn)：在直接帶到現(xiàn)場(chǎng)的點(diǎn)荷載儀上，加載劈裂破壞。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備便攜，可到現(xiàn)場(chǎng)去進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；對(duì)試件的形狀等要求不嚴(yán)格第二十三頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日23小型點(diǎn)載荷設(shè)備：手動(dòng)液壓泵一個(gè)液壓千斤頂一對(duì)圓錐形的加載頭第二十四頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日24計(jì)算：式中：P——試件破壞時(shí)的極限強(qiáng)度

y——加載點(diǎn)試件的厚度統(tǒng)計(jì)公式：要求:（由于離散性大），每組15個(gè)，取均值，即建議：用φ50mm的鉆孔巖芯為試件。第二十五頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日25三巖石的抗剪強(qiáng)度1.定義巖石在剪切荷載作用下達(dá)到破壞前所能承受的最大剪應(yīng)力稱為巖石的抗剪切強(qiáng)度（Shearstrength）。所能抵抗的最大剪應(yīng)力常用表示

剪切強(qiáng)度試驗(yàn)分為非限制性剪切強(qiáng)度試驗(yàn)（Unconfinedshearstrengthtest）和限制性剪切強(qiáng)度試驗(yàn)（Confinedshearstrengthtest）二類。非限制性剪切試驗(yàn)在剪切面上只有剪應(yīng)力存在，沒有正應(yīng)力存在；限制性剪切試驗(yàn)在剪切面上除了存在剪應(yīng)力外，還存在正應(yīng)力。第二十六頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日261）四種典型的非限制性剪切強(qiáng)度試驗(yàn)：

a.單面剪切試驗(yàn)，b.沖擊剪切試驗(yàn),c.雙面剪切試驗(yàn)，d.扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)，第二十七頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日272）非限制性剪切強(qiáng)度記為So計(jì)算公式：（a）單面剪切試驗(yàn)

So=Fc/A（b）沖擊剪切試驗(yàn)So=Fc/2πra

r-沖擊孔半徑

a-時(shí)間厚度（c）雙面剪切試驗(yàn)So=Fc/2A（d）扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)So=16Mc/πD3式中：Mc—試件被剪斷前達(dá)到的最大扭矩（N?m）

D—試件直徑（m）第二十八頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日283）四種典型的限制性剪切強(qiáng)度試驗(yàn)

a.直剪儀（剪切盒）壓剪試驗(yàn)（單面剪）

b.立方體試件單面剪試驗(yàn)

c.試件端部受壓雙面剪試驗(yàn)

d.角模壓剪試驗(yàn)（變角剪切試驗(yàn)）第二十九頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日294)Hoek直剪儀試驗(yàn)裝置第三十頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日305）角模壓剪試驗(yàn)及受力分析示意圖在壓力P的作用下，剪切面上可分解為:a.沿剪切面的剪應(yīng)力Psinα/Ab.垂直剪切面的正應(yīng)力Pcosα/A第三十一頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日316）限制性剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及其分析①試驗(yàn)結(jié)果：剪切面上正應(yīng)力越大，試件被剪破壞前所能承受的剪應(yīng)力也越大。原因：剪切破壞一要克服內(nèi)聚力，二要克服摩擦力，正應(yīng)力越大，摩擦力也越大。將破壞時(shí)的剪應(yīng)力和正應(yīng)力標(biāo)注到σ-τ應(yīng)力平面上就是一個(gè)點(diǎn)，不同的正、剪應(yīng)力組合就是不同的點(diǎn)。將所有點(diǎn)連接起來(lái)就獲得了莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線，如圖所示。第三十二頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日32②殘余強(qiáng)度：當(dāng)剪切面上的剪應(yīng)力超過了峰值剪切強(qiáng)度后，剪切破壞發(fā)生，然后在較小的剪切力作用下就可使巖石沿剪切面滑動(dòng)。能使破壞面保持滑動(dòng)所需的較小剪應(yīng)力就是破壞面的殘余強(qiáng)度。正應(yīng)力越大，殘余強(qiáng)度越高，如圖所示。所以只要有正應(yīng)力存在，巖石剪切破壞面仍具有抗剪切的能力。第三十三頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日33四.三軸抗壓強(qiáng)度1)定義：巖石在三向壓縮荷載作用下，達(dá)到破壞時(shí)所能承受的最大壓應(yīng)力稱為巖石的三軸抗壓強(qiáng)度(Triaxialcompressivestrength)。與單軸壓縮試驗(yàn)相比，試件除受軸向壓力外，還受側(cè)向壓力。側(cè)向壓力限制試件的橫向變形，因而三軸試驗(yàn)是限制性抗壓強(qiáng)度(confinedcompressivestrength)試驗(yàn)。第三十四頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日342)實(shí)驗(yàn)加載方式：a.真三軸加載:試件為立方體，加載方式如圖所示。應(yīng)力狀態(tài)：σ1>σ2>

σ3

這種加載方式試驗(yàn)裝置繁雜，且六個(gè)面均可受到由加壓鐵板所引起的摩擦力，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有很大影響，因而實(shí)用意義不大。故極少有人做這樣的三軸試驗(yàn)。b.偽三軸試驗(yàn):，試件為圓柱體，試件直徑25~150mm，長(zhǎng)度與直徑之比為2：1或3：1。軸向壓力的加載方式與單軸壓縮試驗(yàn)相同。但由于有了側(cè)向壓力，其加載上時(shí)的端部效應(yīng)比單軸加載時(shí)要輕微得多。應(yīng)力狀態(tài)：σ1>σ2=σ3第三十五頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日35三軸壓縮試驗(yàn)加載示意圖真三軸σ1>σ2>

σ3偽三軸σ1>σ2=σ3第三十六頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日363)偽三軸試驗(yàn)裝置圖：由于試件側(cè)表面已被加壓油缸的橡皮套包住，液壓油不會(huì)在試件表面造成摩擦力，因而側(cè)向壓力可以均勻施加到試件中。其試驗(yàn)裝置示意圖如下。第三十七頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日374)第一個(gè)經(jīng)典三軸試驗(yàn)a.試驗(yàn)者和時(shí)間：意大利人馮·卡門(Von·Karman)于1911年完成的。b.試驗(yàn)巖石：白色圓柱體大理石試件，該大理石具有很細(xì)的顆粒并且是非常均質(zhì)的。c.試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：①在圍壓為零或較低時(shí)，大理石試件以脆性方式破壞，沿一組傾斜的裂隙破壞。②隨著圍壓的增加，試件的延性變形和強(qiáng)度都不斷增加，直至出現(xiàn)完全延性或塑性流動(dòng)變形，并伴隨工作硬化，試件也變成粗腰桶形的。③在試驗(yàn)開始階段，試件體積減小，當(dāng)達(dá)到抗壓強(qiáng)度一半時(shí)，出現(xiàn)擴(kuò)容，泊松比迅速增大。第三十八頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日385)三軸試驗(yàn)與莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線a.三軸壓縮試驗(yàn)的最重要的成果：就是對(duì)于同一種巖石的不同試件或不同的試驗(yàn)條件給出幾乎恒定的強(qiáng)度指標(biāo)值。這一強(qiáng)度指標(biāo)值以莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線（Mohr’sstrengthenvelop）的形式給出。b.莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線的繪制：須對(duì)該巖石的5~6個(gè)試件做三軸壓縮試驗(yàn)，每次試驗(yàn)的圍壓值不等，由小到大，得出每次試件破壞時(shí)的應(yīng)力莫爾圓，通常也將單軸壓縮試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)破壞時(shí)的應(yīng)力莫爾圓，用于繪制應(yīng)力莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線。如圖所示。曲線形：直線形：第三十九頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日396)三軸試驗(yàn)巖石強(qiáng)度參數(shù)的確定a.直線形：τ軸的截距稱為巖石的粘結(jié)力（或稱內(nèi)聚力），記為C（MPa），與σ軸的夾角稱為巖石的內(nèi)摩擦角，記為φ（度）。b.曲線形：①一種方法是將包絡(luò)線和τ軸的截距定為C，將包絡(luò)線與τ軸相交點(diǎn)的包絡(luò)線外切線與σ軸夾角定為內(nèi)摩擦角。②另一種方法建議根據(jù)實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)在莫爾包絡(luò)線上找到相應(yīng)點(diǎn)，在該點(diǎn)作包絡(luò)線外切線，外切線與σ軸夾角為內(nèi)摩擦角，外切線及其延長(zhǎng)線與τ軸相交之截距即為C。實(shí)踐中采用第一種方法的人數(shù)多。第四十頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日407).巖石三向壓縮強(qiáng)度的影響因素（1）側(cè)壓力的影響圍壓越大，軸向壓力越大第四十一頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日41（2）孔隙水壓力對(duì)巖石三向壓縮強(qiáng)度的影響孔隙水壓力使有效應(yīng)力（圍壓）減小強(qiáng)度降低第四十二頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日42五、影響