巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)及其試驗(yàn)方法

朽木易折，金石可鏤。千里之行，始于足下。第頁/共頁第一講巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)及其實(shí)驗(yàn)主意(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)及其實(shí)驗(yàn)主意，巖石的強(qiáng)度特性。

二、重點(diǎn)、難點(diǎn)：

巖石的強(qiáng)度特性，對巖石的物理力學(xué)性能等指標(biāo)及其實(shí)驗(yàn)主意作普通了解。

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其周

圍物理環(huán)境(力場)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持久的地質(zhì)作用下，按一定邏輯聚攏而成的天然體。因?yàn)槌梢虻牟煌?，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)的天然地質(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)面是指沒有或者具有極低抗拉強(qiáng)度的力學(xué)不延續(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)來看，它往往是巖體中相對照較薄弱的環(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。

【例題1】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3】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.巖石的體積大小

答案：C二、巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)及其實(shí)驗(yàn)主意

(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求得。其實(shí)驗(yàn)主意見相關(guān)的國家標(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)普通都采用量積法求得。即將巖塊加工成標(biāo)準(zhǔn)試件(所謂的標(biāo)準(zhǔn)試件是指滿意圓柱體直徑為48～54mm，高徑比為2.0～2.5，含大顆粒的巖石，其試件直徑應(yīng)大于巖石最大顆粒直徑的10倍；并對試件加工具有以下的要求；沿試件高度，直徑或邊長的誤差不得大于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。)。測量試件直徑或邊長以及高度后，將試件置于烘箱中，在105～110℃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彌漫水的狀態(tài)下(飽和狀態(tài))所測得的密度。飽和密度的實(shí)驗(yàn)主意，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)。普通可采用真空抽氣法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

濕密度普通認(rèn)為是指巖塊在天然狀態(tài)下的密度。因?yàn)閹r塊在取樣，加工過程中都用水來冷卻切割工具，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，在有些工程中的異常需要，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。

【例題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。

A.105～110℃

B.70～90℃

C.90～110℃

D.80～120℃

答案：A

【例題6】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.48mm

B.50mm

C.54mm

D.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。因?yàn)榇蠖紟r塊的含水率比較小，因此對巖塊含水率實(shí)驗(yàn)也提出了相對照較高的要求，采集試樣不得采用爆破或鉆孔法。在試件采取、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和制備過程中，其含水率的變化不得大于1％。

巖塊的含水率實(shí)驗(yàn)采用烘干法，即將從現(xiàn)場采取的試件加工成不小40g的巖塊，放入烘箱內(nèi)在105～110℃的恒溫下將試件烘干，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)。巖石的吸水率按其實(shí)驗(yàn)主意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

巖石吸水率普通都采用規(guī)矩試件舉行實(shí)驗(yàn)(規(guī)矩試件的詳細(xì)要求同前所述的標(biāo)準(zhǔn)試件要求)。該實(shí)驗(yàn)主意是先將試件放入烘箱，在105～110℃溫度下烘24h，取出放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫后稱量。將試件放入水槽，先放入l／4試件高度的水，以后每隔2h將水分離增至試件高度的1／2和3／4處，6h后將試件所有浸入水中，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)制主意使巖石飽和，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)的水面一直高于試件，煮沸時(shí)光不得小于6h；當(dāng)采用真空抽氣法時(shí)，同樣要求容器內(nèi)水面一直高于試件，真空壓力表面讀數(shù)為100kPa。直至無氣泡逸出為止，并要求真空抽氣時(shí)光不得小于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)。因?yàn)檎惩恋V物遇水后顆粒之間的水膜將增厚，總算導(dǎo)致其體積增大。這對于巖石的力學(xué)特性以及巖石工程的施工將造成較大的影響，有須要控制這類巖石遇水時(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。

自由膨脹率實(shí)驗(yàn)普通是將采用干法加工成的試件放入自由膨脹率實(shí)驗(yàn)儀器(見圖15-1-1)，按圖示的主意放置好試件及其量測儀表，最后緩慢地向盛水容器四面注入純水，直至淹浸上

部透水板。隨后測度千分表的變形讀數(shù)。最先的一小時(shí)內(nèi)，每隔10min測讀一次，以后每小時(shí)測讀一次，直至3次讀數(shù)差不大于0.001mm后終止實(shí)驗(yàn)。另外要求浸水后實(shí)驗(yàn)時(shí)光不得小于48h。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)向約束膨脹實(shí)驗(yàn)，普通將加工好的試件放入內(nèi)涂有凡士林的金屬套環(huán)內(nèi)，并在試件上下分離設(shè)置薄型濾紙和透水板，隨后在試件頂部放上能對試件持續(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實(shí)驗(yàn)主意及終止實(shí)驗(yàn)條件舉行實(shí)驗(yàn)。巖石側(cè)向約束膨脹率可按下式求得：

(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)及位移量測系統(tǒng)?？衫脺y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程，在特定的實(shí)驗(yàn)設(shè)置中，經(jīng)過干燥和浸水兩個(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，可對巖石的抗風(fēng)化特性作定性的分析。

4巖石的超聲波波速

巖石的超聲波波速是利用超聲波在巖石中的傳揚(yáng)過程中，因?yàn)槠湮⒘严逗涂紫兜拇嬖谟绊懫鋫鲹P(yáng)的速度特性，進(jìn)而評價(jià)巖石致密程度的一個(gè)指標(biāo)。

巖石超聲波可按照質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與其傳揚(yáng)方向的異同分成二類波速，當(dāng)賦予巖石一個(gè)脈沖后，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的方向與其傳揚(yáng)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)方向與傳揚(yáng)的方向一致的波速稱為縱波或壓縮波。

巖石的超聲波波速普通都在規(guī)矩試件上舉行的。按照換能器布置的主意，波速測試有直透法或平透法兩種。其中，直透法是最常用的主意。實(shí)驗(yàn)時(shí)要求將試件放置于測試架中，并能對換能器施加約0.15MPa的壓力，并測試縱波或橫波在試件中行走的時(shí)光，最后將發(fā)射、接收換能器對接，測讀零延時(shí)。超聲波波速按下式求得：

【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8】巖石的超聲波波速可以作為評價(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。下面主要推薦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)度的實(shí)驗(yàn)主意

按照國家“工程巖體實(shí)驗(yàn)主意標(biāo)準(zhǔn)”中的要求，巖石試件的加工應(yīng)滿意前面所講述的標(biāo)準(zhǔn)試件的要求，并其放在實(shí)驗(yàn)機(jī)中央，以每秒0.5～1.0MPa的加載速度直至破壞。同時(shí)要求在實(shí)驗(yàn)前對試件作詳細(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巖石在單軸抗壓實(shí)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)出巖石受力過程中的應(yīng)力分布情況，還反映了不同實(shí)驗(yàn)條件中對它的影響。巖石在單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中浮上的破壞形態(tài)大約可分成兩種：

1)圓錐形破壞(見圖15-1-2a【例題9】下列不屬于巖石在單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中浮上的破壞形態(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)度實(shí)驗(yàn)時(shí)，倘若增強(qiáng)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：A

3巖石單軸抗壓強(qiáng)度的影響因素

1)承壓板賦予單軸抗壓強(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)，其接觸面的應(yīng)力分布很不勻稱，呈山字形，如圖15-1-4所示。顯然，這將影響囫圇試件的受力狀態(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，有人建議實(shí)驗(yàn)機(jī)的承壓板(或者墊塊)盡可能采用與巖石剛度相臨近的材料，避免因?yàn)閯偠鹊牟煌鹱冃尾粎f(xié)調(diào)造成應(yīng)力分布不勻稱的現(xiàn)象，減少對強(qiáng)度的影響。

2)試件尺寸及形狀對單向軸抗壓強(qiáng)度的影響

巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)最早采用邊長為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)生很顯然的應(yīng)力擴(kuò)散現(xiàn)象。這將影響囫圇試件在受力后的應(yīng)力分布狀態(tài)。

此外，從另外一個(gè)角度來說方柱體的試件加工要比圓柱形試件艱難得多，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4～6cm，且滿意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4.8～5.4cm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，可以看到因?yàn)楦邚奖萮／d的不同，對巖石強(qiáng)度產(chǎn)生不同的影響。從曲線的特征中，顯然地看出了高徑比在2～3時(shí)，巖石單軸抗壓強(qiáng)度值已趨勢穩(wěn)定的特性?？梢娙「邚奖葹?～3時(shí)，對其強(qiáng)度來說是比較合理的。

據(jù)此，目前世界上幾乎所有國家都采用直徑為4.8～5.4cm、高度為直徑的2.0～2.5倍的圓柱形試件舉行巖石室內(nèi)力學(xué)實(shí)驗(yàn)。這不僅考慮了不同尺寸、形態(tài)、高徑比對其強(qiáng)度的影響，同時(shí)還考慮了巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可比性。

3)加載速率對單軸抗壓強(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，如沖撞等實(shí)驗(yàn)所求得的單軸抗壓強(qiáng)度甚至可數(shù)倍于緩慢加載的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。經(jīng)微觀分析發(fā)現(xiàn)，因?yàn)榈V物在高速率加載時(shí)未充足變形而提高了它的抗外荷載的能力。因此，挑選適當(dāng)?shù)募虞d速率對其實(shí)驗(yàn)結(jié)果來說是比較重要的。我國有關(guān)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，其加載速率應(yīng)控制在0.5～10MPa／s之間，且按巖石的軟硬不同可取其不同的加載速率，這一加載速率與國外的許多實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中所提出的要求是一致的。

4)環(huán)境對巖石單軸抗壓強(qiáng)度的影響

(1)

巖石的軟化系數(shù)

在徹低烘干狀態(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)詳細(xì)的反映。見公式(15-l-16)。因?yàn)榭紫吨械乃畬r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。對于泥巖、粘土巖、頁巖等剛強(qiáng)的巖石，二者的差值甚至可達(dá)2～3倍。而對于致密堅(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)溫度對巖石單軸抗壓強(qiáng)度的影響

巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)普通是在室溫的條件下舉行的。溫度對巖石強(qiáng)度的影響并不是很顯然。然而，若對巖石試件舉行加溫，則巖石軸向壓縮強(qiáng)度將產(chǎn)生顯然的變化。

地?zé)岬睦靡约霸诤穗姽こ讨泻藦U料處置等詳細(xì)問題中，溫度對巖石力學(xué)力學(xué)性質(zhì)的影響成為異常重要的、急于解決的研究課題之一。近年來，人們很重視溫度對巖石的力學(xué)特性的影響的研究。據(jù)最新的研究報(bào)導(dǎo)，溫度對巖石強(qiáng)度的影響主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面：一是因?yàn)闇囟鹊纳呤箮r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)度。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)溫度加至180℃左右時(shí)，巖石中礦物周圍的部分結(jié)晶水會(huì)出現(xiàn)，使強(qiáng)度降低。當(dāng)加溫高達(dá)380℃左右時(shí)，石英等礦物會(huì)發(fā)生晶變而使強(qiáng)度急劇下降。二是因?yàn)闇囟鹊奶岣?，巖石內(nèi)將儲(chǔ)存著一定的熱應(yīng)力，進(jìn)而使巖石的抵御外荷載的能力降低。溫度對巖石強(qiáng)度的影響是一個(gè)很復(fù)雜的問題，從總體上來說，溫度的增強(qiáng)會(huì)使巖石強(qiáng)度降低。但也有人提出，在180℃左右時(shí)，對強(qiáng)度影響不大的說法。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，不在此一一推薦。

【例題12】在下列各項(xiàng)中，對巖石的單軸抗壓強(qiáng)度無影響的是(

)。

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，溫度的增強(qiáng)會(huì)使巖石強(qiáng)度(

)。

A.增強(qiáng)

B.降低

C.不變

D.無法判斷

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.1/4~3/4

B.1~2

C.2~3

D.3~4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.1

B.0.85

C.0.75

D.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。

因?yàn)閹r石是一種具有許多微裂隙的介質(zhì)。在舉行抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)時(shí)，巖石試件的加工和實(shí)驗(yàn)環(huán)境的易變性，使得人們不得不對其實(shí)驗(yàn)主意舉行了大量的研究，提出了多種求抗拉強(qiáng)度值的主意。以下就目前常用的四種主意作一推薦。

1直接拉伸法

這是利用巖石試件與實(shí)驗(yàn)機(jī)夾具之間的粘結(jié)力或摩擦力，對巖石試件直接施加拉力，測試巖石抗拉強(qiáng)度的一種主意。通過實(shí)驗(yàn)可按下式求得其抗拉強(qiáng)度值：

Rt=P／A(MPa)

(15-1-16b)

舉行直接拉伸法實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵在于：一是巖石試件與夾具間必須有充足的粘結(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)浮上巖石試件與夾具脫落、或者因?yàn)槠暮奢d，使試件的破壞斷面不垂直于巖石試件的軸心等現(xiàn)象，致使實(shí)驗(yàn)失敗。

2抗彎法

抗彎法是利用結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)中梁的三點(diǎn)或四點(diǎn)加載的主意，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：

①梁的截面鄭重保持為平面。②材料是均質(zhì)的，順從虎克定律。③彎曲發(fā)生在梁的對稱面內(nèi)。④拉伸和壓縮的應(yīng)力—應(yīng)變特性相同。對于巖石而言，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)比直接拉伸法棘手。故此主意應(yīng)用要比直接拉伸法相對少些。

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)提出的實(shí)驗(yàn)主意，故被人稱作為巴西法。這種實(shí)驗(yàn)主意是：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。按我國巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)主意標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：試件的直徑應(yīng)為5cm、其厚度為直徑的一倍。按照布辛奈斯克(Bousinesq)半無限體上作用著擴(kuò)散力的解析解，求得試件破壞時(shí)作用在試件中央的最大拉應(yīng)力為按照解析解分析的結(jié)果，要求實(shí)驗(yàn)時(shí)所施加的線荷載必須通過試件的直徑，并在破壞寸其破碎面亦通過該試件的直徑。否則，實(shí)驗(yàn)結(jié)果將帶來較大的誤差。

4點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn)法

點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn)法是一種簡便的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)主意。該實(shí)驗(yàn)主意最大的特點(diǎn)是可利用現(xiàn)場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)矩巖塊，不作任何巖樣加工直接舉行實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)裝置是一個(gè)極為小巧的設(shè)備，其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)過大量實(shí)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)

因?yàn)辄c(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn)的結(jié)果離散性較大。因此要求每組實(shí)驗(yàn)必須達(dá)到一定的數(shù)量，通常舉行15個(gè)試件的實(shí)驗(yàn)，總算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，因?yàn)樵S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)試樣舉行實(shí)驗(yàn)，使點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn)的結(jié)果更趨合理，且具有較強(qiáng)的可比性。

【例題16】利用點(diǎn)荷載實(shí)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)荷載實(shí)驗(yàn)測得其強(qiáng)度指數(shù)I=0.5Mpa，則其抗拉強(qiáng)度為(

)。

A.0.5Mpa

B.0.48Mpa

C.0.45Mpa

D.0.35Mpa

答案：B

【例題18】當(dāng)利用點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn)決定巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí)，因?yàn)辄c(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn)的結(jié)果離散性較大，通常舉行15個(gè)試件的實(shí)驗(yàn)，總算按其(

)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)力條件下(主要指壓應(yīng)力)所能抵御的最大剪應(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(包括摩擦實(shí)驗(yàn))。這三種強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)的受力條件不同，其暗示圖見圖15-l-11。

室內(nèi)的巖石剪切強(qiáng)度測定，最常用的是測定巖石的抗剪斷強(qiáng)度。普通用楔形剪切儀，其主要裝置如圖l-12所示。

把巖石試件置于楔形剪切儀中，并放在壓力機(jī)上舉行加壓實(shí)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)：

普通采用角度為30°～70°(以采用較大的角度為好)，分離按上式求出相應(yīng)的及值，就可以在-坐標(biāo)紙上作出它們的關(guān)系曲線，如圖l-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，普通把它簡化為直線形式(見圖l-13(b))。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，從某種意義上來說巖石在三向壓縮應(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。因?yàn)槿驊?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)式表示，其通式為：

其中，為最大主應(yīng)力，而

分離為中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力。從公式(15-l-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。因?yàn)閹r石三向壓縮強(qiáng)度是按照實(shí)驗(yàn)的結(jié)果而建立，從目前的研究成績來說，很難用一個(gè)詳細(xì)的顯式函數(shù)形式賦予確切的描述。此外，由實(shí)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，從總體上來說，它是一個(gè)單調(diào)函數(shù)。1三向壓縮實(shí)驗(yàn)主意簡介

三向壓縮應(yīng)力實(shí)驗(yàn)按照施加側(cè)向壓力的不同，可分成真三軸實(shí)驗(yàn)

假三軸實(shí)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。因?yàn)檎嫒S實(shí)驗(yàn)對實(shí)驗(yàn)機(jī)的異常要求，使這實(shí)驗(yàn)要花費(fèi)很大的人力、物力和財(cái)力。而假三軸實(shí)驗(yàn)要比真三軸實(shí)驗(yàn)容易得多，成為巖石力學(xué)中最常用的實(shí)驗(yàn)主意之一。圖15-1-14是假三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)施加三向壓力的裝置暗示圖，圍壓是通過液體施加在試件上。通常假三軸實(shí)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。而真三軸實(shí)驗(yàn)卻要求能夠分離施加三個(gè)方向上的大小不同的荷載。

2三向壓縮實(shí)驗(yàn)的破壞類型

表15-1-3例示了假三軸實(shí)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l，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臨近，說明圍壓對其破壞形態(tài)影響并非很大。當(dāng)在中等圍壓的作用下，試件主要表現(xiàn)為斜面剪切破壞。其剪切破壞角與