1-2岩石的力学性质-岩石强度讲解

1.4岩石的力学性质岩石的强度：岩石抵抗外力作用的能力，岩石破坏时能够承受的最大应力。a.单向抗压强度b.单向抗拉强度c.剪切强度d.三轴抗压强度岩石的变形：岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变化。a.单向压缩变形b.反复加载变形c.三轴压缩变形d.剪切变形岩石强度与外力有关a.外力性质：动载荷、静载荷b.外力方式：拉伸、压缩、剪切C.应力状态：单向、双向、三向固有性质：凡是不受试件的形状、尺寸、采集地、采集人等影响而保持不变的特征1.1岩石单轴抗压强度1）定义：岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所能承受的最大压应力称为岩石的单轴抗压强度(Uniaxialcompressivestrength)，或称为非限制性抗压强度(unconfinedcompressivestrength)。如图所示。2）计算公式：σc=P/A4)实验方法a.试件标准立方体50×50×50mm或70×70×70mm圆柱体，但使用最广泛的是圆柱体。圆柱体直径D一般不小于50mm。L/D=2.5~3.0（国际岩石力学委员会ISRM建议的尺寸）要求：两端不平度0.5mm；尺寸误差±0.3mm；两端面垂直于轴线误差±0.25度。加载速率：0.5～0.8Pa/sc.压缩实验设备示意图(500t压力机)3）4种破坏形式：1.X状共轭斜面剪切破坏，是最常见的破坏形式。2.单斜面剪切破坏，这种破坏也是剪切破坏。3.塑性流动变形，线应变≥10％。4.拉伸破坏，在轴向压应力作用下，在横向将产生拉应力。这是泊松效应的结果。这种类型的破坏就是横向拉应力超过岩石抗拉极限所引起的。d.端部效应及其消除方法端部效应:消除方法:①润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部）②加长试件b.非标准试件的对试验结果的影响及其修正岩石种类单向抗压强度单向抗拉强度抗剪强度砂岩类细砂岩103.9~1435.5~17.617.4~53.4中砂岩85.7~133.36~1413.3~36.5粗砂岩56.8~123.55.4~11.612.4~30.4粉砂岩36.3~54.91.3~2.46.86~11.5砾岩类砂砾岩6.9~121.52.8~9.77~28.8砾岩80.4~944~11.766.6~26.4页岩类砂质页岩39.2~90.23.9~11.820.6~29.9页岩18.6~39.22.7~5.415.6~23.3灰岩类石灰岩52.9~157.87.7~13.89.8~30.4煤4.9~492~4.91.08~16.21.2岩石单轴抗拉强度1）定义：岩石在单轴拉伸荷载作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力称为岩石的单轴抗拉强度(Tensilestrength),。试件在拉伸荷载作用下的破坏通常是沿其横截面的断裂破坏，岩石的拉伸破坏试验分直接试验和间接试验两类。2)直接拉伸试验加载和试件示意图计算公式：破坏时的最大轴向拉伸荷载(Pt)除以试件的横截面积(A)。即：σt=Pt/A2)直接拉伸试验加载和试件示意图－（续）3)间接拉伸试验加载和试件示意图巴西试验法（Braziliantest），俗称劈裂试验法。a.试件:为一岩石圆盘，加载方式如图所示。实际上荷载是沿着一条弧线加上去的，但孤高不能超过圆盘直径的1/20。b.应力分布：圆盘在压应力的作用下，沿圆盘直径y—y的应力分布和x—x方向均为压应力。而离开边缘后，沿y—y方向仍为压应力，但应力值比边缘处显著减少。并趋于均匀化；x—x方向变成拉应力。并在沿y—y的很长一段距离上呈均匀分布状态。c.破坏原因：从图可以看出，虽然拉应力的值比压应力值低很多，但由于岩石的抗拉强度很低，所以试件还是由于x方向的拉应力而导致试件沿直径的劈裂破坏。破坏是从直径中心开始，然后向两端发展，反映了岩石的抗拉强度比抗压强度要低得多的事实。d.计算公式：σt=σx=-2P/πdtσy=(1/r1+1/r2-1/d)2P/πt圆盘中心处：σt=σx=-2P/πdtσy=6P/πdt岩石种类单向抗压强度单向抗拉强度抗剪强度砂岩类细砂岩103.9~1435.5~17.617.4~53.4中砂岩85.7~133.36~1413.3~36.5粗砂岩56.8~123.55.4~11.612.4~30.4粉砂岩36.3~54.91.3~2.46.86~11.5砾岩类砂砾岩6.9~121.52.8~9.77~28.8砾岩80.4~944~11.766.6~26.4页岩类砂质页岩39.2~90.23.9~11.820.6~29.9页岩18.6~39.22.7~5.415.6~23.3灰岩类石灰岩52.9~157.87.7~13.89.8~30.4煤4.9~492~4.91.08~16.21.3抗剪切强度1)定义：岩石在剪切荷载作用下达到破坏前所能承受的最大剪应力称为岩石的抗剪切强度（Shearstrength）。剪切强度试验分为非限制性剪切强度试验（Unconfinedshearstrengthtest）和限制性剪切强度试验（Confinedshearstrengthtest）二类。非限制性剪切试验在剪切面上只有剪应力存在，没有正应力存在；限制性剪切试验在剪切面上除了存在剪应力外，还存在正应力。2）四种典型的非限制性剪切强度试验：a.单面剪切试验，b.冲击剪切试验,c.双面剪切试验，d.扭转剪切试验，分别见图。3）非限制性剪切强度记为So计算公式：（a）单面剪切试验So=Fc/A（b）冲击剪切试验So=Fc/2πra（c）双面剪切试验So=Fc/2A（d）扭转剪切试验So=16Mc/πD3式中：Mc—试件被剪断前达到的最大扭矩（N•m）D—试件直径（m）4）四种典型的限制性剪切强度试验a.直剪仪（剪切盒）压剪试验（单面剪）b.立方体试件单面剪试验c.试件端部受压双面剪试验d.角模压剪试验（变角剪切试验）5)Hoek直剪仪试验装置6）角模压剪试验及受力分析示意图在压力P的作用下，剪切面上可分解为沿剪切面的剪力Psinα/A和垂直剪切面的正应力Pcosα/A，如图所示。7）限制性剪切强度试验结果及其分析①试验结果：剪切面上正应力越大，试件被剪破坏前所能承受的剪应力也越大。原因：剪切破坏一要克服内聚力，二要克服摩擦力，正应力越大，摩擦力也越大。将破坏时的剪应力和正应力标注到σ-τ应力平面上就是一个点，不同的正、剪应力组合就是不同的点。将所有点连接起来就获得了莫尔强度包络线，如图所示。②残余强度：当剪切面上的剪应力超过了峰值剪切强度后，剪切破坏发生，然后在较小的剪切力作用下就可使岩石沿剪切面滑动。能使破坏面保持滑动所需的较小剪应力就是破坏面的残余强度。正应力越大，残余强度越高，如图所示。所以只要有正应力存在，岩石剪切破坏面仍具有抗剪切的能力。岩石种类单向抗压强度单向抗拉强度抗剪强度砂岩类细砂岩103.9~1435.5~17.617.4~53.4中砂岩85.7~133.36~1413.3~36.5粗砂岩56.8~123.55.4~11.612.4~30.4粉砂岩36.3~54.91.3~2.46.86~11.5砾岩类砂砾岩6.9~121.52.8~9.77~28.8砾岩80.4~944~11.766.6~26.4页岩类砂质页岩39.2~90.23.9~11.820.6~29.9页岩18.6~39.22.7~5.415.6~23.3灰岩类石灰岩52.9~157.87.7~13.89.8~30.4煤4.9~492~4.91.08~16.21.4三轴抗压强度1)定义：岩石在三向压缩荷载作用下，达到破坏时所能承受的最大压应力称为岩石的三轴抗压强度(Triaxialcompressivestrength)。与单轴压缩试验相比，试件除受轴向压力外，还受侧向压力。侧向压力限制试件的横向变形，因而三轴试验是限制性抗压强度(confinedcompressivestrength)试验。2)实验加载方式：a.真三轴加载:试件为立方体，加载方式如图所示。应力状态：σ1σ2σ3这种加载方式试验装置繁杂，且六个面均可受到由加压铁板所引起的摩擦力，对试验结果有很大影响，因而实用意义不大。故极少有人做这样的三轴试验。b.假三轴试验:，试件为圆柱体，试件直径25~150mm，长度与直径之比为2：1或3：1。加载方式如图所示，轴向压力的加载方式与单轴压缩试验时相同。但由于有了侧向压力，其加载上时的端部效应比单轴加载时要轻微得多。应力状态：σ1σ2=σ3三轴压缩试验加载示意图真三轴σ1σ2σ3假三轴σ1σ2=σ33)假三轴试验装置图：由于试件侧表面已被加压油缸的橡皮套包住，液压油不会在试件表面造成摩擦力，因而侧向压力可以均匀施加到试件中。其试验装置示意图如下。4)第一个经典三轴试验a.试验者和时间：意大利人冯·卡门(Von·Karman)于1911年完成的。b.试验岩石：白色圆柱体大理石试件，该大理石具有很细的颗粒并且是非常均质的。c.试验发现：①在围压为零或较低时，大理石试件以脆性方式破坏，沿一组倾斜的裂隙破坏。②随着围压的增加，试件的延性变形和强度都不断增加，直至出现完全延性或塑性流动变形，并伴随工作硬化，试件也变成粗腰桶形的。③在试验开始阶段，试件体积减小，当达到抗压强度一半时，出现扩容，泊松比迅速增大。5)三轴试验与莫尔强度包络线a.三轴压缩试验的最重要的成果：就是对于同一种岩石的不同试件或不同的试验条件给出几乎恒定的强度指标值。这一强度指标值以莫尔强度包络线（Mohr’sstrengthenvelop）的形式给出。b.莫尔强度包络线的绘制：须对该岩石的5~6个试件做三轴压缩试验，每次试验的围压值不等，由小到大，得出每次试件破坏时的应力莫尔圆，通常也将单轴压缩试验和拉伸试验破坏时的应力莫尔圆，用于绘制应力莫尔强度包络线。如图所示。曲线形：直线形：6)三轴试验岩石强度参数的确定a.直线形：τ轴的截距称为岩石的粘结力（或称内聚力），记为C（MPa），与σ轴的夹角称为岩石的内摩擦角，记为φ（度）。b.曲线形：①一种方法是将包络线和τ轴的截距定为C，将包络线与τ轴相交点的包络线外切线与σ轴夹角定为内摩擦角。②另一种方法建议根据实际应力状态在莫尔包络线上找到相应点，在该点作包络线外切线，外切线与σ轴夹角为内摩擦角，外切线及其延长线与τ轴相交之截距即为C。实践中采用第一种方法的人数多。