岩石力学性质-强度特征.ppt

2.4 岩石的力学性质,岩石的力学性质主要包括岩石的变形和强度 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：静载荷、动载荷 b.外力方式：拉伸、剪切、压缩 c.应力状态：单向、双向、三向,对试样的要求 完整岩块，不含有节理裂隙 各种强度都不是岩石的固有性质 岩石的固有性质：不受试件的形状、尺寸、采集地、采集人等因素影响而保持不变的特征，如岩石的颜色、密度等； 通过试验所确定的各种岩石强度指标值受下列因素影响：,2.4.1 岩石的强度,岩石的强度指标影响因素,试件尺寸：一般情况下，试件尺寸大，试验所获得的岩石强度值也小； 试件形状：例如，使用正方体、长方体、圆柱体试件进行试验所获得的强度指标值是不相同的； 试件三维尺寸比例：例如，进行单轴压缩和单轴拉伸试验时，使用宽高比大的试件测得的强度比宽高比小的试件要高； 加载速率：例如，岩石的单轴抗压强度与加载速率成正比，即加载速率越大，所测得的强度指标值越高； 湿度：例如，使用饱水的页岩或某些沉积岩所测得的单轴抗压强度仅为使用同种岩石干试件强度的一半。,岩石的强度指标影响因素,为了保证不同的岩石强度试验所获得的强度指标具有可比性，国际岩石力学学会（ISRM）对岩石强度试验所使用的试件的形状、尺寸、加载速率和湿度等制定了标准，对不符合标准的强度指标，必须进行相应的修正。,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(Uniaxial Compressive Strength, UCS)，或称为非限制性抗压强度(Unconfined Compressive Strength, UCS)。如图所示。 2）计算公式： c= P/A,2.4.1.1 岩石单轴抗压强度,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。,2.4.1.1 岩石单轴抗压强度,4)实验方法 (a)试件标准: 立方体505050mm或 707070mm; 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=2.53.0（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：0.50.8MPa/s，一般从开始试验直至试件破坏的时间为510分钟,2.4.1.1 岩石单轴抗压强度,(b)非标准试件的对试验结果的影响及其修正,2.4.1.1 岩石单轴抗压强度,国际岩石力学学会（ISRM）建议进行岩石单轴抗压强度试验时所使用的试件长度（L）与直径（D）之比为2.53。,(c)压缩实验设备示意图,2.4.1.1 岩石单轴抗压强度,端部效应,(d)端部效应及其消除方法 端部效应:岩石和加载垫板刚度不匹配，导致变形不协调，引起水平方向摩擦力,消除方法: 润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部） 加长试件,2.4.1.1 岩石单轴抗压强度,2.4.1.2 石岩三轴抗压强度,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(Triaxial compressive strength)。 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(Confined Compressive Strength) 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：12 3 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。,2.4.1.2 石岩三轴抗压强度,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，其加载时的端部效应比单轴加载时要轻微得多。 应力状态： 12=3,2.4.1.2 石岩三轴抗压强度,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。,2.4.1.2 石岩三轴抗压强度,4)第一个经典三轴试验 a.试验者和时间：意大利人冯卡门(VonKarman)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： 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。 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。 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。,2.4.1.2 石岩三轴抗压强度,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（Mohrs strength envelop）的形式给出。 b.莫尔强度包络线的绘制：须对该岩石的56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。,曲线型,直线型,2.4.1.2 石岩三轴抗压强度,6) 三轴试验岩石强度参数的确定 a.直线形：轴的截距称为岩石的粘结力（或称内聚力），记为C（MPa），与轴的夹角称为岩石的内摩擦角，记为（度）。 b.曲线形： 一种方法是将包络线和轴的截距定为C，将包络线与轴相交点的包络线外切线与轴夹角定为内摩擦角。 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，外切线与轴夹角为内摩擦角，外切线及其延长线与轴相交之截距即为C。 实践中采用第一种方法的人数多。,2.4.1.2 石岩三轴抗压强度,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(Tensile strength) 。 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。,2.4.1.3 岩石单轴抗拉强度,2)直接拉伸试验加载和试件示意图,2.4.1.3 岩石单轴抗拉强度,固定在材料试验机的夹具内，往往因夹具内的应力过于集中，而引起试件两端破裂，造成实验失败。但若夹持力不够，试件就会从夹具中拉出。,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： t=Pt/A,2.4.1.3 岩石单轴抗拉强度,2)直接拉伸试验加载和试件示意图（续）,2.4.1.3 岩石单轴抗拉强度,缺点： 直接拉伸法在试件准备方面要花费大量人力、物力和时间,3)间接拉伸试验加载和试件示意图 巴西试验法（Brazilian test），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。,岩石间接拉伸试验,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。,岩石间接拉伸试验,(d)计算公式,岩石间接拉伸试验,从图中可以看出，拉应力的值比压应力值低很多，但由于岩石抗压不抗拉的特点，破坏是从直径中心开始，然后向两端发展。,2.4.1.4 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（Shear Strength）。 剪切强度试验分为非限制性剪切强度试验（Unconfined Shear Strength Test）和限制性剪切强度试验（Confined Shear Strength Test）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。,2.4.1.4 抗剪切强度,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/2ra r为冲击孔半径（m）；a为试件厚度 （c）双面剪切试验 So=Fc/2A （d）扭转剪切试验 So=16M c /D3 式中：Mc试件被剪断前达到的最大扭矩 （Nm） D试件直径（m）,2.4.1.4 抗剪切强度,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）,2.4.1.4 抗剪切强度,5）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Psin/A和垂直剪切面的正应力Pcos/A，如图所示。,2.4.1.4 抗剪切强度,6）限制性剪切强度试验结果及其分析 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-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。,2.4.1.4 抗剪切强度,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。,2.4.1.4 抗剪切强度,2.4.1.5 破坏后强度,在普通试验机上，常规的测试手段得不到应力-应变全过程曲线； 岩石在峰值强度后，内部出现了裂纹，但仍然具有承载力； 工程岩石（或岩体）本身就是在残余强度下工作的，（由于地质运动的作用，经受了各种力场的作用，经历了多次破坏） 应力-应变全过程曲线的获得 刚性试验机（Stiff Testing Machine） 带有伺服控制的刚性试验机 采用高速的采样系统，在普通试验机上也可以得到岩石的应力-应变曲线；,2.4.1.5 破坏后强度,在传统的压缩试验中，岩石达到其峰值强度后发生突发性破坏的根本原因是试验机的刚度不够大。在试验过程中试件受压，试验机框架受拉，如下图所示。,试验机受拉产生的弹性变形以应变能的形式存在机器中。当施加的压缩应力超过岩石抗压强度后，试件破坏。试验机架迅速回弹，以便返回其原始位置，并将其内部贮存的应变能释放到岩石试件上，从而引起岩石试件的急剧破裂和崩解。,试验结果表明，岩石超过其峰值强度后就完全破坏了，没有任何承载能力了。与事实矛盾。 事实上，岩石超过其峰值强度后，发生了破坏，内部出现破裂，其承载能力因而下降，但并没有降到零，而是仍然具有一定的强度。 特别是在具有限制应力的条件下，情况更是如此。岩石开挖工程的围岩一般都处在周围岩石的限制中，因而破坏时不可能发生突然崩解现象。 从另一方面看，地下岩石在漫长的地质年代中受到过各种力场的作用，经历过多次破坏，因而我们在岩石工程中面对的就是已经发生过破坏的岩石（岩体）。 研究岩石超过其峰值强度破坏后的强度特征对岩石工程本身具有重要意义。,普通柔性实验机获得结果与工程的矛盾：,提高试验机刚度，降低岩石试件刚度，增加伺服控制系统。试验系统组成：钢架构件、液压柱、岩石试件。 a.提高试验机钢架构件的刚度：钢架构件的刚度系数 Ks=EA/L . 增加钢架构件的截面积 A，减小其长度L。因此在许多刚性试验机上使用了几个粗矮钢柱以加强刚度。 b.提高试验机液压柱刚度：液压柱刚度系数Kf=kA/H. 应增加液压柱的截面积A，减小其长度H；同时要增大液压油的体积模量K。为此，在少数刚性试验机的液压系统中用水银代替普通液压油。 c.减少岩石试件的刚度：减小试件截面积，增加其长度。 d.增加伺服控制系统，控制岩石变形速度恒定。,试验改进途径,2.4.1.5 破坏后强度,采用刚性实验机，就能获得岩石在受压过程中的全应力-应变曲线，获得岩石在超过峰值强度破坏后的变形和强度特征。 只有实验机的刚度大大高于岩石试件的刚度，试验机的变形很小，试件破坏时才是稳定的。 全应力-应变曲线还有另外三个用途： 预测岩爆 预测蠕变破坏 预测循环加载条件下的岩石破坏,预测岩爆,如图，以峰值强度点C为界，可以分为A、B两个部分。左半部分OCE（面积A）代表达到峰值强度时，积累在试件内部的应变能。右半部CED（面积B）