1.1 岩石的力学性质(qiangdu)

1、1 岩石的力学性质 岩石的强度：岩石的强度： 岩石的变形：岩石的变形： ? 主要研究什么主要研究什么 问题呢？问题呢？ 1 岩石的力学性质 岩石的强度：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。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。 岩石的变形：岩石的变形： 主要研究什么主要研究什么 问题呢？问题呢？ 1 岩石的力学性质 岩石的强度：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。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。 岩石的变形：岩石的变形： 主要研究什么主要研究什么 问题呢？问题呢？ ？ 1 岩石的力学性质 岩石

2、的强度：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。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。 岩石的变形：岩石的变形： 岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变化。岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变化。 主要研究什么主要研究什么 问题呢？问题呢？ 1 岩石的力学性质 岩石的强度：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。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：岩石的变形： 岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变化。岩石在外力作用

3、下发生形态（形状、体积）变化。 主要研究什么主要研究什么 问题呢？问题呢？ 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 岩石力学性质（强度、变形）与 外力 的哪些因素有关？ a.外力加载速度： 动载荷、静载荷 b.外力性质： 拉伸、压缩、剪切 C.应力状态： 单向、双向、三向 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前所能承受的最大压应力称为岩石的单轴抗压强 度度(Uniaxial compressive strength). 或称为非限制性抗压强度(unconfin

4、ed compressive strength). 2）计算公式： c=P/A 3）单轴压缩下岩石破坏形式？ 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。 4)实验方法 ？ 对实验过程有什么要求？对实验过程有什么要求？ 对试件应该有什么要求？对试件应该有什么要求？ 影响因素？影响因素？ 统一的标准？统一的标准？ 4)实验方法 a.试件标准试件标准 立方体505050mm

5、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：0.50.8Pa/s b.非标准非标准试件的对试验结果的影响及其修正试件的对试验结果的影响及其修正 c.压缩实验设备示意图压缩实验设备示意图(500t压力机压力机) d. 端部效应及其消除方法端部效应及其消除方法 端部效应端部效应: 消除方法消除方法: 润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部） 加长试件 5)水对单轴抗压强度的影响软化系数 岩石的软

6、化系数：饱和岩石抗压强度b与 干燥岩石抗压强度c之比 =b/ c1 1.2岩石单轴抗拉强度 1）定义：）定义：岩石在单轴拉伸荷载作用下达到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. 1.2岩石单轴抗拉强度 ? 拉伸实验与压缩实验拉伸实验与压缩实验 相比哪个好做？相比哪个好做？ 直接拉伸实验 间接拉伸实验 2)直接拉伸试验加载和试件示意图直接拉伸试验加载和试件示意图 计算公式：计算公式：破坏时的最大 轴向拉伸荷载(Pt)除以试件 的横截

7、面积(A)。即： t=Pt/A 2)直接拉伸试验加载和试件示意图（续）直接拉伸试验加载和试件示意图（续） ？ 应力状态应力状态 3)间接拉伸试验加载和试件示意图间接拉伸试验加载和试件示意图 巴西试验法（巴西试验法（Brazilian test），俗称劈裂试验法。），俗称劈裂试验法。 a.试件试件: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：应力分布：圆盘在压应力的作用下，沿圆盘直径yy的 应力分布和xx方向均为压应力。而离开边缘后，沿yy 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；xx方向变成拉应力。并

8、在沿yy的很长一段距离 上呈均匀分布状态。 c.破坏原因：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：计算公式： t=x=-2P/dt y=(1/r1+1/r2-1/d)2P/t 圆盘中心处： t=x=-2P/dt y=6P/dt 1.3抗剪切强度抗剪切强度 1)定义定义：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

9、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。 3）非限制性剪切强度记为）非限制性剪切强度记为So计算公式：计算公式： （a）单面剪切试验 So=Fc/A （b）冲击剪切试验 So=Fc/2ra （c）双面剪切试验 S

10、o=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） 4）四种典型的限制性剪切强度试验）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直剪仪试验装置直剪仪试验装置 6）角模压剪试验及受力分析示意图）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。 7）限制性剪切强度试验结果及其分析限制性剪切强度试验结果及其分

11、析 试验结果试验结果：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。 残余强度：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。 1.4 三轴抗

12、压强度三轴抗压强度 1)定义定义：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)实验加载方式实验加载方式： a. 真三轴加载真三轴加载: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

13、有人做这样的三轴试验。 b.假三轴试验假三轴试验:，试件为圆柱体，试件直径25150mm， 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： 12=3 三轴压缩试验加载示意图三轴压缩试验加载示意图 真三轴 12 3 假三轴 12=3 3)假三轴试验装置图假三轴试验装置图： 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第一个经典三轴试验 a.试验者和时间：试验者和

14、时间：意大利人冯卡门(VonKarman) 于1911年完成的。 b.试验岩石：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：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，出现扩容扩容，泊松比迅速增大。 5) 三轴试验与莫尔强度包络线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：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：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。 曲线形： 直线形： 6) 三轴试验岩石强