第3章 岩石力学性质试验

1、Hohai UniversityHohai University 岩石力学 (Rock Mechanics) 岩土工程科学研究所岩土工程科学研究所 孔纲强孔纲强 2011年12月 岩石强度理论（了解）岩石强度理论（了解） 主主 要要 内内 容容 第章 岩石的力学性质试验 Hohai UniversityHohai University 岩石单轴压缩变形试验（重点）岩石单轴压缩变形试验（重点） 岩石单轴抗压强度试验（重点）岩石单轴抗压强度试验（重点） 岩石三轴压缩试验（重点）岩石三轴压缩试验（重点） 岩石抗拉强度试验（重点）岩石抗拉强度试验（重点） 岩石直剪试验（重点）岩石直剪试验（重点） 岩石

2、抗拉强度试验（重点）岩石抗拉强度试验（重点） 岩石点荷载强度试验（重点）岩石点荷载强度试验（重点） 岩石断裂韧度试验（重点）岩石断裂韧度试验（重点） Hohai UniversityHohai University 常用的岩石强度理论主要有库仑强度准则、莫尔强度准常用的岩石强度理论主要有库仑强度准则、莫尔强度准 则、格里菲斯强度理论等。则、格里菲斯强度理论等。 1 1、库仑强度准则。库仑认为岩石的破坏主要是剪切破坏、库仑强度准则。库仑认为岩石的破坏主要是剪切破坏, , 采用式（采用式（3-13-1）表示）表示: : tanc （3-1） 2 2、莫尔强度准则。莫尔把库仑准则推广到三向应力状态，

3、、莫尔强度准则。莫尔把库仑准则推广到三向应力状态， 认识到材料性质本身是应力的函数，用函数关系认识到材料性质本身是应力的函数，用函数关系( )f 表示，破坏条件可以从莫尔包络线得到，见图表示，破坏条件可以从莫尔包络线得到，见图3-13-1。 Hohai UniversityHohai University 3 3、格里菲斯强度理论。格里菲斯提出脆性材料断裂起因、格里菲斯强度理论。格里菲斯提出脆性材料断裂起因 是分布在材料中的微小裂纹尖端拉应力集中所致，建立了是分布在材料中的微小裂纹尖端拉应力集中所致，建立了 确定断裂扩展的能量不稳定原理。确定断裂扩展的能量不稳定原理。 当作用力的势能始终保持不

4、变时，裂纹扩展准则为：当作用力的势能始终保持不变时，裂纹扩展准则为： ()0 dc WW c （3-2） Hohai UniversityHohai University 双向压缩应力条件下（见图双向压缩应力条件下（见图3-23-2），在不考虑摩擦对闭），在不考虑摩擦对闭 合裂纹的影响并假定椭圆形裂纹将从最大拉应力集中点开合裂纹的影响并假定椭圆形裂纹将从最大拉应力集中点开 始扩展，裂纹扩展准则为：始扩展，裂纹扩展准则为： （3-3） 2Ea C 2 13 113 13 8 （-） （+30） 3113 （+30） 当单位厚度内存在初始长度为当单位厚度内存在初始长度为 的椭圆形裂纹时，在的椭圆形

5、裂纹时，在 拉伸应力作用下裂纹扩展准则为：拉伸应力作用下裂纹扩展准则为： （3-4） （3-5） 2C Hohai UniversityHohai University 第一节第一节 岩石单轴压缩变形试验岩石单轴压缩变形试验 Hohai UniversityHohai University 岩石具有与金属类弹性材料不同的独特的变形特岩石具有与金属类弹性材料不同的独特的变形特 性，这种变形特性用变形模量、弹性模量和泊松比等性，这种变形特性用变形模量、弹性模量和泊松比等 参数表示。参数表示。 常见岩石的变形模量和泊松比见表常见岩石的变形模量和泊松比见表3-1。 岩块变形参数主要采用岩块单轴压缩变形

6、试验方岩块变形参数主要采用岩块单轴压缩变形试验方 法取得。岩石应力法取得。岩石应力应变全过程曲线（见图应变全过程曲线（见图3-3，图，图 3-4）是研究本构模型的依据，需要在刚性伺服试验）是研究本构模型的依据，需要在刚性伺服试验 机上进行试验获得。机上进行试验获得。 Hohai UniversityHohai University Hohai UniversityHohai University 岩石单轴压缩试验受多因素的影响岩石单轴压缩试验受多因素的影响：（：（1）加载速）加载速 率；（率；（2）试件尺寸（高径比，规定）试件尺寸（高径比，规定2：1）（见表）（见表3- 2）等。）等。 Hoh

7、ai UniversityHohai University 第二节第二节 岩石单轴抗压强度试验岩石单轴抗压强度试验 Hohai UniversityHohai University 岩石单轴抗压强度是岩石试件在无侧岩石单轴抗压强度是岩石试件在无侧 限条件下受轴向作用破坏时单位面积限条件下受轴向作用破坏时单位面积 所承受的载荷。所承受的载荷。 某些岩石的干抗压强度、饱和抗压强度及软化系某些岩石的干抗压强度、饱和抗压强度及软化系 数见表数见表3-3。 影响岩石抗压强度技术方面的因素较多，有加载影响岩石抗压强度技术方面的因素较多，有加载 速率、试件尺寸、试件形态、试件高径比等。表速率、试件尺寸、试件

8、形态、试件高径比等。表3- 43-7是试件尺寸对岩石抗压强度的影响。是试件尺寸对岩石抗压强度的影响。 Hohai UniversityHohai University Hohai UniversityHohai University Hohai UniversityHohai University 第三节第三节 岩石三轴压缩试验岩石三轴压缩试验 Hohai UniversityHohai University 岩石三轴抗压试验是指岩石试件在三向应力状态岩石三轴抗压试验是指岩石试件在三向应力状态 下受轴向力作用破坏时单位面积所承受的载荷。其试下受轴向力作用破坏时单位面积所承受的载荷。其试 验仪器

9、见图验仪器见图3-6。 Hohai UniversityHohai University 根据岩石三轴试验成果，可以确定岩石三轴抗剪根据岩石三轴试验成果，可以确定岩石三轴抗剪 强度参数。见式强度参数。见式3-6和和3-7。 1 2 F f F （3-6） 2 R c F （3-7） Hohai UniversityHohai University 岩石三轴试验根据侧向压力加载方式分为真三轴岩石三轴试验根据侧向压力加载方式分为真三轴 （ ）和假三轴（）和假三轴（ ）加载两）加载两 种。种。 123 123 影响三轴压缩试验成果的主要影响因素有：影响三轴压缩试验成果的主要影响因素有： 1、岩石试件

10、的防油处理；、岩石试件的防油处理； 2、加载速率的选择；、加载速率的选择； 3、侧压力的侧压力的效应；、侧压力的侧压力的效应； 第四节第四节 岩石抗拉强度试验岩石抗拉强度试验 Hohai UniversityHohai University 岩石抗拉强度是指岩石试件在外力作用下抵抗拉岩石抗拉强度是指岩石试件在外力作用下抵抗拉 应力的能力，为岩石试件拉伸破坏时的极限载荷与受应力的能力，为岩石试件拉伸破坏时的极限载荷与受 拉截面积的比值。拉截面积的比值。 岩石抗拉强度的试验方法很多，分为轴向拉伸法、岩石抗拉强度的试验方法很多，分为轴向拉伸法、 劈裂法、弯曲试验法和圆柱体或球体的径向压裂法等。劈裂法

11、、弯曲试验法和圆柱体或球体的径向压裂法等。 其中劈裂法，由于操作简单且用而被广泛采用。图其中劈裂法，由于操作简单且用而被广泛采用。图3- 7为劈裂破坏形式，其抗拉强度按式（为劈裂破坏形式，其抗拉强度按式（3-8）计算。）计算。 2 t P DH （3-8） Hohai UniversityHohai University 试件尺寸及垫条材料和尺寸对抗拉强度试验的影试件尺寸及垫条材料和尺寸对抗拉强度试验的影 响比较明显，见表响比较明显，见表3-133-16。 Hohai UniversityHohai University Hohai UniversityHohai University 第五节

12、第五节 岩石直剪试验岩石直剪试验 Hohai UniversityHohai University 岩石抗剪强度是指岩石在剪切载荷作用下破坏时岩石抗剪强度是指岩石在剪切载荷作用下破坏时 所能承受的最大剪应力，按试验方法的不同分为岩石所能承受的最大剪应力，按试验方法的不同分为岩石 直剪强度和岩石三轴抗剪强度。直剪强度和岩石三轴抗剪强度。 关于试件破坏剪断破坏的判断标准。关于试件破坏剪断破坏的判断标准。 （1）剪切载荷加不上或无法稳定；）剪切载荷加不上或无法稳定； （2）剪切位移明显变大，在剪应力）剪切位移明显变大，在剪应力 （3）剪切位移增大，在剪应力与剪切位移关系曲线）剪切位移增大，在剪应力与

13、剪切位移关系曲线 上未出现明显的突变段，但总剪切位移已达到试件连上未出现明显的突变段，但总剪切位移已达到试件连 长的长的10。 与剪切位移与剪切位移 关系曲线上出现明显的突变段；关系曲线上出现明显的突变段； u 第六节第六节 岩石点荷载强度试验岩石点荷载强度试验 Hohai UniversityHohai University 岩石点荷载强度试验在点荷载仪上进行（试验装岩石点荷载强度试验在点荷载仪上进行（试验装 置见图置见图3-9），将岩石试件置于上下），将岩石试件置于上下2个球端圆锥之间，个球端圆锥之间， 对其施加集中荷载，直至试件破坏，测定其点荷载强对其施加集中荷载，直至试件破坏，测定其点

14、荷载强 度指数。度指数。 试件形态及尺寸是影响点荷载试验成果试件形态及尺寸是影响点荷载试验成果 另外，试件含水状态对测试成果的影响另外，试件含水状态对测试成果的影响 最关键的因素，因此须进行修正。最关键的因素，因此须进行修正。 尤为明显。尤为明显。 第七节第七节 岩石断裂韧度试验岩石断裂韧度试验 Hohai UniversityHohai University 岩石的断裂韧度是表征岩石材料阻止裂缝扩展的岩石的断裂韧度是表征岩石材料阻止裂缝扩展的 能力，是岩石抵抗断裂的力学指标，用能力，是岩石抵抗断裂的力学指标，用 表示。表示。 影响断裂韧度试验成果的因素有试件的各向异性、影响断裂韧度试验成果的

15、因素有试件的各向异性、 试件的尺寸、试件的含水状态、加载速率以及切口形试件的尺寸、试件的含水状态、加载速率以及切口形 式等。式等。 IC K 夹式引伸计包括夹式引伸计包括2要悬臂梁和要悬臂梁和1块隔离块，电阻应块隔离块，电阻应 变片贴在每根悬臂梁的拉伸面和压缩面，联接成包括变片贴在每根悬臂梁的拉伸面和压缩面，联接成包括 一个合适的平衡电阻的惠斯顿电桥（见图一个合适的平衡电阻的惠斯顿电桥（见图3-12），梁），梁 和隔离块尺寸见图和隔离块尺寸见图3-13。 Hohai UniversityHohai University Hohai UniversityHohai University Hohai UniversityHohai University 为了使夹式引伸计能方便地安装在试件上，应加为了使夹式引伸计能方便