2讲岩石的基本物理力学性质及其试验方法之一(下)

1、岩石的强度特性三、岩右的强度特性岩石的强度分成单轴抗压强度、抗拉强度、抗剪强度以及三向压缩强度等。下面主要介绍岩石在这些不同荷载 作用下的强度特性。（一）岩石单轴抗压强度岩石单轴抗压强度是指岩石试件在无侧限条件下，受轴向力作用破坏时，单位面积上所施加的荷载。其值可按 下式求得rc=-（15-1-15）a1岩石单-轴抗压强度的试验方法按照国家“工程岩体试验方法标准”中的要求，岩石试件的加工应满足前面所叙述的标准试件的要求，并其放 在试验机中心，以每秒0. 51. ompa的加载速度h至破坏。同时要求在试验前对试件作详细的描述，内容包括 岩性和岩石屮所包含的节理z间的关系、含水状态等项目，并记录下

2、试件破坏后的形态。2岩右在单轴抗压试验破坏后的形态特征在外荷载作用下岩石试件破坏后的形态是表现岩3石破坏机理的重要特征，它不仅表现出岩石受力过程中的应 力分而状况，还反映了不同试验条件中対它的影响。岩石在单轴抗压强度试验中出现的破坏形态大约可分成两 种：1）恻锥形破坏（见图15-l-2a）：这类破坏形态的试件，由于中间的岩石被剥离使得岩石破坏后呈两个尖顶的闘 锥体。经分析可知，产生这种破坏形态的主要原因是上、下压板在施加荷载时，与岩石试件端面z间产生了较 大的摩擦力，促使岩右端部产生了一个相当于篩的约束作用。此时，岩右试件内的应力分布如图15-1-3所示。 由于拉应力的作用使得这部分岩石被剥离

3、而形成圆锥体。因此从某种意义上來说圆锥体的破坏形态并没有真止 反映其破坏特征，而是带何试验系统所给予的彩响。2）柱状劈裂破坏（见图15-l-2b）：在发现圆锥形破坏的真正原因之后有人在上卜压板与试件端面z间，涂上了 一层薄薄的凡上林以减小接触血之间的摩擦力，最终岩石试件由于产牛平行于所施加的轴向力的裂缝i何破坏。 对于不同的岩石所含的矿物成份和所含裂隙的不同，局部还会岀现些较小的斜向裂缝。应该说柱状劈裂破坏是 真止反映岩石单轴压缩破坏的形态。15-1-2 鮒151-3 在两柱体样品的应力应变分布【例题9】下列不属丁岩石在单轴抗压强度试验中出现的破坏形态的是（）。a. 圆锥形破坏b. 柱状劈裂破

4、坏c. 三角形破坏 答案:c【例题10能够真止反映岩石单轴压缩破坏的形态是（）。八.i员1锥形破坏b. 柱状劈裂破坏c. 三角形破坏 答案：b【例题11】在作岩右单轴抗压强度试验时，如果增加上下压板与试块z间的燃擦力，则岩右的破坏形态呈）。a. 圆锥形破坏b. 柱状劈裂破坏c. 三角形破坏答案：a3岩右单轴抗压强度的影响因素 1）承压板给了单轴抗压强度的影响除了上述试件端面与承压板z间的燃擦力影响试件的破坏形态以外，还有承压板的刚度也将影响试件端而的应 力分布状态。由研究可知，当承压板刚度很大时，其接触血的应力分布很不均匀，呈山字形，如图15-1-4所示。 显然，这将彩响整个试件的受力状态。1

5、5-1-4在刚性承压板之间魄时岩石集面的应力分布因此，冇人建议试验机的承压板(或者垫块)尽可能采用与岩石刚度相接近的材料，避免由于刚度的不同而引起 变形不协调造成应力分布不均匀的现彖，减少対强度的影响。2)试件尺寸及形状对单向轴抗压强度的影响岩石力学试验最早采用边长为5cm的立方体试件。经研究发现，试件的尺寸、形状、高径比都将影响岩石的强 度值。(1) 岩石试件的形状众所周知，方形试件的四个边角会产生很明显的应力集屮现象。这将彩响整个试件在受力后的应力分布状态。 此外，从另外一个角度來说方柱体的试件加工要比【员i柱形试件困难得多，不易达到有关加工精度的要求。因此, 目前，绝大多数的国家都釆用圆

6、柱形的岩石试件。(2) 岩石试件的尺寸试件的强度通常随其尺寸的增大而减小。这就是岩石力学屮被称z为尺寸效应。据研究发现，试件的尺寸对其 强度的影响在很大程度上取决于组成岩右的矿物颗粒的大小。研究结果表明，岩石试件的直径为46cm,且满 足试件直径大于其最大矿物颗粒直径的10倍以上的岩石试件，强度值较为稳定。因此，目前采取直径为4. 8 5. 4cm且直径大于最大矿物颗粒直径的10倍以上的岩石试件，作为标准尺寸。(3) 岩石试件的高径比在图15-1-7中，可以看到由于高径比h/d的不同，对岩石强度产生不同的影响。从曲线的特征中，明显地看 出了高径比在23吋，岩石单轴抗压强度值己趋势稳定的特性。可

7、见取高径比为23时，对其强度来说是比较合理的。to翌®3 2 1 111 mwooitt韻耶高径比 h/dlog<r(bar/min)图154 5米祖霍(mizuo)粗面岩的图15-1-6抗压强度6 fig着加抗压强度与h/d的关系礎度寸的变化据此，目前世界上儿乎所有国家都采用玄径为4. 85. 4cm.高度为h径的2. 02. 5借的恻柱形试件进行岩石 室内力学试验。这不仅考虑了不同尺寸、形态、髙径比对其强度的影响，同时还考虑了岩石力学试验结果的可 比性。3) 加载速率对单轴抗压强度的影响岩石的单轴抗压强度通常随加载速率的提高而增大，如图15-1-6所示。在很高的加载速率下，

8、如冲撞等试验所 求得的单轴抗压强度甚至可数倍于缓慢加载的试验结果。经微观分析发现，山于矿物在高速率加载时未充分变 形而提高了它的抗外荷载的能力。因此，选择适当的加载速率对其试验结杲來说是比较重要的。我国有关岩冇 力学试验标准中规定，其加载速率应控制在0. 510ipa / s z间，且按岩石的软硕不同可取其不同的加载速率, 这一加载速率与国外的许多试验标准中所提出的要求是一致的。4) 环境对岩石单轴抗压强度的影响(1)岩石的软化系数在完全烘干状态下与饱和状态下所求得的单轴抗压强度值有着一定的差别，这一差别在软岩中表现得更为突出。 即前者的值往往要比后者大得多。岩石的软化系数就是表示岩石中的不同

9、含水率影响单轴抗压强度的一个具体 的反映。通常将软化系数小于等于零点七五的岩石称为可软化岩石。见公式(15-1-16) o rh于孔隙屮的水对岩石 中的矿物的风化、软化、膨胀以及溶蚀作用，使得在饱和状态下岩右单轴抗压强度有所降低。对于泥岩、粘十 岩.页岩等软弱的岩石，二者的差值甚至可达23倍。而对于致密坚破的岩石，二者的差别甚小。表15-1-2列出了各种不同岩性的软化系数。某些岩石的干湿单向压缩强度及软化系数农15-1-2岩石名称抗压强度(mpa)干抗压强度red饱和抗压强度res软化系数花岗岩40. 0220. 025. 0205. 00. 750. 97闪长岩97. 7232.068.81

10、59. 70. 60-0. 74辉绿岩118. 1 272. 55& 0245. 80. 440. 90玄武岩102.7290. 5102.0192. 40.71 0. 92石灰岩13. 4206. 77. 8189.20. 580. 94砂岩17. 5250.85. 7245. 50. 440. 97页岩57.0136. 013. 775. 10. 240. 55粘土岩20. 759. 02. 431. 80. 08-0. 87凝灰岩61. 7178.532. 5153.70. 520. 86石英岩145. 1 200.050.0176. 80. 96片岩59.6 21&92

11、9.5 174. 10. 490 80千枚岩30. 1 49. 42& 1 33.30. 690. 96板岩123.9199. 672.0149. 60. 520. 82t) = res/red(15-l-16a)式中7 一岩石的软化系数：rcsffi和状态下岩石的单轴抗压强度(mpq ；red干燥状态下岩右的单轴抗压强度(mpa)。(2)温度对岩石单轴抗压强度的彩响岩石力学试验一般是在室温的条件下进行的。温度对岩石强度的影响并不是很明显。然而，若对岩石试件进行加温，则岩石轴向压缩强度将产牛明显的变化。地热的利用以及在核电工程中核废料处置等具体问题中，温度对岩石力学力学性质的影响成为非

12、常重要的、急于解决的研究课题z。近年来，人们很重视温度对岩右的力学特性的影响的研究。据最新的研究报导，温度 对岩石强度的彩响主要表现为两个方面：一是由于温度的升高使岩石内的化学成分、结晶水等产生变化，进而 影响了岩石的强度。由试验结果可知，当温度加至180°c左右时，岩石中矿物周ifl的部分结晶水会消失，使强 度降低。当加温高达380°c左右时，石英等矿物会发生晶变而使强度急剧下降。二是山于温度的提高，岩石内 将储存着一立的热应力，进而使岩石的抵抗外荷载的能力降低。温度对岩石强度的影响是一个很复杂的问题， 从总体上來说，温度的增加会使岩石强度降低。但也有人提出，在180&#

13、176;c左右时，对强度影响不大的说法。因 此，这还是一个有待丁进一步深入研究的课题。除了以上的影响因素以外，还有岩石矿物成分、颗粒尺寸、孔隙率等都将彩响岩石的强度。但是，这些因素可 作为强度的间接影响因素，所以，不在此一一介绍。【例题12】在下列各项中，对岩石的单轴抗压强度无影响的是（a.承压板b.试件的尺寸和形状c加载速度d.荷载大小答案:d【例题13总体而言，温度的增加会使岩右强度（a.增加0.不变d.无法判断答案:b【例题14为获得合理的岩右单轴抗爪强度,岩右试件的高径比h / d宜取为（)oa. 1/43/4b.广2c. 23答案:c【例题15】当并石的软化系数等于或小丁"

14、）时，该岩石应判立为软化岩石。a. 1b. 0. 85c. 0. 75d. 0. 55答案:c（二）岩右的抗拉愼度 岩石的抗拉强度是指岩石试件在受到轴向拉应力后其试件发牛破坏时的单位面积所能承受的拉力。山于岩右是一种具有许多微裂隙的介质。在进行抗拉强度试验时，岩右试件的加t和试验环境的易变性，使得 人们不得不对其试验方法进行了大量的研究，提岀了多种求抗拉强度值的方法。以下就口前常用的四种方法作 -介绍。1貞接拉伸法这是利川岩石试件与试验机夹具之间的粘结力或摩擦力，对岩石试件直接施加拉力，测试岩石抗拉强度的一种 方法。通过试验可按卜式求得其抗拉強度值: 进行立接拉仲法试验的关键在丁： 一是岩石试

15、件与夹具间必须有足够的粘结力或者摩擦 力；二是所施加的 拉力必须与岩石试件同轴心。否则，就会出现岩石试件与夹具脱落、或者由于偏心荷载，使试件的破坏断面不 垂直于岩石试件的轴心等现彖，致使试验失败。2抗弯法抗弯法是利用结构试验中梁的三点或四点加载的方法，使梁的下沿产生纯拉应力，使岩石试件产生断裂破坏的 原理，间接地求出岩石的抗拉强度值。此时，其抗拉强度值可按下式求得：mc(15-l-17a)公式仃5-1-17)的成立是建立在以卜四个基木假设基础z上：梁的截面严格保持为平面。材料是均质的，服从虎克定律。弯曲发生在梁的对称面内。拉伸和压缩的 应力一应变特性和同。对于岩石而言，第4个假设与岩石的特性存

16、在着较大的差别。因此，利用抗弯法求得的 抗拉强度也存在着一定的偏差。忖试件的加工也远比宜接拉伸法麻烦。故此方法应用要比直接拉伸法相对少些。 3劈裂法(巴西法)劈裂法也称作径向压裂法，i大1为是由南美巴西人杭徳罗斯(hondros)提出的试验方法，故被人称作为巴西法。这 种试验方法是：川一个实心i员i柱形试件，使它承受径向压缩线荷载直至破坏，求出岩石的抗拉强度。按我国岩石力学试验方法标准规定：试件的直径应为5cm、其厚度为玄径的一借。根据布辛奈斯克(bousinesq)半无限体上作用看集屮力的解析解，求得试件破坏时作用在试件屮心的最大拉应力为2p巧=(mpa) 加f(15-1-17b)根据解析解

17、分析的结果，要求试验时所施加的线荷载必须通过试件的直径，并在破坏寸其破裂而亦通过该试件 的直径。否则，试验结果将带來较大的误差。4点荷载试验法点荷载试验法是一种简便的现场试验方法。该试验方法最人的特点是可利用现场取得的任何形状的岩块，可以 是5cm的钻孔岩芯，也可以是开挖后掉落下的不规则岩块，不作任何岩样加工宜接进行试验。该试验装置是一 个极为小巧的设备，其加载原理类于劈裂法，不同的是劈裂法所施加的是线荷载，而点荷载法是施加的点荷载,点荷载强度指数1可按下式求得：i=p / d2 (mpa)(15-1-18)经过大量试验数据的统计分析，提出了表示点荷载强度指数与岩石抗拉强度z间的近似的关系式，

18、其式如下：rt=0. 961=0. 96p / d2(15-1-19)由丁点荷载试验的结果离散性较人。因此要求每组试验必须达到一定的数量，通常进行15个试件的试验，最终 按具平均值求得具强度指数并推算出岩石的抗拉强度。最近，山于许多岩体工程分类中都采用了荷载强度指数 作为一个定量的指标。因此有人建议采用h径为5cm的钻孔岩芯作为标准试样进行试验，使点荷载试验的结果 更趋合理，且具有较强的可比性。【例题16】利用点荷载试验可以求得岩石的()。a. 抗压强度b. 抗拉强度c. 抗剪强度d. 三向压缩強度答案：b【例题17某岩右试件经点荷载试验测得其强度指数1=0.5 mpa ,则其抗拉强度为()。

19、a. 0. 5 mpab. 0. 48 mpac. 0. 45 mpad. 0. 35 mpa答案：b【例题18】当利用点荷载试验确定岩右的抗拉强度时，山于点荷载试验的结果离散性较大，通常进行15个试 件的试验，最终按其()求得其强度指数并推算出岩石的抗拉强度。a. 平均值b. 标准值c. 最小平均值d. 最大平均值答案：a（三）岩石的抗剪强度岩石的剪切强度是指岩石在一定的应力条件卞（主要指压应力）所能抵抗的最大剪应力,77zw7/77777(6)vz77图15-1-11岩石的三种受剪方式不意图（a）抗剪断试验（b）抗切试热（c溺面抗剪切试验岩右的剪切强度彳j三种：抗剪断强度、抗切强度和弱而抗

20、剪强度（包括燃擦试验）。这三种强度试验的受力条件 不同，其示意图见图15-1-llc室内的岩石剪切强度测定，最常用的是测定岩石的抗剪断强度。一般用楔形剪切仪，其主要装置如图1-12所示。15-1-12岩石抗剪断试把岩石试件置于楔形雾切仪中，并放在压力机上进行加压试验，则作用于雾切平面上的法向压力n与切向力q可按一 式计算：“n=pcosq=p sin f sin q 15-1-20试件聖切面积f除上式,即可得到受聖面上的法向应力b和聖应力t（试件受聖破坏时，即为岩石的抗聖断强度）：315丄 22 a=(sin a-f cos a)一般采用q角度为30° -70° （以采用较

21、大的角度为好） > 分别按上式求出相应的b及t值，就可以在ct-t坐标纸 作岀它们的关系曲线剂图11驰）所示。岩石的抗聖断强度关系曲线是一条弧形曲线l般把它简化为直线形式（见s 143（b） 这样，岩石的抗聖断强度£与压应力之间就建立了如下关式系：3£= o"taii0+c【例题19】下列各项中不属于岩石的聖切强度的是（） “a. 抗剪断强度jb. 抗切强度！c. 弱面抗翦强度4d. 抗拉强度j答案：da【例题20】岩石的抗翦断强度£与压应力b之间正确的关式系为（） aa. t=<ttan<p-hj b. t=crtan<p c.

22、 £=b七d. t=o-答案：aw(a)图1s1-13岩石的抗剪断b 百曲线心（四）岩石在三向压缩应力作用下的强度q地层中的岩石绝大多数郡处在三向压缩应力的作用下，因此'从某种意义上来说岩石在三向压缩应力作用下的强度特担 是岩石本性的反映 由此而显得更为重要。3三向压缩应力作用下的强度是指在不同的侧压力作用下的三向压缩强度。由于三向应力状态由许多不同的应力组合帀 成，因此'岩石的三向压缩强度通常用一个函数式表示，其通式为：4巧二巧）或弋=畑15-1-234其中，b为最大主应力，而q 巧分别为中间主应力和棗小主应力。从公式（15-1-23）可知，岩石的三向压缩应力的更

23、度可用两种不同的表达式.两种不同的表达式是等价的°由于岩石三向压缩强度是根据试验的结果而建立，从目前的研究总 果来说 很难用一个具体的显式函数形式给予精确的描逑-此外，由试验的结果可知，随着所施加的围压的増大 其相应郎 极限最大主应力也将随之増大。因此，从总体上来说，它是一个单调函数。卩1三向压缩试验方法简介a三向压缩应力试验根据施加侧向压力的不同，可分成真三轴试验（巧=巧n馮），假三轴试验（円 6 = 6）。二假三轴试验岩石破坏类型倩况12345破裂成斷裂旧 的典瑕应变 （£1分«0<11-528510>10压第m00o竝伸卜ren卄 r典盘的应力

24、应变曲线血ii者的区别在于侧压的不同。前考两个水平方向施加的压力不筹，而后者相等。山于真三轴试验对试验机的特殊 要求，使这试验要花费很人的人力、物力和财力。而假三轴试验要比真三轴试验容易得多，成为岩石力学中最 常用的试验方法z。图15-1-14是假三轴试验机施加三向压力的装置示意图，囤压是通过液体施加在试件上。 通常假三轴试验先施加按一定要求设定的围压值，并保持不变,随后施加竖向荷载玄至破坏。而真三轴试验却 要求能够分别施加三个方向上的人小不同的荷载。2三向压缩试验的破坏类型表15-1-3例示了假三轴试验在不同围压作用下的破坏类型。岩石试件在低围压作用下（表中情况1» 2） 苴破坏形

25、式主m 表现为劈裂破坏。这一破坏形式与单轴压缩破坏很接近说明圉压对苴破坏形态影响并非很犬。当在中等围压的作用下八 件主要表现为斜面雾切破坏。其剪切破坏角与摄大应力的夹角通常约为45° +£（0为岩石的内摩擦角）。而当在高围压作2下，试件则会出现塑性流动破坏j试件不出现宏观上的破坏断裂面而呈腰鼓形。由此可见 > 圉压的増犬改变了岩石试件在1 向压缩应力作用下的破坏形态。若从变形特性的角度分析 > 围压的増大使试件从脆性破坏向塑性流动过渡。33岩石三向压缩强度的影响因素a岩石在三向压缩应力作用下的影响因素'除了类似于前节所叙述的单轴强度的影响因素包括尺寸、加

26、我速率等因素n 外，还有如下所说的，其特有的影响因素° 3图15-1-15大理岩的应力差（“93）与纵向应变e的关系曲线图 154-16 威斯特雷（westerly） 花岗岩的破坏轨迹a-典5!的侧压为常数荷載轨进；典熨的 比例的荷伐轨进：c-第26号试件的荷枚轨i1）侧向压力的影响图15-1-15显示了侧向压力对三轴强度的影响规律。从图屮可见，大理岩随着侧向压力（亦称圉压）的增大，其 最大主应力也将随z增大。且显示出增大应力的变化率随围压的增大而减小的变化规律。若用莫尔极限应力圆 的包络线来描述的话，则这包络线的斜率具有前陡后缓的特性。当然，对不同的岩性來说，这一特性并不是完 全一

27、致的，但是随围压的增大而最人主应力也变人，这一特性则是一个普遍的规律。2）加荷途径对岩石三向压缩强度的影响三向压缩试验可以有三种不同的加压途径，即如图15-1-16屮a, b, c三条虚线所示。根据大量的试验结果可 知，三种不同的加载途径对岩石的三向压缩强度影响并不大。图15-1-16例示了花岗岩的试验结果，无论用哪 种加载途径，其最终的破坏应力都很接近描述三向压缩强度的破坏应力包络线。3）孔隙压力对岩石三向压缩强度的影响对于一些具有较大孔隙的岩石来说，孔隙水压力将对岩石的强度给予很大的影响。这一影响可用“有效应力” 的原理给予解释。由于岩石中存在着孔隙水压力，而使得真正作用在岩石上的围压值减

28、少了，因而降低了与其 和对应的极限应力值（峰值应力）o若川莫尔极限应力圆來农示的话，由丁孔隙压力的存在使应力圆向左侧移动, 即向强度包络线方向平移，因此降低了岩石的极限应力。【例题22】对于真三轴试验，三向应力大小关系正确的是（） 3a. 巧4巧a角 b.巧a£ =角 c. cr1<o2< d.巧=巧=角 答案：z【例题23对于假三轴试验，三向应力大小关系正确的是（） 2a. 巧 a 角 b.巧a£ =角 c. cr1<ct2<4 d. 6=6 =巧 笞案：【例题24】对于假三轴试验岩石试件在中等围压作用下的破坏类型为（），其剪切破坏角与杲大应力的夹

29、角通常约:a. 劈裂破坏；45° -f-2c.斜面劈切碾坏；45° +-2b. 塑性流动破坏；45° +d.斜面剪切破坏；45。-40-2 0-2【例题25】对于假三轴试验，圉压的増大改变了岩石试件在三向压缩应力作用下的破坏形态。若从变形特性的角度分析j围压的増大使试件从（）向（a. 脆性破坏；塑性流动b. 塑性流动；脆性破坏ac. 斜面聖切；塑性流动d. 斜面聖切；脆性破坏【例题26】由于岩石当中孔隙水压力的存在对岩石极限应力的影响为（）仪a. 降低了岩石的极限应力b.提高了岩石的极限应力3c. 对岩石的极限应力无影响d.以上三种均有可能产生答案：ap【例题27

30、】对于三轴试验，当围压増大时，主应力将作何变化（笞案：a3a. 増大 b.減小 c.不变 d.以上三种均有可能产生试卷名称：基础知识 （三）精讲班第2讲作业 卷基础知识（三）精讲班第2讲作业卷开始时间:*2009-3-2( 14:48:9*结束时间：2009-3-26 14:50:取 开始时间：*2009-3-26 14:48:9®结束时间：2009-3-26 14:50:处2009-3-26 14:48:9®结 束时间:>2009-3-2( 14:50:4®结束时间：*2009-3-2(14:50:4*2009-3-26 14:50:4*答题时间:150分钟 答题时间： 150分钟a150分钟考生耗时：00:01:55<考生耗时:00:01:55*00:01:55*试卷总分:150*通过分数：75a 试卷总分:150通过分数:75150通过分数：75 通过分数：7575考生姓名：考生姓名：考生成绩：150考生成绩：150150*标准题得分：150 丁题得分：标准题得分：150ft题得分：()150手工题得分： 手工题得分：0*评分方式:自动通过 考试：通过