岩石力学性质强性质学习教案

1、会计学1岩石岩石(ynsh)力学性质强性质力学性质强性质第一页，共46页。2第2页/共46页第1页/共46页第二页，共46页。3强度(qingd)单向抗压强度单向抗拉强度剪切强度三轴压缩真三轴伪三轴第3页/共46页第2页/共46页第三页，共46页。41.定义：岩石在单轴压缩荷载作用下达到定义：岩石在单轴压缩荷载作用下达到(d do)破坏前所能破坏前所能承受的最大压应力称为岩石的单轴抗压强度承受的最大压应力称为岩石的单轴抗压强度 式中：P无侧限的条件(tiojin)下的轴向破坏荷载 A试件截面积c=P/APP第4页/共46页第3页/共46页第四页，共46页。5岩石岩石(ynsh)试件试件第5页/

2、共46页第4页/共46页第五页，共46页。6第6页/共46页第5页/共46页第六页，共46页。7磨 床第7页/共46页第6页/共46页第七页，共46页。8第8页/共46页第7页/共46页第八页，共46页。9 三种破坏形式：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.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(jish)横向拉应力超过岩石抗拉极限所引起的。第9页/共46页第8页/共46页第九页，共46页。10非标准试件的对试验非标准试件的对试验(shyn)结果的影响结果的影响及其修正及其修正 圆柱形试件

3、：D一般(ybn)不小于50mm ，高L=（2.53)D 长方体试件：505050mm或 707070mm 第10页/共46页第9页/共46页第十页，共46页。113.实验实验(shyn)原理原理压缩实验压缩实验(shyn)(shyn)设备示意图设备示意图(500t(500t压力机压力机) )端部效应端部效应(xioyng)(xioyng)第11页/共46页第10页/共46页第十一页，共46页。124.4.影响单轴抗压强度的主要影响单轴抗压强度的主要(zhyo)(zhyo)因因素素第12页/共46页第11页/共46页第十二页，共46页。13第13页/共46页第12页/共46页第十三页，共46页

4、。14(dun li)破坏。第14页/共46页第13页/共46页第十四页，共46页。15第15页/共46页第14页/共46页第十五页，共46页。16第16页/共46页第15页/共46页第十六页，共46页。17第17页/共46页第16页/共46页第十七页，共46页。18岩石是各向同性岩石是各向同性( xin tn ( xin tn xn)xn)的线弹性材料的线弹性材料满足平面假设的对称面内弯曲满足平面假设的对称面内弯曲适用(shyng)条件：（1）抗弯法抗弯法（梁的三点弯曲试验）第18页/共46页第17页/共46页第十八页，共46页。19t要求(yoqi)荷载沿轴向均匀分布破坏面必须(bx)通过

5、试件的直径注： 端部效应 并非完全单向应力试验：径向压缩破坏（张开）计算公式：由弹性力学Boursinesq公式Dtpt/2式中： 试验中心的最大拉应力p p 试验中破坏时的压力试验中破坏时的压力D D 试件的直径试件的直径t t 试件的厚度试件的厚度第19页/共46页第18页/共46页第十九页，共46页。20第20页/共46页第19页/共46页第二十页，共46页。21第21页/共46页第20页/共46页第二十一页，共46页。22第22页/共46页第21页/共46页第二十二页，共46页。23l小型(xioxng)点载荷设备：l手动液压泵l一个液压千斤顶l一对圆锥形的加载头第23页/共46页第2

6、2页/共46页第二十三页，共46页。24IsRt96.015196. 0151iitIR计算(j sun)： 式中：P 试件破坏时的极限(jxin)强度 y 加载点试件的厚度统计(tngj)公式：要求:（由于离散性大），每组15个，取均值，即建议：用50mm的钻孔岩芯为试件。2yPIs第24页/共46页第23页/共46页第二十四页，共46页。25 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(r li)。 非限制性剪切试验在剪切面上只有剪应力存在，没有正应

7、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。第25页/共46页第24页/共46页第二十五页，共46页。26第26页/共46页第25页/共46页第二十六页，共46页。27n2 2）非限制性剪切强度记为）非限制性剪切强度记为SoSo计计算公式：算公式：n（a a）单面剪切试验）单面剪切试验(shyn) (shyn) n So=Fc/A So=Fc/An（b b）冲击剪切试验）冲击剪切试验(shyn) (shyn) So=Fc/2ra So=Fc/2ra n r- r-冲击孔半径冲击孔半径n a- a-时间厚度时间厚度n（c c）双面剪切试验）双面剪切试验(shyn) (shyn

8、) So=Fc/2ASo=Fc/2An（d d）扭转剪切试验）扭转剪切试验(shyn) (shyn) So=16Mc /D3 So=16Mc /D3 式中：式中：McMc试件被剪断前达到的试件被剪断前达到的最大扭矩（最大扭矩（N Nm m）n D D试件直径（试件直径（m m）第27页/共46页第26页/共46页第二十七页，共46页。28n3 3）四种典型的限制性剪切强度）四种典型的限制性剪切强度试验试验(shyn)(shyn)n a. a.直剪仪（剪切盒）压剪试直剪仪（剪切盒）压剪试验验(shyn)(shyn)（单面剪）（单面剪）n b. b.立方体试件单面剪试验立方体试件单面剪试验(shy

9、n)(shyn)n c. c.试件端部受压双面剪试验试件端部受压双面剪试验(shyn)(shyn)n d. d.角模压剪试验角模压剪试验(shyn)(shyn)（变角剪切试验（变角剪切试验(shyn)(shyn)）第28页/共46页第27页/共46页第二十八页，共46页。29n4) Hoek4) Hoek直剪仪试验装置直剪仪试验装置第29页/共46页第28页/共46页第二十九页，共46页。30n5 5）角模压剪试验及受力分析）角模压剪试验及受力分析(fnx)(fnx)示意图示意图n在压力在压力P P的作用下，剪切面上可的作用下，剪切面上可分解为分解为: :n a. a.沿剪切面的剪应力沿剪切面

10、的剪应力Psin/APsin/An b. b.垂直剪切面的正应力垂直剪切面的正应力Pcos/APcos/A第30页/共46页第29页/共46页第三十页，共46页。31n6 6）限制性剪切强度）限制性剪切强度(qingd)(qingd)试验结果及其分析试验结果及其分析n试验结果：剪切面上正应力试验结果：剪切面上正应力越大，试件被剪破坏前所能承越大，试件被剪破坏前所能承受的剪应力也越大。受的剪应力也越大。n原因：剪切破坏一要克服内聚原因：剪切破坏一要克服内聚力，二要克服摩擦力，正应力力，二要克服摩擦力，正应力越大，摩擦力也越大。越大，摩擦力也越大。n将破坏时的剪应力和正应力标将破坏时的剪应力和正应

11、力标注到注到-应力平面上就是一个应力平面上就是一个点，不同的正、剪应力组合就点，不同的正、剪应力组合就是不同的点。将所有点连接起是不同的点。将所有点连接起来就获得了莫尔强度来就获得了莫尔强度(qingd)(qingd)包络线，如图所示。包络线，如图所示。第31页/共46页第30页/共46页第三十一页，共46页。32第32页/共46页第31页/共46页第三十二页，共46页。33四四. . 三轴抗压强度三轴抗压强度(kn (kn y qin d) y qin d) 而三轴试验是限制性抗压强度而三轴试验是限制性抗压强度(confined compressive (confined compressi

12、ve strength)strength)试验。试验。第33页/共46页第32页/共46页第三十三页，共46页。34n2)实验加载方式：na. 真三轴加载:试件为立方体，加载方式如图所示。n 应力状态：12 3n 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(ynq)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。nb.伪三轴试验:，试件为圆柱体，试件直径25150mm，长 n 度与直径之比为2：1或3：1。轴向压力的加载方式与单 n 轴压缩试验相同。n 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。n应力状态： 12=3第34页/

13、共46页第33页/共46页第三十四页，共46页。35n三轴压缩三轴压缩(y su)试验加载示意图试验加载示意图n真三轴真三轴n12 3n伪三轴伪三轴n12=3第35页/共46页第34页/共46页第三十五页，共46页。36n3)3)伪三轴试验装置图：伪三轴试验装置图：n 由于试件侧表面由于试件侧表面(biomin)(biomin)已被加压油缸的橡皮套包住，液压已被加压油缸的橡皮套包住，液压油不会在试件表面油不会在试件表面(biomin)(biomin)造成造成摩擦力，因而侧向压力可以均匀施摩擦力，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加到试件中。其试验装置示意图如下。下。第36页/

14、共46页第35页/共46页第三十六页，共46页。37n4)4)第一个经典三轴试验第一个经典三轴试验na.a.试验者和时间：意大利人试验者和时间：意大利人(y (y d l rn)d l rn)冯冯卡门卡门(VonKarman)(VonKarman)于于19111911年完成的。年完成的。nb.b.试验岩石：白色圆柱体大理试验岩石：白色圆柱体大理石试件，该大理石具有很细的石试件，该大理石具有很细的颗粒并且是非常均质的。颗粒并且是非常均质的。nc.c.试验发现：试验发现：n 在围压为零或较低时，大在围压为零或较低时，大理石试件以脆性方式破坏，沿理石试件以脆性方式破坏，沿一组倾斜的裂隙破坏。一组倾斜

15、的裂隙破坏。n 随着围压的增加，试件的随着围压的增加，试件的延性变形和强度都不断增加，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直至出现完全延性或塑性流动变形，并伴随工作硬化，试件变形，并伴随工作硬化，试件也变成粗腰桶形的。也变成粗腰桶形的。n 在试验开始阶段，试件体在试验开始阶段，试件体积减小，当达到抗压强度一半积减小，当达到抗压强度一半时，出现扩容，泊松比迅速增时，出现扩容，泊松比迅速增大。大。第37页/共46页第36页/共46页第三十七页，共46页。38n直线形：直线形：第38页/共46页第37页/共46页第三十八页，共46页。39n6) 6) 三轴试验岩石强度参数的确定三轴试

16、验岩石强度参数的确定na.a.直线形：直线形：轴的截距称为岩石的粘结力（或称内聚轴的截距称为岩石的粘结力（或称内聚力），记为力），记为C C（MPaMPa），与），与轴的夹角称为岩石的内摩擦轴的夹角称为岩石的内摩擦角，记为角，记为（度）。（度）。nb.b.曲线形：曲线形：n一种方法一种方法(fngf)(fngf)是将包络线和是将包络线和轴的截距定为轴的截距定为C C，将包络线与将包络线与轴相交点的包络线外切线与轴相交点的包络线外切线与轴夹角定为轴夹角定为内摩擦角。内摩擦角。n另一种方法另一种方法(fngf)(fngf)建议根据实际应力状态在莫尔包建议根据实际应力状态在莫尔包络线上找到相应点，在

17、该点作包络线外切线，外切线与络线上找到相应点，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夹角为内摩擦角，外切线及其延长线与轴相交之轴相交之截距即为截距即为C C。n 实践中采用第一种方法实践中采用第一种方法(fngf)(fngf)的人数多。的人数多。 第39页/共46页第38页/共46页第三十九页，共46页。407).7).岩石岩石(ynsh)(ynsh)三向压缩强度的影响因素三向压缩强度的影响因素第40页/共46页第39页/共46页第四十页，共46页。41无水有水第41页/共46页第40页/共46页第四十一页，共46页。42五、影响岩石强度的因素：五、影响岩石强度的

18、因素： 1 1、岩石的组织结构、岩石的组织结构矿物类别、颗粒大小矿物类别、颗粒大小、分布状态、分布状态(zhungti)(zhungti) 、胶结物；、胶结物； 2 2、岩石构造裂隙、岩石构造裂隙延展规模、裂隙性质延展规模、裂隙性质、壁面强度、壁面强度 、充填物；、充填物； 3 3、试件尺寸、试件尺寸尺寸增大，强度降低；尺寸增大，强度降低； 4 4、含水、含水含水量大，强度低；含水量大，强度低； 5 5、加载速率、加载速率速率增加，强度加大（变形速率增加，强度加大（变形不充分）；不充分）； 6 6、受载状态、受载状态(zhungti)(zhungti)三等压三不三等压三不等双压单压剪切等双压单压剪切 弯曲拉伸弯曲拉伸第42页/共46页第41页/共46页第四十二页，共46页。43l在普通(ptng)试验机上，常规的测试手段得不到应力-应变全过程曲线；l实际上，岩石在峰值强度后，内部出现了裂纹等，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，（由于地质构造的作用）第43页/共46页第42页/共46页第四十三页，共46页。44全应力全应力应变曲线的特点应变曲线的特点(tdin)(t