在第6讲 岩石的强度性质

1、岩石变形蠕变松弛弹性后效粘性流动岩石的时间效应瞬时变形瞬时变形蠕变蠕变松弛松弛弹性后效弹性后效粘性流动粘性流动M M体体有有有有有有无无有有K K体体无无有有无无有有无无 2.7 岩岩 石石 的的 强强 度度 性性 质质岩块强度：岩块抵抗外力破坏的能力。岩块破坏方岩块破坏方式式 脆性破坏脆性破坏塑性破坏塑性破坏(延性破坏）延性破坏）拉破坏拉破坏剪切破坏剪切破坏 一、单轴抗压强度 二、单轴抗拉强度 三、剪切强度 四、三轴压缩强度受力状态2.7 指岩石抵抗各种破坏的能力,即岩石在各种荷载作用下所能承受的最大应力。包括包括：抗压强度（单轴和三轴）、抗拉强度抗压强度（单轴和三轴）、抗拉强度、抗剪强度抗

2、剪强度。 岩石试件在单向压缩荷载作用下直到破坏所能承受的最大压应力，简称（uniaxial compressive strength），），或非侧限抗压强度非侧限抗压强度（unconfined compressive strength） （MPa）PAP 一一. .单轴抗压强度单轴抗压强度c（1）衡量岩块基本力学性质的重要指标； （2）工程岩体分类、建立岩体破坏判据的重要指标； （3）用来估算其他强度参数单轴抗压强度单轴抗压强度圆柱体圆柱体标准试件：标准试件：直径为50mm,高100mmccPA0.75(50)22.82csI(50)sI直径为50mm的点荷载标准试件的由破坏面上的剪应力超过了

3、其抗剪强度引起由破坏面上的剪应力超过了其抗剪强度引起。但破坏面所承受的最大剪应力与破坏面上的正应力有关，因而又称为压压- -剪破坏剪破坏。破坏面破坏面与轴向压力方向成一锐角与轴向压力方向成一锐角在轴向压力的作用下产生横向拉应力，当横向拉应力超在轴向压力的作用下产生横向拉应力，当横向拉应力超过岩石的抗拉强度时产生拉裂破坏过岩石的抗拉强度时产生拉裂破坏。(泊松效应)破坏面与轴向压力方向近似平行单轴抗压强度单轴抗压强度形成两个对顶的角锥形破坏面对顶的角锥形破坏面。由于试件与承压板之间的摩擦阻力，阻止试件端部横向位移，端部范围处于三向应力状态，端部效应明显。径向和环向处于受拉状态。该破坏类型不是岩石所

4、固有的该破坏类型不是岩石所固有的。11单轴抗压强度单轴抗压强度岩石名称c抗压强度(MPa)t抗拉强度(MPa)摩擦角()内聚力 (MPa)岩石名称c抗压强度(MPa)t抗拉强度(MPa)摩擦角()内聚力(MPa)花岗岩10025072545601450片麻岩50200520305035流纹岩180300153045601050千枚岩、片岩101001102665120闪长岩100250102553551050板岩602007154560220安山岩100250102045501040页岩101002101530320砂岩202004253550840辉长岩180300153650551050砾

5、岩101502153550850辉绿岩200350153555602560石灰岩5020052035501050玄武岩150300103048552060白云岩80250152535502050石英岩150350103050602060大理岩10025072035501530tct岩石岩石 最小，最小， 介于两者之间介于两者之间c25%tc岩石名称与抗压强度的比值抗拉强度抗剪强度抗弯强度煤0.0090.060.250.5页 岩0.060.3250.250.480.220.51砂质页岩0.090.180.330.5450.10.24砂 岩0.020.170.060.440.060.19石 灰 岩

6、0.010.0670.080.100.15大 理 岩0.080.2260.272花 岗 岩0.020.080.080.09石 英 岩0.060.110.176矿物组成、 结构构造（颗粒大小及形状、粒间连接、 微结构面特征）、密度、风化程度等等 1 1）试件形状、尺寸及加工精度）试件形状、尺寸及加工精度 形状形状断面形状断面形状圆形圆形 多边形多边形。 棱角棱角-应力集中应力集中，应力集中越强烈，试件越易破坏，抗压强度越低hD高径比高径比/h D应力分布较均匀，弹性稳定状态应力分布较均匀，弹性稳定状态/23h D 高径比增大高径比增大,强度降低强度降低; 很小,处于三向受压;很大,易发生失稳破坏

7、非标准试件强度与标准试件强度的转换：非标准试件强度与标准试件强度的转换：10.2220.778cch D：端面粗糙、不平行， 产生应力集中，降低强度影响因素岩石单轴抗压强度的因素影响因素岩石单轴抗压强度的因素：尺寸越大微结构面 越多，越复杂强度越低我国标准尺寸：我国标准尺寸：直径或边长为50mm,高100mm影响因素岩石单轴抗压强度的因素影响因素岩石单轴抗压强度的因素2 2）加载速率增大，强度提高。：变形速率滞后于应力增长速率，变形来不及发生、发展0.50.8/MPa s现行试验规范规定加载速率：现行试验规范规定加载速率：3 3）端面效应端面效应:端面对试件端部横向变形的影响减少端面影响的方法

8、减少端面影响的方法:在试件与压力板之间加润滑剂，以减少压力板与试件之间的摩擦力影响因素岩石单轴抗压强度的因素影响因素岩石单轴抗压强度的因素4 4）湿度和温度）湿度和温度水水对岩石强度有显著影响，其用软化系数表示。浸入水的岩石强度降低。5 5）层理结构）层理结构加载方向平行于层理方向的强度 垂直于层理方向的强度。温度温度升高，脆性降低，塑性增加，强度越低。岩石名称抗压强度(MPa)()( )垂直层理()平行层理()石 灰 岩1801511.19粗粒砂岩142.3118.51.20细粒砂岩156.8159.70.98砂质页岩78.951.81.52页 岩51.736.71.41 岩石试件在单向拉伸

9、荷载作用下直到破坏所能承受的最大拉应力，称为（uniaxial tensile strength）(MPa)二二. . 单轴抗拉强度单轴抗拉强度 t直接拉伸法直接拉伸法间接法间接法(劈裂法、点荷载法、三点弯曲法)（1）拉破坏是岩体的主要破坏型式，衡量岩体力学性质的重要指标；（2）是建立岩石强度判据，确定强度包络线的重要指标；（3）选择建筑石材不可缺少的参数 ttPA ： 圆柱状试件、材料试验机单轴抗拉强度单轴抗拉强度PtPt直接拉伸法直接拉伸法 ：费时、费力、费物2xpDL单轴抗拉强度单轴抗拉强度竖直向直径平面拉应力拉应力：6ypDL水平向直径平面压应力压应力：圆圆柱柱体体3xy4tc而拉破坏

10、圆柱体圆柱体2ttpDL立方体立方体22ttpaD垫 条PPxPPyxy2PDLo(a)(b)(c)单轴抗拉强度单轴抗拉强度2stIpD点荷载强度点荷载强度破坏时两加载点的距离tsKI抗拉强度抗拉强度0.860.96点荷载仪点荷载仪3单轴抗拉强度单轴抗拉强度岩石名称c抗压强度(MPa)t抗拉强度(MPa)摩擦角()内聚力 (MPa)岩石名称c抗压强度(MPa)t抗拉强度(MPa)摩擦角()内聚力(MPa)花岗岩10025072545601450片麻岩50200520305035流纹岩180300153045601050千枚岩、片岩101001102665120闪长岩10025010255355

11、1050板岩602007154560220安山岩100250102045501040页岩101002101530320砂岩202004253550840辉长岩180300153650551050砾岩101502153550850辉绿岩200350153555602560石灰岩5020052035501050玄武岩150300103048552060白云岩80250152535502050石英岩150350103050602060大理岩10025072035501530抗拉强度抗拉强度微结构面的影响（裂隙、空隙）岩石中包含有大量的微裂隙和孔隙，岩块抗拉强度受其影响很大岩块抗拉强度受其影响很大，直

12、接削弱了岩块的抗拉强度。相对而言，空隙对岩块抗压强度的影响就小得多空隙对岩块抗压强度的影响就小得多，因此，岩块的抗拉强度一般远小于其抗压强度。通常把抗压强度与抗拉强度的比值称为脆性度脆性度，用以表征岩石的脆性程度。 岩石试件在三轴压缩荷载作用下直到破坏所能承受的最大压应力，简称（uniaxial compressive strength），），或限制性抗压强度限制性抗压强度（confined compressive strength）（）（MPa）1mmPA1123 23 三三. . 三轴抗压强度三轴抗压强度 1m11圆心：13,02m132m半径：坐标系中绘制出一组破坏应力圆及公切线，所得到

13、的公切线即为坐标系中绘制出一组破坏应力圆及公切线，所得到的公切线即为一组试件一组试件：4个以上岩样三轴压缩试验三轴压缩试验：13,mt和莫尔强度包络线曲线tttcc113311oc2,C岩石莫尔强度包络线上所有点的切线与岩石莫尔强度包络线上所有点的切线与 轴的轴的夹角代表相应破坏面的夹角代表相应破坏面的C岩石莫尔强度包络线上所有点的切线在岩石莫尔强度包络线上所有点的切线在 轴上轴上的截距代表相应破坏面的的截距代表相应破坏面的围压大时围压大时, ,莫尔强度包络线为曲线莫尔强度包络线为曲线, ,破坏面上的内聚力和内摩擦角并非常量破坏面上的内聚力和内摩擦角并非常量, ,当应力低时，当应力低时，内摩擦

14、角大，内聚力小；当应力高时，内摩擦角小，内聚力大。内摩擦角大，内聚力小；当应力高时，内摩擦角小，内聚力大。围压不大时围压不大时, ,莫尔强度包络线近似直线莫尔强度包络线近似直线, ,破坏面上的内聚力和内摩擦角为常量。破坏面上的内聚力和内摩擦角为常量。莫尔强度包络线曲线tttcc113311oc21313()/2sin()/2mmCctg()包络线上所有点的切线包络线上所有点的切线与与轴的夹角轴的夹角(C) 包络线在包络线在轴上的截距轴上的截距 213(45) 2(45)22oomtgCtg131 sin1 sin21 sin1 sinmC用岩石抗剪强度参数用岩石抗剪强度参数 和围压和围压 表示

15、的岩石强度表示的岩石强度,C3c1m、oCC ctg1m o132m3132mC、213(45) 2(45)22oomtgCtg131 sin1 sin21 sin1 sinmC当当3011 sin21 sincmC2452cCtg。用岩石抗剪强度参数用岩石抗剪强度参数 表示的岩石单轴表示的岩石单轴抗压强度抗压强度,CoCC ctg1m o132m3132m(c- t)/2(c+ t)/2tc2ctcttg 2sin2ctctctct()2ctctarctg 21 sin(45)1 sin2tcctg用用 表示表示c、tDo2o1 c tCABO2ctC ctC用、表示 、岩石自身的性质、围压

16、、温度、湿度、岩石自身的性质、围压、温度、湿度、空隙压力、试件高径比等。空隙压力、试件高径比等。围压对抗压强度的影响( M P a )134758269(MPa)1m4 0 03 0 02 0 01 0 02 0 004 0 06 0 08 0 01 0 0 03在剪切荷载作用下，岩块抵抗剪切破坏的最大剪应力，称为（MPa）四四. . 剪切强度剪切强度 C内聚力tg内摩擦阻力指试件在一定的法向应力作用下，沿剪断时的最大剪应力nCtg 指试件上的法向应力为零时，沿剪断时的最大剪应力C指试件在一定的法向应力作用下，沿（层面、节理等）再次剪切破坏时的最大剪应力njjCtg一组试件：46个岩样直剪仪直

17、剪试验按库仑定律求岩块的抗剪断强度参数按库仑定律求岩块的抗剪断强度参数C、值。值。Ctg TN测力计,C值的确定示意图强度包络线曲线oC一组试件：46个立方体试件按库仑定律求岩块的剪切强度参数按库仑定律求岩块的剪切强度参数C、值。值。Ctg 变角度剪切试验仪变角板P3424 1,C值的确定示意图强度包络线曲线oC剪切面上的应力：剪切面上的应力：)cos(sin)sin(cosfAPfAPpAf式中, 为试件破坏时的荷载； 为剪切面面积；为剪切面与水平面的夹角；为压力机压板与剪切夹具间的滚动摩擦系数。一组试件：46个试件岩石强度包络线剪切强度参数：剪切强度参数：11sin1mm(1 sin )2cosbC按库仑定律求岩块的剪切强度参数按库仑定律求岩块的剪切强度参数C、值。值。Ctg arctgm(MPa)36.03.0403020103002001000b1(MPa)在 曲线上取最佳直线段，求出13-,m b剪切强度参数剪切强度参数3060。(850)CMPa岩石名称c抗压强度(MPa)t抗拉强度(MPa)摩擦角()内聚力 (MPa)岩石名称c抗压强度(MPa)t抗拉强度(MPa)摩擦角()内聚力(MPa)花岗岩10025072545601450片麻岩50200520305035流纹岩1803001530