岩石的力学性质强度性质

岩石的力学性质强度性质第一页，共四十七页，编辑于2023年，星期三12.3

岩石的力学性质

岩石的性质与组成岩石的矿物颗粒以及其间的胶结物性质有关。分为固结性岩石和松散性岩石。固结性岩石：矿物颗粒是固结在一起的，如基岩。松散性岩石：颗粒间的结合力破坏，如粘土，砂土等。

第二页，共四十七页，编辑于2023年，星期三2岩石的力学性质强度特性：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。变形性质：岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变化。

力学性质变形性质a.单向压缩变形

b.反复加载变形

c.三轴压缩变形强度特性单向抗压强度单向抗拉强度剪切强度三轴压缩第三页，共四十七页，编辑于2023年，星期三3岩石的力学性质工程师对材料提出两个问题

1最大承载力——许用应力[]？

2最大允许变形——许用应变[]？本节讨论[]问题强度：材料受力时抵抗破坏的能力。强度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四页，共四十七页，编辑于2023年，星期三4一岩石的单轴抗压强度1.定义：岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所能承受的最大压应力称为岩石的单轴抗压强度

式中：P——无侧限的条件下的轴向破坏荷载 A——试件截面积σc=P/APPA2.3.1岩石的强度特性第五页，共四十七页，编辑于2023年，星期三52.试验方法(钻机)岩石试件第六页，共四十七页，编辑于2023年，星期三6切割机第七页，共四十七页，编辑于2023年，星期三7a.试件两端不平度0.5mm；b.尺寸误差±0.3mm;c.两端面垂直于轴线±0.25度磨床第八页，共四十七页，编辑于2023年，星期三8试验机第九页，共四十七页，编辑于2023年，星期三9三种破坏形式：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横向拉应力超过岩石抗拉极限所引起的。第十页，共四十七页，编辑于2023年，星期三10非标准试件的对试验结果的影响及其修正圆柱形试件：D一般不小于50mm，高L=（2.5－3)D长方体试件：50×50×50mm或70×70×70mm

试件标准第十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期三113.实验原理压缩实验设备示意图(500t压力机)端部效应消除方法:①润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部）②加长试件第十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期三124.影响单轴抗压强度的主要因素（1）承压板端部的摩擦力及其刚度（加垫块的依据）（2）试件的形状和尺寸形状：圆形试件不易产生应力集中，好加工尺寸：大于矿物颗粒的10倍；φ50的依据高径比：研究表明；L/D≥(2.5－3)较合理（3）加载速度加载速度越大，表现强度越高)

我国规定加载速度为0.5～0.8MPa/s（4）环境含水量：含水量越大强度越低；岩石越软越明显，对泥岩、粘土等软弱岩体，干燥强度是饱和强度的2－3倍。温度：180℃以下不明显：大于180℃，温度越高强度越小。第十三页，共四十七页，编辑于2023年，星期三13第十四页，共四十七页，编辑于2023年，星期三14二岩石的抗拉强度定义：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称为岩石的单轴抗拉强度(Tensilestrength)。

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。直接试验间接试验试验方法第十五页，共四十七页，编辑于2023年，星期三152.直接拉伸试验加载和试件示意图第十六页，共四十七页，编辑于2023年，星期三16计算公式：破坏时的最大轴向拉伸荷载(Pt)除以试件的横截面积(A)。即：

σt=Pt/A第十七页，共四十七页，编辑于2023年，星期三17直接拉伸试验加载和试件示意图－限制性第十八页，共四十七页，编辑于2023年，星期三183.间接方法①岩石是各向同性的线弹性材料②满足平面假设的对称面内弯曲适用条件：（1）抗弯法（梁的三点弯曲试验）第十九页，共四十七页，编辑于2023年，星期三19（2）劈裂法（巴西法）要求①荷载沿轴向均匀分布②破坏面必须通过试件的直径注：①端部效应②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公式式中：——试验中心的最大拉应力p——试验中破坏时的压力D——试件的直径t——试件的厚度第二十页，共四十七页，编辑于2023年，星期三20a.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。第二十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期三21b.应力分布：圆盘在压应力的作用下，沿圆盘直径y—y的应力分布和x—x方向均为压应力。而离开边缘后，沿y—y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；x—x方向变成拉应力。并在沿y—y的很长一段距离上呈均匀分布状态。c.破坏原因：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。第二十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期三22（3）点荷载试验法是上世纪发展起来的一种简便的现场试验方法。试件：任何形状，尺寸大致50mm，不做任何加工。试验：在直接带到现场的点荷载仪上，加载劈裂破坏。优点：设备便携，可到现场去进行实验；对试件的形状等要求不严格第二十三页，共四十七页，编辑于2023年，星期三23小型点载荷设备：手动液压泵一个液压千斤顶一对圆锥形的加载头第二十四页，共四十七页，编辑于2023年，星期三24计算：式中：P——试件破坏时的极限强度

y——加载点试件的厚度统计公式：要求:（由于离散性大），每组15个，取均值，即建议：用φ50mm的钻孔岩芯为试件。第二十五页，共四十七页，编辑于2023年，星期三25三岩石的抗剪强度1.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（Shearstrength）。所能抵抗的最大剪应力常用表示

剪切强度试验分为非限制性剪切强度试验（Unconfinedshearstrengthtest）和限制性剪切强度试验（Confinedshearstrengthtest）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。第二十六页，共四十七页，编辑于2023年，星期三261）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，第二十七页，共四十七页，编辑于2023年，星期三272）非限制性剪切强度记为So计算公式：（a）单面剪切试验

So=Fc/A（b）冲击剪切试验So=Fc/2πra

r-冲击孔半径

a-时间厚度（c）双面剪切试验So=Fc/2A（d）扭转剪切试验So=16Mc/πD3式中：Mc—试件被剪断前达到的最大扭矩（N•m）

D—试件直径（m）第二十八页，共四十七页，编辑于2023年，星期三283）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）第二十九页，共四十七页，编辑于2023年，星期三294)Hoek直剪仪试验装置第三十页，共四十七页，编辑于2023年，星期三305）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:a.沿剪切面的剪应力Psinα/Ab.垂直剪切面的正应力Pcosα/A第三十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期三316）限制性剪切强度试验结果及其分析①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σ-τ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。第三十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期三32②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。第三十三页，共四十七页，编辑于2023年，星期三33四.三轴抗压强度1)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(Triaxialcompressivestrength)。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(confinedcompressivestrength)试验。第三十四页，共四十七页，编辑于2023年，星期三342)实验加载方式：a.真三轴加载:试件为立方体，加载方式如图所示。应力状态：σ1>σ2>

σ3

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。故极少有人做这样的三轴试验。b.伪三轴试验:，试件为圆柱体，试件直径25~150mm，长度与直径之比为2：1或3：1。轴向压力的加载方式与单轴压缩试验相同。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：σ1>σ2=σ3第三十五页，共四十七页，编辑于2023年，星期三35三轴压缩试验加载示意图真三轴σ1>σ2>

σ3伪三轴σ1>σ2=σ3第三十六页，共四十七页，编辑于2023年，星期三363)伪三轴试验装置图：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。第三十七页，共四十七页，编辑于2023年，星期三374)第一个经典三轴试验a.试验者和时间：意大利人冯·卡门(Von·Karman)于1911年完成的。b.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：①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。②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。③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，泊松比迅速增大。第三十八页，共四十七页，编辑于2023年，星期三385)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：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（Mohr’sstrengthenvelop）的形式给出。b.莫尔强度包络线的绘制：须对该岩石的5~6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：第三十九页，共四十七页，编辑于2023年，星期三396)三轴试验岩石强度参数的确定a.直线形：τ轴的截距称为岩石的粘结力（或称内聚力），记为C（MPa），与σ轴的夹角称为岩石的内摩擦角，记为φ（度）。b.曲线形：①一种方法是将包络线和τ轴的截距定为C，将包络线与τ轴相交点的包络线外切线与σ轴夹角定为内摩擦角。②另一种方法建议根据实际应力状态在莫尔包络线上找到相应点，在该点作包络线外切线，外切线与σ轴夹角为内摩擦角，外切线及其延长线与τ轴相交之截距即为C。实践中采用第一种方法的人数多。第四十页，共四十七页，编辑于2023年，星期三407).岩石三向压缩强度的影响因素（1）侧压力的影响围压越大，轴向压力越大第四十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期三41（2）孔隙水压力对岩石三向压缩强度的影响孔隙水压力使有效应力（围压）减小强度降低第四十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期三42五、影响