学习情境一-岩石强度的测定-中

学习情境一岩石强度的测定任务一岩石及岩体性质的测定

任务二岩石强度的测定方法

任务一岩石及岩体性质的测定

1.概念岩石：矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集形成的自然物体。

（岩石=矿物颗粒+胶结物+孔隙+水）矿物：存在地壳中的具有一定化学成分和物理性质的自然元素和化合物。结构：组成岩石的物质成分、颗粒大小和形状以及其相互结合的情况。

(结晶、胶结)

构造:

组成成分的空间分布及其相互间排列关系。

（节理、裂隙、孔隙、边界、缺陷）矿物、结构、构造是影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素。一、岩石的基本概念

岩浆岩：强度高、均质性好

2.岩石地质分类沉积岩：强度不稳定，各向异性

变质岩：不稳定，与变质程度和岩性有关3.沉积岩石的力学特性：①不连续性；（物质不能充满空间，有孔隙存在）②各向异性；（任一点的物理、力学性质沿不同方向均不相同）③不均匀性；（由不同物质组成，各点物理力学性质都不相同）④岩块单元的可移动性；⑤地质因素影响特性（水、气、热、初应力）（上述特性导致岩石力学的研究方法以实验测试为主）

岩石由固体，水，空气等三相组成。（一）密度（ρ）和重度(体积力γ)：单位体积的岩石的质量称为岩石的密度。单位体积的岩石的重力称为岩石的重度。所谓单位体积就是包括孔隙体积在内的体积。（g/cm3），γ＝ρg(kN/m3)

岩石的密度可分为天然密度、干密度和饱和密度。相应地，岩石的重度可分为天然重度、干重度和饱和重度。二、岩石的基本物理性质

固体水空气1、天然密度（ρ）和天然重度（γ）

指岩石在天然状态下的密度和重度。

（g/cm3）(kN/m3)式中：W――天然状态下岩石试件的质量(g；)V——岩石试件的体积(cm3)；

g——重力加速度（N/g）。

干密度是指岩石孔隙中的液体全部被蒸发后单位体积岩石的质量，相应的重度即为干重度。

2、干密度（ρd）和干重度(γd)（g/cm3）(kN/m3)式中：Ws——岩石试件烘干后的质量(g)；

V——岩石试件的体积(cm3)；

g——重力加速度。

3、饱和密度（ρ

）和饱和重度(γw)饱和密度就是饱水状态下岩石试件的密度。式中：WW——饱水状态下岩石试件的质量(g)；

V——岩石试件的体积(cm3)；

g——重力加速度。

（g/cm3）(kN/m3)（二）比重（相对密度）(Δ)

岩石的比重就是指岩石固体的质量与同体积水的质量之比值。岩石固体体积，就是指不包括孔隙体积在内的体积。岩石的比重可在实验室进行测定，其计算公式为：

式中：Δ——岩石的比重；

Ws——干燥岩石的质量(g);Vs——岩石固体体积(cm3);ΔW

—

40C时水的密重。

（三）岩石的孔隙性

孔隙：岩石中孔隙和裂隙的总称。小开型孔隙孔隙闭型孔隙开型孔隙大开型孔隙

闭型孔隙：岩石中不与外界相通的孔隙。

开型孔隙：岩石中与外界相通的孔隙。包括大开型孔隙和小开型孔隙。在常温下水能进入大开型孔隙，而不能进入小开型孔隙。只有在真空中或在150个大气压以上，水才能进入小开型孔隙。孔隙度：指岩石的裂隙和孔隙发育程度，其衡量指标为孔隙率(n)或孔隙比（e）。根据岩石孔隙类型不同，岩石的孔隙率分为：

(1)总孔隙率n(2)大开孔隙率nb(3)小开孔隙率nl(4)总开孔隙率n0(5)闭孔隙率nc一般提到岩石的孔隙率时系指岩石的总孔隙率。1、孔隙率(1)总孔隙率n:

即岩石试件内孔隙的体积（VV)占试件总体积(V)的百分比。

(2)大开孔隙率nb:即岩石试件内大开型孔隙的体积（Vnb)占试件总体积(V)的百分比。

(3)小开孔隙率nl:即岩石试件内小开型孔隙的体积（Vnl)占试件总体积(V)的百分比。

(4)总开孔隙率（孔隙率）n0:即岩石试件内开型孔隙的总体积（Vn0)占试件总体积(V)的百分比。

(5)闭孔隙率nc:即岩石试件内闭型孔隙的体积（Vnc)占试件总体积(V)的百分比。

所谓孔隙比是指岩石试件内孔隙的体积（VV)与岩石试件内固体矿物颗粒的体积（Vs)之比。

2、孔隙比(e)（四）岩石的水理性质

岩石遇水后会引起某些物理、化学和力学性质的改变，岩石的这种性质称为岩石的水理性。1、岩石的吸水性岩石吸收水分的性能称为岩石的吸水性，其吸水量的大小取决于岩石孔隙体积的大小及其密闭程度。岩石的吸水性指标有吸水率、饱水率和饱水系数。（1）岩石吸水率(ω1)：

是指岩石试件在标准大气压力下吸入水的重量Wω1与岩石干重量Ws之比。

岩石的吸水率的大小，取决于岩石所含孔隙、裂隙的数量、大小、开闭程度及其分布情况，并且还与试验条件（整体和碎块，浸水时间等）有关。

根据岩石的吸水率可求得岩石的大开孔隙率nb：

式中：Ws为干燥岩石的重量；γd,γw分别为干燥岩石和水的重度。（2）岩石的饱水率（ω2）

岩石的饱水率指在高压（150个大气压）或真空条件下，岩石吸入水的重量Wω2与岩石干重量Ws之比，即：

根据饱水率求得岩石的总开孔隙率n0：

式中：Ws为干燥岩石重量；γd,γw干燥岩石和水的重度。（3）岩石的饱水系数（Ks）岩石吸水率与饱水率之比称为岩石的饱水系数，即

饱水系数反映了岩石中大开孔隙和小开孔隙的相对含量。饱水系数越大，岩石中的大开孔隙越多，而小开孔隙越少。吸水性较大的岩石吸水后往往会产生膨胀，给井巷支护造成很大压力。

2、岩石的软化性

岩石的软化性是指岩石在饱水状态下其强度相对于干燥状态下降低的性能，可用软化系数η表示。

软化系数指岩石试样在饱水状态下的抗压强度σcb与在干燥状态下的抗压强度σc之比，即各类岩石的ηc=0.45～0.9之间。ηc>0.75,岩石软化性弱、抗水、抗风化能力强；ηc<0.75，岩石的工程地质性质较差。3、岩石的膨胀性

岩石的膨胀性是指岩石浸水后体积增大的性质。岩石的膨胀性大小一般用膨胀力和膨胀率指标表示。其测定方法是平衡加压法。

试验中不断加压，并保持体积不变，所测得的最大压力即为岩石的最大膨胀力；然后逐级减压，直至荷载为0，测定其最大膨胀变形量，膨胀变形量与试件原始厚度的比值即为膨胀率。4、岩石的崩解性

岩石的崩解性是指岩石与水相互作用时失去粘结性并变为完全丧失强度的松散物质的性质。岩石的崩解性一般用耐崩解指数

Id2

的表示。其指标可在实验室用干湿循环试验确定。

试验过程：将经过烘干的试块（500g,分成约10块），放在带有筛孔的圆筒内，使该圆筒在水槽中以20r/min,连续旋转10min,然后将留在圆筒内的岩块取出烘干称重，如此反复进行两次，按下试计算耐崩解指数。式中：Id2——两次循环试验求得的耐崩解指数，在0～100%之间变化；md——试验前试块的烘干质量；mr——残留在圆筒内试块的烘干质量；W1——试验前试件和圆筒的烘干重量；W2——第二次循环后试件和圆筒的烘干重量；W0——试验结束冲洗干净后圆筒的烘干重量。

岩石的崩解性指数反映了岩石在浸水和温度变化的环境下抵抗风化作用的能力。5、岩石的抗冻性

岩石的抗冻性是指岩石抵抗冻融破坏的性能，是评价岩石抗风化稳定性的重要指标。岩石的抗冻性用抗冻系数Cf表示，指岩石试样在±250C的温度期间内，反复降温、冻结、融解、升温，然后测量其抗压强度的下降值（σc-σcf）,以此强度下降值与融冻试验前的抗压强度σc之比的百分比代表抗冻系数Cf

，即可见：抗冻系数Cf

越小，岩石抗冻融破坏的能力越强。6、岩石的透水性

地下水存在于岩石孔隙、裂隙之中，而且大多数岩石的孔隙裂隙是连通的，因而在一定的压力作用下，地下水可以在岩石中渗透。岩石的这种能透水的性能称为岩石的透水性。岩石的透水性大小不仅与岩石的孔隙度大小有关，而且还与孔隙大小及其贯通程度有关。衡量岩石透水性的指标为渗透系数(K)。一般来说，完整密实的岩石的渗透系数往往很小。岩石的渗透系数一般是在钻孔中进行抽水或压水试验而测定的。（五）岩石的碎胀性

岩石破碎后的体积VP比原体积V增大的性能称为岩石的碎胀性，用碎胀系数ξ来表示。

碎胀系数不是一个固定值，是随时间而变化的。

永久碎胀系数（残余碎胀系数）――不能再压密时的碎胀系数称为永久碎胀系数.弹性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形能够恢复的性质。塑性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形不能恢复的性质。粘性（流变性）：物体受力后变形不能在瞬间完成，且应变速度（dε/dt）随应力大小而变化的性质。脆性：物体在外力作用下变形很小时就发生破坏的性质。延性：物体能够承受较大的塑性变形而不丧失其承载能力的性质。任务二岩石强度的测定方法岩石的力学性质包括：

变形性质：研究岩石在受力情况下的变形规律强度特性：研究岩石受力破坏的规律一、岩石的弹性和塑性：

变形分析的重要性（直观、易测、建立模型、准则）

1、弹性变形：线弹性非线弹性

滞弹性

线弹性———直线型；当岩石致密，强度大，压力不高时，为此状态。

非线弹性——单向曲线型；基本没有。

滞弹性———双向曲线型，岩石多属滞弹性：滞弹性——应力应变不是唯一的对应关系，应变的产生（变化）较应力的变化有一段时间的滞后。

原因：物理学认为，当作用在滞弹性体上的力发生改变时，由于受力体内部物质的粘性或内摩擦的原因，引起变形效应滞后和迟延。滞弹性体具有两个重要性质：

弹性滞后——由于内摩擦原因，岩石随应力变化出现的变形滞后。

弹性后效——由于热传导等原因，外力停止变化，而变形仍随时间而缓慢变化。

理想塑性具有应变硬化的塑性2、塑性变形：

岩石塑性普遍存在；岩石塑性与岩石的组成、结构、构造及外界环境有关。（颗粒及胶结物物质成分、排列结合、含水、温度、应力等）

理想塑性——超过弹性极限，进入完全塑性状态（极少）；

应变硬化——超过弹性极限，承载能力随应变增加而增加。

3、一般岩石的变形：

瞬时弹性变形

后效弹性变形

塑性变形

岩石与其它金属及晶体矿物不同，因其有节理、裂隙存在，在应力不高阶段，内部结构即有破坏，在产生弹性变形的同时，产生塑性变形。岩石不是理想的弹性体、塑性体、粘性体，是混合体。

有弹—塑；塑—弹；弹—粘—塑；粘—弹等多种变形特性。

（粘性——变形不能在瞬间完成，变形速率随应力变化。）典型变形性质：直线型弹脆弹塑下凹型塑弹上凹型弹粘平缓型塑弹塑S型二、岩石单向压缩变形性质：

1、轴向变形：2、横向变形：普通试验机下岩石应力、应变曲线刚性试验机下岩石应力、应变曲线刚性试验机

（1）0A段：微裂隙闭合阶段,微裂隙压密极限σA。

（2）AB段：近似直线，弹性阶段，σB

为弹性极限。

（3）BC段：屈服阶段，σC为屈服极限。（4）CD段：破坏阶段，σD为强度极限，即单轴抗压强度。（5）DE段：即破坏后阶段,σE为残余强度。

3、全应力应变曲线：1．Rc的确定

（1）抗压试验：Rc=Pc/A（MPa）

Pc—荷载（破坏时）（N）

A—横断面积（mm2）

标准岩石试件通常为圆柱状或长方柱状。

圆柱状：直径D=5cm或7cm，h=（2～3）D

方柱状：断面S=5×5cm2，h=（2～3）S

断面S=7×7cm2，h=（2～3）S

（2）点荷载试验→间接求取Rc

Rc=（22.8～

23.7）Is(50)

式中Is(50)为直径50mm标准试件的点荷载强度。

2．影响因素

（1）岩石本身性质方面的因素，如矿物组成、结构构造、密度、风化程度，层理结构（Rc∥＜Rc⊥）等

（2）试验条件

①试件的几何形状及尺寸大小；（形态和尺寸效应)

②端面条件；（端部效应）（试件端面与压力机板间的摩擦作用，如端面粗糙和不平行Rc

↓）

③加荷速率；（v↑，Rc↑）

④湿度和温度；随温度升高，岩石的脆性降低，塑性增强，岩石强度随之降低。水侵入岩石时，将顺着裂隙进入并湿润试件中的矿物颗粒，由于水分子的进入，改变了岩石的物理状态，削弱了颗粒间的连结力，降低了岩石的强度。

3．岩石抗压强度与弹性模量的关系

E=350Rc

近似直线，也就是说，岩石刚度越大（E越大，变形越小），则强度越大Rc。单轴抗拉强度（Uniaxialtensilstrength）岩石试件在单轴拉力作用下抵抗破坏的极限能力。

一.Rt测定方法：

1.直接拉伸法:

缺点:试件制备困难；不易与拉力机固定，而且在试件固定处附近往往有应力集中现象，同时在试件两端面有弯曲力矩。这个方法用的不多。

2.间接法：

劈裂法:试件的形状圆柱体和立方体。试验时沿着圆柱体的直径方向施加集中荷载，这可以在试件上下承压板接触处各放一根钢丝实现。优点是简便易行，不需特殊设备，只要有普通压力机就可，故在生产实践中广泛应用。1.承压板2.试件3.钢丝劈裂试验加载示意图点荷载试验：①试件: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，不作任何岩样加工直接进行试验。②加载与强度换算:施加点荷载，点荷载强度指数I可按下式求得：式中：P－试件破坏的极限荷载；D－荷载与施加点之间的距离。点荷载强度指数与岩石抗拉强度之间的关系如下：要求15个试件，最终按其平均值求得其强度指数并推算出岩石的抗拉强度。该方法操作简单，成本低廉，实用性很强。二．与抗压强度的关系

Rt远小于抗压强度，约为1/10-1/4（0.1-0.25倍），个别者甚至小于0.02倍。脆性度（nb）：岩块的抗压强度与抗拉强度的比值即。一般10～20，最大可达50。岩石的抗剪强度（Shearstrength）

岩石抵抗剪切破坏的能力，它是岩石力学中需要研究的最重要特性之一，往往比抗压和抗拉更有意义。在实际中，岩石剪切破坏的情况较多，如岩质边坡失稳，洞室围岩破坏，重力坝坝基滑动破坏等。岩石的抗剪强度指标为Φ和C。一.剪切试验类型按剪切试验方法不同，可分为三种（剪切强度）类型1.抗剪断强度（预设剪切面）

τ=σtgφ+Cτ=T/Sσ=P/SP、T为试件剪断时的最大垂直压力和水平剪力；

S为剪切面面积

2.抗切强度（在剪切面上不加法向荷载的情况下剪切）

τ=C3.抗剪强度（摩擦强度）（先存剪切面）

τ=σtgφ实际上是结构面的剪切强度问题。二.抗剪强度的测定方法现场实验（直接剪切试验）室内试验（用直接剪切仪直剪和楔形剪切斜剪、用三轴压缩仪的三轴压缩试验等）。σ，τ－剪切面上的正应力和剪应力；F－剪切面面积；α－试验模具的夹角；P－压力机施加的总压力；f－圆柱形滚子与上下盘压板的摩擦系数。三.直接剪切试验的优缺点优点：简单方便，不需要特殊设备。缺点：所用试件的尺寸较小，不易反映岩石中的裂隙等结构面的情况。受剪面积上的应力分布不均匀。楔形剪切仪

第四节

岩石的强度理论（破坏判据/强度准则）

（Strength&FailureCriterion)

岩石的强度理论是判断岩石试件或岩石工程在什么样应力或应变条件下破坏。研究岩石在复杂应力状态下的破坏原因，规律及强度条件的理论就称强度理论。岩石的破坏与诸因素有关，但目前岩石的强度理论大多只考虑应力的影响，其它因素影响研究并不深入。σ1=f（σ2、σ3）或f（σ1，σ2、σ3）=0ε1=f（ε2、ε3）或f（ε1，ε2、ε3）=0一.岩石的破坏特性岩石的破坏形式比较复杂，根据破坏时的应力类型，分为三种类型：（脆性破坏）--（过渡型）--（塑性/延性破坏）

(拉破坏)(剪切破坏)(流动)-------三种破坏机制

(多数岩石)(岩石常见)(一般条件下大部分岩石并不呈现)单向拉伸脆性破坏单向压缩脆性破坏单斜面剪切破坏X状共轭斜面剪切破坏延性破坏σ1σ1σ3σ3岩石的破坏形式二.岩石强度理论1.最大正应力理论2.最大正应变理论3.最大剪应力理论4.八面体剪应力理论

5.库伦-莫尔强度理论（coulomb1773-mohrs1900)（1）基本假设：岩石的剪切破坏发生是某一平面剪应力超过了岩石抗剪强度。C：τf=σtgφ+CM：τf=f（σ）具体简化为（斜）直线型、抛物线型、双曲线型等形式。岩性较坚硬至较弱的岩石，如泥灰岩、泥岩、砂岩、泥页岩、页岩等岩石的强度包络线近似于二次抛物线。岩性坚硬、较坚硬的岩石，如砂岩、灰岩、花岗岩等，近似于双曲线，视实验结果而定。在低围压（＜10MPa）时接近直线型关系。为了简化计算，岩石力学中大多采用直线形式的包络线，实用上够了。（2）破坏判据：C-M：τ≥τf=σtgφ+C如用σ1，σ3表示剪切面上的正应力和剪应力则有：用几何关系表达有：当σ1，σ3的组合满足上述关系式时，岩石就开始破坏。圆心坐标[（σ1+σ3）/2，0]半径（σ1-σ3）/2τf=σtgφ+C2αστcφσ3σ1σ1=σ3tg2（45°+φ/2）+2Ctg（45°+φ/2）或σ3=σ1tg2（45°-φ/2）-2Ctg（45°-φ/2）α=tg（45°+φ/2）破裂面与σ3方向间的夹角(或破裂面法线与σ1方向间的夹角)为:共轭破裂面σ1σ1破裂面σ3σ3α（3）优缺点：

C-M强度理论是目前岩土力学中用得最多的理论，实质上是一种剪应力强度理论，既适用于塑性岩石，又适用于脆性岩石的剪切破坏，应用很