第4章 岩石与岩体的力学性质

第2章岩石与岩体的力学性质岩石的力学性质土的力学性质岩体的力学性质1岩石的力学性质岩石的强度测试单轴抗压强度定义：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单轴抗压强度公式：破坏形式：X状共轭斜面剪切破坏、单斜面剪切破坏与拉申破坏X状共轭斜面剪切破坏拉申破坏单斜面剪切破坏三轴抗压强度定义：岩石在三向压缩荷载作用下达到破坏前所能承受的最大压应力称为三轴抗压强度真三轴试验常规三轴试验莫尔强度包络线抗拉强度定义：岩石在单轴拉伸荷载作用下达到破坏前所能承受的最大拉应力称为单轴抗拉强度公式：测量试验：直接拉伸试验间接拉伸试验抗剪强度定义：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单轴抗拉强度测量试验单面剪切试验双面剪切试验冲击剪切试验扭转剪切试验无侧限抗剪强度有侧限抗剪强度破坏强度曲线半程压缩曲线试验现象：试件突发性破坏、崩裂，完全破坏，失去承载能力原因：试验机刚度不够大全程压缩曲线试验现象：试件在经过峰值强度后还存在一定的承载能力岩石超过峰值强度后，发生了破坏，内部出现破裂，承载能力下降，但没有降到零，而是仍然具有一定的强度，特别是在具有限制应力的条件下更是如此全程压缩曲线的用途全面显示岩石在受压破坏过程中的应力、变形特征，特别是破坏后的强度与力学性质变化规律预测岩爆积蓄应变能>消耗应变能发生岩爆积蓄应变能<消耗应变能不发生岩爆全程压缩曲线的用途预测蠕变破坏全程压缩曲线的用途预测循环加载条件下的岩石破坏岩石的变形性质变形弹性：物体在受外力作用的瞬即产生全部变形，失去荷载后立即恢复塑性：物体受力后产生变形，除去外力后变形不能完全恢复粘性：物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力增加

单轴压缩条件下变形特征孔隙裂隙压密阶段(OA段)弹性变形至微弹性裂隙稳定发展阶段(AC段)非稳定破裂发展阶段(CD段)破裂后阶段(D点以后)

单轴压缩条件下变形特征根据峰值前的应力-应变曲线将岩石分成六种类型直线型：如玄武岩、石英岩、白云岩等，称为弹性体

直线-下弯曲线型：石灰岩、泥岩，称为弹-塑性体上弯曲线-直线型：砂岩、花岗岩，称为塑-弹性体

上弯曲线-直线-下弯曲线型：大理岩、片麻岩，称为塑-弹-塑性体上弯曲线-直线-下弯曲线型(平缓)：压缩性高的岩石小段直线-非弹性曲线：弹-粘性体三轴压缩条件下岩石变形特征

随着围压的增大，岩石的抗压强度显著增加岩石变形显著增大岩石的弹性极限显著增大岩石的英里-应变曲线形态发生明显改变，岩石有弹脆性-弹塑性-应变硬化岩石变形指标及其确定弹性模量、切线模量、变形模型岩石的扩容

定义：岩石在荷载作用下，在其破坏之前产生的一种明显的非弹性体积变形体积应变与体积应力的关系：体积应变曲线体积变形阶段体积不变阶段扩容阶段

岩石的各向异性

岩石在三向应力状态下的应力应变关系极端各向异性体的应力应变关系，[A]为对称矩阵，因此只有24个独立弹性常数正交各向异性体的应力应变关系定义：在弹性体中存在着三个相互正交的弹性对称面，在各个面两边的对称方向上，弹性相同，但在这个弹性主向上弹性并不相同，这种物体称为正交各向异性体特点：由于对称性，作用在正交各向异性体上的正应力不引起剪应变，剪应力不引起线应变及其他方向上的剪应变应力-应变关系横观各向同性体的应力应变关系定义：在岩石的某一个平面内各方向弹性性质相同，而垂直此面的力学性质不同，称具有这种性质的物体为横观各向同性体特点：应力应变关系影响岩石力学性质的主要因素水对岩石力学性质的影响

连接作用：束缚在矿物表面的水分子通过其吸引力作用将矿物颗粒拉近、拉紧，起连接作用。这种作用对于松散土很明显，但对岩石影响微弱润滑作用：由可溶盐、胶体矿物连结的岩石，当有水浸入时，可溶盐溶解，胶体水解，使原有的连结变成水胶连结，导致矿物颗粒连接力减弱，摩擦力降低，从而起到了润滑作用水楔作用：水分子挤入两个矿物颗粒之间溶蚀-溶解作用：溶解可溶物，降低岩石强度孔隙水压力作用：减小了颗粒之间的压应力，降低了岩石的抗剪强度，甚至使岩石的微裂隙端部处于受拉状态从而破坏岩石的连结温度对岩石力学性质的影响

随着温度的增高，岩石的延性加大，屈服点降低，强度也降低加载速度对岩石力学性质的影响单轴抗压实验中，加载速率愈快，测得的弹性模量愈大；加载速率愈慢，弹性模量愈小加载速率越大，获得的强度指标值越高。ISRM(国际岩石力学学会)建议的加载速率为0.5~1MPa/s，一般从开始试验直至试件破坏的时间为5~10分钟围压对岩石力学性质的影响随着围压的增大，岩石的抗压强度显著增加岩石变形显著增大岩石的弹性极限显著增大岩石的英里-应变曲线形态发生明显改变，岩石有弹脆性-弹塑性-应变硬化风化对岩石力学性质的影响降低岩体结构面的粗糙程度并产生新的裂隙，使岩体被再次分裂成更小的碎块，进一步破坏了岩体的完整性。随着岩石原有结构连结被削弱以至丧失，坚硬岩石可转变为半坚硬岩石，甚至成为疏松土岩石在化学风化过程中，矿物成分发生变化，原生矿物经受水解、水化、氧化等作用后，逐渐为次生矿物所代替，特别是产生粘土矿物(如蒙脱石、高岭石等)；并随着风化程度的加深，这类矿物逐渐增加由于岩石和岩体的成分结构和构造的变化，岩体的物理力学性质也随之改变．一般是：抗水性降低、亲水性增高(如膨胀性、崩解性、软化性增强)；力学强度降低，压缩性加大(如抗压强度可由原来的几百兆帕降低到几十兆帕)；孔隙性增加，透水性增强(但当风化剧烈、粘土矿物较多时，渗透性又趋于降低)岩石的强度理论库仑强度理论

理论基础：岩石的破坏主要是剪切破坏，岩石的强度等于岩石本身抗剪切摩擦的粘结力和法向力产生的摩擦力

以表示的平面剪切强度准则：以表示的平面剪切强度准则：以表示的库仑准则的完整强度曲线：①单轴拉伸破断②双轴拉伸破断③单轴压缩破断④双轴压缩破断莫尔强度理论理论基础：莫尔强度理论是库仑准则的推广，也认为岩石的破坏主要是剪切破坏。莫尔强度曲线是破坏莫尔圆的外公切线(莫尔包络线)莫尔包络的形式有：斜直线型、二次抛物线型、双曲线型

二次抛物线型：岩性较坚硬至较软弱的岩石，如泥灰岩、砂岩、泥页岩等岩石的强度包络线近似于二次抛物线型

或双曲线型：砂岩、灰岩、花岗岩等坚硬、较坚硬岩石的强度包络线近似于双曲线型

格里菲斯强度理论理论基础：格里菲斯认为脆性材料的断裂由分布在材料中的微小裂纹尖端有拉应力集中导致单轴拉伸：当远场应力时，裂隙开始延伸，垂直拉应力方向的裂隙长度就会增加，如果维持不变，则裂隙将沿自己所在平面内扩张，直至破坏二维压缩：德鲁克-普拉格强度理论莫尔-库仑准则反映了岩土材料压剪破坏的实质，得到了广泛的应用，但没有反映中间主应力的影响，不能解释岩土材料在静水压力下也能屈服破坏的现象。德鲁克-普拉格准则是在Mises准则基础上推广得到的

2土的力学性质无粘性土的抗剪强度

定义：无粘性土的抗剪强度是指土在荷载作用下只有摩擦阻力，不存在凝聚力，如砂、砾、碎石等无粘性土的抗剪强度可以表示为(库仑1773)：内摩擦角：随孔隙比和体积的变化而改变(卡萨格兰德1936)无粘性土的强度机理泰勒假说：土的剪切力由两部分组成，一是颗粒的摩擦阻力，另一是剪切时由于土体发生膨胀来抵抗周围应力需要消耗能量，这部分能量由剪切力做功提供罗威假说：无粘性土的抗剪强度有三个分量，即颗粒滑动摩擦阻力所发展的强度、颗粒排列和定向消耗的能量发展的强度、试件剪胀所需能量而发展的强度李(Lee)和西特(Seed)假说：在罗威假说的基础上，提出在高压力作用下颗粒的挤碎作用消耗的能量也发展强度测量强度=滑动摩擦+(-)剪胀+挤碎和重排列低压力：紧砂剪胀，摩擦角增大中等压力：剪胀消弱，摩擦角增加减缓高压力：挤碎与重排列加强，摩擦角增大加剧维锡克(Vesic)、克劳夫(Clough)：就特定砂而言，存在一平均应力，超过此应力，不管其始孔隙比如何不同，强度包线的弯曲现象都将消失，起始孔隙比对强度不起作用，剪胀效应消失，颗粒破碎成了唯一机理剪胀性、颗粒破碎、重排列和定向作用颗粒破碎、重排列和定向定义：粒状土在力的作用下，不但颗粒要破碎，而且由于颗粒移动，必然要重排列和转动，这些作用所需的能量由剪切力提供影响颗粒破碎的因素：颗粒的大小、形状和强度；土的级配曲线和形状；应力条件和剪应变的大小剪胀性定义：砂在受剪时发生体积膨胀的现象原因：颗粒以相互咬合的形式存在，阻碍相对移动，剪切时颗粒发生滚动并绕过相邻颗粒，破坏咬合作用，发生体积增大现象剪胀所需的能量：摩擦吸收的能量+外部做功所需能量影响抗剪强度的因素

沉积条件：沉积条件影响土的性状：土在沉积过程或沉积以后形成了各向异性结构，垂直方向密实，水平方向松散；因而垂直方向剪切强度大，水平方向剪切强度小密度低时：垂直于颗粒排列方向的强度远大于平行于颗粒排列方向的强度密度高时：两方向上的均趋于紧密，强度相近孔隙比对内摩擦角的影响较低压力条件下，起始孔隙比越小，表明土体越紧密，峰值内摩擦角越大，抗剪切强度越大围压达到一定限度时，起始孔隙比影响很小，剪胀性消失，内摩擦角接近滑动摩擦角结构孔隙比对内摩擦角的影响，孔隙比相同的条件下，骨架结构不同，内摩擦角不同粘性土的抗剪强度

粘性土抗剪强度表达式：颗粒间相互移动和咬合作用形成摩擦阻力土颗粒之间的胶结作用

粘性土的内力粘性土的矿物颗粒多为扁平颗粒，通常被薄层强结合水和厚层弱结合水包围，双电层中水的结构与普通水不同，强烈地与粘土颗粒相结合，阻碍了颗粒之间的真正接触，起着传递与影响粘粒晶体之间的电化学力作用主要内力范德华力：通常引起引力库仑力：包括颗粒边缘的正电荷与另一颗粒表面的静电引力、相邻颗粒的静电斥力粘性土的结构结构包括两个方面组构：土体中颗粒、粒团和孔隙的排列与分布组构、成分、粒间力三者的综合效应结合力类型边对面结合(强)边对边结合(强)面对面结合(弱)剪阻力主要是由边对面结合和结合剂被摧毁或破碎而形成的根据结合强度分结合粘土：粘土颗粒间和组构单元间具有强固的结合作用非结合粘土：土的胶结结合很弱或不存在，唯一的结合力是粘土矿物表面由电荷产生的电力内力和结构对抗剪强度的作用凝聚力：在极小的应变下发挥到最大，应变稍高就不产生凝聚力剪胀：由零增加到最高，然后随着颗粒的咬合作用的丧失而逐渐消失摩擦：当应力-应变曲线趋近于水平时，凝聚力和剪胀对强度的影响不再是主要因素，摩擦起主要作用影响抗剪强度的因素惠特曼用下列表达式表明影响强度的因素各向异性对强度的影响剪切面垂直于组构单元的层面时，不但充分发挥了粒间力的作用，而且组构单元在剪切时难以重新排列，因而具有较强的强度剪切面平行于组构单元的层面时，可沿层面滑动，强度小固结历时对强度的影响土在固结应力下的作用时间要影响不排水强度，固结时间越长，强度越大。因为试件在固结应力下的时间越长，次固结的作用也越大，因而密度就越大，剪切时形成的孔隙压力越小，强度越大