巖石力學(xué)性質(zhì)強(qiáng)性質(zhì)

1、1 2.3 2.3 巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石的力學(xué)性質(zhì) 巖石的性質(zhì)與組成巖石的礦物顆粒以及其間的膠結(jié) 物性質(zhì)有關(guān)。分為固結(jié)性巖石和松散性巖石。 固結(jié)性巖石：礦物顆粒是固結(jié)在一起的，如基巖。 松散性巖石：顆粒間的結(jié)合力破壞，如粘土，砂土等。 第1頁/共46頁 2 巖石的力學(xué)性質(zhì) 強(qiáng)度特性：巖石抵抗外力作用的能力，巖石破壞時(shí)能夠 承受的最大應(yīng)力。 變形性質(zhì)：巖石在外力作用下發(fā)生形態(tài)（形狀、體積） 變化。 力 學(xué) 性 質(zhì) 變 形 性 質(zhì) a.單向壓縮變形 b.反復(fù)加載變形 c.三軸壓縮變形 強(qiáng) 度 特 性 單向抗壓強(qiáng)度 單向抗拉強(qiáng)度 剪切強(qiáng)度 三軸壓縮 第2頁/共46頁 3 巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石的力學(xué)性質(zhì)

2、工程師對材料提出兩個(gè)問題 1 最大承載力許用應(yīng)力 ？ 2 最大允許變形許用應(yīng)變 ？ 本節(jié)討論 問題 強(qiáng)度：材料受力時(shí)抵抗破壞的能力。 強(qiáng)度 單向抗壓強(qiáng)度 單向抗拉強(qiáng)度 剪切強(qiáng)度 三軸壓縮 真三軸 偽三軸 ? ? ? 第3頁/共46頁 4 一 巖石的單軸抗壓強(qiáng)度 1.定義：巖石在單軸壓縮荷載作用下達(dá)到破壞前 所能承受的最大壓應(yīng)力稱為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度 式中：P無側(cè)限的條件下的軸向破壞荷載 A試件截面積 c=P/A P P A 2.3.1 巖石的強(qiáng)度特性巖石的強(qiáng)度特性 第4頁/共46頁 5 2.試驗(yàn)方法 ?(鉆機(jī)) 巖石試件 第5頁/共46頁 6 切割機(jī) 第6頁/共46頁 7 a.試件兩端不 平度

3、0.5mm； b.尺寸誤差 0.3mm; c.兩端面垂直于 軸線0.250.25度 磨 床 第7頁/共46頁 8 試試 驗(yàn)驗(yàn) 機(jī)機(jī) 第8頁/共46頁 9 三種破壞形式： 1.X狀共軛斜面剪切破壞，是最常見的破壞形式。 2.單斜面剪切破壞，這種破壞也是剪切破壞。 3.拉伸破壞，在軸向壓應(yīng)力作用下，在橫向?qū)a(chǎn)生 拉應(yīng)力。這是泊松效應(yīng)的結(jié)果。這種類型的破壞就 是橫向拉應(yīng)力超過巖石抗拉極限所引起的。 第9頁/共46頁 10 非標(biāo)準(zhǔn)試件的對試驗(yàn)結(jié)果的影響及其修正 圓柱形試件：D一般不小于50mm ，高L=（2.53)D 長方體試件：505050mm或 707070mm 試試 件件 標(biāo)標(biāo) 準(zhǔn)準(zhǔn) 第10頁/

4、共46頁 11 3.實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理 壓縮實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖 (500t壓力機(jī)) 端部效應(yīng) 消除方法: 潤滑試件端部（如墊云 母片；涂黃油在端部） 加長試件 第11頁/共46頁 12 4.影響單軸抗壓強(qiáng)度的主要因素影響單軸抗壓強(qiáng)度的主要因素 （1）承壓板端部的摩擦力及其剛度（加墊塊的依據(jù)） （2）試件的形狀和尺寸 形狀：圓形試件不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，好加工 尺寸：大于礦物顆粒的10倍； 50的依據(jù) 高徑比：研究表明；L/D(2.53)較合理 （3）加載速度 加載速度越大，表現(xiàn)強(qiáng)度越高) 我國規(guī)定加載速度為0.50.8MPa/s （4）環(huán)境 含水量：含水量越大強(qiáng)度越低；巖石越軟越明顯，對 泥巖、粘土等軟

5、弱巖體，干燥強(qiáng)度是飽和強(qiáng)度的23倍。 溫度：180以下不明顯：大于180，溫度越高強(qiáng)度 越小。 第12頁/共46頁 13 第13頁/共46頁 14 二 巖石的抗拉強(qiáng)度 1.定義：巖石在單軸拉伸荷載作用下達(dá)到破 壞時(shí)所能承受的最大拉應(yīng)力稱為巖石的 單軸抗拉強(qiáng)度(Tensile strength)。 試件在拉伸荷載作用下的破 壞通常是沿其橫截面的斷裂破壞。 直接試驗(yàn) 間接試驗(yàn) 試驗(yàn)方法試驗(yàn)方法 第14頁/共46頁 15 2.直接拉伸試驗(yàn)加載和試件示意圖直接拉伸試驗(yàn)加載和試件示意圖 第15頁/共46頁 16 ?計(jì)算公式：破壞時(shí)的最大 軸向拉伸荷載(Pt)除以試件 的橫截面積(A)。即： t=Pt/A

6、 第16頁/共46頁 17 直接拉伸試驗(yàn)加載和試件示意圖限制性直接拉伸試驗(yàn)加載和試件示意圖限制性 第17頁/共46頁 18 3. 3. 間接方法 巖石是各向同性的線彈性材料 滿足平面假設(shè)的對稱面內(nèi)彎曲 適用條件： （1）抗彎法（梁的三點(diǎn) 彎曲試驗(yàn)） 第18頁/共46頁 19 （2）劈裂法（巴西法）劈裂法（巴西法） t ? 要求 荷載沿軸向均勻分布 破壞面必須通過試件的直徑 注： 端部效應(yīng) 并非完全單向應(yīng)力 試驗(yàn)：徑向壓縮破壞（張開） 計(jì)算公式：由彈性力學(xué)Boursinesq公式 Dtp t ?/2? 式中： 試驗(yàn)中心的最大拉應(yīng)力 p 試驗(yàn)中破壞時(shí)的壓力 D 試件的直徑 t 試件的厚度試件的厚度

7、 第19頁/共46頁 20 a.試件試件:為一巖石圓盤，加載方式如圖所示。 實(shí)際上荷載是沿著一條弧線加上去的，但 孤高不能超過圓盤直徑的1/20。 第20頁/共46頁 21 ?b.b.應(yīng)力分布：應(yīng)力分布：圓盤在壓應(yīng)力的作 用下，沿圓盤直徑y(tǒng)y的應(yīng)力分 布和xx方向均為壓應(yīng)力。而離 開邊緣后，沿yy方向仍為壓應(yīng) 力，但應(yīng)力值比邊緣處顯著減少。 并趨于均勻化；xx方向變成拉 應(yīng)力。并在沿yy的很長一段距 離上呈均勻分布狀態(tài)。 ?c.c.破壞原因：由于巖石的抗拉強(qiáng) 度很低，所以試件還是由于x方 向的拉應(yīng)力而導(dǎo)致試件沿直徑的 劈裂破壞。破壞是從直徑中心開 始，然后向兩端發(fā)展，反映了巖 石的抗拉強(qiáng)度比抗

8、壓強(qiáng)度要低得 多的事實(shí)。 第21頁/共46頁 22 （3）點(diǎn)荷載試驗(yàn)法）點(diǎn)荷載試驗(yàn)法 是上世紀(jì)發(fā)展起來的一種簡便的現(xiàn)場試驗(yàn)方法。 試件：任何形狀，尺寸大致 50mm，不做任何加工。 試驗(yàn)：在直接帶到現(xiàn)場的點(diǎn)荷載儀上，加載劈裂 破壞。 優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備便攜，可到現(xiàn)場去進(jìn)行實(shí)驗(yàn)； 對試件的形狀等要求不嚴(yán)格 第22頁/共46頁 23 ?小型點(diǎn)載荷設(shè)備： 手動(dòng)液壓泵 一個(gè)液壓千斤頂 一對圓錐形的加載頭 第23頁/共46頁 24 IsRt96.0? ? ? ? 15 1 96. 0 15 1 i it IR 計(jì)算： 式中：P 試件破壞時(shí)的極限強(qiáng)度 y y 加載點(diǎn)試件的厚度 統(tǒng)計(jì)公式： 要求:（由于離散性大），

9、每組 15個(gè)，取均值，即 建議：用50mm的鉆孔巖芯為試件。 第24頁/共46頁 25 三 巖石的抗剪強(qiáng)度 1. 1. 定義 巖石在剪切荷載作用下達(dá)到破壞前所能承受 的最大剪應(yīng)力稱為巖石的抗剪切強(qiáng)度（ Shear strength）。所能抵抗的最大剪應(yīng)力常用 表示 ? 剪切強(qiáng)度試驗(yàn)分為非限制性剪切強(qiáng)度試 驗(yàn)（Unconfined shear strength testUnconfined shear strength test ）和限 制性剪切強(qiáng)度試驗(yàn)（ Confined shear strength test）二類。 非限制性剪切試驗(yàn)在剪切面上只有剪應(yīng)力 存在，沒有正應(yīng)力存在；限制性剪切試驗(yàn)

10、在剪 切面上除了存在剪應(yīng)力外，還存在正應(yīng)力。 第25頁/共46頁 26 ?1）四種典型的非限制性剪切強(qiáng)度試驗(yàn)： a.單面剪切試驗(yàn)， b.沖擊剪切試驗(yàn), c.雙面剪切試驗(yàn)， d.扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)， 第26頁/共46頁 27 ?2）非限制性剪切強(qiáng)度記為So計(jì)算公式： （a）單面剪切試驗(yàn) So=Fc/A （b）沖擊剪切試驗(yàn) So=Fc/2ra r-沖擊孔半徑 a-時(shí)間厚度 （c）雙面剪切試驗(yàn) So=Fc/2A （d）扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn) So=16Mc /D3 式中：Mc試件被剪斷前達(dá)到的最大扭矩（N?m） D試件直徑（m） 第27頁/共46頁 28 ?3）四種典型的限制性剪切強(qiáng)度試驗(yàn)）四種典型的限制性剪切強(qiáng)度

11、試驗(yàn) a.直剪儀（剪切盒）壓剪試驗(yàn)（單面剪） b.立方體試件單面剪試驗(yàn) c.試件端部受壓雙面剪試驗(yàn) d.角模壓剪試驗(yàn)（變角剪切試驗(yàn)） 第28頁/共46頁 29 ?4) Hoek直剪儀試驗(yàn)裝置 第29頁/共46頁 30 ?5）角模壓剪試驗(yàn)及受力分析示意圖）角模壓剪試驗(yàn)及受力分析示意圖 在壓力P的作用下，剪切面上可分解為 : a.沿剪切面的剪應(yīng)力Psin/A b.垂直剪切面的正應(yīng)力Pcos/A 第30頁/共46頁 31 ?6 6）限制性剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及其分析 ?試驗(yàn)結(jié)果：試驗(yàn)結(jié)果：剪切面上正應(yīng)力越大，試件被剪破壞前所 能承受的剪應(yīng)力也越大。 ?原因：剪切破壞一要克服內(nèi)聚力，二要克服摩擦力，正應(yīng)

12、力越大，摩擦力也越大。 ?將破壞時(shí)的剪應(yīng)力和正應(yīng)力標(biāo)注到-應(yīng)力平面上就是 一個(gè)點(diǎn)，不同的正、剪應(yīng)力組合就是不同的點(diǎn)。將所有點(diǎn) 連接起來就獲得了莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線，如圖所示。 第31頁/共46頁 32 ?殘余強(qiáng)度：殘余強(qiáng)度：當(dāng)剪切面上的剪應(yīng)力超過了峰值剪切強(qiáng)度 后，剪切破壞發(fā)生，然后在較小的剪切力作用下就可使巖 石沿剪切面滑動(dòng)。能使破壞面保持滑動(dòng)所需的較小剪應(yīng)力 就是破壞面的殘余強(qiáng)度。 ?正應(yīng)力越大，殘余強(qiáng)度越高，如圖所示。所以只要有正應(yīng) 力存在，巖石剪切破壞面仍具有抗剪切的能力。 第32頁/共46頁 33 四. 三軸抗壓強(qiáng)度 ?1)1)定義定義：巖石在三向壓縮荷 載作用下，達(dá)到破壞時(shí)所能 承受的最

13、大壓應(yīng)力稱為巖石的三軸抗壓強(qiáng)度 (Triaxial compressive strength)。 ?與單軸壓縮試驗(yàn)相比，試件除受軸向壓力外， 還受側(cè)向壓力。側(cè)向壓力限制試件的橫向變 形，因而三軸試驗(yàn)是限制性抗壓強(qiáng)度 (confined compressive strength)試驗(yàn)。 第33頁/共46頁 34 ?2)實(shí)驗(yàn)加載方式： ?a. 真三軸加載:試件為立方體，加載方式如圖所示。 應(yīng)力狀態(tài)：12 3 這種加載方式試驗(yàn)裝置繁雜，且六個(gè)面均可受到由加 壓鐵板所引起的摩擦力，對試驗(yàn)結(jié)果有很大影響，因而實(shí) 用意義不大。故極少有人做這樣的三軸試驗(yàn)。 ?b.偽三軸試驗(yàn):，試件為圓柱體，試件直徑2515

14、0mm，長 度與直徑之比為2：1或3：1。軸向壓力的加載方式與單 軸壓縮試驗(yàn)相同。 但由于有了側(cè)向壓力，其加載上時(shí)的端部效應(yīng)比單軸加 載時(shí)要輕微得多。 ?應(yīng)力狀態(tài)： 12=3 第34頁/共46頁 35 ?三軸壓縮試驗(yàn)加載示意圖三軸壓縮試驗(yàn)加載示意圖 ?真三軸 12 3 ?偽三軸 12=3 第35頁/共46頁 36 ?3)3)偽三軸試驗(yàn)裝置圖偽三軸試驗(yàn)裝置圖： 由于試件側(cè)表面已被加壓油缸的橡皮套包住，液壓 油不會(huì)在試件表面造成摩擦力，因而側(cè)向壓力可以均勻施 加到試件中。其試驗(yàn)裝置示意圖如下。 第36頁/共46頁 37 ?4)第一個(gè)經(jīng)典三軸試驗(yàn) ?a.試驗(yàn)者和時(shí)間：意大利人馮卡門(VonKarma

15、n) 于1911年完成的。 ?b.試驗(yàn)巖石：白色圓柱體大理石試件，該大理石 具有很細(xì)的顆粒并且是非常均質(zhì)的。 ?c.試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)： 在圍壓為零或較低時(shí)，大理石試件以 脆性方式 破壞，沿一組傾斜的裂隙破壞。 隨著圍壓的增加，試件的 延性變形和強(qiáng)度都不 斷增加，直至出現(xiàn)完全延性或 塑性流動(dòng)變形，并 伴隨工作硬化，試件也變成粗腰桶形的。 在試驗(yàn)開始階段，試件體積減小，當(dāng)達(dá)到 抗壓 強(qiáng)度一半時(shí)，出現(xiàn)擴(kuò)容，泊松比迅速增大。 第37頁/共46頁 38 ?5) 三軸試驗(yàn)與莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線三軸試驗(yàn)與莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線 ?a.三軸壓縮試驗(yàn)的最重要的成果：就是對于同一種巖石的不同試件 或不同的試驗(yàn)條件給出幾乎恒定的強(qiáng)度指標(biāo)

16、值。這一強(qiáng)度指標(biāo)值以莫 爾強(qiáng)度包絡(luò)線（Mohrs strength envelop）的形式給出。 ?b.莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線的繪制：須對該巖石的56個(gè)試件做三軸壓縮試驗(yàn)， 每次試驗(yàn)的圍壓值不等，由小到大，得出每次試件破壞時(shí)的應(yīng)力莫爾 圓，通常也將單軸壓縮試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)破壞時(shí)的應(yīng)力莫爾圓，用于繪 制應(yīng)力莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線。如圖所示。 ?曲線形： ?直線形： 第38頁/共46頁 39 ?6) 三軸試驗(yàn)巖石強(qiáng)度參數(shù)的確定 ?a.直線形：軸的截距稱為巖石的粘結(jié)力（或稱 內(nèi)聚力），記為C（MPa），與軸的夾角稱為巖 石的內(nèi)摩擦角，記為（度）。 ?b.曲線形： ?一種方法是將包絡(luò)線和軸的截距定為C，將 包絡(luò)線與軸相

17、交點(diǎn)的包絡(luò)線外切線與軸夾角 定為內(nèi)摩擦角。 ?另一種方法建議根據(jù)實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)在莫爾包絡(luò) 線上找到相應(yīng)點(diǎn)，在該點(diǎn)作包絡(luò)線外切線，外切 線與軸夾角為內(nèi)摩擦角，外切線及其延長線與 軸相交之截距即為C。 實(shí)踐中采用第一種方法的人數(shù)多。 第39頁/共46頁 40 7).巖石三向壓縮強(qiáng)度的影響因素巖石三向壓縮強(qiáng)度的影響因素 （1）側(cè)壓力的影響 圍壓越大，軸向壓力越大 第40頁/共46頁 41 （2）孔隙水壓力對巖石三向壓縮強(qiáng)度的影響 孔隙水壓力使有效應(yīng)力（圍壓）減小 強(qiáng)度降低 無水 有水 第41頁/共46頁 42 五、影響巖石強(qiáng)度的因素：五、影響巖石強(qiáng)度的因素： 1、巖石的組織結(jié)構(gòu)礦物類別、顆粒大小、分布狀態(tài) 、膠結(jié)物； 2、巖石構(gòu)造裂隙延展規(guī)模、裂隙性質(zhì)、壁面強(qiáng)度 、充填物； 3、試件尺寸尺寸增大，強(qiáng)度降低； 4、含水含水量大，強(qiáng)度低； 5、加載速率速率增加，強(qiáng)度加大（變形不充分）； 6、受載狀態(tài)三等壓三不等雙壓單壓剪切 彎曲拉伸 第42頁/共46頁 43 六.破壞后強(qiáng)度 ?在普通試驗(yàn)機(jī)上，常規(guī)的測試手段得不到應(yīng)