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1、巖石力學(xué)性質(zhì)巖石強(qiáng)度分析 1.4 1.4 巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石的力學(xué)性質(zhì) 巖石力學(xué)性質(zhì)巖石強(qiáng)度分析 巖石的強(qiáng)度: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。 a. a.單向抗壓強(qiáng)度單向抗壓強(qiáng)度 b. b.單向抗拉強(qiáng)度單向抗拉強(qiáng)度 c. c.剪切強(qiáng)度剪切強(qiáng)度 d. d.三軸抗壓強(qiáng)度三軸抗壓強(qiáng)度 巖石的變形:巖石在外力作用下發(fā)生形態(tài)(形狀、體積) 變化。 a. a.單向壓縮變形單向壓縮變形 b. b.反復(fù)加載變形反復(fù)加載變形 c. c.三軸壓縮變形三軸壓縮變形 d. d.剪切變形剪切變形 巖石力學(xué)性質(zhì)巖石強(qiáng)度分析 l巖石強(qiáng)度與外力有關(guān) la.外力性質(zhì):動(dòng)載荷、靜載荷 lb.外力方式:拉伸
2、、壓縮、剪切 lC.應(yīng)力狀態(tài):?jiǎn)蜗?、雙向、三向 固有性質(zhì):凡是不受試件的形狀、尺寸、 采集地、采集人等影響而保持不變的特 征 巖石力學(xué)性質(zhì)巖石強(qiáng)度分析 l1.1 巖石單軸抗壓強(qiáng)度 l1)定義:巖石在單軸壓縮荷載作用下達(dá)到破壞前所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(chēng)為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度能承受的最大壓應(yīng)力稱(chēng)為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度 (Uniaxial compressive strength),或稱(chēng)為非限制性抗壓 強(qiáng)度(unconfined compressive strength)。如圖所示。 l2)計(jì)算公式: l c=P/A 巖石力學(xué)性質(zhì)巖石強(qiáng)度分析 l4)實(shí)驗(yàn)方法 la.
3、a.試件標(biāo)準(zhǔn)試件標(biāo)準(zhǔn) l立方體505050mm或 707070mm l圓柱體,但使用最廣泛的是圓柱體。圓柱體直徑D一 般不小于50mm。 L/D=2.53.0(國(guó)際巖石力學(xué)委員 會(huì)ISRM建議的 尺寸) l要求:兩端不平度0.5mm;尺寸誤差0.3mm;兩端 面垂直于軸線誤差0.25度。 l加載速率:0.50.8Pa/s 巖石力學(xué)性質(zhì)巖石強(qiáng)度分析 lc. c.壓縮實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖壓縮實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖(500t(500t壓力機(jī)壓力機(jī)) ) 巖石力學(xué)性質(zhì)巖石強(qiáng)度分析 3)4種破壞形式: 1.X狀共軛斜面剪切破壞,是最常見(jiàn)的破壞形式。 2.單斜面剪切破壞,這種破壞也是剪切破壞。 3.塑性流動(dòng)變形,線應(yīng)變
4、10。 4.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(lèi)型的破壞就 是橫向拉應(yīng)力超過(guò)巖石抗拉極限所引起的。 巖石力學(xué)性質(zhì)巖石強(qiáng)度分析 ld. d. 端部效應(yīng)及其消除方法端部效應(yīng)及其消除方法 l端部效應(yīng)端部效應(yīng): : l消除方法消除方法: : l 潤(rùn)滑試件端部(如墊云母片;涂黃油在端部) 加長(zhǎng)試件 巖石力學(xué)性質(zhì)巖石強(qiáng)度分析 lb. b.非標(biāo)準(zhǔn)試件的對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響及其修正非標(biāo)準(zhǔn)試件的對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響及其修正 巖石力學(xué)性質(zhì)巖石強(qiáng)度分析 巖石種類(lèi)單向抗壓強(qiáng)度單向抗拉強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度 砂巖類(lèi) 細(xì)砂巖103.91435.517.617.453.4 中砂巖85.7133.36
5、1413.336.5 粗砂巖56.8123.55.411.612.430.4 粉砂巖36.354.91.32.46.8611.5 礫巖類(lèi) 砂礫巖6.9121.52.89.7728.8 礫 巖80.494411.766.626.4 頁(yè)巖類(lèi) 砂質(zhì)頁(yè)巖39.290.23.911.820.629.9 頁(yè) 巖18.639.22.75.415.623.3 灰?guī)r類(lèi)石灰?guī)r52.9157.87.713.89.830.4 煤4.94924.91.0816.2 巖石力學(xué)性質(zhì)巖石強(qiáng)度分析 巖石力學(xué)性質(zhì)巖石強(qiáng)度分析 1.21.2巖石單軸抗拉強(qiáng)度巖石單軸抗拉強(qiáng)度 l1 1)定義:巖石在單軸拉伸荷載作用下達(dá)到破)定義:巖石
6、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)力壞時(shí)所能承受的最大拉應(yīng)力稱(chēng)為巖石的單軸抗 拉強(qiáng)度(Tensile strength) ,。 l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,巖石的拉伸破壞試驗(yàn)分直接試 驗(yàn)和間接試驗(yàn)兩類(lèi)。 巖石力學(xué)性質(zhì)巖石強(qiáng)度分析 l2) 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 巖石力學(xué)性質(zhì)巖石強(qiáng)度分析 l計(jì)算公式:計(jì)算公式:破壞時(shí)的最大 l軸向拉伸荷載(Pt)除以試件 l的橫截面積(A)。即: l t=Pt/A 巖石力學(xué)性質(zhì)巖石強(qiáng)度分析 l2) 2)直接拉伸試驗(yàn)加載和試件示意圖(續(xù))直接拉伸試驗(yàn)加載和試件示意圖(續(xù)) 巖石力學(xué)
7、性質(zhì)巖石強(qiáng)度分析 l3) 3)間接拉伸試驗(yàn)加載和試件示意圖間接拉伸試驗(yàn)加載和試件示意圖 l巴西試驗(yàn)法(巴西試驗(yàn)法(Brazilian testBrazilian test),俗稱(chēng)劈裂試驗(yàn)法。),俗稱(chēng)劈裂試驗(yàn)法。 la. a.試件試件: :為一巖石圓盤(pán),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(guò)圓盤(pán)直 徑的1/20。 巖石力學(xué)性質(zhì)巖石強(qiáng)度分析 lb. b.應(yīng)力分布:應(yīng)力分布:圓盤(pán)在壓應(yīng)力的作用下,沿圓盤(pán)直徑y(tǒng)y的應(yīng)力分布 和xx方向均為壓應(yīng)力。而離開(kāi)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(zhǎng)一段距離上呈
8、均勻分布狀態(tài)。 lc. c.破壞原因:破壞原因:從圖可以看出,雖然拉應(yīng)力的值比壓應(yīng)力值低很多, 但由于巖石的抗拉強(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(kāi)始,然后向兩 端發(fā)展,反映了巖石的抗拉強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度要低得多的事實(shí)。 巖石力學(xué)性質(zhì)巖石強(qiáng)度分析 ld. d.計(jì)算公式:計(jì)算公式: l t=x=-2P/ dt l y=(1/r1+1/r2-1/d)2P/ t l圓盤(pán)中心處: l t=x=-2P/ dt l y=6P/ d dt 巖石力學(xué)性質(zhì)巖石強(qiáng)度分析 巖石種類(lèi)單向抗壓強(qiáng)度單向抗拉強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度 砂巖類(lèi) 細(xì)砂巖103.91435.517.617.45
9、3.4 中砂巖85.7133.361413.336.5 粗砂巖56.8123.55.411.612.430.4 粉砂巖36.354.91.32.46.8611.5 礫巖類(lèi) 砂礫巖6.9121.52.89.7728.8 礫 巖80.494411.766.626.4 頁(yè)巖類(lèi) 砂質(zhì)頁(yè)巖39.290.23.911.820.629.9 頁(yè) 巖18.639.22.75.415.623.3 灰?guī)r類(lèi)石灰?guī)r52.9157.87.713.89.830.4 煤4.94924.91.0816.2 巖石力學(xué)性質(zhì)巖石強(qiáng)度分析 1.31.3抗剪切強(qiáng)度 l1) 1)定義定義: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)
10、力稱(chēng)為巖石的抗剪切強(qiáng)度(Shear strength)。 l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 test)和限制性剪切強(qiáng)度試 驗(yàn)(Confined shear strength test)二類(lèi)。 l非限制性剪切試驗(yàn)在剪切面上只有剪應(yīng)力存在,沒(méi)有 正應(yīng)力存在;限制性剪切試驗(yàn)在剪切面上除了存在剪 應(yīng)力外,還存在正應(yīng)力。 巖石力學(xué)性質(zhì)巖石強(qiáng)度分析 l2)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),分別見(jiàn)圖。 巖石力學(xué)性質(zhì)巖石強(qiáng)度分析 l3 3)非限制性剪切強(qiáng)度記為)非限制性剪切
11、強(qiáng)度記為S So o計(jì)算公式:計(jì)算公式: l(a)單面剪切試驗(yàn) So=Fc/A l(b)沖擊剪切試驗(yàn) So=Fc/2 ra l(c)雙面剪切試驗(yàn) So=Fc/2A l(d)扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn) So=16M c /D3 式中:Mc試件被剪斷前達(dá)到的最大扭矩 (Nm) l D試件直徑(m) 巖石力學(xué)性質(zhì)巖石強(qiáng)度分析 l4 4)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)度試驗(yàn) la.直剪儀(剪切盒)壓剪試驗(yàn)(單面剪) lb.立方體試件單面剪試驗(yàn) lc.試件端部受壓雙面剪試驗(yàn) ld.角模壓剪試驗(yàn)(變角剪切試驗(yàn)) 巖石力學(xué)性質(zhì)巖石強(qiáng)度分析 l5) Hoek5) Hoek直剪儀試驗(yàn)裝置直剪儀試驗(yàn)裝置
12、巖石力學(xué)性質(zhì)巖石強(qiáng)度分析 l6 6)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 l在壓力P的作用下,剪切面上可分解為沿剪切面的剪 力Psin/A和垂直剪切面的正應(yīng)力Pcos/A,如圖所示。 巖石力學(xué)性質(zhì)巖石強(qiáng)度分析 巖石力學(xué)性質(zhì)巖石強(qiáng)度分析 l7 7)限制性剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及其分析限制性剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及其分析 l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。 l原因:剪切破壞一要克服內(nèi)聚力,二要克服摩擦力,正應(yīng)力越大, 摩擦力也越大。 l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(lái)
13、就獲得了 莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線,如圖所示。 巖石力學(xué)性質(zhì)巖石強(qiáng)度分析 l殘余強(qiáng)度:殘余強(qiáng)度:當(dāng)剪切面上的剪應(yīng)力超過(guò)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。 l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。 巖石力學(xué)性質(zhì)巖石強(qiáng)度分析 巖石種類(lèi)單向抗壓強(qiáng)度單向抗拉強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度 砂巖類(lèi) 細(xì)砂巖103.91435.517.617.453.4 中砂巖85.7133.361413.336.5 粗砂巖56.8123.55.411.612.430.4 粉砂巖36.354
14、.91.32.46.8611.5 礫巖類(lèi) 砂礫巖6.9121.52.89.7728.8 礫 巖80.494411.766.626.4 頁(yè)巖類(lèi) 砂質(zhì)頁(yè)巖39.290.23.911.820.629.9 頁(yè) 巖18.639.22.75.415.623.3 灰?guī)r類(lèi)石灰?guī)r52.9157.87.713.89.830.4 煤4.94924.91.0816.2 巖石力學(xué)性質(zhì)巖石強(qiáng)度分析 1.4 1.4 三軸抗壓強(qiáng)度 l1) 1)定義定義:巖石在三向壓縮荷載作用下,達(dá)到破 壞時(shí)所能承受的最大壓應(yīng)力稱(chēng)為巖石的三軸抗 壓強(qiáng)度(Triaxial compressive strength)。 l與單軸壓縮試驗(yàn)相比,試件
15、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)。 巖石力學(xué)性質(zhì)巖石強(qiáng)度分析 l2) 2)實(shí)驗(yàn)加載方式實(shí)驗(yàn)加載方式: la. a. 真三軸加載真三軸加載: :試件為立方體,加載方式如圖所示。 l應(yīng)力狀態(tài):12 3 l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(duì)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)。 lb. b.假三軸試驗(yàn)假三軸試驗(yàn): :,試件為圓柱體,試件直徑25150mm,長(zhǎng)度與直徑 之比為2:1或3:1。加載方式如圖所示,軸向
16、壓力的加載方式與 單軸壓縮試驗(yàn)時(shí)相同。 l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。 l應(yīng)力狀態(tài): 12=3 巖石力學(xué)性質(zhì)巖石強(qiáng)度分析 l三軸壓縮試驗(yàn)加載示意圖三軸壓縮試驗(yàn)加載示意圖 l真三軸 l12 3 l假三軸 l12=3 巖石力學(xué)性質(zhì)巖石強(qiáng)度分析 l3) 3)假三軸試驗(yàn)裝置圖假三軸試驗(yàn)裝置圖: l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。 巖石力學(xué)性質(zhì)巖石強(qiáng)度分析 l4) 4)第一個(gè)經(jīng)典三軸試驗(yàn)第一個(gè)經(jīng)典三軸試驗(yàn) la. a.試驗(yàn)者和時(shí)間:試驗(yàn)者和時(shí)間:意大利人馮卡門(mén)(VonKarman)于 1911年完成的。 lb. b.試驗(yàn)巖石: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。 lc. c.試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):試驗(yàn)發(fā)現(xiàn): l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。 l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。 l在試驗(yàn)開(kāi)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)容擴(kuò)容,泊松比迅速增大。 巖石力學(xué)性質(zhì)巖石強(qiáng)度分析 l5) 5) 三軸試驗(yàn)與莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線三軸
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