巖石力學(xué)性質(zhì)巖石強(qiáng)度分析

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