第3章 巖石力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

1、Hohai UniversityHohai University 巖石力學(xué) (Rock Mechanics) 巖土工程科學(xué)研究所巖土工程科學(xué)研究所 孔綱強(qiáng)孔綱強(qiáng) 2011年12月 巖石強(qiáng)度理論（了解）巖石強(qiáng)度理論（了解） 主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容 第章 巖石的力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn) Hohai UniversityHohai University 巖石單軸壓縮變形試驗(yàn)（重點(diǎn)）巖石單軸壓縮變形試驗(yàn)（重點(diǎn)） 巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)（重點(diǎn)）巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)（重點(diǎn)） 巖石三軸壓縮試驗(yàn)（重點(diǎn)）巖石三軸壓縮試驗(yàn)（重點(diǎn)） 巖石抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)（重點(diǎn)）巖石抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)（重點(diǎn)） 巖石直剪試驗(yàn)（重點(diǎn)）巖石直剪試驗(yàn)（重點(diǎn)） 巖石

2、抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)（重點(diǎn)）巖石抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)（重點(diǎn)） 巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)（重點(diǎn)）巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)（重點(diǎn)） 巖石斷裂韌度試驗(yàn)（重點(diǎn)）巖石斷裂韌度試驗(yàn)（重點(diǎn)） Hohai UniversityHohai University 常用的巖石強(qiáng)度理論主要有庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則、莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)常用的巖石強(qiáng)度理論主要有庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則、莫爾強(qiáng)度準(zhǔn) 則、格里菲斯強(qiáng)度理論等。則、格里菲斯強(qiáng)度理論等。 1 1、庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則。庫侖認(rèn)為巖石的破壞主要是剪切破壞、庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則。庫侖認(rèn)為巖石的破壞主要是剪切破壞, , 采用式（采用式（3-13-1）表示）表示: : tanc （3-1） 2 2、莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則。莫爾把庫侖準(zhǔn)則推廣到三向應(yīng)力狀態(tài)，

3、、莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則。莫爾把庫侖準(zhǔn)則推廣到三向應(yīng)力狀態(tài)， 認(rèn)識到材料性質(zhì)本身是應(yīng)力的函數(shù)，用函數(shù)關(guān)系認(rèn)識到材料性質(zhì)本身是應(yīng)力的函數(shù)，用函數(shù)關(guān)系( )f 表示，破壞條件可以從莫爾包絡(luò)線得到，見圖表示，破壞條件可以從莫爾包絡(luò)線得到，見圖3-13-1。 Hohai UniversityHohai University 3 3、格里菲斯強(qiáng)度理論。格里菲斯提出脆性材料斷裂起因、格里菲斯強(qiáng)度理論。格里菲斯提出脆性材料斷裂起因 是分布在材料中的微小裂紋尖端拉應(yīng)力集中所致，建立了是分布在材料中的微小裂紋尖端拉應(yīng)力集中所致，建立了 確定斷裂擴(kuò)展的能量不穩(wěn)定原理。確定斷裂擴(kuò)展的能量不穩(wěn)定原理。 當(dāng)作用力的勢能始終保持不

4、變時，裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則為：當(dāng)作用力的勢能始終保持不變時，裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則為： ()0 dc WW c （3-2） Hohai UniversityHohai University 雙向壓縮應(yīng)力條件下（見圖雙向壓縮應(yīng)力條件下（見圖3-23-2），在不考慮摩擦對閉），在不考慮摩擦對閉 合裂紋的影響并假定橢圓形裂紋將從最大拉應(yīng)力集中點(diǎn)開合裂紋的影響并假定橢圓形裂紋將從最大拉應(yīng)力集中點(diǎn)開 始擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則為：始擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則為： （3-3） 2Ea C 2 13 113 13 8 （-） （+30） 3113 （+30） 當(dāng)單位厚度內(nèi)存在初始長度為當(dāng)單位厚度內(nèi)存在初始長度為 的橢圓形裂紋時，在的橢圓形

5、裂紋時，在 拉伸應(yīng)力作用下裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則為：拉伸應(yīng)力作用下裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則為： （3-4） （3-5） 2C Hohai UniversityHohai University 第一節(jié)第一節(jié) 巖石單軸壓縮變形試驗(yàn)巖石單軸壓縮變形試驗(yàn) Hohai UniversityHohai University 巖石具有與金屬類彈性材料不同的獨(dú)特的變形特巖石具有與金屬類彈性材料不同的獨(dú)特的變形特 性，這種變形特性用變形模量、彈性模量和泊松比等性，這種變形特性用變形模量、彈性模量和泊松比等 參數(shù)表示。參數(shù)表示。 常見巖石的變形模量和泊松比見表常見巖石的變形模量和泊松比見表3-1。 巖塊變形參數(shù)主要采用巖塊單軸壓縮變形

6、試驗(yàn)方巖塊變形參數(shù)主要采用巖塊單軸壓縮變形試驗(yàn)方 法取得。巖石應(yīng)力法取得。巖石應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線（見圖應(yīng)變?nèi)^程曲線（見圖3-3，圖，圖 3-4）是研究本構(gòu)模型的依據(jù)，需要在剛性伺服試驗(yàn)）是研究本構(gòu)模型的依據(jù)，需要在剛性伺服試驗(yàn) 機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)獲得。機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)獲得。 Hohai UniversityHohai University Hohai UniversityHohai University 巖石單軸壓縮試驗(yàn)受多因素的影響巖石單軸壓縮試驗(yàn)受多因素的影響：（：（1）加載速）加載速 率；（率；（2）試件尺寸（高徑比，規(guī)定）試件尺寸（高徑比，規(guī)定2：1）（見表）（見表3- 2）等。）等。 Hoh

7、ai UniversityHohai University 第二節(jié)第二節(jié) 巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn) Hohai UniversityHohai University 巖石單軸抗壓強(qiáng)度是巖石試件在無側(cè)巖石單軸抗壓強(qiáng)度是巖石試件在無側(cè) 限條件下受軸向作用破壞時單位面積限條件下受軸向作用破壞時單位面積 所承受的載荷。所承受的載荷。 某些巖石的干抗壓強(qiáng)度、飽和抗壓強(qiáng)度及軟化系某些巖石的干抗壓強(qiáng)度、飽和抗壓強(qiáng)度及軟化系 數(shù)見表數(shù)見表3-3。 影響巖石抗壓強(qiáng)度技術(shù)方面的因素較多，有加載影響巖石抗壓強(qiáng)度技術(shù)方面的因素較多，有加載 速率、試件尺寸、試件形態(tài)、試件高徑比等。表速率、試件尺寸、試件

8、形態(tài)、試件高徑比等。表3- 43-7是試件尺寸對巖石抗壓強(qiáng)度的影響。是試件尺寸對巖石抗壓強(qiáng)度的影響。 Hohai UniversityHohai University Hohai UniversityHohai University Hohai UniversityHohai University 第三節(jié)第三節(jié) 巖石三軸壓縮試驗(yàn)巖石三軸壓縮試驗(yàn) Hohai UniversityHohai University 巖石三軸抗壓試驗(yàn)是指巖石試件在三向應(yīng)力狀態(tài)巖石三軸抗壓試驗(yàn)是指巖石試件在三向應(yīng)力狀態(tài) 下受軸向力作用破壞時單位面積所承受的載荷。其試下受軸向力作用破壞時單位面積所承受的載荷。其試 驗(yàn)儀器

9、見圖驗(yàn)儀器見圖3-6。 Hohai UniversityHohai University 根據(jù)巖石三軸試驗(yàn)成果，可以確定巖石三軸抗剪根據(jù)巖石三軸試驗(yàn)成果，可以確定巖石三軸抗剪 強(qiáng)度參數(shù)。見式強(qiáng)度參數(shù)。見式3-6和和3-7。 1 2 F f F （3-6） 2 R c F （3-7） Hohai UniversityHohai University 巖石三軸試驗(yàn)根據(jù)側(cè)向壓力加載方式分為真三軸巖石三軸試驗(yàn)根據(jù)側(cè)向壓力加載方式分為真三軸 （ ）和假三軸（）和假三軸（ ）加載兩）加載兩 種。種。 123 123 影響三軸壓縮試驗(yàn)成果的主要影響因素有：影響三軸壓縮試驗(yàn)成果的主要影響因素有： 1、巖石試件

10、的防油處理；、巖石試件的防油處理； 2、加載速率的選擇；、加載速率的選擇； 3、側(cè)壓力的側(cè)壓力的效應(yīng)；、側(cè)壓力的側(cè)壓力的效應(yīng)； 第四節(jié)第四節(jié) 巖石抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)巖石抗拉強(qiáng)度試驗(yàn) Hohai UniversityHohai University 巖石抗拉強(qiáng)度是指巖石試件在外力作用下抵抗拉巖石抗拉強(qiáng)度是指巖石試件在外力作用下抵抗拉 應(yīng)力的能力，為巖石試件拉伸破壞時的極限載荷與受應(yīng)力的能力，為巖石試件拉伸破壞時的極限載荷與受 拉截面積的比值。拉截面積的比值。 巖石抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)方法很多，分為軸向拉伸法、巖石抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)方法很多，分為軸向拉伸法、 劈裂法、彎曲試驗(yàn)法和圓柱體或球體的徑向壓裂法等。劈裂法

11、、彎曲試驗(yàn)法和圓柱體或球體的徑向壓裂法等。 其中劈裂法，由于操作簡單且用而被廣泛采用。圖其中劈裂法，由于操作簡單且用而被廣泛采用。圖3- 7為劈裂破壞形式，其抗拉強(qiáng)度按式（為劈裂破壞形式，其抗拉強(qiáng)度按式（3-8）計(jì)算。）計(jì)算。 2 t P DH （3-8） Hohai UniversityHohai University 試件尺寸及墊條材料和尺寸對抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)的影試件尺寸及墊條材料和尺寸對抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)的影 響比較明顯，見表響比較明顯，見表3-133-16。 Hohai UniversityHohai University Hohai UniversityHohai University 第五節(jié)

12、第五節(jié) 巖石直剪試驗(yàn)巖石直剪試驗(yàn) Hohai UniversityHohai University 巖石抗剪強(qiáng)度是指巖石在剪切載荷作用下破壞時巖石抗剪強(qiáng)度是指巖石在剪切載荷作用下破壞時 所能承受的最大剪應(yīng)力，按試驗(yàn)方法的不同分為巖石所能承受的最大剪應(yīng)力，按試驗(yàn)方法的不同分為巖石 直剪強(qiáng)度和巖石三軸抗剪強(qiáng)度。直剪強(qiáng)度和巖石三軸抗剪強(qiáng)度。 關(guān)于試件破壞剪斷破壞的判斷標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于試件破壞剪斷破壞的判斷標(biāo)準(zhǔn)。 （1）剪切載荷加不上或無法穩(wěn)定；）剪切載荷加不上或無法穩(wěn)定； （2）剪切位移明顯變大，在剪應(yīng)力）剪切位移明顯變大，在剪應(yīng)力 （3）剪切位移增大，在剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線）剪切位移增大，在剪應(yīng)力與

13、剪切位移關(guān)系曲線 上未出現(xiàn)明顯的突變段，但總剪切位移已達(dá)到試件連上未出現(xiàn)明顯的突變段，但總剪切位移已達(dá)到試件連 長的長的10。 與剪切位移與剪切位移 關(guān)系曲線上出現(xiàn)明顯的突變段；關(guān)系曲線上出現(xiàn)明顯的突變段； u 第六節(jié)第六節(jié) 巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn) Hohai UniversityHohai University 巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)在點(diǎn)荷載儀上進(jìn)行（試驗(yàn)裝巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)在點(diǎn)荷載儀上進(jìn)行（試驗(yàn)裝 置見圖置見圖3-9），將巖石試件置于上下），將巖石試件置于上下2個球端圓錐之間，個球端圓錐之間， 對其施加集中荷載，直至試件破壞，測定其點(diǎn)荷載強(qiáng)對其施加集中荷載，直至試件破壞，測定其點(diǎn)

14、荷載強(qiáng) 度指數(shù)。度指數(shù)。 試件形態(tài)及尺寸是影響點(diǎn)荷載試驗(yàn)成果試件形態(tài)及尺寸是影響點(diǎn)荷載試驗(yàn)成果 另外，試件含水狀態(tài)對測試成果的影響另外，試件含水狀態(tài)對測試成果的影響 最關(guān)鍵的因素，因此須進(jìn)行修正。最關(guān)鍵的因素，因此須進(jìn)行修正。 尤為明顯。尤為明顯。 第七節(jié)第七節(jié) 巖石斷裂韌度試驗(yàn)巖石斷裂韌度試驗(yàn) Hohai UniversityHohai University 巖石的斷裂韌度是表征巖石材料阻止裂縫擴(kuò)展的巖石的斷裂韌度是表征巖石材料阻止裂縫擴(kuò)展的 能力，是巖石抵抗斷裂的力學(xué)指標(biāo)，用能力，是巖石抵抗斷裂的力學(xué)指標(biāo)，用 表示。表示。 影響斷裂韌度試驗(yàn)成果的因素有試件的各向異性、影響斷裂韌度試驗(yàn)成果的

15、因素有試件的各向異性、 試件的尺寸、試件的含水狀態(tài)、加載速率以及切口形試件的尺寸、試件的含水狀態(tài)、加載速率以及切口形 式等。式等。 IC K 夾式引伸計(jì)包括夾式引伸計(jì)包括2要懸臂梁和要懸臂梁和1塊隔離塊，電阻應(yīng)塊隔離塊，電阻應(yīng) 變片貼在每根懸臂梁的拉伸面和壓縮面，聯(lián)接成包括變片貼在每根懸臂梁的拉伸面和壓縮面，聯(lián)接成包括 一個合適的平衡電阻的惠斯頓電橋（見圖一個合適的平衡電阻的惠斯頓電橋（見圖3-12），梁），梁 和隔離塊尺寸見圖和隔離塊尺寸見圖3-13。 Hohai UniversityHohai University Hohai UniversityHohai University Hohai UniversityHohai University 為了使夾式引伸計(jì)能方便地安裝在試件上，應(yīng)加為了使夾式引伸計(jì)能方便