巖石的強(qiáng)度特性（64頁清楚明了）

1、巖 石 力 學(xué)巖石的強(qiáng)度特性主 要 內(nèi) 容第一節(jié) 概述第二節(jié) 巖石的強(qiáng)度特性第三節(jié) 巖石的強(qiáng)度準(zhǔn)則第一節(jié) 概述巖石的力學(xué)性質(zhì)包含兩個(gè)方面的含義：巖石的強(qiáng)度特征和變形特征。 巖石的強(qiáng)度特征反映巖石抵抗破壞的能力和破壞規(guī)律。 巖石的變形特征反映巖石的力學(xué)屬性。彈塑性力學(xué)基礎(chǔ)彈塑性力學(xué)是固體力學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科。彈塑性力學(xué)中的基本假設(shè)： 假設(shè)固體材料為連續(xù)介質(zhì) 假設(shè)物體為均勻各向同性 物體的變形屬于小變形 物體原來處于一種無應(yīng)力的自然狀態(tài)應(yīng)力與應(yīng)變的概念力：物體之間的相互作用，引起變形或加速度。應(yīng)力：假想物體被任一平面分成兩部分，從平面中取出一微小面積元素Sc，上面受到內(nèi)力p，則應(yīng)力定義為p/Sc趨于

2、一定的極限。應(yīng)變：物體內(nèi)任一點(diǎn)受到力的作用后產(chǎn)生的相對變形。123一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)物質(zhì)的力學(xué)本構(gòu)關(guān)系 本構(gòu)關(guān)系：反映材料特定性質(zhì)的數(shù)學(xué)模型。 廣義胡克定律：巖石的破壞形式在外載作用下，當(dāng)巖石內(nèi)部的應(yīng)力達(dá)到或超過某一極限時(shí)，巖石就發(fā)生破壞。巖石破壞的主要形式：脆性破壞延性破壞拉伸破壞剪切破壞脆性破壞：巖石在荷載作用下沒有顯著覺察的變形就突然破壞。* 大多數(shù)堅(jiān)硬巖石在一定條件下都表現(xiàn)出脆性破壞的性質(zhì)。* 產(chǎn)生這種破壞的原因可能是巖石中裂隙發(fā)生和發(fā)展的結(jié)果。例如，地下洞室開挖后，由于洞室周圍的應(yīng)力顯著增大，洞室?guī)r可能產(chǎn)生許多裂隙，尤其是洞頂?shù)膹埩严?，這些都是脆性破壞的結(jié)果。脆性破壞延性破壞：巖石在破壞

3、之前變形很大，且沒有明顯的破壞荷載，表現(xiàn)出顯著的塑性變形，流動(dòng)或擠出，這種破壞稱為延性或韌性破壞。塑性變形是巖石內(nèi)結(jié)晶晶格結(jié)位的結(jié)果。在一些軟弱巖石中這種破壞較為明顯。有些洞室的底部巖石隆起，兩側(cè)圍巖向洞內(nèi)膨脹都屬延性破壞的例子。堅(jiān)硬巖石一般屬于脆性破壞，但在兩向或三向受力較大的情況下，或者在高溫的影響下，也可能延性破壞。延性破壞巖體破壞的主要形式是弱面剪切破壞弱面剪切破壞：巖體中存在著許多軟弱結(jié)構(gòu)面，細(xì)微裂隙等弱面，在荷載作用下，弱面上的剪應(yīng)力一旦超過弱面的抗剪強(qiáng)度時(shí)，巖體將弱面剪切破壞，致使巖體產(chǎn)生滑移。如節(jié)理巖體中的地下洞室頂部巖塊崩塌，洞側(cè)巖石的滑動(dòng)，以及巖坡沿軟弱面的失穩(wěn)等，都屬于弱

4、面剪切破壞。巖體的破壞巖石在破壞前后的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系比金屬材料復(fù)雜得多，巖石究竟屬于脆性材料還是屬于塑性材料，這不僅取決于巖石性質(zhì)，且受應(yīng)力狀態(tài)，地溫，受荷時(shí)間等多種因素的影響。巖石的破壞形式第二節(jié) 巖石的強(qiáng)度特性巖石強(qiáng)度：巖石的強(qiáng)度是指荷載作用下巖石的抵抗破壞的能力。為了研究巖石的強(qiáng)度特征，經(jīng)常將巖石制備成試件在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)，依據(jù)試樣應(yīng)力狀態(tài)的不同分為：巖石單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)等。試驗(yàn)時(shí)將巖樣制備成標(biāo)準(zhǔn)試件然后按相應(yīng)的試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行試驗(yàn)。1. 巖石的抗壓強(qiáng)度1)巖石抗壓強(qiáng)度的定義 巖石的抗壓強(qiáng)度是巖石試件在壓力作用下抵抗破壞的極限能力，極限強(qiáng)度在數(shù)值上等于破壞時(shí)的最大

5、壓應(yīng)力。2)測定巖石抗壓強(qiáng)度的意義 衡量巖塊基本力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo) 建立巖石破壞判據(jù)的重要指標(biāo) 用來大致估算其他強(qiáng)度參數(shù) 圓柱形試件：4.85.2cm ，高H=（22.5) 長方體試件：邊長L= 4.85.2cm , 高H=（22.5)L 試件兩端不平度0.5mm；尺寸誤差0.3mm; 兩端面垂直于軸線0.25o2）巖樣標(biāo)準(zhǔn)1）計(jì)算方法P軸向破壞荷載A試件界面積式中：巖石抗壓強(qiáng)度測定實(shí)驗(yàn)設(shè)備MTS三軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備2) 實(shí)驗(yàn)條件方面的因素 試樣的的幾何形狀及加工精度； 加載速率； 端面條件-端面效應(yīng)； 層理結(jié)構(gòu)-取心方式3) 環(huán)境的影響溫度和濕度的影響1) 巖石自身性質(zhì)的因素 巖石自身的性質(zhì)

6、（礦物組成、顆粒大小及形狀、粒間連接、結(jié)構(gòu)特征、微結(jié)構(gòu)面、風(fēng)化程度）對其抗壓強(qiáng)度起決定作用巖石抗壓強(qiáng)度的影響因素巖石自身性質(zhì)的因素巖 石 種 類抗 壓 強(qiáng) 度(MPa)巖 石 種 類抗 壓 強(qiáng) 度(MPa)粗玄巖196343石英片巖69178輝長巖177294云母片巖59127閃長巖177294凝灰?guī)r59167玄武巖147294千枚巖49196石英巖147294片麻巖49196花崗巖98245石灰?guī)r29245流紋斑巖98245砂 巖19.6196大理巖98245泥灰?guī)r1298板 巖98196頁 巖9.898白云巖78245煤4.949層理結(jié)構(gòu)：強(qiáng)度各向異性巖石抗壓強(qiáng)度的影響因素試驗(yàn)條件對巖石抗

7、壓強(qiáng)度的影響 試樣幾何形狀及加工精度的影響 多邊形試樣易引起應(yīng)力集中，故易破壞；橫截面形狀對強(qiáng)度的影響：圓形六多邊形四邊形三邊形試件；加工精度影響應(yīng)力分布形式，如彎矩。 巖石具有尺寸效應(yīng)：試樣尺寸越大，巖石強(qiáng)度越低 圓形試件的優(yōu)點(diǎn)：不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，好加工；對圓柱試件的尺寸要求：大于礦物顆粒的10倍；高徑比：h/d(23)較合理，尺寸效應(yīng)其抗壓強(qiáng)度影響的經(jīng)驗(yàn)公式： 加載速率對抗壓強(qiáng)度的影響：加載速度越大，表現(xiàn)強(qiáng)度越高，我國規(guī)定加載速度為0.5-1.0MPa/s試驗(yàn)條件對巖石抗壓強(qiáng)度的影響 端面條件：主要是端面摩擦力限制試樣的橫向膨脹,改變端部應(yīng)力狀態(tài)。試驗(yàn)條件對巖石抗壓強(qiáng)度的影響環(huán)境對抗壓強(qiáng)度

8、的影響含水量：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。注意：巖心的保存盡可能的維持井下狀況。1.定義： 巖石的抗拉強(qiáng)度就是巖石試件在單軸拉力作用下抵抗破壞的極限能力或極限強(qiáng)度在數(shù)值上等于破壞時(shí)的最大拉應(yīng)力。巖石的抗拉強(qiáng)度比其抗壓強(qiáng)度低得多。2.意義： a）衡量巖體力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo) b）用來建立巖石強(qiáng)度判據(jù)，確定強(qiáng)度包絡(luò)線 c）選擇建筑石材不可缺少的參數(shù)3.測定方法： a）直接拉伸 b）間接法（劈裂法、點(diǎn)荷載法、三點(diǎn)彎曲法） 2. 巖石的抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)時(shí)將這種試件兩端固定在拉力機(jī)上，然后對試樣施

9、加軸向拉力，直至試件破壞，試件的抗拉強(qiáng)度為：缺點(diǎn)：試樣制備困難，它不易與拉力機(jī)固定，且在試樣斷裂處附近往往有應(yīng)力集中，同時(shí)難免在試件兩端面有彎矩。關(guān)鍵技術(shù)：試件和夾具之間的連接；加力P與試件同心抗拉強(qiáng)度的直接實(shí)驗(yàn)法抗拉強(qiáng)度的劈裂實(shí)驗(yàn)法（巴西實(shí)驗(yàn)）由巴西人Hondros提出試件：實(shí)心圓柱50mm；厚度l=(0.5-1)D試驗(yàn)：徑向壓縮破壞（張開）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)力巴西實(shí)驗(yàn)試件內(nèi)應(yīng)力分布計(jì)算公式：由彈性力學(xué)公式式中：t試件中心的最大拉應(yīng)力，抗拉強(qiáng)度p 實(shí)驗(yàn)中破壞時(shí)的壓力D 試件的直徑t 試件的厚度巴西實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理是上世紀(jì)發(fā)展起來的一

10、種簡便的現(xiàn)場試驗(yàn)方法。試件：任何形狀，尺寸大致5cm，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。點(diǎn)載荷強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式： 式中：P 試件破壞時(shí)的極限力 D 加載點(diǎn)試件的厚度統(tǒng)計(jì)公式：要求:（由于離散性大），每組15個(gè)，取均值，即建議：用5cm的鉆孔巖芯為試件。巖石中包含有大量的微裂隙和孔隙，巖塊抗拉強(qiáng)度受其影響很大，直接削弱了巖塊的抗拉強(qiáng)度。相對而言，空隙對巖塊抗壓強(qiáng)度的影響就小得多，因此，巖塊的抗拉強(qiáng)度一般遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度。通常把抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值稱為脆性度，用以表征巖石的脆性程度。 微裂隙對抗拉強(qiáng)度的影響常見巖石的抗拉強(qiáng)度 巖石名稱抗拉強(qiáng)度（MPa）巖石名稱抗拉強(qiáng)度

11、（MPa）巖石名稱抗拉強(qiáng)度（MPa）輝長巖1536花崗巖725頁巖210輝綠巖1535流紋巖1530砂巖425玄武巖1030閃長巖1025礫巖215石英巖1030安山巖1020灰?guī)r520大理巖720片麻巖520千枚巖、片巖110白云巖1525板巖7153. 巖石的剪切強(qiáng)度1)定義：在剪切荷載作用下，巖塊抵抗剪切破壞的最大剪應(yīng)力，稱為剪切強(qiáng)度。2)類型：抗剪斷強(qiáng)度：指試件在一定的法向應(yīng)力作用下，沿預(yù)定剪切面剪斷時(shí)的最大剪應(yīng)力抗切強(qiáng)度：指試件上的法向應(yīng)力為零時(shí)，沿預(yù)定剪切面剪斷時(shí)的最大剪應(yīng)力摩擦強(qiáng)度：指試件在一定的法向應(yīng)力作用下，沿已有破裂面（層面、節(jié)理等）再次剪切破壞時(shí)的 最大剪應(yīng)力。抗剪實(shí)驗(yàn)的

12、三種類型剪切強(qiáng)度的意義： 反映巖塊的力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo) 用來估算巖石力學(xué)參數(shù)及建立強(qiáng)度判據(jù) 抗剪斷強(qiáng)度的測試方法： 1）直剪試驗(yàn) 2）變角板剪切試驗(yàn) 3）三軸試驗(yàn) 剪切強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)的意義與測試方法直剪試驗(yàn)在直剪儀上進(jìn)行，按庫侖定律求巖塊的剪切強(qiáng)度參數(shù)C、值。直剪試驗(yàn)P壓力機(jī)的總壓力A破壞面面積試件傾角f圓柱形滾子與上下壓板的摩擦系數(shù)楔形剪切儀試驗(yàn)設(shè)備破壞面應(yīng)力計(jì)算：楔形剪切試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理抗剪斷實(shí)驗(yàn)抗剪實(shí)驗(yàn)4 三軸壓縮強(qiáng)度定義：試件在三向壓應(yīng)力作用下能抵抗的最大軸向應(yīng)力測定方法:在一定的圍壓3下，對試件進(jìn)行三軸試驗(yàn)時(shí)，巖塊的三軸壓縮強(qiáng)度1m(MPa)為：圍壓對變形破壞的影響巖石破壞前應(yīng)變峰值強(qiáng)度隨

13、3增大而增大隨3增大巖石變形模量增大，軟巖增大明顯，致密的硬巖增大不明顯隨3增大，巖石的塑性不斷增大，隨3增大到一定值時(shí)，巖石由彈脆性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄?。這時(shí)，3的大小稱為“轉(zhuǎn)化壓力” 。隨3的增大，巖塊從脆性劈裂破壞逐漸向塑性剪切及塑性流動(dòng)破壞方式過渡。圍壓對變形破壞的影響圍壓對變形破壞的影響達(dá)到破壞時(shí)的應(yīng)變(%) 10破壞形式脆性破壞脆性破壞過渡破壞延性破壞延性破壞試件破壞情況應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本類型破壞機(jī)制張破裂以張為主的破裂剪破裂剪切流動(dòng)破裂塑性流動(dòng)圍壓對變形破壞的影響脆性巖石受到的圍壓升高利用三軸實(shí)驗(yàn)確定抗剪強(qiáng)度 根據(jù)一組試件(4個(gè)以上)實(shí)驗(yàn)得到的三軸壓縮強(qiáng)度1m和相應(yīng)的3以及單軸抗拉強(qiáng)度t。

14、在-坐標(biāo)系中可繪制出巖塊的強(qiáng)度包絡(luò)線。除頂點(diǎn)外，包絡(luò)線上所有點(diǎn)的切線與軸的夾角及其在軸上的截距分別代表相應(yīng)破壞面的內(nèi)摩擦角()和粘聚力(C)。 第三節(jié) 巖石的強(qiáng)度準(zhǔn)則定義：表征巖石破壞條件的應(yīng)力狀態(tài)與巖石強(qiáng)度參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系，稱為破壞判據(jù)（failure criterion)或稱強(qiáng)度準(zhǔn)則、強(qiáng)度判據(jù)。 1=F(2,3,C,t,C, )莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則莫爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則八面體強(qiáng)度準(zhǔn)則德魯克-普拉格強(qiáng)度準(zhǔn)則格里菲斯強(qiáng)度準(zhǔn)則Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則弱面破壞準(zhǔn)則巖石的強(qiáng)度準(zhǔn)則莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則莫爾認(rèn)為：材料在極限狀態(tài)下，剪切面上的剪應(yīng)力就達(dá)到了隨法向應(yīng)力和材料性質(zhì)而定的極限值時(shí)，發(fā)生破壞。也就是說，當(dāng)材料中一

15、點(diǎn)可能滑動(dòng)面上的剪應(yīng)力超過該面上的剪切強(qiáng)度時(shí)，該點(diǎn)就產(chǎn)生破壞，而滑動(dòng)面的剪切強(qiáng)度又是作用于該面上法向應(yīng)力的函數(shù)。判斷巖石中一點(diǎn)是否會(huì)發(fā)生剪切破壞時(shí)，可在莫爾包絡(luò)線上，疊加上反映實(shí)際研究點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)的莫爾應(yīng)力圓，如果應(yīng)力圓與包絡(luò)線相切或相割，則研究點(diǎn)將產(chǎn)生破壞；如果應(yīng)力圓位于包絡(luò)線下方，則不會(huì)產(chǎn)生破壞。莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則莫爾應(yīng)力圓1122莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則 - 拋物線型適用于較軟弱的巖石，如泥灰?guī)r、砂巖、泥頁巖等巖石。 莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則 雙曲線型適用于砂巖、灰?guī)r、花崗巖等堅(jiān)硬、較堅(jiān)硬巖石。莫爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則大部分巖石工作者認(rèn)為，當(dāng)壓力不大時(shí)(例如當(dāng)?shù)闹敌∮?0MPa時(shí))，可在實(shí)際應(yīng)用上采用直線。為了簡化運(yùn)算，巖石力學(xué)中大多數(shù)采用直線形的包絡(luò)線，也就是說，巖石的強(qiáng)度條件可用庫侖方程表示：莫爾-庫侖準(zhǔn)則的主應(yīng)力表示方法當(dāng)sig3=0時(shí)：當(dāng)sig1=0時(shí)：破壞面法線與最大主應(yīng)力的夾角八面體強(qiáng)度準(zhǔn)則當(dāng)八面體剪應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)材料發(fā)生破壞。在材料力學(xué)中又稱為米澤斯屈服條件。德魯克-普拉格強(qiáng)度準(zhǔn)則莫爾-庫侖準(zhǔn)則忽略了中間主應(yīng)力的影響，事實(shí)上，中間主應(yīng)力對巖石強(qiáng)度具有影響。Drucker-Prager準(zhǔn)則考慮了中間主應(yīng)力：其中：Drucker-Prager準(zhǔn)則在巖石力學(xué)彈塑性有限元計(jì)算中應(yīng)用較為廣泛。格里菲斯強(qiáng)度準(zhǔn)則格里菲斯強(qiáng)度理論針對具有細(xì)微裂隙的脆性材料。當(dāng)巖石中微裂隙的方向與應(yīng)力方向成一定角度時(shí)，即使