單軸抗壓強度.ppt

1、第四節(jié) 巖石的力學性質(zhì),一、巖石的強度 巖石在各種荷載作用下達到破壞時所能承受的最大應力稱巖石的強度（strength of rock）。,1、巖石強度試驗的基本要求,巖石的固有性質(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地特征，如巖石地顏色，密度等都是巖石地固有性質(zhì)。,用試驗來確定各種巖石強度指標值地影響因素,試件尺寸 試件形狀 試件三維尺寸比例 加載速率 濕度,2、單軸抗壓強度,巖石在單軸壓縮荷載作用下達到破壞前所能承受的最大壓應力稱為巖石的單軸抗壓強度（uniaxial compressive strength），或稱為非限制性抗壓強度（unconfined compress

2、ive strength）。 國際上通常把單軸抗壓強度表示為UCS，我國習慣于將單軸抗壓強度表示為 ，其值等于達到破壞時的最大軸向壓力P除以試件的橫截面積A，即 （114）,試件在單軸壓縮荷載作用下破壞時，在測件中可產(chǎn)生三種破壞形式：,（1）X狀共扼斜面剪切破壞 （2）單斜面剪切破壞 （3）拉伸破壞,試件形狀可以時立方體（50mm 50mm 50mm或70mm 70mm 70mm），也可以是圓柱體，但使用最廣泛的是圓柱體，圓柱體直徑一般小于50mm，圓柱體試件長度與直徑之比（ ）對試驗結(jié)果有很大影響。以 表示實際的巖石單軸抗壓強度，以 表示試驗所測得的巖石單軸抗壓強度，用公式表示為，即 （11

3、5）,3）3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，在軸向壓應力作用下，在橫向?qū)a(chǎn)生拉應力。這是泊松效應的結(jié)果。這種類型的破壞就是橫向拉應力超過巖石抗拉極限所引起的。,3、三軸抗壓強度,點荷載強度指標（point load strength index）是一種最簡單的巖石強度試驗，其試驗所獲得的強度指標可用做巖石分級的一個指標，有時可代替單軸抗壓強度。,4、點荷載強度指標,巖石在三向壓縮荷載作用下，達到破壞時所能承受的最大壓力稱為巖石的三軸抗壓強度（triaxial compressive strength）或限制

4、抗壓強度（confined compressive strength）。,點荷載試驗所獲得的強度指標用 （index of strength），其值等于， （116）,ISRM將直徑為50mm的圓柱體試件徑向加載試驗的強度指標值 （50）確定為標準試驗值，其他尺寸試件的試驗結(jié)果需要公式（117）進行修正。,（117） （當D55mm時）（118） （當D55mm時） （119）,進行現(xiàn)場巖石分級時需用 作為點荷載強度指標。 可由下式轉(zhuǎn)換為單軸抗壓強度： （120） 式中 為L:D=2:1的試件單軸抗壓強度,5、抗拉強度,巖石在單軸拉伸荷載作用下達到破壞時所能承受的最大拉應力稱為巖石的單軸抗拉強

5、度（tensile strength），或簡稱為抗拉強度。 通常以T或 表示抗拉強度，其值等于達到破壞時的最大軸向拉伸荷載 除以試件的橫截面積A，即 （121）,6、抗剪切強度,巖石在在剪切荷載作用下達到破壞所能承受的最大剪應力稱為巖石的抗剪切強度（shear strength）。 剪切強度試驗分為非限制性剪切強度試驗（unconfined shear strength test）和限制性剪切強度試驗（confined shear strength test）二類。,非限制性剪切試驗在剪切面上只有剪應力存在，沒有正應力存在；限制性剪切試驗在剪切面上除了存在剪應力外，還存在正應力。 典型的非限制

6、性剪切強度試驗有四種：單軸剪切試驗、雙面剪切試驗、沖擊剪切試驗和扭轉(zhuǎn)剪切試驗。,非限制性剪切強度記為S0，其值由下列公式計算： （a）單面剪切試驗 （126） 式中， 為試件被剪斷前達到的最大剪力，A為試件沿剪切方向截面積（） （b）雙面剪切試驗 （127） （c）沖擊剪切試驗 （128） （d）扭轉(zhuǎn)剪切試驗 （129） 式中， 為試件被剪斷前達到的最大扭距（Nm）；D為試件直徑（m）,7、破壞后強度（post-failure strength）,在通常的材料試驗機條件下，在試件達到峰值強度前，試件的變形是逐步的和緩慢的，當達到峰值強度后，試件將發(fā)生突發(fā)性的破壞，試件被崩裂，巖石碎塊向四面飛射

7、，并伴隨很大的聲響，試驗突然停止。 全應力應變曲線除能全面顯示巖石在受壓破壞過程中的應力、變形特征，特別是破壞后的強度與力學性質(zhì)變化規(guī)律外，還有以下三方面： a、預測巖爆 b、預測蠕變破壞 c、預測循環(huán)加載條件下巖石的破壞,二、巖石的變形性質(zhì),1、概述 巖石變形有彈性變形塑性變形和粘性變形三種。 彈性（elasticity） 物體在受外力作用的瞬間即產(chǎn)生全部變形，而去除外力（卸載）后又能立即恢復其原有形狀和尺寸的性質(zhì)稱為彈性。 塑性（plasticity） 物體受力后產(chǎn)生變形，在外力去除（卸載）后變形不能完全恢復的性質(zhì)，稱為塑性。 粘性（viscosity） 物體受力后變形不能在瞬時完成，且應

8、變速率隨應力增加而增加的性質(zhì)，稱為粘性。,2、單軸壓縮條件下巖石變形特征,由全應力應變曲線可將巖石的變形分為下列四個階段： a、孔隙裂隙壓密階段 b、彈性變形至微彈性裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段 c 、非穩(wěn)定破裂階段，或稱累進性破裂階段 d、破裂后階段,根據(jù)峰值前的應力應變曲線將巖石分成六種類型： 類型 應力與應變關系是一直線或者近似直線，直到試件發(fā)生突然破壞為止。 類型 應力較低時，應力應變曲線近似于直線，當應力增加到一定數(shù)值后應力應變曲線向下彎曲，隨著應力逐漸增加而曲線斜率也就越變越小。 類型 在應力較低時，應力應變曲線略向上彎曲，當應力增加到一定數(shù)值后，應力應變曲線逐漸變?yōu)橹本€，直至發(fā)生破壞。 類型

9、 應力較低時，應力應變曲線向上彎曲，當壓力增加到一定值后，變形曲線成為直線，最后，曲線向下彎曲，曲線似S型。 類型 基本上與類型相同，也呈S型。 類型 應力應變曲線開始先有很小一段直線部分，然后有非彈性的曲線部分，并繼續(xù)不斷地蠕變。這是巖鹽的應力應變特征曲線，某些軟弱巖石也具有類似特性，這類材料被稱為彈粘性體。,3、反復加載與卸載（循環(huán)荷載）條件下的巖石變形特征 在巖石工程中，常常會遇到循環(huán)荷載作用，巖石在這種條件下破壞時的應力往往低于其靜力狀態(tài)。 4、三軸壓縮條件下的巖石變形特征 三軸壓縮條件下的巖石變形通過三軸試驗進行研究。,表112 幾種巖石的轉(zhuǎn)化壓力（室溫）,5、巖石變形指標及其確定

10、巖石的變形特性通常用彈性模量變形模量和泊松比等指標。 a、彈性模量 應力 與應變 的比率被稱為巖石的彈性模量E。其應力應變關系為下列直線方程： （131） 如果巖石的應力應變關系不是直線，而是曲線，但應力與應變之間有著惟一的關系，即 （132） b、泊松比 巖石的橫向應變 與縱向應變 的比值稱為泊松比，即 （137） 巖石的變形模量和泊松比受巖石礦物組成結(jié)構(gòu)構(gòu)造風化程度空隙性含水率微結(jié)構(gòu)面及與荷載方向的關系等多種因素的影響，變化較大。,除變形模量和泊松比兩個最基本的參數(shù)外，還有一些從不同角度反映巖石變形性質(zhì)的參數(shù)。如剪切模量 拉梅模量 及體積模量 等。這些參數(shù)與變形模量 及泊松比 之間有如下關系： （138） （139） （140）,6、巖石的擴容 巖石的擴容現(xiàn)象是巖石具有的一種普遍性質(zhì)，是巖石在荷載作用下，在其破壞之前產(chǎn)生的一種明顯的非彈性體積變形。 7、巖石的各向異性 巖石的全部或部分物理力學性質(zhì)隨方向不同而表現(xiàn)出差異的現(xiàn)象稱為巖石的各向異性。,關于各向異性體的應力應變關系有四種情況： a、極端各向異性體的應力應變關系 特點：任何一個應力分量都會引起六個應變分量，也就是說正應力不僅能引起線應變，也能引起剪應變；剪應變不僅能引起剪應變，也能引