岩石强度理论ppt课件.ppt

矿山岩体力学矿山岩体力学岩石的流变理论流变现象：材料应力-应变关系与时间因素有关的性质，称为流变性。材料变形过程中具有时间效应的现象，称为流变现象。 蠕变流变的种类：松弛 弹性后效 上次课内容上次课内容流变学中的基本元件: k k 3 3.5.5岩石的强度理论主要内容岩石的强度理论主要内容 1 强度理论概述强度理论概述 2 Coulomb 库仑库仑强度准则强度准则 3 Mohr 莫尔莫尔强度理论强度理论 4 Griffith强度理论强度理论3.5 3.5 岩石强度理论岩石强度理论 强度理论强度理论: : 研究岩体破坏原因和破坏条件的理论。研究岩体破坏原因和破坏条件的理论。 强度准则强度准则: : 在外荷载作用下岩石发生破坏时，其应力（应在外荷载作用下岩石发生破坏时，其应力（应变）所必须满足的条件。变）所必须满足的条件。 强度准则也称强度准则也称破坏准则破坏准则或或破坏判据破坏判据。 岩石强度理论是研究岩石在各种应力状态岩石强度理论是研究岩石在各种应力状态下的强度准则的理论。下的强度准则的理论。 强度准则表征岩石在极限应力状态下的应强度准则表征岩石在极限应力状态下的应力状态和岩石强度参数之间的关系。力状态和岩石强度参数之间的关系。3.5 3.5 岩石的强度理论岩石的强度理论 一、一点的应力状态一、一点的应力状态 1 1、应力符号规定、应力符号规定（1 1）正应力以压应力为正，拉应力为负）正应力以压应力为正，拉应力为负；（2 2）剪应力以使物体产生逆时针转为正，反之为负；）剪应力以使物体产生逆时针转为正，反之为负；（3 3）角度以）角度以x x轴正向沿逆时针方向转动所形成的夹角为正，轴正向沿逆时针方向转动所形成的夹角为正，反之为负。反之为负。 yxzox x y y z z zx zx yx yx yz yz zy zy xy xy xz xz ab2、3、平面问题的简化、平面问题的简化（1）平面应力问题）平面应力问题（2）平面应变问题）平面应变问题4 4、基本应力公式基本应力公式以平面应力问题为例，如图，任意角以平面应力问题为例，如图，任意角度度截面的应力计算公式如下：截面的应力计算公式如下： 2sin2cos22xyyxyxn 2cos2sin2xyyxn 最大最小主应力： 最大主应力与最大主应力与x x轴的夹角轴的夹角 可按下式求得：可按下式求得： yxxytg 222231)2(2xyyxyx （一）（一） 最大正应力强度理论最大正应力强度理论 最大正应力强度理论也称朗肯（最大正应力强度理论也称朗肯（RankineRankine）理论，）理论，是最早提出而现在有时仍然应用的一种强度理论是最早提出而现在有时仍然应用的一种强度理论 认为材料破坏取决于绝对值最大的正应力。认为材料破坏取决于绝对值最大的正应力。 因此，对于作用于岩体的三个主应力，只要有一因此，对于作用于岩体的三个主应力，只要有一个主应力达到岩体或岩石的单轴抗压强度或单轴个主应力达到岩体或岩石的单轴抗压强度或单轴抗拉强度时，岩体或岩石就会破坏。抗拉强度时，岩体或岩石就会破坏。（一）（一）最大正应力强度理论最大正应力强度理论 岩体强度条件可以表示为：13ct 满足上式，岩体将不破坏或处于极限平衡状态。但满足上式，岩体将不破坏或处于极限平衡状态。但是，这种强度理论只适用于岩体单向受力状态或者是，这种强度理论只适用于岩体单向受力状态或者脆性岩石在二维应力条件下的受力状态，所以对于脆性岩石在二维应力条件下的受力状态，所以对于处于复杂应力状态中的岩体不宜采用这种强度理论处于复杂应力状态中的岩体不宜采用这种强度理论（二）最大拉应变理论（二）最大拉应变理论基本观点基本观点：无论在什么应力状态下，只要岩石的无论在什么应力状态下，只要岩石的最大拉伸最大拉伸应变应变达到一定的极限应变达到一定的极限应变t t时，岩石就会时，岩石就会发生发生拉伸断拉伸断裂破坏裂破坏Ett 式中：式中：t t 单轴拉伸破坏时的极限应变；单轴拉伸破坏时的极限应变； E E岩石的弹性模量；岩石的弹性模量； t t单轴抗拉强度单轴抗拉强度。 强度条件为：强度条件为：讨论：讨论： 1 1、在单轴拉伸条件下：岩石、在单轴拉伸条件下：岩石发生发生拉伸断裂破坏，其强度拉伸断裂破坏，其强度条件为：条件为：Ett 2 2、在单轴压缩条件下：岩石、在单轴压缩条件下：岩石发生沿纵向发生沿纵向拉伸断裂破坏，拉伸断裂破坏，其强度条件为：其强度条件为：ttEE 即：即：t)(1)(1)(1213313223211EEE3 3、在三轴压缩条件下：、在三轴压缩条件下：3 3方向的应变为方向的应变为 )(12133 E 如果如果3 3 ( (1 1 + +2 2),),则为拉应变，其强度条件为则为拉应变，其强度条件为 而：而：Ett tE )(12133 故，强度条件又可表示为：故，强度条件又可表示为：t )(213 在常规三轴条件下（在常规三轴条件下（ 3 3 2 2）强度条件为：强度条件为：t 13)1(3 3. .5 5 岩石的岩石的强度理论强度理论（三）库仑准则：（三）库仑准则：粘结力摩擦力u 实验基础： u 破坏机理：粘结力摩摩力三、库伦（三、库伦（Coulomb)Coulomb)准则准则基本观点：基本观点：材料破坏主要是剪切破坏，当材料某一斜面上的剪应力材料破坏主要是剪切破坏，当材料某一斜面上的剪应力达到或超过该破坏面上的粘结力和摩擦阻力之和，便会沿该斜面产达到或超过该破坏面上的粘结力和摩擦阻力之和，便会沿该斜面产生剪切滑移破坏。生剪切滑移破坏。 1773 1773年库伦提出（年库伦提出（“摩擦摩擦”准则）准则） fCtg式中：式中： f f 材料剪切面上抗剪强度；材料剪切面上抗剪强度； C C材料的粘结力；材料的粘结力； 剪切面上的正应力。剪切面上的正应力。 最简单最重要的准则最简单最重要的准则n 数学表达式：tan ctanf库仑准则的应用库仑准则的应用破坏判断破坏判断2个方面：个方面：参数意义)(三、库伦（三、库伦（Coulomb)Coulomb)准则准则 库仑准则可以用莫尔应力圆直观的图解表示，如图所示。 莫尔应力圆的方程：莫尔应力圆的方程：2312231)2()2(nn如果应力圆正好与强度曲线相切，则说如果应力圆正好与强度曲线相切，则说明材料处于极限平衡状态，岩石所产生明材料处于极限平衡状态，岩石所产生的剪切破坏将可能在该点所对应的平面的剪切破坏将可能在该点所对应的平面上发生。上发生。 如果应力圆上的点落在强度曲如果应力圆上的点落在强度曲线线AR之下，则说明该点表示之下，则说明该点表示的应力还没有达到材料的强度的应力还没有达到材料的强度值，故材料不会破坏；值，故材料不会破坏；如果应力圆上的点超过了该区域，如果应力圆上的点超过了该区域，则说明该点表示的应力已超过了则说明该点表示的应力已超过了材料的强度并发生破坏；材料的强度并发生破坏； 库仑准则使用方法 (1)图解法 (2)代入公式法 （1）图解法 库仑公式是一条直线准则，在（ 、）平面上是一条直线，直线上的点均可满足公式条件，是处于破坏状态的应力状态。如果已知材料的应力图1、2、3（设定 是定常数） tan c3c+tgtgcC+tgCABM1+)/21CCtg（2）代入公式法）代入公式法 派生公式应力圆 作直线fctgC 13C+tgCABM1+)/21CCtg22sin3131ctgcsin1sin1sin1cos231c1303)0(31ccc2 ( b）式变为 （c） （材料单压强度公式） （c）表明：材料的单压强度与其固有参数C、 有关，也是固有的。 由上应力圆图知：材料（试件）的破坏面与主应力 的方向夹角为，在上图中圆心角为 2 。 则 ， （d） )sin1/(cos2 cc1 9022/45 岩石试件的破裂角(面)a 由于对称性、破裂面是一对共轭出现的两个破坏面，另一个破坏面 （b）式：进一步变化三角恒等式 （b）式变为：245 22)2cos2(sin)2cos2(sin2cos2sin222cos22sin2cos2sin222cos22sin2cos2sin12cos2sin21sin1sin1 222)245(2121tgtgtgtg 2331sin1cos2245sin1cos2tgctgc 图图4 4 库仑准则在库仑准则在1 1-3 3平面的直线图示平面的直线图示 sc+tgsc 231tgc c库仑准则主要公式： 231312/45)sin1/(cos2sin1sin1sin1cos2tgccfctgCcc注意： 使用上述公式求解库仑准则判断的岩石破坏问题时，可以有(a)- (e)公式的变异以供解决问题使用，一定要注意公式中的已知与未知参数的意义。应用：应用： 判断岩石在某一应力状态下是否破坏（用应力圆）。 预测破坏面的方向：（与最大主平面成 ） （X 型节理锐角平分线方向为最大主应力方向）。 进行岩石强度计算。评价：评价：是最简单的强度准则，是莫尔强度理论的一个特例。 不仅适用于岩石压剪破坏，也适用于结构面压剪破坏。不适用于受拉破坏。 2/45+=（三）库伦准则： 四、莫尔强度理论：四、莫尔强度理论： （1900） 理论要点：理论要点： 岩石的剪切破坏由剪应力引起；但不是发生在最大剪应力作用面上； 剪切强度取决于剪切面上的正应力和岩石的性质，是剪切面上正应力的函数； 剪切强度与剪切面上正应力的函数形式有多种：直线型、二次抛物线型、双曲线型，等等；是一系列极限莫尔圆的包络线，它由试验拟合获得； 剪切强度是关于轴对称的曲线，破坏面成对成簇出现； 莫尔圆与强度曲线相切或相割点破坏，否则不破坏； 不考虑不考虑2的影响。 t3c112=3单轴拉伸单轴压缩三轴压缩莫尔破坏包络线完整岩石的莫尔强度曲线完整岩石的莫尔强度曲线莫尔准则的强度曲线是一系列极限应力莫尔圆的公切线。莫尔准则强度曲线，分为直线型强度曲线和曲线型强度曲线。曲线型强度曲线又分为二次抛物线、双曲线和摆线型等。1、直线型包络线、直线型包络线 强度曲线为直线型强度曲线为直线型 极限莫尔应力圆与直线的极限莫尔应力圆与直线的关系关系 Cctg2sin2121 Cctg22sin2121131sin2cos1sin1sinC 思考：该公式如何推导？思考：该公式如何推导？2、二次抛物线型包络线、二次抛物线型包络线 设二次抛物线方程设二次抛物线方程 如图可知如图可知)(nt2 2sin)(212ctg)(213131)(nt )(n2n2ctgddt )( 4n12csc2sin1t 2t31231nn4)(n2)( 适用泥岩、页岩泥灰岩等较软岩石适用泥岩、页岩泥灰岩等较软岩石 确定待定系数确定待定系数n 当为单轴压缩问题时，当为单轴压缩问题时，3 =0，1=c 则上式变为则上式变为 利用求根公式求解：利用求根公式求解： 1-为包络线渐进线的倾角为包络线渐进线的倾角2t31231nn4)(n2)( 0n)2(2n2ctc2 )(22ntcttc 3、双曲线型包络线、双曲线型包络线tt12t2)(tg)( 321tgtc1 适用：砂岩、灰岩、花岗岩等坚硬或较坚硬岩石适用：砂岩、灰岩、花岗岩等坚硬或较坚硬岩石c) 双曲线型：双曲线型：表达式表达式： （强度条件） 式中：1为包络线渐进线夹角 ttt1222tan对莫尔强度理论的评价：对莫尔强度理论的评价： 优点：优点：适用于塑性岩石，也适用于脆性岩石的剪切破坏；较好解释了岩石抗拉强度远远低于抗压强度特征；解释了三向等拉时破坏，三向等压时不破坏现象；简单、方便:同时考虑拉、压、剪,可判断破坏方向.不足：不足：忽视了2 2 的作用，误差：10；没有考虑结构面的影响；不适用于拉断破坏；不适用于膨胀、蠕变破坏。2 2、莫尔库仑强度理论、莫尔库仑强度理论 f f = = f(f() )所表达的是一条曲线，该曲线的型式假设为直线型。所表达的是一条曲线，该曲线的型式假设为直线型。 直线型与库伦准则表达式相同，因此也称为库伦莫尔直线型与库伦准则表达式相同，因此也称为库伦莫尔强度理论。强度理论。fCtg用主应力表示：用主应力表示：131sin2cos1sin1sinC 上式也称为极限平衡方程。上式也称为极限平衡方程。 莫尔库仑强度理论莫尔库仑强度理论不适合剪切面上正不适合剪切面上正应力为拉应力应力为拉应力的情况。的情况。 Cctg2sin2121 莫尔库仑强度理论另一种表示形式莫尔库仑强度理论另一种表示形式 如图的几何关系，有：如图的几何关系，有：131sin2cos1sin1sincCcck 31 sin1sin1 k 其中：其中： sin1cosC2t sin1cosC2c莫尔莫尔-库仑强度理论评价库仑强度理论评价优点：优点： (1)比较全面反映了岩石的强度特性，既适用于塑比较全面反映了岩石的强度特性，既适用于塑性材料，也适用于脆性材料的剪切破坏；性材料，也适用于脆性材料的剪切破坏； （2）反映了岩石的抗拉强度远小于抗压强度这）反映了岩石的抗拉强度远小于抗压强度这一特性，并能解释岩石在等拉时会破坏，而在等一特性，并能解释岩石在等拉时会破坏，而在等压时不会破坏；压时不会破坏； （3）指出了岩石破坏时剪切破坏面与最大主应）指出了岩石破坏时剪切破坏面与最大主应力夹角为力夹角为45-莫尔莫尔-库仑强度理论评价库仑强度理论评价 缺点：缺点： （1）不能从岩石的破坏机理上解释破坏特）不能从岩石的破坏机理上解释破坏特征。岩石的破坏机理是微裂纹在外力作用征。岩石的破坏机理是微裂纹在外力作用下不断扩张直至贯通成一个宏观破坏面；下不断扩张直至贯通成一个宏观破坏面； （2）没有考虑中间主应力；）没有考虑中间主应力； （3）岩石拉伸破坏时为破坏面分离的张破）岩石拉伸破坏时为破坏面分离的张破裂，内摩擦角对张破坏无意义。裂，内摩擦角对张破坏无意义。（六）格里菲斯强度理论（六）格里菲斯强度理论（GriffithGriffith的脆性断裂理论）的脆性断裂理论） 1921年格里菲斯在研究脆性年格里菲斯在研究脆性材料的基础上，提出了评价脆材料的基础上，提出了评价脆性材料的强度理论。性材料的强度理论。 该理论大约在上世纪该理论大约在上世纪70年代年代末末80年代初引入到岩石力学研年代初引入到岩石力学研究领域。究领域。格里菲斯强度理论（格里菲斯强度理论（1920、1921）基本假设（观点）：基本假设（观点）： （1）物体内随机分布许多裂隙）物体内随机分布许多裂隙 （2）所有裂隙都张开、贯通、独立）所有裂隙都张开、贯通、独立 （3）裂隙呈扁平椭圆状态）裂隙呈扁平椭圆状态 （4）在任何应力状态下，裂隙尖端产生拉应力）在任何应力状态下，裂隙尖端产生拉应力集中，导致裂隙沿某个有利方向进一步发展集中，导致裂隙沿某个有利方向进一步发展 （5）最终在本质上都是拉应力引起岩石破坏）最终在本质上都是拉应力引起岩石破坏 （1 1）在脆性材料内部存在着许）在脆性材料内部存在着许多杂乱无章的扁平微小张开裂纹。多杂乱无章的扁平微小张开裂纹。 在外力作用下，这些裂纹尖端在外力作用下，这些裂纹尖端附附近近产生很大的拉应力集中，导致产生很大的拉应力集中，导致新裂纹产生，原有裂纹扩展、贯新裂纹产生，原有裂纹扩展、贯通，从而使材料产生宏观破坏。通，从而使材料产生宏观破坏。1 1、格里菲斯强度理论的基本思想：、格里菲斯强度理论的基本思想： （2 2）裂纹将沿着与最大拉应力作用）裂纹将沿着与最大拉应力作用方向相垂直的方向扩展。方向相垂直的方向扩展。 2tgtg 式中：式中：新裂纹长轴与原裂纹新裂纹长轴与原裂纹 长轴的夹角；长轴的夹角； 原裂纹长轴与最大主原裂纹长轴与最大主 应力的夹角。应力的夹角。3.5 3.5 岩石的强度理论岩石的强度理论 带椭圆孔薄板的孔边应力集中问题带椭圆孔薄板的孔边应力集中问题2 2、格里菲斯强度、格里菲斯强度判据判据 根据椭圆孔应力状态的解析解，得出了格里菲斯的强度判据：根据椭圆孔应力状态的解析解，得出了格里菲斯的强度判据：t )(8)(31231)(22cos3131 （1 1） 0331 破裂条件为：破裂条件为： 危险裂纹方位角：危险裂纹方位角： t 302sin （2 2）0331 破裂条件为：破裂条件为： 危险裂纹方位角：危险裂纹方位角： 如果应力点（如果应力点（1 1, ,3 3) )落在强度曲线上或曲线左边，则岩石发生破坏，否落在强度曲线上或曲线左边，则岩石发生破坏，否则不破坏。则不破坏。 讨论：讨论：（1 1）单轴拉伸应力状态下）单轴拉伸应力状态下 1 1=0,=0,3 3 0,0,满足满足1 1+3+33 3 0,0, 破裂条件为：破裂条件为： 危险裂纹方位角：危险裂纹方位角： t 3002sin 破裂条件为：破裂条件为： 危险裂纹方位角：危险裂纹方位角： 3 3 （2 2）双向拉伸应力状态下）双向拉伸应力状态下1 10,0,3 30,0,满足满足1 1+3+33 3 0,0, t 3002sin 3 3 1 1 （3 3）单轴压缩应力状态下）单轴压缩应力状态下 1 10,0,3 3 = 0,= 0, 满足满足1 1+3+33 3 0 0 破裂条件为：破裂条件为： 危险裂纹方位角：危险裂纹方位角： 破裂条件为：破裂条件为： 危险裂纹方位角：危险裂纹方位角： （4 4）双向压缩应力状态下）双向压缩应力状态下t )(8)(3123121)(22cos3131 )(22cos3131 = = /6/6 1 10,0,3 3 0, 0, 满足满足1 1+3+33 3 0 0t )(8)(312310 0 /4/41)(203131 1 1 3.5 3.5 岩石的强度理论岩石的强度理论 3 3、修正的格里菲斯强度、修正的格里菲斯强度判据判据 19621962年，麦克年，麦克. .克林脱克等人认为，当应力克林脱克等人认为，当应力y y达到某一临界值达到某一临界值时，裂纹便闭合，在裂纹表面产生法向应力和摩擦力，影响新裂纹时，裂纹便闭合，在裂纹表面产生法向应力和摩擦力，影响新裂纹的发生和发展。这种摩擦力恰恰是于是格里菲斯断裂理论没有考虑的发生和发展。这种摩擦力恰恰是于是格里菲斯断裂理论没有考虑到的。因此对原始的格里菲斯理论进行了修正。到的。因此对原始的格里菲斯理论进行了修正。 修正的格里菲斯准则修正的格里菲斯准则为：为： tffff 4)1()1(2321 式中式中f f为裂纹面间的摩擦系数。为裂纹面间的摩擦系数。 GrriffithGrriffith强度准则评价：强度准则评价：优点：优点：岩石抗压强度为抗拉强度的8倍，反映了岩石的真实情况；证明了岩石在任何应力状态下都是由于拉伸引起破坏；指出微裂隙延展方向最终与最大主应力方向一致。 不足：不足：仅适用于脆性岩石，对一般岩石莫尔强度准则适用性远大于Griffith准则。对裂隙被压闭合，抗剪强度增高解释不够。Griffith准则是岩石微裂隙扩展的条件，并非宏观破坏。 Jaeger在讨论岩石破坏准则时曾说在讨论岩石破坏准则时曾说“对于对于研究岩石中裂纹的影响，研究岩石中裂纹的影响，Griffith理论作为理论作为一个数学模型，是极其有用的，但它基本一个数学模型，是极其有用的，但它基本上仅仅是一个数学模型上仅仅是一个数学模型”（七）（七）岩石的屈服准则岩石的屈服准则 屈服准则是判断某一点的应力是否进入塑性状态的判断准则。屈服准则是判断某一点的应力是否进入塑性状态的判断准则。2maxK 1 1、屈列斯卡（、屈列斯卡（TrescaTresca）准则准则 基本观点基本观点：当最大剪应达到某一数值时，岩石开始屈服，进入当最大剪应达到某一数值时，岩石开始屈服，进入塑性状态。塑性状态。 该准则是该准则是TrescaTresca于于18641864年提出的。年提出的。屈列斯卡准则在金属材料中屈列斯卡准则在金属材料中应用很广。其表达式为应用很广。其表达式为 或：或： K )(31 式中：式中：K K为与岩石性质有关的常数。可由单向应力状态试验求得。为与岩石性质有关的常数。可由单向应力状态试验求得。 在一般情况下，即在一般情况下，即1 1，2 2，3 3大小无法确定排序，则下列表大小无法确定排序，则下列表示的最大剪应力的六个条件中任何一个成立时，岩石就开始屈服示的最大剪应力的六个条件中任何一个成立时，岩石就开始屈服 0)()()(221322322221 KKK K 21 或写成：或写成： K 32 K 13 式中：式中：K K通过单轴试验确定，通过单轴试验确定， 或或 TrescaTresca准则不考虑中间主应力的影响。准则不考虑中间主应力的影响。 应力空间表示形式为第一挂限等倾六棱柱面应力空间表示形式为第一挂限等倾六棱柱面1232K3sKs3.5 3.5 岩石的强度理论岩石的强度理论 2 2、米赛斯（米赛斯（MisesMises）屈服准则屈服准则 或：或： 应力空间表示：圆柱面应力空间表示：圆柱面 MisesMises准则考虑了中间主应力的影响。准则考虑了中间主应力的影响。 222122331()()()2s222222()()()6()2xyyzzxxyyzzxs123基本观点基本观点：当应力强度达到某一数值时，岩石开始屈服，进入塑性：当应力强度达到某一数值时，岩石开始屈服，进入塑性状态。其表达式为状态。其表达式为（八）（八）德鲁克普拉格（德鲁克普拉格（Drucker-PragerDrucker-Prager）屈服准则屈服准则 德鲁克普拉格（德鲁克普拉格（Drucker-PragerDrucker-Prager）屈服准则屈服准则是是德鲁克普拉德鲁克普拉格于格于19521952年提出的，年提出的，在在Mohr-CoulombMohr-Coulomb准则和准则和MisesMises准则基础上的扩准则基础上的扩展和推广而得展和推广而得: :式中：式中： 、K-K-为仅与岩石内摩擦角为仅与岩石内摩擦角和粘结力和粘结力c c有关的试验常数。有关的试验常数。120fK 11233xyzm 22222222221223311()()()6()61()()()6xyyzzxxyyzzx 为应力第一不变量；为应力第一不变量； 为应力偏量第二不变量；为应力偏量第二不变量； )sin3(3sin2 6cos3(3sin )CK3.5 3.5 岩石的强度理论岩石的强度理论 德鲁克普拉格（德鲁克普拉格（Drucker-PragerDrucker-Prager）屈服准则屈服准则考虑了考虑了中间主应力的影响，又考虑了静水压力（平均应力中间主应力的影响，又考虑了静水压力（平均应力m m）的作用，克服了的作用，克服了Mohr-CoulombMohr-Coulomb准则的主要弱点，可解释岩准则的主要弱点，可解释岩土材料在静水压力下也能屈服和破坏的现象。土材料在静水压力下也能屈服和破坏的现象。 该准则已在国内外岩土力学与工程的数值计算分析中该准则已在国内外岩土力学与工程的数值计算分析中获得广泛的应用。获得广泛的应用。3.5 3.5 岩石的强度理论岩石的强度理论 MPan0 . 61MPan2 .191MPan102MPan222MPa0 . 63MPa100, 0131