第8章 岩石的力学性质贵大优秀PPT.ppt

第8章 岩石的力学性质贵大现在学习的是第1页，共20页 岩石在外力作用下所表现出来的性质，称为岩石在外力作用下所表现出来的性质，称为岩石的力学性质岩石的力学性质。在外力作用下，岩石首先产生变形，这种变形又可分为在外力作用下，岩石首先产生变形，这种变形又可分为弹弹性变形和塑性变形性变形和塑性变形。随着力的不断增加，当达到或超过某一极限值时，岩石便产随着力的不断增加，当达到或超过某一极限值时，岩石便产生破坏。把岩石抵抗外力破坏的能力称为生破坏。把岩石抵抗外力破坏的能力称为强强度。度。根据破坏时的应力类型，岩石的破坏可有根据破坏时的应力类型，岩石的破坏可有拉破坏、剪破坏和流拉破坏、剪破坏和流动破坏动破坏三种基本类型。三种基本类型。由于受力状态和破坏型式的不同，岩石的强度又可分为由于受力状态和破坏型式的不同，岩石的强度又可分为单轴抗单轴抗压强度、单轴抗拉强度、抗剪强度和三轴压缩强度压强度、单轴抗拉强度、抗剪强度和三轴压缩强度等。岩石的等。岩石的力学性质，一般是通过室内岩石力学试验进行研究的。力学性质，一般是通过室内岩石力学试验进行研究的。现在学习的是第2页，共20页8.1 岩石的变形性质岩石的变形岩石的变形是指岩石在任何物理因素作用下形状和大小的变化。工程最常研究的变形是由于力的影响所产生的。一、单轴压缩条件下的岩石变形性质一、单轴压缩条件下的岩石变形性质1.应力应力应变曲线特征应变曲线特征实际典型的岩石应力-应变曲线则往往是如图所示的形式。这种曲线一般可以分为四个区段：在OA区段内，该曲线稍微向上弯曲；在AB区段内，很接近于直线；BC区段内，曲线向下弯曲，直至C点的最大值；下降段CD。现在学习的是第3页，共20页l在OA和AB这两个区段内，岩石很接近于弹性的，可能稍有一点滞回效应，但是在这两个区内加载与卸载对于岩石不发生不可恢复的变形。l第三区段BC的起点B往往是在C点最大应力值的2/3处，从B点开始，应力-应变曲线的斜率随着应力的增加而逐渐降低到零。在这一范围内，岩石将发生不可恢复的变形，加载与卸载的每次循环都是不同的曲线。l在图上的卸载曲线PQ在零应力时还有残余变形。如果岩石上再加载，则再加载曲线QR总是在曲线OABC以下，但最终与之连接起来。l第四区段CD，开始于应力-应变曲线上的峰值C点，其特点是这一区段上曲线的斜率为负值。在这一区段内卸载可能产生很大的残余变形。l图中ST表示卸载曲线，TU表示再加载曲线。l可以看出，TU线在比S点低得多的应力下趋近于CD曲线。这一范围内的特点是岩石表现出脆性性质。l从图上所示破坏后的荷载循环STU来看，破坏后的岩石仍可能具有一定的刚度，从而也就可能具有一定的承载能力。现在学习的是第4页，共20页 典型的应力典型的应力-应变曲线类型：应变曲线类型：米勒(Miller)根据岩石的应力-应变曲线随着岩石的性质有各种不同形式的特点，采用28种岩石进行了大量的单轴试验后，将岩石的应力-应变曲线分成6种类型类型：弹性关系类型：弹-塑性类型：塑-弹性类型：塑-弹-塑性类型，基本上与相同类型：弹-塑-蠕变性现在学习的是第5页，共20页2岩石变形参数的确定岩石变形参数的确定1)初始模量Ei:指曲线原点处的切线斜率，即2)切线模量Et:指曲线中部直线段的斜率，即 3)割线模量Es:指曲线上某特定点与原点连线的斜率通常取c/2处的点与原点连线的斜率，即 变形模量是指单袖压缩条件下，岩石试件的轴向应力与轴向应变之比。当岩石应力-应变为直线关系时，岩石的变形模模E0为一常量，数值上等于直线的斜率。由于其变形为弹性变形，所以该模量又称为弹性模量E。现在学习的是第6页，共20页 泊松比(Poissons ratio)是指在单轴压缩条件下，岩石试件的横向应变d与轴向应变a 之比，即在实际工作中，常采用c/2处的d与a来计算岩石试件的泊松比。现在学习的是第7页，共20页3循环荷载条件下的岩石变形特征循环荷载条件下的岩石变形特征现在学习的是第8页，共20页二、三轴压缩条件下的岩石变形性质二、三轴压缩条件下的岩石变形性质有围压作用时，岩石的变形特征与单轴压缩时不尽相同。岩石在三轴压缩条件下的破坏型式，大致可分为脆性劈裂、剪切和塑性流动三类。现在学习的是第9页，共20页现在学习的是第10页，共20页 三、岩石的蠕变性质三、岩石的蠕变性质岩石的变形和应力受时间因素的影响。岩石在外部条件不变的情况下，应力或应变随时间而变化的现象叫流变，它主要包括蠕变和松弛。蠕变(creep)是指岩石在恒定荷载作用下，变形随时间逐渐增长的性质。一般可将蠕变变形过程分为3个阶段。现在学习的是第11页，共20页8.2 岩石的强度性质岩石的强度性质 岩石在外荷载作用下，首先发生变形；随荷载的不断增加，变形也不断增加。当荷载达到并超过某一定值时，岩石将由变形转化为破坏。我们把岩石抵抗外力破坏的能力，称为强度。按外力作用方式不同，岩石强度又可分为单轴抗压强度、单轴抗拉强度、抗剪强度和三轴压缩强度等。现在学习的是第12页，共20页一、岩石的单轴抗压强度一、岩石的单轴抗压强度岩石试件在单向受力破坏时所能承受的最大压应力，称为单轴抗压强度，简称抗压强度。岩石的抗压强度是反映岩石基本力学性质的重要指标。试件通常用圆柱形(钻探岩心)或立方柱状(用岩块加工)。试件的断面尺寸，圆柱形试件采用直径D=5cm，也有采用D=7cm的；立方柱状试件，采用55cm或77cm。现在学习的是第13页，共20页试验结果按下式计算抗压强度：图 抗压试验 图 岩石试件在单轴压缩时的破坏 除抗压试验外，目前还可用不规则试件的点荷载试验间接地求得岩石的单轴抗压强度。现在学习的是第14页，共20页 二、岩石的单轴抗拉强度二、岩石的单轴抗拉强度 岩石试件在单向受拉条件下断裂时所承受的最大拉应力，称为岩石的单轴抗拉强度，简称抗拉强度。虽然在工程实际中，通常不允许拉应力出现，但岩石的拉伸破坏仍是工程岩体及自然界岩体常见的破坏方式之一，而且岩石抵抗拉应力的能力最低。因此，岩石的抗拉强度是一个非常重要的力学指标。岩石的直接抗拉试验的试件如图所示。在试验时将这种试样的两端固定的拉力机上。然后对试样施加轴向拉力直至破坏，算出试样的抗拉强度：现在学习的是第15页，共20页目前常用混凝土试验中的劈裂法测定岩石的抗拉强度。试件的形状用得最多的是圆柱体和立方体。试验时沿着圆柱体的直径方向施加集中荷载，这可以在试件与上、下承压板接触处各放一根钢丝来实现。这样试件受力后就有可能沿着受力的直径裂开，见图：现在学习的是第16页，共20页三、岩石的抗剪强度三、岩石的抗剪强度 岩石试件受剪力作用时能抵抗剪切破坏的最大剪应力称为抗剪强度。根据莫尔一库仑强度理论，岩石的抗剪强度可用凝聚力c和内摩擦角来表示，它们可以通过室内外的剪切试验确定。岩石的剪切试验可分为抗抗剪剪断断试试验验、抗抗剪剪试试验验(或或称称摩摩擦擦试试验验)以以及及抗抗切试验切试验(在剪切面上不加法向荷载的情况下剪切)三种。决定抗剪断(抗剪)强度的方法可分为室室内内和和现现场场两大类。室内试验常用直接剪切仪(直接剪切试验)、楔形剪切仪(楔形剪切试验)、三轴压缩仪(三轴压缩试验)测定岩石的抗剪断(抗剪)指标。现场试验主要以直接剪切试验为主，有时也可做三轴强度试验。现在学习的是第17页，共20页(1)抗剪断强度：指在一定的法向应力作用下，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力，它反映了岩石的内聚力和内摩擦阻力之和。(2)抗剪(摩擦)强度：指在一定的法向应力作用下，沿已有破裂面剪坏时的最大剪应力。它反映了岩石中微结构面(裂隙、层理等)或人工破裂面上的摩擦阻力。(3)抗切强度：指法向应力为零时，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力它反映了岩石的内聚力。现在学习的是第18页，共20页直接剪切试验楔形剪切试验三轴压缩试验现在学习的是第19页，共20页现场直接剪切试验现场岩体三轴强度试验现在学习的是第20页，共20页