岩石力学第3章 岩石的强度.ppt

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1、岩石力学第3章 岩石的强度 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望3 各阶段应符合的规定规划：充分参照类似工程，少量岩块试验。可研：对工程单元岩块试验和现场岩体声波测试初设：定出关键岩石力学问题，深入试验研究技施：对审后新发现的地质和新提出的岩石问题 以及加固处理需要，进行专门性岩石试验 施工运行：对主要建筑物部位岩体进行原位观测试验前收集分析地质资料，结合设计勘察编制岩石试验大纲，执行中可根据变化进行调整修改4 试验大纲内容工程概况及地质条件水工建筑物特

2、点和主要岩石力学问题试验目的、试验内容和技术要求（方法、数量等）试验布置（代表性代表性）仪器设备和人员安排计划进度提交的试验成果（试验报告）试验成果的整理和分析要在了解建筑物布置方案、工程建筑类型、持力方向、荷载大小以及地基、边坡和地下洞室岩体工程地质条件与设计技术要求基础上，对资料逐项检查核对，分析其代表性、规律性和合理性，并按照岩体类别、工程地质单元、区段或层位进行归类、数理统计和综合分析，提出试验成果标准值。5 标准值的选取密度、单轴抗压强度、抗拉强度、点荷载强度、波速等物理参数取算术平均值岩体变形模量用原位变形试验成果算术平均值软岩承载力取极限承载力的1/3与比例界限二者的小值，（无）

3、取（1/5-1/10）RC饱和或三轴试验；坚硬岩、中硬岩（1/20-1/25、1/10-1/20）RC饱和岩体抗剪断强度对脆性破坏岩体取残余和比例界限二者的小值；塑性破坏用屈服强度参数硬性结构面抗剪断强度用残余强度参数平均值软性结构面抗剪断强度用峰值强度参数小值平均第三章第三章 岩石的强度岩石的强度第一节第一节 概述概述第二节第二节 岩石的破坏形式岩石的破坏形式第三节第三节 岩石的抗压强度岩石的抗压强度第四节第四节 岩石的抗拉强度岩石的抗拉强度第五节第五节 岩石的抗剪强度岩石的抗剪强度第六节第六节 岩石的破坏准则岩石的破坏准则第七节第七节 岩石中水对强度的影响岩石中水对强度的影响第八节第八节

4、岩体强度分析岩体强度分析第九节第九节 结构面方位对强度的影响结构面方位对强度的影响第十节第十节 结构面粗糙程度对强度的影响结构面粗糙程度对强度的影响第一节第一节 概述概述岩石的强度是指荷载作用下岩石的抵抗破坏的能力。岩石的强度是指荷载作用下岩石的抵抗破坏的能力。从广义来分 岩石分为岩块和岩体，谈到岩石的强度应分清是岩块的强度（完整岩石）和岩体（多节理岩石）的强度。一般情况岩石的强度指岩石试件实验所得出的，实际代表岩体内岩块的强度。岩体的强度由以下三个因素决定岩体的强度由以下三个因素决定1、岩石自身的强度。（、岩石自身的强度。（矿物组成和结晶状况）2、岩体内结构面状况。（、岩体内结构面状况。（节

5、理、裂隙、层理、断层关系和影响程度）3、结构面与工程的相对关系。、结构面与工程的相对关系。具体是哪个因素起作用要具体情况具体分析：具体是哪个因素起作用要具体情况具体分析：A：坚硬岩石，岩块强度高，软弱结构面强度低，：坚硬岩石，岩块强度高，软弱结构面强度低，岩体的强度由结构面的强度和产状决定。岩体的强度由结构面的强度和产状决定。B：岩性软弱，岩块强度低，软弱结构面显的不：岩性软弱，岩块强度低，软弱结构面显的不突出，岩体的强度由岩石和软弱结构面两者的差突出，岩体的强度由岩石和软弱结构面两者的差值来决定值来决定,差值很小时，就由岩石强度决定。差值很小时，就由岩石强度决定。C：岩体周围受较大应力时，与

6、应力方向有关，：岩体周围受较大应力时，与应力方向有关，情况复杂。情况复杂。岩石具有不均匀特性,这是因为岩块内也存在微结构面，所以岩石试样结果具有分散性，一般要求室内试样几个为一组,将其所得到的结果进行统计分析后取值。第二节第二节 岩石的破坏形式岩石的破坏形式岩石的破坏形式分三种：脆性破坏、延性岩石的破坏形式分三种：脆性破坏、延性破坏、弱面剪切破坏破坏、弱面剪切破坏A 脆性破坏（脆性破坏（水平面脆性、垂直面脆性、脆性剪切破坏）大多数坚硬岩石在一定条件下都表现出脆性破坏的性质。也就是说，这些岩石在荷载作用下没有显著觉察的变形就突然破坏。产生这种破坏的原因可能是岩石中裂隙发生和发展的结果。(地下洞室

7、开挖洞顶的张裂隙地下洞室开挖洞顶的张裂隙)B 延性破坏延性破坏岩石在破坏之前变形很大，且没有明显的破坏荷载，岩石在破坏之前变形很大，且没有明显的破坏荷载，表现出显著的塑性变形，流动或挤出，这种破坏称表现出显著的塑性变形，流动或挤出，这种破坏称为延性或韧性破坏。塑性变形是岩石内结晶晶格为延性或韧性破坏。塑性变形是岩石内结晶晶格錯錯位的结果。在一些软弱岩石中这种破坏较为常见位的结果。在一些软弱岩石中这种破坏较为常见。(洞室的底部岩石隆起，两侧围岩向洞内膨胀洞室的底部岩石隆起，两侧围岩向洞内膨胀)C 弱面剪切破坏弱面剪切破坏岩体中存在着许多软弱结构面，细微裂隙等弱面，岩体中存在着许多软弱结构面，细微

8、裂隙等弱面，在荷载作用下，弱面上的剪应力一旦超过弱面的抗在荷载作用下，弱面上的剪应力一旦超过弱面的抗剪强度时，岩体将弱面剪切破坏，致使岩体产生滑剪强度时，岩体将弱面剪切破坏，致使岩体产生滑移移。（。（节理岩体中的地下洞室顶部岩块崩塌，洞侧岩石的节理岩体中的地下洞室顶部岩块崩塌，洞侧岩石的滑动、岩坡沿软弱面的失稳滑动、岩坡沿软弱面的失稳）岩石的三种破坏形式岩石的三种破坏形式试验表明，岩石在破坏前后的应力试验表明，岩石在破坏前后的应力-应变关系比金应变关系比金属材料复杂得多，岩石究竟属于脆性材料还是属属材料复杂得多，岩石究竟属于脆性材料还是属于塑性材料，这不仅取决与岩性，且受应力状态，于塑性材料，

9、这不仅取决与岩性，且受应力状态，地温，受荷时间等多种因素的影响。（例：坚硬地温，受荷时间等多种因素的影响。（例：坚硬岩石一般属于脆性破坏，但在两向或三向受力较岩石一般属于脆性破坏，但在两向或三向受力较大的情况下，或者在高温的影响下，也可能延性大的情况下，或者在高温的影响下，也可能延性破坏）破坏）实际的荷载形式是多种多样的，它使任何单一的实际的荷载形式是多种多样的，它使任何单一的岩石破坏模式都不会居主要的地位。在荷载作用岩石破坏模式都不会居主要的地位。在荷载作用下，岩体实际的破坏情况是相当复杂的，它可能下，岩体实际的破坏情况是相当复杂的，它可能是由上述的一种或多种破坏模式是由上述的一种或多种破坏

10、模式。第三节第三节 岩石的抗压强度岩石的抗压强度岩石的抗压强度是岩石试件在单轴压力下抵抗破岩石的抗压强度是岩石试件在单轴压力下抵抗破坏的极限能力，或极限强度在数值上等于破坏时坏的极限能力，或极限强度在数值上等于破坏时的最大压应力。的最大压应力。（分饱和和天然状态分饱和和天然状态）岩石的抗压强度：现场取样岩石的抗压强度：现场取样-入实验室入实验室-样品成型样品成型-试件试件-压力机压力机-加压试验测定加压试验测定-结果统计分析结果统计分析-取值。取值。试件试件圆柱形、立方形。圆柱形、立方形。试件尺寸：圆柱形试件尺寸：圆柱形直径直径D=5cm、7cm 立方状立方状5cm5cm、7cm7cm试件高度

11、试件高度h应当满足下列条件应当满足下列条件圆柱体：圆柱体：立方体：立方体：试件两端应当平整光滑，端面三相平行与试件两端应当平整光滑，端面三相平行与柱体轴线垂直。对于圆柱形试件，沿试件柱体轴线垂直。对于圆柱形试件，沿试件各截面的直径误差应不大于各截面的直径误差应不大于0.3mm，两端，两端面不平行度最大不超过面不平行度最大不超过0.05mm，试验时以，试验时以每秒每秒0.5MPa-0.8MPa的加荷速率加荷直至的加荷速率加荷直至试件破坏，试验结果按下式计算抗压强度：试件破坏，试验结果按下式计算抗压强度：Rc-岩石单轴抗压强度岩石单轴抗压强度(MPa)P-岩石试件破坏时的荷载岩石试件破坏时的荷载(

12、MN)A-试件的横断面面积试件的横断面面积(m2)表3-1 岩石的单轴抗压强度和抗拉强度影响岩石的抗压强度的因素很多，这些因影响岩石的抗压强度的因素很多，这些因素可分为两方面：素可分为两方面：1 岩石本身的因素，如矿物成分、结晶程度岩石本身的因素，如矿物成分、结晶程度颗粒大小、颗粒联接及胶结情况、密度、颗粒大小、颗粒联接及胶结情况、密度、裂隙的特性和方向、风化程度和含水情况裂隙的特性和方向、风化程度和含水情况等。等。2 试验方法上的因素或人为因素，如试件形试验方法上的因素或人为因素，如试件形状、尺寸、大小，试件加工情况和加荷速状、尺寸、大小，试件加工情况和加荷速率等率等各因素的影响见书中各因素

13、的影响见书中P33-34第四节第四节 岩石的抗拉强度岩石的抗拉强度岩石的抗拉强度就是岩石试件在单轴岩石的抗拉强度就是岩石试件在单轴拉力作用下抵抗破坏的极限能力。或拉力作用下抵抗破坏的极限能力。或者说极限强度在数值上等于破坏时的者说极限强度在数值上等于破坏时的最大拉应力。最大拉应力。岩石的抗拉强度比其抗压强度低得多。岩石的抗拉强度比其抗压强度低得多。测定岩石抗拉强度有两种方法，即直测定岩石抗拉强度有两种方法，即直接拉伸法和劈裂法（也称巴西试验法）接拉伸法和劈裂法（也称巴西试验法）。1 岩石直接拉伸试验：试验时将这种试件两端岩石直接拉伸试验：试验时将这种试件两端固定在拉力机上，然后对试样施加轴向拉

14、力，固定在拉力机上，然后对试样施加轴向拉力，直至试件破坏，试件的抗拉强度为：直至试件破坏，试件的抗拉强度为：Rt-岩石的抗拉强度岩石的抗拉强度Pt-试件破坏时的最大拉力试件破坏时的最大拉力A-试件中部的横截面积试件中部的横截面积优点：方法直观、概念明确、成果可靠。优点：方法直观、概念明确、成果可靠。缺点：试样制备困难，它不易与拉力机固定，缺点：试样制备困难，它不易与拉力机固定，而且在试样断裂处附近往往有应力集中现象，而且在试样断裂处附近往往有应力集中现象，同时难免在试件两端面有弯矩。同时难免在试件两端面有弯矩。2 劈裂法试验：劈裂法试验：劈裂法是在圆柱体试样的直径方向上，施加相对的线形荷载使试

15、样沿该直径平面破坏的试验。试验采用压力机加压，采用直径D=5cm，厚度l=(0.5-1)D的标准圆柱体，以0.29MPa/s-0.49MPa/s的加载速率沿某一直径的两端施加相对的压荷载，加压前须在直径两端设加压前须在直径两端设置垫条，以便压力沿垫条成均布线荷载作用于试置垫条，以便压力沿垫条成均布线荷载作用于试样的厚度样的厚度l上上，逐渐加大压力直到试样沿该直径平面裂开。根据弹性力学知识，可以近似地计算岩样的根据弹性力学知识，可以近似地计算岩样的抗拉强度为：抗拉强度为：优点：试验简单易行，仅用普通的压力机即优点：试验简单易行，仅用普通的压力机即可，可，可广泛应用。可广泛应用。缺点：试验结果与直

16、接拉伸法存在差别。试缺点：试验结果与直接拉伸法存在差别。试验可知，岩石的抗拉强度极限大致仅为同类验可知，岩石的抗拉强度极限大致仅为同类岩石抗拉强度的岩石抗拉强度的1/10-1/30，最坚硬的岩石的，最坚硬的岩石的抗拉强度也只有抗拉强度也只有29.6MPa左右，而许多岩石左右，而许多岩石的抗拉强度小于的抗拉强度小于1.96MPa。表。表3-1为某些岩石为某些岩石的抗拉强度供参考。的抗拉强度供参考。岩石的抗拉实验：实验原理、仪器构造、数岩石的抗拉实验：实验原理、仪器构造、数据处理据处理第五节第五节 岩石的抗剪强度岩石的抗剪强度岩石抗剪强度是岩石抵抗剪切破坏的极限能力，常以岩石抗剪强度是岩石抵抗剪切

17、破坏的极限能力，常以凝聚力凝聚力C和内摩擦角和内摩擦角这两个剪切参数表示这两个剪切参数表示。抗剪强度是岩石力学中重要的指标之一。工程上需要测定的抗剪强度大致有以下三种：岩石岩体的抗剪强度岩石岩体的抗剪强度 岩体软弱结构面的抗剪强度岩体软弱结构面的抗剪强度 混凝土与岩石胶结面的抗剪强度混凝土与岩石胶结面的抗剪强度岩石的抗剪强度指标常用直剪试验、楔型剪切实验和三轴试验三种，直剪试验、三轴试验其测定原理和方法与土力学中的直剪、三轴试验完全相同。1直剪试验直剪试验直剪试验的受力方式示意图如下：现场直接剪切实验示意图直接剪切实验的注意事项：直接剪切实验的注意事项：1 对软弱结构面试样，应尽量保持原状结构

18、，防止结对软弱结构面试样，应尽量保持原状结构，防止结构面被扰动构面被扰动，而结构面上下的岩石厚度，分别约为断面高度的1/2左右。2 对于加工困难的试件，允许采用不规则试样，节理加工困难的试件，允许采用不规则试样，节理裂隙发育的岩石，须用铁丝捆扎并用泥浆保护裂隙发育的岩石，须用铁丝捆扎并用泥浆保护；对岩岩块试样须用高强度的钢筋或钢型外框包裹块试样须用高强度的钢筋或钢型外框包裹。3 试样的数量试样的数量：每组不得少于每组不得少于5对对(以便重复试验)。4 试验加荷方向及大小试验加荷方向及大小：应使受剪面方向与建筑物的应使受剪面方向与建筑物的受力方向大致一致受力方向大致一致，在安装法向和切向加荷系统

19、时，应保证法向力和剪切力的合力通过剪切面的中心应保证法向力和剪切力的合力通过剪切面的中心(以免受附加矩的作用)。5 选择的法向应力：一般应大于或等于设计应力选择的法向应力：一般应大于或等于设计应力。对于充填夹泥的结构面试验，法向应力的选择，以不挤法向应力的选择，以不挤出夹泥为原则出夹泥为原则，而法向荷重则分4-5级施加，每5min加荷一次，加荷后立即测读垂直变形，5min后再测读一次，达到预定荷重后，每5min观测变形观测变形一次，直到相对稳定开始能施加剪切荷载直到相对稳定开始能施加剪切荷载。剪切荷载亦是分剪切荷载亦是分级施加级施加，即每5min加荷一次，并测记加荷前后的法向和剪切位移值。6

20、剪切要求：剪切缝宜控制在剪切要求：剪切缝宜控制在0.5cm2.0cm之间之间在试样剪切过程中须采用恒压装置剪切过程中须采用恒压装置，使法向应力保持常使法向应力保持常数数。试验后计算各级法向荷载下的法向应力和剪应力：试验后计算各级法向荷载下的法向应力和剪应力：式中式中:-法向应力法向应力(MPa)-剪应力剪应力(MPa)P-总法向力总法向力(包括荷载、设备重量及试块重包括荷载、设备重量及试块重)(MN)Q-剪切荷载剪切荷载(MN)A-剪切面积剪切面积(m)根据剪切面上各级法向荷载作用下相应的剪应力与水根据剪切面上各级法向荷载作用下相应的剪应力与水平剪切位移的关系曲线平剪切位移的关系曲线-h。取各

21、条。取各条-h曲线上的峰值曲线上的峰值剪应力剪应力f与对应的法向应力与对应的法向应力，点绘出，点绘出f-关系曲线，关系曲线，这就是岩石的抗剪断峰值强度曲线，此线与水平轴的这就是岩石的抗剪断峰值强度曲线，此线与水平轴的交角，即为内摩擦角交角，即为内摩擦角，此线在纵轴上截矩，即为凝聚，此线在纵轴上截矩，即为凝聚力力C。直剪试验试样破坏过程的三个阶段：直剪试验试样破坏过程的三个阶段：1 弹性阶段：试样内开始产生张裂缝（弹性阶段：试样内开始产生张裂缝（p）2 裂缝发展增长阶段：裂缝发展、增长，逐裂缝发展增长阶段：裂缝发展、增长，逐渐达到完全破坏（渐达到完全破坏（f）3 强度降低阶段：剪应力降低，最终至

22、剩余强度降低阶段：剪应力降低，最终至剩余值（值（o）如取各线的0与相应的法向应力，即可点绘得剩余强度线剩余强度线，它相应于岩石试样发生裂缝它相应于岩石试样发生裂缝之后的强度线，相当于摩擦试验所得的强度之后的强度线，相当于摩擦试验所得的强度线。它与纵轴交于坐标原点，表示线。它与纵轴交于坐标原点，表示C=0，此剩，此剩余强度线与横轴的交角余强度线与横轴的交角r，即为剩余强度所对，即为剩余强度所对应的内摩擦角；由图可见剩余强度也就是失应的内摩擦角；由图可见剩余强度也就是失去凝聚力而仅有内摩擦力的强度去凝聚力而仅有内摩擦力的强度。优点：简单方便，设备不特殊优点：简单方便，设备不特殊 缺点：尺寸小，不易

23、反映裂缝、层理和弱面缺点：尺寸小，不易反映裂缝、层理和弱面2 楔形剪切实验楔形剪切实验实际上是另一种形式的直接剪切试验，应用楔实际上是另一种形式的直接剪切试验，应用楔形剪切仪，装置见书中图形剪切仪，装置见书中图3-16。试件。试件10105cm。实验时采用多个试件，分别以。实验时采用多个试件，分别以不同的倾角进行实验。破坏时，不同的角度可不同的倾角进行实验。破坏时，不同的角度可以得出一组以得出一组和和f，不同的倾角得出，不同的倾角得出f曲线，曲线，即可求出即可求出c和和值。值。优点：可以模拟现场实际受力工况。优点：可以模拟现场实际受力工况。缺点：角度不能太大，不能反映低压段情况，缺点：角度不能

24、太大，不能反映低压段情况，需试件多，工作量大。需试件多，工作量大。3三轴压缩试验三轴压缩试验三轴压缩试验是在三向应力状态下进行的试验。三轴压缩试验是在三向应力状态下进行的试验。方法：在圆柱体周围施加侧限压力方法：在圆柱体周围施加侧限压力(3=2)，然后，然后，在侧限压力保持为常数在侧限压力保持为常数3时施加轴向荷载时施加轴向荷载1，直至，直至试件破坏，这样得出破坏时的最大和最小主应力试件破坏，这样得出破坏时的最大和最小主应力1和和3;得到一个岩样破坏时的应力圆，采用相同的岩得到一个岩样破坏时的应力圆，采用相同的岩样改变侧压力样改变侧压力3，施加轴向压力至试件，从而得到，施加轴向压力至试件，从而

25、得到一个不同的应力圆，绘出这些应力圆的包络线，即可一个不同的应力圆，绘出这些应力圆的包络线，即可求得岩石的抗剪强度线，如图求得岩石的抗剪强度线，如图3-19所示，图所示，图3-20为角为角闪岩的三轴试验结果。闪岩的三轴试验结果。像单轴压缩试验一样，三轴试验试件的破裂面与大主像单轴压缩试验一样，三轴试验试件的破裂面与大主应力应力1方向间的夹角为方向间的夹角为45-/2。优缺点：较好的模。优缺点：较好的模拟工程实际，仪器复杂难度大。拟工程实际，仪器复杂难度大。对于节理裂隙发育的岩体或层状岩体，其对于节理裂隙发育的岩体或层状岩体，其抗压强度将随裂隙与加压的方向不同而呈抗压强度将随裂隙与加压的方向不同

26、而呈明显的各向异性。书中图明显的各向异性。书中图3-22和图和图3-23分分别表示别表示岩石各向异性和具有软弱面岩石各向异性和具有软弱面岩样的岩样的强度变化图。强度变化图。表表3-4 岩石的凝聚力、内摩擦角以及内摩擦岩石的凝聚力、内摩擦角以及内摩擦系数参考值系数参考值4 现场强度试验的成果特征现场强度试验的成果特征：现场试验对试体的尺寸一般根据裂隙的间距来决现场试验对试体的尺寸一般根据裂隙的间距来决定，荷载的大小可根据岩体的受力状态来选定。定，荷载的大小可根据岩体的受力状态来选定。现场所得的强度一般远比室内完整岩块所得的强现场所得的强度一般远比室内完整岩块所得的强度要低。度要低。现场直接剪切试

27、验时试体在垂直向存在压缩区和现场直接剪切试验时试体在垂直向存在压缩区和膨胀区，由此在工程上可采取措施提高岩体的抗膨胀区，由此在工程上可采取措施提高岩体的抗剪强度。剪强度。当现场岩体的各向异性明显时，试验的布置应有当现场岩体的各向异性明显时，试验的布置应有利于测定工程需要而指定的那些面上的利于测定工程需要而指定的那些面上的C、值。值。岩体内往往有多组不同方向的不连续面,不同方向的不连续面上的抗剪强度也不相同,当加载方向正交或接近正交于潜在不连续面时，其抗剪强度将接近于完整无裂隙岩块的抗剪强度值；当加荷方向平行或接近平行与不连续面时则其抗剪强度值取决于该不连续面上抗剪能力。如果将完整岩块的抗剪强度

28、参数用于不连续的工程岩体，情况是危险的，容易导致工程失事；所以对岩体不连续面强度的研究受到普遍重视。工程实例之一：工程实例之一：三峡大坝混凝土与岩体接触面抗剪强度试验研究三峡大坝混凝土与岩体接触面抗剪强度试验研究为研究三峡大坝与微风化基岩接触面抗剪强度参数以及利用弱风为研究三峡大坝与微风化基岩接触面抗剪强度参数以及利用弱风化带岩体作为大坝建基面的可行性，分别针对微风化岩体和弱风化带岩体作为大坝建基面的可行性，分别针对微风化岩体和弱风化带岩体进行了四组和五组混凝土与基岩接触面抗剪强度试验。化带岩体进行了四组和五组混凝土与基岩接触面抗剪强度试验。试验成果表明：接触面是比混凝土与岩石强度更弱的控制面

29、，不试验成果表明：接触面是比混凝土与岩石强度更弱的控制面，不能用混凝土的抗剪强度代替接触面的强度。影响混凝土与岩体接能用混凝土的抗剪强度代替接触面的强度。影响混凝土与岩体接触面强度的主要因素包括岩体结构、风化程度、混凝土抗压强度触面强度的主要因素包括岩体结构、风化程度、混凝土抗压强度以及接触面的起伏差等。以及接触面的起伏差等。对块状结构类型岩体，接触面抗剪强度参数无明显差异；对于镶对块状结构类型岩体，接触面抗剪强度参数无明显差异；对于镶嵌结构岩体，接触面抗剪强度参数略有降低（嵌结构岩体，接触面抗剪强度参数略有降低（f减低减低9%，c降低降低7%）；弱风化下部岩体与微风化岩体比较，抗剪强度参数略

30、有）；弱风化下部岩体与微风化岩体比较，抗剪强度参数略有降低（降低（f减低减低3%，c降低降低13%）。）。混凝土抗压强度对接触面抗剪强度参数影响明显；起伏差对抗剪混凝土抗压强度对接触面抗剪强度参数影响明显；起伏差对抗剪强度参数有较大影响，当起伏差从强度参数有较大影响，当起伏差从0.5 1.0cm增大到增大到2cm时，时，摩擦系数摩擦系数f增加增加33%。取一定的概率分位值（取一定的概率分位值（0.05），混凝土与弱风化带下部岩体接触，混凝土与弱风化带下部岩体接触面抗剪强度参数标准值面抗剪强度参数标准值f=1.20，c=1.60MPa。工程实例之二：工程实例之二：葛洲坝工程葛洲坝工程202202

31、#泥化夹层剪切强度试验研究泥化夹层剪切强度试验研究葛洲坝水利枢纽工程主要岩性为黏土岩及粉砂质黏土岩，岩层走葛洲坝水利枢纽工程主要岩性为黏土岩及粉砂质黏土岩，岩层走向与坝轴线夹角向与坝轴线夹角70，其间存在大量的软弱夹层，尤其是，其间存在大量的软弱夹层，尤其是202#层层间错动泥化夹层为间错动泥化夹层为0.10.5cm厚的塑泥层，上下两侧有厚的塑泥层，上下两侧有2 5cm的软化带和的软化带和10 20cm厚的破碎带，力学强度低。如何确定厚的破碎带，力学强度低。如何确定泥化夹层的剪切强度，成为大坝稳定分析的主要岩石力学问题。泥化夹层的剪切强度，成为大坝稳定分析的主要岩石力学问题。现场快剪（现场快剪

32、（A=5060cm），强度参数），强度参数f=0.225，c=0.063MPa。现场剪切流变现场剪切流变t=3 4d（位移观测），剪切时间（位移观测），剪切时间1 1.5月月/个，个，得长期剪切强度参数得长期剪切强度参数f=0.19，c=0MPa现场大面积剪切（现场大面积剪切（A=18m2）剪切强度参数）剪切强度参数f=0.19，c=0.005MPa根据试验成果的综合分析，提出根据试验成果的综合分析，提出202#泥化夹层剪切强度参数设计泥化夹层剪切强度参数设计值取值取f=0.20，c=0MPa。第六节第六节第六节第六节 岩石的破坏准则岩石的破坏准则岩石的破坏准则岩石的破坏准则岩石的应力、应变达

33、到一定值时，岩石就发生破坏，岩石的应力、应变达到一定值时，岩石就发生破坏，用以表征岩石破坏条件的函数称为强度准则。用以表征岩石破坏条件的函数称为强度准则。强度准则的建立应反映岩石的破坏机理。所有这些确强度准则的建立应反映岩石的破坏机理。所有这些确定岩石破坏的原因，过程及条件的理论，称强度理论。定岩石破坏的原因，过程及条件的理论，称强度理论。强度理论，不仅要能理解岩石破坏的原因、破坏的形强度理论，不仅要能理解岩石破坏的原因、破坏的形态，而且要能确定岩石破坏时的应力状态或变形状态。态，而且要能确定岩石破坏时的应力状态或变形状态。当物体处于简单应力状态时，材料的强度可由简单实当物体处于简单应力状态时

34、，材料的强度可由简单实验来决定，破坏准则的建立较容易（抗拉、抗压、抗验来决定，破坏准则的建立较容易（抗拉、抗压、抗剪）。但岩石在外荷作用下常常处于复杂的应力状态，剪）。但岩石在外荷作用下常常处于复杂的应力状态，许多实验表明：岩石的强度及其在荷载作用下的性状许多实验表明：岩石的强度及其在荷载作用下的性状与岩石的应力状态有着很大的关系。见图与岩石的应力状态有着很大的关系。见图3-29（单向（单向脆性；三向脆性；三向延性）延性）材料在复杂应力状态下怎样算是破坏呢，材料力学中有材料在复杂应力状态下怎样算是破坏呢，材料力学中有多种破坏理论解释，这些理论是根据引起材料危险状态多种破坏理论解释，这些理论是根

35、据引起材料危险状态的原因做了不同的假设而得出的。（应力和应变）的原因做了不同的假设而得出的。（应力和应变）目前，对于岩石在复杂应力状态下的破坏性状研究的不目前，对于岩石在复杂应力状态下的破坏性状研究的不够，这些理论的任何一个都不能无条件的用于岩石。书够，这些理论的任何一个都不能无条件的用于岩石。书中介绍了中介绍了9种主要的强度理论。需要指出的是：这些理种主要的强度理论。需要指出的是：这些理论对岩石的适用性并不是等价的，有些对岩石比较适用，论对岩石的适用性并不是等价的，有些对岩石比较适用，有些对岩石适用性差，介绍的目的是让大家对这一问题有些对岩石适用性差，介绍的目的是让大家对这一问题的现状有一个

36、总的了解。（莫尔库伦强度理论、格里菲的现状有一个总的了解。（莫尔库伦强度理论、格里菲斯强度理论及霍克斯强度理论及霍克-布朗强度理论（经验破坏准则），布朗强度理论（经验破坏准则），是在岩石力学界较有影响工程上常用的强度理论）。是在岩石力学界较有影响工程上常用的强度理论）。1 最大正应力理论（朗肯理论最大正应力理论（朗肯理论）假设材料的破坏只取决于绝对值最大的正应力，因此当岩石内的三个主应力中只要有一个达到单轴抗压强度或单轴抗拉强度时，岩石就算破坏。准则为：或适用条件：单向应力状态及脆性岩石在二向应力状态中受拉的情况，对复杂应力状态不适用。2 最大正应变理论最大正应变理论材料的破坏只取决于最大的正

37、应变。材料内任一方向的正应变达到单轴压缩或单轴拉伸中的破坏数值，材料就发生破坏。准则为：max-材料内发生的最大应变值u-单轴压缩或单向拉伸试验材料破坏时的极限应变值解析表达式为：适用条件：脆性岩石，对塑性材料不适用。3 最大剪应力理论最大剪应力理论(为解释塑性破坏)假设材料的破坏取决于最大的剪应力，当最大剪应力达到单轴压缩或单轴拉伸中的危险值时，材料就达到危险状态。准则为：或在单向压缩或拉伸时:解析表达式见(3-24)适用条件：塑性材料,对脆性岩石不适用,未考虑中主应力的影响。4 八面体剪应力理论（八面体剪应力理论（帽子模型）考虑中主应力的影响考虑中主应力的影响。理论假设：材料的危险状态，取

38、决于八面体剪应力，准则为：在复杂应力状态下的八面体剪应力为：在单向应力状态下：适用条件：塑性材料,是塑性力学中常用的一种理论。5 摩尔理论及摩尔摩尔理论及摩尔库仑准则库仑准则材料内某一点的破坏主要决定于它的大主应力材料内某一点的破坏主要决定于它的大主应力和小主应力而与中主应力无关。可研究平面应和小主应力而与中主应力无关。可研究平面应变状态（单轴压缩、单轴拉伸、纯剪，三轴压变状态（单轴压缩、单轴拉伸、纯剪，三轴压缩等）。缩等）。每一莫尔应力圆都反映一种达到破每一莫尔应力圆都反映一种达到破坏极限坏极限(危险状态危险状态)的应力状态。这种应力圆称的应力状态。这种应力圆称为极限应力圆，然后这一系列极限

39、应力圆的包为极限应力圆，然后这一系列极限应力圆的包络线叫莫尔包络线，这根包络线代表了材料的络线叫莫尔包络线，这根包络线代表了材料的破坏条件或强度条件，在包络线上的所有点都破坏条件或强度条件，在包络线上的所有点都反映了材料破坏时的剪应力反映了材料破坏时的剪应力f与正应力与正应力之关系之关系，即，即 就是莫尔理论破坏准则的普遍形式由此可知，对于材料的破坏与否，一方面与材料内的剪应力有关，同时与正应力也有很大的关系，因为正应力直接影响着抗剪强度的大小。岩石的强度条件可用库仑方程式来表示:这个方程式为库伦首先提出，后为莫尔采用新的理论加以解释，因而上述方程式通常称为莫尔-库伦强度准则，它是目前岩石力学

40、中用得最多的强度理论。图3-30中绘出了纯剪试验、抗拉试验、抗压试验和三轴试验摩尔圆以及强度包络线。图3-31描述了如何用包络线判别岩石材料破坏与不破坏（弹性状态、极限平衡状态或塑性平衡状态和破坏状态）岩石包络线的形状（抛物线、双曲线或摆线、直线）用大小主应力表示的破坏准则：3方向与滑动所在面的夹角单轴抗压3=0 则另一表达式：图3-34带有抗拉强度的摩尔-库仑包络线以及公式的推导简化。6 格里菲斯理论格里菲斯理论以上所述几个理论将岩石看作连续的均匀以上所述几个理论将岩石看作连续的均匀介质。格里菲斯理论则不同，它针对脆性介质。格里菲斯理论则不同，它针对脆性材料的破坏，提出了格里菲斯强度理论，材

41、料的破坏，提出了格里菲斯强度理论，认为材料内具有细微裂隙的脆性材料，与认为材料内具有细微裂隙的脆性材料，与一般连续介质固体理论的破坏强度是有很一般连续介质固体理论的破坏强度是有很大区别的。这种差异起因于岩石等脆性材大区别的。这种差异起因于岩石等脆性材料内普遍存在细微裂痕。料内普遍存在细微裂痕。格里菲斯认为具有细微裂痕的脆性材料在力场的格里菲斯认为具有细微裂痕的脆性材料在力场的作用下，裂痕周边将激起切向拉应力，一旦裂痕作用下，裂痕周边将激起切向拉应力，一旦裂痕周边端部附近某处的切向拉应力高度集中，达到周边端部附近某处的切向拉应力高度集中，达到材料的分子内聚强度值，则材料就将从该处开始材料的分子内

42、聚强度值，则材料就将从该处开始沿一定的方向发生脆性破坏。这一理论首先被应沿一定的方向发生脆性破坏。这一理论首先被应用于玻璃，试验也证实了这一点，后来又被引用用于玻璃，试验也证实了这一点，后来又被引用于岩石力学，用以阐明脆性岩石的破裂机制。于岩石力学，用以阐明脆性岩石的破裂机制。格里菲斯假定材料内部存在许多杂乱的细微裂痕，格里菲斯假定材料内部存在许多杂乱的细微裂痕，形状类似扁单状椭圆，其长短轴分别为形状类似扁单状椭圆，其长短轴分别为2a和和2b，轴比轴比(m=b/a)很小，且假定相邻裂痕之间不能互相很小，且假定相邻裂痕之间不能互相影响，并忽略材料特性的局部变化，这样就可将影响，并忽略材料特性的局

43、部变化，这样就可将椭圆裂隙作为半无限介质中的单孔情况来处理了。椭圆裂隙作为半无限介质中的单孔情况来处理了。图图3-35为裂隙的受力示意图，图为裂隙的受力示意图，图3-36为椭圆裂痕为椭圆裂痕周围材料的应力。周围材料的应力。当裂隙处的极限应力达到岩石的抗拉强度时，岩当裂隙处的极限应力达到岩石的抗拉强度时，岩石将处于破坏状态，因此根据弹性理论知识，可石将处于破坏状态，因此根据弹性理论知识，可得到格里菲斯强度理论破坏准则如下：（得到格里菲斯强度理论破坏准则如下：（3-64、3-65）1 当方位角：2 当方位角：=0在-平面：7 修正的格里菲斯强度理论修正的格里菲斯强度理论 格里菲斯强度理论是以张开椭

44、圆裂隙为前提，在压应力占优势的情况下，裂隙会产生闭合。缝壁间会产生摩檫。裂隙的增长和发展就有所不同。麦克林托克等考虑这一影响(主要是裂隙间的摩擦)对格里菲斯强度理论进行了修正，结果如式3-68：8 伦特堡理论伦特堡理论根据对大量的岩石实验结果分析认为:当岩石内正应力达到相应于岩石的晶体强度时，由于晶体破坏，继续增加法向荷载，抗剪强度不会增加。建议用3-69表示岩石在荷载下的破坏状态。和研究面上的正应力和剪应力0正应力为0时岩石的抗切强度，A为系数该理论适用于较为破碎的岩石。9 经验破坏准则（主要介绍霍克和布朗经验准则）霍克-布朗发现，大多数岩石材料(完整的岩块)的三轴压缩试验破坏时的主应力之间

45、满足下列方程式：式中：S,m-常数，取决于岩石的性质，在承受1和3以前,岩石扰动或损伤的程度。m与岩石的性质有关，S与岩石完整性有关(完整岩块S=1)。Rc-完整岩块的单轴抗压强度(MPa)。若式中若式中3=0，可得岩石的单轴抗压强度：，可得岩石的单轴抗压强度：若式中若式中1=0，可得岩石的单轴抗拉强度：，可得岩石的单轴抗拉强度：这两个方程式定出了这两个方程式定出了S的界限值，若的界限值，若S=1，则，则Rcm=Rc，即为完整岩块的值；若，即为完整岩块的值；若S=0，则，则Rcm=Rtm=0，这就是完全破损的岩石。因此，对，这就是完全破损的岩石。因此，对于完整岩石和破损岩的中间阶段，于完整岩石

46、和破损岩的中间阶段，S值必定在值必定在1与与0之间，对于之间，对于S=1的情况，大理岩、石灰岩及泥岩的情况，大理岩、石灰岩及泥岩的常数的常数m从从5到到7，粗粒岩浆岩的，粗粒岩浆岩的m从从23到到28，霍，霍克等对某些典型岩体求得的克等对某些典型岩体求得的m和和S值见表值见表3-6和图和图3-38。10 对强度理论的评价对强度理论的评价目前使用的有关岩石的各种强度理论和强度准则都有一定的局限性，因而有一定的使用范围。库仑库仑莫尔准则理论的评价莫尔准则理论的评价：库仑莫尔准则较全面地反映了岩石的强度特点，不仅适用于塑性材料，也适用于脆性材料的剪切破坏；由于岩石大多是剪切破坏，故适用性较广、简单实

47、用。莫尔库仑准则不能说明强度的非线性变化，因此还比较粗糙.格里菲斯理论格里菲斯理论可以说明裂隙开始时的情况。但对岩石这样的非均匀材料，裂隙开始时的应力要低于破坏时的应力，而且两者之间的关系复杂，因此还不能用来说明岩石的拉伸破坏。经验破坏准则经验破坏准则 由于结果来自于实测的实验结果，有一定的参考价值。实践表明岩石的破坏是一个渐进破坏过程。岩石存在非均匀性，岩体内某一点的应力达到极限强度时就在该点发生破坏，这时该点会将应力转移到相临的周围岩体，导致周围岩体应力增大，于是破坏依次发展，直至形成宏观破裂面，最终表现为整个岩体发生破坏。第七节第七节 岩石中水对强度的影响岩石中水对强度的影响一方面：水对

48、岩石强度的影响一方面：水对岩石强度的影响软化系数。软化系数。机理：水分子进入粒间间隙而削弱了粒间连接机理：水分子进入粒间间隙而削弱了粒间连接造成的。造成的。（岩石遇水岩石遇水胶结物破坏胶结物破坏强度降低强度降低）另一方面：也是对岩石强度影响较多的情况是另一方面：也是对岩石强度影响较多的情况是孔隙和裂隙中的水压力影响。孔隙和裂隙中的水压力影响。（饱和岩石受荷载饱和岩石受荷载不能或不易排水不能或不易排水孔隙水孔隙水压力压力岩石固体颗粒承受的压力减小岩石固体颗粒承受的压力减小强度降强度降低）低）。图图3-39实验结果：实验结果：研究认为：岩石中有连通的孔隙存在-太沙基有效应力定理适用于岩石。根据摩尔

49、-库仑强度理论：饱和多孔岩石的抗剪强度可表示为3-76。强度降低的程度视孔隙水压力的大小确定。为了在摩尔-库仑破坏准则中考虑孔隙水压力的影响，将3-44式变为3-77式。进而可得岩石从初始作用应力1和3 达到破坏时所需的孔隙水压力计算公式3-80。图解可见图3-40表示。如果结构面内有水压力，那么由于这种水压力使有效正应力降低，结构面强度也相应降低。当结构面内的水压力达到一定数值时，结构面的有效正应力也降低到一定程度使结构面开始破坏。靠近水库附近的岩石中初始应力接近强度时，岩石内产生孔隙水压力，这种孔隙水压力可能造成岩石破坏或引起地震。岩石材料表现出由脆性到延性的变化，其中孔隙水压力的作用是增

50、加材料的脆性性质。见图3-41。如果把有效应力的概念引入格里菲思破坏准则，则式3-64和3-65变为3-81和3-82式：这个结果也是工程上常需用的“水力劈裂”方法的理论基础。第八节第八节 岩体强度分析岩体强度分析岩体可分为两种情况：1、接近均质的接近均质的：各种软弱结构面对岩体强度的影响不占主导地位或岩性坚硬并未组成分离的块体。这时岩体强度可用实验室岩块的强度指标进行分析(岩块实验)。常用摩尔-库仑准则或霍克或布朗的经验破坏准则。见式3-833-94或3-71。2、非均质的非均质的：岩体强度主要由结构面的特征（强度、产状、粗糙度、充填物等）所决定。这时节理或其它结构面的强度指标通过室内外抗剪