岩石的力学性质强度性质幻灯片.ppt

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1、岩石的力学性质强度性质第1页，共47页，编辑于2022年，星期六1 12 2.3 3 岩石的力学性质岩石的力学性质岩石的性质与组成岩石的矿物颗粒以及其间的胶结物性质岩石的性质与组成岩石的矿物颗粒以及其间的胶结物性质有关。分为固结性岩石和松散性岩石。有关。分为固结性岩石和松散性岩石。固结性岩石：固结性岩石：固结性岩石：固结性岩石：矿物颗粒是固结在一起的，如基岩。矿物颗粒是固结在一起的，如基岩。松散性岩石：松散性岩石：松散性岩石：松散性岩石：颗粒间的结合力破坏，如粘土，砂土等。第2页，共47页，编辑于2022年，星期六2 2岩石的力学性质岩石的力学性质 强度特性：岩石抵抗外力作用的能力，岩石破坏时

2、能够强度特性：岩石抵抗外力作用的能力，岩石破坏时能够强度特性：岩石抵抗外力作用的能力，岩石破坏时能够强度特性：岩石抵抗外力作用的能力，岩石破坏时能够 承受的最大应力。承受的最大应力。承受的最大应力。承受的最大应力。变形性质：岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变形性质：岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变形性质：岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变形性质：岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变化。变化。变化。变化。力力力力学学学学性性性性质质质质变变变变形形形形性性性性质质质质a.a.单向压缩变形单向压缩变形b.b.反复加载变形反复加载变形c.c.三轴压缩变形三轴压缩变形强强度度特

3、特性性单向抗压强度单向抗压强度单向抗拉强度单向抗拉强度剪切强度剪切强度三轴压缩三轴压缩第3页，共47页，编辑于2022年，星期六3 3岩石的力学性质岩石的力学性质工程师对材料提出两个问题工程师对材料提出两个问题 1 1 最大承载力最大承载力许用应力许用应力？2 最大允许变形许用应变许用应变？本节讨论本节讨论 问题问题强度：材料受力时抵抗破坏的能力。强度：材料受力时抵抗破坏的能力。强度单向抗压强度单向抗拉强度剪切强度三轴压缩真三轴伪三轴第4页，共47页，编辑于2022年，星期六4 4一 岩石的单轴抗压强度1.定义定义：岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所能岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所能承

4、受的最大压应力称为岩石的单轴抗压强度承受的最大压应力称为岩石的单轴抗压强度 式中：P无侧限的条件下的轴向破坏荷载 A试件截面积c=P/APPA A2 2.3.1 3.1 岩石的岩石的强度特性强度特性第5页，共47页，编辑于2022年，星期六5 52.试验方法l(钻机)岩石试件岩石试件第6页，共47页，编辑于2022年，星期六6 6切割机第7页，共47页，编辑于2022年，星期六7 7a.a.a.a.试件两端不试件两端不试件两端不试件两端不 平度平度平度平度0.50.50.50.5mmmmmmmm；b.b.b.b.尺寸误差尺寸误差尺寸误差尺寸误差 0.30.30.30.3mm;mm;mm;mm;

5、c.c.c.c.两端面垂直于两端面垂直于两端面垂直于两端面垂直于 轴线轴线轴线轴线0.250.250.250.25度度度度磨床第8页，共47页，编辑于2022年，星期六8 8试试验验机机第9页，共47页，编辑于2022年，星期六9 9 三种破坏形式：1.X状共轭斜面剪切破坏，是最常见的破坏形式。2.单斜面剪切破坏，这种破坏也是剪切破坏。3.拉伸破坏，在轴向压应力作用下，在横向将产生拉应力。这是泊松效应的结果。这种类型的破坏就是横向拉应力超过岩石抗拉极限所引起的。第10页，共47页，编辑于2022年，星期六1010非标准试件的对试验结果的影响及其修正 圆柱形试件：D一般不小于50mm，高L=（2

6、.53)D 长方体试件：505050mm或 707070mm 试试试试件件件件标标标标准准准准第11页，共47页，编辑于2022年，星期六11113.实验原理实验原理压缩实验设备示意图压缩实验设备示意图(500t(500t压力机压力机)端部效应端部效应 消除方法消除方法:润滑试件端部（如垫云润滑试件端部（如垫云 母片；涂黄油在端部）母片；涂黄油在端部）加长试件加长试件 第12页，共47页，编辑于2022年，星期六12124.4.影响单轴抗压强度的主要因素影响单轴抗压强度的主要因素（1 1）承压板端部的摩擦力及其刚度（加垫块的依据）承压板端部的摩擦力及其刚度（加垫块的依据）（2 2）试件的形状和

7、尺寸）试件的形状和尺寸 形状：圆形试件不易产生应力集中，好加工形状：圆形试件不易产生应力集中，好加工 尺寸：大于矿物颗粒的尺寸：大于矿物颗粒的1010倍；倍；5050的依据的依据 高径比：研究表明；高径比：研究表明；L/D(2.5L/D(2.53)3)较合理较合理（3 3）加载速度）加载速度 加载速度越大，表现强度越高加载速度越大，表现强度越高)我国规定加载速度为我国规定加载速度为0.50.50.8MPa/s0.8MPa/s（4 4）环境）环境 含水量：含水量越大强度越低；岩石越软越明显，对泥含水量：含水量越大强度越低；岩石越软越明显，对泥岩、粘土等软弱岩体，干燥强度是饱和强度的岩、粘土等软弱

8、岩体，干燥强度是饱和强度的2 23 3倍。倍。温度：温度：180180以下不明显：大于以下不明显：大于180180，温度越高强度越小。，温度越高强度越小。第13页，共47页，编辑于2022年，星期六1313第14页，共47页，编辑于2022年，星期六1414二 岩石的抗拉强度1.1.定义：岩石在单轴拉伸荷载作用下达到破 坏时所能承受的最大拉应力称为岩石的 单轴抗拉强度(Tensile strength)。试件在拉伸荷载作用下的破坏通常是沿其横截面的断裂破坏。直接试验直接试验间接试验间接试验试验方法试验方法试验方法试验方法第15页，共47页，编辑于2022年，星期六15152.直接拉伸试验加载和

9、试件示意图直接拉伸试验加载和试件示意图第16页，共47页，编辑于2022年，星期六1616l计算公式：破坏时的最大轴向拉伸荷载(Pt)除以试件的横截面积(A)。即：t t=Pt t/A第17页，共47页，编辑于2022年，星期六1717直接拉伸试验加载和试件示意图限制性直接拉伸试验加载和试件示意图限制性第18页，共47页，编辑于2022年，星期六18183.3.间接方法间接方法岩石是各向同性的线弹性材料满足平面假设的对称面内弯曲适用条件：（1）抗弯法抗弯法（梁的三点弯曲试验）第19页，共47页，编辑于2022年，星期六1919（2 2 2 2）劈裂法（巴西法）劈裂法（巴西法）要求荷载沿轴向均匀

10、分布破坏面必须通过试件的直径注：端部效应 并非完全单向应力试验：径向压缩破坏（张开）计算公式：由弹性力学Boursinesq公式式中：试验中心的最大拉应力p p 试验中破坏时的压力试验中破坏时的压力D D 试件的直径试件的直径t t 试件的厚度试件的厚度第20页，共47页，编辑于2022年，星期六2020a a.试件试件:为一岩石圆盘，加载方式如图所示。实际上荷载是沿着一条弧线加上去的，但孤高不能超过圆盘直径的1/20。第21页，共47页，编辑于2022年，星期六2121l lb.b.b.b.应力分布：应力分布：应力分布：应力分布：圆盘在压应力的作用圆盘在压应力的作用下，沿圆盘直径下，沿圆盘直

11、径yyyy的应力分布和的应力分布和xxxx方向均为压应力。而离开边缘方向均为压应力。而离开边缘后，沿后，沿yyyy方向仍为压应力，但应力方向仍为压应力，但应力值比边缘处显著减少。并趋于均匀化；值比边缘处显著减少。并趋于均匀化；xxxx方向变成拉应力。并在沿方向变成拉应力。并在沿yyyy的的很长一段距离上呈均匀分布状态。很长一段距离上呈均匀分布状态。l lc.c.c.c.破坏原因：破坏原因：破坏原因：破坏原因：由于岩石的抗拉强度很由于岩石的抗拉强度很低，所以试件还是由于低，所以试件还是由于x x方向的方向的拉应力拉应力而导致试件沿直径的劈裂破坏。破坏而导致试件沿直径的劈裂破坏。破坏是从直径中心开

12、始，然后向两端发展，是从直径中心开始，然后向两端发展，反映了岩石的抗拉强度比抗压强度要反映了岩石的抗拉强度比抗压强度要低得多的事实。低得多的事实。第22页，共47页，编辑于2022年，星期六2222（3 3）点荷载试验法）点荷载试验法是上世纪发展起来的一种简便的现场试验方法。试件：试件：任何形状，尺寸大致任何形状，尺寸大致5 50mm，不做任何加工。不做任何加工。试验：试验：在直接带到现场的点荷载仪上，加载劈裂 破坏。破坏。优点：设备便携，可到现场去进行实验；对试件的形状等要求不严格对试件的形状等要求不严格第23页，共47页，编辑于2022年，星期六2323l小型点载荷设备：手动液压泵一个液压

13、千斤顶一对圆锥形的加载头第24页，共47页，编辑于2022年，星期六2424计算：式中：P 试件破坏时的极限强度 y y 加载点试件的厚度统计公式：要求:（由于离散性大），每组15个，取均值，即建议：用50mm的钻孔岩芯为试件。第25页，共47页，编辑于2022年，星期六2525三 岩石的抗剪强度1.1.定义定义 岩石在剪切荷载作用下达到破坏前所能承受的最大剪应力称为岩石的抗剪切强度（Shear strength）。所能抵抗的最大剪应力常用 表示 剪切强度试验分为非限制性剪切强度试验剪切强度试验分为非限制性剪切强度试验（Unconfined shear strength testUnconfi

14、ned shear strength test）和限制性剪）和限制性剪）和限制性剪）和限制性剪切强度试验（切强度试验（切强度试验（切强度试验（Confined shear strength testConfined shear strength testConfined shear strength testConfined shear strength test）二类。）二类。）二类。）二类。非限制性剪切试验在剪切面上只有剪应力存非限制性剪切试验在剪切面上只有剪应力存在，没有正应力存在；限制性剪切试验在剪切面上在，没有正应力存在；限制性剪切试验在剪切面上除了存在剪应力外，还存在正应力。除了存

15、在剪应力外，还存在正应力。第26页，共47页，编辑于2022年，星期六2626l l1）四种典型的非限制性剪切强度试验：a.单面剪切试验，b.冲击剪切试验,c.双面剪切试验，d.扭转剪切试验，第27页，共47页，编辑于2022年，星期六2727l l2 2）非限制性剪切强度记为）非限制性剪切强度记为S So o o o计算公式：计算公式：（a）单面剪切试验 So o=Fc c/A（b）冲击剪切试验 So o=Fc c/2ra r-冲击孔半径 a-时间厚度（c）双面剪切试验 So o=Fc c/2A（d）扭转剪切试验 So o=16Mc c/D3 式中：式中：M Mc c试件被剪断前达到的最大扭

16、矩（试件被剪断前达到的最大扭矩（N N m m）DD试件直径（试件直径（m m）第28页，共47页，编辑于2022年，星期六2828l l3 3）四种典型的限制性剪切强度试验）四种典型的限制性剪切强度试验 a.a.直剪仪（剪切盒）压剪试验（单面剪）b.b.立方体试件单面剪试验立方体试件单面剪试验 c.c.试件端部受压双面剪试验试件端部受压双面剪试验 d.角模压剪试验（变角剪切试验）第29页，共47页，编辑于2022年，星期六2929l4)Hoek4)Hoek直剪仪试验装置直剪仪试验装置第30页，共47页，编辑于2022年，星期六3030l l5 5）角模压剪试验及受力分析示意图）角模压剪试验及

17、受力分析示意图在压力P P的作用下，剪切面上可分解为:a.a.沿剪切面的剪应力沿剪切面的剪应力Psin/A b.b.垂直剪切面的正应力垂直剪切面的正应力Pcos/A第31页，共47页，编辑于2022年，星期六3131l l6 6）限制性剪切强度试验结果及其分析限制性剪切强度试验结果及其分析l l试验结果：试验结果：试验结果：试验结果：剪切面上正应力越大，试件被剪破坏前所能承受的剪剪切面上正应力越大，试件被剪破坏前所能承受的剪应力也越大。应力也越大。l l原因：剪切破坏一要克服内聚力，二要克服摩擦力，正应力越原因：剪切破坏一要克服内聚力，二要克服摩擦力，正应力越大，摩擦力也越大。大，摩擦力也越大

18、。l l将破坏时的剪应力和正应力标注到将破坏时的剪应力和正应力标注到-应力平面上就是一个应力平面上就是一个点，不同的正、剪应力组合就是不同的点。将所有点连接起来点，不同的正、剪应力组合就是不同的点。将所有点连接起来就获得了莫尔强度包络线，如图所示。就获得了莫尔强度包络线，如图所示。第32页，共47页，编辑于2022年，星期六3232l l残余强度：残余强度：残余强度：残余强度：当剪切面上的剪应力超过了峰值剪切强度后，剪切破当剪切面上的剪应力超过了峰值剪切强度后，剪切破坏发生，然后在较小的剪切力作用下就可使岩石沿剪切面滑动。能坏发生，然后在较小的剪切力作用下就可使岩石沿剪切面滑动。能使破坏面保持

19、滑动所需的较小剪应力就是破坏面的残余强度。使破坏面保持滑动所需的较小剪应力就是破坏面的残余强度。l l正应力越大，残余强度越高，如图所示。所以只要有正应力存在，正应力越大，残余强度越高，如图所示。所以只要有正应力存在，岩石剪切破坏面仍具有抗剪切的能力。岩石剪切破坏面仍具有抗剪切的能力。第33页，共47页，编辑于2022年，星期六3333四四.三轴抗压强度三轴抗压强度 l l1)1)定义定义：岩石在三向压缩荷 载作用下，达到破坏时所能 承受的最大压应力称为岩石的三轴抗压强度(Triaxial compressive strength)。l l与单轴压缩试验相比，试件除受轴向压力外，还受侧向压力。

20、侧向压力限制试件的横向变形，因而三轴试验是限制性抗压强度(confined compressive strength)试验。第34页，共47页，编辑于2022年，星期六3434l l2)实验加载方式：l la.a.a.a.真三轴加载真三轴加载真三轴加载真三轴加载:试件为立方体，加载方式如图所示。试件为立方体，加载方式如图所示。应力状态：应力状态：1 12 2 3 3 这种加载方式试验装置繁杂，且六个面均可受到由加压这种加载方式试验装置繁杂，且六个面均可受到由加压铁板所引起的摩擦力，对试验结果有很大影响，因而实用意铁板所引起的摩擦力，对试验结果有很大影响，因而实用意义不大。故极少有人做这样的三轴

21、试验。义不大。故极少有人做这样的三轴试验。l lb.b.b.b.伪三轴试验伪三轴试验伪三轴试验伪三轴试验:，试件为圆柱体，试件直径，试件为圆柱体，试件直径25150mm25150mm，长，长 度与直径之比为度与直径之比为2 2：1 1或或3 3：1 1。轴向压力的加载方式与单。轴向压力的加载方式与单 轴压缩试验相同。轴压缩试验相同。但由于有了侧向压力，其加载上时的端部效应比单轴加载时但由于有了侧向压力，其加载上时的端部效应比单轴加载时要轻微得多。要轻微得多。l l应力状态：应力状态：1 12 2=3 3第35页，共47页，编辑于2022年，星期六3535l三轴压缩试验加载示意图三轴压缩试验加载

22、示意图l l真三轴1 12 23 3l伪三轴1 12 2=3 3第36页，共47页，编辑于2022年，星期六3636l3)3)伪三轴试验装置图伪三轴试验装置图：由于试件侧表面已被加压油缸的橡皮套包住，液压油不会在试由于试件侧表面已被加压油缸的橡皮套包住，液压油不会在试件表面造成摩擦力，因而侧向压力可以均匀施加到试件中。其试验件表面造成摩擦力，因而侧向压力可以均匀施加到试件中。其试验装置示意图如下装置示意图如下。第37页，共47页，编辑于2022年，星期六3737l l4)4)第一个经典三轴试验第一个经典三轴试验l la.试验者和时间：试验者和时间：意大利人冯卡门(VonKarman)于1911

23、年完成的。年完成的。l lb.b.试验岩石：试验岩石：白色圆柱体大理石试件，该大理石具有白色圆柱体大理石试件，该大理石具有很细的颗粒并且是非常均质的。很细的颗粒并且是非常均质的。l lc.试验发现：在围压为零或较低时，大理石试件以脆性脆性方式破方式破坏，沿坏，沿一组倾斜的裂隙破坏。的裂隙破坏。随着围压的增加，试件的延性变形和变形和强度强度都不断增都不断增加，直至出现完全延性或加，直至出现完全延性或塑性流动塑性流动变形，并伴随变形，并伴随工作硬工作硬化化，试件也变成粗腰桶形粗腰桶形的。在试验开始阶段，试件体积减小，当达到抗压强度一半时，出现扩容扩容扩容扩容，泊松比迅速增大泊松比迅速增大。第38页

24、，共47页，编辑于2022年，星期六3838l l5)5)5)5)三轴试验与莫尔强度包络线三轴试验与莫尔强度包络线三轴试验与莫尔强度包络线三轴试验与莫尔强度包络线l la.a.a.a.三轴压缩试验的最重要的成果：三轴压缩试验的最重要的成果：三轴压缩试验的最重要的成果：三轴压缩试验的最重要的成果：就是对于同一种岩石的不同试件或不同就是对于同一种岩石的不同试件或不同的试验条件给出几乎恒定的强度指标值。这一强度指标值以莫尔强度包的试验条件给出几乎恒定的强度指标值。这一强度指标值以莫尔强度包络线（络线（Mohrs strength envelopMohrs strength envelop）的形式给出

25、。）的形式给出。l lb.b.b.b.莫尔强度包络线的绘制：莫尔强度包络线的绘制：莫尔强度包络线的绘制：莫尔强度包络线的绘制：须对该岩石的须对该岩石的5656个试件做三轴压缩试验，每次试个试件做三轴压缩试验，每次试验的围压值不等，由小到大，得出每次试件破坏时的应力莫尔圆，通常也将验的围压值不等，由小到大，得出每次试件破坏时的应力莫尔圆，通常也将单轴压缩试验和拉伸试验破坏时的应力莫尔圆，用于绘制应力莫尔强度包络单轴压缩试验和拉伸试验破坏时的应力莫尔圆，用于绘制应力莫尔强度包络线。如图所示。线。如图所示。l l曲线形：曲线形：l l直线形：直线形：第39页，共47页，编辑于2022年，星期六393

26、9l l6)6)6)6)三轴试验岩石强度参数的确定三轴试验岩石强度参数的确定l la.a.直线形：直线形：轴的截距称为岩石的粘结力（或称内聚轴的截距称为岩石的粘结力（或称内聚力），记为力），记为C C（MPaMPa），与），与轴的夹角称为岩石的内摩擦角，记为（度）。（度）。l lb.b.b.b.曲线形：曲线形：曲线形：曲线形：l l一种方法是将包络线和一种方法是将包络线和轴的截距定为C C，将包络线与轴相交点的包络线外切线与轴夹角定为内摩擦角。l l另一种方法建议根据实际应力状态在莫尔包络线上另一种方法建议根据实际应力状态在莫尔包络线上找到相应点，在该点作包络线外切线，外切线与找到相应点，在该

27、点作包络线外切线，外切线与轴夹角为内摩擦角，外切线及其延长线与轴相交之截距即为C C。实践实践中采用第一种方法的人数多。第40页，共47页，编辑于2022年，星期六40407).7).岩石三向压缩强度的影响因素岩石三向压缩强度的影响因素岩石三向压缩强度的影响因素岩石三向压缩强度的影响因素（1）侧压力的影响）侧压力的影响 围压越大，轴向压力越大围压越大，轴向压力越大第41页，共47页，编辑于2022年，星期六4141（2）孔隙水压力对岩石三向压缩强度的影响 孔隙水压力使有效应力（围压）减小孔隙水压力使有效应力（围压）减小 强度降低强度降低第42页，共47页，编辑于2022年，星期六4242五、影

28、响岩石强度的因素：五、影响岩石强度的因素：1 1 1 1、岩石的组织结构、岩石的组织结构、岩石的组织结构、岩石的组织结构矿物类别、颗粒大小、分布状态矿物类别、颗粒大小、分布状态矿物类别、颗粒大小、分布状态矿物类别、颗粒大小、分布状态 、胶结物；、胶结物；、胶结物；、胶结物；2 2 2 2、岩石构造裂隙、岩石构造裂隙、岩石构造裂隙、岩石构造裂隙延展规模、裂隙性质、壁面强度延展规模、裂隙性质、壁面强度延展规模、裂隙性质、壁面强度延展规模、裂隙性质、壁面强度 、充填物；、充填物；、充填物；、充填物；3 3 3 3、试件尺寸、试件尺寸、试件尺寸、试件尺寸尺寸增大，强度降低；尺寸增大，强度降低；尺寸增大

29、，强度降低；尺寸增大，强度降低；4 4 4 4、含水、含水、含水、含水含水量大，强度低；含水量大，强度低；含水量大，强度低；含水量大，强度低；5 5 5 5、加载速率、加载速率、加载速率、加载速率速率增加，强度加大（变形不充分）；速率增加，强度加大（变形不充分）；速率增加，强度加大（变形不充分）；速率增加，强度加大（变形不充分）；6 6 6 6、受载状态、受载状态、受载状态、受载状态三等压三不等双压单压剪切三等压三不等双压单压剪切三等压三不等双压单压剪切三等压三不等双压单压剪切 弯曲拉伸弯曲拉伸弯曲拉伸弯曲拉伸第43页，共47页，编辑于2022年，星期六4343六六.破坏后强度破坏后强度l在普

30、通试验机上，常规的测试手段得不到应力-应变全过程曲线；l实际上，岩石在峰值强度后，内部出现了裂纹等，然具有承载力；工程岩石（或岩体）本身就是在残余强度下工作的，（由于地质构造的作用）第44页，共47页，编辑于2022年，星期六4444全应力全应力应变曲线的应变曲线的特点特点：近似对称性 卸载有残余应变，重复加载沿另一曲线上升形成滞环(hysteresis)，加载曲线不过原卸载点，但邻近和原曲线光滑衔接。第45页，共47页，编辑于2022年，星期六4545应力-应变全过程曲线的获得:提高试验机的刚度改变峰值后的加载方式伺服控制试件的位移压缩实验系统受力图第46页，共47页，编辑于2022年，星期六4646第47页，共47页，编辑于2022年，星期六4747