岩石的强度特性 (2)幻灯片.ppt

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1、岩石的强度特性第1页，共44页，编辑于2022年，星期六岩石的强度特性第2页，共44页，编辑于2022年，星期六一一 岩石的单轴抗压强度岩石的单轴抗压强度二二 岩石的抗拉强度岩石的抗拉强度三三 岩石的抗剪强度岩石的抗剪强度四四 岩石在三向压缩应力作用下的强度岩石在三向压缩应力作用下的强度 第二节第二节 岩石的强度特性岩石的强度特性第3页，共44页，编辑于2022年，星期六第二节第二节 岩石的强度特性岩石的强度特性 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 2 最大允许变形许用应变最大允许变形许用应变？本节讨论本节讨论 问题问题 强度：材

2、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。强度强度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真三轴真三轴假三轴假三轴第4页，共44页，编辑于2022年，星期六一一 岩石的单轴抗压强度岩石的单轴抗压强度1.1.定义：指岩石试件在无侧限的条件下，受轴向压力定义：指岩石试件在无侧限的条件下，受轴向压力作用破坏时单位面积上承受的荷载。作用破坏时单位面积上承受的荷载。式中：式中：PP无侧限的条件下的轴向破坏荷载无侧限的条件下的轴向破坏荷载 AA试件截面积试件截面积 2.2.试验方法试验方法:在压力机上按一定加载速率在压力机上按一定加载速率 单向加压直至

3、试件破坏。单向加压直至试件破坏。圆柱形试件：圆柱形试件：4.85.2cm，高，高H=（22.5)长方体试件：边长长方体试件：边长 L=4.85.2cm 高高 H=（22.5)L 试件两端不平度小于试件两端不平度小于0.05mm；尺寸误差；尺寸误差0.3mm；两端面垂直于轴线两端面垂直于轴线0.25试件标准试件标准第5页，共44页，编辑于2022年，星期六3.3.单向压缩试件的破坏形态单向压缩试件的破坏形态 破坏形态有两类：破坏形态有两类：（1 1）圆锥形破坏）圆锥形破坏 原因：压板两端存在摩擦力，原因：压板两端存在摩擦力，箍作用（又称端部效应），在工程中也会出现。箍作用（又称端部效应），在工程

4、中也会出现。（2 2）柱状劈裂破坏）柱状劈裂破坏 张拉破坏（岩石的抗拉强度张拉破坏（岩石的抗拉强度远小于抗压强度）是岩石单向压缩破坏的真实反远小于抗压强度）是岩石单向压缩破坏的真实反映（消除了端部效应）映（消除了端部效应）消除试件端部约束的方法消除试件端部约束的方法:润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部）润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部）加长试件加长试件 破坏形态是表现破坏机理的重要特征，其主破坏形态是表现破坏机理的重要特征，其主要影响因素：要影响因素：应力状态应力状态 试验条件试验条件第6页，共44页，编辑于2022年，星期六第7页，共44页，编辑于2022年，星期六第8页，共44页

5、，编辑于2022年，星期六1试样端面的压应力分布图岩块在单轴压缩条件下的破坏型式单轴压缩试样端面的应力分布及破坏型式单轴压缩试样端面的应力分布及破坏型式劈裂破坏1剪切破坏1对顶锥破坏1 1 1 第9页，共44页，编辑于2022年，星期六第10页，共44页，编辑于2022年，星期六4.4.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）承压板端部摩擦力及其刚度（加垫块依据）承压板端部摩擦力及其刚度（加垫块依据）（2 2）试件的形状和尺寸）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

6、；倍；5050的依据的依据 高径比：研究表明；高径比：研究表明；h/d(2h/d(23)3)较合理较合理（3 3）加载速度：加载速度越大，表现强度越高）加载速度：加载速度越大，表现强度越高(见见图图2 25)5)，我国规定加载速度为，我国规定加载速度为0.5 0.5 1.0MPa/s1.0MPa/s（4 4）环境）环境 含水量：含水量越大强度越低；岩石越软越含水量：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，干燥强度是饱和明显，对泥岩、粘土等软弱岩体，干燥强度是饱和强度的强度的2 23 3倍。见表倍。见表2 22 2 温度：温度：180180以下部以下部明显：大于明显：大于18

7、0180，温度越高强度越小。，温度越高强度越小。第11页，共44页，编辑于2022年，星期六第12页，共44页，编辑于2022年，星期六表3-1 岩石的单轴抗压强度和抗拉强度岩 石名 称抗压强度(MPa)抗拉强度(MPa)岩 石名 称抗压强度(MPa)抗拉强度(MPa)花 岗 岩100250725石 灰岩30250525闪 长 岩1803001530白 云岩802501525粗 玄岩2003501535煤55025玄 武 岩1503001030片 麻岩50200520砂 岩20170425大 理岩100250720页 岩10100210板 岩100200720第13页，共44页，编辑于2022

8、年，星期六第14页，共44页，编辑于2022年，星期六二二 岩石的抗拉强度岩石的抗拉强度 1 1、定义、定义 岩石试件在受到轴向拉应力后其试件发岩石试件在受到轴向拉应力后其试件发生破坏时的单位面积上所受的拉力。生破坏时的单位面积上所受的拉力。2 2、抗拉强度试验、抗拉强度试验 由于试件不易加工，除研究直接的拉伸由于试件不易加工，除研究直接的拉伸的夹具外，研究了大量的间接试验方法。的夹具外，研究了大量的间接试验方法。（1 1）直接拉伸法）直接拉伸法 抗拉强度抗拉强度关键技术关键技术试件和夹具之间的连接试件和夹具之间的连接加力加力P P与试件同心与试件同心第15页，共44页，编辑于2022年，星期

9、六 直直接接拉拉伸伸试试验验第16页，共44页，编辑于2022年，星期六 1 1）抗弯法（梁的三点弯曲试验）抗弯法（梁的三点弯曲试验）抗拉强度抗拉强度（2 2）间接拉伸方法间接拉伸方法岩石是各向同性的线弹性材料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满足平面假设的对称面内弯曲适用条件适用条件 三点弯曲梁内的最大拉应力；三点弯曲梁内的最大拉应力；梁发生破坏时的梁发生破坏时的 就是就是M M 作用在试件上的最大弯矩作用在试件上的最大弯矩C C 梁边缘到中性轴的距离梁边缘到中性轴的距离I I 梁截面绕中性轴的惯性矩梁截面绕中性轴的惯性矩 第17页，共44页，编辑于2022年，星期六 对称

10、径向压裂法由巴西人对称径向压裂法由巴西人HondrosHondros提出提出故称巴西法。故称巴西法。试件：实心圆柱试件：实心圆柱50mm50mm；25mm 25mm试验：径向压缩破坏（张开）试验：径向压缩破坏（张开）计算公式：由弹性力学公式直接给出计算公式：由弹性力学公式直接给出式中：式中：试验中心的最大拉应力，即试验中心的最大拉应力，即 2 2）劈裂法（巴西法）劈裂法（巴西法）第18页，共44页，编辑于2022年，星期六要求要求荷载沿轴向均匀分布荷载沿轴向均匀分布破坏面必须通过试件的直径破坏面必须通过试件的直径注：注：端部效应端部效应 并非完全单向应力并非完全单向应力第19页，共44页，编辑

11、于2022年，星期六岩石抗拉强度试验（劈裂法）岩石抗拉强度试验（劈裂法）PP劈裂法试验示意图1承压板；2试件；3钢丝垫条P试件破坏时的极限压力123试验试件标准尺寸：直径 D=5 cm；厚度 t=5cm试件破坏时作用在试件中心的 最大拉应力为：第20页，共44页，编辑于2022年，星期六3 3）点荷载试验法）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。的现场试验方法。试件：任何形状，尺寸大致试件：任何形状，尺寸大致5cm5cm，可做简单加工。，可做简单加工。试验：可在现场的点荷载仪上加载劈裂破坏。试验：可在现场的点荷载仪上加载劈裂破

12、坏。第21页，共44页，编辑于2022年，星期六Pt 岩石点荷载强度试验岩石点荷载强度试验Pt 圆饼体点荷载加荷方式圆饼体点荷载加荷方式圆柱体点荷载加荷方式圆柱体点荷载加荷方式Pt Pt 第22页，共44页，编辑于2022年，星期六圆饼体点荷载加荷方式Dt圆柱体点荷载加荷方式DL D上述式中：上述式中：试样抗拉强度，试样抗拉强度，f/f/2 2 ；PP试样破坏时点荷载，试样破坏时点荷载，f f；D D 试样直径，试样直径，；t t 试样厚度，；试样厚度，；L L 试样长度，试样长度，。岩石抗拉强度与点荷载岩石抗拉强度与点荷载圆饼体点荷载加荷方式Dt第23页，共44页，编辑于2022年，星期六

13、计算点荷载强度计算点荷载强度I I 式中：式中：P P 试件破坏时的极限试件破坏时的极限 D D 加载点试件的厚度加载点试件的厚度统计公式：统计公式：要求要求:由于离散性大，试件要有足够数量取均值（一由于离散性大，试件要有足够数量取均值（一般每组般每组1515个以上），即个以上），即建议：用建议：用5cm5cm的钻孔岩芯为试件结果更理想。的钻孔岩芯为试件结果更理想。第24页，共44页，编辑于2022年，星期六三三 岩石的抗剪强度岩石的抗剪强度 1.1.定义定义 指一定的应力条件下（主要指压应力），所指一定的应力条件下（主要指压应力），所能抵抗的最大剪应力。常用能抵抗的最大剪应力。常用表示表示

14、2.2.类型类型a.a.抗剪断试验抗剪断试验b.b.抗切断试验抗切断试验c.c.弱面抗剪试验弱面抗剪试验第25页，共44页，编辑于2022年，星期六岩石抗剪强度岩石抗剪强度岩石的剪切强度有三种：岩石的剪切强度有三种：抗剪断强度抗剪断强度抗切强度抗切强度弱面抗剪弱面抗剪切强度切强度3.剪切试验第26页，共44页，编辑于2022年，星期六 直接剪切试验直接剪切试验采用直接剪切仪来进行。岩石的直接剪切仪与土的直接剪切仪类似，试验仪器装置如图3-7a所示。仪器主要由上、下两个刚性匣子所组成，试件在平面内的尺寸，水利水电工程岩石试验规程(1981年试行)规定：对测定软弱结构面的试件，规定为1515303

15、0cm，并规定结构面上、下岩石的厚度分别约为断面尺寸的1/2左右，对于测定岩石本身抗剪强度的试件没有明确规定，一般用55cm。第27页，共44页，编辑于2022年，星期六直接剪切试验每次试验时，先在试样上施加垂直荷载P，然后在水平方向逐渐施加水平剪切力T，直至达到最大值发生破坏为止。第28页，共44页，编辑于2022年，星期六直接剪切试验从图上还可以看出，剩余强度也就是失去凝聚力而仅有内摩擦力的强度，根据研究，失去凝聚力的原因主要是由于不断位移引起晶格错位的缘故。第29页，共44页，编辑于2022年，星期六楔形剪切试验楔形剪切试验用楔形剪切仪进行。这种仪器的主要装置见图3-11(a)。试验时的

16、受力情况见图3-11(b)。把装有试件的这种装置放在压力机上进行加压，直至试件沿着AB面发生剪切破坏。所以这种试验实际上也是另一种形式的直接剪切试验。图3-11 楔形剪切仪 图3-12 楔形剪切试验结果 第30页，共44页，编辑于2022年，星期六PsinPcosNQ变变角角板板法法剪剪切切试试验验PP ffP楔形剪切试验第31页，共44页，编辑于2022年，星期六计算公式计算公式 受剪面法向力及切向力受剪面法向力及切向力：式中：式中：p压力机的总压力压力机的总压力 试件倾角试件倾角 f 圆柱形滚子与上下压板的摩擦系数圆柱形滚子与上下压板的摩擦系数 受剪面受剪面法向应力：法向应力：剪应力：剪应

17、力：第32页，共44页，编辑于2022年，星期六 岩石的抗剪断岩石的抗剪断曲线（强度曲线）曲线（强度曲线）改变夹具倾角改变夹具倾角；在在3030度到度到7070度之间度之间 做一组（大于做一组（大于5 5次）不同次）不同的试验，记录所得的试验，记录所得的的 ，值；由该组值作曲线近似直线得值；由该组值作曲线近似直线得方程：方程：式中：式中：tantan岩石抗剪切内摩擦系数岩石抗剪切内摩擦系数 c c 岩石的粘结力（内聚力）岩石的粘结力（内聚力）第33页，共44页，编辑于2022年，星期六第34页，共44页，编辑于2022年，星期六四四岩石在三向压缩应力作用下的强度岩石在三向压缩应力作用下的强度1

18、.1.定义：定义：指在不同三向压缩应力作用指在不同三向压缩应力作用下岩石抵抗外荷载的最大应力下岩石抵抗外荷载的最大应力 2.2.三向压缩试验简介三向压缩试验简介 （1 1）真三轴真三轴 见图见图 （2 2）假三轴假三轴 见图见图0000第35页，共44页，编辑于2022年，星期六轴压缩试验轴压缩试验这这种种试试验验就就是是利利用用三三轴轴向向压压力力试试验验的的成成果果来来求求出出剪剪切切面面上上的的与与的的关关系系。试试验验的的装装置置(图图3-13)与与试试验验的的方方法和土的三轴压力试验相类似，法和土的三轴压力试验相类似，图图13 13 三轴试验装置示意图三轴试验装置示意图1-1-施加垂

19、直压力；施加垂直压力；2-2-侧压力液体出口；侧压力液体出口；3-3-侧压力液体进口；侧压力液体进口；4-4-密封设备；密封设备；5-5-压压力室；力室；6-6-侧压力；侧压力；7-7-球状底座；球状底座；8-8-试件试件 第36页，共44页，编辑于2022年，星期六三轴压缩试验三轴压缩试验这这种种试试验验就就是是利利用用三三轴轴向向压压力力试试验验的的成成果果来来求求出出剪剪切切面面上上的的与与的的关关系系。试试验验的的装装置置(图图3-13)与与试试验验的的方方法法和和土的三轴压力试验相类似，土的三轴压力试验相类似，图图-14 极限莫尔应力圆极限莫尔应力圆 图图-15 角闪岩的三轴试验结果

20、角闪岩的三轴试验结果 第37页，共44页，编辑于2022年，星期六第38页，共44页，编辑于2022年，星期六第39页，共44页，编辑于2022年，星期六3.3.三轴压缩试验的破坏类型三轴压缩试验的破坏类型第40页，共44页，编辑于2022年，星期六4.4.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 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44页，编辑于2022年，星期六（2 2）加载途径对岩石三向压缩强度影响（图）加载途径对岩石三向压缩强度影响（图2-132-13）A A、B B、C C三条虚线是三个不同的加载途径，三条虚线是三个

21、不同的加载途径，加载途径对岩的最终三向压缩强度影响不大。加载途径对岩的最终三向压缩强度影响不大。第42页，共44页，编辑于2022年，星期六（3 3）孔隙水压力对岩石三向压缩强度的影响）孔隙水压力对岩石三向压缩强度的影响 孔隙水压力使孔隙水压力使有效应力（围压）减小强度降低有效应力（围压）减小强度降低有水有水无水无水 孔隙水压力的存在（有效应力减小）孔隙水压力的存在（有效应力减小）使应力圆向左侧移动使应力圆向左侧移动 因此降低了岩石的极限应力因此降低了岩石的极限应力第43页，共44页，编辑于2022年，星期六PPsinPcosNQQNPQNf P P ffP第44页，共44页，编辑于2022年，星期六