岩石力学第四讲岩石的强度理论讲稿.ppt
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1、岩石力学第四讲岩石的强度理论第一页,讲稿共三十五页哦岩石的强度理论岩石的强度理论一、概述:强度理论、破坏类型与力学原因一、概述:强度理论、破坏类型与力学原因二、最大正变形理论(最大拉伸线应变理论)二、最大正变形理论(最大拉伸线应变理论)三、莫尔三、莫尔-库仑(库仑(Mohr-Coulomb)强度理论)强度理论四、剪应变能强度理论与八面体应力理论四、剪应变能强度理论与八面体应力理论五、联合强度理论五、联合强度理论六、格里菲斯(六、格里菲斯(Griffith)强度理论)强度理论七、七、Hoek-Brown岩石破坏经验判据岩石破坏经验判据第二页,讲稿共三十五页哦第一节、概述:第一节、概述:强度理论、
2、破坏类型与力学原因强度理论、破坏类型与力学原因1、强度理论:、强度理论:岩石的应力、应变达到一定程度后,就会破坏,单轴岩石的应力、应变达到一定程度后,就会破坏,单轴应力下的岩石破坏容易理解,但复杂应力、应变条件下,应力下的岩石破坏容易理解,但复杂应力、应变条件下,岩石是怎么破坏的?应研究。岩石是怎么破坏的?应研究。用以表征岩石的破坏条件的函数(应力、应变函数)用以表征岩石的破坏条件的函数(应力、应变函数),称为破坏判据或,称为破坏判据或强度准则强度准则,强度准则的建立,应反,强度准则的建立,应反映岩石的破坏机理,所有研究岩石破坏原因、过程映岩石的破坏机理,所有研究岩石破坏原因、过程和条件的理论
3、,称为和条件的理论,称为强度理论强度理论。第三页,讲稿共三十五页哦2、岩石按破坏特征可分为:、岩石按破坏特征可分为:脆性破坏(脆性破坏(3%)、延性破坏()、延性破坏(5%)和弱面)和弱面剪切破坏;剪切破坏;按力学机理可分为张性破坏(拉伸破坏)和剪性破坏按力学机理可分为张性破坏(拉伸破坏)和剪性破坏(剪切破坏,包括塑性流动)。每种破坏都是在应力应变(剪切破坏,包括塑性流动)。每种破坏都是在应力应变满足一定条件后发生的。表征岩石的破坏条件的函数称为满足一定条件后发生的。表征岩石的破坏条件的函数称为强度准则。强度准则。本构方程:本构方程:描述物质质点的力学状态(应力、应变状态)、过描述物质质点的力
4、学状态(应力、应变状态)、过程(应力、应变路径)之间的关系及其与时间关系的数学表达式。程(应力、应变路径)之间的关系及其与时间关系的数学表达式。强度理论、破坏类型与力学原因强度理论、破坏类型与力学原因第四页,讲稿共三十五页哦岩岩石石的的破破坏坏型型式式与与机机制制第五页,讲稿共三十五页哦强度理论、破坏类型与力学原因强度理论、破坏类型与力学原因3、张性破坏:、张性破坏:由于岩石受到拉由于岩石受到拉伸或其它承载状伸或其它承载状态衍生的拉伸作态衍生的拉伸作用而引起的破坏用而引起的破坏,称为张性破坏,称为张性破坏,其其特点特点为断裂面为断裂面发生拉开,出现张发生拉开,出现张开的裂缝。开的裂缝。第六页,
5、讲稿共三十五页哦 脆性材料内部有微细裂纹;应力作用下裂纹端部应力集中衍生脆性材料内部有微细裂纹;应力作用下裂纹端部应力集中衍生拉应力;拉应力达到抗拉强度后微细裂纹扩展;微细裂纹扩展连通拉应力;拉应力达到抗拉强度后微细裂纹扩展;微细裂纹扩展连通形成宏观裂缝导致岩石破坏。形成宏观裂缝导致岩石破坏。拉应变达到极限值:拉应变达到极限值:Griffis:微细裂纹端部拉应力集中,到极:微细裂纹端部拉应力集中,到极限值裂纹扩展限值裂纹扩展张性破坏的解释:张性破坏的解释:第七页,讲稿共三十五页哦强度理论、破坏类型与力学原因强度理论、破坏类型与力学原因4、剪切破坏剪切破坏:由剪切作用或压缩衍生的剪应力引起由剪切
6、作用或压缩衍生的剪应力引起的破坏。的破坏。特点特点为沿断裂面发生相互为沿断裂面发生相互错动,出现闭合的裂缝,断裂面错动,出现闭合的裂缝,断裂面上可观察到擦痕。上可观察到擦痕。直接剪切沿剪应力方向错动,压缩直接剪切沿剪应力方向错动,压缩时试件内的剪应力具有对称性,故时试件内的剪应力具有对称性,故破坏时出现交叉裂缝,呈破坏时出现交叉裂缝,呈X形,破坏形,破坏角大于角大于45度。度。第八页,讲稿共三十五页哦压缩引起的剪切破坏压缩引起的剪切破坏第九页,讲稿共三十五页哦第二节、最大正应变理论第二节、最大正应变理论1、最大拉伸线应变理论:其理论根据为压缩时试件沿应力方向产生裂缝并破坏,、最大拉伸线应变理论
7、:其理论根据为压缩时试件沿应力方向产生裂缝并破坏,推广到复杂应力状态。又称最大正应变理论、第二强度理论。适用于脆性材推广到复杂应力状态。又称最大正应变理论、第二强度理论。适用于脆性材料,对塑性材料不适用。料,对塑性材料不适用。2、表述为:不管物体处入怎样的应力状态,最大伸长线应变、表述为:不管物体处入怎样的应力状态,最大伸长线应变3是引起材料断裂破坏是引起材料断裂破坏的主因,当它达到简单拉伸时破坏的线应变的主因,当它达到简单拉伸时破坏的线应变t,材料就发生断裂破坏。,材料就发生断裂破坏。3、破坏判据:、破坏判据:3 t4、推广应用:、推广应用:由虎克定律:由虎克定律:t=t/E 由广义虎克定律
8、:由广义虎克定律:3=3-(2+1)/E 故复杂应力条件下的故复杂应力条件下的最大拉伸线应变理论的应力判据为:最大拉伸线应变理论的应力判据为:3-(2+1)t第十页,讲稿共三十五页哦1、18世纪末,世纪末,Coulomb提出材料破坏是由剪应力引起的,当材料内部某斜提出材料破坏是由剪应力引起的,当材料内部某斜截面的剪应力达到材料的抗剪强度时,就会沿该斜截面产生破裂。材料截面的剪应力达到材料的抗剪强度时,就会沿该斜截面产生破裂。材料的抗剪强度条件可由下式表示的抗剪强度条件可由下式表示(称为库仑准则):称为库仑准则):Sc=tg+C -斜截面上的剪应力;斜截面上的剪应力;Sc-材料的抗剪强度材料的抗
9、剪强度 -斜截面上的正应力(斜截面上的正应力(0)-材料的内摩擦角,材料的内摩擦角,C-材料的内聚力(凝聚力)材料的内聚力(凝聚力)第三节、莫尔第三节、莫尔-库仑(库仑(Mohr-Coulomb)强度理论)强度理论第十一页,讲稿共三十五页哦斜截面上的应力分解与莫尔圆斜截面上的应力分解与莫尔圆1、二向应力状态下斜截面的应力:设斜截、二向应力状态下斜截面的应力:设斜截面与面与x轴的夹角为轴的夹角为,其上的正应力为,其上的正应力为a,剪应力为,剪应力为a,取三角体,根据力的平,取三角体,根据力的平衡原理,可得到衡原理,可得到a 、a 的表达式。的表达式。2、斜截面上的正应力和剪应力随斜、斜截面上的正
10、应力和剪应力随斜截面的方位改变。截面的方位改变。3、两个互相垂直的截面上的正应力之、两个互相垂直的截面上的正应力之和为常数,其上的剪应力等值反号(剪和为常数,其上的剪应力等值反号(剪力互等原理)力互等原理)公式公式:a=(x+y)/2+(x-y)/2*cos2a-xysin2aa=(x-y)/2sin2a+xycos2a第十二页,讲稿共三十五页哦4、应力圆(莫尔圆):、应力圆(莫尔圆):实际上是斜截面上应力的实际上是斜截面上应力的图解法图解法。建立建立-坐标系,确定坐标系,确定 D1点(点(x,x y),再确定),再确定 D2点的位置(点的位置(y,y x),),注意注意x y=-x y(剪力
11、互等),连接(剪力互等),连接D1、D2两点,与两点,与轴交于点轴交于点C,以,以C点为圆点为圆心,心,CD1为半径划圆,即应力圆为半径划圆,即应力圆(莫尔圆)(莫尔圆)5、欲求斜截面(与、欲求斜截面(与x轴的夹角为轴的夹角为)上的)上的正应力和剪应力,可自正应力和剪应力,可自 D1点沿圆周旋点沿圆周旋转转2a度,度,E点的坐标代表此斜截面的正点的坐标代表此斜截面的正应力、剪应力。应力、剪应力。6、应力圆与、应力圆与轴的交点为主应力。轴的交点为主应力。其值分别为圆心坐标其值分别为圆心坐标半径半径应力圆的圆心坐标为:应力圆的圆心坐标为:(x+y)/2,0)应力圆的半径为:应力圆的半径为:(x+y
12、)/2)2+xy2斜截面上的应力分解与莫尔圆斜截面上的应力分解与莫尔圆2第十三页,讲稿共三十五页哦三轴应力状态下的应力圆三轴应力状态下的应力圆1、A平行于平行于2轴的应力状态轴的应力状态2、B平行于平行于3轴的应力状态轴的应力状态3、C平行于平行于1轴的应力状态轴的应力状态以以A圆为最大圆为最大一点的应力状态一点的应力状态在平面条件下的应力圆在平面条件下的应力圆第十四页,讲稿共三十五页哦主应力条件下的莫尔圆主应力条件下的莫尔圆圆心圆心半径半径第十五页,讲稿共三十五页哦三、莫尔三、莫尔-库仑(库仑(Mohr-Coulomb)强度理论)强度理论22、1900年年Mohr认为:剪应力达到某一极限值时
13、,就沿该斜截面破裂,但破坏认为:剪应力达到某一极限值时,就沿该斜截面破裂,但破坏与剪切面上的正应力有关(滑面上摩擦力作用),此极限值为正应力的函与剪切面上的正应力有关(滑面上摩擦力作用),此极限值为正应力的函数,既:数,既:Sc=f(),为一条曲线。称为莫尔准则,库仑准则为直线,为莫尔准),为一条曲线。称为莫尔准则,库仑准则为直线,为莫尔准则的特例,统称莫尔则的特例,统称莫尔-库仑准则库仑准则3、莫尔强度曲线:由破坏时的极限应力状态绘制的应力圆称为、莫尔强度曲线:由破坏时的极限应力状态绘制的应力圆称为极限莫尔圆极限莫尔圆,此,此应力圆必定与应力圆必定与Sc=f()曲线相切(即满足破坏准则),对
14、同种岩石改变)曲线相切(即满足破坏准则),对同种岩石改变不同的正应力做强度实验,可绘出一系列不同的正应力做强度实验,可绘出一系列 极限莫尔圆,其包络线既为极限莫尔圆,其包络线既为莫尔强度曲线。由于剪力互等,曲线上下对称。莫尔强度曲线。由于剪力互等,曲线上下对称。强度曲线的应用:应力圆在强强度曲线的应用:应力圆在强 度曲线以内,表度曲线以内,表明这点的应力状态是安全的,若与曲线相切,表明明这点的应力状态是安全的,若与曲线相切,表明岩石将沿该点所代表的斜截面破坏。切点所代表的岩石将沿该点所代表的斜截面破坏。切点所代表的面就是破坏面,此面与中间主应力面就是破坏面,此面与中间主应力2平行。平行。莫尔准
15、则认为:在三向应力条件下,岩石的破莫尔准则认为:在三向应力条件下,岩石的破坏与中间主应力无关。坏与中间主应力无关。第十六页,讲稿共三十五页哦岩石的强度条件岩石的强度条件强度线强度线应力圆应力圆极限应力圆极限应力圆极限莫尔圆极限莫尔圆强度曲线强度曲线强度包络线强度包络线第十七页,讲稿共三十五页哦三、莫尔三、莫尔-库仑(库仑(Mohr-Coulomb)强度理论)强度理论34、破坏面法向与最大主应力方向的夹角:、破坏面法向与最大主应力方向的夹角:N点代表破坏面,破坏面法线与主应力夹点代表破坏面,破坏面法线与主应力夹角角a,2a=90+,故,故a=45+/2。破坏圆上凡是破坏圆上凡是a=45+/2的面
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