岩石的力学性质强性质.pptx

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1、会计学1岩石的力学性质强性质岩石的力学性质强性质2一、岩石的容重一、岩石的容重二、岩石的比重二、岩石的比重 三、岩石的孔隙性三、岩石的孔隙性四、岩石的水理性质四、岩石的水理性质上次课内容上次课内容岩石的基本物理性质岩石的基本物理性质含水性含水性含水性含水性吸水性吸水性吸水性吸水性透水性透水性透水性透水性软化性软化性软化性软化性抗冻性抗冻性抗冻性抗冻性膨胀性膨胀性膨胀性膨胀性崩解性崩解性崩解性崩解性第1页/共49页32.4 2.4 2.4 2.4 岩石的力学性质岩石的力学性质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岩石的性质与组成岩石的矿物颗粒以及其间的胶结物性

2、质有关。分为固结性岩石和松散性岩石。物性质有关。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。颗粒间的结合力破坏，如粘土，砂土等。第2页/共49页4岩石的力学性质岩石的力学性质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

3、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.a.a.单向压缩变形单向压缩变形单向压缩变形单向压缩变形b.b.b.b.反复加载变形反复加载变形反复加载变形反复加载变形c.c.c.c.三轴压缩变形三轴压缩变形三轴压缩变形三轴压缩变形强强强强度度度度特特特特性性性性单向抗压强度单向抗压强度单向抗压强度单向抗压强度单向抗

4、拉强度单向抗拉强度单向抗拉强度单向抗拉强度剪切强度剪切强度剪切强度剪切强度三轴压缩三轴压缩三轴压缩三轴压缩第3页/共49页5岩石的力学性质岩石的力学性质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 2 最大允许变形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49页6一一一一 岩石的单轴抗压强度岩石的单轴抗压强度岩石的单轴抗压强度岩石的单轴抗压强度1.定义定义：岩石在岩石在单

5、轴压缩荷载单轴压缩荷载作用下达到破坏前作用下达到破坏前所能承受的所能承受的最大压应力最大压应力称为岩石的单轴抗压强度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 A第5页/共49页72.2.试验方法试验方法n n(钻机钻机)岩石试件岩石试件第6页/共49页8切割机第7页/共49页9a.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;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

6、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49页10试试试试验验验验机机机机第9页/共49页11 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49页12非标准试件的对试验结果的影响及其修非标准试件的对试验结果的影响及其修正正 圆柱形试件：D一般不小于50mm，高L=（2.53)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

7、11页/共49页133.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49页144.4.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

8、；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泥岩、粘土等软弱岩体，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，温度越高强度越小。越小。第1

9、3页/共49页15第14页/共49页16二二二二 岩石的抗拉强度岩石的抗拉强度岩石的抗拉强度岩石的抗拉强度定义：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。直接试验直接试验直接试验直接试验间接试验间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49页171.直接拉伸试验加载和试件示直接拉伸试验加载和试件示意图意图第16页/共49页18n计算公式：破坏时的最大破坏时的最大轴向拉伸荷载轴向拉伸荷载(Pt)(Pt)除以试件除以试件的横截面积的横截面积(

10、A)(A)。即：。即：t t=Pt t/A第17页/共49页19直接拉伸试验加载和试件示意图直接拉伸试验加载和试件示意图限制性限制性第18页/共49页202.2.2.2.间接方法间接方法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49页21（2 2 2 2）劈裂法（巴西法）劈裂法（巴西法）劈裂法（巴西法）劈裂法（巴西法）要求荷载沿轴向均匀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

11、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49页22a 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。压缩拉伸第21页/共49页23n nb.b.b.b.应力分布：应力分布：应力分布：应力分布：圆盘在压应力的圆盘在压应力的作用下，作用下，在边缘处，沿圆盘直，沿圆盘直径径y yy y的应力分布和的应力分布和x xx x方向方向均为压应力。而离开边缘后，均为压应力。而离开边缘后，沿沿y yy y方向仍为压应力，但应方向仍为压应力，但应力值比边缘处显著减少。并趋力值比边缘处显著减少。并

12、趋于均匀化；于均匀化；x xx x方向变成拉应方向变成拉应力。并在沿力。并在沿y yy y的很长一段距的很长一段距离上呈均匀分布状态。离上呈均匀分布状态。n nc.c.c.c.破坏原因：破坏原因：破坏原因：破坏原因：由于岩石的抗拉由于岩石的抗拉强度很低，所以试件还是由于强度很低，所以试件还是由于x x方向的方向的拉应力而导致试件沿而导致试件沿直径的劈裂破坏。破坏是从直直径的劈裂破坏。破坏是从直径中心开始，然后向两端发展，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反映了岩石的抗拉强度比抗压强度要低得多的事实。强度要低得多的事实。第22页/共49页24（3 3 3 3）点荷载试验法）点

13、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的现场试验方法。是上世纪发展起来的一种简便的现场试验方法。试件：试件：试件：试件：任何形状，尺寸大致任何形状，尺寸大致5 50mm0mm，不做任何加工。不做任何加工。试验：试验：试验：试验：在直接带到现场的点荷载仪上，加载劈裂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；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49页25l小型点载荷设备：手动液压泵一个液压千斤顶一对圆锥形的加载头第24页/共49页26计算：式中：P 试件破坏时的极限强度

14、 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49页27三三三三 岩石的抗剪强度岩石的抗剪强度岩石的抗剪强度岩石的抗剪强度定义定义定义定义 岩石在岩石在剪切荷载作用下达到破坏前所能承受作用下达到破坏前所能承受的的最大剪应力称为岩石的称为岩石的抗剪切强度（Shear Shear strengthstrength）。所能抵抗的最大剪应力常用）。所能抵抗的最大剪应力常用 表示表示 剪切强度试验分为剪切强度试验分为剪切强度试验分为剪切强度试验分为非限制性剪切强度非限制性剪切强度试试试试验（验（验（验（Unconfined

15、 shear strength testUnconfined shear strength testUnconfined shear strength testUnconfined shear strength test）和）和）和）和限限制性剪切强度制性剪切强度试验（试验（试验（试验（Confined shear strength Confined shear strength Confined shear strength Confined shear strength testtesttesttest）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非限制性剪切试验在剪

16、切面上只有剪应力非限制性剪切试验在剪切面上只有剪应力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存在，没有正应力存在；限制性剪切试验在剪存在，没有正应力存在；限制性剪切试验在剪存在，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。切面上除了存在剪应力外，还存在正应力。切面上除了存在剪应力外，还存在正应力。切面上除了存在剪应力外，还存在正应力。第26页/共49页28n1 1 四种典型的非限制性剪切强四种典型的非限制性剪切强度试验：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49页29n1 1）

17、非限制性剪切强度记为）非限制性剪切强度记为S So o计计算公式：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-r-冲击孔半径冲击孔半径 a-a-试件厚度试件厚度（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：McMc试件被剪断前达到的最大扭矩（试件被剪断前达到的最大扭矩（N N m m）D D试件直径（试件直径（m m）第28页/共49页30n2 2 四种典型的限制性剪切强度四种典型的限制性剪切强度试验试验 a.a.直剪仪（剪切盒）压剪试验（单面剪）直剪仪（剪切盒）压剪试验（单面

18、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.d.角模压剪试验（变角剪切试验）角模压剪试验（变角剪切试验）第29页/共49页31n1 1）HoekHoek直剪仪试验装置直剪仪试验装置第30页/共49页32n2 2）角模压剪试验及受力分析示）角模压剪试验及受力分析示意图意图在压力在压力P P的作用下，剪切面上可分解为的作用下，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/APsin/A b.b.垂直剪切面的正应力垂直剪切面的正应力Pcos/APcos/A第31页/共49页33n3 3）限制性剪切强度试验结果及

19、其分限制性剪切强度试验结果及其分析析n n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。能承受的剪应力也越大。n n原因：剪切破坏一要克服内聚力，二要克服摩擦力，正原因：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。应力越大，摩擦力也越大。n n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。将所有点连接起来就获得了莫尔强度包络线，如图所示。有点连接起来就获得

20、了莫尔强度包络线，如图所示。第32页/共49页34n n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。能使破坏面保持滑动所需的较小剪岩石沿剪切面滑动。能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。应力就是破坏面的残余强度。n n正应力越大，残余强度越高，如图所示。所以只要有正正应力越大，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。应力存在，岩石剪切破坏面仍具有抗剪切的能力

21、。第33页/共49页35四四.三轴抗压强度三轴抗压强度 n n 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)。n n与单轴压缩试验相比，试件除受轴向压力外，还受侧向压力。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49页36n1)实验加载方式：n na.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 1

22、 2 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，因而实用意义不大。故极少有人做这样的三轴试验。实用意义不大。故极少有人做这样的三轴试验。n nb.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。轴向压力的加载方式与单单 轴压缩试验相同。轴压缩试验相同。但由于有了侧向压力，

23、其加载上时的端部效应比单轴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。加载时要轻微得多。n n应力状态：应力状态：1 1 2 2=3 3第35页/共49页37n三轴压缩试验加载示意图三轴压缩试验加载示意图n n真三轴真三轴1 12 2 3 3n n伪三轴伪三轴1 12 2=3 3第36页/共49页38n2)2)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。其试验装置示意图如下施加到试件中。其

24、试验装置示意图如下。第37页/共49页39n3)3)第一个经典三轴试验第一个经典三轴试验na.试验者和时间：意大利人冯意大利人冯 卡门卡门(Von(Von Karman)Karman)于于19111911年完成的。年完成的。nb.试验岩石：白色圆柱体大理石试件，该大理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。石具有很细的颗粒并且是非常均质的。nc.试验发现：在围压为零或较低时，大理石试件以在围压为零或较低时，大理石试件以脆性方式方式破坏，沿破坏，沿一组倾斜的裂隙破坏。的裂隙破坏。随着围压的增加，试件的随着围压的增加，试件的延性变形和变形和强度都不都不断增加，直至出现完全延性

25、或断增加，直至出现完全延性或塑性流动变形，变形，并伴随并伴随工作硬化，试件也变成，试件也变成粗腰桶形的。的。在试验开始阶段，试件体积减小，当达到在试验开始阶段，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。第38页/共49页40n4)4)三轴试验与莫尔强度包络线三轴试验与莫尔强度包络线na.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：就是对于同一种岩石的不同试件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络线的形式给出。莫尔强度包络线的形式给

26、出。nb.b.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，通常也将单轴压缩试验和拉伸试验破坏时的应力莫尔圆，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线。如图所示。用于绘制应力莫尔强度包络线。如图所示。n n曲线形：曲线形：n n直线形：直线形：第39页/共49页41n5)5)三轴试验岩石强度参数的确三轴试验岩石强度参数的确定定n na.a.a.a.直线形：直线

27、形：直线形：直线形：轴的截距称为岩石的粘结力（或轴的截距称为岩石的粘结力（或称内聚力），记为称内聚力），记为C C（MPaMPa），与），与轴的夹角称轴的夹角称为岩石的内摩擦角，记为为岩石的内摩擦角，记为（度）。（度）。n nb.b.b.b.曲线形：曲线形：曲线形：曲线形：n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轴的截距定为C C，将，将包络线与包络线与轴相交点的包络线外切线与轴相交点的包络线外切线与轴夹轴夹角定为内摩擦角。角定为内摩擦角。n另一种方法建议根据实际应力状态在莫尔包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，络线上找到相应点，在该点

28、作包络线外切线，外切线与外切线与轴夹角为内摩擦角，外切线及其延轴夹角为内摩擦角，外切线及其延长线与长线与轴相交之截距即为轴相交之截距即为C C。实践实践中采用第一种方法的人数多。中采用第一种方法的人数多。第40页/共49页426).6).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49页43（2 2 2 2）孔隙水压力对岩石三向压缩强度的影）孔隙水压力对岩石三向压缩强度的影）孔隙水压力对岩石三向压缩强度的影）孔隙水压力对岩石三向压缩强度的影响响响响 孔隙水压力使有效应力（围压孔隙水压力使有效应

29、力（围压）减小减小 强度降低强度降低第42页/共49页44五、影响岩石强度的因素：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、岩岩岩岩石石石石构构构构造造造造裂裂裂裂隙隙隙隙延延延延展展展展规规规规模模模模、裂裂裂裂隙隙隙隙性性性性质质质质、壁壁壁壁面面面面强强强强度度度度 、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

30、寸增大，强度降低；尺寸增大，强度降低；尺寸增大，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、受受受受载载载载状状状状态态态态三三三三等等等等压压压压三三三三不不不不等等等等双双双双压压压压单单单单压压压压剪剪剪剪切切切切 弯曲拉伸弯曲拉伸弯曲拉伸弯曲拉伸第43页/共49页45六六.破坏后强度破坏后

31、强度l在普通试验机上，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49页46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49页47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49页48第47页/共49页49习习 题题1、为什么刚性试验机能测出岩石的全过程应力应变曲线？2、劈裂法测定岩石抗拉强度的原理是什么？第48页/共49页