岩石力学的性质

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1、1 岩 石 的 力 学 性 质 岩 石 强 度 与 外 力 有 关 a.外 力 性 质 ： 动 载 荷 、 静 载 荷 b.外 力 方 式 ： 拉 伸 、 压 缩 、 剪 切 C.应 力 状 态 ： 单 向 、 双 向 、 三 向 1.1 岩 石 单 轴 抗 压 强 度 1） 定 义 ： 岩 石 在 单 轴 压 缩 荷 载 作 用 下 达 到 破 坏前 所 能 承 受 的 最 大 压 应 力 称 为 岩 石 的 单 轴 抗 压 强度 (Uniaxial compressive strength)， 或 称 为 非 限制 性 抗 压 强 度 (unconfined compressive str

2、ength)。 如 图 所 示 。 2） 计 算 公 式 ： c=P/A 3） 4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.塑 性 流 动 变 形 ， 线 应 变 10 。4.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 。 4)实 验 方 法 a.试 件 标

3、 准 立 方 体 50 50 50mm或 70 70 70mm 圆 柱 体 ， 但 使 用 最 广 泛 的 是 圆 柱 体 。 圆 柱 体 直 径D一 般 不 小 于 50mm。 L/D=2.53.0（ 国 际 岩 石 力学 委 员 会 ISRM建 议 的 尺 寸 ） 要 求 ： 两 端 不 平 度 0.5mm； 尺 寸 误 差 0.3mm；两 端 面 垂 直 于 轴 线 误 差 0.25度 。 加 载 速 率 ： 0.5 0.8Pa/s b.非 标 准 试 件 的 对 试 验 结 果 的 影 响 及 其 修 正 c.压 缩 实 验 设 备 示 意 图 (500t压 力 机 ) d. 端 部

4、效 应 及 其 消 除 方 法 端 部 效 应 : 消 除 方 法 : 润 滑 试 件 端 部 （ 如 垫 云 母 片 ； 涂 黄 油 在 端 部 ） 加 长 试 件 5)水 对 单 轴 抗 压 强 度 的 影 响 软 化 系 数 岩 石 的 软 化 系 数 ： 饱 和 岩 石 抗 压 强 度 b与干 燥 岩 石 抗 压 强 度 c之 比=b/ c1 1.2岩 石 单 轴 抗 拉 强 度 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) ,。

5、 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 ， 岩 石 的 拉 伸 破 坏 试 验分 直 接 试 验 和 间 接 试 验 两 类 。 2)直 接 拉 伸 试 验 加 载 和 试 件 示 意 图 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=Pt/A 2)直 接 拉 伸 试 验 加 载 和 试 件 示 意 图 （ 续 ） 3)间 接 拉 伸 试 验 加 载 和 试 件 示 意 图 巴 西 试 验 法 （ Brazilian test） ， 俗 称 劈

6、 裂 试 验 法 。 a.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。 b.应 力 分 布 ： 圆 盘 在 压 应 力 的 作 用 下 ， 沿 圆 盘 直 径 yy的应 力 分 布 和 xx方 向 均 为 压 应 力 。 而 离 开 边 缘 后 ， 沿 yy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 ； xx方 向 变 成 拉 应 力 。 并 在 沿 yy的 很 长 一 段 距 离上

7、 呈 均 匀 分 布 状 态 。 c.破 坏 原 因 ： 从 图 可 以 看 出 ， 虽 然 拉 应 力 的 值 比 压 应 力 值低 很 多 ， 但 由 于 岩 石 的 抗 拉 强 度 很 低 ， 所 以 试 件 还 是 由 于x方 向 的 拉 应 力 而 导 致 试 件 沿 直 径 的 劈 裂 破 坏 。 破 坏 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 低 得 多 的 事 实 。 d.计 算 公 式 ： t=x=-2P/dt y=(1/r1+1/r2-1/d)2P/t 圆 盘 中 心 处 ： t=x=-

8、2P/dt y=6P/dt 1.3抗 剪 切 强 度 1)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） 。 剪 切 强 度 试 验 分 为 非 限 制 性 剪 切 强 度 试 验（ Unconfined shear strength test） 和 限 制 性 剪切 强 度 试 验 （ Confined shear strength test） 二类 。 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

9、 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 。 2） 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 ， 分 别 见 图 。 3） 非 限 制 性 剪 切 强 度 记 为 So计 算 公 式 ： （ a） 单 面 剪 切 试 验 So=Fc/A （ b） 冲 击 剪 切 试 验 So=Fc/2ra （ c） 双 面 剪 切 试 验 So=Fc/2A （ d） 扭 转 剪 切 试 验 So

10、=16M c /D3 式 中 ： Mc试 件 被 剪 断 前 达 到 的 最 大 扭 矩 （ Nm） D试 件 直 径 （ m） 4） 四 种 典 型 的 限 制 性 剪 切 强 度 试 验 a.直 剪 仪 （ 剪 切 盒 ） 压 剪 试 验 （ 单 面 剪 ） b.立 方 体 试 件 单 面 剪 试 验 c.试 件 端 部 受 压 双 面 剪 试 验 d.角 模 压 剪 试 验 （ 变 角 剪 切 试 验 ） 5) Hoek直 剪 仪 试 验 装 置 6） 角 模 压 剪 试 验 及 受 力 分 析 示 意 图 在 压 力 P的 作 用 下 ， 剪 切 面 上 可 分 解 为 沿 剪 切 面

11、的 剪 力 Psin/A和 垂 直 剪 切 面 的 正 应 力 Pcos/A，如 图 所 示 。 7） 限 制 性 剪 切 强 度 试 验 结 果 及 其 分 析 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 应 力 也 越 大 。 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 。 将 破 坏 时 的 剪 应 力 和 正 应 力 标 注 到 -应 力 平 面 上 就 是 一个 点 ， 不 同 的 正 、 剪 应 力 组 合 就 是 不 同

12、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 。 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 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 应 力 就 是破 坏 面 的 残 余 强 度 。 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

13、 切 的 能 力 。 1.4 三 轴 抗 压 强 度 1)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)。 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 。 2)实 验 加 载 方

14、式 ： a. 真 三 轴 加 载 :试 件 为 立 方 体 ， 加 载 方 式 如 图 所 示 。 应 力 状 态 ： 12 3 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 意义 不 大 。 故 极 少 有 人 做 这 样 的 三 轴 试 验 。 b.假 三 轴 试 验 :， 试 件 为 圆 柱 体 ， 试 件 直 径 25150mm，长 度 与 直 径 之 比 为 2： 1或 3： 1。 加 载 方 式 如 图 所 示 ， 轴向 压 力 的 加

15、 载 方 式 与 单 轴 压 缩 试 验 时 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 要 轻 微 得 多 。 应 力 状 态 ： 12=3 三 轴 压 缩 试 验 加 载 示 意 图 真 三 轴12 3 假 三 轴12=3 3)假 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 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 。 4)第 一

16、 个 经 典 三 轴 试 验 a.试 验 者 和 时 间 ： 意 大 利 人 冯 卡 门 (VonKarman)于 1911年 完 成 的 。 b.试 验 岩 石 ： 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 。 c.试 验 发 现 ： 在 围 压 为 零 或 较 低 时 ， 大 理 石 试 件 以 脆 性 方 式破 坏 ， 沿 一 组 倾 斜 的 裂 隙 破 坏 。 随 着 围 压 的 增 加 ， 试 件 的 延 性 变 形 和 强 度 都 不断 增 加 ， 直 至 出 现 完 全 延 性 或 塑 性 流 动 变 形

17、 ， 并伴 随 工 作 硬 化 ， 试 件 也 变 成 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 ， 泊 松 比 迅 速 增 大 。 5) 三 轴 试 验 与 莫 尔 强 度 包 络 线 a.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 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 （ Mohrs strength envelop） 的

18、形 式 给 出 。 b.莫 尔 强 度 包 络 线 的 绘 制 ： 须 对 该 岩 石 的 56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 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 。 曲 线 形 ： 直 线 形 ： 6) 三 轴 试 验 岩 石 强 度 参 数 的 确 定 a.直 线 形 ： 轴 的 截 距 称 为 岩 石 的 粘 结 力 （

19、或 称 内聚 力 ） ， 记 为 C（ MPa） ， 与 轴 的 夹 角 称 为 岩石 的 内 摩 擦 角 ， 记 为 （ 度 ） 。 b.曲 线 形 ： 一 种 方 法 是 将 包 络 线 和 轴 的 截 距 定 为 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 。 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 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。 实 践 中 采 用 第 一 种 方 法 的 人 数 多 。