岩石的强度特性

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1、 第 二 节 岩 石 的 强 度 特 性 第 二 节 岩 石 的 强 度 特 性 工 程 师 对 材 料 提 出 两 个 问 题 1 最 大 承 载 力 许 用 应 力 ？ 2 最 大 允 许 变 形 许 用 应 变 ？ 本 节 讨 论 问 题 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 轴假 三 轴 一 岩 石 的 单 轴 抗 压 强 度1.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

2、。 APR c / 式 中 ： P 无 侧 限 的 条 件 下 的 轴 向 破 坏 荷 载 A 试 件 截 面 积 2.试 验 方 法 : 在 压 力 机 上 按 一 定 加 载 速 率 单 向 加 压 直 至 试 件 破 坏 。 圆 柱 形 试 件 ： 4.8 5.2cm ， 高 H =（ 2 2.5) 长 方 体 试 件 ： 边 长 L = 4.8 5.2cm 高 H =（ 2 2.5)L 试 件 两 端 不 平 度 小 于 0.05m m ； 尺 寸 误 差 0.3m m ； 两 端 面 垂 直 于 轴 线 0.25试 件 标 准 3.单 向 压 缩 试 件 的 破 坏 形 态 破 坏

3、形 态 有 两 类 ：（ 1） 圆 锥 形 破 坏 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 。（ 2） 柱 状 劈 裂 破 坏 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 映 （ 消 除 了 端 部 效 应 ） 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 ） 加 长 试 件 破 坏 形 态 是 表 现 破 坏 机 理 的 重 要 特 征 ，其

4、主 要 影 响 因 素 ： 应 力 状 态 试 验 条 件 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 式劈 裂 破 坏 1剪 切 破 坏 1对 顶 锥 破 坏1 1 1 4.影 响 单 轴 抗 压 强 度 的 主 要 因 素（ 1） 承 压 板 端 部 摩 擦 力 及 其 刚 度 （ 加 垫 块 依 据 ）（ 2） 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 尺 寸 ： 大 于 矿 物 颗 粒 的 10倍

5、 ； 50的 依 据 高 径 比 ： 研 究 表 明 ； h/d (2 3)较 合 理（ 3） 加 载 速 度 ： 加 载 速 度 越 大 ， 表 现 强 度 越 高 (见图 2 5)， 我 国 规 定 加 载 速 度 为 0.5 1.0MPa/s（ 4） 环 境 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 2 3倍 。 见 表 2 2 温 度 ： 180 以 下部 明 显 ： 大 于 180 ， 温 度 越 高 强 度 越 小 。 表 3-1 岩 石 的 单 轴 抗

6、 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 100250 725 石 灰岩 30250 525闪 长 岩 180300 1530 白 云岩 80250 1525粗 玄岩 200350 1535 煤 550 25玄 武 岩 150300 1030 片 麻岩 50200 520砂 岩 20170 425 大 理岩 100250 720页 岩 10100 210 板 岩 100200 720 二 岩 石 的 抗 拉 强 度 1、 定 义 岩 石 试 件 在 受 到 轴 向

7、 拉 应 力 后 其 试 件 发生 破 坏 时 的 单 位 面 积 上 所 受 的 拉 力 。 2、 抗 拉 强 度 试 验 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 。 （ 1） 直 接 拉 伸 法 抗 拉 强 度 APRt /关 键 技 术 试 件 和 夹 具 之 间 的 连 接 加 力 P与 试 件 同 心 直接拉伸试验 1） 抗 弯 法 （ 梁 的 三 点 弯 曲 试 验 ） 抗 拉 强 度（ 2） 间 接 拉 伸 方 法 岩 石 是 各 向 同 性 的 线 弹 性 材 料 满 足 平 面 假

8、设 的 对 称 面 内 弯 曲适 用 条 件 IMCt / 三 点 弯 曲 梁 内 的 最 大 拉 应 力 ； 梁 发 生 破 坏 时 的 就 是t t tRM 作 用 在 试 件 上 的 最 大 弯 矩C 梁 边 缘 到 中 性 轴 的 距 离I 梁 截 面 绕 中 性 轴 的 惯 性 矩 对 称 径 向 压 裂 法 由 巴 西 人 Hondros提 出故 称 巴 西 法 。试 件 ： 实 心 圆 柱 50mm； 25mm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Dtp t /2 tR式 中 ： 试 验 中 心 的 最 大

9、 拉 应 力 ， 即t 2） 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 岩 石 抗 拉 强 度 试 验 （ 劈 裂 法 ）P P 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 ： )(2 at MPDtP 3） 点 荷 载

10、 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 ： 任 何 形 状 ， 尺 寸 大 致 5cm， 可 做 简 单 加 工 。试 验 ： 可 在 现 场 的 点 荷 载 仪 上 加 载 劈 裂 破 坏 。 Pt 岩 石 点 荷 载 强 度 试 验Pt 圆 饼 体 点 荷 载 加 荷 方 式 圆 柱 体 点 荷 载 加 荷 方 式Pt Pt 圆 饼 体 点 荷 载 加 荷 方 式Dt 2 249.0 D tPtt 圆 柱 体 点 荷 载 加 荷 方 式D L D 267.0 D Ptt 上 述 式 中 ： 试 样 抗 拉

11、 强 度 ， f / 2 ； P 试 样 破 坏 时 点 荷 载 ， f ；D 试 样 直 径 ， ； t 试 样 厚 度 ， ； L 试 样 长 度 ， 。 岩 石 抗 拉 强 度 与 点 荷 载圆 饼 体 点 荷 载 加 荷 方 式 2/DPI IRt 96.0 151 96.0151 i it IR 计 算 点 荷 载 强 度 I 式 中 ： P 试 件 破 坏 时 的 极 限 D 加 载 点 试 件 的 厚 度统 计 公 式 ：要 求 :由 于 离 散 性 大 ， 试 件 要 有 足 够 数 量 取 均 值（ 一 般 每 组 15个 以 上 ） ， 即 建 议 ： 用 5cm的 钻 孔

12、 岩 芯 为 试 件 结 果 更 理 想 。 三 岩 石 的 抗 剪 强 度 1. 定 义 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 表 示 2. 类 型 a.抗 剪 断 试 验b.抗 切 断 试 验c.弱 面 抗 剪 试 验 岩 石 抗 剪 强 度 岩 石 的 剪 切 强 度 有 三 种 ：抗 剪 断 强 度 抗 切 强 度 弱 面 抗 剪切 强 度3.剪 切 试 验 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

13、 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 15 15 30 30cm， 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 5 5cm。 N T1 2 直 接 剪 切

14、 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 。 0 1 2 3 4 5 6 7 021 43 n(mm) v(mm )(MP a) 0 f f ff f 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 。 f 0 fap

15、a0 p 0 f f0 试 件 N(b)Q(a)B2 3 4A 1 PsinPcos PfP pp 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 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 。 a a 0 f p 0p 0pp f 0f f 2 B 3 4A

16、1 试 件 (a) (b) NQ PsinPcos PfP f(Mp a) （ MP 图 3-11 楔 形 剪 切 仪 图 3-12 楔 形 剪 切 试 验 结 果 PsinPcosNQ变角板法剪切试验 PP f fP楔形剪切试验 计 算 公 式 受 剪 面 法 向 力 及 切 向 力 ： cossin sincos fPQ fPN 式 中 ： p压 力 机 的 总 压 力 试 件 倾 角 f 圆 柱 形 滚 子 与 上 下 压 板 的 摩 擦 系 数 sincos fFPFN cossin fFPFQ 受 剪 面法 向 应 力 ： 剪 应 力 ： 岩 石 的 抗 剪 断 曲 线 （ 强 度

17、曲 线 ） 改 变 夹 具 倾 角 ； 在 30度 到 70度 之 间 做 一 组 （ 大 于 5次 ） 不 同 的 试 验 ， 记 录所 得 的 ， 值 ； 由 该 组 值 作 曲 线 近似 直 线 得 方 程 ： c tan 式 中 ： tan 岩 石 抗 剪 切 内 摩 擦 系 数 c 岩 石 的 粘 结 力 （ 内 聚 力 ） 岩 石 在 三 向 压 缩 应 力 作 用 下 的 强 度1. 定 义 ： 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 f f 321 , 2. 三 向 压 缩 试 验 简 介 （ 1） 真 三 轴 见 图

18、（ 2） 假 三 轴 见 图 00 321 321 轴 压 缩 试 验这 种 试 验 就 是 利 用 三 轴 向 压 力 试 验 的 成 果 来 求 出 剪切 面 上 的 与 的 关 系 。 试 验 的 装 置 (图 3-13)与 试 验 的 方法 和 土 的 三 轴 压 力 试 验 相 类 似 ， 图 13 三 轴 试 验 装 置 示 意 图1-施 加 垂 直 压 力 ；2-侧 压 力 液 体 出 口 ；3-侧 压 力 液 体 进 口 ；4-密 封 设 备 ；5-压 力 室 ；6-侧 压 力 ； 7-球 状 底 座 ；8-试 件 三 轴 压 缩 试 验这 种 试 验 就 是 利 用 三 轴

19、向 压 力 试 验 的 成 果 来 求 出 剪 切面 上 的 与 的 关 系 。 试 验 的 装 置 (图 3-13)与 试 验 的 方 法 和土 的 三 轴 压 力 试 验 相 类 似 ， 图 -14 极 限 莫 尔 应 力 圆 图 -15 角 闪 岩 的 三 轴 试 验 结 果 3 1 3 3 1 1 正 应 力 (MPa)剪应力 莫 尔 包 络 线 3.三 轴 压 缩 试 验 的 破 坏 类 型 4.岩 石 三 向 压 缩 强 度 的 影 响 因 素（ 1） 侧 压 力 的 影 响 围 压 越 大 ， 轴 向 压 力 越 大 （ 2） 加 载 途 径 对 岩 石 三 向 压 缩 强 度

20、影 响 （ 图 2-13） A、 B、 C三 条 虚 线 是 三 个 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 。 （ 3） 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 强 度 降 低有 水无 水 孔 隙 水 压 力 的 存 在 （ 有 效 应 力 减 小 ）使 应 力 圆 向 左 侧 移 动 因 此 降 低 了 岩 石 的 极 限 应 力 常 见 岩 石 主 要 力 学 性 质 指 标 P PsinPcosNQ cossin sincos fPQ fPN QN PQ Nf PP f fP