10第10次课 岩体的强度特性
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岩石的力学性质指标
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岩石的力学性质
(强度性质)
模块六岩石的工程地质性质
1.物理意义及定义式
岩石的单轴抗压强度: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。
=
式中:
n Rc为抗压强度,MPa;
n P
为试件破坏时的荷载,MN;n A为试样断面面积,m²。
2.影响岩石抗压强度的因素
n矿物强度和胶结物强度;
n岩石空隙中的水;
n岩石的风化程度;
n“形状效应”和“尺寸效应”
n加荷速率
1.物理意义及定义式
破坏时所能承受的最大拉应力,
称为岩石的抗拉强度。
=
点荷载法
间接试验拉伸破坏试验1.物理意义及定义式
直接试验
劈裂法
三、岩石的抗剪强度岩石的抗剪强度:
凝聚力C 内摩擦角φ岩石的抗剪强度指标:
岩石的剪切试验:n 是指岩石抵抗剪切破坏的最大能力。
抗剪断试验摩擦试验抗切试验
课程小结
n首先认识了岩石的抗拉强度、抗压强度和抗剪强度三类强
度指标。
n了解到岩石的破坏是由于沿某方向上的应力超过对应的强
度而发生的。
n单轴抗压强度R c、抗拉强度R t、抗剪强度指标(凝聚力C和
内摩擦角φ)的物理意义、测定方法和影响因素。
回忆一下
岩石抗拉强度的室内测试,常采用哪种测试方法呢?
THANKYOU
谢谢观看。
岩体力学性质
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强度性质
强度性质
岩体在各种压力状态下所能承受的最大应力,称为岩体的强度。它可分为单轴抗压强度、单轴抗拉强度、三 轴抗压强度以及剪切强度等。单轴抗压强度是岩体在单向压缩时所能承受的最大压应力。岩体的单轴抗压强度总 是低于岩块的单轴抗压强度。二者的比值变化较大,通常为0.05~0.65。单轴抗拉强度是岩体或接近于零。岩体在三向受压状态下所能承 受的最大压应力,称为岩体三轴抗压强度。原位岩体三轴压缩试验的开展,有益于更好地评价岩体的各向异性。 岩体内任一方向切面在任一法向压应力下所能抵抗的最大剪应力,称为岩体该方向切面在该法向应力下的剪切强 度。它可分为剪断强度、重剪强度和抗切强度。剪断强度是岩体中先前没有破坏的面在任一法向应力下能抵抗的 最大剪应力。剪切面上法向应力等于零时的剪断强度,称为抗切强度。岩体中先前存在的破坏面在任一法向压应 力下能抵抗的最大剪应力,称为重剪强度。岩体剪切强度的大小,通常用库仑强度参数,即内聚力和内摩擦角的 大小来说明。岩体的剪切强度远小于岩块的剪切强度。岩体重剪强度的内聚力值一般在0~0.3兆帕,内摩擦角多 为10°~48°。岩体剪断强度的内聚力值一般在0.05~4兆帕,内摩擦角多为20°~55°。岩体剪切强度具有各向 异性。沉积岩体的各向异性最为显著,火成岩体的各向异性表现不明显,变质岩体的各向异性则介于沉积岩体和 火成岩体之间。
岩体力学性质
岩体在受力状态下抵抗变形和破坏的能力
01 变形表征
03 力学性质
目录
02 强度性质
基本信息
岩体力学性质是指岩体在受力状态下抵抗变形和破坏的能力。它包括变形性质和强度性质两个方面。岩体的 力学性质,是设计一切大型岩体工程的重要依据。
变形表征
变形表征
岩体变形性质的物理量主要是变形模量、弹性模量和泊松比等。具有弹性和非弹性性能的岩体在加荷时应力 与应变的比值,称为变形模量。岩体在弹性变形阶段内,应力与应变的比值,称为弹性模量或杨氏模量。轴向加 荷的岩体试件的侧向应变与轴向应变的比的负值,称为泊松比。岩体的变形模量值普遍低于岩块的变形模量值, 两者的比值一般为0.2~0.6。岩体变形模量与其弹性模量的比值,也多为0.2~0.6。岩体的变形性质普遍具有各 向异性,不同方向的模量值不相同,在有些情况下,高达1∶10,通常为1∶2。此外,岩体变形模量与弹性模量的 比值,也常常随着方向不同而变化。
岩石的强度和变形特性精品PPT课件
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长时强度 < 强度 < 瞬时强度
五、 岩石的强度性质及测定方法
岩石试件抗压、抗拉、抗剪、三向抗压强度及测定 岩石的极限强度——岩石破坏时所能承受的最大应力。 研究岩石强度的意义:
①作为岩石分类以及巷道、采煤工作面,顶板分类的 主要指标;
②判断工程稳定性的强度准则的基本参数; ③地下工程变形区域计算的判据。
Et
d d
(变形曲线导数);
割线斜率
Et
(割线斜率);
弹塑性: 弹性摸量:E = 加载曲线段切线斜率=卸载曲线段割线斜率;
变形摸量:
E0
e
p
σ~ε曲线呈线性关系(线弹性类岩石),曲线上任一点P的 弹性模量E:
E
σ~ε曲线呈非线性关系
初始模量:
E
初=
d d
0
切线模量(直线段):
E
切=
a a
n
x
2
y
x
2
y
cos 2
xy
sin 2
n
x
2
y
sin 2
xy
cos 2
最大最小主应力:
1 x y
3
2
(
x
2
y
)2
2 xy
最大主应力与 x轴的夹角 θ可按下式求得:
tg2 2 xy x y
任一斜面上的正应力和剪应力用主应力表示为:
n
1
3
2
1
2
3
cos 2
n
1
2
3
sin 2
抗拉强度——在单轴拉伸载荷作用下,破坏时所能承受的最大拉应力。 试验设备:
直接拉伸——万能材料试验机(试件的夹固、轴力共线困难,少用) 间接拉伸——巴西试验装置(劈裂法) 试件破坏形式:拉断、劈裂
五、 岩石的强度性质及测定方法
岩石试件抗压、抗拉、抗剪、三向抗压强度及测定 岩石的极限强度——岩石破坏时所能承受的最大应力。 研究岩石强度的意义:
①作为岩石分类以及巷道、采煤工作面,顶板分类的 主要指标;
②判断工程稳定性的强度准则的基本参数; ③地下工程变形区域计算的判据。
Et
d d
(变形曲线导数);
割线斜率
Et
(割线斜率);
弹塑性: 弹性摸量:E = 加载曲线段切线斜率=卸载曲线段割线斜率;
变形摸量:
E0
e
p
σ~ε曲线呈线性关系(线弹性类岩石),曲线上任一点P的 弹性模量E:
E
σ~ε曲线呈非线性关系
初始模量:
E
初=
d d
0
切线模量(直线段):
E
切=
a a
n
x
2
y
x
2
y
cos 2
xy
sin 2
n
x
2
y
sin 2
xy
cos 2
最大最小主应力:
1 x y
3
2
(
x
2
y
)2
2 xy
最大主应力与 x轴的夹角 θ可按下式求得:
tg2 2 xy x y
任一斜面上的正应力和剪应力用主应力表示为:
n
1
3
2
1
2
3
cos 2
n
1
2
3
sin 2
抗拉强度——在单轴拉伸载荷作用下,破坏时所能承受的最大拉应力。 试验设备:
直接拉伸——万能材料试验机(试件的夹固、轴力共线困难,少用) 间接拉伸——巴西试验装置(劈裂法) 试件破坏形式:拉断、劈裂
岩石的强度性质
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C
o
C , 值的确定示意图
常见岩石的剪切强度
四、三轴压缩强度
1.定义:试件在三向压应力作用下能抵抗的最大 的轴向应力。
2.测定方法:
,在岩一块定的的三围轴压压σ 缩3下强,度对σ试1m件(M进Pa行)为三:轴试验时
1m
pm A
3.利用三轴试验确定抗剪强度
根据一组试件(4个以上)试验得到的三轴压缩强度 σ1m和相应的σ3以及单轴抗拉强度σt。在σ-τ坐标系中可 绘制出岩块的强度包络线。除顶点外,包络线上所有 点的切线与σ轴的夹角及其在τ轴上的截距分别代表相 应破坏面的内摩擦角(φ)和内聚力(C)。
点荷载试验是将试件放在点荷载仪中的球面压头间, 加压至试件破坏,利用破坏荷载求岩块的点荷载强度。
点荷载强度
Is=pt/D2
抗拉强度
σt= kIs
4.影响因素:结构面的影响(裂隙空隙)
岩石中含有大量的微裂隙和孔隙,岩块抗拉强度受其影响很大, 直接削弱了岩块的抗拉强度。相对而言,空隙对岩块抗压强度的 影响就小得多,因此,岩块的抗拉强度一般远小于其抗压强度。
§2.4 岩块的强度性质
强度:岩块试样抵抗外力破坏的能力。
破坏方式
脆性破坏
拉破坏 剪切破坏
塑性破坏(延性破坏)
一、单轴抗压强度
受 力
二、单轴抗拉强度
状
三、剪切强度
态
四、三轴压缩强度
上次课内容 岩石的流变理论
流变现象:材料应力-应变关系与时间因素有关的性质,称
为流变性。材料变形过程中具有时间效应的现象,称 为流变现象。
1、 1mF3ac
改写后得:
1m/c
n(3)a c
岩体力学岩石的强度特性

消除试件端部约束旳措施 润滑试件端部(如垫云母片;涂黄油在端部) 加长试件
4.影响单轴抗压强度旳主要原因
(1)承压板端部旳摩擦力及其刚度(加垫块旳根据) (2)试件旳形状和尺寸
形状:圆形试件不易产生应力集中,好加工 尺寸:不小于矿物颗粒旳10倍; φ50旳根据 高径比:研究表白;h/d≥(2-3)较合理
第三节 岩石旳强度特征
工程师对材料提出两个问题
1 最大承载力——许用应力[σ] ? 2 最大允许变形--许用应变[ε]? 本节讨论[σ]问题
强度:材料受力时抵抗破坏旳能力。
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 岩石旳单轴抗压强度
1.定义:指岩石试件在无侧限旳条件下, 受轴向压力作用破坏时单位面积上承受旳 荷载。
Rc P / A
式中:P——无侧限旳条件下旳轴向破坏荷
载
A——试件界面积
2.试件措施:
(1)试件原则:
圆柱形试件:φ4.8-5.2cm ,高H=(2-2.5)φ 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0.5mm;尺寸误差±0.3mm; 两端面垂直于轴线±0.25o
(2)加载途径对岩石三向压缩强度影响
A、B、C三条虚线是三个不同旳加载途径, 加载途径对岩旳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旳影响
孔隙水压力使有效应力(围压)减小 强度降低
有水
无水
3.单向压缩试件旳破坏形态
破坏形态是体现破坏机理旳主要特征; 其主要影响原因:①应力状态 ②试验条件 破坏形态有两类: (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) (2)柱状劈裂破坏 张拉破坏(岩石旳抗拉强度远不大于抗压强度) 是岩石单向压缩破坏旳真实反应(消除了端部效应)
4.影响单轴抗压强度旳主要原因
(1)承压板端部旳摩擦力及其刚度(加垫块旳根据) (2)试件旳形状和尺寸
形状:圆形试件不易产生应力集中,好加工 尺寸:不小于矿物颗粒旳10倍; φ50旳根据 高径比:研究表白;h/d≥(2-3)较合理
第三节 岩石旳强度特征
工程师对材料提出两个问题
1 最大承载力——许用应力[σ] ? 2 最大允许变形--许用应变[ε]? 本节讨论[σ]问题
强度:材料受力时抵抗破坏旳能力。
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 岩石旳单轴抗压强度
1.定义:指岩石试件在无侧限旳条件下, 受轴向压力作用破坏时单位面积上承受旳 荷载。
Rc P / A
式中:P——无侧限旳条件下旳轴向破坏荷
载
A——试件界面积
2.试件措施:
(1)试件原则:
圆柱形试件:φ4.8-5.2cm ,高H=(2-2.5)φ 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0.5mm;尺寸误差±0.3mm; 两端面垂直于轴线±0.25o
(2)加载途径对岩石三向压缩强度影响
A、B、C三条虚线是三个不同旳加载途径, 加载途径对岩旳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旳影响
孔隙水压力使有效应力(围压)减小 强度降低
有水
无水
3.单向压缩试件旳破坏形态
破坏形态是体现破坏机理旳主要特征; 其主要影响原因:①应力状态 ②试验条件 破坏形态有两类: (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) (2)柱状劈裂破坏 张拉破坏(岩石旳抗拉强度远不大于抗压强度) 是岩石单向压缩破坏旳真实反应(消除了端部效应)
岩石力学岩石强度特性
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如节理岩体中的地下洞室顶部岩块崩塌,洞侧岩石的滑动, 以及岩坡沿软弱面的失稳等,都属于弱面剪切破坏。
岩石的破坏形式
岩石在破坏前后的应力-应变关系比金属材料复杂得多,岩 石究竟属于脆性材料还是属于塑性材料,这不仅取决于岩石 性质,且受应力状态,地温,受荷时间等多种因素的影响。
第二节 岩石的强度特性
试件两端不平度0.5mm;尺寸误差±0.3mm; 两端面垂直于轴线±0.25o
实验设备
MTS三轴岩 石力学实验 设备
岩石抗压强度的影响因素
1) 岩石自身性质的因素 岩石自身的性质(矿物组成、颗粒大小及形状、粒间连接、
结构特征、微结构面、风化程度)对其抗压强度起决定作用
2) 实验条件方面的因素 ① 试样的的几何形状及加工精度;② 加载速率;③ 端面
有些洞室的底部岩石隆起,两侧围岩向洞内膨胀都属延性破坏 的例子。坚硬岩石一般属于脆性破坏,但在两向或三向受力较 大的情况下,或者在高温的影响下,也可能延性破坏。
岩体的破坏
岩体破坏的主要形式是弱面剪切破坏 弱面剪切破坏:岩体中存在着许多软 弱结构面,细微裂隙等弱面,在荷载 作用下,弱面上的剪应力一旦超过弱 面的抗剪强度时,岩体将弱面剪切破 坏,致使岩体产生滑移。
环境对抗压强度的影响
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。 温度:180℃以下不明显:大于180℃,温度越高强 度越小。 注意:岩心的保存——尽可能的维持井下状况。
岩石强度:岩石的强度是指荷载作用下岩石的抵 抗破坏的能力。
为了研究岩石的强度特征,经常将岩石制备成试 件在实验室进行试验,依据试样应力状态的不同 分为:岩石单轴抗压强度实验,抗拉强度实验, 抗剪强度实验等。试验时将岩样制备成标准试件 然后按相应的试验规程进行试验。
岩石的破坏形式
岩石在破坏前后的应力-应变关系比金属材料复杂得多,岩 石究竟属于脆性材料还是属于塑性材料,这不仅取决于岩石 性质,且受应力状态,地温,受荷时间等多种因素的影响。
第二节 岩石的强度特性
试件两端不平度0.5mm;尺寸误差±0.3mm; 两端面垂直于轴线±0.25o
实验设备
MTS三轴岩 石力学实验 设备
岩石抗压强度的影响因素
1) 岩石自身性质的因素 岩石自身的性质(矿物组成、颗粒大小及形状、粒间连接、
结构特征、微结构面、风化程度)对其抗压强度起决定作用
2) 实验条件方面的因素 ① 试样的的几何形状及加工精度;② 加载速率;③ 端面
有些洞室的底部岩石隆起,两侧围岩向洞内膨胀都属延性破坏 的例子。坚硬岩石一般属于脆性破坏,但在两向或三向受力较 大的情况下,或者在高温的影响下,也可能延性破坏。
岩体的破坏
岩体破坏的主要形式是弱面剪切破坏 弱面剪切破坏:岩体中存在着许多软 弱结构面,细微裂隙等弱面,在荷载 作用下,弱面上的剪应力一旦超过弱 面的抗剪强度时,岩体将弱面剪切破 坏,致使岩体产生滑移。
环境对抗压强度的影响
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。 温度:180℃以下不明显:大于180℃,温度越高强 度越小。 注意:岩心的保存——尽可能的维持井下状况。
岩石强度:岩石的强度是指荷载作用下岩石的抵 抗破坏的能力。
为了研究岩石的强度特征,经常将岩石制备成试 件在实验室进行试验,依据试样应力状态的不同 分为:岩石单轴抗压强度实验,抗拉强度实验, 抗剪强度实验等。试验时将岩样制备成标准试件 然后按相应的试验规程进行试验。
岩体的强度特性
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20
岩石力学
五、岩体强度估算
(一)准岩体强度(岩体完整系数修正法) 这种方法实质是用某种简单的试验指标来修 正岩块强度,做为岩体强度的估算值。 节理、裂隙等结构面是影响岩体的主要因素, 其分布情况可通过弹性波传播来查明,弹性波 穿过岩体时,遇到裂隙便发生绕射或被吸收, 传播速度将有所降低,裂隙越多,波速降低越 大,小尺寸试件含裂隙少,传播速度大。
岩 石 力 学
Rock Mechanics
1
2.5 岩体的强度特性
2
一、岩石的强度
假设岩石服从莫尔-库仑直线型强度准则 1、 坐标下
tg c
破坏角:
450 / 2
c
3
岩石力学
一、岩石的强度
2、 在 1 3 坐标下 1 1 sin 2C cos 1 3 1 sin 1 sin
12
岩石力学
三、单结构面强度效应
对岩体强度有影响的节理方位角: β1≤β≤ β2 β1、β2可以直接在图上量取,也可以由 正弦定律推求:
J 1 ( 1 3 CJ ctg J )sin J 1 arc sin[ ] 2 2 1 3 ( 1 3 CJ ctg J )sin J J 1 2 arc sin[ ] 2 2 2 1 3
3m c 90 arctan(1 / h 3 1) 3 1 arctan( ) 2 4 h cos 1 (cot cos ) m c 8 C n tan
n 2 c
28
岩石力学
m mi e
(
RMR 100 ( ) 14
S e
岩石力学
五、岩体强度估算
(一)准岩体强度(岩体完整系数修正法) 这种方法实质是用某种简单的试验指标来修 正岩块强度,做为岩体强度的估算值。 节理、裂隙等结构面是影响岩体的主要因素, 其分布情况可通过弹性波传播来查明,弹性波 穿过岩体时,遇到裂隙便发生绕射或被吸收, 传播速度将有所降低,裂隙越多,波速降低越 大,小尺寸试件含裂隙少,传播速度大。
岩 石 力 学
Rock Mechanics
1
2.5 岩体的强度特性
2
一、岩石的强度
假设岩石服从莫尔-库仑直线型强度准则 1、 坐标下
tg c
破坏角:
450 / 2
c
3
岩石力学
一、岩石的强度
2、 在 1 3 坐标下 1 1 sin 2C cos 1 3 1 sin 1 sin
12
岩石力学
三、单结构面强度效应
对岩体强度有影响的节理方位角: β1≤β≤ β2 β1、β2可以直接在图上量取,也可以由 正弦定律推求:
J 1 ( 1 3 CJ ctg J )sin J 1 arc sin[ ] 2 2 1 3 ( 1 3 CJ ctg J )sin J J 1 2 arc sin[ ] 2 2 2 1 3
3m c 90 arctan(1 / h 3 1) 3 1 arctan( ) 2 4 h cos 1 (cot cos ) m c 8 C n tan
n 2 c
28
岩石力学
m mi e
(
RMR 100 ( ) 14
S e
岩石的强度
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软弱结构面常常是岩体最薄弱的地方,几组软弱结构面可以将岩体分割成各 种形状和大小不同的岩块。岩体的强度决定于这些岩块的强度和结构面的强度。 当然,岩块本身也有一些微结构面(细微裂隙),但这些微结构面甚小(肉眼不易 觉察),一般对试件强度影响甚微。岩块内微结构面的作用将直接反映到岩石试 件的力学性质上。通常所讲的岩石强度,一般是指岩石试件的强度,它实际上 代表岩体内岩块的强度。
Rt PT A
3.2
岩石的强度性质
3.2.2 岩石的抗拉强度
目前常用混凝土试验中的劈裂法测定岩石的抗拉强度。 试件的形状用得最多的是圆柱体和立方体。试验时沿着圆柱体的直径方向施 加集中荷载,这可以在试件与上、下承压板接触处各放一根钢丝来实现。这 样试件受力后就有可能沿着受力的直径裂开,见图 :
4 3 2 1 1 2 3
2 3 4 5
1 2
(M P a )
1
0
0 .5
1 .5
n (m m )
4 .0
图3-16 岩体现场抗剪试验
图3-17 角闪岩的三轴试验结果
3.2
岩石的强度性质
3.2.3 岩石的抗剪强度
现场岩体三轴强度试验
大型岩体三轴强度试验是采用同直剪试验一样的方法制备试件;垂直荷载是用 扁千斤顶通过传力柱传到上部围岩产生的反力供给;侧向荷载分别由x轴、y轴上 的两对扁千斤顶组产生。
3.2
岩石的强度性质
3.2.3 岩石的抗剪强度
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。
Rt PT A
3.2
岩石的强度性质
3.2.2 岩石的抗拉强度
目前常用混凝土试验中的劈裂法测定岩石的抗拉强度。 试件的形状用得最多的是圆柱体和立方体。试验时沿着圆柱体的直径方向施 加集中荷载,这可以在试件与上、下承压板接触处各放一根钢丝来实现。这 样试件受力后就有可能沿着受力的直径裂开,见图 :
4 3 2 1 1 2 3
2 3 4 5
1 2
(M P a )
1
0
0 .5
1 .5
n (m m )
4 .0
图3-16 岩体现场抗剪试验
图3-17 角闪岩的三轴试验结果
3.2
岩石的强度性质
3.2.3 岩石的抗剪强度
现场岩体三轴强度试验
大型岩体三轴强度试验是采用同直剪试验一样的方法制备试件;垂直荷载是用 扁千斤顶通过传力柱传到上部围岩产生的反力供给;侧向荷载分别由x轴、y轴上 的两对扁千斤顶组产生。
3.2
岩石的强度性质
3.2.3 岩石的抗剪强度
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。
岩石的强度和特征 PPT课件

变εp。
CD段-加速蠕变阶段:蠕变加速发 展直至岩块破坏(D点)。
(1)稳定蠕变:岩石在较小的恒定力作用下,变形随时 间增加到一定程度后就趋于稳定,不再随时间增加而变化, 应变保持为一个常数。稳定蠕变一般不会导致岩体整体失稳。
(2)非稳定蠕变:岩石承受的恒定荷载较大,当岩石应 力超过某一临界值时,变形随时间增加而增大,其变形速率 逐渐增大,最终导致岩体整体失稳破坏。
1、变形阶段的划分—几个概念
v
p
C
r
e
B
A
r
o
a
扩容:压缩应力下岩石体积出现膨胀的现象称为岩石扩容
1、变形阶段的划分—五个阶段
v c
峰前
峰后
D
p
C
r
e
a
B
E
A
r
o
a
① 空隙压密阶段(OA) ② 弹性变形阶段(AB) ③ 微裂隙稳定发展阶段(BC)
④ 微裂隙非稳定发展阶段(CD) ⑤ 破坏后阶段(DE)
物体受力后产生变形在外力去除后不能完全恢复原状的性质不能恢复的那部分变形称为塑性变形或称永久变形残余变形当物体既有弹性变形又有塑性变形且具有明显的弹性后效时弹性变形和塑性变形就难以区别在外力作用下只发生塑性变形或在一定的应力范围内只发生塑性变形的物体称为塑性介质粘性viscosity物体受力后变形不能在瞬时完成且应变速率随应力增加而增加的性质称为粘性
类型Ⅱ:弹-塑性—在应力较低时,近似于直线;应力增加 到一定数值后,应力-应变曲线向下弯曲变化,且随着应力 逐渐增加,曲线斜率也愈来愈小,直至破坏。典型岩石: 石灰岩、泥岩、凝灰岩
类型Ⅰ
类型Ⅱ
σ σ
类型Ⅲ
ε
类型Ⅳ
CD段-加速蠕变阶段:蠕变加速发 展直至岩块破坏(D点)。
(1)稳定蠕变:岩石在较小的恒定力作用下,变形随时 间增加到一定程度后就趋于稳定,不再随时间增加而变化, 应变保持为一个常数。稳定蠕变一般不会导致岩体整体失稳。
(2)非稳定蠕变:岩石承受的恒定荷载较大,当岩石应 力超过某一临界值时,变形随时间增加而增大,其变形速率 逐渐增大,最终导致岩体整体失稳破坏。
1、变形阶段的划分—几个概念
v
p
C
r
e
B
A
r
o
a
扩容:压缩应力下岩石体积出现膨胀的现象称为岩石扩容
1、变形阶段的划分—五个阶段
v c
峰前
峰后
D
p
C
r
e
a
B
E
A
r
o
a
① 空隙压密阶段(OA) ② 弹性变形阶段(AB) ③ 微裂隙稳定发展阶段(BC)
④ 微裂隙非稳定发展阶段(CD) ⑤ 破坏后阶段(DE)
物体受力后产生变形在外力去除后不能完全恢复原状的性质不能恢复的那部分变形称为塑性变形或称永久变形残余变形当物体既有弹性变形又有塑性变形且具有明显的弹性后效时弹性变形和塑性变形就难以区别在外力作用下只发生塑性变形或在一定的应力范围内只发生塑性变形的物体称为塑性介质粘性viscosity物体受力后变形不能在瞬时完成且应变速率随应力增加而增加的性质称为粘性
类型Ⅱ:弹-塑性—在应力较低时,近似于直线;应力增加 到一定数值后,应力-应变曲线向下弯曲变化,且随着应力 逐渐增加,曲线斜率也愈来愈小,直至破坏。典型岩石: 石灰岩、泥岩、凝灰岩
类型Ⅰ
类型Ⅱ
σ σ
类型Ⅲ
ε
类型Ⅳ
岩石的强度特性

E
即:
c
t
3、在三轴压缩条件下:σ3方向的应变为3 Nhomakorabea
1 E
3
(
1
2
)
sin
4、三轴压缩剪切试验 抗剪强度曲线:τ=
c+σtgφ
三轴试验装臵示意图 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;3-球状底座;8-试件
四、岩石的三向抗压强度σ1c 岩石在三轴压缩下的极限应力σ1c为三轴抗压强度, 它随围压增大而升高。
改变P,即可测得多组σ、τ,作出σ~τ曲线。
P A
T A
3、斜剪试验 忽略端部摩擦力,根据力 的平衡原理,作用于剪切面上 的法向力N和切向力Q可按下式 计算:
N = Pcosα Q = Psinα
剪切面上的法向应力σ和剪应 力τ为:
N A P A cos
Q A
P A
二、岩石的单轴抗拉强度σt 1、直接拉伸试验
t
P A
2、间接拉伸试验 A 劈裂法(巴西试验法)
圆饼试件:
t
2P
d t
方形试件:
t
2P
ah
式中:P—破坏时的荷载,N; d— 试件直径;cm;
t—试件厚度,cm;
a,h—方形试件边长和厚度,cm。
不规则试件(加压方向应满足h/a≤1.5 ):
x
2
y
n
x
2
y
cos 2
xy
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(b)剪切破坏 6
破坏形式
挠曲
剪切
拉伸
压缩
3.拉伸。拉伸破坏是指由于拉应力(张应力)超
过岩体极限抗拉强度时而形成张性破裂面。
凸向临空面的斜坡岩层 (a)挠曲破坏 横向结构面的斜坡岩体
(b)剪切破坏
形成贯穿 的滑动面
产生拉应力用于弥补下滑力
(d)拉伸破坏
产生张性破裂面
7
破坏形式
挠曲
剪切
拉伸
压缩
4.压缩。
选择题 1、岩体的强度小于岩石的强度主要是由于( )。 ( A )岩体中含有大量的不连续面 ( B )岩体中含有水 ( C )岩体为非均质材料 ( D )岩石的弹性模量比岩体的大 2、岩体的尺寸效应是指( )。 ( A )岩体的力学参数与试件的尺寸没有什么关 系 ( B )岩体的力学参数随试件的增大而增大的现 象 ( C )岩体的力学参数随试件的增大而减少的现象 ( D )岩体的强度比岩石的小 20
自重力
拉伸裂隙
(a)挠曲破坏
(a)挠曲破坏 裂隙
扩展
5
(a)挠曲破坏
破坏形式
挠曲
剪切
拉伸
压缩
2.剪切。剪切破坏是指由于剪应力达到或超过岩
体极限抗剪强度时而形成剪切裂面。当破坏后的岩体 沿着剪破裂面发生滑动时,剪应力便随之消减(消 散)。
软弱岩体 开挖斜坡 压性断层 破碎带
剪切裂面
剪切
矿石坚硬 顶底板软弱 (a)挠曲破坏
由于岩体实际受力条件是多种多样的, 加之岩体自身的物质组成、结构特征和力学 性质各异,以及复杂的环境因素等不同程度 影响,所以任何单一的岩体破坏形式均不会 居于主导地位。
挠曲 剪切 拉伸 压缩
4
破坏形式
挠曲
剪切
拉伸
压缩
1.挠曲。 挠曲破坏是指由于岩体 弯曲而产生拉伸张裂,并且 这种张裂逐渐发展扩大,从 而导致岩体破坏。 这种破坏形式经常发生 于矿井及其他地下硐室顶部 层状围岩中。
Vml K V cl
岩体种类
2
mc Kc mt Kt
岩体完整性系数K
式中 Vml——岩体中弹性波纵波传播速度, Vcl——岩块中弹性波纵波传播速度。
完整
块状 碎裂状
>0.75
0.45~0.75 <0.45
15
三.岩体强度的估算
2.裂隙岩体强度的经验估算
3 、影响岩体质量的主要因素为( )。 (A)岩石类型、埋深 (B)岩石类型、含水量、温度 (C)岩体的完整性和岩石的强度 (D)岩体的完整性、岩石强度、裂隙密度、埋深 4、沉积岩中的沉积间断面属于哪一种类型的结构面? ( ) (A)原生结构面 (B)构造结构面 (C)次生结构面
21
5、我国工程岩体分级标准中岩体完整性确定是依据 ( )。 (A)RQD (B)节理间距 (C)节理密度 (D)岩体完整性系数或岩体体积节理数
6.、我国工程岩体分级标准中是根据哪些因素对岩石基本 质量进行修正的?( )。 ①地应力大小; ②地下水; ③结构面方位; ④结 构面粗糙度。 (A)①,④ (B)①,② (C)③ (D)①,②, ③
22
7、某岩石、实测单轴饱和抗压强度 RC=55MPa,完整性指数KV=0.8,外鉴别为 原层状结构,结构面结合良好,锤击清脆有 轻微回弹,按工程岩体分级标准确定该岩石 的基本质量等级为( ) (A)I级(B)II级(C)III级(D)IV级 问答题 1、为什么要进行工程岩体分类?
RQD(%) <25 25~50 50~75 75~90 >90
17
2.8
岩体质量评价及其分类
二、岩体基本质量分级:
认为岩石的坚硬程度和岩体完整程度所决定的岩体基本 质量,是岩体固有的属性,是有别于工程因素的共性。岩体 基本质量好,则稳定性也好;反之则差。
岩石饱和单轴抗压强度 坚硬程度
c/MPa
18Байду номын сангаас
2.8
岩体质量评价及其分类
三、岩体稳定性分级: 结合工程情况,计算岩体基本质量指标修正值[BQ]: [BQ]=BQ-100(K1+K2+K3) K1,K2,K3值,可分别地下水影响、主要软弱结构 面影响、天然应力影响的修正系数。各系数由下表 确定。无表中所列情况时,修正系数取零。
19
第二章习题
>0.75
岩石坚硬程度划分表 >60 坚硬岩 60~30 较坚硬岩 30~15 较软岩 15~5 软岩 <5 极软岩
岩体完整程度划分表
岩体完整性系数Kv
完整程度
0.75~0.55
0.55~0.35
0.35~0.15
<0.15
完整
较完整
较破碎
破碎
极破碎
岩体基本质量表达式:
BQ 90 3c 250KV
8
13
三.岩体强度的估算
岩体强度是岩体工程设计的重要参数,而做岩 体的原位试验又十分费时、费钱,难以大量进行, 因此,如何利用地质资料及小试块室内试验资料, 对岩体强度作出合理估算是岩石力学中重要研究课 题,下面介绍两种方法。
14
三.岩体强度的估算
1.准岩体强度 这种方法实质是用某种简单的试验指标来 修正岩块强度,作为岩体强度的估算值。
23
结束语
24
P T sin F
T cos F
11
二、岩体强度的测定
2、岩体抗剪强度的测定 2)单千斤顶法:。在现场岩体无法施加垂直载荷 的情况下采用。在预定的剪切面上做成与推力T成 不同交角α的试件,然后用千斤顶加载试验。
12
二、岩体强度的测定
3、岩体三轴压缩强度试验 现场岩体三轴试验装置如图所示:用千斤顶施加 轴向荷载,用压力枕施加围压荷载。 根据围压情况,可分为: 1 2 等围压三轴试验(σ2=σ3) 3 真三轴试验(σ1>σ2>σ3)。 4 近期研究表明,中间主应力 9 在岩体强度中起重要作用, 5 6 在多节理的岩体中尤其重要, 10 因此,真三轴试验越来越受重视。 7
回顾:结构面的力学性质
1结构面法向变形与刚度
2结构面切向变形与刚度 3结构面的抗剪强度
c n tan
2
4.5 岩体强度特性
岩体强度是指岩体抵抗外力破坏的能力。
强度特性
抗压强度 抗拉强度 剪切强度
很小,避免拉应力。
本节主要讨论岩体的剪切强度和抗压强度。
3
一、岩体破坏及其方式
其破坏过程包括由拉伸裂缝、挠曲和剪切作用 引起裂缝的增长,以及它们之间的相互影响等。
(1) (2) 在矿井中,过 分开采拓宽空 间,致使上覆 荷载及自重力 超过其极限抗 压强度。 (3) 大型或特大型 建筑物或构筑 物岩石地基, 当实际承受的 荷载超过其极 限抗压强度。
地下硐室开 挖,在切向 上由于加载 有时会发生 压缩破坏。
1 2 3 2 1 4
图4-24 试件制备
图4-25 岩体单轴抗压强度测定
1——方木;2——工字钢;3——千斤顶;4——水泥砂浆
10
二、岩体强度的测定
2、岩体抗剪强度的测定 1)双千斤顶法:一个垂直千斤顶施加正压力, 另一个千斤顶施加横推力合力应通过剪切面中心, 横向千斤顶倾角一般15度。 计算公式:
一、按岩石的质量指标RQD(Rock Quality Designation)分类 RQD是选用坚固完整的、其长度大于等于10cm的岩 块总长度与钻孔长度的比,百分数表示为:
l RQD
L 钻孔总长
i
10cm
100%
按RQD大小将岩石分为五类。工程实践说明,RQD是 一种比岩芯采取率更好的指标。 分类 很差 差 一般 好 很好
Hoek-Brown经验强度准则
1 3 m c 3 s
其中: m, s为与岩体结构有关的参数
2 c
令σ3=0 ,可得岩体的单轴抗压强度σmc: mc
S c
对于完整岩块来说S=1,则σmc=σc ,即为岩块 的抗压强度;对于裂隙岩体来说,必有S<1.0。
16
第5章 工程岩体分类
8
二、岩体强度的测定
岩体强度试验是在现场原位切割较大尺寸 试件进行单轴压缩、三轴压缩和抗剪强度试验。
1、岩体单轴抗压强度的测定 2、岩体抗剪强度的测定 3、岩体三轴压缩强度试验
9
二、岩体强度的测定
1、岩体单轴抗压强度的测定:切割成的试件如图
4-25所示。在拟加压的试件表面抹一层水泥砂浆,将 表面抹平,并在其上放置方木和工字钢组成的垫层, 以便把千斤顶施加的荷载经垫层均匀传给试体。根据 试体破坏时千斤顶施加的最大荷载及试体受载截面积, 计算岩体的单轴抗压强度。