第4讲 岩石的力学性质-强度性质

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。
5、加载速率——速率增加，强度加大（变形不充分）；
6、受载状态——三等压＞三不等＞双压＞单压＞剪切＞
弯曲＞拉伸
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六.破坏后强度
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； 实际上，岩石在峰值强度后，内部出现了裂纹等，仍具 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）在这种情况下，一旦 岩样的变形进入了过峰值强度后，储存在试验机中弹性 变形能突然释放，对岩样产生冲击作用，导致岩石的突 然破坏。无法得到岩样的应力应变全过程曲线。

σ1>σ2=σ3
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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。
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4)第一个经典三轴试验
a.试验者和时间：意大利人冯· 卡门(Von· Karman) 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： ①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。 ②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，并 伴随硬化现象，试件也变成粗腰桶形的。 ③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。
曲线形

直线形
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6) 三轴试验岩石强度参数的确定
a.直线型：τ轴的截距称为岩石的粘结力（或称内聚 力），记为C（MPa），与σ轴的夹角称为岩石的内摩擦 角，记为φ（度）。 b.曲线型： ①一种方法是将包络线和τ轴的截距定为C，将包络线与 τ轴相交点的包络线外切线与σ轴夹角定为内摩擦角。 ②另一种方法建议根据实际应力 曲线型 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σ轴夹角为内摩擦角，外切线 及其延长线与τ轴相交之截距即 为C。
外力后又能 立即恢复其原有形状和尺寸的性质。
塑性：物体受力后变形，在外力去除后变形不能完全恢复. 粘性：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
弹性
塑性
粘性
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1）弹性(elasticity)：


线弹性体，其应力－应变呈直线关系σ=Eε 非线性弹性体，其应力—应变呈非直线的关系

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应力-应变全过程曲 线的获得:
提高试验机的刚度 伺服控制试件的位移
压缩实验系统受力图
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全应力——应变曲线的特点：
①近似对称性 ②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。
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全应力应变曲线的功能--预测岩爆
面积代表试件内部的应变能
若B<A将可能产生岩爆
A
B
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全应力应变曲线的功能-预测蠕变破坏
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全应力应变曲线的功能---
预测循环加载条件下的岩石破坏
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习 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？
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2形、塑性变形和粘性变形三种. 弹性：物体在受外力作用的瞬间即产生全部变形，而去除
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（2）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
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五、影响岩石强度的因素：
1、岩石的组织结构——矿物类别、颗粒大小、分布状态 、胶结物； 2、岩石构造裂隙———延展规模、裂隙性质、壁面强度 、充填物； 3、试件尺寸——尺寸增大，强度降低；
4、含水————含水量大，强度低；
σ =f(ε )
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2）塑性（plasticity） ：
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。 在外力作用下只发生塑性变形的物体，称为理想 塑性体。 理想塑性体:当应力低于 屈服极限时，材料没有变形， 应力达到后，变形不断增大 而应力不变，应力－应变曲 当σ <σs 时， ε=0 线呈水平直线. 当σ ≥σs 时， ε ∞

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塑性
3）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。 应变速率与时间有关，粘性与时间有关 其应力－应变速率关系为过坐标原点的直 线的物质称为理想粘性体（如牛顿流体）， 如图所示。

应力－应变速率关系：
σ=η dε/dt
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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（Mohr’s strength envelop）的形式给出。
b.莫尔强度包络线的绘制： 须对该岩石的5~6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。
P 单向抗压强度 P
P
强 度
单向抗拉强度
P
剪切强度
真三轴
2
三轴压缩
假三轴
一 岩石的单轴抗压强度
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
σc=P/A
A——试件截面积
P A
式中：P——无侧限的条件下的轴向破坏荷载
P
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二. 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)。
试验方法
直接试验 间接试验
间接试验 直接试验
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三.岩石的抗剪强度
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）。所能抵抗的最大剪应力常用 表示 非限制性剪切强度试验
试验方法
限制性剪切强度试验
非限制性 限制性
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四. 三轴抗压强度

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2)实验加载方式：

a. 真三轴加载:试件为立方体，如图所示。 应力状态：σ1>σ2> σ3 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25~150mm，长 度与直径之比为2：1或3：1。轴向压力的加载方式与单 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：
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岩石的力学性质
力 强度特性：岩石抵抗外力作用的能力，岩石破坏时能够 学 承受的最大应力。 性 变形性质：岩石在外力作用下发生形态（形状、体积） 质 变化。
强 度 特 性
单向抗压强度 单向抗拉强度 剪切强度 三轴压缩
变 形 性 质
a.单向压缩变形 b.反复加载变形 c.三轴压缩变形
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上次课内容岩石的力学性质--强度特性


直线型
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用直线型莫尔强度包络线判断岩体的破坏。 在岩石的三轴抗压压缩实验中 σ1和σ3是已知的。 从下图可以看出：
1
3
1

1 3
2

O
C

3
2
A

1
B
1
C c tg
1 3
2
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7).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