在第6讲 岩石强度性质
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》第六章岩体的力学性质
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图6.1 岩体的压力--变形曲线第六章 岩体的力学性质岩体的力学性质包括岩体的变形性质、强度性质、动力学性质和水力学性质等方面。
岩体在外力作用下的力学属性表现出非均质性、非连续、各向异性和非弹性。
岩体的力学性质取决于两个方面: 1)受力条件;2)岩体的地质特征及其赋存环境条件。
其中地质特征包括岩石材料性质、结构面的发育情况及性质(影响岩体的力学性质不同于岩块的本质原因);赋存环境条件包括天然应力和地下水。
第一节 岩体的变形性质一、 岩体变形试验及其变形参数确定变形参数包括变形模量和弹性模量。
按静力法得到静E ,动力法得到动E 。
⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧法波地震声波法动力法轴压缩试验法双单水压洞室法钻孔变形法扁千斤顶法狭缝法承压板法静力法按原理和方法分原位岩体变形试验)()()( )(1.承压板法刚性承压板法和柔性承压板法 各级压力P -W (岩体变形值)曲线 按布西涅斯克公式计算岩体的变形模量E m (Mpa )和弹性模量E me (Mpa )。
⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=-=e m mem m W W PD E W W PD E )1()1(22μμ式中:P —承压板单位面积上的压力(Mpa ); D —承压板的直径或边长(cm );W,W e—为相应P下的总变形和弹性变形;ω—与承压板形状、刚度有关系数,圆形板ω=0.785,方形板ω=0.886。
μm—岩体的泊松比。
★定义:岩体变形模量(E m):岩体在无侧限受压条件下的应力与总应变之比值。
岩体弹性模量(E me):岩体在无侧限受压条件下的应力与弹性应变之比值。
图6.2 钻孔变形试验装置示意图②可以在地下水位以下笔图6.3 狭缝法试验装置如图6.3所示。
二、岩体变形参数估算现场原位试验费用昂贵,周期长,一般只在重要的或大型工程中进行,因此,岩体变形参数的很多情况下必须进行估算。
两种方法:① 现场地质调查→建立适当的岩体地质力学模型→室内小试件试验资料→进行估算; ② 岩体质量评价和大量试验资料→建立岩体分类指标与变形参数间的经验关系→进行估算。
岩石的强度特性
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岩石的强度特性
岩石的强度是指岩体抵抗破坏的能力;岩体是由岩块和结构面组成的地质体。
多结构面岩体强度
取三组结构面岩石试件,首先绘出三组结构面及岩石的强度包络线和受力状态莫尔圆,若第一组结构面的受力状态点落在第一组结构面的强度包络线τ=Cω1+σtanυω1上或其之上,即第一组结构面与σ1的夹角β满足2β1'≤2β2'≦2β3',则岩体将沿第一组结构面破坏。
β'满足2β2'≦2β'2β1',则岩体将不沿第一结构面破;而若此时,第二组结构面与σ1的夹角β''满足2β1''≦2β''≦2β2'',则岩体将沿第二组结构面破坏。
以此类推,若第三组节理的受力状态点均落在其相应的强度包络线之下,即2β'2<2β'<2β1',2β<2''<2β''<2β1'',2β2'''<2β'''<2β1'''则此时,岩体将不沿三组结构面破坏,而将沿β0=π/4+υ0/2的岩石截面破坏。
岩体和岩块破坏时主应力之间的关系为σ1=σ3+√(mσcσ3+S(σc)^2) ,令σ3=0,可得单轴抗压强度σmc=(√S)σc
将σ1=0代入并对σ3求解得岩体单轴抗压强度σmc=½σc(m-√(m^2+4s))。
岩石的物理力学指标及其试验方法、强度特性、变形特性、强度理论、工程岩体分级标准
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(一)掌握岩石的物理力学指标及其试验方法;了解岩石的强度特性、变形特性、强度理论;掌握工程岩体分级标准。
1.物理力学指标(物理性质指标)
岩石的容重:单位体积内岩石(包括孔隙体积)的重量称为岩石的容重,单位(N/m³)。
干容重:就是指不含水分状态下的容重。
一般用于表示土的压实效果,干容重越大表示压实效果越好。
最大干容重:是在实验室中得到的最密实状态下的干容重。
密度:单位体积所具有的质量称为密度,公式ρ=m/V(kg/m3);单位体积所具有的重量称为容重,公式γ=G/V(N/m3),容重等于密度和重力加速度的乘积,即γ=ρg,单位是牛/立方米(N/m³)。
岩石的比重:岩石的比重就是绝对干燥时岩石固体部分实体积(即不包含孔隙的体积)的重量与同体积水(4℃)的重量之比。
单轴压缩试验试件要求:
端部效应是指试样受压时,两端部受其与试验机承压极间摩擦力的束缚、不能自由侧向膨胀而产生的对强度试验值的影响。
渗透系数
2.物理力学指标(变形性质指标)
弹性模量
变形模量
泊松
弹性模量:单位应变的应力。
3.物理力学指标(强度性质指标)
强度指标:抗压强度、抗剪强度、抗剪断强度、抗切强度、抗拉强度
三轴压缩试验:
岩石的强度特性、变形特性、强度
岩石三轴试验要求尽可能地使岩石处于三轴受力情况下
、。
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
岩石的力学特性及强度准则
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岩石的力学特性及强度准则岩石力学性质主要是指岩石的变形特征及岩石的强度。
由于在石油工程中,并壁稳定、出砂分析、水力压裂、储层物性变化等都与岩石力学性质亲密相关,因此有必要讨论岩石的力学性质及其在物理环境下应力场中的反映。
影响岩石力学性质的因素许多,例如岩石的类型、组构、围压、温度、应变率、含水量、载荷时间以及载荷性质等。
要讨论这些简单因素对岩石力学性质的影响,只能在试验艾博希室内严格掌握某些因素的状况下进行。
岩石的变形特性,最直观的表达方法是通过应力一应变关系曲线及应变随时间变化的曲线来表示。
通常首先讨论在常温、常压(即室温与通常大气压)条件下岩石的力学性质,然后再考虑其他影响因素下岩石的力学性质。
这样才能渐渐弄清在地质条件下,综合因素对岩石力学性质的影响。
岩石在常温、常压下一般产生脆性破坏,但深埋地下的岩石却表现为明显的延性。
,岩石这一性质的变化是由于所处物理环境的转变造成的。
所谓脆性与延性至今尚无非常明确的定义。
一'般所谓脆性破坏是指由弹性变形发生急剧破坏,破坏后塑性变形较小。
延性是指弹性变形之后产生较大的塑性变形而导致破坏,或直接进展为延性流淌。
所谓延性流淌IC现货商是指有大量的永久变形而不至于破坏的性质* 对于岩石而言,破坏前的应变或永久应变在3%以下可作为脆性破坏,5%以上作为延性破坏,3% 一5%为过渡状况。
由于地下的岩体和井壁围岩均处于三向应力状态,所以对岩石力学性态的测定不能靠简单的单轴压缩试验方法,而必需在肯定的围压作用厂(必要时还要考虑温度的作用)进行试验测定。
真三轴试验(岩石上三个主方向的作用力均不等)非常简单,一般均不采纳。
普退采纳的是常规三轴压缩试验方法,一般用圆柱形岩样,在其横向施加液体围压,即在水平的两个主方向上的应力相等且等于围压久,如图1—1所示。
假如上下垫块是带孔可渗透的,亦可通入孔隙流体压力以讨论孔隙压力的影响。
在试验过程中把岩样放在高压室中先对岩样四周用围压油加压至所需的值9c(需要时亦可加孔隙压至所需的夕。
岩石的强度和变形特性精品PPT课件
![岩石的强度和变形特性精品PPT课件](https://img.taocdn.com/s3/m/1fe0859333687e21ae45a981.png)
弹性后效——停止加、卸载,应变需经一段时间达到应有值的现象。
粘性流动——蠕变后卸载,部分变形不能恢复的现象。
3、蠕变曲线: 岩石蠕变的类型:
不稳定蠕变
稳定蠕变 (低应力) 不稳定蠕变(高应力)
典型蠕变曲线: (蠕变三阶段)
稳定蠕变
初始蠕变阶段——应变增加,但应变增加速率降低; 定常蠕变阶段——应变增加速率保持不变; 加速蠕变阶段——应变增加速率迅速增加,直至破坏。
(严格讲,μ仅在弹性范围适用,对塑性部分不适用 , 由于引入变形摸量,塑性区可用,μ最大为0.5。)
③剪切模量G——剪切虎克定律比例系数。 ④拉梅常数λ——将应力应变联系起来的弹性常数。 ⑤体积模量Kv——体积弹性摸量。
5、岩石变形中的扩容现象:
①扩容现象——岩石破坏前,因微裂隙产生及内部小块体相对滑移, 导致体积扩大的现象。
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
2 2
a1 a1
割线模量: E割
工程上常用E50 :
E 50
50 50
E
Et
Et
d d
Et
E0
e
p
②泊松比μ:(变形传递能力)
泊松比μ——岩石横向应变与纵向应变的比值。
x y
在弹性阶段:其为常数。 在塑性阶段:不为常数。
巴西法
σy σx
岩石的抗拉强度最小,约为抗压强度的3—30%
(四)抗剪切强度:
抗剪强度——岩石在剪切载荷作用下,破坏时所能承受的最大剪应力。
1、试验装置: 非限制性剪切(单、双面、冲剪、扭剪)(无正应力) 限制性剪切(直剪仪、角摸压剪试验仪)
岩石力学-岩石的强度特性1
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通常把抗压强度与抗拉强度的比值称为脆性度,用以表 征岩石的脆性程度。
常见岩石的抗拉强度
岩石名 称 辉长岩 辉绿岩 玄武岩 石英岩 大理岩 白云岩 抗拉强度 (MPa) 15~36 15~35 10~30 10~30 7~20 15~25 岩石名 称 花岗岩 流纹岩 闪长岩 安山岩 片麻岩 板岩 抗拉强度 (MPa) 7~25 15~30 10~25 10~20 5~20 7~15 岩石名称 页岩 砂岩 砾岩 灰岩 抗拉强度 (MPa) 2~10 4~25 2~15 5~20 1~10
强度的影响:圆形>六多边形>四边形>三边形试件;加工精 度影响应力分布形式,如弯矩。 岩石具有尺寸效应:试样尺寸越大,岩石强度越低 圆形试件的优点:不易产生应力集中,好加工;对圆柱
试件的尺寸要求:大于矿物颗粒的10倍;高径比:h/d≥(2
-3)较合理,尺寸效应其抗压强度影响的经验公式:
c1
c
3.测定方法: a)直接拉伸 b)间接法(劈裂法、点荷载法、三点弯曲法)
抗拉强度的直接实验法
实验时将这种试件两端固定在拉力机上,然后对试样施加 轴向拉力,直至试件破坏,试件的抗拉强度为:
P t A
关键技术:①试件和夹具之间的连接;②加力P与试件同心 缺点:试样制备困难,它不易与拉力机固定,且在试样断裂 处附近往往有应力集中,同时难免在试件两端面有弯矩。
一点的应力状态
3
1
2
xx xy yx yy zx zy
xz yz zz
11 12 21 22 31 32
13 23 33
ij
i, j 1, 2,3
物质的力学本构关系
《岩石的强度特性》课件
![《岩石的强度特性》课件](https://img.taocdn.com/s3/m/2de5b5c86429647d27284b73f242336c1fb93061.png)
研究岩石的密度和孔隙度, 探讨其对岩石的强度和稳 定性的影响。
了解岩石在温度变化下的 膨胀和收缩行为,探究其 对结构稳定性的影响。
3 渗透性和渗透压力
研究岩石的渗透性和渗透 压力,探索其对水力相互 作用和岩石稳定性的影响。
岩石的化学特性
1 化学组成对强度的影 2 酸碱性对强度的影响 3 腐蚀和侵蚀的影响
2 轴向压缩试验
了解岩石轴向受压的测试方法,研究岩石在 不同应力下的变形和破坏行为。
3 拉伸试验和剪切试验
探索岩石在拉伸和剪切过程中的性能表现, 研究其了解岩石 抵抗划伤和磨损的能力。
强度特性的应用
1 岩石的开采和加工
探索岩石强度特性在采矿和加工行业中的应用,确保生产过程的安全和高效。
岩石的力学特性
1 内聚力和黏着力
探索岩石颗粒之间的粘结力和相互作用力,以及它们对岩石强度的影响。
2 压缩和拉伸的强度
了解岩石在受力过程中的抗压和抗拉性能,研究其应力-应变关系。
3 岩石的断裂和延展性
研究岩石的断裂特性和延展性,了解岩石在不同条件下的破坏行为。
岩石的物理特性
1 密度和孔隙度
2 热膨胀系数
2 地质灾害的预防和治理
了解岩石强度特性对地质灾害预防和治理的重要性,提高灾害防范和应对能力。
3 岩土工程的设计和施工
研究岩石强度特性在岩土工程设计和施工中的应用,确保工程的安全可靠。
结论
岩石的强度特性是岩石力学、物理和化学特性相互作用的结果,对于实现工 程的安全和科学研究的进展具有重要意义。强度特性在工程和科学领域中有 广泛的应用。
响
了解岩石酸碱性的变化对
研究岩石与化学物质的相
探讨岩石中不同化学成分
岩石的机械性质
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岩石的机械性质1、岩石的械性质1、岩石的强度:岩石的强度是指岩石抵抗外力破坏的能力。
根据外力性质的不同可分为抗拉强度、抗压强度、抗剪强度等。
(岩石孔隙越大其强度越小,硬度较大的岩石其强度也就越大,另外还与岩石的组成有关)2、硬度:岩石的硬度是指岩石抗压入的极限强度。
岩石的强度反映了多向应力状态下的抗压强度,岩石的硬度与造岩矿物的成份、孔隙度、胶结物的性质有关。
如砂岩的硬度随胶结物的强度增大而增大,胶结物强度一般认为硅质>铁质>钙质>泥质。
3、岩石的塑性:在外力作用下,岩石破碎前呈现永久变形的性质(是由于岩石内部矿物及胶结物颗粒间的接触在外力作用下发生相对滑移造成)。
在外力作用下,岩石破碎前不呈现永久变形的性质叫岩石的脆性。
塑性岩石一般强度较小,钻头吃入比脆性岩石容易,钻井中遇到塑性岩石可采取切削破碎方式;脆性岩石可采取冲击压碎方式。
4、岩石的研磨性:钻头在破碎岩石同时,其本身也受到岩石磨损,这种岩石磨损钻头的能力称为岩石的研磨性。
岩石的研磨性是一个相对概念,它与钻头的选型、矿物成分、硬度、粒度及胶结物的强度等有关。
钻井中常遇到的石灰岩、泥质页岩、板岩等其研磨性小,石英岩、粗中粒花岗岩、燧石等属于研磨性大的岩石。
⑸岩石的可钻性:岩石的可钻性是指在一定条件下,钻进岩石的难易程度,也可以理解为钻进过程中岩石抗破碎强度的大小。
可钻性与很多因素有关,包括岩石的组成、岩石的机械性质、破岩方式、钻井参数、钻井液性能、井底清洁程度等。
2、岩石性质对钻井的影响岩石性质对钻井工作的影响主要表现在:影响钻进速度与钻头进尺;钻进过程中出现井漏、井喷、卡钻等复杂情况;钻井液受污染,性能变坏,井径不规则,进而影响到测井、固井等。
1、粘土岩层:泥岩和页岩一般较软,钻速快,但容易产生钻头泥包。
这种地层极易吸收钻井液中的自由水而膨胀,导致井径缩小。
随着时间的延长,井壁会垮塌现象,从而使井径扩大。
2、砂岩层:砂岩层一般来说是较好的渗透层,在井壁上易形成较厚的滤饼,易引起泥饼粘附卡钻。
第讲岩体的强度特性优质PPT
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计3、算岩强体度三同轴岩压石缩单基强轴度抗试本压验强质度。量,是岩体固有的属性,是有别于工程因素
(3、D岩)体岩三石轴的压弹缩性的强模度量试共比验岩性体的。大 岩体基本质量好,则稳定性也好;反之则
差。 结合工程情况,计算岩体基本质量指标修正值[BQ]: 岩石坚硬程度划分表
(C〕岩体的完整性和岩石的强度
•若莫尔圆和强度包络
线相离,则岩体不发
生破坏,既不沿结构
面破坏,也不沿岩石
面破坏
二、结构面的强度效应-多结构面
两组以上的节理同样处理,不过岩体总 是沿一组最有利破坏的节理首先破坏。
准岩体强度
K
V ml Vcl
2
mcKc mtKt
Hoek-Brown经验强度准则
13m c3sc 2
其中: m, s为与岩体结构有关的参数
Hoek-Brow岩n经石验饱强度和准单则轴抗压强度
c/MPa
>60
60~30
30~15
15~5
<5
[4B、Q沉]=积B岩Q-中1的0沉0(K积1间+K断2+面K属坚3)于硬哪程一种度类型的结构面?( )坚硬岩 较坚硬岩 较软岩
软岩
极软岩
(A〕RQD (B〕节理间距 (C〕节理密度
4、沉积岩中的沉积间断面属于哪一种类型的结构面?(岩体) 完整程度划分表
i
RQD 100% 其中: m, s为与岩体结构有关的参数
L钻孔总长 千斤顶施加轴向载荷,用压力枕施加围岩载荷
( B )岩体的力学参数随试件的增大而增大的现象
岩 计体算基强本 度质 同量 岩按好 石, 单R则 轴稳 抗Q定压D性 强也 度大好 。;小将岩石分为五类。工程实践说明,RQD
岩体的强度特性
![岩体的强度特性](https://img.taocdn.com/s3/m/5e171090fd0a79563d1e7205.png)
=ntgj+cj
3
1
三、单结构面强度效应
1
(2) 12时 沿结构面破坏;
3
(3)<1或>2 时,既不沿结构 面破坏,也不切 岩石破坏。
=ntg+c
=ntgj+cj
2 1
21
3
1
三、单结构面强度效应
(4)、<1或 >2时剪切岩石 破坏。
ctgarcctgarc岩石力学1313岩石力学1414时岩石结构面同时破坏岩体强度等于岩块强度结构面先破坏时岩体强度小于岩块强度ctgsin2岩石力学1515强度取完整岩石强度和结构面强度的小值两者的强度都按直线型考虑ctgsin2ctgsin2岩石力学1616根据单结构面强度效应可以看出岩体强度的各向异性轴受压强度受加载方向与结构面夹角的控岩石力学1717多结构面的岩体强度
1
1 3 c
令
则
1 sin 2 tg 45 1 sin 2 2c cos c 1 sin
c
3
1 3 c
4
二、结构面强度
假设节理面服从莫尔-库仑直线型强度准则
C t g J J
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:
0 45 /2
c
3
一、岩石的强度
2、 在 1 3 坐标下
1 sin 2 C cos 1 3 1 sin 1 sin
2.3 岩石的强度特性
![2.3 岩石的强度特性](https://img.taocdn.com/s3/m/f2867a8add3383c4ba4cd20c.png)
抗拉强度: Rt 2 p / Dt
式中:
Rt —试件中心的最大拉应力,即抗拉强度;
p —试件破坏时的极限压力; D —试件的直径; t —试件的厚度。
试验要求
①荷载沿轴向均匀分布;
②破坏面必须通过试件的直径。
(3)点荷载试验法
是20世纪70年代发展起来的一种简便的试验方法。 试件:任何形状:5cm岩芯或不规则岩块。 试验:直接在点荷载仪进行加载,直至劈裂破坏。 二者不同:巴西法—线荷载; 点荷载法—点荷载。
(4)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
返回
1 2 3
见图16
见图17
3.三轴压缩试验的破坏类型
3
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,极限最大主应力越大(应力圆说明)
(2)加载途径对岩石三向压缩强度影响
加载途径对岩的最终三向压缩强度影响不大。
(3)试件尺寸与加载速率对岩石三向压缩强度影响
尺寸↑,强度↓ 速率↑,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。通式为: 1 f 2 , 3 f 1 , 2 , 3
1 , 2 , 3 分别为最大、中间、最小主应力。
2. 三向压缩试验简介
(1) 真三轴
(2) 假三轴
1 2 3
(2)试件的形状和尺寸 形状:圆柱形试件不易产生应力集中,好加工,精度 易保证。多采用圆柱形,较少采用圆柱体。 尺寸:尺寸↑,强度↓。
统计结果:试件直径4—6cm,且>最大矿物颗粒直径的
10倍,强度值比较稳定。 标准直径:5cm. (3)高径比: h/d不同,岩石单轴抗压强度不同。(课本图2-4)
岩石的强度特性
![岩石的强度特性](https://img.taocdn.com/s3/m/875e9a4e011ca300a6c39096.png)
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
3.单向压缩试件的破坏形态 破坏形态是表现破坏机理的重要特征; 其主要影响因素: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), 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
t MC / I
t ——三点弯曲梁内的最大拉应力;梁发生破坏时
的 t 就是 Rt M ——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 ①岩石是各向同性的线弹性材料 适用条件: ②满足平面假设的对称面内弯曲
(2)劈裂法(巴西法),对称径向压裂法 由巴西人Hondros提出 试件:实心圆柱φ50mm;δ 25mm
1 2 3
见图 见图00
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影响(图2-13)
A、B、C三条虚线是三个不同的加载三向压缩强度的影响
4.影响单轴抗压强度的主要因素
(1)承压板端部的摩擦力及其刚度(加垫块的依据) (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; φ50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 温度度:180℃以下部明显:大于180℃,湿度越高强 度越小。
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2)加载速率 加载速率增大,强度提高。原因:变形速率滞后于 应力增长速率,变形来不及发生、发展 现行试验规范规定加载速率:
0.5 0.8MPa / s
3)端面条件 端面效应:端面对试件端部横向变形的影响 减少端面影响的方法:在试件与压力板之间加润 滑剂,以减少压力板与试件之间的摩擦力
影响因素岩石单轴抗压强度的因素
h
影响因素岩石单轴抗压强度的因素
非标准试件强度与标准试件强度的转换:
c1 c
0.222 0.778 h D
② 尺寸效应:尺寸越大→微结构面 越多,越复杂→强度越低 我国标准尺寸: 直径或边长为50mm,高100mm ③ 加工精度:端面粗糙、不平行, 产生应力集中,降低强度
影响因素岩石单轴抗压强度的因素
7~25 15~30 10~25 10~20 15~36 15~35 10~30 10~30
45~60 45~60 53~55 45~50 50~55 55~60 48~55 50~60
14~50 10~50 10~50 10~40 10~50 25~60 20~60 20~60
50~200 10~100 60~200 10~100 20~200 10~150 50~200 80~250 100~250
c
单轴抗拉强度
内聚力 (MPa) 岩石 名称 片麻岩 抗压强度 (MPa)
c
抗拉强度
(MPa)
t
摩擦角(°)
抗拉强度
(MPa)
t
摩擦角 (°)
内聚力 (MPa)
100~250 180~300 100~250 100~250
7~25 15~30 10~25 10~20
45~60 45~60 53~55 45~50
(b)
(c)
拉破坏
圆柱体 t 2 pt DL 立方体 t 2 pt a2
点荷载试验 : 点荷载强度
单轴抗拉强度
I s pt D2
破坏时两加 载点的距离
抗拉强度
3
t KI s
0.86~0.96
点荷载仪
4. 常见岩石的抗拉强度
岩石 名称 花岗岩 抗压强度(MPa)
上节内容:岩石的流变特性
弹性(可恢复) 塑性(不恢复) 蠕变 松弛 弹性后效 粘性流动 岩石介质的力学模型
瞬时变形 M体 K体 有 无 蠕变 有 有 松弛 有 无 弹性后效 无 有 粘性流动 有 无
岩 与时间无关的变形 石 变 形 与时间有关的—流变
岩石的时间效应
§ 2.7 岩 石 的 强 度 性 质
通常把抗压强度与抗拉强度的比值称为脆性度,用以表征 岩石的脆性程度。
三. 三轴抗压强度 1m
triaxial compressive strength
1. 定义 岩石试件在三轴压缩荷载作用下直到 破坏所能承受的最大压应力,简称三轴抗压强度 (uniaxial compressive strength),或限制性抗压强度
Pt t A
直接拉伸法 :费时、费 力、费物
间接方法:
单轴抗拉强度
P
劈裂试验 : 弹性理论 圆 竖直向直径平面拉应力:
柱 体
P
y
D
x
o
x
x 2 p DL
垫条
y
2P
P P
水平向直径平面压应力:
DL
y 6 p DL x y 3 而 t c 4
(a)
单轴抗压强度
3. 测定方法 1)单轴抗压强度试验 圆柱体标准试件: 直径为50mm,高100mm 表达式: P
c
c
A
0.75 s (50)
2)经验公式法
c 22.82I
直径为50mm的点荷载 标准试件的点荷载强度
I s (50)
4. 岩石单轴受压的破坏类型(三种) (1)剪切破坏 由破坏面上的剪应力超过了其抗剪 强度引起。但破坏面所承受的最大 剪应力与破坏面上的正应力有关, 因而又称为压-剪破坏。 破坏面与轴向压力方向成一锐角 (2)劈裂破坏(压致拉裂破坏) 在轴向压力的作用下产生横向拉应 力,当横向拉应力超过岩石的抗拉 强度时产生拉裂破坏。(泊松效应) 破坏面与轴向压力方向近似平行
4~25
2~15 5~20 15~25 7~20
35~50
35~50 35~50 35~50 35~50
8~40
8~50 10~50 20~50 15~30
辉长岩 辉绿岩
180~300 200~350 150~300 150~350
15~36 15~35 10~30 10~30
50~55 55~60 48~55 50~60
内聚力 (MPa) 岩石 名称 片麻岩 千枚岩、片岩 板岩 页岩 砂岩
抗压强度
(MPa)
c
抗拉强度 (MPa)
t
摩擦角(°)
抗压强度
(MPa)
c
抗拉强度 (MPa)
t
摩擦角(°)
内聚力 (MPa)
100~250 180~300 100~250 100~250 180~300 200~350 150~300 150~350
单轴抗压强度
(3)对顶锥破坏 形成两个对顶的角锥形破坏面。由于 试件与承压板之间的摩擦阻力,阻止 试件端部横向位移,端部范围处于三 向应力状态,端部效应明显。径向和 环向处于受拉状态。该破坏类型不是 岩石所固有的。
1
1
5.常见岩石的抗压强度
岩石 名称 花岗岩 流纹岩 闪长岩 安山岩
单轴抗压强度
4)湿度和温度 水对岩石强度有显著影响,其用软化系数表示。浸入 水的岩石强度降低。 温度升高,脆性降低,塑性增加,强度越低。 5)层理结构 加载方向平行于层理方向的强度 < 垂直于层理方向 的强度。
抗压强度(MPa) 岩石名称
垂直层理(⊥) 石 灰 岩 粗粒砂岩 180 142.3 平行层理(∥) 151 118.5 (⊥)/( ∥) 1.19 1.20
1
1
t
t
t
2
c 3
1
3
o
c
c
1
莫尔强度包络线曲线
•围压大时,莫尔强度包络线为曲线,破坏面上的内聚力和 内摩擦角并非常量,当应力低时,内摩擦角大,内聚力小; 当应力高时,内摩擦角小,内聚力大。 •围压不大时,莫尔强度包络线近似直线,破坏面上的内聚力 和内摩擦角为常量。
c和 C、 之间的关系 (3) 1m、
0.22~0.51
0.1~0.24 0.06~0.19
砂质页岩 砂 岩
石 灰 岩
大 理 岩 花 岗 岩 石 英 岩
0.01~0.067
0.08~0.226 0.02~0.08 0.06~0.11
0.08~0.10
0.272 0.08 0.176
0.15
0.09
岩石 c 最大,岩石
t 25% c
t 最小, 介于两者之间
6. 影响因素岩石单轴抗压强度的因素 (1)岩石自身的性质 矿物组成、 结构构造(颗粒大小及形状、粒间连接、 微结构面特征)、密度、风化程度等等 (2)试验条件因素 1)试件形状、尺寸及加工精度 断面形状 圆形 > 多边形。 棱角-应力集中,
应力集中越强烈,试件越易破坏, D ① 形状 抗压强度越低 高径比增大,强度降低; 很小,处 高径比 h / D 于三向受压;很大,易发生失稳破 坏 h / D 2 3 应力分布较均匀,弹性稳定状态
砾岩 石灰岩 白云岩 大理岩
• 岩石抗拉强度 t 、抗剪强度 与 c 的比较
岩石名称 煤 与抗压强度的比值 抗拉强度 0.009~0.06 抗剪强度 0.25~0.5 抗弯强度
页
岩
0.06~0.325
0.09~0.18 0.02~0.17
0.25~0.48
0.33~0.545 0.06~0.44
5~20 1~10 7~15 2~10 4~25 2~15 5~20 15~25 7~20
30~50 26~65 45~60 15~30 35~50 35~50 35~50 35~50 35~50
3~5 1~20 2~20 3~20 8~40 8~50 10~50 20~50 15~30
辉长岩 辉绿岩 玄武岩 石英岩
1
1
t
t
t
2
1 m 3 圆心: ,0 2
半径:
c 3
1
3
1m 3
2
o
c
c
1
莫尔强度包络线曲线
在 坐标系中绘制出一组破坏应力圆及公切线, 所得到的公切线即为岩石莫尔强度包络线
(2)岩石抗剪强度参数 , C 岩石莫尔强度包络线上所有点 的切线与 轴的夹角代表相应 破坏面的内摩擦角-- 岩石莫尔强度包络线上所有点 的切线在 轴上的截距代表相 应破坏面的内聚力--C
(confined compressive strength)(MPa)
2. 测定方法:
1
1m
Pm A
2 3
2 3
1
1
1
3. 岩石强度包络线及岩石抗剪强度参数 (1) 岩石莫尔强度包络线 一组试件:4个以上岩样 三轴压缩试验:1m , 3 和 t 莫尔应力圆:
2 o
1m 3 2
C
Cctg
3
1m 3 2
o'
1m
直线型莫尔强度包络线
o 1m 3tg (45 ) 2Ctg (45 ) 2 2 用岩石抗剪强度参数 , C 和围压 3 表示的岩石强度
1m