常见岩石的强度性质
常见岩石的强度性质
之迟辟智美创作以后位置：课程学习/第四章岩块的变形与强度性质/第三节岩块的强度性质第三节岩块的强度性质岩块的强度是指岩块抵当外力破坏的能力.根据受力状态分歧，岩块的强度可分为单轴抗压强度、单轴抗拉强度、剪切强度、三轴压缩强度等.一、单轴抗压强度σc1、界说在单向压缩条件下，岩块能接受的最年夜压应力，简称抗压强度（MPa）.2、研究意义（1）衡量岩块基本力学性质的重要指标.（2）岩体工程分类、建立岩体破坏判据的重要指标.（3）用来估算其他强度参数.3、测定方法抗压强度试验点荷载试验4、罕见岩石的抗压强度罕见岩石的抗压强度1、界说单向拉伸条件下，岩块能接受的最年夜拉应力，简称抗拉强度.2、研究意义（1）衡量岩体力学性质的重要指标（2）用来建立岩石强度判据，确定强度包络线（3）选择建筑石材不成缺少的参数3、测定方法直接拉伸法间接法（劈裂法、点荷载法）4、罕见岩石的抗拉强度罕见岩石的抗拉强度5岩石中包括有年夜量的微裂隙和孔隙，岩块抗拉强度受其影响很年夜，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很多，因此，岩块的抗拉强度一般远小于其抗压强度.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水平.岩块的几种强度与抗压强度比值1、界说在剪切荷载作用下，岩块抵当剪切破坏的最年夜剪应力，称为剪切强度.2、类型（1）抗剪断强度：指试件在一定的法向应力作用下，沿预定剪切面剪断时的最年夜剪应力.（2）抗切强度：指试件上的法向应力为零时，沿预定剪切面剪断时的最年夜剪应力.（3）摩擦强度：指试件在一定的法向应力作用下，沿已有破裂面（层面、节理等）再次剪切破坏时的最年夜剪应力.3、研究意义反映岩块的力学性质的重要指标.用来估算岩体力学参数及建立强度判据.4、抗剪断强度的测试方法直剪试验变角板剪切试验三轴试验5、罕见岩石的剪切强度罕见岩石的剪切强度1、界说试件在三向压应力作用下能抵当的最年夜的轴向应力.2、测定方法三轴试验3、利用三轴试验确定抗剪强度根据一组试件(4个以上)试验获得的三轴压缩强度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.除极点外，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).4、几种强度之间的换算根据应力摩尔圆可以进行几种强度之间的换算,已知其中某些强度，可以计算其他的强度值.假设强度包络线为直线（在σ3<10MPa的情况下，往往这样.），如下图，可以获得下面的公式：由此可以根据岩石的内摩擦角、内聚力和σ3计算岩石的三轴强度.同样，也可以获得下式：由此可以计算岩石的抗压强度、抗拉强度、内聚力、内摩擦角.。
3岩石力学性质及强度
四、岩石变形特性参数的测定
1、弹性模量E的确定 a、线弹性类岩石――σ ～ε 曲线呈线性关系，曲线上任 一点P的弹性模量E：
E
b
σ ～ε 曲线呈非线性关系
d 初始模量 : E 初＝ d
切线模量（直线段）：
0
a 2 a1 E 切＝ a 2 a1
割线模量：
际受力状态而测定岩石在围压作用下的抗压强度、
变形模量、弹性模量及泊松比。
岩石的三轴抗压强度、变形模量、弹性模量、 泊松比及剪切模量分别为：
P （ 2） 3 A
50 3 Ee （ 4 ） 50 i
Ee G 6） （ 2(1 u )
50 3 E0 50 0
2、间接拉伸试验
A 劈裂法（巴西试验法）
圆盘试件：
2P t d t
方形试件：
2P t 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 ）：
t
P V 2/3
1 与 主 应 力 差 ( σ 1-
σ 3) 的关 系 曲 线 表 示 。
围压对岩石变形的影响
图2－6 三轴应力状态下大理岩的应力－应变曲线
围压对岩石刚度的影响
砂岩：孔隙较多，岩性较软， σ3增大，弹性模量变大。 辉长岩：致密坚硬， σ3增大，弹性模量几乎不变。
围压对岩石强度的影响
图2－6 三轴应力状态下大理岩的应力－应变曲线
岩石力学的弹性变形
E K 3 1 2
弹性模量, E 泊松比, v 体积模量, K 剪切模量, G
3岩石力学性质及强度解析
一些典型的破坏形态
岩石的变形特性，根据其破坏特征，可以分为弹 性、弹塑性、塑性、粘性等(粘性又可分为粘弹性 和粘塑性)等。
§3-2 岩石的变形特性
弹性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形
能够恢复的性质。
塑性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形 不能恢复的性质。 脆性：物体在外力作用下变形很小时就发生破坏的性质。 延性：物体能够承受较大的塑性变形而不丧失其承载能力
瓦威尔西克（Wawer Sik,1968）对岩石开始宏观破坏 后的性态做了仔细研究，所得结果如图所示。
类型1：试件仍有一定的强度。要使试件进一步破坏，试验机必须进 一步作功，这种类型为稳定破坏型。应力－应变曲线的破坏后区斜率 为负。这种类型为稳定破坏型；（孔隙率大的沉积岩和部分结晶岩） 类型2：试件受力达到其极限强度以前储存的弹性变形能就足以使试 件完全破坏，不但不需要试验机进一步作功，还要逐步卸载，才能作 出破坏后区应力－应变曲线。应力－应变曲线的破坏后区斜率为正。 这种类型为非稳定破坏型；（细粒结晶岩）
小 结：
1．无论岩石在什么状态的应力条件下( 压、拉、剪、弯、扭)，其破坏形式基本上只 有两种：拉伸和剪切。 2． 三向等压>三向不等压>双向压>单向 压>剪切(包括扭转)>弯曲>单向拉伸；
3．从试验数量来看，单向压缩试验、 圆盘劈裂试验最多。
岩石的破坏形式
就其破坏本质而言，岩石破坏有以下三种类型： 1、拉破坏 2、剪切破坏 3、塑性流动破坏
1 与 主 应 力 差 ( σ 1-
σ 3) 的关 系 曲 线 表 示 。
围压对岩石变形的影响
图2－6 三轴应力状态下大理岩的应力－应变曲线
围压对岩石刚度的影响
岩体的强度特性
2CJ +2 fJ σ3 σ1m =σ3 + Байду номын сангаас1− fJctgβ) sin2β
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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： 对岩体强度有影响的节理方位角： β1≤β≤ β2 可以直接在图上量取， β1、β2可以直接在图上量取，也可以由 正弦定律推求： 正弦定律推求：
2 n c
28
岩石力学
五、岩体强度估算
Hoek曾指出， 与库伦— Hoek曾指出，m与库伦—莫尔判据中的内 曾指出 摩擦角Φ非常类似， 则相当于内聚力C 摩擦角Φ非常类似，而s则相当于内聚力C 值。如果这样，根据Hoek—Brown提供的常 如果这样，根据Hoek—Brown提供的常 Hoek 最大为25 25， 数，m最大为25，显然这时估算的岩体强度 偏低， 偏低，特别是在低围压下及较坚硬完整的 岩体条件下，估算的三轴强度明显偏低。 岩体条件下，估算的三轴强度明显偏低。 但对于受构造扰动及结构面较发育的裂隙 化岩体，Hoek(1987)认为用这一方法估算 化岩体，Hoek(1987)认为用这一方法估算 是合理的。 是合理的。
(σ1 + σ 3 + CJ ctgϕJ )sin ϕJ 1 β1 = + arc sin[ ] σ1 − σ 3 2 2 (σ1 + σ 3 + CJ ctgϕJ )sin ϕJ 1 β2 = + − arc sin[ ] σ1 − σ 3 2 2 2
ϕJ π
ϕJ
13
岩石力学
三、单结构面强度效应 岩石（岩块） （2）、岩石（岩块）破坏：
常用土层和岩石物理力学性质
(E, ν) 与(K, G)的转换关系如下：)21(3ν-=EK)1(2ν+=EG （7.2）当ν值接近0.5的时候不能盲目的使用公式3.5，因为计算的K 值将会非常的高，偏离实际值很多。
最好是确定好K 值(利用压缩试验或者P 波速度试验估计)，然后再用K 和ν来计算G 值。
表7.1和7.2分别给出了岩土体的一些典型弹性特性值。
岩石的弹性（实验室值）（Goodm a n,1980） 表7.1土的弹性特性值（实验室值）（Das,1980） 表7.2各向异性弹性特性——作为各向异性弹性体的特殊情况，横切各向同性弹性模型需要5中弹性常量：E 1, E 3, ν12,ν13和G 13；正交各向异性弹性模型有9个弹性模量E 1,E 2,E 3, ν12,ν13,ν23,G 12,G13和G 23。
这些常量的定义见理论篇。
均质的节理或是层状的岩石一般表现出横切各向同性弹性特性。
一些学者已经给出了用各向同性弹性特性参数、节理刚度和空间参数来表示的弹性常数的公式。
表3.7给出了各向异性岩石的一些典型的特性值。
流体弹性特性——用于地下水分析的模型涉及到不可压缩的土粒时用到水的体积模量K f ，如果土粒是可压缩的，则要用到比奥模量M 。
纯净水在室温情况下的K f 值是2 Gpa 。
其取值依赖于分析的目的。
分析稳态流动或是求初始孔隙压力的分布状态（见理论篇第三章流体-固体相互作用分析），则尽量要用比较低的K f ，不用折减。
这是由于对于大的Kf 流动时间步长很小，并且，力学收敛性也较差。
在FLAC 3D 中用到的流动时间步长,∆ tf 与孔隙 度n ，渗透系数k 以及Kf 有如下关系：'f f kK nt ∝∆ （7.3） 对于可变形流体（多数课本中都是将流体设定为不可压缩的）我们可以通过获得的固结系数来决νC 定改变Kf 的结果。
岩石天然强度与饱和强度
岩石天然强度与饱和强度岩石天然强度与饱和强度是岩石力学性质的两个重要指标。
岩石天然强度是指岩石在未受到外力作用下的强度，而饱和强度则是指岩石在饱和状态下的强度。
这两个指标对于岩石的工程应用具有重要意义。
岩石天然强度是岩石的基本力学性质之一，它是指岩石在未受到外力作用下的强度。
岩石天然强度的大小与岩石的成分、结构、质地等因素有关。
一般来说，岩石的天然强度越高，其抗压、抗拉、抗剪等力学性能就越好，其在工程应用中的可靠性也就越高。
因此，在进行岩石工程设计时，需要对岩石的天然强度进行充分的了解和评估。
饱和强度是指岩石在饱和状态下的强度。
饱和状态是指岩石中的孔隙被水或其他液体充满的状态。
在饱和状态下，岩石的强度会受到一定程度的影响。
一方面，水分子会填充岩石中的孔隙，使得岩石的体积增大，从而导致岩石的强度降低。
另一方面，水分子会对岩石中的矿物质产生化学反应，从而导致岩石的强度发生变化。
因此，在进行岩石工程设计时，需要对岩石的饱和强度进行充分的了解和评估。
在岩石工程设计中，岩石天然强度和饱和强度都是非常重要的指标。
在进行岩石工程设计时，需要对岩石的天然强度和饱和强度进行充分的了解和评估，以确保工程的可靠性和安全性。
同时，在进行岩石工程设计时，还需要考虑岩石的其他力学性质，如岩石的弹性模量、泊松比、破坏模式等，以综合评估岩石的力学性能。
总之，岩石天然强度和饱和强度是岩石力学性质的两个重要指标，对于岩石的工程应用具有重要意义。
在进行岩石工程设计时，需要对岩石的天然强度和饱和强度进行充分的了解和评估，以确保工程的可靠性和安全性。
同时，还需要考虑岩石的其他力学性质，以综合评估岩石的力学性能。
第四章 岩石的强度
第四章岩石的强度岩石强度是岩石的一种重要的力学特性。
是指岩石抵抗载荷（外力）而不受屈服或破裂的能力,是岩石承受外力的极限应力值。
岩石受力后会发生变形，一旦应力达到岩石的极限应力值，岩石就会发生破坏。
在岩石强度应力值之前，存在屈服点(应变明显增大，而应力不再需要明显增大时的应力)，超过屈服点和达到极限强度(岩石破裂要达到的最大应力值)前，一般仍有一些抵抗应变而恢复原形的能力，但达到极限强度后岩石破裂，就完全失去恢复能力。
通常所讲的岩石强度，一般是指岩石样件的测量强度，它仅代表岩体内岩块的强度，不能代表整个岩体的强度。
但在涉及岩石强度的工程问题中，一般是针对岩体的强度，而岩体往往包含一些软弱的结构面。
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。
因此，岩体的强度取决于这些岩块强度和结构面的强度，岩块内微结构面的作用将直接反映到岩石的力学性质上。
岩石受力方式的不同，表现出的强度特性不尽相同。
如在张力、压力和剪切力的作用下，同种岩石会呈现出不同的强度特性。
因此岩石具有抗张、抗压和抗剪切强度等之分。
岩石受力条件的不同，可表现出变形、破裂、蠕变等现象，这些现象有着一定的规律性。
岩石的强度是衡量岩石基本力学性质的重要指标，是建立岩石破坏判据的重要指标，还可估计其他力学参数。
岩石的这些力学特性广泛用于建筑行业、水利水电工程、地质灾害研究与预防、断裂构造研究等方面。
4.1影响岩石强度的主要因素1)岩石成分和结构组成岩石的矿物种类及含量、矿物颗粒大小、固结程度、胶结物种类、矿物形态与分布等均影响到岩石的各种强度。
固结程度高、硅质胶结、细粒、交错结构的强度大。
2)岩石中不连续面和间断面岩石中微裂缝、微小断裂、节理层理等的发育程度和分布情况直接影响到岩石的强度，这些不连续或间断面会降低岩石在不同方向上的强度。
3)岩石孔隙度及流体性状岩石的孔隙度以及其中所含流体种类、饱和度、渗透率等因素以较复杂的关系影响着岩石强度。
常见岩石特性
花岗岩属火成岩,由地下岩浆喷出和侵入冷却结晶，以及花岗质的变质岩等形成。
具有可见的晶体结构和纹理。
它由长石（通常是钾长石和奥长石）和石英组成，搀杂少量的云母（黑云母或白云母）和微量矿物质，譬如:锆石、磷灰石、磁铁矿、钛铁矿和榍石等等。
花岗石主要成分是二氧化硅，其含量约为65%—85%。
花岗石的化学性质呈弱酸性。
通常情况下，花岗岩略带白色或灰色，由于混有深色的水晶，外观带有斑点，钾长石的加入使得其呈红色或肉色。
花岗岩由岩浆慢慢冷却结晶形成，深埋于地表以下，当冷却速度异常缓慢时,它就形成一种纹理非常粗糙的花岗岩，人们称之为结晶花岗岩。
花岗岩以及其它的结晶岩构成了大陆板块的基础，它也是暴露在地球表面最为常见的侵入岩。
尽管花岗岩被认为是由融化的物质或者岩浆形成的火成岩，但是有大量证据表明某些花岗岩的形成是局部变形或者先前岩石的产物，它们未经过液态或者融化过程而重新排列和重结晶花岗岩的比重在到之间，其抗压强度为1,050~14,000千克/平方厘米（15,000~20,000磅/平方英寸）。
因为花岗岩的强度比沙岩、石灰石和大理石大，因此比较难于开采。
由于花岗石形成的特殊条件和坚定的结构特点，使其具有如下独特性能：（1）具有良好的装饰性能，可适用公共场所及室外的装饰。
（2）具有优良的加工性能：锯、切、磨光、钻孔、雕刻等。
其加工精度可达Um以下，光度达1600以上。
（3）耐磨性能好，比铸铁高5-10倍。
（4）热膨胀系数小，不易变形，与铟钢相仿，受温度影响极微。
(5)弹性模量大，高于铸铁。
(6)刚性好，内阻尼系数大，比钢铁大15倍。
能防震，减震。
(7)花岗石具有脆性，受损后只是局部脱落，不影响整体的平直性。
(8)花岗石的化学性质稳定，不易风化，能耐酸、碱及腐蚀气体的侵蚀，其化学性与二氧化硅的含量成正比，使用寿命可达200年左右。
(9)花岗石具有不导电、不导磁，场位稳定。
通常，花岗岩分成三个不同的类别：1.细粒花岗岩：长石晶体的平均直径为1/16~1/8英寸。
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第三节岩块的强度性质
岩块的强度是指岩块抵抗外力破坏的能力。
根据受力状态不同，岩块的强度可分为单轴抗压强度、单轴抗拉强度、剪切强度、三轴压缩强度等。
一、单轴抗压强度σ
c
1、定义
在单向压缩条件下，岩块能承受的最大压应力，简称抗压强度（MPa）。
2、研究意义
（1）衡量岩块基本力学性质的重要指标。
（2）岩体工程分类、建立岩体破坏判据的重要指标。
（3）用来估算其他强度参数。
3、测定方法
抗压强度试验
点荷载试验
4、常见岩石的抗压强度
常见岩石的抗压强度
二、单轴抗拉强度σt
1、定义
单向拉伸条件下，岩块能承受的最大拉应力，简称抗拉强度。
2、研究意义
（1）衡量岩体力学性质的重要指标
（2）用来建立岩石强度判据，确定强度包络线
（3）选择建筑石材不可缺少的参数
3、测定方法
直接拉伸法
间接法（劈裂法、点荷载法）
4、常见岩石的抗拉强度
常见岩石的抗拉强度
5、抗拉强度与抗压强度的比较
岩石中包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。
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。
岩块的几种强度与抗压强度比值
三、剪切强度
1、定义
在剪切荷载作用下，岩块抵抗剪切破坏的最大剪应力，称为剪切强度。
2、类型
（1）抗剪断强度：指试件在一定的法向应力作用下，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力。
（2）抗切强度：指试件上的法向应力为零时，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力。
（3）摩擦强度：指试件在一定的法向应力作用下，沿已有破裂面（层面、节理等）再次剪切破坏时的最大剪应力。
3、研究意义
反映岩块的力学性质的重要指标。
用来估算岩体力学参数及建立强度判据。
4、抗剪断强度的测试方法
直剪试验
变角板剪切试验
三轴试验
5、常见岩石的剪切强度
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
三轴试验
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σ。
在σ-τ坐标系
t
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)。
4、几种强度之间的换算
根据应力摩尔圆可以进行几种强度之间的换算,已知其中某些强度，可以计算其他的强度值。
<10MPa的情况下，往往这样。
），如下图，可以得到下面的公式：假设强度包络线为直线（在σ
3
由此可以根据岩石的内摩擦角、内聚力和σ
计算岩石的三轴强度。
3
同样，也可以得到下式：
由此可以计算岩石的抗压强度、抗拉强度、内聚力、内摩擦角。