第三节岩石的强度特性
第3讲-岩石力学-岩石的变形、破坏特征
微结构面：指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒间的软弱面或 缺陷，包括矿物解理、晶格缺陷、粒间空隙、微裂隙、微层 理及片理面、片麻理面等。
① 降低岩石强度
② 导致岩石力学性质各向异性
1、岩石的组构特征
岩石的主要胶结类型：
基底型：彼此不发生接触的矿物颗粒埋在玻璃体中，这种情况下 胶结程度很高，岩石强度与胶结物有关。
岩石的饱和吸水率(Wp)：是指岩石试件在高压(一般压力为15MPa)或真空条
件下吸入水的质量(mw2)与岩样干质量(ms)之比，用百分数表示。 岩石的吸水率(Wa)与饱和吸水率(Wp)之比，称为饱水系数。它反映了岩石中
大、小开空隙的相对比例关系。
Wp
m w2 100 % ms
mw1 Wa 100% ms
2.岩石变形特征
变形参数的一般确定方法: 实验数据分析
2
2 1 Et 2 1
弹性模量：弹性段的斜率
50
割线模量：极限强度50%所 对应点的斜率
Ei
1 i o
50 50
Ei i i
1 50 2 i L
初始模量：初始段 应力-应变曲线的切 线的斜率
2、岩石的物理性质
岩石的水理性质
岩石在水溶液作用下表现出来的性质，称为水理性质。主要包括： 吸 水性、软化性、 抗冻性、 膨胀性、 崩解性。
吸水性：岩石在一定的实验条件下吸收水分的能力，称为岩石的吸水性。
吸水率(Wa)：岩石试件在大气压力和室温条件下自由吸入水的质量(mw1)与 岩样干质量(ms)之比，用百分数表示。
不能恢复的 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了。
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.。
岩石力学第三章：岩石的力学特性及强度准则
常 见 岩 石 的 软 化 系 数
岩 石 名 称
花 岗 岩 闪 长 岩 辉 绿 岩 流 纹 岩
软化系数
0.72～0.97 0.60～0.80 0.33～0.90 0.75～0.95
岩石名称
泥 岩
软化系数
0.40～0.60 0.44～0.54 0.70～0.94 0.75～0.97
泥 灰 岩 石 灰 岩 片 麻岩
岩石名称
抗压强度 (MPa)
100～250
抗拉强 度 (MPa)
7～25
岩石名称
抗压强度 (MPa)
5～100
抗拉强度 (MPa)
2～10
常 见 岩 石 的 抗 压 及 抗 拉 强 度
花岗岩
页 岩
流纹岩
160～300
12～30
粘土岩
2～15
0.3～1
闪长岩
120～280
12～30
石灰岩
40～250
7～20
安山岩
140～300
10～20
白云岩
80～250
15～25
辉长岩
160～300
12～35
板 岩
60～200
7～20
辉绿岩
150～350
15～35
片 岩
10～100
1～10
玄武岩 砾岩 砂 岩
150～300 10～150 20～250
10～30 2～15 4～25
片麻岩 石英岩 大理岩
50～200 150～350 100～250
（二）岩石的水理性质
5．可溶性：是指岩石被水溶解的性能。它与岩石 的矿物成分、水中CO2 含量及水的温度等因素有 关。 6．膨胀性：岩石吸水后体积增大引起岩石结构破 坏的性能称膨胀性。
岩石的物理力学性质
n0
Vn0 V
100%
(5)闭空隙率nc: 即岩石试件内闭型空隙的体积（Vnc)占 试件总体积(V)的百分比。
nc
Vnc V
100%
2 、空隙比(e)
所谓空隙比是指岩石试件内空隙的体积（V V)与 岩石试件内固体矿物颗粒的体积（Vs)之比。
e VV V Vs n
Vs
Vs
1 n
四、岩石的水理性质
c 具有粘性的弹性岩石
由于应变恢复 有滞后现象，即加 载和卸载曲线不重 合，加载曲线弹模 和卸载弹模也不一 样。P点加载弹模 取过P点的加载曲 线的切线斜率，P 点卸载弹模取过P 点的卸载曲线的切 线斜率。
d、弹塑性类岩石
Ee e
2、变形模量
E0 e p
变形
弹性变形 塑性变形
线弹性变形 非线弹性变形
o
理想弹性体
s
o
线性硬化弹塑性体
s
o
理想弹塑性体
o
d
dt
理想粘性体
一、岩石在单轴压缩状态下的力学特性
1、σ～ε曲线的基本形状 美国学者米勒将σ～ε曲线分为6种。
σ～ε曲线的基本形状
致密、坚硬、少裂隙 致密、坚硬、多裂隙
少裂隙、 岩性较软
较多裂隙、 岩性较软
d
Ws V
d d g
（g/cm3） (kN /m3)
式中：Ws——岩石试件烘干后的质量(g)； V——岩石试件的体积(cm3)；
g——重力加速度。
3、饱和密度（ρ ）和饱和重度(γw)
饱和密度就是饱水状态下岩石试件的密度。
w
Ww V
（g/cm3）
w wg
(kN /m3)
式中：WW——饱水状态下岩石试件的质量 (g)； V——岩石试件的体积(cm3)；
岩石的基本物理力学性质-知识归纳整理
知识归纳整理岩石的基本物理力学性质岩石的基本物理力学性质是岩体最基本、最重要的性质之一，也是岩体力学中研究最早、最完善的力学性质。
岩石密度：天然密度、饱和密度、质量指标密度、重力密度岩石颗粒密度孔隙性孔隙比、孔隙率含水率、吸水率水理指标渗透系数抗风化指标软化系数、耐崩解性指数、膨胀率抗冻性抗冻性系数单轴抗压强度单轴抗拉强度抗剪强度三向压缩强度岩石的基本物理力学性质◆岩石的变形特性◆岩石的强度理论试验想法参照标准：《工程岩体试验想法标准》（GB/T50266-99）。
第二章岩石的基本物理力学性质第一节岩石的基本物理性质第二节岩石的强度特性第三节岩石的变形特性求知若饥，虚心若愚。
第四节岩石的强度理论回顾----岩石的基本构成岩石是自然界中各种矿物的集合体，是天然地质作用的产物，普通而言，大部分新鲜岩石质地均坚硬致密，空隙小而少，抗水性强，透水性弱，力学强度高。
岩石是构成岩体的基本组成单元。
相对于岩体而言，岩石可看作是延续的、均质的、各向同性的介质。
岩石的基本构成：由组成岩石的物质成分和结构两慷慨面来决定的。
回顾----岩石的基本构成一、岩石的物质成分●岩石是自然界中各种矿物的集合体。
●岩石中主要的造岩矿物有：正长石、斜长石、石英、黑云母、角闪石、辉石、方解石、白云石、高岭石等。
●岩石中的矿物成分会影响岩石的抗风化能力、物理性质和强度特性。
●岩石中矿物成分的相对稳定性对岩石抗风化能力有显著的影响，各矿物的相对稳定性主要与化学成分、结晶特征及形成条件有关。
回顾----岩石的基本构成二、岩石的结构是指岩石中矿物（及岩屑）颗粒相互之间的关系，包括颗粒的大小、性状、罗列、结构连结特点及岩石中的微结构面（即内部缺陷）。
其中，以结构连结和岩石中的微结构面对岩石工程性质影响最大。
回顾----岩石的基本构成●岩石结构连结结晶连结和胶结连结。
结晶连结：岩石中矿物颗粒经过结晶相互嵌合在一起，如岩浆岩、大部分变质岩及部分沉积岩的结构连结。
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
第3讲 岩石的力学性质-强度性质
11
3.实验原理
消除方法: ①润滑试件端部（如垫云 母片；涂黄油在端部）机)
12
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；L/D≥(2.5－3)较合理 （3）加载速度 加载速度越大，表现强度越高) 我国规定加载速度为0.5～0.8MPa/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。 温度：180℃以下不明显：大于180℃，温度越高强度 越小。
34
2)实验加载方式：
a. 真三轴加载:试件为立方体，加载方式如图所示。 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.伪三轴试验:，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：
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 伴随工作硬化，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。
岩土所考博复习资料岩石力学(个人总结)第二章 岩石的基本物理力学性质
第二章岩石的基本物理力学性质第一节概述第二节岩石的基本物理性质一岩石的密度指标1 岩石的密度:岩石试件的质量与试件的体积之比，即单位体积内岩石的质量。
（1）天然密度：是指岩石在自然条件下，单位体积的质量，即（2）饱和密度：是指岩石中的孔隙全部被水充填时单位体积的质量，即（3）干密度：是指岩石孔隙中液体全部被蒸发，试件中只有固体和气体的状态下，单位体积的质量，即（4）重力密度：单位体积中岩石的重量，简称重度。
2 岩石的颗粒密度：是指岩石固体物质的质量与固体的体积之比值。
公式二岩石的孔隙性1 岩石的孔隙比：是指岩石的孔隙体积与固体体积之比，公式2 岩石的孔隙率：是指岩石的孔隙体积与试件总体积的比值，以百分率表示，公式孔隙比和孔隙率的关系式：三岩体的水理性质1 岩石的含水性质（1）岩石的含水率：是指岩石孔隙中含水的质量与固体质量之比的百分数，即（2）岩石的吸水率：是指岩石吸入水的质量与试件固体的质量之比。
2 岩石的渗透性：是指岩石在一定的水力梯度作用下，水穿透岩石的能力。
它间接地反映了岩石中裂隙间相互连通的程度。
四岩体的抗风化指标1 软化系数：是指岩石饱和单轴抗压强度与干燥状态下的单轴抗压强度的比值。
它是岩石抗风化能力的一个指标，反映了岩石遇水强度降低的一个参数：2 岩石耐崩解性：岩石与水相互作用时失去粘结性并变成完全丧失强度的松散物质的性能。
岩石耐崩解性指数：是通过对岩石试件进行烘干，浸水循环试验所得的指数。
它直接反映了岩石在浸水和温度变化的环境下抵抗风化作用的能力。
3 岩石的膨胀性：岩石浸水后体积增大的性质。
（1）岩石的自由膨胀率：是指岩石试件在无任何约束的条件下浸水后所产生膨胀变形与试件原尺寸的比值。
（2）岩石的侧向约束膨胀率：是将具有侧向约束的试件浸入水中，使岩石试件仅产生轴向膨胀变形而求得膨胀率。
（3）膨胀压力:岩石试件浸水后，使试件保持原有体积所施加的最大压力。
五岩体的其他特性1 岩石的抗冻性:岩石抵抗冻融破坏的性能。
岩石的强度
2．影响因素
（1）岩石本身性质方面的因素，如矿物组成、结构 构造、密度、风化程度，层理结构（Rc∥＜Rc⊥）等
（2）试验条件
①试件的几何形状及尺寸大小；（形态和尺寸效应) ②端面条件；（端部效应）（试件端面与压力机板间
的摩擦作用，如端面粗糙和不平行Rc ↓）
③加荷速率；（v↑，Rc↑） ④湿度和温度；随温度升高，岩石的脆性降低，塑性增强，岩石强度随
5. 库伦-莫尔强度理论（coulomb 1773-mohrs 1900)
之降低。水侵入岩石时，将顺着裂隙进入并湿润试件中的矿物颗粒，由于水分子的 进入，改变了岩石的物理状态，削弱了颗粒间的连结力，降低了岩石的强度。
3．岩石抗压强度与弹性模量的关系
E=350Rc 近似直线，也就是说，岩石刚度越大（E越大，变
形越小），则强度越大Rc。
第二节 单轴抗拉强度（Uniaxial tensil
σ1=f（σ2、σ3）或 f（σ1，σ2、σ3）=0 ε1=f（ε2、ε3）或 f（ε1，ε2、ε3）=0
一. 岩石的破坏特性 岩石的破坏形式比较复杂，根据破坏时的应力类型，分为三 种类型： （脆性破坏）--（过渡型）--（塑性/延性破坏） (拉破坏) (剪切破坏) (流动) -------三种破坏机制 (多数岩石) (岩石常见)(一般条件下大部分岩石并不呈现 )
第一节 岩石的单轴抗压强度
（uniaxial compressive strength） 1．Rc的确定
（1）抗压试验：Rc=Pc/A （MPa）
Pc—荷载（破坏时）（N） A—横断面积（mm2） 标准岩石试件通常为圆柱状或长方柱状。 圆柱状： 直径D=5cm或7cm，h=（2～3）D 方柱状：断面S=5×5cm2，h=（2～3）S 断面S=7×7cm2，h=（2～3）S （2）点荷载试验→间接求取Rc Rc=（22.8～ 23.7）Is(50) 式中Is(50)为直径50mm标准试件的点荷载强度。
岩石力学ppt课件第三章 岩体力学性质
含软弱夹层的层状岩体及裂隙岩体 （3）上凸型（弹-塑性岩体）
结构面发育且有泥质充填的岩体。
（4）复合型：阶梯或“S”型（塑-弹-塑性岩体)
20结21/8构/17面发育不均或岩性不均匀的岩体。
23
（二）剪切变形特征：
(a)沿软弱结 构面剪切
(b)沿粗糙结构面、 软弱岩体及强风
化岩体剪切
(c)坚硬岩体 受剪切
峰前变形平均斜 率小，破坏位移 大；峰后强度损 失小。
2021/8/17
峰前变形平均斜 率较大，峰值强 度较高；峰后有 明显应力降。
峰前变形斜率大，
峰值强度高，破坏
位移小；峰后残余 强度较低。
24
（三）各向异性变形特征：（P101蔡）
岩石的全部或部分物理、力学特性随方向不同而 表现出差异的现象称为岩石的各向异性。
2021/8/17
2
§3.1 概述
岩体=结构面（弱面）+结构体（岩石块体） 结构面：断层、褶皱、节理……统称
影响岩体力学性质的基本因素：
结构体(岩石)力学性质、结构面力学性质、岩体 结构力学效应和环境因素(特别是水和地应力的作用)
2021/8/17
3
§3.2岩体结构的基本类型 （地质学、复习、了解）
36
孔隙静水压力作用
（三）力学作用：
孔隙动水压力作用
当多孔连续介质岩土体中存在孔隙地下水时， 未充满孔隙的地下水使岩土体的有效应力增加：
p
σα有效应力，σ 总应力，p 孔隙静水水压力
当地下水充满多孔连续介质岩土体时，使有效 应力减小：
p
2021/8/17
σα，σ ，p ： 含义同上
37
岩石单轴压缩强度.
S 80 MPa
S 50 MPa
4.影响单轴抗压强度的主要因素
（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
试样体积对强度的影响尺度效应
1.2
1.6
不同长度的试样单轴压缩的全程曲线
（1）承压板端部的摩擦力及其刚度（加垫块的依据）
140
◆ 没有减摩垫片
120
■ 减摩垫片
100
A
80
利用塑料 垫片与否 不同长度 试样单轴 压缩强度
σL／MPa
60 25 45 65 85 105
L／mm
（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℃以下不明显：大于180℃，温度越高 强度越小。
第三节 岩石的强度特征
岩 石 的 强 度
强度 Strength：缺乏明确的定义。一般指岩石达到 破坏过程中所能承受的最大载荷。
强度：岩块、结构面和岩体
强度：与加载方式有关 抗压强度，拉伸强度，剪切强度 强度还与应力状态有关，单向加载，三向加载等 强度也与加载的时间有关， 准静态强度， 长期强度，冲击强度等
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。
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
（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
、。
岩体力学岩石的强度特性
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）
岩石的强度和变形特性
与岩石类别有关（粘土矿物岩石蠕变显著） 岩石蠕变
与应力大小有关（高应力蠕变明显，超过极限
应力，蠕变进入不稳定阶段）
蠕变试验：时间长； 测量要求精度高（用千分表）； 载荷恒定。 研究蠕变的意义：了解岩石的长时强度。 长时强度———岩石蠕变破坏时的最低应力值。 长时强度对岩土工程更为重要。 长时强度 < 强度 < 瞬时强度
z
zx
zy
yx
xy
x
yz
xz
y
y
yz
xz
xy
yx
zy
x
zx
o
x
z
y
3、平面问题的简化
在实际工程中，可根据不同的受力状态，将三维问题简化 为平面问题。 （1）平面应力问题； （2）平面应变问题。 4、基本应力公式
以平面应力问题为例，如图，任 意角度α截面的应力计算公式如下：
n
n
软的情况下发生的，特点是破坏前变形大，表现出明显的塑性变形。通 常把在外力作用下破坏总应变大于5％的岩石称为塑性岩石。
2.破坏机理
只有两种基本类型：拉坏和剪坏
二、岩石的强度理论
（一）一点的应力状态 1、应力符号规定 （1）正应力以压应力为正，拉应力为负； （2）剪应力以使物体产生逆时针转为正，反之为负； （3）角度以x轴正向沿逆时针方向转动所形成的夹角为正， 反之为负。 2、一点应力状态 z 6个应力分量： b σx,σy,σz, a τxy,τyz,τzx
（二）岩石的单向抗压强度：
单轴抗压强度——岩石在单轴压缩下，破坏前所能承受的最大压应力。
1、试验测试：
试验设备：普通压力机（60t、100t、200t） 试件： φ5cm，高径比为 2的圆柱体（或5*5*5立方体），每组不少于3块； （国际ISRM规定高径比为2.5—3，我国为1—2—2.5） 加载：0.5—1.0 MPa/s；
岩土工程中的岩石力学特性
岩土工程中的岩石力学特性岩土工程中，岩石力学特性是指岩石在受力状态下的物理性质和变形特性。
岩石力学特性对于岩土工程设计和施工至关重要，它们可以直接影响岩土工程的稳定性和安全性。
本文将探讨岩土工程中的岩石力学特性，包括岩石的强度、变形性能以及岩石力学参数的测定方法。
一、岩石的强度特性岩石的强度特性是指岩石在受力作用下破坏的抵抗能力。
岩石强度特性的研究对于工程设计有重要的指导意义。
1. 抗拉强度岩石的抗拉强度是指岩石在拉应力作用下破坏的抵抗能力。
岩石的抗拉强度是岩石力学特性中最基本的参数之一。
测定岩石的抗拉强度可以采用试验方法，如拉伸试验等。
2. 抗压强度岩石的抗压强度是指岩石在压应力作用下破坏的抵抗能力。
岩石的抗压强度也是岩石力学特性中的重要参数。
测定岩石的抗压强度可以采用压缩试验等方法。
3. 剪切强度岩石的剪切强度是指岩石在切应力作用下破坏的抵抗能力。
岩石的剪切强度是岩石力学特性中的重要参数之一。
测定岩石的剪切强度可以采用剪切试验等方法。
二、岩石的变形性能岩石的变形性能是指岩石在受力作用下的变形特性。
岩石的变形性能对工程设计和施工有重要的影响。
1. 弹性模量岩石的弹性模量是指岩石在受力作用下线弹性的变形特性。
弹性模量是岩石力学参数中的重要指标之一，它反映了岩石的刚度和变形能力。
测定岩石的弹性模量可以采用弹性模量试验等方法。
2. 压缩模量岩石的压缩模量是指岩石在受力作用下的压缩变形能力。
压缩模量是岩石力学特性中的重要参数之一，它反映了岩石的抗压性能和变形能力。
3. 剪切模量岩石的剪切模量是指岩石在受力作用下的剪切变形特性。
剪切模量是岩石力学特性中的重要参数之一，它反映了岩石的抗剪切性和刚度。
三、测定岩石力学参数的方法测定岩石力学参数是岩土工程中的重要任务。
准确测定岩石力学参数可以为工程设计和施工提供可靠依据。
1. 实验室试验方法实验室试验是测定岩石力学参数最常用的方法之一。
常用的实验室试验方法包括拉伸试验、压缩试验、剪切试验等。
岩体的强度特性
=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。
4
岩石力学
二、结构面强度
设节理的方向角为β。 节理面上的应力：
1 3
2
1 in 2 2
满足库仑破坏准则时沿节理面破坏
CJ tgJ
5
岩石力学
三、单结构面强度效应
1、分析模型 岩体中发育一组结构面，假定AB面(指法线 方向）与最大主应力方向夹角为β 。岩石强度 为C0、Φ 0；结构面强度为CJ、Φ J。
19
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。
2.5 岩体的强度特性
1
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
2
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
岩石的基本物理力学性质及其试验方法-知识归纳整理
第一讲 岩石的基本物理力学性质及其试验想法(之一) 一、内容提要：本讲主要讲述岩石的物理力学性能等指标及其试验想法，岩石的强度特性。
二、重点、难点：岩石的强度特性，对岩石的物理力学性能等指标及其试验想法作普通了解。
一、概述岩体力学是研究岩石和岩体力学性能的理论和应用的科学，是探讨岩石和岩体对其周 围物理环境(力场)的变化作出反应的一门力学分支。
所谓的岩石是指由矿物和岩屑在长期的地质作用下，按一定规律聚集而成的自然体。
由于成因的不同，岩石可分成火成岩、沉积岩、变质岩三大类。
岩体是指在一定工程范围内的自然地质体。
通常以为岩体是由岩石和结构面组成。
所谓的结构面是指没有或者具有极低抗拉强度的力学不延续面，它包括一切地质分离面。
这些地质分离面大到延伸几公里的断层，小到岩石矿物中的片理和解理等。
从结构面的力学来看，它往往是岩体中相对照较薄弱的环节。
所以，结构面的力学特性在一定的条件下将控制岩体的力学特性，控制岩体的强度和变形。
【例题1】岩石按其成因可分为( )三大类。
A. 火成岩、沉积岩、变质岩 B. 花岗岩、砂页岩、片麻岩 C. 火成岩、深成岩、浅成岩 D. 坚硬岩、硬岩、软岩 答案：A 【例题2】片麻岩属于( )。
A. 火成岩 B. 沉积岩 C. 变质岩 答案：C【例题3】在一定的条件下控制岩体的力学特性，控制岩体的强度和变形的是( )。
A. 岩石的种类 B. 岩石的矿物组成 C. 结构面的力学特性 D. 岩石的体积大小 答案：C 二、岩石的基本物理力学性质及其试验想法 (一)岩石的质量指标与岩石的质量有关的指标是岩石的最基本的，也是在岩石工程中最常用的指标。
1 岩石的颗粒密度(原称为比重) 岩石的颗粒密度 是指岩石的固体物质的质量与其体积之比值。
岩石颗粒密度通常采用比重瓶法来求得。
其试验想法见相关的国家标准。
岩石颗粒密度可按下式计算2 岩石的块体密度岩石的块体密度是指单位体积岩块的质量。
岩石力学第3章 岩石的强度
• 4 试验大纲内容 ⑴工程概况及地质条件
⑵水工建筑物特点和主要岩石力学问题
⑶试验目的、试验内容和技术要求（方法、数量等）
⑷试验布置（代表性）
⑸仪器设备和人员安排
⑹计划进度
⑺提交的试验成果（试验报告）
• 试验成果的整理和分析要在了解建筑物布置方案、工程建筑类 型、持力方向、荷载大小以及地基、边坡和地下洞室岩体工程 地质条件与设计技术要求基础上，对资料逐项检查核对，分析 其代表性、规律性和合理性，并按照岩体类别、工程地质单元、 区段或层位进行归类、数理统计和综合分析，提出试验成果标 准值。
• 5 标准值的选取
⑴密度、单轴抗压强度、抗拉强度、点荷载强度、 波速等物理参数取算术平均值
⑵岩体变形模量用原位变形试验成果算术平均值
⑶软岩承载力取极限承载力的1/3与比例界限二者的 小值，（无）取（1/5-1/10）RC饱和或三轴试验； 坚硬岩、中硬岩（1/20-1/25、1/10-1/20） RC饱和
• 根据弹性力学知识，可以近似地计算岩样的 抗拉强度为：
• 优点：试验简单易行，仅用普通的压力机即 可， 可广泛应用。 缺点：试验结果与直接拉伸法存在差别。试 验可知，岩石的抗拉强度极限大致仅为同类 岩石抗拉强度的1/10-1/30，最坚硬的岩石的 抗拉强度也只有29.6MPa左右，而许多岩石 的抗拉强度小于1.96MPa。表3-1为某些岩石 的抗拉强度供参考。
• C 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。（节理岩体中的地下洞室顶部岩块崩塌，洞侧岩石的 滑动、岩坡沿软弱面的失稳）
• 岩石的三种破坏形式
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3. 室内试验（抗剪断试验）
①试验 楔形剪切仪，加载装置
②计算公式
N Pcos f sin Q Psin f cos
式中： p——压力机施加的极限荷载 α——试件倾角 f ——滚珠排与上下压板的摩擦系数
剪切破坏面上的正应力σ和剪应力τ为：
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现场试验方法。 试件：任何形状，尺寸大致5cm，不做任何加工。 试验：在直接带到现场的点荷载仪上，加载劈裂破坏。
计算点荷载强度指数： I s P / De2
式中：P ——试件破坏时的极限荷载
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。
3.单向压缩试件的破坏形态
破坏形态有两类： （2）柱状劈裂破坏
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
（2）劈裂法（巴西法），径向压裂法 由巴西人Hondros提出
试件：实心圆柱直径4.8~5.4cm；厚度=0.5~1.0直径 试验：径向压缩破坏（张开） 计算公式：由弹性力学布辛奈斯克Boursinesq公式
Rt 2P /Dt
式中： Rt ——试件中心的最大拉应力 P ——试件破坏时的极限压力 D ——试件的直径 t ——试件的厚度
二 岩石的抗拉强度
1. 定义：岩石试件在受到轴向拉应力后其试件发生破坏 时的单位面积上所受的拉力。 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 Rt Pt / A
①试件和夹具之间的连接 关键技术
②加力P与试件同轴心
(2) 间接方法
①抗弯法（梁的三点或四点弯曲试验）
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；4.8~5.4cm 高径比：研究表明；h/d=(2~3)较合理(见图2－4) （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 含水率：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。
用破坏时单位面积上承受的荷载。
Rc P / A
式中：P——无侧限条件下的轴向破坏荷载 ； A——试件截面面积
2.试件方法： （1）试件标准：
圆柱形试件：直径φ=4.8－5.4cm ，高H=（2－2.5)φ 长方体试件：边长L= 4.8－5.4cm , 高H=（2－2.5)L
试件两端不平度0.05mm；尺寸误差±0.3mm; 两端面垂直于轴线±0.25o
2. 三向压缩试验简介
（1） 真三轴 （2） 假三轴
1 2 3 见图 1 2 3 见图
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，最大主应力极限值越大
• （2）试件尺寸与加载速率的影响
（3）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的加载途径，加载途径 对岩石的最终三向压缩强度影响不大。
De ——试验时，两个加载点之间的距离
统计公式：
Rt 0.96Is
要求:（由于离散性大），每组15个，取均值，即
1 15
Rt
15
0.96 Ii
i 1
建议：用φ5cm的钻孔岩芯为试件。
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τ表示 2. 类型：
第三节 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——允许应力[ ] ？
2 最大允许变形——允许应变[ ]？
本节讨论[ ]问题
强度：材料在载荷作用，单位面积上所能承受的最大的力。
强度
单轴抗压强度 单轴抗拉强度 剪切强度
真三轴 三轴压缩强度
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
的σ ，τ值；由该组值作曲线近似直线得方 程
tan c
式中 tanφ－岩石抗剪切内摩擦系数
c －岩石的粘结力（内聚力）
不足：强制规定破坏面
剪切作用时破坏面上的应力状体极为复杂
四 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
1 f 2 , 3 f 1， 2， 3
抗拉强度 t MC / I
t ——三点或四点弯曲梁内的最大拉应力；梁发生破
坏时的 t 就是 Rt
M ——作用在试件截面上的最大弯矩 C ——梁边缘到中性轴的距离 I ——梁截面绕中性轴的惯性矩
①梁的截面严格保持为平面 假设条件： ②岩石是各向同性的线弹性材料
③弯曲发生在梁的对称面平面内 ④拉伸和压缩的应力—应变特征相同
N Pcos f sin Q Psin f cos
N P cos f sin
AA
Q P sin f cos
AA
岩石的抗剪断σ~τ曲线（强度曲线）
岩石的抗剪断σ~τ曲线（强度曲线）
• 改变夹具倾角α；α在30度到70度之间 • 做一组（大于5次）不同α的试验，记录所得
（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Biblioteka 返回