1-2岩石的力学性质-岩石强度详解

c.压缩实验设备示意图(500t压力机)
3）4种破坏形式： 1.X状共轭斜面剪切破坏，是最常见的破坏形式。 2.单斜面剪切破坏，这种破坏也是剪切破坏。 3.塑性流动变形，线应变≥10％。 4.拉伸破坏，在轴向压应力作用下，在横向将产生 拉应力。这是泊松效应的结果。这种类型的破坏就 是横向拉应力超过岩石抗拉极限所引起的。




②残余强度：当剪切面上的剪应力超过了峰值剪切强度后，剪切 破坏发生，然后在较小的剪切力作用下就可使岩石沿剪切面滑动。 能使破坏面保持滑动所需的较小剪应力就是破坏面的残余强度。 正应力越大，残余强度越高，如图所示。所以只要有正应力存在， 岩石剪切破坏面仍具有抗剪切的能力。
岩石种类 细砂岩 中砂岩 砂岩类 粗砂岩 粉砂岩 砂砾岩 砾岩类 砾 岩
2.7~5.4
20.6~29.9
15.6~23.3
灰岩类
煤
石灰岩
52.9~157.8
4.9~49
7.7~13.8
2~4.9
9.8~30.4
1.08~16.2
1.2岩石单轴抗拉强度


1）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) ,。 试件在拉伸荷载作用下的破坏通常是沿其横截 面的断裂破坏，岩石的拉伸破坏试验分直接试 验和间接试验两类。


曲线形：

直线形：





6) 三轴试验岩石强度参数的确定 a.直线形：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.曲线形： 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。 实践中采用第一种方法的人数多。


1.1 岩石单轴抗压强度
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 (Uniaxial compressive strength)，或称为非限制性抗 压强度(unconfined compressive strength)。如图所 示。 2）计算公式：

2)直接拉伸试验加载和试件示意图
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计算公式：破坏时的最大 轴向拉伸荷载(Pt)除以试件 的横截面积(A)。即：

σt=Pt/A

2)直接拉伸试验加载和试件示意图－（续）


3)间接拉伸试验加载和试件示意图
巴西试验法（Brazilian test），俗称劈裂试验法。 a.试件:为一岩石圆盘，加载方式如图所示。实际上 荷载是沿着一条弧线加上去的，但孤高不能超过圆盘 直径的1/20。
砂质页岩
页岩类 页 岩
39.2~90.2
18.6~39.2
3.9~11.8
2.7~5.4
20.6~29.9
15.6~23.3
灰岩类
煤
石灰岩
52.9~157.8
4.9~49
7.7~13.8
2~4.9
9.8~30.4
1.08~16.2
1.4 三轴抗压强度


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。
单向抗拉强度 5.5~17.6 6~14 5.4~11.6 1.3~2.4 2.8~9.7 4~11.76
抗剪强度 17.4~53.4 13.3~36.5 12.4~30.4 6.86~11.5 7~28.8 6.6~26.4
砂质页岩
页岩类 页 岩
39.2~90.2
18.6~39.2
3.9~11.8

在压力P的作用下，剪切面上可分解为沿剪切面的剪 力Psinα/A和垂直剪切面的正应力Pcosα/A，如图所 示。


7）限制性剪切强度试验结果及其分析
①试验结果：剪切面上正应力越大，试件被剪破坏前所能承受的 剪应力也越大。 原因：剪切破坏一要克服内聚力，二要克服摩擦力，正应力越大， 摩擦力也越大。 将破坏时的剪应力和正应力标注到σ-τ应力平面上就是一个点，不 同的正、剪应力组合就是不同的点。将所有点连接起来就获得了 莫尔强度包络线，如图所示。
单向抗拉强度 5.5~17.6 6~14 5.4~11.6 1.3~2.4 2.8~9.7 4~11.76
抗剪强度 17.4~53.4 13.3~36.5 12.4~30.4 6.86~11.5 7~28.8 6.6~26.4
砂质页岩
页岩类 页 岩
39.2~90.2
18.6~39.2
3.9~11.8

d.计算公式：



σt=σx=-2P/πdt σy=(1/r1+1/r2-1/d)2P/πt
圆盘中心处：


σt=σx=-2P/πdt σy=6P/πdt
岩石种类 细砂岩 中砂岩 砂岩类 粗砂岩 粉砂岩 砂砾岩 砾岩类 砾 岩
单向抗压强度 103.9~143 85.7~133.3 56.8~123.5 36.3~54.9 6.9~121.5 80.4~94
式中：Mc—试件被剪断前达到的最大扭矩 （N•m） D—试件直径（m）





4）四种典型的限制性剪切强度试验
a.直剪仪（剪切盒）压剪试验（单面剪） b.立方体试件单面剪试验 c.试件端部受压双面剪试验 d.角模压剪试验（变角剪切试验）



5) Hoek直剪仪试验装置

6）角模压剪试验及受力分析示意图


d. 端部效应及其消除方法
端部效应:


消除方法:
①润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部） ②加长试件

b.非标准试件的对试验结果的影响及其修正
岩石种类 细砂岩 中砂岩 砂岩类 粗砂岩 粉砂岩 砂砾岩 砾岩类 砾 岩
单向抗压强度 103.9~143 85.7~133.3 56.8~123.5 36.3~54.9 6.9~121.5 80.4~94


b.应力分布：圆盘在压应力的作用下，沿圆盘直径y—y的应力分 布和x—x方向均为压应力。而离开边缘后，沿y—y方向仍为压应 力，但应力值比边缘处显著减少。并趋于均匀化；x—x方向变成 拉应力。并在沿y—y的很长一段距离上呈均匀分布状态。 c.破坏原因：从图可以看出，虽然拉应力的值比压应力值低很多， 但由于岩石的抗拉强度很低，所以试件还是由于x方向的拉应力而 导致试件沿直径的劈裂破坏。破坏是从直径中心开始，然后向两 端发展，反映了岩石的抗拉强度比抗压强度要低得多的事实。

σ1>σ2=σ3

三轴压缩试验加载示意图 真三轴

σ1>σ2> σ3

假三轴
σ1>σ2=σ3
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。


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。

2）四种典型的非限制性剪切强度试验：a.单 面剪切试验， b.冲击剪切试验, c.双面剪切试 验，d.扭转剪切试验，分别见图。

3）非限制性剪切强度记为So计算公式：
（a）单面剪切试验 So=Fc/A （b）冲击剪切试验 So=Fc/2πra （c）双面剪切试验 So=Fc/2A （d）扭转剪切试验 So=16M c /πD3
2.7~5.4
20.6~29.9
15.6~23.3
灰岩类
煤
石灰岩
52.9~157.8
4.9~49
7.7~13.8
2~4.9
9.8~30.4
1.08~16.2
1.3抗剪切强度



1)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）。 剪切强度试验分为非限制性剪切强度试验 （Unconfined shear strength test）和限制性剪切强 度试验（Confined shear strength test）二类。 非限制性剪切试验在剪切面上只有剪应力存在，没有 正应力存在；限制性剪切试验在剪切面上除了存在剪 应力外，还存在正应力。


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.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。加载方式如图所示，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：






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。如图所示。



σc=P/A


4)实验方法 a.试件标准
立方体50×50×50mm或 70×70×70mm 圆柱体，但使用最广泛的是圆柱体。圆柱体直径D一 般不小于50mm。 L/D=2.5~3.0（国际岩石力学委员 会ISRM建议的 尺寸） 要求：两端不平度0.5mm；尺寸误差±0.3mm；两 端面垂直于轴线误差±0.25度。 加载速率：0.5～0.8Pa/s
单向抗压强度 103.9~143 85.7~133.3 56.8~123.5 36.3~54.9 6.9~121.5 80.4~94
单向抗拉强度 5.5~17.6 6~14 5.4~11.6 1.3~2.4 2.8~9.7 4~11.76
抗剪强度 17.4~53.4 13.3~36.5 12.4~30.4 6.86~11.5 7~28.8 6.6~26.4
1.4 岩石的力学性质
岩石的强度：岩石抵抗外力作用的能力，岩石破坏时能够 承受的最大应力。 a.单向抗压强度 b.单向抗拉强度 c.剪切强度 d.三轴抗压强度 岩石的变形：岩石在外力作用下发生形态（形状、体积） 变化。 a.单向压缩变形 b.反复加载变形 c.三轴压缩变形 d.剪切变形
岩石强度与外力有关 a.外力性质：动载荷、静载荷 b.外力方式：拉伸、压缩、剪切 C.应力状态：单向、双向、三向 固有性质：凡是不受试件的形状、尺寸、 采集地、采集人等影响而保持不变的特 征