岩石力学课程Chapter3

第三章 岩石/岩体的强度 Chapter 3 Rock/Rock Mass Strength
学习提示 Learning Hints
目的：学习岩石强度概念及其工程实际意义；概述 岩石破坏的几种主要形式及特点和岩石材料特性。 要求：掌握岩石的破坏形式与岩石材料之间的关系， 岩石强度的测试方法与计算公式。 重点：影响岩石抗压强度的因素分析、补充的非标 准岩样的抗压强度换算及测试方法。用劈裂法测定抗 拉强度的理论解释。 难点：牢记并理解和掌握各种计算强度的公式、参 数含义及单位。。
§3.2 岩石的破坏形式
沿软弱结构面（原生）剪切破坏
(a)
脆性破坏
(a) (a) (b) (b)
(b)
(c)
(d)
(e)
(c)
(c)
返回
塑性破坏
(d)
(d)
(e)
(e)
§3.3 岩石的单轴抗压强度
概念：岩石试件在单轴压力（无围压而轴向加 压力）下抵抗破坏的极限能力或极限强度，数值 上等于破坏时的最大压应力。 意义：衡量岩块基本力学性质的重要指标；岩 体工程分类、建立岩体破坏判据的重要指标；用 来大致估算其他强度参数 。
点荷载试验
三点弯曲法
§3.4 岩石的抗拉强度
3.4.1 试验方法
直接拉伸法
Pt Rt A
§3.4 岩石的抗拉强度
3.4.1 试验方法
劈裂法（巴西法）
2 Pmax Rt Dl
一般来说，岩石：
1 1 Rt ~ Rc 10 4
§3.4 岩石的单轴抗拉强度
§3.5 岩石的抗剪强度
3.5.2 室内试验方法
楔形剪切（交角剪）试验
FN 0 N P cos Pf sin 0 FQ 0 Q P sin Pf cos 0
N、Q除以剪切面积A
P cos f sin A P sin f cos f A P cos A P sin f A
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 千枚岩、 片岩
抗拉强度 （MPa） 2~10 4~25 2~15
5~20 1~10
§3.4 岩石的单轴抗拉强度
3.4.2 影响因素
结构面的影响（裂隙空隙）—— 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。
在平硐或坑道中进行，采用双千斤顶 法，从铅直向和水平向进行加力。
平推法：
P T , A A
斜推法：
P T sin A A T cos A
§3.5 岩石的抗剪强度
3.5.3 现场强度试验
现场岩体三轴强度试验
大型岩体三轴强度试 验是采用同直剪试验一样 的方法制备试件；垂直荷 载是用扁千斤顶通过传力 柱传到上部围岩产生的反 力供给；侧向荷载分别由 x轴、y轴上的两对扁千斤 顶组产生。
§3.6 岩石的强度理论（破坏准则）
§3.1 概述
重要性（涉及工程的安全性和经济性）
岩体边坡→稳定性评价 ，加固处理（锚固、浇注、抗滑桩设计） 地下洞室 开挖和运行过程中的围岩稳定
大岗山水电站高边坡 坝基稳定（拱坝坝肩、重力坝坝基）
节点数16240 单元数14702
武都重力坝坝基
§3.1 概述
复杂性 岩石的强度包括岩块 的强度和结构面的强度， 以及耦合效应＋地质环境 因素影响（地应力、地下 水等）。
§3.6 岩石的强度理论（破坏准则）
当物体处于简单的受力情况时，如杆件的拉伸和压缩
处于单向应力状态等，材料的危险点处于简单应力状态，
则材料的强度可以由简单的试验来决定(单向抗压强度试
验，单向抗拉强度试验，纯剪试验等)。
在单向应力状态下表现出脆性的岩石，在三向应力状 态下可以具有塑性性质，同时它的强度极限也大大提高；
加 载 速 率
§3.4 岩石的抗拉强度
概念：岩石的抗拉强度是指岩石试件在单向 拉伸条件下试件达到破坏的极限值，它在数值上 等于破坏时的最大拉应力。 意义：衡量岩体力学性质的重要指标；用来 建立岩石强度判据，确定强度包络线；选择建筑 石材不可缺少的参数
§3.4 岩石的抗拉强度
3.4.1 试验方法
直接拉伸法 劈裂法（巴西法）
3.4.1 试验方法
点荷载试验
上世纪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。
§3.4 岩石的单轴抗拉强度
3.4.1 试验方法
点荷载试验
计算：
I P / D2
（式中：P－试件破坏时的极限；D－加载点试件 的厚度） 统计公式： Rt 0.96I 要求:（由于离散性大），每组15个，取均值，即
0 1 c
单轴拉伸： 1
0 3 t
2c cos c 1 sin 2c cos t 1 sin
t sin 1 c c t c t 1 sin 2c cos
3.5.2 室内试验方法
直剪试验
仪器：岩石直剪仪
P A T A
P
T
§3.5 岩石的抗剪强度
3.5.2 室内试验方法
直剪试验
f c tg 当 10MPa 时
——库伦Coulomb方程
§3.5 岩石的抗剪强度
3.5.2 室内试验方法
§3.5 岩石的抗剪强度
3.5.2 室内试验方法
楔形剪切（交角剪）试验
采用不同的α角进 行试验，则每个α对应 一组σ和τf。
当σ变化范围较大 时，σ～τf为曲线关系， 当σ<10MPa时， σ～τf 可视为直线，求得c、 。

§3.5 岩石的抗剪强度
3.5.2 室内试验方法
三轴压缩试验
真三轴试验 Or 常规(假)三轴试验
§3.3 岩石的单轴抗压强度
3.3.1 单轴抗压实验装置
刚性压力机
MTS815 岩石与混 凝土高温 高压试验 系统（美 国）
MTS－Materials Testing Solution 提高 试验 机的 系统 刚度 配置 先进 的闭 环控 制系 统
§3.3 岩石的单轴抗压强度
3.3.2 单轴抗压强度
§3.5 岩石的抗剪强度
3.5.2 室内试验方法
三轴压缩试验
对于三轴试验获得的应力圆，除了用正应力和剪应力表示（即Coulomb 形式）外，还可用第一、第三主应力（即Mohr形式）表示，即：
1 3 1 3 sin 2c cos 0
单轴试验作为三轴试验的特殊情形。 单轴压缩： 3
在各向压缩的情况下，岩石能够承受很大的荷载，而没有
可觉察到的破坏（如在隧洞开挖后，三向应力状态转化为 平面应力状态）

§3.6 岩石的强度理论（破坏准则）
最大正应力理论 最大正应变理论 最大剪应力理论 八面体剪应力理论 Mohr理论及Mohr-Coulomb准则 Griffith强度理论
§3.5 岩石的抗剪强度
决定抗剪断(抗剪)强度的方法可分为室内和现场两
大类。
室内试验常用直接剪切仪(直接剪切试验)、抗切强
度、楔形剪切仪/变角板剪切试验 (楔形剪切试验)、三
轴压缩仪(三轴压缩试验)测定岩石的抗剪断(抗剪)指标。 现场试验主要以直接剪切试验为主，有时也可做 三轴强度试验。
§3.5 岩石的抗剪强度
§3.2 岩石的破坏形式
脆性破坏
岩石发生破坏时，变形很小，明显声响，一般发生在单轴 或低围压坚硬岩石（岩爆） 。 塑性破坏 破坏时，变形较大，有明显的“剪胀”效应，一般发生在 较软弱岩石或高围压坚硬岩石。
沿软弱结构面（原生）剪切破坏 由于岩层中存在节理、裂隙、层理、软弱夹层等软弱结构 面，岩层整体性受到破坏；在外荷载作用下，当结构面上的剪 应力大于该面上的强度时，岩体发生沿弱面的剪切破坏。
§3.5 岩石的抗剪强度
3.5.2 室内试验方法
三轴压缩试验
试验步骤
先将试件施加侧压力σ’3 逐渐增加垂直压力σ1； 试件破坏，得到大主应力σ’1，即获破坏应 力圆； 改变侧压力σ’3，获得对应的σ’1，和破坏应 力圆；
§3.5 岩石的抗剪强度
3.5.2 室内试验方法
三轴压缩试验 绘制试验对应σ’1和σ’3的应力圆（或称莫尔圆），以及这些 应力圆的包络线，即求得岩石的抗剪强度曲线。
请同学们课后进行推导证明。
§3.5 岩石的抗剪强度
3.5.3 现场强度试验
现场岩体压缩试验
在平硐或坑道内进行——
P c A
注意： 1. 加载方向与层理的关系； 2. 剪切面一般70cm×70cm （min: 50cm×50cm）
§3.5 岩石的抗剪强度
3.5.3 现场强度试验
现场直剪试验(大剪)
抗压强度（MPa）
10~100 20~200 10~150 60~200 10~100
千枚岩、片 岩
§3.3 岩石的单轴抗压强度
3.3.2 岩石的单轴抗压强度
影响岩石抗压强度的因素
矿 物 成 分
结晶 程度 及颗 粒大 小
生 成 条 件
胶 结 情 况
风 化 作 用
密 度
水 的 作 用
试件 形状 和尺 寸