4、岩石的强度特性

13.89 13.83 13.66 13.70 13.75 14.23
38.20 38.15 38.12 38.16 38.24 38.10
3.281 2.667 2.953 3.273 5.486 5.165
? ? ? ?
?
? ? ? ?
点载荷强度实验
是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。
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。 注意：岩心的保存——尽可能的维持井下状况。
2. 岩石的抗拉强度
1.定义： 岩石的抗拉强度就是岩石试件在单轴拉力作用下抵抗破 坏的极限能力或极限强度在数值上等于破坏时的最大拉应 力。岩石的抗拉强度比其抗压强度低得多。 2.意义： a）衡量岩体力学性质的重要指标 b）用来建立岩石强度判据，确定强度包络线 c）选择建筑石材不可缺少的参数
计算公式：

I P / D2
式中：P ——试件破坏时的极限力 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
1 15 Rt 0.96I i 15 i 1
建议：用φ5cm的钻孔岩芯为试件。
微裂隙对抗拉强度的影响
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。
抗拉强度的劈裂实验法（巴西实验）
由巴西人Hondros提出 试件：实心圆柱φ50mm；厚度l=(0.5-1)D 试验：径向压缩破坏（张开） 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
巴西实验试件内应力分布
注：①端部效应；②并非完全单向应力
巴西实验的数据处理
计算公式：由弹性力学公式
流纹斑岩
大理岩 板岩 白云岩
98～245
98～245 98～196 78～245
砂岩
泥灰岩 页岩 煤
19.6～196
12～98 9.8～98 4.9～49
岩石抗压强度的影响因素
层理结构：强度各向异性
试验条件对岩石抗压强度的影响
① 试样几何形状及加工精度的影响
多边形试样易引起应力集中，故易破坏；横截面形状对
千枚岩、 片岩
3. 岩石的剪切强度
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：
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 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 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。
0.222 0.778 (h / D)
试验条件对岩石抗压强度的影响
② 加载速率对抗压强度的影响：加载速度越大，表现强度 越高，我国规定加载速度为0.5-1.0MPa/s
试验条件对岩石抗压强度的影响
③ 端面条件：主要是端面摩擦力限制试样的横向膨胀,改
变端部应力状态。
环境对抗压强度的影响
含水量：含水量越大强度越低；岩石越软越明显，
抗剪实验的三种类型
剪切强度实验的意义与测试方法
剪切强度的意义：
反映岩块的力学性质的重要指标 用来估算岩石力学参数及建立强度判据
抗剪断强度的测试方法：
1）直剪试验
2）变角板剪切试验
3）三轴试验
直剪试验
直剪试验在直剪仪上进行，按库仑定律求岩块的剪切强度
参数C、φ值。
楔形剪切试验
试验设备 破坏面应力计算：
岩石抗压强度的影响因素
1) 岩石自身性质的因素
岩石自身的性质（矿物组成、颗粒大小及形状、粒间连接、
结构特征、微结构面、风化程度）对其抗压强度起决定作用
2) 实验条件方面的因素 ① 试样的的几何形状及加工精度；② 加载速率；③ 端 面条件-端面效应；⑤ 层理结构-取心方式 3) 环境的影响—温度和湿度的影响
* 大多数坚硬岩石在一定条件下
都表现出脆性破坏的性质。 * 产生这种破坏的原因可能是岩 石中裂隙发生和发展的结果。 例如，地下洞室开挖后，由于洞室周围的应力显著增大，洞 室岩可能产生许多裂隙，尤其是洞顶的张裂隙，这些都是脆 性破坏的结果。
延性破坏
延性破坏：岩石在破坏之前变形 很大，且没有明显的破坏荷载， 表现出显著的塑性变形，流动或 挤出，这种破坏称为延性或韧性 破坏。塑性变形是岩石内结晶晶 格结位的结果。在一些软弱岩石 中这种破坏较为明显。 有些洞室的底部岩石隆起，两侧围岩向洞内膨胀都属延性破 坏的例子。坚硬岩石一般属于脆性破坏，但在两向或三向受 力较大的情况下，或者在高温的影响下，也可能延性破坏。
Shear displacement
Mohr – Coulomb failure envelope

Normal stress,
4 岩石的硬度及实验室测试方法
岩石的硬度：
岩石的硬度反映岩石抵抗外部更硬物体压
入（侵入）其表面的能力。
与抗压强度的区别与联系
抗压强度是固体抵抗整体破坏时的阻力，而硬度则 是固体表面对另一物体局部压入或侵入时的阻力。 岩石的硬度与抗压强度一般存在正比例关系； 硬度指标更接近于钻掘过程的实际情况。
石油工程岩石力学
Petroleum Engineering Rock Mechanics
教
师：李相臣
电子邮箱：li_xiangchen@
主 要 内 容
第一节 概述
第二节
第三节
岩石的强度特性及实验室测试方法
岩石的强度准则
第一节 概述
岩石的力学性质包含两个方面的含义：岩石的强 度特征和变形特征。
影响岩石硬度的因素
岩石中坚硬矿物愈多、胶结物的硬度越大、岩石的颗粒 越细、结构越致密，岩石的硬度越大。而孔隙度高、密 度低、裂隙发育的岩石硬度将会降低。 岩石的硬度具有明显的各向异性。层理对岩石硬度的影 响与对岩石强度的影响相反。垂直于层理方向，硬度值 最小； 平行于层理方向，硬度最大；两者之间可相差1.05～ 1.8倍。 一般而言，随着加载速度增加，将导致岩石的塑性系数 降低，硬度增加。但当冲击速度小于10m/s时，硬度变 化不大。 加载速度对低强度、高塑性及多孔隙岩石硬度的影响更 显著。
岩石自身性质的因素
岩石种类
粗玄岩 辉长岩 闪长岩 玄武岩 石英岩 花岗岩
抗 压 强 度(MPa)
196～343 177～294 177～294 147～294 147～294 98～245
岩石种类
石英片岩 云母片岩 凝灰岩 千枚岩 片麻岩 石灰岩
抗 压 强 度(MPa)
69～178 59～127 59～167 49～196 49～196 29～245
岩体的破坏
岩体破坏的主要形式是弱面剪切破坏
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。 如节理岩体中的地下洞室顶部岩块崩塌，洞侧岩石的滑动， 以及岩坡沿软弱面的失稳等，都属于弱面剪切破坏。
1m
pm A
围压对变形破坏的影响 岩石破坏前应变峰值强度随3增大而增大
随3增大岩石变形模量增大，软岩增大明显，
致密的硬岩增大不明显
随3增大，岩石的塑性不断增大，随3增大到 一定值时，岩石由弹脆性转变为塑性。这时， 3的大小称为“转化压力” 。 随3的增大，岩块从脆性劈裂破坏逐渐向塑性 剪切及塑性流动破坏方式过渡。
P (cos f sin ) A P (sin f cos ) A
P——压力机的总压力
A——破坏面面积 ——试件倾角
f——圆柱形滚子与上下压板的
楔形剪切仪
摩擦系数
实验结果处理 抗剪断实验
抗剪实验
4 三轴压缩强度
定义：
试件在三向压应力作用下能抵抗的最大轴向应力 测定方法: 在一定的围压σ3下，对试件进行三轴试验时，岩 块的三轴压缩强度σ1m(MPa)为：
围压对变形破坏的影响
围压对变形破坏的影响
利用三轴实验确定抗剪强度
根据一组试件(4个以上)实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)和粘聚力(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。
岩石的破坏形式
岩石在破坏前后的应力-应变关系比金属材料复杂得多，岩 石究竟属于脆性材料还是属于塑性材料，这不仅取决于岩石
性质，且受应力状态，地温，受荷时间等多种因素的影响。
第二节 岩石的强度特性及实验室测试方法
岩石强度：岩石的强度是指荷载作用下岩石的抵 抗破坏的能力。 为了研究岩石的强度特征，经常将岩石制备成试 件在实验室进行试验，依据试样应力状态的不同 分为：岩石单轴抗压强度实验，抗拉强度实验， 抗剪强度实验等。试验时将岩样制备成标准试件 然后按相应的试验规程进行试验。
岩石的强度特征反映岩石抵抗破坏的能力和破 坏规律。 岩石的变形特征反映岩石的力学属性。
岩石的破坏形式
在外载作用下，当岩石内部的
应力达到或超过某一极限时，
岩石就发生破坏。 岩石破坏的主要形式： 拉伸破坏
脆性破坏
剪切破坏
延性破坏
脆性破坏
脆性破坏：岩石在荷载作用下没 有显著觉察的变形就突然破坏。
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
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
4 岩石的硬度及实验室测试方法
岩石的硬度：反映岩石抵抗外部更硬物质压入（侵入）其表 面的能力
4 岩石的硬度及实验室测试方法
静压入法
以1~5mm2的压头压 入岩样表面，岩石破碎 时的载荷Pmax 除以接触 面积S，则为岩石的硬 度值Hy（通常称为压入 硬度）
H y Pmax / S
载荷(N) 2500 2000 1500 1000 500 0 0 0.2 0.4 位移(mm) 0.6
How to determine strength parameters c and
Shear stress, Normal stress = 3
Normal stress = 2
f3
f2
f1
Normal stress = 1
Shear stress at failure, f
2P t Dt
式中： t——试件中心的最大拉应力，抗拉强度
p ——实验中破坏时的压力
D ——试件的直径 t ——试件的厚度
作
业
岩石编号
长度
(mm)
直径 (mm)
最大载荷 (KN)
抗拉强度 (MPa)
抗拉强度均值 (MPa)
AY-2-10 AY-2-11 AY-3-10 AY-3-11 AY-5-10 AY-5-11
式中： P—轴向破坏荷载 A—试件界面积
2）岩样标准
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
实验设备
RTR-1000静 （动）态三轴 岩石力学伺服 测试系统
1. 岩石的抗压强度
1)岩石抗压强度的定义 岩石的抗压强度是岩石试件在压力作用下抵抗破
坏的极限能力，极限强度在数值上等于破坏时的最
大压应力。
2)测定岩石抗压强度的意义
衡量岩块基本力学性质的重要指标 建立岩石破坏判据的重要指标 用来大致估算其他强度参数
岩石抗压强度测定
1）计算方法
Rc P / A