第3讲 岩石的力学性质2016版讲解
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主要是指岩石在天然含水量、饱和及自然风干三种状态下的 强度。国际岩石力学学会试验方法委员会在试验建议方法中对 试验的标准条件作了明确规定，试验必须按照标准条件的要求 进行。
1、岩石单轴抗压强度
岩石的单轴抗压强度
?
（uniaxial
c
compressive
strength，UCS），
为岩石试件达到破坏时的最大轴向压力P与试件横截面积之比
随着围压的增加，岩石的强度相应增高。
通过不同围压下的三轴压缩试验，可以得到莫尔强度包络 线（Mohr's strength envelop）。在一定的围压范围内，莫 尔强度包络线基本上呈直线型；在更宽的围压范围内，莫 尔强度包络线近似呈抛物线型。
直线型莫尔强度包络线与剪应力轴的截距称为岩石的粘结力 (conhesion，或称内聚力)，与正应力轴的夹角称为岩石的内 摩擦角（friction angle）。 而对抛物线型莫尔强度包络线，工程上为了方便起见常常作 一些近似处理，例如取中间近似直线段的延长线与剪应力轴 的截距为粘结力，与正应力轴的夹角为内摩擦角；或取莫尔 强度包络线上与实际应力状态对应点上的切线与剪应力轴的 截距为粘结力，与正应力轴的夹角为内摩擦角等等。
4、岩石的抗拉强度
岩石在单轴拉伸荷载作用下达到破坏时所能承受的最大 拉应力称为岩石的抗拉强度（tensile strength），其值等于 达到破坏时的最大轴向拉伸荷载除以试件的横截面积。
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Pt a
?
t
?
2P
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3.2 岩石的强度性质
一、岩石的单轴压缩变形特性
1、岩石的应力应变全过程曲线
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42
2、岩石三轴抗压强度
岩石的三轴抗压强度是指三轴压缩状态下岩石试件达到 破坏时的最大主应力量值，或最大差应力（differential stress）量值。
三轴压缩试验有两种方式： 常规三轴试验：三个主应力中有两个是相等的，试件为 圆柱体。 真三轴试验：试验过程中三个主应力互不相等，试件为 长方体或立方体，可以考虑中间主应力对岩石力学性质的 影响。
3、岩石抗剪强度
岩石的抗剪强度（shear strength）也叫剪切强度，是指 岩石在剪切力作用下破坏前所能抵抗的最大剪应力。
工程中应用最多的是直剪仪压剪试验和角模压剪试验。
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A
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A
岩样
P
T
T
砂浆
? ? P(sin? ? f cos? ) / A
? ? P(cos? ? f sin ? ) / A
常规三轴试验：围压一般通过液压油施加。由于试件侧表面被 密封套包住，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表面。常规三轴试验中的轴压加载方式 与单轴压缩试验相同，但由于围压的作用，加载时的端部效应 比单轴加载时要轻微得多。这就是三轴试验结果比单轴试验结 果离散性小的主要原因。
单轴受压的完整岩石试件可能发生的最常见的破坏形 式是单斜面剪切破坏或X状共轭斜面剪切破坏。
对于其它的破裂形式，多数是由于端部处理不当造成 的，也可能是试件中含有节理、裂隙或层理等结构面的 原因，一旦出现，应仔细检查试验条件是否符合要求。
以上两种主要的破坏形式都是由于破坏面的应力达到极 限状态引起的，此时破裂面上既承受压应力，又承受剪应 力，因而也称为压－剪破坏。通过分析可知，破坏面法线 与载荷轴线（即试件轴线）的夹角为
Ⅴ、与Ⅳ基本相同 ，只是曲线斜率 较平缓。压缩性较高的岩石具有这 种性质，如片理垂直于压力方向的 片岩
wenku.baidu.com
岩石应力应变全过程曲线分类
单轴应力应变曲线典型类型
Ⅰ、线弹性型 ：玄武岩、石英岩、 白云岩等极坚硬岩石具有这种性质
Ⅱ、弹-塑性型 ： 石灰岩、泥岩、凝 灰岩等较弱岩石具有这种性质
Ⅲ、塑-弹性型 ： 砂岩、花岗岩、片 理平行于压力方向的片岩及某些辉 绿岩等具有这种性质
Ⅳ、塑-弹-塑型： 如大理岩、片麻 岩等变质岩具有这种性质
第三讲 岩石的力学性质
3.1 岩石的强度性质
3.1 岩石的强度性质
岩石强度
岩石在一定荷载条件下达到破坏时所能承受的最大应力量值称 为岩石的强度（strength of rock）。 根据荷载条件不同，可分为： ?单轴抗压强度（ uniaxial compressive strength） ?三轴抗压强度（triaxial compressive strength） ?抗剪强度( shear strength ) ?抗拉强度（tensile strength）
真三轴试验：最小主应力通过液压油施加，另外两个主应力通 过刚性压板（platen）施加。由于两个方向存在端部效应，而且 在两个刚性加载面的角点处应力状态极其复杂，因而试验结果 离散性大。要解决这个问题，比较好的办法可能是在刚性压板 与试件表面之间增加一层既能减摩又能传递应力的柔性接触， 但这样做的同时将会进一步增加试验装置的设计难度。这就是 国内外极少有人做这种试验的原因。
A
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P A
岩石单轴抗压强度受到试件的端部条件影响，在试验的 准备过程中必须做好试件端部的平整度和光滑度处理， 以消除端部约束效应，确保试件完全处于单向受压状态。 同时必须使试件长度达到规定要求，以保证在试件中部 出现均匀应力状态。岩石单轴强度 随着试件的长径比 （L/D，高度与直径之比）的增大而降低，当长径比 L/D≥2.5~3时， 趋于稳定。国际岩石力学学会《岩石力 学试验建议方法》建议试件长径比L/D为2.5~3。我国 《水利水电工程岩石试验规程》建议试件长径比L/D宜为 2.0～2.5。通常在单轴压缩和三轴压缩试验中所用的标准 圆柱体试件的尺寸为直径50mm，高度100mm。
在刚性压力机或伺服控制试验机上可以得到在单轴压缩荷 载作用下岩石的全过程应力应变曲线
?AB段：孔隙裂隙压密阶段，上凹
?BC段：弹性变形、纵向微裂隙张开 阶段
?CD段：非稳定破裂累进发展阶段，C 点为屈服点（扩容点，约为峰值强度 的三分之二），标志着岩石开始从弹 性变为塑性
?DE段（破裂后阶段）：裂隙快速发 展形成宏观断裂面，内部结构遭到破 坏，试件承载力随变形增大迅速下降， 但并不完全降到零，说明破裂后仍有 残余强度。
1、岩石单轴抗压强度
岩石的单轴抗压强度
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为岩石试件达到破坏时的最大轴向压力P与试件横截面积之比
随着围压的增加，岩石的强度相应增高。
通过不同围压下的三轴压缩试验，可以得到莫尔强度包络 线（Mohr's strength envelop）。在一定的围压范围内，莫 尔强度包络线基本上呈直线型；在更宽的围压范围内，莫 尔强度包络线近似呈抛物线型。
直线型莫尔强度包络线与剪应力轴的截距称为岩石的粘结力 (conhesion，或称内聚力)，与正应力轴的夹角称为岩石的内 摩擦角（friction angle）。 而对抛物线型莫尔强度包络线，工程上为了方便起见常常作 一些近似处理，例如取中间近似直线段的延长线与剪应力轴 的截距为粘结力，与正应力轴的夹角为内摩擦角；或取莫尔 强度包络线上与实际应力状态对应点上的切线与剪应力轴的 截距为粘结力，与正应力轴的夹角为内摩擦角等等。
4、岩石的抗拉强度
岩石在单轴拉伸荷载作用下达到破坏时所能承受的最大 拉应力称为岩石的抗拉强度（tensile strength），其值等于 达到破坏时的最大轴向拉伸荷载除以试件的横截面积。
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一、岩石的单轴压缩变形特性
1、岩石的应力应变全过程曲线
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2、岩石三轴抗压强度
岩石的三轴抗压强度是指三轴压缩状态下岩石试件达到 破坏时的最大主应力量值，或最大差应力（differential stress）量值。
三轴压缩试验有两种方式： 常规三轴试验：三个主应力中有两个是相等的，试件为 圆柱体。 真三轴试验：试验过程中三个主应力互不相等，试件为 长方体或立方体，可以考虑中间主应力对岩石力学性质的 影响。
3、岩石抗剪强度
岩石的抗剪强度（shear strength）也叫剪切强度，是指 岩石在剪切力作用下破坏前所能抵抗的最大剪应力。
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单轴受压的完整岩石试件可能发生的最常见的破坏形 式是单斜面剪切破坏或X状共轭斜面剪切破坏。
对于其它的破裂形式，多数是由于端部处理不当造成 的，也可能是试件中含有节理、裂隙或层理等结构面的 原因，一旦出现，应仔细检查试验条件是否符合要求。
以上两种主要的破坏形式都是由于破坏面的应力达到极 限状态引起的，此时破裂面上既承受压应力，又承受剪应 力，因而也称为压－剪破坏。通过分析可知，破坏面法线 与载荷轴线（即试件轴线）的夹角为
Ⅴ、与Ⅳ基本相同 ，只是曲线斜率 较平缓。压缩性较高的岩石具有这 种性质，如片理垂直于压力方向的 片岩
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岩石应力应变全过程曲线分类
单轴应力应变曲线典型类型
Ⅰ、线弹性型 ：玄武岩、石英岩、 白云岩等极坚硬岩石具有这种性质
Ⅱ、弹-塑性型 ： 石灰岩、泥岩、凝 灰岩等较弱岩石具有这种性质
Ⅲ、塑-弹性型 ： 砂岩、花岗岩、片 理平行于压力方向的片岩及某些辉 绿岩等具有这种性质
Ⅳ、塑-弹-塑型： 如大理岩、片麻 岩等变质岩具有这种性质
第三讲 岩石的力学性质
3.1 岩石的强度性质
3.1 岩石的强度性质
岩石强度
岩石在一定荷载条件下达到破坏时所能承受的最大应力量值称 为岩石的强度（strength of rock）。 根据荷载条件不同，可分为： ?单轴抗压强度（ uniaxial compressive strength） ?三轴抗压强度（triaxial compressive strength） ?抗剪强度( shear strength ) ?抗拉强度（tensile strength）
真三轴试验：最小主应力通过液压油施加，另外两个主应力通 过刚性压板（platen）施加。由于两个方向存在端部效应，而且 在两个刚性加载面的角点处应力状态极其复杂，因而试验结果 离散性大。要解决这个问题，比较好的办法可能是在刚性压板 与试件表面之间增加一层既能减摩又能传递应力的柔性接触， 但这样做的同时将会进一步增加试验装置的设计难度。这就是 国内外极少有人做这种试验的原因。
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岩石单轴抗压强度受到试件的端部条件影响，在试验的 准备过程中必须做好试件端部的平整度和光滑度处理， 以消除端部约束效应，确保试件完全处于单向受压状态。 同时必须使试件长度达到规定要求，以保证在试件中部 出现均匀应力状态。岩石单轴强度 随着试件的长径比 （L/D，高度与直径之比）的增大而降低，当长径比 L/D≥2.5~3时， 趋于稳定。国际岩石力学学会《岩石力 学试验建议方法》建议试件长径比L/D为2.5~3。我国 《水利水电工程岩石试验规程》建议试件长径比L/D宜为 2.0～2.5。通常在单轴压缩和三轴压缩试验中所用的标准 圆柱体试件的尺寸为直径50mm，高度100mm。
在刚性压力机或伺服控制试验机上可以得到在单轴压缩荷 载作用下岩石的全过程应力应变曲线
?AB段：孔隙裂隙压密阶段，上凹
?BC段：弹性变形、纵向微裂隙张开 阶段
?CD段：非稳定破裂累进发展阶段，C 点为屈服点（扩容点，约为峰值强度 的三分之二），标志着岩石开始从弹 性变为塑性
?DE段（破裂后阶段）：裂隙快速发 展形成宏观断裂面，内部结构遭到破 坏，试件承载力随变形增大迅速下降， 但并不完全降到零，说明破裂后仍有 残余强度。