1.1 岩石的力学性质教学文稿

▪ c.压缩实验设备示意图(500t压力机)
Hale Waihona Puke Baidu
▪ 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
▪ 5)水对单轴抗压强度的影响－软化系数
▪ 岩石的软化系数：饱和岩石抗压强度σb与 干燥岩石抗压强度σc之比
▪ η=σb/ σc≤1
1.2岩石单轴抗拉强度
▪ 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：
▪
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。
▪ 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。
▪ 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。
▪ 2)直接拉伸试验加载和试件示意图
▪ 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：
▪ 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。
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。
▪ 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）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
▪ 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。
▪ （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
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）
▪
σc=P/A
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。
▪ b.非标准试件的对试验结果的影响及其修正
▪ 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。
▪ d.计算公式：
▪ σt=σx=-2P/πdt ▪ σy=(1/r1+1/r2-1/d)2P/πt
▪ 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。
▪ 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。
▪ 5) Hoek直剪仪试验装置
▪ 6）角模压剪试验及受力分析示意图 ▪ 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。
▪ 圆盘中心处：
▪ σt=σx=-2P/πdt ▪ σy=6P/πdt
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。
1 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