岩石力学岩石强度特性

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。
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
假设固体材料为连续介质 假设物体为均匀各向同性 物体的变形属于小变形 物体原来处于一种无应力的自然状态
应力与应变的概念
力：物体之间的相互作用，引起变形或加速度。
应力：假想物体被任一平面分成两部分，从平面 中取出一微小面积元素ΔSc，上面受到内力Δp， 则应力定义为Δp/ΔSc趋于一定的极限。
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
MTS三轴岩 石力学实验 设备
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
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， 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。
－3)较合理，尺寸效应其抗压强度影响的经验公式：
c1
c
0.778 0.222
(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。
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
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 流纹斑岩 大理岩 板岩 白云岩
抗 压 强 度(MPa) 196～343 177～294 177～294 147～294 147～294 98～245 98～245 98～245 98～196 78～245
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。
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。
广义胡克定律： E
x
1 E
x
y z
, xy
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G
y
1 E
y
z
x
, yz
yz
G
z
1 E
z
x y
, zx
zx
G
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。 * 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。
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
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
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。
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
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
岩石种类 石英片岩 云母片岩 凝灰岩 千枚岩 片麻岩 石灰岩
砂岩 泥灰岩 页岩
煤
抗 压 强 度(MPa) 69～178 59～127 59～167 49～196 49～196 29～245 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
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。
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
岩石力学
岩石的强度特性
主要内容
第一节 概述 第二节 岩石的强度特性 第三节 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。
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。
弹塑性力学基础
弹塑性力学是固体力学的一个分支学科。 弹塑性力学中的基本假设：
lim p
S Sc 0
c
应变：物体内任一点受到力的作用后产生的相对
变形。
一点的应力状态
3
1
xx yx
xy yy
xz yz
zx zy zz
2
11 12 13
21
22
23
31 32 33
ij i, j 1, 2,3
物质的力学本构关系
本构关系：反映材料特定性质的数学模型。