1、第三节 岩石的强度特性,与工程材料有关的两个问题：1 最大承载力许用应力 ？强度特性2 最大允许变形许用应变 ？变形特性本节讨论 问题强度：是材料受力时抵抗破坏的能力，即指材料在荷载作用下所能承受的最大的单位面积上的力。,本节 强度,单向抗压强度 单向抗拉强度 剪切强度 三轴压缩强度,真三轴 假三轴,一 岩石单轴抗压强度,1.定义：指岩石试件在无侧限约束的条件下，受轴向压 力作用破坏时单位面积上承受的荷载。,式中：P无侧限约束条件下轴向破坏荷载； A试件截面积。（与试件轴线或轴向力垂直）,2.试验方法： 工程岩体试验方法标准：加载速度：0.5-1.0MPa/s；形状：圆柱形试件：4.85.4c
2、m ，高H=（22.5)长方体试件：边长L= 4.85.4cm , 高H=（22.5)D试件两端不平整度0.05mm；直径或边长尺寸误差 0.3mm；两端面应垂直于轴线，最大偏差 0.25。,3.单向压缩试件的破坏形态,破坏形态有2类： （1）圆锥形破坏原因：承压板两端与试件间存在摩擦力，箍作用（又称 端部效应）。 （2）柱状劈裂破坏原因：消除了端部效应；岩石的抗拉强度远小于抗压强度。消除试件端部约束的方法：润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油等）；加垫块（垫块与试件同刚度或同材料）。,岩石破坏形态的主要影响因素：应力状态（单双轴）试验条件（摩擦）,破坏现象：试件破坏时，主要出现平行于试件轴向的垂
3、直裂缝，使试件丧失了抵抗外力的作用,破坏现象：试件侧向部分岩石逐渐向外变形、剥离，最终形成两个圆锥形。,压应力区,压应力区,拉应力区,4.影响单轴抗压强度的主要因素,（1）承压板端部的摩擦力及其刚度： 承压板刚度很大，接触面的应力分布不均匀山字型； 承压板刚度很小（柔性承压板），岩石断面的应力抛物线型； 应该：承压板刚度与岩石试件刚度相同（或加垫块），岩石断面的应力均布应力。刚度要求一致的原因：刚度不一致应力分布不均匀变形不协调,（2）试件的形状和尺寸形状：圆柱形试件不易产生应力集中，好加工，精度 易保证。多采用圆柱形，较少采用圆柱体。尺寸：尺寸，强度。统计结果：试件直径46cm，且最大矿物颗
4、粒直径的 10倍，强度值比较稳定。标准直径：5cm. （3）高径比：h/d不同，岩石单轴抗压强度不同。（课本图2-4）h/d=2-3时，强度稳定。标准高径比：h/d=2。,（4）加载速度加载速度越大，表现的强度越高 (图25)原因：变形速率加载速率，变形还未充分传播并稳定，载荷便继续增加，岩体内的塑性变形来不及产生和扩展，便增加了岩石的强度。我国规定：0.5 1.0MPa/s （5）环境含水率：含水率越大强度越低；岩石越软受水影响越明显。对泥岩、粘土等软弱岩体，干燥强度 是饱和强度的23倍。温度：影响不明显。一般，温度越高，岩石强度略有 降低。,二 岩石的抗拉强度,1. 定义：岩石试件在受到轴
5、向拉应力后试件发生破坏时的 单位面积上所受的拉力。岩石抗拉强度的测试方法：直接拉伸法；间接法（抗弯法；巴西劈裂法；点荷载试验法）。 2. 直接拉伸法： (1) 圆柱形试件：直径1cm，长度10cm。如右图，利用试件两端与试验机夹具间的 摩擦力，对岩石试件直接施加拉力，测试岩石 的抗拉强度。抗拉强度：P试件能承受的最大拉力；A垂直拉应力方向试件的截面积。,试验2个关键技术,试件和夹具之间的连接：必须有足够的摩擦力，避免出现试件与夹具的脱落； 拉力P与试件同轴心：避免偏心受弯。,实际中，由于该试验对试件加工和加载要求条件较高，很少采用该试验方法. (2),限制性直接拉伸装置示意图,3. 间接方法,
6、（1）抗弯法（梁的弯曲试验）抗弯法是利用梁的三点或四点弯曲加载的方法，使梁的下沿产生纯拉应力的作用而使岩石试件产生拉断破坏，从而间接求出岩石抗拉强度的一种试验方法。抗拉强度：,三点或四点弯曲梁内的最大拉应力；梁发生破坏时的极限 就是 ；,M 作用在试件上的最大弯矩；,C 梁边缘到中性轴的距离；,I 梁截面绕中性轴的惯性矩 。,梁的截面严格保持为平面；岩石是均质的线弹性材料，即服从胡克定律；弯曲发生在梁的对称平面内；拉伸和压缩的应力应变特性相同。对岩石而言，第4假设很难满足，因此试验结果存在一定偏差，且试件较难加工，该方法应用较少。,抗弯法的4个假设条件，即适用条件：,（2）劈裂法（巴西法）（最
7、常用的测试方法）,试验要求,荷载沿轴向均匀分布； 破坏面必须通过试件的直径。,由巴西人杭德罗斯提出，故又称巴西法。 标准试件：实心圆柱50mm；厚度25mm 试验：用一个实心圆柱形试件，使它承受径向压缩线荷 载作用至破坏，间接求抗拉强度。承受径向压缩荷载，产生张开破坏。 计算基础（理论基础）抗拉强度：,式中： 试件中心的最大拉应力，即抗拉强度；,p 试件破坏时的极限压力； D 试件的直径； t 试件的厚度。,（3）点荷载试验法,是20世纪70年代发展起来的一种简便的试验方法。 试件：任何形状:5cm岩芯或不规则岩块。 试验：直接在点荷载仪进行加载，直至劈裂破坏。 二者不同：巴西法线荷载；点荷载
8、法点荷载。,点荷载法所确定的试验值，可用点荷载强度指数IS来表示：,式中：P 试件破坏时的极限荷载D 加载点处试件的厚度,经过大量统计，得出IS与t之间的关系：,试验要求:（由于离散性大），每组15个，取均值，即：,标准试件建议：用5cm的钻孔岩芯为标准试件。,三 岩石的抗剪强度,1. 定义指岩石在一定的应力条件下（主要指压应力），所能抵抗的最大剪应力，常用 表示 2. 剪切强度试验类型（如下图）：,a.抗剪断试验 b.抗切试验 c.弱面抗剪切试验,3. 室内试验（抗剪断试验）,试验仪器楔形剪切仪，加载装置计算公式,式中： p压力机的总压力试件倾角f 圆柱形滚珠与上下压板的摩擦系数,剪切破坏面
9、上的正压力和剪切力为：,抗剪断仪,剪切破坏面上的正应力和剪应力为：,岩石的抗剪断曲线（强度曲线） 改变夹具倾角；（在30度到70度之间） 做一组（大于5次）不同的试验，记录所得的 ，值；由该组值作曲线的近似直线得方程,式中 tan岩石抗剪切内摩擦系数c 岩石的粘结力（内聚力）,四 岩石在三向压缩应力作用下的强度,1. 定义指在不同三向压缩应力作用下岩石抵抗外荷载的最大应力。通式为：,2. 三向压缩试验简介（1） 真三轴 见图16（2） 假三轴 见图17,分别为最大、中间、最小主应力。,3.三轴压缩试验的破坏类型,4.岩石三向压缩强度的影响因素,（1）侧压力的影响围压越大，极限最大主应力越大（应力圆说明）,（2）加载途径对岩石三向压缩强度影响,加载途径对岩的最终三向压缩强度影响不大。,（）试件尺寸与加载速率对岩石三向压缩强度影响,尺寸，强度 速率，强度,（）孔隙水压力对岩石三向压缩强度的影响,孔隙水压力使有效应力（围压）减小 强度降低,返回,
