第二节 岩石的强度特性.pps

一岩石的单轴抗压强度二岩石的抗拉强度三岩石的抗剪强度四岩石在三向压缩应力作用下的强度,第二节岩石的强度特性,第二节岩石的强度特性,工程师对材料提出两个问题1最大承载力许用应力[]2最大允许变形－－许用应变[]本节讨论[]问题强度材料受力时抵抗破坏的能力。,强度,,单向抗压强度单向抗拉强度剪切强度三轴压缩,一岩石的单轴抗压强度,1.定义指岩石试件在无侧限的条件下，受轴向压力作用破坏时单位面积上承受的荷载。,式中P无侧限的条件下的轴向破坏荷载A试件截面积,2.试验方法在压力机上按一定加载速率单向加压直至试件破坏。,圆柱形试件φ4.8－5.2cm，高H（2－2.5φ长方体试件边长L4.8－5.2cm高H（2－2.5L,试件两端不平度小于0.05mm；尺寸误差0.3mm；两端面垂直于轴线0.25,试件标准,3.单向压缩试件的破坏形态,破坏形态有两类（1）圆锥形破坏原因压板两端存在摩擦力，箍作用（又称端部效应），在工程中也会出现。（2）柱状劈裂破坏张拉破坏（岩石的抗拉强度远小于抗压强度）是岩石单向压缩破坏的真实反映（消除了端部效应）消除试件端部约束的方法润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部）加长试件,破坏形态是表现破坏机理的重要特征，其主要影响因素①应力状态②试验条件,,岩块在单轴压缩条件下的破坏型式,单轴压缩试样端面的应力分布及破坏型式,劈裂破坏,剪切破坏,对顶锥破坏,4.影响单轴抗压强度的主要因素,（1）承压板端部摩擦力及其刚度（加垫块依据）（2）试件的形状和尺寸形状圆形试件不易产生应力集中，好加工尺寸大于矿物颗粒的10倍；φ50的依据高径比研究表明；h/d≥2－3较合理（3）加载速度加载速度越大，表现强度越高见图2－5，我国规定加载速度为0.5－1.0MPa/s（4）环境①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。见表2－2②温度180℃以下部明显大于180℃，温度越高强度越小。,表3-1岩石的单轴抗压强度和抗拉强度,二岩石的抗拉强度,1、定义岩石试件在受到轴向拉应力后其试件发生破坏时的单位面积上所受的拉力。2、抗拉强度试验由于试件不易加工，除研究直接的拉伸的夹具外，研究了大量的间接试验方法。（1）直接拉伸法抗拉强度,关键技术,,①试件和夹具之间的连接②加力P与试件同心,直接拉伸试验,,1）抗弯法（梁的三点弯曲试验）抗拉强度,（2）间接拉伸方法,①岩石是各向同性的线弹性材料②满足平面假设的对称面内弯曲,适用条件,,三点弯曲梁内的最大拉应力；梁发生破坏时的就是,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,对称径向压裂法由巴西人Hondros提出故称巴西法。,试件实心圆柱φ50mm；δ25mm试验径向压缩破坏（张开）计算公式由弹性力学公式直接给出,式中试验中心的最大拉应力，即,2）劈裂法（巴西法）,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,注①端部效应②并非完全单向应力,,岩石抗拉强度试验（劈裂法）,劈裂法试验示意图1承压板；2试件；3钢丝垫条P试件破坏时的极限压力,1,2,3,试验试件标准尺寸直径D5cm；厚度t5cm,试件破坏时作用在试件中心的最大拉应力为,3）点荷载试验法,点荷载试验法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，可做简单加工。试验可在现场的点荷载仪上加载劈裂破坏。,,①岩石点荷载强度试验,圆饼体点荷载加荷方式,圆柱体点荷载加荷方式,上述式中σ试样抗拉强度，㎏f/㎝2；P试样破坏时点荷载，㎏f；D试样直径，㎝；t试样厚度，㎝；L试样长度，㎝。,②岩石抗拉强度与点荷载,,③计算点荷载强度I,式中P试件破坏时的极限D加载点试件的厚度,统计公式,要求由于离散性大，试件要有足够数量取均值（一般每组15个以上），即,建议用φ5cm的钻孔岩芯为试件结果更理想。,三岩石的抗剪强度,1.定义指一定的应力条件下（主要指压应力），所能抵抗的最大剪应力。常用τ表示2.类型,,a.抗剪断试验b.抗切断试验c.弱面抗剪试验,岩石抗剪强度,岩石的剪切强度有三种,抗剪断强度,抗切强度,弱面抗剪切强度,3.剪切试验,①直接剪切试验直接剪切试验采用直接剪切仪来进行。岩石的直接剪切仪与土的直接剪切仪类似，试验仪器装置如图3-7a所示。仪器主要由上、下两个刚性匣子所组成，试件在平面内的尺寸，水利水电工程岩石试验规程1981年试行规定对测定软弱结构面的试件，规定为1515～3030cm，并规定结构面上、下岩石的厚度分别约为断面尺寸的1/2左右，对于测定岩石本身抗剪强度的试件没有明确规定，一般用55cm。,,,,,,,①直接剪切试验每次试验时，先在试样上施加垂直荷载P，然后在水平方向逐渐施加水平剪切力T，直至达到最大值发生破坏为止。,,,,,,,,①直接剪切试验从图上还可以看出，剩余强度也就是失去凝聚力而仅有内摩擦力的强度，根据研究，失去凝聚力的原因主要是由于不断位移引起晶格错位的缘故。,,,,,,,,,②楔形剪切试验楔形剪切试验用楔形剪切仪进行。这种仪器的主要装置见图3-11a。试验时的受力情况见图3-11b。把装有试件的这种装置放在压力机上进行加压，直至试件沿着AB面发生剪切破坏。所以这种试验实际上也是另一种形式的直接剪切试验。,,,,,,,,,,,图3-11楔形剪切仪图3-12楔形剪切试验结果,,,变角板法剪切试验,,,②楔形剪切试验,计算公式受剪面法向力及切向力,式中p压力机的总压力α试件倾角f圆柱形滚子与上下压板的摩擦系数,受剪面法向应力剪应力,,岩石的抗剪断σ－τ曲线（强度曲线）改变夹具倾角α；α在30度到70度之间做一组（大于5次）不同α的试验，记录所得的σ，τ值；由该组值作曲线近似直线得方程,式中tanφ－岩石抗剪切内摩擦系数c－岩石的粘结力（内聚力）,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,2.三向压缩试验简介（1）真三轴见图（2）假三轴见图00,轴压缩试验这种试验就是利用三轴向压力试验的成果来求出剪切面上的与的关系。试验的装置图3-13与试验的方法和土的三轴压力试验相类似，,,,,,,,,,,,图13三轴试验装置示意图1-施加垂直压力；2-侧压力液体出口；3-侧压力液体进口；4-密封设备；5-压力室；6-侧压力；7-球状底座；8-试件,,三轴压缩试验这种试验就是利用三轴向压力试验的成果来求出剪切面上的与的关系。试验的装置图3-13与试验的方法和土的三轴压力试验相类似，,,,,,,,,,,,图-14极限莫尔应力圆图-15角闪岩的三轴试验结果,,,,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，轴向压力越大,（2）加载途径对岩石三向压缩强度影响（图2-13）,A、B、C三条虚线是三个不同的加载途径，加载途径对岩的最终三向压缩强度影响不大。,（3）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,,有水,无水,孔隙水压力的存在（有效应力减小）使应力圆向左侧移动因此降低了岩石的极限应力,常见岩石主要力学性质指标,,,,,,α,