资源描述
第三章 岩石的强度,3.1 概述,3.2 岩石的破坏形式,3.3 岩石的抗压强度,3.4 岩石的抗拉强度,3.5 岩石的抗剪强度,3.6 岩石的破坏准则,3.7 岩石中水对强度的影响,3.8 岩体强度分析,3.9 结构面方位对强度的影响,3.10 结构面粗糙度对强度的影响,1,3.1 概述,广义而言，岩石包括岩块和岩体，所以在研究岩石的强度时，应分清岩块的强度和岩体的强度。,2,3,3.1 概述,花岗岩试件,大理岩试件,泥灰岩试件,4,砂岩中平卧褶皱,5,砂岩中近平卧褶皱,6,浅变质砂岩中直立宽缓褶皱,7,3.1 概述,岩块本身也有一些微结构面，但这些微结构面甚小，肉眼不易觉察，一般不影响供室内外试验用的完整岩石的试件。,岩块内微结构面的影响将直接反映到岩石试件的力学性质上。,岩体的强度不仅与组成岩体的岩石的性质有关，而且与岩体的结构面(节理、裂隙、层理、断层等)有关；此外，还与其所受的应力状态有关。,8,对于岩性坚硬、新鲜的未风化岩体来说，其特点是岩体内岩块的强度很高，而软弱结构面的强度非常低，这种岩体的强度主要由软弱结构面的强度和产状所决定。,3.1 概述,9,3.1 概述,对于岩性软弱的(风化的、破碎的)岩体来说，其岩石(岩块)的强度很低，软弱结构面的作用就显得不那么突出。因此，这种岩体的强度既决定于岩石，也决定于软弱结构面。,当软弱岩体的岩石强度与软弱结构面强度差别很小时，则岩体的强度主要由岩石强度决定了。,10,3.1 概述,11,3.1 概述,12,3.2 岩石的破坏形式,(1) 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。产生原因是：可能是岩石中裂隙的发生和发展的结果。,例如：地下洞室开挖后，由于洞室周围的应力显著增大，洞室围岩可能产生许多裂隙，尤其是洞顶的张裂隙。,13,3.2 岩石的破坏形式,14,3.2 岩石的破坏形式,脆性破坏,15,脆性破坏,16,脆性破坏,17,(2) 延性破坏,岩石的破坏之前的变形很大，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。,3.2 岩石的破坏形式,产生原因：岩石内结晶晶格错位的结果。,18,3.2 岩石的破坏形式,(a)晶体,(b)晶格,(c)晶胞,19,3.2 岩石的破坏形式,延性破坏,常见于软弱岩石中。坚硬岩石一般属脆性破坏，但在两向或三向受力较大的情况下，或者高温的影响下，也可能延性破坏。,20,3.2 岩石的破坏形式,延性破坏,21,3.2 岩石的破坏形式,22,(3) 若面剪切破坏,3.2 岩石的破坏形式,岩层中存在节理、裂隙、层理软弱夹层等软弱结构面，岩体的整体性受到破坏。,23,产生原因：软弱结构面上的剪应力大于该面上的强度时，岩体就沿着弱面的剪切破坏。基岩和岩坡沿着裂隙和软弱层的滑动以及小块试件沿着潜在破坏面的滑动。,3.2 岩石的破坏形式,24,3.2 岩石的破坏形式,若面剪切破坏,25,3.2 岩石的破坏形式,26,常规压力机及单轴压缩试验,3.3 岩石的抗压强度,27,3.3 岩石的抗压强度,岩石抗压试验,28,3.3 岩石的抗压强度,(1) 定义,指岩石试件在单轴压力作用下（无围压，只受轴向压力）所能承受的最大压应力，也即是岩石在达到破坏时承受的最大轴向荷载P除以试件的横截面积A。,(2) 试验方法及注意事项,试件标准：试件用圆柱形或立方柱状。,试件断面：圆柱形试件采用直径D=5cm，也有采用D=7cm；立方柱状试件，采用5cm5cm或7cm 7cm的断面。,试件高度满足：,圆柱形试件 h=(22.5)D 立方柱形试件 h =(22.5) 这里D为试件的横断面直径，A为试件的横断面积。,1) 试件制备及要求,29,3.3 岩石的抗压强度,地层中钻取的岩心,标准的岩心试样,采集的岩样用标 准尺寸钻头取心,获得标准直 径岩心试件,切割两端面获得标 准长度的岩心试样,精磨试样两端面 使端面平滑规则,岩石试件制作过程,30,3.3 岩石的抗压强度,取芯钻机,获取的取芯,深部岩芯的获取方法,31,2) 试验步骤, 试件端面磨平 观察岩石试件，若两端面存在明显不平整，采用锉刀垂直于试件轴线进行往复打磨至其两端面平整。,3.3 岩石的抗压强度,32,3.3 岩石的抗压强度, 试件尺寸测量,试件不平整度的要求：对于圆柱形试件，沿试件各截面的直径误差不大于0.3mm，两端面的不平行度最大不超过0.05mm。试样的两端面应垂直于试样轴线。,a试件端面垂直度测量,1.直角尺；2.试件；3.实验台,33,3.3 岩石的抗压强度,b试件端面垂直度测量,检测方法如图所示，将百分表架与百分表固定于材料试验机平台上，放置试样于百分表触头下方，在平台上缓慢前后、左右平移试样，观察百分表指针的摆动幅度小于0.05mm (5格) ，则判定合格。对于不合格试样，使用锉刀打磨，直至符合要求。,1.百分表；2.百分表架；3.试件；4.实验台,34,3.3 岩石的抗压强度,c试件直径测量,取岩石试件上中下三断面测量位置，采用游标卡尺分别测量垂直于中轴线且互成90方位的试件直径，填入试样尺寸记录表中，并分析直径误差。,上断面,中断面,下断面,互成90测量,35,3.3 岩石的抗压强度,d试件长度测量,将试样断面分为相互垂直的4个方位，采用游标卡尺分别测量不同方位的试件尺寸，填入试样尺寸记录表中，并分析高度误差。,相互垂直的4个方位,36, 加载试验,3.3 岩石的抗压强度,a 将试件竖直放置于材料试验机下承压板上。使用50mm/min速度调节试验机横梁，使上承压板与压板相距约1mm，转换成1mm/min速度调节试验机横梁，使上承压板与压板接触。,37,3.3 岩石的抗压强度,b 设置试验机采集软件：设定试件尺寸、实验日期、实验人员等数据、选择实验加载方式为位移控制式，加载速率0.3mm/min。 c 开始实验：启动试验机，观察软件采集的数据，同时查看试件的破坏情况。 d 结束实验：当试件破坏，材料试验机自动停止。选择高速档向上调节材料试验机压板，使之与试件脱离。 e 破坏试样描述：拍照记录实验后试件的破坏形态，并根据岩石单轴压缩实验试件破坏特征，对破坏试件进行描述，并导出实验数据。而后清理试样，岩屑放入试验机旁塑料桶内。,38,3.3 岩石的抗压强度,3) 试验结果整理,岩石单轴抗压强度测定结果填入表1中，根据公式（1）计算出岩石的单轴抗压强度。,Rc试样单轴抗压强度，MPa； P试样破坏载荷，N； A试样初始截面积，mm2。,（1）,表1 岩石单轴抗压强度实验原始记录表 小组编号 仪器编号 实验日期,实验者 计算者 校核者,39,实验结束后检查每一组的实验结果，废弃可疑数据。将单轴压缩实验记录与计算结果填入表3。然后利用EXCEL软件，以纵向应力为纵坐标，以轴向应变为横坐标绘制出岩石试样单轴压缩实验的应力-应变曲线，如下图。,表3 岩石单轴压缩变形测定记录,岩石单轴压缩应力应变曲线,3.3 岩石的抗压强度,40,WDW-200微机控制电子万能试验机,横梁,上承压板,下承压板,刚性框架,电源开关,启动开关,计算机及控制软件,3.3 岩石的抗压强度,41,3.3 岩石的抗压强度,当试件高度不足时，其两端与加荷板之间的摩擦力可能会影响到测定强度的结果。,试件两端应当平整光滑，为此可用石膏浆将它磨光，有时也可用混有碎粘土的液体硫磺进行磨光。,试件加荷速率的要求：试验时以每秒0.50.8MPa的加荷速率加荷，直至试件破坏。,4) 试验注意事项,(3) 抗压强度的影响因素,1）矿物成分,2）结晶程度和颗粒大小,3）胶结情况,4）生成条件,42,3.3 岩石的抗压强度,43,3.3 岩石的抗压强度,5）风化作用,6）密度,7）水的作用,8）试件形状和尺寸,9）加荷速率,式中,Rc直径(圆柱形试件)或截面边长(立方柱形试件)为D时的抗压强度(MPa)； (Rc)0当所采用的标准直径或边长为D0时的抗压强度(MPa)； m指数，其值一般在0.1到0.5之间。,44,3.4 岩石的抗拉强度,(1) 定义,在单轴拉力作用下岩石试件抵抗破坏的极限能力，在数值上等于破坏时的最大拉应力。,(2) 拉伸试验方法,拉伸试验方法,直接拉伸法,（不易成功）,间接拉伸法,巴西劈裂法 点 荷 载 法,计算公式不同,45,3.4 岩石的抗拉强度,1) 直接拉伸法,46,3.4 岩石的抗拉强度,试件抗拉强度计算公式是：,式中,Rt岩石抗拉强度(MPa)； PT试件破坏时的最大拉力(MN)； A试件中部的横截面面积(m),2) 劈裂法(巴西试验法),47,3.4 岩石的抗拉强度,抗拉试验仪,48,3.4 岩石的抗拉强度,49,3.4 岩石的抗拉强度,在线布荷载(p)作用下，沿试件竖直向直径平面内产生的近于均布的水平拉应力x=2p/Dl,抗拉强度t= 2pmax /Dl （圆形试样） t= 2pmax/a2 （方形试样）,50,3.4 岩石的抗拉强度,对不规则试件，可用下式近似估计抗拉强度,式中,p破坏荷载(MN)； V所试验试件的体积(m3)。,3) 由抗压强度估计抗拉强度,式中 Cm在410范围内变化，依据岩石的类型而定。,51,岩石劈裂机,52,
展开阅读全文