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1、第4讲 岩石的力学性质强度性质1 1本讲稿第一页，共二十六页岩石的力学性质岩石的力学性质-强度特性强度特性强度单向抗压强度单向抗拉强度剪切强度三轴压缩真三轴假三轴PPPP上次课内容上次课内容2 2本讲稿第二页，共二十六页一 岩石的单轴抗压强度1.定义定义：岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所能承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受的最大压应力称为岩石的单轴抗压强度 式中：P无侧限的条件下的轴向破坏荷载 A试件截面积c=P/APPA A3 3本讲稿第三页，共二十六页二.岩石的抗拉强度定义：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
2、 单轴抗拉强度(Tensile strength)。直接试验直接试验间接试验间接试验试验方法试验方法间接试验间接试验直接试验直接试验4 4本讲稿第四页，共二十六页三.岩石的抗剪强度定义定义定义定义:岩石在剪切荷载作用下达到破坏前所能承受的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（最大剪应力称为岩石的抗剪切强度（Shear Shear strengthstrength）。所能抵抗的最大剪应力常用）。所能抵抗的最大剪应力常用 表示表示 非限制性剪切强度试验非限制性剪切强度试验限制性剪切强度试验限制性剪切强度试验试验方法试验方法非限制性非限制性限制性限制性5 5本讲稿
3、第五页，共二十六页四四.三轴抗压强度三轴抗压强度 l l1)1)定义定义：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)。l l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。6 6本讲稿第六页，共二十六页l2)实验加载方式：l la.a.a.a.真三轴加载真三轴加载真三轴加载真三轴加载:试件为立方体，如图所示。试件为立方体，如图所示。应力状态：应力状态：1 12 2
4、3 3 这种加载方式试验装置繁杂，且六个面均可受到由加压铁板所这种加载方式试验装置繁杂，且六个面均可受到由加压铁板所引起的摩擦力，对试验结果有很大影响，因而实用意义不大。故极引起的摩擦力，对试验结果有很大影响，因而实用意义不大。故极少有人做这样的三轴试验。少有人做这样的三轴试验。l lb.b.b.b.假三轴试验假三轴试验假三轴试验假三轴试验:，试件为圆柱体，试件直径，试件为圆柱体，试件直径25150mm25150mm，长，长 度与直径之比为度与直径之比为2 2：1 1或或3 3：1 1。轴向压力的加载方式与单。轴向压力的加载方式与单 轴压缩试验时相同。轴压缩试验时相同。但由于有了侧向压力，其加
5、载上时但由于有了侧向压力，其加载上时 的端部效应比单轴加载时要轻微得多。的端部效应比单轴加载时要轻微得多。l l应力状态：应力状态：1 12 2=3 37 7本讲稿第七页，共二十六页l3)3)假三轴试验装置图假三轴试验装置图：由于试件侧表面已被加压油缸的橡皮套包住，液压油不会在由于试件侧表面已被加压油缸的橡皮套包住，液压油不会在试件表面造成摩擦力，因而侧向压力可以均匀施加到试件中。其试件表面造成摩擦力，因而侧向压力可以均匀施加到试件中。其试验装置示意图如下试验装置示意图如下。8 8本讲稿第八页，共二十六页l l4)4)第一个经典三轴试验第一个经典三轴试验l la.a.试验者和时间：试验者和时间
6、：意大利人冯意大利人冯 卡门卡门(Von(Von Karman)Karman)于于19111911年完成的。年完成的。l lb.b.试验岩石：试验岩石：白色圆柱体大理石试件，该大理石具白色圆柱体大理石试件，该大理石具有很细的颗粒并且是非常均质的。有很细的颗粒并且是非常均质的。l lc.c.试验发现：试验发现：在围压为零或较低时，大理石试件以在围压为零或较低时，大理石试件以脆性脆性方式破坏，方式破坏，沿沿一组倾斜一组倾斜的裂隙破坏。的裂隙破坏。随着围压的增加，试件的随着围压的增加，试件的延性延性变形和变形和强度强度都不断增加，都不断增加，直至出现完全延性或直至出现完全延性或塑性流动塑性流动变形，
7、并伴随变形，并伴随硬化现象硬化现象，试件也变成试件也变成粗腰桶形粗腰桶形的。的。在试验开始阶段，试件体积减小，当达到在试验开始阶段，试件体积减小，当达到抗压强度抗压强度一半时，出现一半时，出现扩容扩容扩容扩容，泊松比迅速增大泊松比迅速增大。9 9本讲稿第九页，共二十六页l l5)5)三轴试验与莫尔强度包络线三轴试验与莫尔强度包络线l la.a.a.a.三轴压缩试验的最重要的成果：三轴压缩试验的最重要的成果：三轴压缩试验的最重要的成果：三轴压缩试验的最重要的成果：就是对于同一种岩就是对于同一种岩石的不同试件或不同的试验条件给出几乎恒定的强度石的不同试件或不同的试验条件给出几乎恒定的强度指标值。这
8、一强度指标值以莫尔强度包络线（指标值。这一强度指标值以莫尔强度包络线（MohrMohr s s strength envelopstrength envelop）的形式给出。）的形式给出。l lb.b.b.b.莫尔强度包络线的绘制：莫尔强度包络线的绘制：莫尔强度包络线的绘制：莫尔强度包络线的绘制：须对该岩石的须对该岩石的5656个试件做三个试件做三 轴压缩试验，每次试验的围轴压缩试验，每次试验的围 压值不等，由小到大，得出每压值不等，由小到大，得出每 次试件破坏时的应力莫尔圆，次试件破坏时的应力莫尔圆，通常也将单轴压缩试验和拉通常也将单轴压缩试验和拉 伸试验破坏时的应力莫尔圆，伸试验破坏时的应
9、力莫尔圆，用于绘制应力莫尔强度包络线。用于绘制应力莫尔强度包络线。l l曲线形曲线形曲线形曲线形l l直线形直线形直线形直线形1010本讲稿第十页，共二十六页l l6)6)三轴试验岩石强度参数的确定三轴试验岩石强度参数的确定l la.a.a.a.直线型：直线型：直线型：直线型：轴的截距称为岩石的粘结力（或称内聚力），记为轴的截距称为岩石的粘结力（或称内聚力），记为C C（MPaMPa），与），与轴的夹角称为岩石的内摩擦角，记为轴的夹角称为岩石的内摩擦角，记为（度）。（度）。l lb.b.b.b.曲线型：曲线型：曲线型：曲线型：l l一种方法是将包络线和一种方法是将包络线和轴的截距定为轴的截距定
10、为C C，将包络线与，将包络线与轴轴相交点的包络线外切线与相交点的包络线外切线与轴夹角定为内摩擦角。轴夹角定为内摩擦角。l l另一种方法建议根据实际应力另一种方法建议根据实际应力 状态在莫尔包络线上找到相应点，状态在莫尔包络线上找到相应点，在该点作包络线外切线，外切线在该点作包络线外切线，外切线 与与轴夹角为内摩擦角，外切线轴夹角为内摩擦角，外切线 及其延长线与及其延长线与轴相交之截距即轴相交之截距即 为为C C。曲线型曲线型曲线型曲线型l l直线型直线型直线型直线型1111本讲稿第十一页，共二十六页 用直线型莫尔强度包络线莫尔强度包络线判断岩体的破坏。在岩石的三轴抗压压缩实验中 1 1和3
11、3是已知的。从下图可以看出：O1212本讲稿第十二页，共二十六页7).7).岩石三向压缩强度的影响因素岩石三向压缩强度的影响因素（1 1）侧压力的影响）侧压力的影响 围压越大，轴向压力越大围压越大，轴向压力越大1313本讲稿第十三页，共二十六页（2）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（围压孔隙水压力使有效应力（围压）减小减小 强度降低强度降低1414本讲稿第十四页，共二十六页五、影响岩石强度的因素：五、影响岩石强度的因素：1 1 1 1、岩石的组织结构、岩石的组织结构、岩石的组织结构、岩石的组织结构矿物类别、颗粒大小、分布状态矿物类别、颗粒大小、分布状态矿物类别、颗粒大小
12、、分布状态矿物类别、颗粒大小、分布状态 、胶结物；、胶结物；、胶结物；、胶结物；2 2 2 2、岩石构造裂隙、岩石构造裂隙、岩石构造裂隙、岩石构造裂隙延展规模、裂隙性质、壁面强度延展规模、裂隙性质、壁面强度延展规模、裂隙性质、壁面强度延展规模、裂隙性质、壁面强度 、充填物；、充填物；、充填物；、充填物；3 3 3 3、试件尺寸、试件尺寸、试件尺寸、试件尺寸尺寸增大，强度降低；尺寸增大，强度降低；尺寸增大，强度降低；尺寸增大，强度降低；4 4 4 4、含水、含水、含水、含水含水量大，强度低；含水量大，强度低；含水量大，强度低；含水量大，强度低；5 5 5 5、加载速率、加载速率、加载速率、加载速
13、率速率增加，强度加大（变形不充分）；速率增加，强度加大（变形不充分）；速率增加，强度加大（变形不充分）；速率增加，强度加大（变形不充分）；6 6 6 6、受载状态、受载状态、受载状态、受载状态三等压三不等双压单压剪切三等压三不等双压单压剪切三等压三不等双压单压剪切三等压三不等双压单压剪切 弯曲拉伸弯曲拉伸弯曲拉伸弯曲拉伸1515本讲稿第十五页，共二十六页六六.破坏后强度破坏后强度l l在普通试验机上，常规的测试手段得不到应力在普通试验机上，常规的测试手段得不到应力-应变全过程应变全过程曲线；曲线；l l实际上，岩石在峰值强度后，内部出现了裂纹等，仍具有实际上，岩石在峰值强度后，内部出现了裂纹等
14、，仍具有承载力；工程岩石（或岩体）本身就是在残余强度下工作承载力；工程岩石（或岩体）本身就是在残余强度下工作的，（由于地质构造的作用）在这种情况下，一旦岩样的的，（由于地质构造的作用）在这种情况下，一旦岩样的变形进入了过峰值强度后，储存在试验机中弹性变形能突变形进入了过峰值强度后，储存在试验机中弹性变形能突然释放，对岩样产生冲击作用，导致岩石的突然破坏。无然释放，对岩样产生冲击作用，导致岩石的突然破坏。无法得到岩样的应力应变全过程曲线。法得到岩样的应力应变全过程曲线。1616本讲稿第十六页，共二十六页应力-应变全过程曲 线的获得:提高试验机的刚度 伺服控制试件的位移压缩实验系统受力图1717本
15、讲稿第十七页，共二十六页全应力全应力应变曲线的应变曲线的特点特点：近似对称性 卸载有残余应变，重复加载沿另一曲线上升形成滞环(hysteresis)，加载曲线不过原卸载点，但邻近和原曲线光滑衔接。1818本讲稿第十八页，共二十六页全应力应变曲线的功能全应力应变曲线的功能-预测岩爆预测岩爆l面积代表试件内部的应变能l若BA将可能产生岩爆AB1919本讲稿第十九页，共二十六页全应力应变曲线的功能全应力应变曲线的功能-预测蠕变破坏预测蠕变破坏2020本讲稿第二十页，共二十六页全应力应变曲线的功能全应力应变曲线的功能-预测循环加载条件下的岩石破坏预测循环加载条件下的岩石破坏2121本讲稿第二十一页，共
16、二十六页习习 题题1、为什么刚性试验机能测出岩石的全过程应力应变曲线？2、劈裂法测定岩石抗拉强度的原理是什么？2222本讲稿第二十二页，共二十六页2 2.3.2 3.2 岩石的岩石的变形性质变形性质 岩石的变形有岩石的变形有岩石的变形有岩石的变形有弹性变形弹性变形、塑性变形塑性变形和和粘性变形粘性变形三种三种三种三种.弹性：弹性：物体在受外力作用的物体在受外力作用的瞬间瞬间即产生全部变形，而去除即产生全部变形，而去除 外力后又能外力后又能 立即恢复立即恢复其原有形状和尺寸的性质。其原有形状和尺寸的性质。塑性：塑性：物体受力后变形，在外力去除后变形物体受力后变形，在外力去除后变形不能完全恢复不能
17、完全恢复.粘性：粘性：物体受力后变形物体受力后变形不能在瞬时完成不能在瞬时完成，且应变速率随应力，且应变速率随应力 增加而增加的性质增加而增加的性质弹性塑性粘性2323本讲稿第二十三页，共二十六页l l1 1）弹性）弹性(elasticity)(elasticity)：l l线弹性体线弹性体，其应力应变呈直线关系，其应力应变呈直线关系=E=El l非线性弹性体非线性弹性体，其应力其应力应变呈非直线的关系应变呈非直线的关系 =f()2424本讲稿第二十四页，共二十六页2 2）塑性（）塑性（plasticityplasticity）：l l不能恢复的那部分变形称为不能恢复的那部分变形称为塑性变形塑
18、性变形，或称，或称永久变形永久变形，残余变形残余变形。l l在外力作用下只发生塑性变形的物体，称为在外力作用下只发生塑性变形的物体，称为理想塑性理想塑性体体。l l理想塑性体理想塑性体:当应力低于当应力低于屈服极限时，材料没有变形，屈服极限时，材料没有变形，应力达到后，变形不断增大应力达到后，变形不断增大而应力不变，应力应变曲而应力不变，应力应变曲线呈水平直线线呈水平直线.当当 s 时，时，=0当当 s 时，时，塑性2525本讲稿第二十五页，共二十六页3 3）粘性）粘性 (viscosity):(viscosity):物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质，称为粘性。l l应变速率与时间有关，粘粘性与时间有关l l其应力应变速率关系为过坐标原点的直线的物质称为理想粘性体（如牛顿流体），如图所示。l l应力应变速率关系：应力应变速率关系：=d/dt2626本讲稿第二十六页，共二十六页