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2-2岩石力学性质-强度性质

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岩石 力学 性质 强度
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一、岩石的容重二、岩石的比重三、岩石的孔隙性四、石的力学性质岩石的性质与组成岩石的矿物颗粒以及其间的胶结物性质有关。分为固结性岩石和松散性岩石。固结性岩石:矿物颗粒是固结在一起的,如基岩。松散性岩石:颗粒间的结合力破坏,如粘土,砂土等。岩石的力学性质强度特性:岩石抵抗外力作用的能力,岩石破坏时能够承受的最大应力。变形性质:岩石在外力作用下发生形态(形状、体积)变化。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。2 石强度在研究一般工程材料的力学性质时,工程师们总会关心两个问题:一是工程材料在各种外载荷作用下,所能承受的最大荷载或者允许最大应力值为多大 ?二是在上述的外荷载作用下,材料所产生的变形是否会影响工程上正常的使用 ?所谓岩石强度 , 是指岩石在各种载荷作用下达到破坏时所能承受的极限应力 , 即岩石材料在受外载荷作用时抵抗破坏的能力 。 由于荷载的作用形式不同 , 一般来说 , 研究岩石的强度主要包括岩石的单轴抗压强度 (非限制性抗压强度 )、 单轴抗拉强度 、 抗剪强度 、 多轴压缩强度等 。究岩石强度的意义1、 岩石分类 、 分级中的重要数量指标;2、 可以判别计算处或测定处的岩土工程是否稳定;3、 在简单地下工程条件下 , 可作为极限平衡条件 (塑性条件 ), 求解弹塑性问题的塑性区范围 , 以及弹性区和塑性区的应力与位移;石的破坏模式从受力观点来看 , 岩石的破坏形式有两种类型:从岩石的破坏模式来看 , 有关岩石材料在静态载荷作用下的破坏形式的分类有许多研究 , 但至今得到许多学者公认的还是 岩石力学基础 ” 中将岩石的破裂形式分为如图 2      拉 伸 破 坏 拉 应 力脆 性 破 坏破 坏 形 式 剪 切 破 坏 剪 应 力塑 性 破 坏 剪 应 力其中:( a) 是在无围压条件下观察到的不规则纵向劈裂破坏;( b) 是在中等围压下的剪切破裂;( c) 是在高围压下的塑性硬化或延性破坏;( d) 是单轴拉伸破坏;( e) 是间接拉伸破裂 。 并且还提出压剪破坏和拉张破坏是两种基本破坏类型 。( a)单轴压缩纵向劈裂破裂( b)剪切破坏( c)多重剪切破坏( d)拉伸破裂( e)由线载荷产生的拉伸破坏图 2石的单轴抗压强度所谓岩石的单轴抗压强度是指岩石在单轴压缩载荷作用下,达到破坏前所能承受的最大压应力。亦即岩石受轴向力作用破坏时单位面积上所承受的荷载。即:( 2中:c— 单轴抗压强度;P— 只有轴向载荷时的破坏荷载;A— 试件的截面面积。c( 1) 单轴抗压强度的试验方法在岩石力学中 , 岩石的单轴抗压强度是研究最早 、 最完善的特性之一 。 按中华人民共和国岩石试验方法标准的要求 , 单轴抗压强度的试验是在带有上 、 下块承压板的试验机上进行 , 按一定的加载速度单向加压直至试件破坏 。国际岩石力学学会实验室和现场试验标准化委员会制定的 《 岩石力学试验建议方法 》 :岩石试件标准尺寸为 Φ54径比为 原水利电力部颁发的 《 水利水电工程岩石试验规程 》 中也规定试件尺寸为 Φ50× 100高度为直径的 试件两端面的不平整度不得大于 在试件的高度上直径或边长的误差不得大于 两端面应垂直于试件轴线 , 最大偏差不得大于 由于试件尺寸 , 加工精度统一 , 使试验结果具有较好的可比性 。 2) 岩石单向压缩荷载作用下的破坏形态在荷载作用下 , 岩石试件的破坏形态是表现岩石破坏机理的重要特征 。 它不仅表现了岩石受力过程中的应力分布状态 , 同时还反映了不同试验条件对强度的影响 。 因此 , 岩石的破坏形态倍受重视 。 据观察岩石在单轴压缩应力作用下的主要破坏形态有以下三种情况:1. 圆锥形破坏即 其破坏形态如图 2— 2(a)所示 。破坏面法线与载荷轴线的夹角 , 式中为岩石的内摩擦角 , 这种破坏形式并不常见 。 这种破坏形态主要是由于试件两端面与试验机承压板之间摩擦力较大 , 所产生的端部效应造成的 。 在试验加压的过程中 , 试件的应力分布如图 2— 3所示 。42 由于试件端面与承压板之间的摩擦力 , 使试件端面部分形成了约束作用 , 而这一作用随远离承压板而减弱 , 使其表现为拉应力 。在无侧限的条件下 , 由于侧向的部分岩石可自由地向外变形 、 剥离 , 最终形成圆锥形破坏的形态 。因此 , 在试验时一般要求在试件的端面与承压板之间加润滑剂 , 以减少试验时的端部效应 。 如图 2 其破坏面法线与载荷轴线的夹角和圆锥形破坏的 β相似 。破坏是由于破坏面上的剪应力超过极限引起的 ,但破坏前破坏面所需承受的最大剪应力也与破坏面上的正应力有关 , 因而称为压剪破坏 。3. 纵向劈裂破坏即拉伸破坏 。 若采用有效方法消去岩石试件两端面的摩擦力 , 则试件的破坏形态成为纵向劈裂破坏 。试件在破坏时 , 主要出现平行于试件轴线的垂直裂缝 , 使试件丧失了抵抗外力的能力 。 这是因为在轴向压缩载荷作用下 , 在横向将产生拉伸应力 ,这也是泊松效应的结果 。纵向劈裂破坏是岩石在单轴压缩载荷作用下的主要表现形式 。图 2轴压缩破坏形态图 2个金属板之间压缩圆柱体的应力 — 应变分布( 3) 实验条件对单轴抗压强度的影响因素( 一 ) 承压板给予单轴抗压强度的影响承压板的刚度也将影响试件端面的应力分布状态 。由研究可知 , 当承压板刚度很大时 , 其接触面的应力分布很不均匀 , 呈山字型 , 如图 2 显然 , 这将影响整个试件的受力状态 。因此 , 有人建议试验机的承压扳 (或者垫块 )尽可能采用与岩石刚度相接近的材料 。 避免由于刚度的不同而引起变形不协调造成应力分布不均匀的现象 , 减少对强度的影响 。( 二 ) 试件尺寸及形状对单向轴抗压强度的影响最早采用边长为 5 经研究发现 , 试件尺寸 、 形状 、 高径比均将影响岩石的强度 。(1)岩石试件的形状的影响 众所周知 , 方形试件的四个边角会产生很明显的应力集中现象 。 这将影响整个试件在受力后的应力分布状态 。此外 , 从另外一个角度来说方柱体的试件加工要比圆柱形试件困难得多 , 不易达到有关加工精度的要求 。 因此 ,目前绝大多数的国家都采用圆柱形的岩石试件 。(2)岩石试件的尺寸的影响 试件的强度通常随其尺寸的增大而减小 。 这就是岩石力学中被称作为尺寸效应 。据研究发现试件的尺寸对其强度的影响在很大程度上取决于组成岩石的矿物颗粒的大小 。研究结果表明 , 若岩石试件的直径为 4且满足试件直径大于其最大矿物颗粒直径的 10倍以上 , 其强度值相对比较稳定 。因此 , 目前对于一般岩石采取直径为 50(3)岩石试件的高径比的影响圆柱形试件高度与直径之比 对试验结果有很大的影响 。 以 表示实际的岩石单轴抗压强度 , 以表示实验所测得的岩石单轴抗压强度 , 则两者之间的关系可由式 ( 2表示 。由图 2— 5可见 , 当 时 , 曲线趋于稳定 ,试验结果 值不随 的变化而明显变化 。/c ( 2  cc /际岩石力学学会实验室和现场试验标准化委员会制定的 《 岩石力学试验建议方法 》 中 , 建议岩石单轴抗压强度试验试件的高径比为 但我国原水利电力部颁发的 《 水利水电工程岩石试验规程 》 中 , 所采用的试件高径比为 可见取高径比为 2 对所测的岩石单轴抗压强度值是比较合理的 。因此 , 目前世界上几乎所有国家都采用直径大于50高度为直径的 2 这不仅考虑了不同尺寸 、 形状 、 高径比对其强度的影响 , 同时还考虑了岩石力学试验结果的可比性 。图 2在刚性承压板之间压缩时岩石端面的应力分布图 2面岩的抗压强度与 h/ 4)加载速度加载速度越大,表现强度越高 )我国规定加载速度为 s( 5) 环境含水量: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。石的抗拉强度岩石的抗拉强度是指岩石试件在单轴拉伸载荷作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力 。 通常以 其值等于试件达到破坏时的最大轴向拉伸载荷 即:t( 2件在拉伸载荷作用下的破坏通常是沿其横截面的断裂破坏,岩石的拉伸试验分直接拉伸试验和间接拉伸试验两类。( 1) 直接拉伸试验要直接进行如图 2a) 所示的拉伸试验是很困难的 ,因为 , 这种试验不可能像单轴压缩试验那样 , 可将拉伸载荷直接施加到试件的两个端面上 , 而只能将两端固定在材料试验机的拉伸夹具内 。这种试验方法中怎样来夹住试件才是试验的关键 。 若夹得过紧 , 由于夹具内所产生的应力集中 , 往往引起试件两端破裂 , 若夹得过松 , 则因为夹持力不够 , 而使试件从夹具里拉出 , 造成试验的失败 。因此 , 直接拉伸试验通常采用胶结的办法来进行固定 , 使拉伸载荷施加在强度较高的水泥 、 环氧树脂或金属连接端上 , 这样就保证在试件被拉断之前 , 它的其他部位不会先行破坏而导致试验失败 。 如图 2c) 、 ( d) 所示 。图 2接拉伸试验加载和试件示意图( 2) 间接拉伸试验由于进行直接拉伸试验在准备试件方面需要花费大量的人力 、 物力和时间 , 因而取而代之的一些间接拉伸试验方法涌现出来 。在间接试验方法中 , 有著名的:劈裂法 ( 亦称巴西法 ) \梁的弯曲试验法 。图 2劈裂试验加载和应力分布示意图1. 劈裂法 (巴西法 )劈裂法也称作径向压裂法 , 因为是由巴西人杭德罗斯(出的试验方法 , 故称作为巴西法 。 这种试验方法是:用一个实心圆盘试件 , 其直径 、 厚度 使它承受径向压缩荷载至破坏 , 求出岩石的抗拉强度 15t 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并非完全单向应力试验:径向压缩破坏(张开)计算公式:由弹性力学  /2p —— 试验中破坏时的压力D —— 试件的直径t —— 盘在压应力的作用下 , 沿圆盘直径 y— x— 而离开边缘后 , 沿 y— 但应力值比边缘处显著减少 。并趋于均匀化; x— 并在沿 y— 于岩石的抗拉强度很低 , 所以试件还是由于 破坏是从直径中心开始 , 然后向两端发展 ,反映了岩石的抗拉强度比抗压强度要低得多的事实布辛奈斯克 (根据半平面体在边界上受集中力的解析解 , 可求得圆盘内任意一点的应力:式中: P— 加在试件对径上的压缩载荷;d— 试件的直径;t— 试件的厚度 。221 1 2 212331212221 1 2 212si n c os si n c os c os si n c os si                            ( 2观察圆盘中心线平面内 ( 的应力状态可发现 ,沿中心线的各点; , 有:在圆盘中心处 有:12 0 12d1222 1 1 20          ( 222d260   ( 2因此 , 求得试件破坏时作用在试件中心的最大拉应力 及三倍于拉应力的压应力 。 由于岩石的抗拉强度很低 , 抗压强度较高 , 圆盘在受压应力破坏之前早已被拉应力拉断了 。由于劈裂法试验简单 , 所测的抗拉强度与单轴拉伸很接近 , 故目前多采用此法测定岩石的单轴抗拉强度 。x y( 3) 点载荷法点荷载试验法是在 70年代发展起来的一种简便的现场试验方法 。该试验方法最大的特点是对试件的要求不严格 ,不需要像做抗压强度试验那样精心准备试件 , 最好的试件就是直径为 25~ 100 没有时也可利用现场取得的任何形状的岩块 , 对岩样可以不作任何加工直接进行试验 , 此试验对试件尺寸的要求见图 2该试验装臵是一个极为小巧的设备 , 可带到岩土工程现场去做试验 。 其试验加载原理类于劈裂法 ,不同的是劈裂法所施加的是线荷载 , 而点荷载法是施加的点荷载 。 点荷载强度指数 中 P— 试件破坏的极限荷载;等效园直径,与破坏面面积相等的圆的直径( 图 2将直径为 50 其他尺寸试件结果需根据公式 ( 2行修正 。式中: 为直径为 50 ; 为直径为 ; 。   50 ( 2 1 7 0 4 5 7 55D 4 0 0 5 8 55D 50但是由于点荷载试验的结果离散性较大 , 因此要求每组试验必须达到一定的数量 , 通常进行15个试件的试验 , 按其平均值求得其强度指数并推算出岩石的抗拉强度 。( 3)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 50不做任何加工 。 试验:在直接带到现场的点荷载仪上 , 加载劈裂 破坏 。优点:设备便携 , 可到现场去进行实验;对试件的形状等要求不严格小型点载荷设备:手动液压泵一个液压千斤顶一对圆锥形的加载头t 中: P —— 试件破坏时的极限强度y —— 加载点试件的厚度统计公式:要求 :(由于离散性大),每组 15个,取均值,即建议:用 φ50钻孔岩芯为试件。2石的剪切强度是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 , 通常用表示 。剪切强度试验分为 :(1)非限制性剪切强度试验(2)限制性剪切强度试验石的抗剪强度1. 定义 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 ( 。 所能抵抗的最大剪应力 。常用 表示非限制性剪切试验在剪切面上只有剪应力存在 ,没有正应力存在;限制性剪切试验在剪切面上除了存在剪应力外 , 还存在正应力 。剪切强度试验分为非限制性剪切强度试验( 限制性剪切强度试验( 类。1) 四种典型的非限制性剪切强度试验:  3) 四种典型的限制性剪切强度试验 剪切盒 ) 压剪试验 ( 单面剪 ) 变角剪切试验 )4) ) 角模压剪试验及受力分析示意图在压力 剪切面上可分解为 :  6) 限制性剪切强度试验结果及其分析① 试验结果:剪切面上正应力越大 , 试件被剪破坏前所能承受的剪应力也越大 。原因:剪切破坏一要克服内聚力 , 二要克服摩擦力 , 正应力越大 , 摩擦力也越大 。将破坏时的剪应力和正应力标注到 σ同的正、剪应力组合就是不同的点。将所有点连接起来就获得了莫尔强度包络线,如图所示。② 残余强度:当剪切面上的剪应力超过了峰值剪切强度后 , 剪切破坏发生 , 然后在较小的剪切力作用下就可使岩石沿剪切面滑动 。 能使破坏面保持滑动所需的较小剪应力就是破坏面的残余强度 。正应力越大,残余强度越高,如图所示。所以只要有正应力存在,岩石剪切破坏面仍具有抗剪切的能力。限制性剪切强度试验是在剪切面上只有剪应力存在 , 没有正应力存在 , 如图 2限制性剪切强度试验在剪切面上除了存在剪应力外 , 还有正应力存在 , 如图 2a― 限制性剪切强度试验 b― 非限制性剪切强度试验图 2―10 岩石的剪切试验方式示意图典型的非限制性剪切强度试验可分为四种:单面剪切实验 、 双面剪切试验 、 冲击剪切实验和扭转剪切试验 。非限制性剪切强度试验的剪切强度为:式中: — 试件被剪断前达到的最大剪力; A— 受剪面积 。( 2a) ( b)图 2内的岩石剪切强度测定 , 最常用的是直剪试验和变角剪切仪试验 。 其主要装臵如图 2 变角剪切仪试验是把岩石试件臵于变角剪切仪中 , 并放在压力机上进行加压试验 , 则作用于剪切平面上的法向压 N( ) 与切向力 Q( ) , 除以试件受剪切面积 A, 即可得到受剪面上的法向应力 和剪应力(试件受剪破坏时 , 即为岩石的抗剪断强度 ):  c o  ( 2试验表明 , 剪切面上所受的正应力越大 , 试件被剪破坏前剪切面上所能承受的剪应力也越大 。因为 , 剪切破坏发生前 一要克服粘结力 ( 内凝聚力 ) , 二要克服剪切面上的摩擦力 , 正应力越大 , 摩擦力也越大 。将限制性剪切强度试验试件被剪破坏时的剪应力和正应力分别按上式求出,就可以在正应力 个曲线就是摩尔强度包络线,如图 2a)所示。这是除三轴抗压强度试验获得莫尔强度包络线之外的另一种方法。岩石的抗剪断强度关系曲线是一条弧形曲线 , 一般把它简化为直线形式 (见图 2b))。 这样 , 岩石的抗剪断强度与压应力之间就建立了如下关系式:式中 — 岩石抗剪断内摩擦系数;C— 岩石的粘结力 (内聚力 )。ta n C   ( 2 三轴抗压强度岩石在三向压缩载荷作用下 , 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 。 与单轴压缩试验相比 , 试件除受轴向压力外 , 还受侧向压力作用 。 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试验 。三轴压缩试验根据施加围压的不同 , 可分成真三轴试验 ( ), 假三轴试验 ( 也称伪三轴试验 )( ), 如图 2 前者两个水平方向施加的围压不等 , 而后者相等 。1 2 3  1 2 3  四 . 三轴抗压强度1)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(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 (验 。三轴压缩试验加载示意图真三轴σ1>σ2> σ3伪三轴σ1>σ2=σ3由于真三轴试验对试验机的特殊要求 , 使这试验要花费很大的人力 、 物力和财力 , 且六个面均可受到由加压板所引起的摩擦力 , 对实验结果有很大影响 , 因而实用意义不大 , 故极少有人做真三轴试验 。而假三轴试验要比真三轴试验容易得多 , 成为岩石力学中最常用的试验方法之一 。图 2轴试验加载示意图图 2— 14 岩石三向压力试验基本原理图1— 密封装置; 2— 侧压力; 3一球形底座; 4— 出油口 5— 岩石试件; 6— 乳胶隔离口; 7— 进油口。3)伪三轴试验装臵图: 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 。 其试验装臵示意图如下 。4)第一个经典三轴试验a. 试验者和时间:意大利人冯 ·卡门( 1911年完成的 。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 。4)第一个经典三轴试验 ① 在围压为零或较低时 , 大理石试件以脆性方式破坏 ,沿一组倾斜的裂隙破坏 。 ② 随着围压的增加 , 试件的延性变形和强度都不断增加 ,直至出现完全延性或塑性流动变形 , 并伴随工作硬化 , 试件也变成粗腰桶形的 。 ③ 在试验开始阶段 , 试件体积减小 , 当达到抗压强度一半时 , 出现扩容 , 泊松比迅速增大 。( 1) 三轴压缩试验方法及试验现象假三轴试验是常规三轴试验 , 试件为圆柱体 ,其直径为 25~ 150长径比为 2: 1或 3: 1,加载方式如图 2图 4三轴压缩试验图 7三轴压缩试验后的部分试件假三轴试验的轴向加载方式与单轴压缩试验时相同 , 侧向压力由圆柱形液压油缸施加 , 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 , 因而侧向压力可以均匀施加到试件上 , 其试验装臵示意图如图 2在上述两种试验条件下 , 三轴抗压强度均为试件达到破坏时所能承受的最大值 。 通过试验可以发现 , 在围压为零或较低时 , 岩石试件大多以脆性方式破坏 , 其破坏形式主要为劈裂破坏或压剪破坏 。这一破坏形式与单轴压缩破坏很接近 , 说明低围压对其破坏形态影响并非很大;在中等围压时 ,试件主要表现为斜面剪切破坏 。其破坏面法线与荷载轴线的夹角通常约为( 为岩石的内摩擦角 );0452 但随着围压的进一步升高 , 试件的延性变形和强度都进一步增加 , 直至出现完全延性或塑性流动变形 , 并伴随工作硬化 , 试件也变成腰鼓形 。在实验开始阶段 , 试件体积减小 , 当达到抗压强度一半时 , 出现扩容现象 。由此可见 , 随着围压的增大改变了岩石试件的破坏形态 。 若从变形特性的角度来看 , 随着围压的增大试件从脆性破坏向塑性流动过渡 。5) 三轴试验与莫尔强度包络线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指标值 。 这一强度指标值以莫尔强度包络线( s 的形式给出 。5) 三轴试验与莫尔强度包络线对该岩石的 5~6个试件做三轴压缩试验 , 每次试验的围压值不等 , 由小到大 , 得出每次试件破坏时的应力莫尔圆 , 通常也将单轴压缩试验和拉伸试验破坏时的应力莫尔圆 , 用于绘制应力莫尔强度包络线6) 三轴试验岩石强度参数的确定τ轴的截距称为岩石的粘结力 ( 或称内聚力 ) , 记为 C( , 与 σ轴的夹角称为岩石的内摩擦角 ,记为 υ( 度 ) 。6) 三轴试验岩石强度参数的确定① 一种方法是将包络线和 τ轴的截距定为 C, 将包络线与 τ轴相交点的包络线外切线与 σ轴夹角定为内摩擦角 。② 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 , 在该点作包络线外切线 , 外切线与 σ轴夹角为内摩擦角 , 外切线及其延长线与 τ轴相交之截距即为 C。 实践中采用第一种方法的人数多 。( 2) 三轴压缩试验的影响因素岩石在三轴压缩应力作用下的影响因素 , 除了类似于前节所叙述的单轴强度的影响因素 (包括尺寸 、 加载速率等因素 )以外 , 还有如下所说的其特有的影响因素 。① 侧向压力的影响图 2从图中可见 , 大理岩随着围压的增大 , 其最大主应力也随之增大 。还可以看出增大应力的变化率随围压的增大而减小的变化规律 。若用莫尔极限应力圆的包络线来描述的话 , 则这包络线的斜率具有前陡后缓的特性 。③ 孔隙水压力对岩石三轴压缩强度的影响对于一些具有较大孔隙的岩石来说 , 孔隙水压力将对岩石的强度有很大的影响 。这一影响可用 “ 有效应力 ” 的原理给予解释 。由于岩石中存在着孔隙水压力 , 从而使得真正作用在岩石上的围压值减少了 , 因而降低了与其相对应的极限应力值(峰值应力 )。若用莫尔极限应力圆来表示的话 , 由于孔隙水压力的存在使应力圆向左侧移动 , 即向强度包络线左方向平移 , 因此降低了岩石的极限应力 。( 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 ) 减小 强度降低无水有水图 1 单轴压缩试验时的部分试件图 4 间接拉伸试验时的部分试件图 2 试验前的部分试件图 石破坏后强度曲线( 1) 全应力 轴抗压强度试验是在材料试验机上完成的 , 通过对岩石试件连续施加轴向载荷 , 直到岩石试件的破坏 。根据破坏时达到的最大载荷 , 即可计算出岩石的单轴抗压强度 。但并没有降到零 , 而是具有一定的强度和承载能力 。 但怎样获得这个强度曲线呢 ?在通常的材料试验机条件下 , 在试件达到峰值强度前 , 试件的变形是逐步和缓慢的当达到峰值强度后 , 试件将发生突发性破坏 , 试件被崩裂 , 岩石碎块向四面飞射 , 并伴随很大的声响 , 试验突然停止 。这意味着岩石试件超过峰值强度后就完全破坏了 ,没有承载能力了 , 这与实际情况不符 。事实上 , 岩石超过峰值强度后 , 内部出现破裂 ,其承载能力下降 ,六 普通试验机上 , 常规的测试手段得不到应力 实际上 , 岩石在峰值强度后 , 内部出现了裂纹等 , 然具有承载力;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 )要解决这个问题还必须从实验装臵入手 , 改进试验系统 。原来传统普通的压缩实验中 , 得不到峰后强度 , 主要是试验机的刚度不够( 这类试验机叫 “ 软 ” 试验机 )应力  提高试验机的刚度 改变峰值后的加载方式 伺服控制试件的位移压缩实验系统受力图使在试验时有很大一部分能量以应变能形式储存在试验机的立柱和其它部件中 , 当试件的应力达到峰值后 , 其承载能力下降 , 此时 , 试验机中的应变能快速释放所造成的 。因此 , 在试验时 , 为了减少试验机中的弹性应变能 , 就必须增加其刚度 , 这样就产生了刚性试验机 。 怎样才能增加试验机的刚度呢 ?怎样才能增加试验机的刚度呢 ?( 1) 增加试验机上钢构件的截面积和减小其厚度;( 2) 增加液压柱的截面积 , 且减小其长度;( 3) 增大液压油的体积模量 。从上述增加试验机刚度的措施来看 , 要大大增加试验机的刚度 , 就会出现试验机造得非常庞大和笨重 。 但是为了实现岩石试件的稳定破坏 , 完成全程压缩试验 , 只靠提高试验机的刚度还不够 ,还必须在试验机中采用 液压伺服系统 。伺服系统可以根据试验时的反馈信号 ,自动调整对试件施加的载荷 , 控制岩石破坏时的变形速度 。但伺服系统反馈信号的反应 , 一般要远大于裂隙传播速度 , 才能有效控制岩石的变形速度 。试验机通过上述的改造后 , 在实验中应用时 , 就可以实现岩石的全程压缩试验 ,获得了岩石的全应力 ( 2) 全应力 石抗压强度的全应力 对于我们认识岩石的力学性质和变化规律具有重要意义 , 为我们研究岩石的特性提供了指导作用 。 其具体意义如下:① 全面显示了岩石在受压破坏过程中的应力 、 变形特征 , 以及破坏后的强度与力学性质的变化规律;② 预测岩爆的产生 。从图 2 全应力 为界 , 可分为左右两部分 。左半部分 积 A)代表达到峰值强度时累计在试件内部的应变能;右半部分 积 B)代表试件从破裂到破坏整个过程所消耗的能量。若 说明应变能在破坏过程中已完全消耗掉 , 因而不会产生岩爆 。③ 预测蠕变破坏 。蠕变终止线如图 2在试件加载到一定应力水平后 , 保持恒定应力 , 试件将发生蠕变 。在适当的应力水平下 , 蠕变发展到一定程度 , 蠕变就停止了 , 岩石就处于稳定状态 。蠕变终止轨迹:就是在不同的应力水平下蠕变的终止的连线 , 当应力水平在 岩石就不会发生蠕变 。当应力水平达到 保持应力恒定 , 则蠕变发展到 蠕变就停止了 。 应力水平在 蠕变发展到一定程度后 , 最终还是会和蠕变终止线相交 , 蠕变将会终止 , 岩石就不会破坏 ,此时的应力水平是该岩石产生最大蠕变的应力值 。应力水平在 恒 定 而 发 生 蠕变时 , 最 终 都 将 会导 致 岩 石 的 破 坏 ,应 力 水 平 越 高 , 从蠕 变 发 展 到 破 坏 的时间就越短 。④ 预测循环加载条件下岩石的破坏 。在岩土工程中经常会遇到循环加载的情况 , 如反复进行爆破作业就是对围岩施加的循环载荷 。在循环加载过程中 , 由于岩石的非线性 , 其加载和卸载路径不能重合 , 每次都会形成一个迟滞回路 , 留下一段永久变形 , 如此循环往复 , 当形变发展到一定程度与破坏后的曲线相交时 , 岩石就破坏了 。试样编号: 石名称:泥岩三轴压缩变形试验的应力 —— 应变曲线试样编号: 石名称:砂岩12=σ3=10轴向应变曲线13=15轴向应变曲线13=20轴向应变曲线1号样压缩曲线汇总1号样摩尔圆
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本文标题:2-2岩石力学性质-强度性质
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