岩石强度理论.ppt

1 岩石力学与工程 ROCKMECHANICSANDENGINEERING 岩石强度理论 STRENGTHTHEORYOFROCK 2 2 2强度理论 主要内容 1强度理论概述2Coulomb强度准则3Mohr强度理论4Griffith强度理论 3 2 2岩石强度理论2 2 1概述强度理论 关于材料破坏原因和条件的假说 基本思想 确认材料失效的力学原因 提出破坏条件假说 用简单受力情况下的破坏实验指标 建立复杂应力状态下的弹性失效准则 岩石破坏类型 断裂破坏 单轴拉断 劈裂 由拉应力引起 剪切破坏 塑性流动 剪断 由剪应力引起 4 古典强度理论与岩石强度表现不符 最大拉应力理论没有考虑 2和 3的影响 最大伸长线应变理论虽考虑 2和 3的影响 但多向拉比单向拉安全 与事实矛盾 5 最大剪应力理论与岩石试验结果不符 1 3 a 最大剪应力理论破坏面与 1的夹角为45 而岩石破坏面与 1的夹角为45 2 b 最大剪应力理论破坏面上剪应力最大 而岩石破坏面上剪应力不是最大 6 歪形能理论只与 1 2和 3三者之间的差的绝对值有关 而与应力大小无关 这与岩石破坏现象不符 7 2 2 2库仑准则 1773年 观点 岩石破坏为剪切破坏 岩石抗能力由两部分组成 内聚力 内摩擦力 强度准则形式 直线型 8 2 9 10 强度准则 剪切式 三向应力式 单向应力式 11 应用 判断岩石在某一应力状态下是否破坏 用应力圆 预测破坏面的方向 与最大主平面成 X型节理锐角平分线方向为最大主应力方向 进行岩石强度计算 评价 是最简单的强度准则 是莫尔强度理论的一个特例 不仅适用于岩石压剪破坏 也适用于结构面压剪破坏 不适用于受拉破坏 12 2 2 3莫尔强度理论 1900 理论要点 岩石的剪切破坏由剪应力引起 但不是发生在最大剪应力作用面上 剪切强度取决于剪切面上的正应力和岩石的性质 是剪切面上正应力的函数 剪切强度与剪切面上正应力的函数形式有多种 直线型 二次抛物线型 双曲线型 等等 是一系列极限莫尔圆的包络线 它由试验拟合获得 剪切强度是关于 轴对称的曲线 破坏面成对成簇出现 莫尔圆与强度曲线相切或相割研究点破坏 否则不破坏 不考虑 2的影响 13 莫尔理论建立与古典理论区别 不致力于寻找材料失效的共同力学原因 尽可能多地占有不同应力状态下材料失效的试验资料 极限应力状态 用宏观唯象的处理方法建立失效条件 14 莫尔强度曲线绘制 由单拉 单压 三压强度实验得到 特点 曲线左侧闭合 向由侧开放 耐压 不耐拉 曲线的斜率各处不同 内摩擦角 似内聚力变化 与所受应力有关 曲线对称于正应力轴 破坏面成对出现 形成X型节理 不同岩石其强度曲线不同 不同岩石具有不同的强度性 15 莫尔包络线的三种形式 不同岩石具有不同的强度性质 其强度曲线可分为三个类型 a 直线型 与库仑准则相同 可进行强度计算 单直线型 双直线型 16 b 二次抛物线型 表达式 式中 单向抗拉强度 待定系数由图 N点坐标及NM半径为 17 强度表达式 主 剪应力表达式 主应力表达式 n系数 确定n系数的方法 18 c 双曲线型 表达式 强度条件 式中 1 为包络线渐进线夹角 19 对莫尔强度理论的评价 优点 适用于塑性岩石 也适用于脆性岩石的剪切破坏 较好解释了岩石抗拉强度远远低于抗压强度特征 解释了三向等拉时破坏 三向等压时不破坏现象 简单 方便 同时考虑拉 压 剪 可判断破坏方向 不足 忽视了 2的作用 误差 10 没有考虑结构面的影响 不适用于拉断破坏 不适用于膨胀 蠕变破坏 20 2 2 4格里菲斯强度理论 1920 1921 1 基本假设 观点 物体内随机分布许多裂隙 所有裂隙都张开 贯通 独立 裂隙断面呈扁平椭圆状态 在任何应力状态下 裂隙尖端产生拉应力集中 导致裂隙沿某个有利方向进一步扩展 最终在本质上都是拉应力引起岩石破坏 21 2 两个关键点 最容易破坏的裂隙方向 最大应力集中点 危险点 在压应力条件下裂隙开列及扩展方向 带椭圆孔薄板的孔边应力集中问题 22 数学式 Griffith准则几何表示 Griffith准则图解 最有利破裂的方向角 3 Griffth 张拉 准则 a 在坐标下由此区可见 当时 即压拉强度比为8 23 b 在坐标下 设 应力圆圆心 应力圆半径又设 则Griffith强度准则第二式写成应力圆方程 1 代入 2 得 24 3 式是满足强度判据的极限莫尔应力圆的表达式 3 式对求导得把 4 式带入 3 得在坐标下的准则与库仑准则相似 抛物线型 25 Griffith强度曲线 在坐标下 26 Griffith强度曲线 在坐标下 Griffth准则图解 27 Grriffith强度准则评价 优点 岩石抗压强度为抗拉强度的8倍 反映了岩石的真实情况 证明了岩石在任何应力状态下都是由于拉伸引起破坏 指出微裂隙延展方向最