东北大学岩石力学讲义第二章 岩石破坏机制及强度理论.doc

第二章 岩石破坏机制及强度理论第一节 岩石破坏的现象在不同的应力状态下，岩石的破坏机制不同，常见的岩石破坏形式有以下几种一、拉破坏：岩石试件单向抗压的纵向裂纹，矿柱，采面片帮。特点出现与最大应力方向平行的裂隙。(a)(b)二、剪切破坏：岩石试件单向抗压的X形破坏。从应力分析可知，单向压缩下某一剪切面上的切向应力达到最大引起的破坏。三、重剪破坏：即沿原有的结构面的滑动、重剪破坏主要的机制：岩体受剪切作用或者受拉应力的作用、三向受压情况下多数为剪切应力的作用，侧向压力较小时可能是拉神破坏，实际工程中可能是不同机制的组合，但侧向应力较大时，可以认为剪切应力是岩石重剪破坏的主要破坏机制。从岩石破坏的现象看，从小到几厘米的岩块到大的工程岩体，破坏形式雷同，并可归纳为两种，拉断与剪坏，因此有一定的规律可寻。对岩石破坏的研究：在单向条件下可以从实验得到破坏的经验关系。但是三向受力条件下，不同应力的组合有无穷多种，因此无法仅仅依靠实验得到破坏的经验关系，因此在一般应力状态，对岩石破坏的研究需要结合理论分析和试验研究两个方面。现代关于岩石破坏的理论分析一般归结为、寻求破坏时的主应力之间的关系研究的方法有：理论分析；2、试验研究；3、理论研究结合试验研究。第二节 岩石拉伸破坏的强度条件一、最大线应变理论该理论的主要观点是，岩石中某个面上的拉应变达到临界值时破坏，而与所处的应力状态无关。强度条件为 (2-1)拉应变的极限值，拉应变。若岩石在破坏之前可看作是弹性体，在受压条件下123下， 是最小主应力。按弹性力学有，即。若0，因此产生拉应变的条件是，若=0。因此只有时，(2-15)式才成立。这样证明了不能令(2-15)式中的纵向应力=0，因此不是岩样的拉应力。不等式也给出了库仑莫尔准则的适用范围。将(2-15)式改写为 (2-21)在图上，(2-21)式是一条直线，斜率。当时，；当时，。上图表明库仑莫尔准则的有效范围为线段AP。图2-15库仑莫尔准则不仅适合与土，还适合于完整岩石，它合理地给出了剪切破坏所需要的应力和剪切破坏方向。为了能得出发生剪切破坏时应力的大小，利用(2-18b)式给出发生时的应力状态，与岩石的抗拉、抗压强度的关系。从(2-18b)式 (2-22)单向压缩时， ，则(2-22)式变为 (2-22)单向拉伸时， 。从(2-22)式得出 (2-23) (2-24) 在上述两种情况下，有，；和，。合并两式得到 (2-25a)和 (2-25b)这些关系已在实践中得到证实。库仑莫尔准则小结1、库仑莫尔准则中包含的物理量、意义及相互关系粘结力C（也被称为内聚力或固有剪切强度）；摩擦角系数f （f = tan）；摩擦角；破断角；单轴抗压强度;系数N。破断角与摩擦角之间的关系粘结力、摩擦角和单轴抗压强度之间的关系系数N与摩擦角之间的关系2、库仑莫尔准则的几种形式(1)、，(原理形式，在剪切面已知条件下才适用，实际使用不方便)；(2)、，(方便使用，但不常使用)；(3)、 (以破断角和单轴抗压强度表示的准则，有时使用)；(4)、 (以，和表示的准则，最方便使用)第四节、对强度理论的评价目前使用的有关岩石的各种强度理论和强度准则都有一定的局限性，因而有一定的使用范围1、莫尔理论较适合于松散材料，也适合于完整岩石，裂隙岩体的强度和破裂面的方向与该理论预计的有较大差别；不能充分解释拉伸破坏；将剪断和滑移两个相继的过程结作为一个过程处理。对库仑莫尔准则理论的评价：1、可以解释岩石在三向等压时不破坏的现象（在右半区敞开）； 2、可以解释岩石在三向受拉可以破坏的现象（在左半区封闭）；3、可以解释岩石抗拉强度小于抗压强度的现象；4、不能充分解释拉伸破坏。库仑莫尔准则较全面地反映了岩石的强度特点，不仅适用于塑性材料，也适用于脆性材料的剪切破坏；由于岩石大多是剪切破坏，故适用性较广、简单实用。库仑莫尔准则不能说明强度的非线性变化，因此比较较粗糙；2、最大线应变理论最大线应变理论与破坏的物理过程想抵触，因为张破裂势必涉及到局部拉应力集中，并不一定在最小主应力方向上发生。3、格里菲斯理论可以说明裂隙开始时的情况。但对岩石这样的非均匀材料，裂隙开始时的应力要低于破坏时的应力，而且两者之间的关系复杂，因此还不能用来说明岩石的拉伸