第三章1岩石的强度.doc

第三章 岩石的强度一、 概 述1岩石强度岩石强度 是指岩石的破坏形式 以及岩石抵抗外力破坏的能力。大坝建在岩基上，岩基是否能承受外加的荷载呢？高边坡陡峻耸立，它会不会发生坍塌呢？在岩体内开挖地下洞室，围岩是否会破坏？所有这些都与岩石强度密切相关。主要问题就是外力多大时，以怎样的方式破坏。2. 岩石强度的基本特点岩石强度： 岩块强度 和 岩体强度。岩块强度是岩体强度的基础，结构面则是对完整岩块强度的削弱。因此，结构面的发育程度及产状和形态对岩体强度起重要影响作用。岩性坚硬未风化的岩体：岩块强度很高，而结构面的强度则很低，这时岩体的强度主要取决于结构面的强度及产状；岩性软弱的(风化、破碎)岩体：其岩块强度很低，结构面的作用就不显著，这时岩体的强度就决定于岩石的强度。有多条裂隙、并有地应力和渗流等作用时，岩体强度就产生较大变化。因此，岩体的强度就变得十分复杂。岩块强度与岩石性质的关系：完整岩块节理岩块（裂隙结构面上）结晶岩块碎屑岩（成因类型）结构致密非致密岩石（孔隙度）浅色矿物岩石深色矿物岩石（物质组成）细颗粒的结晶岩粗颗粒的结晶岩（岩石结构）3. 岩石的破坏形式岩石的破坏形式有以下几种：1).脆性破坏：在荷载作用下没有显著的变形就突然破坏。大多数坚硬岩石在一定条件下都表现出脆性破坏的性质。脆性破坏结果是产生裂缝，如，岩体的断层、裂隙等都属于脆性破坏。2).延性破坏：岩石在破裂之前的变形很大，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。塑性变形是岩石内结晶晶格错位的结果。在一些软弱岩石中，这种破坏较为明显。如洞底部及两侧围岩向洞内鼓胀。坚硬岩石在高温影响下，也能产生延性破坏。3).剪切破坏：由于岩层中存在裂隙、层理、软弱夹层等软弱结构面，岩体的整体性受到破坏。在荷载作用下，这些软弱结构面上的剪应力大于该面上的强度时，岩体就发生沿着弱面的剪切破坏。岩基和岩坡沿裂隙及软弱结构面滑动破坏均属此例，。岩石的破坏过程：岩石受压后，先产生X型微裂隙，其锐角指向压应力方向。随着应力加大，进一步发展成张裂或剪切。二、岩石的抗压强度1.定义岩石的抗压强度就是岩石试件在单轴压力下抵抗破坏的极限能力，或极限强度，它在数值上等于破坏时的最大压应力。(无围压而轴向加压力)2.测定岩石的抗压强度一般是在实验室内在压力机上进行加压试验测定的。压力机：为单轴或三轴刚性压力机。试件要求：圆柱形试件：直径D57cm，高度h(22.5)D立方柱试件：断面A55cm277cm2，高度h(22.5)规范要求：截面直径误差应0.3mm；两端面的不平行度0.05mm；加荷载率0.50.8MPa/秒。抗压强度：。 单轴抗压强度(MPa)；A试件的横截面面积(m2)。在岩石力学中，以压应力为正，拉应力为负，与材料力学中的规定相反，一般在岩体和结构分析中允许出现拉应力。最大300350Mpa 3、的影响因素不同岩石类型、不同结构、不同部位，其岩石抗压强度有较大差别。影响岩石抗压强度的因素较多，主要有：1） 矿物成分。结晶岩石中的石英矿物含量较多，其岩石强度就达；云母矿物越多，其岩石强度越低；浅色矿物多，强度大； 深色矿物多，强度低。沉积岩石中的碎屑颗粒成分，石英颗粒的强度大于长石颗粒(胶结物相同时)。2） 结晶程度和颗粒大小结晶岩石强度大于非结晶岩石；细粒结晶大于粗粒结晶强度。3） 胶结程度对沉积岩来说，胶结情况和胶结物对强度影响较大。硅质胶结石灰质(钙质) 泥质；同类沉积岩，地质年代早晚。4） 物理性质孔隙率大，强度低； 密度大，强度高。5） 风化作用风化对岩石强度影响大，岩石的风化程度越高，其强度越低。6） 水的作用水对岩石强度有显著的影响。水对岩石的软化作用对工程极为不利，特别是水利工程，水库蓄水后，水侵入岩石的孔隙和裂隙，削弱了岩石颗粒间的连接，使强度降低。用软化系数表示：。其中湿强度；干强度。7） 试件尺寸和形状对试验结果有影响。8） 加荷速率速率大，强度大。三、 岩石的抗拉强度1. 定义岩石抗拉强度：指岩石试件在单轴拉力作用下抵抗破坏的极限能力，或极限强度。它在数值上等于破坏时的最大拉应力。一般情况下，岩石的抗压强度是抗拉强度的410倍。2抗拉强度的测定方法1）直接抗拉试验在试验时，将试件的两端固定在拉力机上，然后对试样施加轴向拉力直至破坏，算出试样的抗拉强度。， 式中，Rt岩石单轴抗拉强度(MPa)；Pt试件破坏时的最大拉力(MN)；A试件中部的横截面积(m2)。这种方法用得不多，因为试件制备困难，不易与拉力机固定，而且在试件固定出附近往往有应力集中现象，同时页难免在试件两端面有弯曲力矩。2）间接抗拉试验由于对岩石直接进行抗拉试验比较困难，目前大多数进行各种各样的简介试验，再用理论公式算出抗拉强度。目前常用劈裂法(也称巴西试验法)测定抗拉强度。试件形状一般为圆柱体和立方体。试验时沿着圆柱体的直径方向施加集中荷载，试件受力后就会沿着受力方向的直径裂开。根据弹性力学原理，在垂直方向作用集中力P后，沿着垂直向直径产生几乎均匀的水平向的拉应力，这时应力的平均值为：水平向应力(MPa)；P作用荷载(MN)； D圆柱试件直径(m)； L圆柱试件长度(m)。在试件水平向直径平面内，产生最大的压应力为(在圆柱形中心处)：显然，而岩石的抗压强度可达10倍的抗拉强度，这说明岩石试件在这样的条件下，总是受拉破坏，因此，可用劈裂法来求岩石抗拉强度。将P取为岩石破坏时的最大荷载Pmax，则抗拉强度：如果试件为立方体时，则 其中，a立方体试样的边长(m)。此外，岩石抗拉强度还可以近似用抗压强度来间接求得，式中，Cm在410范围内变化，依据岩石类型而定。常见岩石的抗拉强度见书中的表31，最大为30MPa。四、 岩石的抗剪强度1、定义岩石的抗剪强度是岩石抵抗剪切破坏(滑动)的能力。由于大多数岩石的破坏都是剪切破坏，特别是沿弱面剪切破坏，因此，岩石抗剪强度是岩石力学中的最重要特征之一，许多问题却需要岩石抗剪强度的知识。岩石的抗剪强度是用凝聚力C和内摩擦角(或摩擦系数)来表征的，与土力学中的含义相同。岩石的抗剪强度一般都是抗剪断强度。从试验上，抗剪和抗剪断。从计算上，纯摩，C0，小；剪摩，C0，大。2、抗剪强度的测定确定岩石抗剪强度的方法有直接剪切试验、楔形剪切试验和三轴压缩试验，这些试验可在室内也可在现场进行。1） 直接剪切试验试件尺寸：有弱面时，15153030cm，且结构面上下厚度为断面的1/2；完整的岩块，551010cm，对形状规则的试件，可在试件四周切成凹槽，对不规则形状，可先浇注砂浆。方法：将试件水平放在剪切仪上，一般上匣固定，下匣水平移动，试验时，现在试件上施加垂直荷载P，然后在水平方向逐渐施加水平剪切力T，直至达到最大值Tmax发生破坏为止。剪切面上的正应力和剪应力按下式计算：， A试件剪切面积。逐渐施加水平剪切力，并观测上、下匣之间试件的相对位移以及垂直位移，可绘制和曲线。破坏过程分三个阶段：.弹性阶段，随增大，呈线性增加，当时，出现张裂缝(裂纹)。屈服强度。. 从时，裂缝发展直至达到剪切面完全破坏。此时的为抗剪强度。峰值强度。.达到后，剪切面的水平位移在增大，而则不断降低，直至。由于在剪切缝面形成后，剪切面很粗糙，上下面的滑动要克服粗糙面阻力。随着位移增加，粗糙面逐渐被磨圆滑，则从。达到后不再改变，成为纯剪摩状态。此时的为(纯剪强度)残余强度。对同一种试样，在不同的下进行多次试验，即可得到相应的抗剪强度，绘制曲线，在不大时(10MPa)，为一直线，则有：此式即为库伦公式，凝聚力(MPa)；内摩擦角；摩擦系数。如将残余强度与作直线，可得纯摩强度曲线，。2）楔形剪切试验试样：10105cm303030cm方法用楔形剪切仪，将试样倾斜放在剪切仪上。在上部加压力p，直至发生破坏。按力的平衡条件：压板匣滚珠的摩擦系数；压力机施加的总垂直力（KN）；剪切面与水平面的夹角；N试件剪切面上的法向总应力（KN）；作用在试件剪切面上的切向总剪力（KN）；将上两式除以剪切面积，可得到剪切面的正应力和剪切力： A面积（cm2） 破坏时的剪切力。改变，进行多个试验，可得一组和值，绘制曲线，为一曲线，当10MPa时接近一直线，由此求出和值。3） 三轴压缩试验三轴压缩试验采用压力机进行。在岩体工程中，岩体一般处在三向应力状态下，引用单向受力条件的岩石试验来研究岩石变形、强度特征是不够的，必须用三轴试验研究岩石在三相受力条件下的变形及破坏规律。按应力的组合方式，三轴试验可分为两种： 完整岩块的三轴应力试验试件为圆柱体或正方体。在进行三轴试验时，将试件施加侧压力（），然后逐渐增加垂直压力，直至破坏，得到破坏时的大主应力，从而得到一个破坏时的应力圆。对于完整岩块，破坏时产生的破裂面与成45-。采用同样的岩块，改变侧压力，进行多个试验，可得到与相对应的，绘制莫尔圆，得到莫尔圆包线，即为岩石的抗剪强度曲线（近似看作直线），由此可求得和。在图320上给出了角闪岩的三轴试验成果。也象单轴压缩试验一样，三轴试验试验的破裂面与大主应力，方向间的夹角为45。j2。 有一条裂隙或数条细微裂隙的岩块三轴压力试验而是可能沿着潜在破坏面细微裂隙面定向剪切。这时也可用三轴试验来测定该面上的强度曲线。图321(M)表示无细微裂隙的岩石三钠试验强度包络线。团321(b)表示同类岩石但有细微裂隙面(潜在破坏面，与水平面成q角)的试验情况。由于有裂隙存在，将沿裂隙面产生定向剪切。对每一组、作莫尔圆的包线，可求得和。该值代表裂隙的抗剪强度。当包线通过原点时，0，即纯剪强度。由于岩石中有裂隙和节理等软弱面，它的强度就表现出明显的各向异性。对比完整、非完整(有裂隙)岩块的试验结果。显然，对同类型岩石，有裂隙面的岩石抗剪强度低于完整岩块的抗剪强度。4）现场试验 直剪试验、 三轴实验前面讨论的抗剪强度试验，都是用小块试件进行的。这些试验对于认识岩石的强度无疑是有益的。但是小块试件难于反映现场天然岩石的某些地质缺陷，如裂隙、节理、层理等。致使试验结果与现场岩石有一定出入。为了克服这一缺点，可以进行现场强度试验，即岩体强度试验，但应指出，目前的现场强度试验成果，由于受到试验条件、设备、方法等的种种限制，要达到全面而真实地反映岩体的实际工作情况，仍有一定的困难。下面介绍两种现场强度试验，岩体的直接剪切试验和三轴强度试验。(一) 现场直接剪切试验采用的试验方法是双千斤顶法。试体的尺寸一股根据裂隙的间距来决定。“规程”规定，其底部的受剪面积不得小于2500 cm2，最小边长不宜小于50cm，高度不应小于最小边长的一半。根据试验的结果，可以绘制出剪应力与水平位移的关系曲线(图325)根据该曲线可以求出在该压力下试体的峰值强度和剩余强度。对多个相同试体分别在不同垂直压力作用下重复试验，即可获得不同压力下的多个峰值强度和残余强度。亦象室内直接剪切试验一样整理资料。为安全起见，不宜采用峰值强度，根据有些单位的经验，可以取用峰值强度的0.8-0.85。在327上给出了现场直接剪切试验时试体垂直变形曲线。测点的布置见图的上部，在试体上面前缘(三角形)、后缘(园圈)