第4讲 岩石的力学性质-强度性质.ppt

1 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 力学性质 变形性质 a 单向压缩变形b 反复加载变形c 三轴压缩变形 强度特性 单向抗压强度单向抗拉强度剪切强度三轴压缩 2 岩石的力学性质 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 P P P P 上次课内容 3 一岩石的单轴抗压强度 1 定义 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 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 A P P A 4 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单轴抗拉强度 Tensilestrength 直接试验间接试验 试验方法 间接试验 直接试验 5 三 岩石的抗剪强度 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 Shearstrength 所能抵抗的最大剪应力常用表示 非限制性剪切强度试验限制性剪切强度试验 试验方法 非限制性 限制性 6 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 Triaxialcompressivestrength 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 confinedcompressivestrength 试验 7 2 实验加载方式 a 真三轴加载 试件为立方体 如图所示 应力状态 1 2 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 b 假三轴试验 试件为圆柱体 试件直径25 150mm 长度与直径之比为2 1或3 1 轴向压力的加载方式与单轴压缩试验时相同 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 应力状态 1 2 3 8 3 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 9 4 第一个经典三轴试验a 试验者和时间 意大利人冯 卡门 Von Karman 于1911年完成的 b 试验岩石 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 c 试验发现 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 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 并伴随硬化现象 试件也变成粗腰桶形的 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 10 5 三轴试验与莫尔强度包络线a 三轴压缩试验的最重要的成果 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指标值 这一强度指标值以莫尔强度包络线 Mohr sstrengthenvelop 的形式给出 b 莫尔强度包络线的绘制 须对该岩石的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 曲线形 直线形 11 6 三轴试验岩石强度参数的确定a 直线型 轴的截距称为岩石的粘结力 或称内聚力 记为C MPa 与 轴的夹角称为岩石的内摩擦角 记为 度 b 曲线型 一种方法是将包络线和 轴的截距定为C 将包络线与 轴相交点的包络线外切线与 轴夹角定为内摩擦角 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 轴夹角为内摩擦角 外切线及其延长线与 轴相交之截距即为C 曲线型 直线型 12 用直线型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和 3是已知的 从下图可以看出 13 7 岩石三向压缩强度的影响因素 1 侧压力的影响围压越大 轴向压力越大 14 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 15 五 影响岩石强度的因素 1 岩石的组织结构 矿物类别 颗粒大小 分布状态 胶结物 2 岩石构造裂隙 延展规模 裂隙性质 壁面强度 充填物 3 试件尺寸 尺寸增大 强度降低 4 含水 含水量大 强度低 5 加载速率 速率增加 强度加大 变形不充分 6 受载状态 三等压 三不等 双压 单压 剪切 弯曲 拉伸 16 六 破坏后强度 在普通试验机上 常规的测试手段得不到应力 应变全过程曲线 实际上 岩石在峰值强度后 内部出现了裂纹等 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 17 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 18 全应力 应变曲线的特点 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 19 全应力应变曲线的功能 预测岩爆 面积代表试件内部的应变能若B A将可能产生岩爆 A B 20 全应力应变曲线的功能 预测蠕变破坏 21 全应力应变曲线的功能 预测循环加载条件下的岩石破坏 22 习题 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 23 2 3 2岩石的变形性质 岩石的变形有弹性变形 塑性变形和粘性变形三种 弹性 物体在受外力作用的瞬间即产生全部变形 而去除外力后又能立即恢复其原有形状和尺寸的性质 塑性 物体受力后变形 在外力去除后变形不能完全恢复 粘性 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 弹性 塑性 粘性 24 1 弹性 elasticity 线弹性体 其应力 应变呈直线关系 E 非线性弹性体 其应力 应变呈非直线的关系 f 25 2 塑性 plasticity 不能恢复的那部分变形称为塑性变形 或称永久变形 残余变形 在外力作用下只发生塑性变形的物体 称为理想塑性体 理想塑性体 当应力低于屈服极限时 材料没有变形 应力达到后 变形不断增大而应力不变 应力 应变曲线呈水平直线