岩石的强度特性

第二节岩石的强度特性 工程师对材料提出两个问题1最大承载力 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 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 一岩石的单轴抗压强度 1 定义 指岩石试件在无侧限的条件下 受轴向压力作用破坏时单位面积上承受的荷载 式中 P 无侧限的条件下的轴向破坏荷载A 试件界面积 2 试件方法 圆柱形试件 4 8 5 2cm 高H 2 2 5 长方体试件 边长L 4 8 5 2cm 高H 2 2 5 L试件两端不平度0 5mm 尺寸误差 0 3mm 两端面垂直于轴线 0 25o 1 试件标准 3 单向压缩试件的破坏形态 破坏形态有两类 1 圆锥形破坏原因 压板两端存在摩擦力 箍作用 又称端部效应 在工程中也会出现 2 柱状劈裂破坏张拉破坏 岩石的抗拉强度远小于抗压强度 是岩石单向压缩破坏的真实反映 消除了端部效应 消除试件端部约束的方法润滑试件端部 如垫云母片 涂黄油在端部 加长试件 破坏形态是表现破坏机理的重要特征 其主要影响因素 应力状态 试验条件 4 影响单轴抗压强度的主要因素 1 承压板端部的摩擦力及其刚度 加垫块的依据 2 试件的形状和尺寸形状 圆形试件不易产生应力集中 好加工尺寸 大于矿物颗粒的10倍 50的依据高径比 研究表明 h d 2 3 较合理 3 加载速度加载速度越大 表现强度越高 见图2 5 我国规定加载速度为0 5 1 0MPa s 4 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 见表2 2温度度 180 以下部明显 大于180 湿度越高强度越小 二岩石的抗拉强度 1 定义 岩石试件在受到轴向拉应力后其试件发生破坏时的单位面积上所受的拉力 由于试件不易加工 除研究直接的拉伸的夹具外 研究了大量的间接试验方法 2 直接拉伸法抗拉强度 关键技术 试件和夹具之间的连接 加力P与试件同心 3 间接方法 岩石是各向同性的线弹性材料 满足平面假设的对称面内弯曲 适用条件 1 抗弯法 梁的三点弯曲试验 抗拉强度 三点弯曲梁内的最大拉应力 梁发生破坏时的就是 M 作用在试件上的最大弯矩 C 梁边缘到中性轴的距离 I 梁截面绕中性轴的惯性矩 2 劈裂法 巴西法 对称径向压裂法由巴西人Hondros提出 要求 荷载沿轴向均匀分布 破坏面必须通过试件的直径 注 端部效应 并非完全单向应力 试件 实心圆柱 50mm 25mm试验 径向压缩破坏 张开 计算公式 由弹性力学Boursinesq公式 式中 试验中心的最大拉应力 即 p 试验中破坏时的压力D 试件的直径t 试件的厚度 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5cm 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 计算 式中 P 试件破坏时的极限D 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 5cm的钻孔岩芯为试件 三岩石的抗剪强度 1 定义指一定的应力条件下 主要指压应力 所能抵抗的最大剪应力常用表示2 类型 a 抗剪断试验b 抗切断试验c 弱面抗剪试验 3 室内试验 抗切断试验 试验楔形剪切仪 加载装置 计算公式 式中 p 压力机的总压力 试件倾角f 圆柱形滚子与上下压板的摩擦系数 抗剪断仪 Q Q N N P fP 剪切破坏面上的正应力 和剪应力 为 岩石的抗剪断 曲线 强度曲线 改变夹具倾角 在30度到70度之间做一组 大于5次 不同 的试验 记录所得的 值 由该组值作曲线近似直线得方程 式中tan 岩石抗剪切内摩擦系数c 岩石的粘结力 内聚力 岩石在三向压缩应力作用下的强度 1 定义指在不同三向压缩应力作用下岩石抵抗外荷载的最大应力 2 三向压缩试验简介 1 真三轴见图 2 假三轴见图00 3 三轴压缩试验的破坏类型 4 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 2 加载途径对岩石三向压缩强度影响