第1讲概述、岩石的破坏形式及强度试验.ppt

1、第三章岩石的强度,第三章岩石的强度,3.1 工程中岩石的强度与稳定性问题 3.2 岩石的破坏形式 3.3岩石单轴抗压强度 3.4岩石的抗拉强度 3.5岩石的抗剪强度 3.6岩石的破坏准则 3.7岩体强度分析,岩土结构物或地基,岩石,渗透问题 变形问题 强度问题,渗透特性 变形特性 强度特性,3.1 工程中岩石的强度与稳定性问题,广义上：岩石包括岩块和岩体,一、岩石的工程特性,（1）岩基稳定性问题（2）边坡的稳定性问题（3）地下洞室围岩的稳定性问题,均与岩石的强度有关,（1）完整岩块的强度（2）岩体的强度岩块强度结构面的强度,二、与岩石的强度有关的工程问题,三、岩石强度的基本概念,（1）岩石的强

2、度：用于表示岩石抵抗破坏能力大小的一个力学参数。它等于单位面积上岩石能承受的最大荷载。 （2）峰值强度：岩石在临近破坏时具有的最大承载能力。 （3）残余强度：岩石破坏后仍具有的承载能力。,（4）长期强度：岩石在长期荷载作用下的强度，即稳定蠕变与不稳定蠕变的分界点。 （5）抗压强度：抵抗压缩破坏的能力。 （6）抗剪强度：抵抗剪切破坏的能力。 （7）抗拉强度：抵抗拉伸破坏的能力。,3.2岩石的破坏形式,1、脆性破坏：岩石在变形较小（3%）时，几乎就由弹性变形直接发展为急剧、迅速的破坏，坚硬岩石大都表现为脆性破坏。 2、延性破坏：岩石在破坏前的变形很大（5%），且没有明显的破坏荷载，表现出显著的塑性

3、变形。、流动或挤出。 3、弱面剪切破坏：岩石中仍有可能存在弱面，弱面大大地削弱了岩石的整体性，在荷载作用下，岩石沿弱面产生剪切破坏。,3.3岩石的单轴抗压强度,3. 3.1 定义及试验 3.3.2 岩石单向压缩试件的破坏形态 3.3.3影响单轴抗压强度的主要因素,3.3.1 定义与试验,一、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试件横断面面积,单位： MPa,二、试件标准：,圆柱形试件：直径D5cm或7cm ，高H=（22.5)D 长方体试件：边长L= 5cm或7cm, 高H=（22.5)L,三、加荷速率：0.5-0

4、.8MPa/s,3.3.2 单向压缩试件的破坏形态,（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。,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。,（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）。,岩石在单向压缩情况下的破坏,3.3.3影响单轴抗压强度的主要因素,两个因素：岩石本身和试验方法,（一）岩石本身的因素,1、矿物成分：不同矿物组成的岩石，具有不同的抗压强度,2、结晶程度和颗粒大小：结晶岩石非结晶岩石；细粒结晶岩石粗粒结晶的。,3、胶结情况：如：硅质胶结

5、石灰质胶结泥质胶结,4、生成条件：如(同一种岩石) ：深部的岩石地表的岩石,5、风化作用：如(同一种岩石) ：未风化中风化强风化,6、密度：如(同一种岩石) ：密度大的密度小的,7、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23倍，见下表：,含水量的影响,（3）加载速度 加载速度越大，表现强度越高(如图示) 规范：加载速度为0.50.8MPa/s。,（二）试验方法上的因素,（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,( D50mm的依据) 高径比：研究表

6、明；h/d(23)较合理。,3.4岩石的抗拉强度,3. 4.1 定义 3.4.2 直接抗拉试验 3.3.3间接抗拉试验,3.4.1 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。,岩石的抗拉强度很小，一般只有抗压强度的1/101/50。,3.4.2 直接拉伸试验,（MPa）,（一）劈裂法（巴西法）： 对称径向压裂法由巴西人提出,试件：实心圆柱直径D=50mm；长度l=25mm,3.4.3 间接方法：劈裂法和点荷载试验法,试件：若为立方体试件则：,试件与破坏图：,（二）点荷载试验法,是上世纪发展起来

7、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。,计算公式：,式中：P试件破坏时的极限值 D 加载点试件的厚度,经验公式：,要求:（由于离散性大），每组15个，取均值，即,建议：用D5cm的钻孔岩芯为试件。,3.5岩石的抗剪强度,3. 5.1 抗剪强度的意义 3.5.2 直接剪切试验 3.5.3楔形剪试验 3.5.4 三轴压缩试验,3.5.1岩石抗剪强度的意义,指一定的应力条件下（主要指压应力），所能抵抗剪切破坏的能力。它是岩石力学中重要指标之一，常以内聚力c和内摩擦角这两个抗剪参数表示。,一、定义,二、岩石剪切强度的

8、三种类型,三、工程中岩石破坏的某些类型,四、工程意义： 抗剪强度是岩石力学研究和岩土工程中的重要的特性参数。岩土体的稳定性计算中必不可少。,3.5.2 直间剪切试验,在直接剪切仪进行。与土的直接剪切仪相类似，如图示：,剪切面上的正应力和剪应力按下列公式计算：,A试样的剪切面面积,剪切时记录剪切位移h与垂直位移v，可得到的曲线如图。图中max为在正应力作用下岩石的抗剪强度f ，,库仑强度公式：,用相同的试样、不同的进行多次试验即可求出不同下的抗剪强度f,绘成关系曲线 f，如图示：,岩石的内摩擦角,c岩石的内聚力,直接剪切试验的优缺点：,优点： 设备简单方便，不需要特殊设备,缺点：1、试件尺寸较小

9、，不易反映岩石中的裂缝、层理等弱面情况； 2、剪切面人为确定；且剪面上的应力分布不均匀,试验：楔形剪切仪，加载装置,3.5.3 楔形剪切试验,根据平衡条件，可以列出下列方程式：,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,则剪切破坏面上的正应力和剪应力为：,（1）改变夹具倾角；在30度到70度之间， （2）做一组（大于5次）不同的试验，记录所得的 ，值；作曲线近直线方程：,3.5.4 三轴压缩试验,1、 三向压缩试验简介 （1） 真三轴 见图 （2） 假三轴 见图,假三轴试验装置图,真三轴试验装置图,2、 假三轴试验,（1）压力室示意图：,方法： 首先试样施加静水压力室压（围压） 1=2=3 ；然后通过活塞杆施加的是应力差1= 1-3 。,（2）、试样应力特点与试验方法,特点： 试样是轴对称应力状态。垂直应力z一般是大主应力；径向与切向应力总是相等r=，亦即1=z； 2=3=r,强度包线,(1-)f,c,(1-)f,绘制三个破坏状态的应力莫尔圆，画出它们的公切线强度包线，得到强度指标 c 与