巖石力學性質巖石強度分析

1、巖石力學性質巖石強度分析 1.4 1.4 巖石的力學性質巖石的力學性質 巖石力學性質巖石強度分析 巖石的強度：巖石抵抗外力作用的能力，巖石破壞時能夠 承受的最大應力。 a. a.單向抗壓強度單向抗壓強度 b. b.單向抗拉強度單向抗拉強度 c. c.剪切強度剪切強度 d. d.三軸抗壓強度三軸抗壓強度 巖石的變形：巖石在外力作用下發(fā)生形態(tài)（形狀、體積） 變化。 a. a.單向壓縮變形單向壓縮變形 b. b.反復加載變形反復加載變形 c. c.三軸壓縮變形三軸壓縮變形 d. d.剪切變形剪切變形 巖石力學性質巖石強度分析 l巖石強度與外力有關 la.外力性質：動載荷、靜載荷 lb.外力方式：拉伸

2、、壓縮、剪切 lC.應力狀態(tài)：單向、雙向、三向 固有性質：凡是不受試件的形狀、尺寸、 采集地、采集人等影響而保持不變的特 征 巖石力學性質巖石強度分析 l1.1 巖石單軸抗壓強度 l1）定義：巖石在單軸壓縮荷載作用下達到破壞前所巖石在單軸壓縮荷載作用下達到破壞前所 能承受的最大壓應力稱為巖石的單軸抗壓強度能承受的最大壓應力稱為巖石的單軸抗壓強度 (Uniaxial compressive strength)，或稱為非限制性抗壓 強度(unconfined compressive strength)。如圖所示。 l2）計算公式： l c=P/A 巖石力學性質巖石強度分析 l4)實驗方法 la.

3、a.試件標準試件標準 l立方體505050mm或 707070mm l圓柱體，但使用最廣泛的是圓柱體。圓柱體直徑D一 般不小于50mm。 L/D=2.53.0（國際巖石力學委員 會ISRM建議的 尺寸） l要求：兩端不平度0.5mm；尺寸誤差0.3mm；兩端 面垂直于軸線誤差0.25度。 l加載速率：0.50.8Pa/s 巖石力學性質巖石強度分析 lc. c.壓縮實驗設備示意圖壓縮實驗設備示意圖(500t(500t壓力機壓力機) ) 巖石力學性質巖石強度分析 3）4種破壞形式： 1.X狀共軛斜面剪切破壞，是最常見的破壞形式。 2.單斜面剪切破壞，這種破壞也是剪切破壞。 3.塑性流動變形，線應變

4、10。 4.拉伸破壞，在軸向壓應力作用下，在橫向將產(chǎn)生 拉應力。這是泊松效應的結果。這種類型的破壞就 是橫向拉應力超過巖石抗拉極限所引起的。 巖石力學性質巖石強度分析 ld. d. 端部效應及其消除方法端部效應及其消除方法 l端部效應端部效應: : l消除方法消除方法: : l 潤滑試件端部（如墊云母片；涂黃油在端部） 加長試件 巖石力學性質巖石強度分析 lb. b.非標準試件的對試驗結果的影響及其修正非標準試件的對試驗結果的影響及其修正 巖石力學性質巖石強度分析 巖石種類單向抗壓強度單向抗拉強度抗剪強度 砂巖類 細砂巖103.91435.517.617.453.4 中砂巖85.7133.36

5、1413.336.5 粗砂巖56.8123.55.411.612.430.4 粉砂巖36.354.91.32.46.8611.5 礫巖類 砂礫巖6.9121.52.89.7728.8 礫 巖80.494411.766.626.4 頁巖類 砂質頁巖39.290.23.911.820.629.9 頁 巖18.639.22.75.415.623.3 灰?guī)r類石灰?guī)r52.9157.87.713.89.830.4 煤4.94924.91.0816.2 巖石力學性質巖石強度分析 巖石力學性質巖石強度分析 1.21.2巖石單軸抗拉強度巖石單軸抗拉強度 l1 1）定義：巖石在單軸拉伸荷載作用下達到破）定義：巖石

6、在單軸拉伸荷載作用下達到破 壞時所能承受的最大拉應力壞時所能承受的最大拉應力稱為巖石的單軸抗 拉強度(Tensile strength) ,。 l試件在拉伸荷載作用下的破壞通常是沿其橫截 面的斷裂破壞，巖石的拉伸破壞試驗分直接試 驗和間接試驗兩類。 巖石力學性質巖石強度分析 l2) 2)直接拉伸試驗加載和試件示意圖直接拉伸試驗加載和試件示意圖 巖石力學性質巖石強度分析 l計算公式：計算公式：破壞時的最大 l軸向拉伸荷載(Pt)除以試件 l的橫截面積(A)。即： l t=Pt/A 巖石力學性質巖石強度分析 l2) 2)直接拉伸試驗加載和試件示意圖（續(xù)）直接拉伸試驗加載和試件示意圖（續(xù)） 巖石力學

7、性質巖石強度分析 l3) 3)間接拉伸試驗加載和試件示意圖間接拉伸試驗加載和試件示意圖 l巴西試驗法（巴西試驗法（Brazilian testBrazilian test），俗稱劈裂試驗法。），俗稱劈裂試驗法。 la. a.試件試件: :為一巖石圓盤，加載方式如圖所示。實際上荷 載是沿著一條弧線加上去的，但孤高不能超過圓盤直 徑的1/20。 巖石力學性質巖石強度分析 lb. b.應力分布：應力分布：圓盤在壓應力的作用下，沿圓盤直徑y(tǒng)y的應力分布 和xx方向均為壓應力。而離開邊緣后，沿yy方向仍為壓應力， 但應力值比邊緣處顯著減少。并趨于均勻化；xx方向變成拉應 力。并在沿yy的很長一段距離上呈

8、均勻分布狀態(tài)。 lc. c.破壞原因：破壞原因：從圖可以看出，雖然拉應力的值比壓應力值低很多， 但由于巖石的抗拉強度很低，所以試件還是由于x方向的拉應力而 導致試件沿直徑的劈裂破壞。破壞是從直徑中心開始，然后向兩 端發(fā)展，反映了巖石的抗拉強度比抗壓強度要低得多的事實。 巖石力學性質巖石強度分析 ld. d.計算公式：計算公式： l t=x=-2P/ dt l y=(1/r1+1/r2-1/d)2P/ t l圓盤中心處： l t=x=-2P/ dt l y=6P/ d dt 巖石力學性質巖石強度分析 巖石種類單向抗壓強度單向抗拉強度抗剪強度 砂巖類 細砂巖103.91435.517.617.45

9、3.4 中砂巖85.7133.361413.336.5 粗砂巖56.8123.55.411.612.430.4 粉砂巖36.354.91.32.46.8611.5 礫巖類 砂礫巖6.9121.52.89.7728.8 礫 巖80.494411.766.626.4 頁巖類 砂質頁巖39.290.23.911.820.629.9 頁 巖18.639.22.75.415.623.3 灰?guī)r類石灰?guī)r52.9157.87.713.89.830.4 煤4.94924.91.0816.2 巖石力學性質巖石強度分析 1.31.3抗剪切強度 l1) 1)定義定義：巖石在剪切荷載作用下達到破壞前所能承受 的最大剪應

10、力稱為巖石的抗剪切強度（Shear strength）。 l剪切強度試驗分為非限制性剪切強度試驗 （Unconfined shear strength test）和限制性剪切強度試 驗（Confined shear strength test）二類。 l非限制性剪切試驗在剪切面上只有剪應力存在，沒有 正應力存在；限制性剪切試驗在剪切面上除了存在剪 應力外，還存在正應力。 巖石力學性質巖石強度分析 l2）四種典型的非限制性剪切強度試驗：a.單 面剪切試驗， b.沖擊剪切試驗, c.雙面剪切試 驗，d.扭轉剪切試驗，分別見圖。 巖石力學性質巖石強度分析 l3 3）非限制性剪切強度記為）非限制性剪切

11、強度記為S So o計算公式：計算公式： l（a）單面剪切試驗 So=Fc/A l（b）沖擊剪切試驗 So=Fc/2 ra l（c）雙面剪切試驗 So=Fc/2A l（d）扭轉剪切試驗 So=16M c /D3 式中：Mc試件被剪斷前達到的最大扭矩 （Nm） l D試件直徑（m） 巖石力學性質巖石強度分析 l4 4）四種典型的限制性剪切強度試驗）四種典型的限制性剪切強度試驗 la.直剪儀（剪切盒）壓剪試驗（單面剪） lb.立方體試件單面剪試驗 lc.試件端部受壓雙面剪試驗 ld.角模壓剪試驗（變角剪切試驗） 巖石力學性質巖石強度分析 l5) Hoek5) Hoek直剪儀試驗裝置直剪儀試驗裝置

12、巖石力學性質巖石強度分析 l6 6）角模壓剪試驗及受力分析示意圖）角模壓剪試驗及受力分析示意圖 l在壓力P的作用下，剪切面上可分解為沿剪切面的剪 力Psin/A和垂直剪切面的正應力Pcos/A，如圖所示。 巖石力學性質巖石強度分析 巖石力學性質巖石強度分析 l7 7）限制性剪切強度試驗結果及其分析限制性剪切強度試驗結果及其分析 l試驗結果：試驗結果：剪切面上正應力越大，試件被剪破壞前所能承受的 剪應力也越大。 l原因：剪切破壞一要克服內聚力，二要克服摩擦力，正應力越大， 摩擦力也越大。 l將破壞時的剪應力和正應力標注到-應力平面上就是一個點，不 同的正、剪應力組合就是不同的點。將所有點連接起來

13、就獲得了 莫爾強度包絡線，如圖所示。 巖石力學性質巖石強度分析 l殘余強度：殘余強度：當剪切面上的剪應力超過了峰值剪切強度后，剪切 破壞發(fā)生，然后在較小的剪切力作用下就可使巖石沿剪切面滑動。 能使破壞面保持滑動所需的較小剪應力就是破壞面的殘余強度。 l正應力越大，殘余強度越高，如圖所示。所以只要有正應力存在， 巖石剪切破壞面仍具有抗剪切的能力。 巖石力學性質巖石強度分析 巖石種類單向抗壓強度單向抗拉強度抗剪強度 砂巖類 細砂巖103.91435.517.617.453.4 中砂巖85.7133.361413.336.5 粗砂巖56.8123.55.411.612.430.4 粉砂巖36.354

14、.91.32.46.8611.5 礫巖類 砂礫巖6.9121.52.89.7728.8 礫 巖80.494411.766.626.4 頁巖類 砂質頁巖39.290.23.911.820.629.9 頁 巖18.639.22.75.415.623.3 灰?guī)r類石灰?guī)r52.9157.87.713.89.830.4 煤4.94924.91.0816.2 巖石力學性質巖石強度分析 1.4 1.4 三軸抗壓強度 l1) 1)定義定義：巖石在三向壓縮荷載作用下，達到破 壞時所能承受的最大壓應力稱為巖石的三軸抗 壓強度(Triaxial compressive strength)。 l與單軸壓縮試驗相比，試件

15、除受軸向壓力外， 還受側向壓力。側向壓力限制試件的橫向變形， 因而三軸試驗是限制性抗壓強度(confined compressive strength)試驗。 巖石力學性質巖石強度分析 l2) 2)實驗加載方式實驗加載方式： la. a. 真三軸加載真三軸加載: :試件為立方體，加載方式如圖所示。 l應力狀態(tài)：12 3 l這種加載方式試驗裝置繁雜，且六個面均可受到由加壓鐵板所引 起的摩擦力，對試驗結果有很大影響，因而實用意義不大。故極 少有人做這樣的三軸試驗。 lb. b.假三軸試驗假三軸試驗: :，試件為圓柱體，試件直徑25150mm，長度與直徑 之比為2：1或3：1。加載方式如圖所示，軸向

16、壓力的加載方式與 單軸壓縮試驗時相同。 l但由于有了側向壓力，其加載上時的端部效應比單軸加載時要輕 微得多。 l應力狀態(tài)： 12=3 巖石力學性質巖石強度分析 l三軸壓縮試驗加載示意圖三軸壓縮試驗加載示意圖 l真三軸 l12 3 l假三軸 l12=3 巖石力學性質巖石強度分析 l3) 3)假三軸試驗裝置圖假三軸試驗裝置圖： l由于試件側表面已被加壓油缸的橡皮套包住，液壓油不會在試件 表面造成摩擦力，因而側向壓力可以均勻施加到試件中。其試驗 裝置示意圖如下。 巖石力學性質巖石強度分析 l4) 4)第一個經(jīng)典三軸試驗第一個經(jīng)典三軸試驗 la. a.試驗者和時間：試驗者和時間：意大利人馮卡門(VonKarman)于 1911年完成的。 lb. b.試驗巖石：試驗巖石：白色圓柱體大理石試件，該大理石具有 很細的顆粒并且是非常均質的。 lc. c.試驗發(fā)現(xiàn)：試驗發(fā)現(xiàn)： l在圍壓為零或較低時，大理石試件以脆性方式破壞， 沿一組傾斜的裂隙破壞。 l隨著圍壓的增加，試件的延性變形和強度都不斷增 加，直至出現(xiàn)完全延性或塑性流動變形，并伴隨工作 硬化，試件也變成粗腰桶形的。 l在試驗開始階段，試件體積減小，當達到抗壓強度 一半時，出現(xiàn)擴容擴容，泊松比迅速增大。 巖石力學性質巖石強度分析 l5) 5) 三軸試驗與莫爾強度包絡線三軸