巖石力學(xué)第3章巖石的強(qiáng)度74張課件

1、3 各階段應(yīng)符合的規(guī)定規(guī)劃：充分參照類似工程，少量巖塊試驗(yàn)?？裳校簩?duì)工程單元巖塊試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)巖體聲波測(cè)試初設(shè)：定出關(guān)鍵巖石力學(xué)問題，深入試驗(yàn)研究技施：對(duì)審后新發(fā)現(xiàn)的地質(zhì)和新提出的巖石問題 以及加固處理需要，進(jìn)行專門性巖石試驗(yàn) 施工運(yùn)行：對(duì)主要建筑物部位巖體進(jìn)行原位觀測(cè)試驗(yàn)前收集分析地質(zhì)資料，結(jié)合設(shè)計(jì)勘察編制巖石試驗(yàn)大綱，執(zhí)行中可根據(jù)變化進(jìn)行調(diào)整修改4 試驗(yàn)大綱內(nèi)容工程概況及地質(zhì)條件水工建筑物特點(diǎn)和主要巖石力學(xué)問題試驗(yàn)?zāi)康?、試?yàn)內(nèi)容和技術(shù)要求（方法、數(shù)量等）試驗(yàn)布置（代表性）儀器設(shè)備和人員安排計(jì)劃進(jìn)度提交的試驗(yàn)成果（試驗(yàn)報(bào)告）試驗(yàn)成果的整理和分析要在了解建筑物布置方案、工程建筑類型、持力方向、荷載

2、大小以及地基、邊坡和地下洞室?guī)r體工程地質(zhì)條件與設(shè)計(jì)技術(shù)要求基礎(chǔ)上，對(duì)資料逐項(xiàng)檢查核對(duì)，分析其代表性、規(guī)律性和合理性，并按照巖體類別、工程地質(zhì)單元、區(qū)段或?qū)游贿M(jìn)行歸類、數(shù)理統(tǒng)計(jì)和綜合分析，提出試驗(yàn)成果標(biāo)準(zhǔn)值。5 標(biāo)準(zhǔn)值的選取密度、單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、點(diǎn)荷載強(qiáng)度、波速等物理參數(shù)取算術(shù)平均值巖體變形模量用原位變形試驗(yàn)成果算術(shù)平均值軟巖承載力取極限承載力的1/3與比例界限二者的小值，（無）取（1/5-1/10）RC飽和或三軸試驗(yàn)；堅(jiān)硬巖、中硬巖（1/20-1/25、1/10-1/20） RC飽和巖體抗剪斷強(qiáng)度對(duì)脆性破壞巖體取殘余和比例界限二者的小值；塑性破壞用屈服強(qiáng)度參數(shù)硬性結(jié)構(gòu)面抗剪斷強(qiáng)度用殘余

3、強(qiáng)度參數(shù)平均值軟性結(jié)構(gòu)面抗剪斷強(qiáng)度用峰值強(qiáng)度參數(shù)小值平均第三章 巖石的強(qiáng)度第一節(jié) 概述第二節(jié) 巖石的破壞形式第三節(jié) 巖石的抗壓強(qiáng)度第四節(jié) 巖石的抗拉強(qiáng)度第五節(jié) 巖石的抗剪強(qiáng)度第六節(jié) 巖石的破壞準(zhǔn)則第七節(jié) 巖石中水對(duì)強(qiáng)度的影響第八節(jié) 巖體強(qiáng)度分析第九節(jié) 結(jié)構(gòu)面方位對(duì)強(qiáng)度的影響第十節(jié) 結(jié)構(gòu)面粗糙程度對(duì)強(qiáng)度的影響第一節(jié) 概述巖石的強(qiáng)度是指荷載作用下巖石的抵抗破壞的能力。從廣義來分 巖石分為巖塊和巖體，談到巖石的強(qiáng)度應(yīng)分清是巖塊的強(qiáng)度（完整巖石）和巖體（多節(jié)理巖石）的強(qiáng)度。一般情況巖石的強(qiáng)度指巖石試件實(shí)驗(yàn)所得出的，實(shí)際代表巖體內(nèi)巖塊的強(qiáng)度。巖體的強(qiáng)度由以下三個(gè)因素決定1、巖石自身的強(qiáng)度。（礦物組成和結(jié)

4、晶狀況）2、巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面狀況。（節(jié)理、裂隙、層理、斷層關(guān)系和影響程度）3、結(jié)構(gòu)面與工程的相對(duì)關(guān)系。具體是哪個(gè)因素起作用要具體情況具體分析：A：堅(jiān)硬巖石，巖塊強(qiáng)度高，軟弱結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度低，巖體的強(qiáng)度由結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度和產(chǎn)狀決定。B：巖性軟弱，巖塊強(qiáng)度低，軟弱結(jié)構(gòu)面顯的不突出，巖體的強(qiáng)度由巖石和軟弱結(jié)構(gòu)面兩者的差值來決定, 差值很小時(shí)，就由巖石強(qiáng)度決定。C：巖體周圍受較大應(yīng)力時(shí)，與應(yīng)力方向有關(guān)，情況復(fù)雜。 巖石具有不均勻特性,這是因?yàn)閹r塊內(nèi)也存在微結(jié)構(gòu)面，所以巖石試樣結(jié)果具有分散性，一般要求室內(nèi)試樣幾個(gè)為一組,將其所得到的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后取值。第二節(jié) 巖石的破壞形式巖石的破壞形式分三種：脆性破壞、延性破

5、壞、弱面剪切破壞A 脆性破壞（水平面脆性、垂直面脆性、脆性剪切破壞）大多數(shù)堅(jiān)硬巖石在一定條件下都表現(xiàn)出脆性破壞的性質(zhì)。也就是說，這些巖石在荷載作用下沒有顯著覺察的變形就突然破壞。產(chǎn)生這種破壞的原因可能是巖石中裂隙發(fā)生和發(fā)展的結(jié)果。(地下洞室開挖洞頂?shù)膹埩严?B 延性破壞巖石在破壞之前變形很大，且沒有明顯的破壞荷載，表現(xiàn)出顯著的塑性變形，流動(dòng)或擠出，這種破壞稱為延性或韌性破壞。塑性變形是巖石內(nèi)結(jié)晶晶格錯(cuò)位的結(jié)果。在一些軟弱巖石中這種破壞較為常見。(洞室的底部巖石隆起，兩側(cè)圍巖向洞內(nèi)膨脹)C 弱面剪切破壞巖體中存在著許多軟弱結(jié)構(gòu)面，細(xì)微裂隙等弱面，在荷載作用下，弱面上的剪應(yīng)力一旦超過弱面的抗剪強(qiáng)度

6、時(shí)，巖體將弱面剪切破壞，致使巖體產(chǎn)生滑移。（節(jié)理巖體中的地下洞室頂部巖塊崩塌，洞側(cè)巖石的滑動(dòng)、巖坡沿軟弱面的失穩(wěn)）巖石的三種破壞形式試驗(yàn)表明，巖石在破壞前后的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系比金屬材料復(fù)雜得多，巖石究竟屬于脆性材料還是屬于塑性材料，這不僅取決與巖性，且受應(yīng)力狀態(tài)，地溫，受荷時(shí)間等多種因素的影響。（例：堅(jiān)硬巖石一般屬于脆性破壞，但在兩向或三向受力較大的情況下，或者在高溫的影響下，也可能延性破壞） 實(shí)際的荷載形式是多種多樣的，它使任何單一的巖石破壞模式都不會(huì)居主要的地位。在荷載作用下，巖體實(shí)際的破壞情況是相當(dāng)復(fù)雜的，它可能是由上述的一種或多種破壞模式。第三節(jié) 巖石的抗壓強(qiáng)度巖石的抗壓強(qiáng)度是巖石試件在

7、單軸壓力下抵抗破壞的極限能力，或極限強(qiáng)度在數(shù)值上等于破壞時(shí)的最大壓應(yīng)力。（分飽和和天然狀態(tài)）巖石的抗壓強(qiáng)度：現(xiàn)場(chǎng)取樣-入實(shí)驗(yàn)室-樣品成型-試件-壓力機(jī)-加壓試驗(yàn)測(cè)定-結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析-取值。試件圓柱形、立方形。試件尺寸：圓柱形直徑D=5cm、7cm 立方狀5cm5cm、7cm7cm試件高度h應(yīng)當(dāng)滿足下列條件圓柱體： 立方體：試件兩端應(yīng)當(dāng)平整光滑，端面三相平行與柱體軸線垂直。對(duì)于圓柱形試件，沿試件各截面的直徑誤差應(yīng)不大于0.3mm，兩端面不平行度最大不超過0.05mm，試驗(yàn)時(shí)以每秒0.5MPa-0.8MPa的加荷速率加荷直至試件破壞，試驗(yàn)結(jié)果按下式計(jì)算抗壓強(qiáng)度： Rc-巖石單軸抗壓強(qiáng)度(MPa) P

8、-巖石試件破壞時(shí)的荷載(MN) A-試件的橫斷面面積(m2)表3-1 巖石的單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度影響巖石的抗壓強(qiáng)度的因素很多，這些因素可分為兩方面：1 巖石本身的因素，如礦物成分、結(jié)晶程度顆粒大小、顆粒聯(lián)接及膠結(jié)情況、密度、裂隙的特性和方向、風(fēng)化程度和含水情況等。2 試驗(yàn)方法上的因素或人為因素，如試件形狀、尺寸、大小，試件加工情況和加荷速率等各因素的影響見書中P33-34第四節(jié) 巖石的抗拉強(qiáng)度巖石的抗拉強(qiáng)度就是巖石試件在單軸拉力作用下抵抗破壞的極限能力。或者說極限強(qiáng)度在數(shù)值上等于破壞時(shí)的最大拉應(yīng)力。巖石的抗拉強(qiáng)度比其抗壓強(qiáng)度低得多。測(cè)定巖石抗拉強(qiáng)度有兩種方法，即直接拉伸法和劈裂法（也稱巴西試

9、驗(yàn)法）。 1 巖石直接拉伸試驗(yàn)：試驗(yàn)時(shí)將這種試件兩端固定在拉力機(jī)上，然后對(duì)試樣施加軸向拉力，直至試件破壞，試件的抗拉強(qiáng)度為：Rt-巖石的抗拉強(qiáng)度Pt-試件破壞時(shí)的最大拉力A-試件中部的橫截面積優(yōu)點(diǎn)：方法直觀、概念明確、成果可靠。缺點(diǎn)：試樣制備困難，它不易與拉力機(jī)固定，而且在試樣斷裂處附近往往有應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時(shí)難免在試件兩端面有彎矩。2 劈裂法試驗(yàn)：劈裂法是在圓柱體試樣的直徑方向上，施加相對(duì)的線形荷載使試樣沿該直徑平面破壞的試驗(yàn)。試驗(yàn)采用壓力機(jī)加壓，采用直徑D=5cm，厚度l=(0.5-1)D的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體，以0.29MPa/s-0.49MPa/s的加載速率沿某一直徑的兩端施加相對(duì)的壓荷載，加壓

10、前須在直徑兩端設(shè)置墊條，以便壓力沿墊條成均布線荷載作用于試樣的厚度l上，逐漸加大壓力直到試樣沿該直徑平面裂開。根據(jù)彈性力學(xué)知識(shí)，可以近似地計(jì)算巖樣的抗拉強(qiáng)度為：優(yōu)點(diǎn)：試驗(yàn)簡單易行，僅用普通的壓力機(jī)即可， 可廣泛應(yīng)用。缺點(diǎn)：試驗(yàn)結(jié)果與直接拉伸法存在差別。試驗(yàn)可知，巖石的抗拉強(qiáng)度極限大致僅為同類巖石抗拉強(qiáng)度的1/10-1/30，最堅(jiān)硬的巖石的抗拉強(qiáng)度也只有29.6MPa左右，而許多巖石的抗拉強(qiáng)度小于1.96MPa。表3-1為某些巖石的抗拉強(qiáng)度供參考。巖石的抗拉實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)原理、儀器構(gòu)造、數(shù)據(jù)處理第五節(jié) 巖石的抗剪強(qiáng)度巖石抗剪強(qiáng)度是巖石抵抗剪切破壞的極限能力，常以凝聚力C和內(nèi)摩擦角這兩個(gè)剪切參數(shù)表示。

11、抗剪強(qiáng)度是巖石力學(xué)中重要的指標(biāo)之一。工程上需要測(cè)定的抗剪強(qiáng)度大致有以下三種： 巖石巖體的抗剪強(qiáng)度 巖體軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度 混凝土與巖石膠結(jié)面的抗剪強(qiáng)度巖石的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)常用直剪試驗(yàn)、楔型剪切實(shí)驗(yàn)和三軸試驗(yàn)三種，直剪試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)其測(cè)定原理和方法與土力學(xué)中的直剪、三軸試驗(yàn)完全相同。 1直剪試驗(yàn)直剪試驗(yàn)的受力方式示意圖如下： 現(xiàn)場(chǎng)直接剪切實(shí)驗(yàn)示意圖直接剪切實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)：1 對(duì)軟弱結(jié)構(gòu)面試樣，應(yīng)盡量保持原狀結(jié)構(gòu)，防止結(jié)構(gòu)面被擾動(dòng)，而結(jié)構(gòu)面上下的巖石厚度，分別約為斷面高度的1/2左右。2 對(duì)于加工困難的試件，允許采用不規(guī)則試樣，節(jié)理裂隙發(fā)育的巖石，須用鐵絲捆扎并用泥漿保護(hù)；對(duì)巖塊試樣須用高強(qiáng)度的鋼

12、筋或鋼型外框包裹。3 試樣的數(shù)量：每組不得少于5對(duì)(以便重復(fù)試驗(yàn))。4 試驗(yàn)加荷方向及大?。簯?yīng)使受剪面方向與建筑物的受力方向大致一致，在安裝法向和切向加荷系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)保證法向力和剪切力的合力通過剪切面的中心(以免受附加矩的作用)。5 選擇的法向應(yīng)力：一般應(yīng)大于或等于設(shè)計(jì)應(yīng)力。對(duì)于充填?yuàn)A泥的結(jié)構(gòu)面試驗(yàn)，法向應(yīng)力的選擇，以不擠出夾泥為原則，而法向荷重則分4-5級(jí)施加，每5min加荷一次，加荷后立即測(cè)讀垂直變形，5min后再測(cè)讀一次，達(dá)到預(yù)定荷重后，每5min觀測(cè)變形一次，直到相對(duì)穩(wěn)定開始能施加剪切荷載。剪切荷載亦是分級(jí)施加，即每5min加荷一次，并測(cè)記加荷前后的法向和剪切位移值。6 剪切要求：剪切縫

13、宜控制在0.5cm2.0cm之間在試樣剪切過程中須采用恒壓裝置，使法向應(yīng)力保持常數(shù)。試驗(yàn)后計(jì)算各級(jí)法向荷載下的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力：式中: -法向應(yīng)力(MPa) -剪應(yīng)力(MPa) P-總法向力(包括荷載、設(shè)備重量及試塊重)(MN) Q-剪切荷載(MN) A-剪切面積(m)根據(jù)剪切面上各級(jí)法向荷載作用下相應(yīng)的剪應(yīng)力與水平剪切位移的關(guān)系曲線-h。取各條-h曲線上的峰值剪應(yīng)力f與對(duì)應(yīng)的法向應(yīng)力，點(diǎn)繪出f-關(guān)系曲線，這就是巖石的抗剪斷峰值強(qiáng)度曲線，此線與水平軸的交角，即為內(nèi)摩擦角，此線在縱軸上截矩，即為凝聚力C。 直剪試驗(yàn)試樣破壞過程的三個(gè)階段：1 彈性階段：試樣內(nèi)開始產(chǎn)生張裂縫（p）2 裂縫發(fā)展增長階

14、段：裂縫發(fā)展、增長，逐漸達(dá)到完全破壞（f）3 強(qiáng)度降低階段：剪應(yīng)力降低，最終至剩余值（o）如取各線的0與相應(yīng)的法向應(yīng)力，即可點(diǎn)繪得剩余強(qiáng)度線，它相應(yīng)于巖石試樣發(fā)生裂縫之后的強(qiáng)度線，相當(dāng)于摩擦試驗(yàn)所得的強(qiáng)度線。它與縱軸交于坐標(biāo)原點(diǎn)，表示C=0，此剩余強(qiáng)度線與橫軸的交角r，即為剩余強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的內(nèi)摩擦角；由圖可見剩余強(qiáng)度也就是失去凝聚力而僅有內(nèi)摩擦力的強(qiáng)度 。 優(yōu)點(diǎn)：簡單方便，設(shè)備不特殊 缺點(diǎn)：尺寸小，不易反映裂縫、層理和弱面2 楔形剪切實(shí)驗(yàn)實(shí)際上是另一種形式的直接剪切試驗(yàn)，應(yīng)用楔形剪切儀，裝置見書中圖3-16。試件10105cm。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用多個(gè)試件，分別以不同的傾角進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。破壞時(shí)，不同的角度可以

15、得出一組和f，不同的傾角得出f曲線，即可求出c和值。優(yōu)點(diǎn)：可以模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際受力工況。缺點(diǎn)：角度不能太大，不能反映低壓段情況，需試件多，工作量大。3三軸壓縮試驗(yàn)三軸壓縮試驗(yàn)是在三向應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行的試驗(yàn)。方法：在圓柱體周圍施加側(cè)限壓力(3=2)，然后，在側(cè)限壓力保持為常數(shù)3時(shí)施加軸向荷載1，直至試件破壞，這樣得出破壞時(shí)的最大和最小主應(yīng)力1和3; 得到一個(gè)巖樣破壞時(shí)的應(yīng)力圓，采用相同的巖樣改變側(cè)壓力3，施加軸向壓力至試件，從而得到一個(gè)不同的應(yīng)力圓，繪出這些應(yīng)力圓的包絡(luò)線，即可求得巖石的抗剪強(qiáng)度線，如圖3-19所示，圖3-20為角閃巖的三軸試驗(yàn)結(jié)果。像單軸壓縮試驗(yàn)一樣，三軸試驗(yàn)試件的破裂面與大主應(yīng)力1

16、方向間的夾角為45-/2。優(yōu)缺點(diǎn)：較好的模擬工程實(shí)際，儀器復(fù)雜難度大。對(duì)于節(jié)理裂隙發(fā)育的巖體或?qū)訝顜r體，其抗壓強(qiáng)度將隨裂隙與加壓的方向不同而呈明顯的各向異性。書中圖3-22和圖3-23分別表示巖石各向異性和具有軟弱面巖樣的強(qiáng)度變化圖。表3-4 巖石的凝聚力、內(nèi)摩擦角以及內(nèi)摩擦系數(shù)參考值4 現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)度試驗(yàn)的成果特征：現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)試體的尺寸一般根據(jù)裂隙的間距來決定，荷載的大小可根據(jù)巖體的受力狀態(tài)來選定。現(xiàn)場(chǎng)所得的強(qiáng)度一般遠(yuǎn)比室內(nèi)完整巖塊所得的強(qiáng)度要低?，F(xiàn)場(chǎng)直接剪切試驗(yàn)時(shí)試體在垂直向存在壓縮區(qū)和膨脹區(qū)，由此在工程上可采取措施提高巖體的抗剪強(qiáng)度。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)巖體的各向異性明顯時(shí)，試驗(yàn)的布置應(yīng)有利于測(cè)定工程需要而

17、指定的那些面上的C、值。巖體內(nèi)往往有多組不同方向的不連續(xù)面,不同方向的不連續(xù)面上的抗剪強(qiáng)度也不相同,當(dāng)加載方向正交或接近正交于潛在不連續(xù)面時(shí)，其抗剪強(qiáng)度將接近于完整無裂隙巖塊的抗剪強(qiáng)度值；當(dāng)加荷方向平行或接近平行與不連續(xù)面時(shí)則其抗剪強(qiáng)度值取決于該不連續(xù)面上抗剪能力。如果將完整巖塊的抗剪強(qiáng)度參數(shù)用于不連續(xù)的工程巖體，情況是危險(xiǎn)的，容易導(dǎo)致工程失事；所以對(duì)巖體不連續(xù)面強(qiáng)度的研究受到普遍重視。工程實(shí)例之一：三峽大壩混凝土與巖體接觸面抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究為研究三峽大壩與微風(fēng)化基巖接觸面抗剪強(qiáng)度參數(shù)以及利用弱風(fēng)化帶巖體作為大壩建基面的可行性，分別針對(duì)微風(fēng)化巖體和弱風(fēng)化帶巖體進(jìn)行了四組和五組混凝土與基巖接觸面

18、抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)成果表明：接觸面是比混凝土與巖石強(qiáng)度更弱的控制面，不能用混凝土的抗剪強(qiáng)度代替接觸面的強(qiáng)度。影響混凝土與巖體接觸面強(qiáng)度的主要因素包括巖體結(jié)構(gòu)、風(fēng)化程度、混凝土抗壓強(qiáng)度以及接觸面的起伏差等。對(duì)塊狀結(jié)構(gòu)類型巖體，接觸面抗剪強(qiáng)度參數(shù)無明顯差異；對(duì)于鑲嵌結(jié)構(gòu)巖體，接觸面抗剪強(qiáng)度參數(shù)略有降低（f減低9%，c降低7%）；弱風(fēng)化下部巖體與微風(fēng)化巖體比較，抗剪強(qiáng)度參數(shù)略有降低（f減低3%，c降低13%）?；炷量箟簭?qiáng)度對(duì)接觸面抗剪強(qiáng)度參數(shù)影響明顯；起伏差對(duì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)有較大影響，當(dāng)起伏差從0.5 1.0cm增大到2cm時(shí)，摩擦系數(shù)f增加33%。取一定的概率分位值（0.05） ，混凝土與弱風(fēng)化帶

19、下部巖體接觸面抗剪強(qiáng)度參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值f=1.20，c=1.60MPa。工程實(shí)例之二：葛洲壩工程202#泥化夾層剪切強(qiáng)度試驗(yàn)研究葛洲壩水利樞紐工程主要巖性為黏土巖及粉砂質(zhì)黏土巖，巖層走向與壩軸線夾角70，其間存在大量的軟弱夾層，尤其是202#層間錯(cuò)動(dòng)泥化夾層為0.10.5cm厚的塑泥層，上下兩側(cè)有2 5cm的軟化帶和10 20cm厚的破碎帶，力學(xué)強(qiáng)度低。如何確定泥化夾層的剪切強(qiáng)度，成為大壩穩(wěn)定分析的主要巖石力學(xué)問題。現(xiàn)場(chǎng)快剪（A=5060cm），強(qiáng)度參數(shù)f=0.225，c=0.063MPa。現(xiàn)場(chǎng)剪切流變t=3 4d（位移觀測(cè)），剪切時(shí)間1 1.5月/個(gè)，得長期剪切強(qiáng)度參數(shù)f=0.19，c=0MPa現(xiàn)

20、場(chǎng)大面積剪切（A=18m2）剪切強(qiáng)度參數(shù)f=0.19，c=0.005MPa根據(jù)試驗(yàn)成果的綜合分析，提出202#泥化夾層剪切強(qiáng)度參數(shù)設(shè)計(jì)值取f=0.20，c=0MPa。第六節(jié) 巖石的破壞準(zhǔn)則巖石的應(yīng)力、應(yīng)變達(dá)到一定值時(shí)，巖石就發(fā)生破壞，用以表征巖石破壞條件的函數(shù)稱為強(qiáng)度準(zhǔn)則。強(qiáng)度準(zhǔn)則的建立應(yīng)反映巖石的破壞機(jī)理。所有這些確定巖石破壞的原因，過程及條件的理論，稱強(qiáng)度理論。強(qiáng)度理論，不僅要能理解巖石破壞的原因、破壞的形態(tài)，而且要能確定巖石破壞時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)或變形狀態(tài)。當(dāng)物體處于簡單應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，材料的強(qiáng)度可由簡單實(shí)驗(yàn)來決定，破壞準(zhǔn)則的建立較容易（抗拉、抗壓、抗剪）。但巖石在外荷作用下常常處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)

21、，許多實(shí)驗(yàn)表明：巖石的強(qiáng)度及其在荷載作用下的性狀與巖石的應(yīng)力狀態(tài)有著很大的關(guān)系。見圖3-29（單向脆性；三向延性）材料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下怎樣算是破壞呢，材料力學(xué)中有多種破壞理論解釋，這些理論是根據(jù)引起材料危險(xiǎn)狀態(tài)的原因做了不同的假設(shè)而得出的。（應(yīng)力和應(yīng)變） 目前，對(duì)于巖石在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的破壞性狀研究的不夠，這些理論的任何一個(gè)都不能無條件的用于巖石。書中介紹了9種主要的強(qiáng)度理論。需要指出的是：這些理論對(duì)巖石的適用性并不是等價(jià)的，有些對(duì)巖石比較適用，有些對(duì)巖石適用性差，介紹的目的是讓大家對(duì)這一問題的現(xiàn)狀有一個(gè)總的了解。（莫爾庫倫強(qiáng)度理論、格里菲斯強(qiáng)度理論及霍克-布朗強(qiáng)度理論（經(jīng)驗(yàn)破壞準(zhǔn)則），是在巖

22、石力學(xué)界較有影響工程上常用的強(qiáng)度理論）。1 最大正應(yīng)力理論（朗肯理論）假設(shè)材料的破壞只取決于絕對(duì)值最大的正應(yīng)力，因此當(dāng)巖石內(nèi)的三個(gè)主應(yīng)力中只要有一個(gè)達(dá)到單軸抗壓強(qiáng)度或單軸抗拉強(qiáng)度時(shí)，巖石就算破壞。準(zhǔn)則為：或適用條件：單向應(yīng)力狀態(tài)及脆性巖石在二向應(yīng)力狀態(tài)中受拉的情況，對(duì)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)不適用。 2 最大正應(yīng)變理論材料的破壞只取決于最大的正應(yīng)變。材料內(nèi)任一方向的正應(yīng)變達(dá)到單軸壓縮或單軸拉伸中的破壞數(shù)值，材料就發(fā)生破壞。準(zhǔn)則為：max-材料內(nèi)發(fā)生的最大應(yīng)變值u-單軸壓縮或單向拉伸試驗(yàn)材料破壞時(shí)的極限應(yīng)變值解析表達(dá)式為：適用條件：脆性巖石，對(duì)塑性材料不適用。 3 最大剪應(yīng)力理論(為解釋塑性破壞) 假設(shè)材料

23、的破壞取決于最大的剪應(yīng)力，當(dāng)最大剪應(yīng)力達(dá)到單軸壓縮或單軸拉伸中的危險(xiǎn)值時(shí)，材料就達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)。準(zhǔn)則為：或在單向壓縮或拉伸時(shí):解析表達(dá)式見(3-24) 適用條件：塑性材料,對(duì)脆性巖石不適用,未考慮中主應(yīng)力的影響。4 八面體剪應(yīng)力理論（帽子模型） 考慮中主應(yīng)力的影響。理論假設(shè)：材料的危險(xiǎn)狀態(tài)，取決于八面體剪應(yīng)力，準(zhǔn)則為：在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的八面體剪應(yīng)力為：在單向應(yīng)力狀態(tài)下：適用條件：塑性材料,是塑性力學(xué)中常用的一種理論。5 摩爾理論及摩爾庫侖準(zhǔn)則材料內(nèi)某一點(diǎn)的破壞主要決定于它的大主應(yīng)力和小主應(yīng)力而與中主應(yīng)力無關(guān)。可研究平面應(yīng)變狀態(tài)（單軸壓縮、單軸拉伸、純剪，三軸壓縮等）。 每一莫爾應(yīng)力圓都反映一種達(dá)

24、到破壞極限(危險(xiǎn)狀態(tài))的應(yīng)力狀態(tài)。這種應(yīng)力圓稱為極限應(yīng)力圓，然后這一系列極限應(yīng)力圓的包絡(luò)線叫莫爾包絡(luò)線，這根包絡(luò)線代表了材料的破壞條件或強(qiáng)度條件，在包絡(luò)線上的所有點(diǎn)都反映了材料破壞時(shí)的剪應(yīng)力f與正應(yīng)力之關(guān)系，即 就是莫爾理論破壞準(zhǔn)則的普遍形式由此可知，對(duì)于材料的破壞與否，一方面與材料內(nèi)的剪應(yīng)力有關(guān)，同時(shí)與正應(yīng)力也有很大的關(guān)系，因?yàn)檎龖?yīng)力直接影響著抗剪強(qiáng)度的大小。巖石的強(qiáng)度條件可用庫侖方程式來表示:這個(gè)方程式為庫倫首先提出，后為莫爾采用新的理論加以解釋，因而上述方程式通常稱為莫爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，它是目前巖石力學(xué)中用得最多的強(qiáng)度理論。圖3-30中繪出了純剪試驗(yàn)、抗拉試驗(yàn)、抗壓試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)?zāi)枅A以

25、及強(qiáng)度包絡(luò)線。圖3-31描述了如何用包絡(luò)線判別巖石材料破壞與不破壞（彈性狀態(tài)、極限平衡狀態(tài)或塑性平衡狀態(tài)和破壞狀態(tài)）巖石包絡(luò)線的形狀（拋物線、雙曲線或擺線、直線）用大小主應(yīng)力表示的破壞準(zhǔn)則：3方向與滑動(dòng)所在面的夾角單軸抗壓3=0 則另一表達(dá)式：圖3-34帶有抗拉強(qiáng)度的摩爾-庫侖包絡(luò)線以及公式的推導(dǎo)簡化。6 格里菲斯理論以上所述幾個(gè)理論將巖石看作連續(xù)的均勻介質(zhì)。格里菲斯理論則不同，它針對(duì)脆性材料的破壞，提出了格里菲斯強(qiáng)度理論，認(rèn)為材料內(nèi)具有細(xì)微裂隙的脆性材料，與一般連續(xù)介質(zhì)固體理論的破壞強(qiáng)度是有很大區(qū)別的。這種差異起因于巖石等脆性材料內(nèi)普遍存在細(xì)微裂痕。格里菲斯認(rèn)為具有細(xì)微裂痕的脆性材料在力場(chǎng)的

26、作用下，裂痕周邊將激起切向拉應(yīng)力，一旦裂痕周邊端部附近某處的切向拉應(yīng)力高度集中，達(dá)到材料的分子內(nèi)聚強(qiáng)度值，則材料就將從該處開始沿一定的方向發(fā)生脆性破壞。這一理論首先被應(yīng)用于玻璃，試驗(yàn)也證實(shí)了這一點(diǎn)，后來又被引用于巖石力學(xué)，用以闡明脆性巖石的破裂機(jī)制。格里菲斯假定材料內(nèi)部存在許多雜亂的細(xì)微裂痕，形狀類似扁單狀橢圓，其長短軸分別為2a和2b，軸比(m=b/a)很小，且假定相鄰裂痕之間不能互相影響，并忽略材料特性的局部變化，這樣就可將橢圓裂隙作為半無限介質(zhì)中的單孔情況來處理了。圖3-35為裂隙的受力示意圖，圖3-36為橢圓裂痕周圍材料的應(yīng)力。當(dāng)裂隙處的極限應(yīng)力達(dá)到巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí)，巖石將處于破壞狀態(tài)

27、，因此根據(jù)彈性理論知識(shí)，可得到格里菲斯強(qiáng)度理論破壞準(zhǔn)則如下：（3-64、3-65）1 當(dāng)方位角：2 當(dāng)方位角：=0在-平面：7 修正的格里菲斯強(qiáng)度理論 格里菲斯強(qiáng)度理論是以張開橢圓裂隙為前提，在壓應(yīng)力占優(yōu)勢(shì)的情況下，裂隙會(huì)產(chǎn)生閉合?？p壁間會(huì)產(chǎn)生摩檫。裂隙的增長和發(fā)展就有所不同。麥克林托克等考慮這一影響(主要是裂隙間的摩擦)對(duì)格里菲斯強(qiáng)度理論進(jìn)行了修正，結(jié)果如式3-68：8 倫特堡理論根據(jù)對(duì)大量的巖石實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析認(rèn)為:當(dāng)巖石內(nèi)正應(yīng)力達(dá)到相應(yīng)于巖石的晶體強(qiáng)度時(shí)，由于晶體破壞，繼續(xù)增加法向荷載，抗剪強(qiáng)度不會(huì)增加。建議用3-69表示巖石在荷載下的破壞狀態(tài)。和研究面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力0正應(yīng)力為0時(shí)巖石的

28、抗切強(qiáng)度，A為系數(shù)該理論適用于較為破碎的巖石。9 經(jīng)驗(yàn)破壞準(zhǔn)則（主要介紹霍克和布朗經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則） 霍克-布朗發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)巖石材料(完整的巖塊)的三軸壓縮試驗(yàn)破壞時(shí)的主應(yīng)力之間滿足下列方程式： 式中：S,m-常數(shù)，取決于巖石的性質(zhì)，在承受1和3以前,巖石擾動(dòng)或損傷的程度。m與巖石的性質(zhì)有關(guān)，S與巖石完整性有關(guān)(完整巖塊S=1)。Rc-完整巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度(MPa)。若式中3=0，可得巖石的單軸抗壓強(qiáng)度： 若式中1=0，可得巖石的單軸抗拉強(qiáng)度：這兩個(gè)方程式定出了S的界限值，若S=1，則Rcm=Rc，即為完整巖塊的值；若S=0，則Rcm=Rtm=0，這就是完全破損的巖石。因此，對(duì)于完整巖石和破損巖的中

29、間階段，S值必定在1與0之間，對(duì)于S=1的情況，大理巖、石灰?guī)r及泥巖的常數(shù)m從5到7，粗粒巖漿巖的m從23到28，霍克等對(duì)某些典型巖體求得的m和S值見表3-6和圖3-38。10 對(duì)強(qiáng)度理論的評(píng)價(jià)目前使用的有關(guān)巖石的各種強(qiáng)度理論和強(qiáng)度準(zhǔn)則都有一定的局限性，因而有一定的使用范圍。庫侖莫爾準(zhǔn)則理論的評(píng)價(jià)：庫侖莫爾準(zhǔn)則較全面地反映了巖石的強(qiáng)度特點(diǎn)，不僅適用于塑性材料，也適用于脆性材料的剪切破壞；由于巖石大多是剪切破壞，故適用性較廣、簡單實(shí)用。莫爾庫侖準(zhǔn)則不能說明強(qiáng)度的非線性變化，因此還比較粗糙. 格里菲斯理論可以說明裂隙開始時(shí)的情況。但對(duì)巖石這樣的非均勻材料，裂隙開始時(shí)的應(yīng)力要低于破壞時(shí)的應(yīng)力，而且兩

30、者之間的關(guān)系復(fù)雜，因此還不能用來說明巖石的拉伸破壞。經(jīng)驗(yàn)破壞準(zhǔn)則 由于結(jié)果來自于實(shí)測(cè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有一定的參考價(jià)值。實(shí)踐表明巖石的破壞是一個(gè)漸進(jìn)破壞過程。巖石存在非均勻性，巖體內(nèi)某一點(diǎn)的應(yīng)力達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí)就在該點(diǎn)發(fā)生破壞，這時(shí)該點(diǎn)會(huì)將應(yīng)力轉(zhuǎn)移到相臨的周圍巖體，導(dǎo)致周圍巖體應(yīng)力增大，于是破壞依次發(fā)展，直至形成宏觀破裂面，最終表現(xiàn)為整個(gè)巖體發(fā)生破壞。第七節(jié) 巖石中水對(duì)強(qiáng)度的影響一方面：水對(duì)巖石強(qiáng)度的影響軟化系數(shù)。 機(jī)理：水分子進(jìn)入粒間間隙而削弱了粒間連接造成的。 （巖石遇水膠結(jié)物破壞強(qiáng)度降低） 另一方面：也是對(duì)巖石強(qiáng)度影響較多的情況是孔隙和裂隙中的水壓力影響。 （飽和巖石受荷載不能或不易排水孔隙水壓

31、力巖石固體顆粒承受的壓力減小強(qiáng)度降低）。圖3-39實(shí)驗(yàn)結(jié)果：研究認(rèn)為：巖石中有連通的孔隙存在-太沙基有效應(yīng)力定理適用于巖石。根據(jù)摩爾-庫侖強(qiáng)度理論：飽和多孔巖石的抗剪強(qiáng)度可表示為3-76。強(qiáng)度降低的程度視孔隙水壓力的大小確定。為了在摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則中考慮孔隙水壓力的影響，將3-44式變?yōu)?-77式。進(jìn)而可得巖石從初始作用應(yīng)力1和3 達(dá)到破壞時(shí)所需的孔隙水壓力計(jì)算公式3-80。圖解可見圖3-40表示。如果結(jié)構(gòu)面內(nèi)有水壓力，那么由于這種水壓力使有效正應(yīng)力降低，結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度也相應(yīng)降低。當(dāng)結(jié)構(gòu)面內(nèi)的水壓力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，結(jié)構(gòu)面的有效正應(yīng)力也降低到一定程度使結(jié)構(gòu)面開始破壞。靠近水庫附近的巖石中初始應(yīng)力接

32、近強(qiáng)度時(shí)，巖石內(nèi)產(chǎn)生孔隙水壓力，這種孔隙水壓力可能造成巖石破壞或引起地震。巖石材料表現(xiàn)出由脆性到延性的變化，其中孔隙水壓力的作用是增加材料的脆性性質(zhì)。見圖3-41。如果把有效應(yīng)力的概念引入格里菲思破壞準(zhǔn)則，則式3-64和3-65變?yōu)?-81和3-82式：這個(gè)結(jié)果也是工程上常需用的“水力劈裂”方法的理論基礎(chǔ)。第八節(jié) 巖體強(qiáng)度分析巖體可分為兩種情況：1、接近均質(zhì)的：各種軟弱結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體強(qiáng)度的影響不占主導(dǎo)地位或巖性堅(jiān)硬并未組成分離的塊體。這時(shí)巖體強(qiáng)度可用實(shí)驗(yàn)室?guī)r塊的強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行分析(巖塊實(shí)驗(yàn))。常用摩爾-庫侖準(zhǔn)則或霍克或布朗的經(jīng)驗(yàn)破壞準(zhǔn)則。見式3-833-94或3-71。2、非均質(zhì)的：巖體強(qiáng)度主要由

33、結(jié)構(gòu)面的特征（強(qiáng)度、產(chǎn)狀、粗糙度、充填物等）所決定。這時(shí)節(jié)理或其它結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度指標(biāo)通過室內(nèi)外抗剪實(shí)驗(yàn)求得（剪切面必須為節(jié)理面或結(jié)構(gòu)面） 。 實(shí)際中會(huì)遇到：節(jié)理面與主應(yīng)力面的法線相平行（平面問題）節(jié)理面與主應(yīng)力面的法線斜交（三維空間問題）無論那一種情況，節(jié)理面處于平衡狀態(tài)時(shí)摩爾庫侖強(qiáng)度條件成立：同樣可運(yùn)用摩爾-庫侖強(qiáng)度條件來判定節(jié)理面的穩(wěn)定情況。見圖3-43和圖3-44并可運(yùn)用材料力學(xué)知識(shí)推導(dǎo)后可得到節(jié)理面穩(wěn)定情況的判別式3-97。判定洞壁邊墻處巖體的穩(wěn)定情況用3-98式。節(jié)理內(nèi)有孔隙水壓力時(shí)可用3-99式進(jìn)行判定。第九節(jié) 結(jié)構(gòu)面方位對(duì)強(qiáng)度的影響當(dāng)結(jié)構(gòu)面處于某種方位時(shí)(用傾角表示)，在某些應(yīng)力條件下，破壞不沿軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生，而在巖石材料內(nèi)發(fā)生，