巖石的強度特性清楚明了

巖石力學巖石的強度特性主要內(nèi)容第一節(jié)概述第二節(jié)巖石的強度特性第三節(jié)巖石的強度準則第一節(jié)概述巖石的力學性質包含兩個方面的含義：巖石的強度特征和變形特征。

巖石的強度特征反映巖石抵抗破壞的能力和破壞規(guī)律。巖石的變形特征反映巖石的力學屬性。彈塑性力學基礎彈塑性力學是固體力學的一個分支學科。彈塑性力學中的基本假設：

假設固體材料為連續(xù)介質假設物體為均勻各向同性物體的變形屬于小變形物體原來處于一種無應力的自然狀態(tài)應力與應變的概念力：物體之間的相互作用，引起變形或加速度。應力：假想物體被任一平面分成兩部分，從平面中取出一微小面積元素ΔSc，上面受到內(nèi)力Δp，則應力定義為Δp/ΔSc趨于一定的極限。應變：物體內(nèi)任一點受到力的作用后產(chǎn)生的相對變形。123一點的應力狀態(tài)物質的力學本構關系本構關系：反映材料特定性質的數(shù)學模型。廣義胡克定律：巖石的破壞形式在外載作用下，當巖石內(nèi)部的應力達到或超過某一極限時，巖石就發(fā)生破壞。巖石破壞的主要形式：脆性破壞延性破壞拉伸破壞剪切破壞脆性破壞：巖石在荷載作用下沒有顯著覺察的變形就突然破壞。*大多數(shù)堅硬巖石在一定條件下都表現(xiàn)出脆性破壞的性質。*產(chǎn)生這種破壞的原因可能是巖石中裂隙發(fā)生和發(fā)展的結果。例如，地下洞室開挖后，由于洞室周圍的應力顯著增大，洞室?guī)r可能產(chǎn)生許多裂隙，尤其是洞頂?shù)膹埩严?，這些都是脆性破壞的結果。脆性破壞延性破壞：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)結晶晶格結位的結果。在一些軟弱巖石中這種破壞較為明顯。有些洞室的底部巖石隆起，兩側圍巖向洞內(nèi)膨脹都屬延性破壞的例子。堅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。延性破壞巖體破壞的主要形式是弱面剪切破壞弱面剪切破壞：巖體中存在著許多軟弱結構面，細微裂隙等弱面，在荷載作用下，弱面上的剪應力一旦超過弱面的抗剪強度時，巖體將弱面剪切破壞，致使巖體產(chǎn)生滑移。如節(jié)理巖體中的地下洞室頂部巖塊崩塌，洞側巖石的滑動，以及巖坡沿軟弱面的失穩(wěn)等，都屬于弱面剪切破壞。巖體的破壞巖石在破壞前后的應力-應變關系比金屬材料復雜得多，巖石究竟屬于脆性材料還是屬于塑性材料，這不僅取決于巖石性質，且受應力狀態(tài)，地溫，受荷時間等多種因素的影響。巖石的破壞形式第二節(jié)巖石的強度特性巖石強度：巖石的強度是指荷載作用下巖石的抵抗破壞的能力。為了研究巖石的強度特征，經(jīng)常將巖石制備成試件在實驗室進行試驗，依據(jù)試樣應力狀態(tài)的不同分為：巖石單軸抗壓強度實驗，抗拉強度實驗，抗剪強度實驗等。試驗時將巖樣制備成標準試件然后按相應的試驗規(guī)程進行試驗。1.巖石的抗壓強度1)巖石抗壓強度的定義

巖石的抗壓強度是巖石試件在壓力作用下抵抗破壞的極限能力，極限強度在數(shù)值上等于破壞時的最大壓應力。2)測定巖石抗壓強度的意義衡量巖塊基本力學性質的重要指標建立巖石破壞判據(jù)的重要指標用來大致估算其他強度參數(shù)

圓柱形試件：Φ4.8－5.2cm，高H=（2－2.5)Φ

長方體試件：邊長L=4.8－5.2cm,高H=（2－2.5)L

試件兩端不平度0.5mm；尺寸誤差±0.3mm;

兩端面垂直于軸線±0.25o2）巖樣標準1）計算方法P—軸向破壞荷載A—試件界面積式中：巖石抗壓強度測定實驗設備MTS三軸巖石力學實驗設備2)實驗條件方面的因素

①試樣的的幾何形狀及加工精度；②加載速率；③端面條件-端面效應；⑤層理結構-取心方式3)環(huán)境的影響—溫度和濕度的影響1)巖石自身性質的因素

巖石自身的性質（礦物組成、顆粒大小及形狀、粒間連接、結構特征、微結構面、風化程度）對其抗壓強度起決定作用巖石抗壓強度的影響因素巖石自身性質的因素巖石種類抗壓強度(MPa)巖石種類抗壓強度(MPa)粗玄巖196～343石英片巖69～178輝長巖177～294云母片巖59～127閃長巖177～294凝灰?guī)r59～167玄武巖147～294千枚巖49～196石英巖147～294片麻巖49～196花崗巖98～245石灰?guī)r29～245流紋斑巖98～245砂巖19.6～196大理巖98～245泥灰?guī)r12～98板巖98～196頁巖9.8～98白云巖78～245煤4.9～49層理結構：強度各向異性巖石抗壓強度的影響因素試驗三條件三對巖三石抗三壓強三度的三影響①試樣三幾何三形狀三及加三工精三度的三影響多邊三形試三樣易三引起三應力三集中三，故三易破三壞；三橫截三面形三狀對三強度三的影三響：圓形>六多三邊形>四邊三形>三邊三形試三件；加三工精三度影三響應三力分三布形三式，三如彎三矩。巖石三具有三尺寸三效應三：試三樣尺三寸越三大，三巖石三強度三越低圓形三試件三的優(yōu)三點：三不易三產(chǎn)生三應力三集中三，好三加工三；對三圓柱三試件三的尺三寸要三求：三大于三礦物三顆粒三的10倍；三高徑三比：h/三d≥三(2－3)較合三理，三尺寸三效應三其抗三壓強三度影三響的三經(jīng)驗三公式三：②加載三速率三對抗三壓強三度的三影響三：加載三速度三越大三，表三現(xiàn)強三度越三高，三我國三規(guī)定三加載三速度三為試驗三條件三對巖三石抗三壓強三度的三影響③端面三條件三：主要三是端三面摩三擦力三限制三試樣三的橫三向膨三脹,改變?nèi)瞬咳龖θ隣顟B(tài)三。試驗三條件三對巖三石抗三壓強三度的三影響環(huán)境三對抗三壓強三度的三影響含水三量：三含水三量越三大強三度越三低；三巖石三越軟三越明三顯，三對泥三巖、三粘土三等軟三弱巖三體，三干燥三強度三是飽三和強三度的2－3倍。溫度三：18三0℃以下三不明三顯：三大于18三0℃，溫三度越三高強三度越三小。注意三：巖三心的三保存——盡可三能的三維持三井下三狀況三。1.定義三：巖石三的抗三拉強三度就是三巖石三試件三在單三軸拉三力作三用下三抵抗三破壞三的極三限能三力或三極限三強度三在數(shù)三值上三等于三破壞三時的三最大三拉應三力。三巖石三的抗三拉強三度比三其抗三壓強三度低三得多三。2.意義三：a）衡三量巖三體力三學性三質的三重要三指標b）用三來建三立巖三石強三度判三據(jù)，三確定三強度三包絡三線c）選三擇建三筑石三材不三可缺三少的三參數(shù)3.測定三方法三：a）直三接拉三伸b）間三接法三（劈三裂法三、點三荷載三法、三三點三彎曲三法）2.巖石三的抗三拉強三度實驗三時將三這種三試件三兩端三固定三在拉三力機三上，三然后三對試三樣施三加軸三向拉三力，三直至三試件三破壞三，試三件的三抗拉三強度三為：缺點三：試三樣制三備困三難，三它不三易與三拉力三機固三定，三且在三試樣三斷裂三處附三近往三往有三應力三集中三，同三時難三免在三試件三兩端三面有三彎矩三。關鍵三技術三：①三試件三和夾三具之三間的三連接三；②三加力P與試三件同三心抗拉三強度三的直三接實三驗法抗拉三強度三的劈三裂實三驗法三（巴三西實三驗）由巴三西人Ho三nd三ro三s提出試件三：實三心圓三柱φ5三0m三m；厚三度l=三(0三.5三-1三)D試驗三：徑三向壓三縮破三壞（三張開三）要求三：①三荷載三沿軸三向均三勻分三布②三破壞三面必三須通三過試三件的三直徑注：三①端三部效三應；三②并三非完三全單三向應三力巴西三實驗三試件三內(nèi)應三力分三布計算三公式三：由三彈性三力學三公式式中三：t——試件三中心三的最三大拉三應力三，抗三拉強三度p——實驗三中破三壞時三的壓三力D——試件三的直三徑t——試件三的厚三度巴西三實驗三的數(shù)三據(jù)處三理是上三世紀三發(fā)展三起來三的一三種簡三便的三現(xiàn)場三試驗三方法三。試件三：任何三形狀三，尺三寸大三致5c三m，不三做任三何加三工試驗三：在直三接帶三到現(xiàn)三場的三點荷三載儀三上，三加載三劈裂三破壞三。點載三荷強三度實三驗計算三公式三：式中三：P——試件三破壞三時的三極限三力D——加載三點試三件的三厚度統(tǒng)計三公式三：要求:（由三于離三散性三大）三，每三組15個，三取均三值，三即建議三：用φ5三cm的鉆三孔巖三芯為三試件三。巖石三中包三含有三大量三的微三裂隙三和孔三隙，巖塊三抗拉三強度三受其三影響三很大，直三接削三弱了三巖塊三的抗三拉強三度。三相對三而言三，空隙三對巖三塊抗三壓強三度的三影響三就小三得多，因三此，三巖塊三的抗三拉強三度一三般遠三小于三其抗三壓強三度。通常三把抗三壓強三度與三抗拉三強度三的比三值稱三為脆性三度，用以三表征三巖石三的脆三性程三度。微裂三隙對三抗拉三強度三的影三響常見三巖石三的抗三拉強三度巖石名稱抗拉強度（MPa）巖石名稱抗拉強度（MPa）巖石名稱抗拉強度（MPa）輝長巖15~36花崗巖7~25頁巖2~10輝綠巖15~35流紋巖15~30砂巖4~25玄武巖10~30閃長巖10~25礫巖2~15石英巖10~30安山巖10~20灰?guī)r5~20大理巖7~20片麻巖5~20千枚巖、片巖1~10白云巖15~25板巖7~153.巖石三的剪三切強三度1)定義三：在剪切三荷載作用三下，三巖塊三抵抗三剪切三破壞三的最三大剪三應力三，稱三為剪三切強三度。2)類型三：抗剪三斷強三度：指試三件在三一定三的法向三應力作用三下，三沿預定剪切三面剪三斷時三的最三大剪三應力抗切三強度三：指試三件上三的法向三應力三為零時，三沿預三定剪三切面三剪斷三時的三最大三剪應三力摩擦三強度三：指試三件在三一定三的法三向應三力作三用下三，沿已有破裂三面（三層面三、節(jié)三理等三）再三次剪三切破三壞時三的三最大三剪應三力。抗剪三實驗三的三三種類三型剪切三強度三的意三義：反映三巖塊三的力三學性三質的三重要三指標用來三估算三巖石三力學三參數(shù)三及建三立強三度判三據(jù)抗剪三斷強三度的測試三方法三：1）直剪三試驗2）變?nèi)前迦羟腥囼?）三三軸試三驗剪切三強度三實驗三的意三義與三測試三方法直剪三試驗在直三剪儀三上進三行，三按庫三侖定三律求三巖塊三的剪三切強三度參三數(shù)C、φ值。直剪三試驗P——壓力三機的三總壓三力A——破壞三面面三積——試件三傾角f——圓柱三形滾三子與三上下三壓板三的摩三擦系三數(shù)楔形剪切儀試驗三設備破壞三面應三力計三算：楔形三剪切三試驗實驗三結果三處理抗剪三斷實三驗抗剪三實驗4三軸三壓縮三強度定義三：試件三在三三向壓三應力三作用三下能三抵抗三的最三大軸三向應三力測定三方法:在一三定的三圍壓σ3下，三對試三件進三行三三軸試三驗時三，巖三塊的三三軸三壓縮三強度σ1m(M三Pa三)為：圍壓三對變?nèi)纹迫龎牡娜绊憥r石三破壞三前應三變峰值三強度隨3增大三而增三大隨3增大三巖石三變形三模量三增大三，軟三巖增三大明三顯，三致密三的硬三巖增三大不三明顯隨3增大三，巖石三的塑三性不三斷增三大，三隨3增大三到一三定值三時，三巖石三由彈三脆性三轉變?nèi)秊樗苋浴Ｈ@時三，3的大三小稱三為“轉化三壓力”。隨3的增三大，巖塊三從脆三性劈三裂破三壞逐三漸向三塑性三剪切三及塑三性流三動破三壞方三式過三渡。圍壓三對變?nèi)纹迫龎牡娜绊憞鷫喝龑ψ內(nèi)纹迫龎牡娜绊戇_到破壞時的應變(%)<11—52—85—10>10破壞形式脆性破壞脆性破壞過渡破壞延性破壞延性破壞試件破壞情況應力-應變曲線基本類型破壞機制張破裂以張為主的破裂剪破裂剪切流動破裂塑性流動圍壓三對變?nèi)纹迫龎牡娜绊懘嘈匀龓r石三受到三的圍三壓升三高利用三三軸三實驗三確定三抗剪三強度根據(jù)三一組三試件(4個以三上)實驗三得到三的三三軸壓三縮強三度σ1m和相三應的σ3以及三單軸三抗拉三強度σt。在σ-三τ坐標三系中三可繪三制出三巖塊三的強三度包三絡線三。除三頂點三外，三包絡三線上三所有三點的三切線三與σ軸的三夾角三及其三在τ軸上三的截三距分三別代三表相三應破三壞面三的內(nèi)三摩擦三角(φ三)和粘三聚力(C三)。第三三節(jié)三巖三石的三強度三準則定義三：表征三巖石破壞條件三的應力三狀態(tài)與巖三石強度三參數(shù)間的函數(shù)三關系，稱為三破壞三判據(jù)（fa三il三ur三e三cr三it三er三io三n)或稱三強度三準則三、強三度判三據(jù)。σ1=F三(σ2,σ3,σC,σt,C三,Ф三)莫爾三強度三準則莫爾-庫侖三強度三準則八面三體強三度準三則德魯三克-普拉三格強三度準三則格里三菲斯三強度三準則Ho三ek三-B三ro三wn強度三準則弱面三破壞三準則巖石三的強三度準三則莫爾三強度三準則莫爾三認為三：材三料在三極限三狀態(tài)三下，三剪切三面上三的剪三應力三就達三到了三隨法三向應三力和三材料三性質三而定三的極三限值三時，三發(fā)生三破壞三。也就三是說三，當三材料三中一三點可三能滑三動面三上的三剪應三力超三過該三面上三的剪三切強三度時三，該三點就三產(chǎn)生三破壞三，而三滑動三面的三剪切三強度τ又是三作用三于該三面上三法向三應力σ的函三數(shù)。判斷三巖石三中一三點是三否會三發(fā)生三剪切三破壞三時，三可在莫爾三包絡三線上，三疊加三上反三映實三際研三究點三應力三狀態(tài)三的莫三爾應三力圓三，如三果應三力圓三與包三絡線三相切三或相三割，三則研三究點三將產(chǎn)三生破三壞；三如果三應力三圓位三于包三絡線三下方三，則三不會三產(chǎn)生三破壞三。莫爾三強度三準則莫爾三應力三圓1122莫爾三強度三準則-拋物三線型適用三于較軟三弱的巖三石，三如泥三灰?guī)r三、砂三巖、三泥頁三巖等三巖石三。莫爾三強度三準則–雙曲三線型適用三于砂三巖、三灰?guī)r三、花三崗巖三等堅三硬、三較堅三硬巖三石。莫爾-庫侖三強度三準則大部三分巖三石工三作者三認為三，當三壓力三不大三時(例如三當σ的值三小于10三MP三a時)，可三在實三際應三用上三采用三直線三。為了三簡化三運算三，巖三石力三學中三大多三數(shù)采三用直三線形三的包三絡線三，也三就是三說，三巖石三的強三度條三件可三用庫侖三方程表示三：莫爾-庫侖三準則三的主三應力三表示三方法當si三g3三=0時：當si三g1三=0時：破壞三面法三線與三最大三主應三力的三夾角八面三體強三度準三則當八三面體三剪應三力達三到一三定數(shù)三值時三材料三發(fā)生三破壞三。在材三料力三學中三又稱三為米澤三斯屈三服條三件。德魯三克-普拉三格強三度準三則莫爾-庫侖三準則三