1、一一 巖石的單軸抗壓強(qiáng)度巖石的單軸抗壓強(qiáng)度二二 巖石的抗拉強(qiáng)度巖石的抗拉強(qiáng)度三三 巖石的抗剪強(qiáng)度巖石的抗剪強(qiáng)度四四 巖石在三向壓縮應(yīng)力作用下的強(qiáng)度巖石在三向壓縮應(yīng)力作用下的強(qiáng)度 第二節(jié)第二節(jié) 巖石的強(qiáng)度特性巖石的強(qiáng)度特性第二節(jié)第二節(jié) 巖石的強(qiáng)度特性巖石的強(qiáng)度特性 工程師對材料提出兩個問題工程師對材料提出兩個問題 1 1 最大承載力最大承載力許用應(yīng)力許用應(yīng)力 ？ 2 2 最大允許變形許用應(yīng)變最大允許變形許用應(yīng)變 ？ 本節(jié)討論本節(jié)討論 問題問題 強(qiáng)度：材料受力時抵抗破壞的能力。強(qiáng)度：材料受力時抵抗破壞的能力。強(qiáng)度強(qiáng)度單向抗壓強(qiáng)度單向抗壓強(qiáng)度單向抗拉強(qiáng)度單向抗拉強(qiáng)度剪切強(qiáng)度剪切強(qiáng)度三軸壓縮三軸壓縮真

2、三軸真三軸假三軸假三軸一一 巖石的單軸抗壓強(qiáng)度巖石的單軸抗壓強(qiáng)度1.1.定義：指巖石試件在無側(cè)限的條件下，受軸定義：指巖石試件在無側(cè)限的條件下，受軸向壓力作用破壞時單位面積上承受的荷載。向壓力作用破壞時單位面積上承受的荷載。 APRc/ 式中：式中：PP無側(cè)限的條件下的軸向破壞荷載無側(cè)限的條件下的軸向破壞荷載 AA試件截面積試件截面積 2. 2.試驗方法試驗方法: : 在壓力機(jī)上按一定加載速率在壓力機(jī)上按一定加載速率 單向加壓直至試件破壞。單向加壓直至試件破壞。 圓柱形試件：圓柱形試件：4.84.85.2cm 5.2cm ，高，高H=H=（2 22.5)2.5) 長方體試件：邊長長方體試件：邊

3、長 L = 4.8L = 4.85.2cm 5.2cm 高高 H =H =（2 22.5)L2.5)L 試件兩端不平度小于試件兩端不平度小于0.05mm0.05mm；尺寸誤差；尺寸誤差0.3mm 0.3mm ； 兩端面垂直于軸線兩端面垂直于軸線0.250.25試件標(biāo)準(zhǔn)試件標(biāo)準(zhǔn)3.3.單向壓縮試件的破壞形態(tài)單向壓縮試件的破壞形態(tài) 破壞形態(tài)有兩類：破壞形態(tài)有兩類：（1 1圓錐形破壞圓錐形破壞 緣由：壓板兩端存在摩擦力，緣由：壓板兩端存在摩擦力，箍作用又稱端部效應(yīng)），在工程中也會出現(xiàn)。箍作用又稱端部效應(yīng)），在工程中也會出現(xiàn)。（2 2柱狀劈裂破壞柱狀劈裂破壞 張拉破壞巖石的抗拉強(qiáng)張拉破壞巖石的抗拉強(qiáng)度

4、遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度是巖石單向壓縮破壞的真實度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度是巖石單向壓縮破壞的真實反映消除了端部效應(yīng)）反映消除了端部效應(yīng)） 消除試件端部約束的方法消除試件端部約束的方法: : 潤滑試件端部如墊云母片；涂黃油在端部）潤滑試件端部如墊云母片；涂黃油在端部） 加長試件加長試件 破壞形態(tài)是表現(xiàn)破壞機(jī)理的重要特征，破壞形態(tài)是表現(xiàn)破壞機(jī)理的重要特征，其主要影響因素：其主要影響因素：應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力狀態(tài) 試驗條件試驗條件1試樣端面的壓應(yīng)力分布圖巖塊在單軸壓縮條件下的破壞型式單軸壓縮試樣端面的應(yīng)力分布及破壞型式單軸壓縮試樣端面的應(yīng)力分布及破壞型式劈裂破壞1剪切破壞1對頂錐破壞1 1 1 4.4.影響單軸抗壓強(qiáng)度的主要

5、因素影響單軸抗壓強(qiáng)度的主要因素（1 1承壓板端部摩擦力及其剛度加墊塊依據(jù)）承壓板端部摩擦力及其剛度加墊塊依據(jù)）（2 2試件的形狀和尺寸試件的形狀和尺寸 外形：圓形試件不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，好加工外形：圓形試件不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，好加工 尺寸：大于礦物顆粒的尺寸：大于礦物顆粒的1010倍；倍； 5050的依據(jù)的依據(jù) 高徑比：研究表明；高徑比：研究表明；h/d(2h/d(23)3)較合理較合理（3 3加載速度：加載速度越大，表現(xiàn)強(qiáng)度越高加載速度：加載速度越大，表現(xiàn)強(qiáng)度越高( (見見圖圖2 25)5)，我國規(guī)定加載速度為，我國規(guī)定加載速度為0.5 0.5 1.0MPa/s1.0MPa/s（4 4環(huán)境環(huán)境

6、含水量：含水量越大強(qiáng)度越低；巖石越軟越含水量：含水量越大強(qiáng)度越低；巖石越軟越明顯，對泥巖、粘土等軟弱巖體，干燥強(qiáng)度是飽明顯，對泥巖、粘土等軟弱巖體，干燥強(qiáng)度是飽和強(qiáng)度的和強(qiáng)度的2 23 3倍。見表倍。見表2 22 2 溫度：溫度：180180以下以下部明顯：大于部明顯：大于180180，溫度越高強(qiáng)度越小。，溫度越高強(qiáng)度越小。表3-1 巖石的單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度巖 石名 稱抗壓強(qiáng)度(MPa)抗拉強(qiáng)度(MPa)巖 石名 稱抗壓強(qiáng)度(MPa)抗拉強(qiáng)度(MPa)花 崗 巖100250725石 灰?guī)r30250525閃 長 巖1803001530白 云巖802501525粗 玄巖2003501535煤5

7、5025玄 武 巖1503001030片 麻巖50200520砂 巖20170425大 理巖100250720頁 巖10100210板 巖100200720二二 巖石的抗拉強(qiáng)度巖石的抗拉強(qiáng)度 1 1、定義、定義 巖石試件在受到軸向拉應(yīng)力后其試件發(fā)巖石試件在受到軸向拉應(yīng)力后其試件發(fā)生破壞時的單位面積上所受的拉力。生破壞時的單位面積上所受的拉力。 2 2、抗拉強(qiáng)度試驗、抗拉強(qiáng)度試驗 由于試件不易加工，除研究直接的拉伸由于試件不易加工，除研究直接的拉伸的夾具外，研究了大量的間接試驗方法。的夾具外，研究了大量的間接試驗方法。 （1 1直接拉伸法直接拉伸法 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度APRt/ 關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)試

8、件和夾具之間的連接試件和夾具之間的連接加力加力P P與試件同心與試件同心 直接拉伸試驗直接拉伸試驗 1 1抗彎法梁的三點彎曲試驗）抗彎法梁的三點彎曲試驗） 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度（2 2） 間接拉伸方法間接拉伸方法巖石是各向同性的線彈性材料巖石是各向同性的線彈性材料滿足平面假設(shè)的對稱面內(nèi)彎曲滿足平面假設(shè)的對稱面內(nèi)彎曲適用條件適用條件IMCt/ 三點彎曲梁內(nèi)的最大拉應(yīng)力；三點彎曲梁內(nèi)的最大拉應(yīng)力； 梁發(fā)生破壞時的梁發(fā)生破壞時的 就是就是t t tRM M 作用在試件上的最大彎矩作用在試件上的最大彎矩C C 梁邊緣到中性軸的距離梁邊緣到中性軸的距離I I 梁截面繞中性軸的慣性矩梁截面繞中性軸的慣性矩 對

9、稱徑向壓裂法由巴西人對稱徑向壓裂法由巴西人HondrosHondros提出提出故稱巴西法。故稱巴西法。試件：實心圓柱試件：實心圓柱50mm50mm； 25mm 25mm實驗：徑向壓縮破壞張開）實驗：徑向壓縮破壞張開）計算公式：由彈性力學(xué)公式直接給出計算公式：由彈性力學(xué)公式直接給出Dtpt /2 tR式中：式中： 試驗中心的最大拉應(yīng)力，即試驗中心的最大拉應(yīng)力，即t 2 2劈裂法巴西法）劈裂法巴西法）要求要求荷載沿軸向均勻分布荷載沿軸向均勻分布破壞面必須通過試件的直徑破壞面必須通過試件的直徑注：注： 端部效應(yīng)端部效應(yīng) 并非完全單向應(yīng)力并非完全單向應(yīng)力巖石抗拉強(qiáng)度試驗劈裂法）巖石抗拉強(qiáng)度試驗劈裂法）

10、PP劈裂法試驗示意圖1承壓板；2試件；3鋼絲墊條P試件破壞時的極限壓力123試驗試件標(biāo)準(zhǔn)尺寸： 直徑 D =5 cm ；厚度 t = 5cm試件破壞時作用在試件中心的 最大拉應(yīng)力為：)(2atMPDtP 3 3點荷載試驗法點荷載試驗法 點荷載試驗法是上世紀(jì)發(fā)展起來的一種簡便點荷載試驗法是上世紀(jì)發(fā)展起來的一種簡便的現(xiàn)場試驗方法。的現(xiàn)場試驗方法。試件：任何形狀，尺寸大致試件：任何形狀，尺寸大致5cm5cm，可做簡單加工。，可做簡單加工。實驗：可在現(xiàn)場的點荷載儀上加載劈裂破壞。實驗：可在現(xiàn)場的點荷載儀上加載劈裂破壞。Pt 巖石點荷載強(qiáng)度試驗巖石點荷載強(qiáng)度試驗Pt 圓餅體點荷載加荷方式圓餅體點荷載加荷

11、方式圓柱體點荷載加荷方式圓柱體點荷載加荷方式Pt Pt 圓餅體點荷載加荷方式Dt2249.0DtPtt 圓柱體點荷載加荷方式DL D267.0DPtt上述式中：上述式中： 試樣抗拉強(qiáng)度，試樣抗拉強(qiáng)度，f /f /2 2 ；PP試樣破壞時點荷載，試樣破壞時點荷載， f f ；D D 試樣直徑，試樣直徑， ；t t 試樣厚度，；試樣厚度，；L L 試樣長度，試樣長度， 。 巖石抗拉強(qiáng)度與點荷載巖石抗拉強(qiáng)度與點荷載圓餅體點荷載加荷方式Dt 2/DPI IRt96.0 15196.0151iitIR計算點荷載強(qiáng)度計算點荷載強(qiáng)度I I 式中：式中：P P 試件破壞時的極限試件破壞時的極限 D D 加載點

12、試件的厚度加載點試件的厚度統(tǒng)計公式：統(tǒng)計公式：要求要求: :由于離散性大，試件要有足夠數(shù)量取均值由于離散性大，試件要有足夠數(shù)量取均值一般每組一般每組1515個以上），即個以上），即建議：用建議：用5cm5cm的鉆孔巖芯為試件結(jié)果更理想。的鉆孔巖芯為試件結(jié)果更理想。三三 巖石的抗剪強(qiáng)度巖石的抗剪強(qiáng)度 1. 1. 定義定義 指一定的應(yīng)力條件下主要指壓應(yīng)力），指一定的應(yīng)力條件下主要指壓應(yīng)力），所能抵抗的最大剪應(yīng)力。常用所能抵抗的最大剪應(yīng)力。常用表示表示 2. 2. 類型類型a.a.抗剪斷試驗抗剪斷試驗b.b.抗切斷試驗抗切斷試驗c.c.弱面抗剪試驗弱面抗剪試驗巖石抗剪強(qiáng)度巖石抗剪強(qiáng)度巖石的剪切強(qiáng)度有

13、三種：巖石的剪切強(qiáng)度有三種：抗剪斷強(qiáng)度抗剪斷強(qiáng)度抗切強(qiáng)度抗切強(qiáng)度弱面抗剪弱面抗剪切強(qiáng)度切強(qiáng)度3.剪切試驗 直接剪切試驗直接剪切試驗采用直接剪切儀來進(jìn)行。巖石的直接剪切儀與土的直接剪切儀類似，試驗儀器裝置如圖3-7a所示。儀器主要由上、下兩個剛性匣子所組成，試件在平面內(nèi)的尺寸，水利水電工程巖石試驗規(guī)程(1981年試行)規(guī)定：對測定軟弱結(jié)構(gòu)面的試件，規(guī)定為15153030cm，并規(guī)定結(jié)構(gòu)面上、下巖石的厚度分別約為斷面尺寸的1/2左右，對于測定巖石本身抗剪強(qiáng)度的試件沒有明確規(guī)定，一般用55cm。 NT12直接剪切試驗每次試驗時，先在試樣上施加垂直荷載P，然后在水平方向逐漸施加水平剪切力T，直至達(dá)到最

14、大值發(fā)生破壞為止。 0123456702143n(mm)v(mm)(MPa)0f ffff直接剪切試驗從圖上還可以看出，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，根據(jù)研究，失去凝聚力的原因主要是由于不斷位移引起晶格錯位的緣故。 f0fapa0p 0 ff0 試 件N(b)Q(a)B2 34A1PsinPcosPfP pp楔形剪切試驗楔形剪切試驗用楔形剪切儀進(jìn)行。這種儀器的主要裝置見圖3-11(a)。試驗時的受力情況見圖3-11(b)。把裝有試件的這種裝置放在壓力機(jī)上進(jìn)行加壓，直至試件沿著AB面發(fā)生剪切破壞。所以這種試驗實際上也是另一種形式的直接剪切試驗。 aa 0fp0p0ppf0f f2

15、 B34A1試 件(a)(b)NQPsinPcosPfP f(Mpa) （ MP 圖3-11 楔形剪切儀 圖3-12 楔形剪切試驗結(jié)果 PsinPcosNQ變角板法剪切試驗變角板法剪切試驗PP ffP楔形剪切試驗計算公式計算公式 受剪面法向力及切向力：受剪面法向力及切向力： cossinsincosfPQfPN 式中：式中：p壓力機(jī)的總壓力壓力機(jī)的總壓力 試件傾角試件傾角 f 圓柱形滾子與上下壓板的摩擦系數(shù)圓柱形滾子與上下壓板的摩擦系數(shù) sincosfFPFN cossinfFPFQ 受剪面受剪面法向應(yīng)力：法向應(yīng)力： 剪應(yīng)力：剪應(yīng)力： 巖石的抗剪斷巖石的抗剪斷曲線強(qiáng)度曲線）曲線強(qiáng)度曲線） 改變

16、夾具傾角改變夾具傾角；在在3030度到度到7070度之間度之間 做一組大于做一組大于5 5次不同次不同的試驗，記錄的試驗，記錄所得的所得的 ，值；由該組值作曲線近值；由該組值作曲線近似直線得方程：似直線得方程：c tan 式中：式中：tantan巖石抗剪切內(nèi)摩擦系數(shù)巖石抗剪切內(nèi)摩擦系數(shù) c c 巖石的粘結(jié)力內(nèi)聚力）巖石的粘結(jié)力內(nèi)聚力）巖石在三向壓縮應(yīng)力作用下的強(qiáng)度巖石在三向壓縮應(yīng)力作用下的強(qiáng)度1. 1. 定義：定義： 指在不同三向壓縮應(yīng)力作指在不同三向壓縮應(yīng)力作用下巖石抵抗外荷載的最大應(yīng)力用下巖石抵抗外荷載的最大應(yīng)力 ff 321, 2. 2. 三向壓縮試驗簡介三向壓縮試驗簡介 （1 1） 真

17、三軸真三軸 見圖見圖 （2 2） 假三軸假三軸 見圖見圖0000321321軸壓縮試驗軸壓縮試驗這種試驗就是利用三軸向壓力試驗的成果來求出剪切面這種試驗就是利用三軸向壓力試驗的成果來求出剪切面上的與的關(guān)系。試驗的裝置上的與的關(guān)系。試驗的裝置(圖圖3-13)與試驗的方法和土的與試驗的方法和土的三軸壓力試驗相類似，三軸壓力試驗相類似， 圖圖13 三軸試驗裝置示意圖三軸試驗裝置示意圖1-施加垂直壓力；施加垂直壓力；2-側(cè)壓力液體出口；側(cè)壓力液體出口；3-側(cè)壓力液體進(jìn)口；側(cè)壓力液體進(jìn)口；4-密封設(shè)備；密封設(shè)備；5-壓力室；壓力室；6-側(cè)壓力；側(cè)壓力；7-球狀底座；球狀底座；8-試件試件 三軸壓縮試驗三

18、軸壓縮試驗這種試驗就是利用三軸向壓力試驗的成果來求出剪切面這種試驗就是利用三軸向壓力試驗的成果來求出剪切面上的與的關(guān)系。試驗的裝置上的與的關(guān)系。試驗的裝置(圖圖3-13)與試驗的方法和土的與試驗的方法和土的三軸壓力試驗相類似，三軸壓力試驗相類似， 圖圖-14 -14 極限莫爾應(yīng)力圓極限莫爾應(yīng)力圓 圖圖-15 -15 角閃巖角閃巖的三軸試驗結(jié)果的三軸試驗結(jié)果 313311 正應(yīng)力(MPa)剪應(yīng)力莫爾包絡(luò)線3.3.三軸壓縮試驗的破壞類型三軸壓縮試驗的破壞類型4.4.巖石三向壓縮強(qiáng)度的影響因素巖石三向壓縮強(qiáng)度的影響因素（1 1側(cè)壓力的影響側(cè)壓力的影響 圍壓越大，軸向壓力越大圍壓越大，軸向壓力越大（2 2加載途徑對巖石三向壓縮強(qiáng)度影響圖加載途徑對巖石三向壓縮強(qiáng)度影響圖2-132-13） A A、B B、C C三條虛線是三