第四節巖石的力學性質一、巖石的強度

巖石在各種荷載作用下達到破壞時所能承受的最大應力稱巖石的強度（strengthofrock）。第四節巖石的力學性質一、巖石的強度11、巖石強度試驗的基本要求巖石的固有性質：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地特征，如巖石地顏色，密度等都是巖石地固有性質。1、巖石強度試驗的基本要求巖石的固有性2用試驗來確定各種巖石強度指標值地影響因素試件尺寸試件形狀試件三維尺寸比例加載速率濕度用試驗來確定各種巖石強度指標值地影響因素試件尺32、單軸抗壓強度

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（uniaxialcompressivestrength），或稱為非限制性抗壓強度（unconfinedcompressivestrength）。國際上通常把單軸抗壓強度表示為UCS，我國習慣于將單軸抗壓強度表示為，其值等于達到破壞時的最大軸向壓力P除以試件的橫截面積A，即（1－14）

2、單軸抗壓強度巖石在單軸壓縮荷載作用下4

試件在單軸壓縮荷載作用下破壞時，在測件中可產生三種破壞形式：（1）X狀共扼斜面剪切破壞（2）單斜面剪切破壞（3）拉伸破壞

試件形狀可以時立方體（50mm×50mm×50mm或70mm×70mm×70mm），也可以是圓柱體，但使用最廣泛的是圓柱體，圓柱體直徑一般小于50mm，圓柱體試件長度與直徑之比（）對試驗結果有很大影響。以表示實際的巖石單軸抗壓強度，以表示試驗所測得的巖石單軸抗壓強度，用公式表示為，即

（1－15）試件在單軸壓縮荷載作用下破壞時，在測件中可產生53）3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.拉伸破壞，在軸向壓應力作用下，在橫向將產生拉應力。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。3）3種破壞形式：63、三軸抗壓強度點荷載強度指標（pointloadstrengthindex）是一種最簡單的巖石強度試驗，其試驗所獲得的強度指標可用做巖石分級的一個指標，有時可代替單軸抗壓強度。4、點荷載強度指標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力稱為巖石的三軸抗壓強度（triaxialcompressivestrength）或限制抗壓強度（confinedcompressivestrength）。3、三軸抗壓強度點荷載強度指標（poin7點荷載試驗所獲得的強度指標用（indexofstrength），其值等于，

（1－16）ISRM將直徑為50mm的圓柱體試件徑向加載試驗的強度指標值（50）確定為標準試驗值，其他尺寸試件的試驗結果需要公式（1－17）進行修正。（1－17）

（當D≤55mm時）（1－18）

（當D＞55mm時）（1－19）點荷載試驗所獲得的強度指標用（index8

進行現場巖石分級時需用作為點荷載強度指標。可由下式轉換為單軸抗壓強度：（1－20）式中為L:D=2:1的試件單軸抗壓強度5、抗拉強度

巖石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稱為巖石的單軸抗拉強度（tensilestrength），或簡稱為抗拉強度。通常以T或表示抗拉強度，其值等于達到破壞時的最大軸向拉伸荷載除以試件的橫截面積A，即

（1－21）進行現場巖石分級時需用作為點荷載96、抗剪切強度巖石在在剪切荷載作用下達到破壞所能承受的最大剪應力稱為巖石的抗剪切強度（shearstrength）。剪切強度試驗分為非限制性剪切強度試驗（unconfinedshearstrengthtest）和限制性剪切強度試驗（confinedshearstrengthtest）二類。6、抗剪切強度巖石在在剪切荷載作用下達到破壞10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。典型的非限制性剪切強度試驗有四種：單軸剪切試驗、雙面剪切試驗、沖擊剪切試驗和扭轉剪切試驗。非限制性剪切試驗在剪切面上只有剪應力存在，沒11

非限制性剪切強度記為S0，其值由下列公式計算：（a）單面剪切試驗（1－26）

式中，為試件被剪斷前達到的最大剪力，A為試件沿剪切方向截面積（㎡）（b）雙面剪切試驗（1－27）

（c）沖擊剪切試驗（1－28）

（d）扭轉剪切試驗（1－29）

式中，為試件被剪斷前達到的最大扭距（N·m）；D為試件直徑（m）非限制性剪切強度記為S0，其值由下列公式計算：127、破壞后強度（post-failurestrength）

在通常的材料試驗機條件下，在試件達到峰值強度前，試件的變形是逐步的和緩慢的，當達到峰值強度后，試件將發生突發性的破壞，試件被崩裂，巖石碎塊向四面飛射，并伴隨很大的聲響，試驗突然停止。全應力－應變曲線除能全面顯示巖石在受壓破壞過程中的應力、變形特征，特別是破壞后的強度與力學性質變化規律外，還有以下三方面：

a、預測巖爆b、預測蠕變破壞c、預測循環加載條件下巖石的破壞7、破壞后強度（post-failurestrength）13二、巖石的變形性質1、概述

巖石變形有彈性變形塑性變形和粘性變形三種。彈性（elasticity）物體在受外力作用的瞬間即產生全部變形，而去除外力（卸載）后又能立即恢復其原有形狀和尺寸的性質稱為彈性。塑性（plasticity）物體受力后產生變形，在外力去除（卸載）后變形不能完全恢復的性質，稱為塑性。粘性（viscosity）物體受力后變形不能在瞬時完成，且應變速率隨應力增加而增加的性質，稱為粘性。二、巖石的變形性質1、概述142、單軸壓縮條件下巖石變形特征

由全應力－應變曲線可將巖石的變形分為下列四個階段：

a、孔隙裂隙壓密階段b、彈性變形至微彈性裂隙穩定發展階段c、非穩定破裂階段，或稱累進性破裂階段d、破裂后階段2、單軸壓縮條件下巖石變形特征由全應力－應變15

根據峰值前的應力－應變曲線將巖石分成六種類型：

類型Ⅰ應力與應變關系是一直線或者近似直線，直到試件發生突然破壞為止。

類型Ⅱ應力較低時，應力－應變曲線近似于直線，當應力增加到一定數值后應力－應變曲線向下彎曲，隨著應力逐漸增加而曲線斜率也就越變越小。

類型Ⅲ在應力較低時，應力－應變曲線略向上彎曲，當應力增加到一定數值后，應力－應變曲線逐漸變為直線，直至發生破壞。

類型Ⅳ應力較低時，應力－應變曲線向上彎曲，當壓力增加到一定值后，變形曲線成為直線，最后，曲線向下彎曲，曲線似S型。

類型Ⅴ基本上與類型Ⅳ相同，也呈S型。

類型Ⅵ應力－應變曲線開始先有很小一段直線部分，然后有非彈性的曲線部分，并繼續不斷地蠕變。這是巖鹽的應力－應變特征曲線，某些軟弱巖石也具有類似特性，這類材料被稱為彈－粘性體。根據峰值前的應力－應變曲線將巖石分成六種類型：163、反復加載與卸載（循環荷載）條件下的巖石變形特征

在巖石工程中，常常會遇到循環荷載作用，巖石在這種條件下破壞時的應力往往低于其靜力狀態。

4、三軸壓縮條件下的巖石變形特征

三軸壓縮條件下的巖石變形通過三軸試驗進行研究。巖石類型轉化壓力/MPa巖石類型轉化壓力/MPa鹽巖0石灰巖20～100白堊＜10砂巖＞100密實巖石0～20花崗巖≥100

表1－12幾種巖石的轉化壓力（室溫）3、反復加載與卸載（循環荷載）條件下的巖石變形特征巖石類型175、巖石變形指標及其確定巖石的變形特性通常用彈性模量變形模量和泊松比等指標。a、彈性模量應力與應變的比率被稱為巖石的彈性模量E。其應力－應變關系為下列直線方程：（1－31）如果巖石的應力－應變關系不是直線，而是曲線，但應力與應變之間有著惟一的關系，即（1－32）

b、泊松比巖石的橫向應變與縱向應變的比值稱為泊松比，即（1－37）

巖石的變形模量和泊松比受巖石礦物組成結構構造風化程度空隙性含水率微結構面及與荷載方向的關系等多種因素的影響，變化較大。5、巖石變形指標及其確定18

除變形模量和泊松比兩個最基本的參數外，還有一些從不同角度反映巖石變形性質的參數。如剪切模量拉梅模量及體積模量等。這些參數與變形模量及泊松比之間有如下關系：（1－38）（1－39）（1－40）除變形模量和泊松比兩個最基本的參數外，還有一196、巖石的擴容

巖石的擴容現象是巖石具有的一種普遍性質，是巖石在荷載作用下，在其破壞之前產生的一種明顯的非彈性體積變形。7、巖石的各向異性

巖石的全部或部分物理力學性質隨方向不同而表現出差異的現象稱為巖石的各向異性。6、巖石的擴容20

關于各向異性體的應力－應變關系有四種情況：

a、極端各向異性體的應力－應變關系

特點：任何一個應力分量都會引起六個應變分量，也就是說正應力不僅能引起線應變，也能引起剪應變；剪應變不僅能引起剪應變，也能引起線應變。

b、正交各向異性體的應力－應變關系c、橫觀各向同性體的應力－應變關系

橫觀各向同性體是各向異性體的特殊情況。

d、各向同性體

若物體內的任一點沿任何方向的彈性都相同，則這樣的物體稱為各向同性體。在各向同性體的彈性參數中只有二個是獨立的，即彈性模量和泊松比。NextsectionFormersectionreturn關于各向異性體的應力－應變關系有四種情況：Next21第四節巖石的力學性質一、巖石的強度

巖石在各種荷載作用下達到破壞時所能承受的最大應力稱巖石的強度（strengthofrock）。第四節巖石的力學性質一、巖石的強度221、巖石強度試驗的基本要求巖石的固有性質：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地特征，如巖石地顏色，密度等都是巖石地固有性質。1、巖石強度試驗的基本要求巖石的固有性23用試驗來確定各種巖石強度指標值地影響因素試件尺寸試件形狀試件三維尺寸比例加載速率濕度用試驗來確定各種巖石強度指標值地影響因素試件尺242、單軸抗壓強度

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（uniaxialcompressivestrength），或稱為非限制性抗壓強度（unconfinedcompressivestrength）。國際上通常把單軸抗壓強度表示為UCS，我國習慣于將單軸抗壓強度表示為，其值等于達到破壞時的最大軸向壓力P除以試件的橫截面積A，即（1－14）

2、單軸抗壓強度巖石在單軸壓縮荷載作用下25

試件在單軸壓縮荷載作用下破壞時，在測件中可產生三種破壞形式：（1）X狀共扼斜面剪切破壞（2）單斜面剪切破壞（3）拉伸破壞

試件形狀可以時立方體（50mm×50mm×50mm或70mm×70mm×70mm），也可以是圓柱體，但使用最廣泛的是圓柱體，圓柱體直徑一般小于50mm，圓柱體試件長度與直徑之比（）對試驗結果有很大影響。以表示實際的巖石單軸抗壓強度，以表示試驗所測得的巖石單軸抗壓強度，用公式表示為，即

（1－15）試件在單軸壓縮荷載作用下破壞時，在測件中可產生263）3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.拉伸破壞，在軸向壓應力作用下，在橫向將產生拉應力。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。3）3種破壞形式：273、三軸抗壓強度點荷載強度指標（pointloadstrengthindex）是一種最簡單的巖石強度試驗，其試驗所獲得的強度指標可用做巖石分級的一個指標，有時可代替單軸抗壓強度。4、點荷載強度指標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力稱為巖石的三軸抗壓強度（triaxialcompressivestrength）或限制抗壓強度（confinedcompressivestrength）。3、三軸抗壓強度點荷載強度指標（poin28點荷載試驗所獲得的強度指標用（indexofstrength），其值等于，

（1－16）ISRM將直徑為50mm的圓柱體試件徑向加載試驗的強度指標值（50）確定為標準試驗值，其他尺寸試件的試驗結果需要公式（1－17）進行修正。（1－17）

（當D≤55mm時）（1－18）

（當D＞55mm時）（1－19）點荷載試驗所獲得的強度指標用（index29

進行現場巖石分級時需用作為點荷載強度指標。可由下式轉換為單軸抗壓強度：（1－20）式中為L:D=2:1的試件單軸抗壓強度5、抗拉強度

巖石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稱為巖石的單軸抗拉強度（tensilestrength），或簡稱為抗拉強度。通常以T或表示抗拉強度，其值等于達到破壞時的最大軸向拉伸荷載除以試件的橫截面積A，即

（1－21）進行現場巖石分級時需用作為點荷載306、抗剪切強度巖石在在剪切荷載作用下達到破壞所能承受的最大剪應力稱為巖石的抗剪切強度（shearstrength）。剪切強度試驗分為非限制性剪切強度試驗（unconfinedshearstrengthtest）和限制性剪切強度試驗（confinedshearstrengthtest）二類。6、抗剪切強度巖石在在剪切荷載作用下達到破壞31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。典型的非限制性剪切強度試驗有四種：單軸剪切試驗、雙面剪切試驗、沖擊剪切試驗和扭轉剪切試驗。非限制性剪切試驗在剪切面上只有剪應力存在，沒32

非限制性剪切強度記為S0，其值由下列公式計算：（a）單面剪切試驗（1－26）

式中，為試件被剪斷前達到的最大剪力，A為試件沿剪切方向截面積（㎡）（b）雙面剪切試驗（1－27）

（c）沖擊剪切試驗（1－28）

（d）扭轉剪切試驗（1－29）

式中，為試件被剪斷前達到的最大扭距（N·m）；D為試件直徑（m）非限制性剪切強度記為S0，其值由下列公式計算：337、破壞后強度（post-failurestrength）

在通常的材料試驗機條件下，在試件達到峰值強度前，試件的變形是逐步的和緩慢的，當達到峰值強度后，試件將發生突發性的破壞，試件被崩裂，巖石碎塊向四面飛射，并伴隨很大的聲響，試驗突然停止。全應力－應變曲線除能全面顯示巖石在受壓破壞過程中的應力、變形特征，特別是破壞后的強度與力學性質變化規律外，還有以下三方面：

a、預測巖爆b、預測蠕變破壞c、預測循環加載條件下巖石的破壞7、破壞后強度（post-failurestrength）34二、巖石的變形性質1、概述

巖石變形有彈性變形塑性變形和粘性變形三種。彈性（elasticity）物體在受外力作用的瞬間即產生全部變形，而去除外力（卸載）后又能立即恢復其原有形狀和尺寸的性質稱為彈性。塑性（plasticity）物體受力后產生變形，在外力去除（卸載）后變形不能完全恢復的性質，稱為塑性。粘性（viscosity）物體受力后變形不能在瞬時完成，且應變速率隨應力增加而增加的性質，稱為粘性。二、巖石的變形性質1、概述352、單軸壓縮條件下巖石變形特征

由全應力－應變曲線可將巖石的變形分為下列四個階段：

a、孔隙裂隙壓密階段b、彈性變形至微彈性裂隙穩定發展階段c、非穩定破裂階段，或稱累進性破裂階段d、破裂后階段2、單軸壓縮條件下巖石變形特征由全應力－應變36

根據峰值前的應力－應變曲線將巖石分成六種類型：

類型Ⅰ應力與應變關系是一直線或者近似直線，直到試件發生突然破壞為止。

類型Ⅱ應力較低時，應力－應變曲線近似于直線，當應力增加到一定數值后應力－應變曲線向下彎曲，隨著應力逐漸增加而曲線斜率也就越變越小。

類型Ⅲ在應力較低時，應力－應變曲線略向上彎曲，當應力增加到一定數值后，應力－應變曲線逐漸變為直線，直至發生破壞。

類型Ⅳ應力較低時，應力－應變曲線向上彎曲，當壓力增加到一定值后，變形曲線成為直線，最后，曲線向下彎曲，曲線似S型。

類型Ⅴ基本上與類型Ⅳ相同，也呈S型。

類型Ⅵ應力－應變曲線開始先有很小一段直線部分，然后有非彈性的曲線部分，并繼續不斷地蠕變。這是巖鹽的應力－應變特征曲線，某些軟弱巖石也具有類似特性，這類材料被稱為彈－粘性體。根據峰值前的應力－應變曲線將巖石分成六種類型：373、反復加載與卸載（循環荷載）條件下的巖石變形特征

在巖石工程中，常常會遇到循環荷載作用，巖石在這種條件下破壞時的應力往往低于其靜力狀態。

4、三軸壓縮條件下的巖石變形特征

三軸壓縮條件下的巖石變形通過三軸試驗進行研究。巖石類型轉化壓力/MPa巖石類型轉化壓力/MPa鹽巖0石灰巖20～100白堊＜10砂巖＞100密實巖石0～20花崗巖≥100

表1－12幾種巖石的轉化壓力（室溫）3、反復加載與卸載（循環荷載）條件下的巖石變形特征巖石類型385、巖石變形指標及其確定巖石的變形特性通常用彈性模量變形模量和泊松比等指標。a、彈性模量應力與應變的比率被稱為巖石的彈性模量E。其應力－應變關系為下列直線方程：