第3讲 岩石的力学性质(2016版).ppt

第三讲 岩石的力学性质;3.1 岩石的强度性质 ;1、岩石单轴抗压强度 ;岩石单轴抗压强度受到试件的端部条件影响，在试验的准备过程中必须做好试件端部的平整度和光滑度处理，以消除端部约束效应，确保试件完全处于单向受压状态。同时必须使试件长度达到规定要求，以保证在试件中部出现均匀应力状态。岩石单轴强度 随着试件的长径比（L/D，高度与直径之比）的增大而降低，当长径比L/D≥2.5~3时， 趋于稳定。国际岩石力学学会《岩石力学试验建议方法》建议试件长径比L/D为2.5~3。我国《水利水电工程岩石试验规程》建议试件长径比L/D宜为2.0～2.5。通常在单轴压缩和三轴压缩试验中所用的标准圆柱体试件的尺寸为直径50mm，高度100mm。; 单轴受压的完整岩石试件可能发生的最常见的破坏形式是单斜面剪切破坏或X状共轭斜面剪切破坏。 对于其它的破裂形式，多数是由于端部处理不当造成的，也可能是试件中含有节理、裂隙或层理等结构面的原因，一旦出现，应仔细检查试验条件是否符合要求。; 以上两种主要的破坏形式都是由于破坏面的应力达到极限状态引起的，此时破裂面上既承受压应力，又承受剪应力，因而也称为压－剪破坏。通过分析可知，破坏面法线与载荷轴线（即试件轴线）的夹角为 ;2、岩石三轴抗压强度 ;常规三轴试验：围压一般通过液压油施加。由于试件侧表面被密封套包住，液压油不会在试件表面造成摩擦力，因而侧向压力可以均匀施加到试件表面。常规三轴试验中的轴压加载方式与单轴压缩试验相同，但由于围压的作用，加载时的端部效应比单轴加载时要轻微得多。这就是三轴试验结果比单轴试验结果离散性小的主要原因。 ;随着围压的增加，岩石的强度相应增高。;通过不同围压下的三轴压缩试验，可以得到莫尔强度包络线（Mohr’s strength envelop）。在一定的围压范围内，莫尔强度包络线基本上呈直线型；在更宽的围压范围内，莫尔强度包络线近似呈抛物线型。;直线型莫尔强度包络线与剪应力轴的截距称为岩石的粘结力(conhesion，或称内聚力)，与正应力轴的夹角称为岩石的内摩擦角（friction angle）。 而对抛物线型莫尔强度包??线，工程上为了方便起见常常作一些近似处理，例如取中间近似直线段的延长线与剪应力轴的截距为粘结力，与正应力轴的夹角为内摩擦角；或取莫尔强度包络线上与实际应力状态对应点上的切线与剪应力轴的截距为粘结力，与正应力轴的夹角为内摩擦角等等。 ;真三轴试验：最小主应力通过液压油施加，另外两个主应力通过刚性压板（platen）施加。由于两个方向存在端部效应，而且在两个刚性加载面的角点处应力状态极其复杂，因而试验结果离散性大。要解决这个问题，比较好的办法可能是在刚性压板与试件表面之间增加一层既能减摩又能传递应力的柔性接触，但这样做的同时将会进一步增加试验装置的设计难度。这就是国内外极少有人做这种试验的原因。 ;3、岩石抗剪强度 ;;4、岩石的抗拉强度 ;;3.2 岩石的强度性质 ;AB段：孔隙裂隙压密阶段，上凹 BC段：弹性变形、纵向微裂隙张开阶段 CD段：非稳定破裂累进发展阶段，C点为屈服点（扩容点，约为峰值强度的三分之二），标志着岩石开始从弹性变为塑性 DE段（破裂后阶段）：裂隙快速发展形成宏观断裂面，内部结构遭到破坏，试件承载力随变形增大迅速下降，但并不完全降到零，说明破裂后仍有残余强度。 ;岩石应力应变全过程曲线分类 ;假如岩石应力应变关系服从虎克定律（线弹性材料），则压缩弹性常数——弹性模量 和泊松比 可由下式计算：;事实上，自然界真正意义上的弹性岩石是不存在的，因为无论在任何应力水平卸载，都不可能完全恢复到加载前的初始应变状态；无论在应力应变曲线上的任一段上，其变形模量都不完全相同，横向应变与轴向应变的比值也不是一个确定的常数。 所谓岩石的弹性模量、泊松比等，都是人为假定的变形参数，严格意义上是不存在的。作这样的人为假定，完全是为了解决实际问题的简化需要。 所谓的岩石弹性模量，是指应力应变曲线中间近似线性段上的应力增量与应变增量之比或其平均值（采用切线模量或割线模量）；所谓的泊松比，是指应力应变曲线中间近似线性段上的横向应变与轴向应变的比值或其平均值。 ;2、几种理想的岩石应力应变关系模型;完全弹性岩石：加卸载路径完全重合，多次反复加卸载时，其应力应变路径完全沿着同一条曲线而不是直线往返。;弹性岩石：虽然加卸载曲线不重合，但反复加载与卸载时，其应力应变关系曲线总是服从此环路的规律。;弹塑性岩石：卸载曲线不沿加载路径返回，且应变也不能恢复到原点O。对于任一应变ε，不是唯一的应力σ与之对应，应力-应变关系不是单值函数关系。;3、岩石的扩容;OE阶段：试件内横向微裂纹闭合，体积应变呈线性压缩。