2.2岩石力学性质-强度特征选读.ppt

2.4 岩石的力学性质;岩石强度与外力有关 a.外力性质：静载荷、动载荷 b.外力方式：拉伸、剪切、压缩 c.应力状态：单向、双向、三向;岩石的强度指标影响因素;岩石的强度指标影响因素;1）定义：岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所能承受的最大压应力称为岩石的单轴抗压强度(Uniaxial Compressive Strength, UCS)，或称为非限制性抗压强度(Unconfined Compressive Strength, UCS)。如图所示。 2）计算公式： σc= P/A; ;4)实验方法 (a)试件标准: 立方体50×50×50mm或 70×70×70mm; 圆柱体，但使用最广泛的是圆柱体。圆柱体直径D一般不小于50mm。 L/D=2.5~3.0（国际岩石力学委员会ISRM建议的 尺寸） 要求：两端不平度0.5mm；尺寸误差±0.3mm；两端面垂直于轴线误差±0.25度。 加载速率：0.5～0.8MPa/s，一般从开始试验直至试件破坏的时间为5~10分钟;(b)非标准试件的对试验结果的影响及其修正;(c)压缩实验设备示意图;(d)端部效应及其消除方法 端部效应:岩石和加载垫板刚度不匹配，导致变形不协调，引起水平方向摩擦力;2.4.1.2 石岩三轴抗压强度 ;2)实验加载方式 a. 真三轴加载:试件为立方体，加载方式如图所示。 应力状态：σ1σ2 σ3 这种加载方式试验装置繁杂，且六个面均可受到由加压铁板所引起的摩擦力，对试验结果有很大影响，因而实用意义不大。故极少有人做这样的三轴试验。 ;b.假三轴试验:试件为圆柱体，试件直径25-150mm，长度与直径之比为2：1或3：1。加载方式如图所示，轴向压力的加载方式与单轴压缩试验时相同。 但由于有了侧向压力，其加载时的端部效应比单轴加载时要轻微得多。 应力状态： σ1σ2=σ3;3)假三轴试验装置图： 由于试件侧表面已被加压油缸的橡皮套包住，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中。其试验装置示意图如下。;4)第一个经典三轴试验 a.试验者和时间：意大利人冯·卡门(Von·Karman)于1911年完成的。 b.试验岩石：白色圆柱体大理石试件，该大理石具有很细的颗粒并且是非常均质的。 c.试验发现： ①在围压为零或较低时，大理石试件以脆性方式破坏，沿一组倾斜的裂隙破坏。 ②随着围压的增加，试件的延性变形和强度都不断增加，直至出现完全延性或塑性流动变形，并伴随工作硬化，试件也变成粗腰桶形的。 ③在试验开始阶段，试件体积减小，当达到抗压强度一半时，出现扩容，泊松比迅速增大。;5) 三轴试验与莫尔强度包络线 a.三轴压缩试验的最重要的成果：就是对于同一种岩石的不同试件或不同的试验条件给出几乎恒定的强度指标值。这一强度指标值以莫尔强度包络线（Mohr’s strength envelop）的形式给出。 b.莫尔强度包络线的绘制：须对该岩石的5~6个试件做三轴压缩试验，每次试验的围压值不等，由小到大，得出每次试件破坏时的应力莫尔圆，通常也将单轴压缩试验和拉伸试验破坏时的应力莫尔圆，用于绘制应力莫尔强度包络线。如图所示。;6) 三轴试验岩石强度参数的确定 a.直线形：τ轴的截距称为岩石的粘结力（或称内聚力），记为C（MPa），与σ轴的夹角称为岩石的内摩擦角，记为φ（度）。 b.曲线形： ①一种方法是将包络线和τ轴的截距定为C，将包络线与τ轴相交点的包络线外切线与σ轴夹角定为内摩擦角。 ②另一种方法建议根据实际应力状态在莫尔包络线上找到相应点，在该点作包络线外切线，外切线与σ轴夹角为内摩擦角，外切线及其延长线与τ轴相交之截距即为C。 实践中采用第一种方法的人数多。 ;1）定义 岩石在单轴拉伸荷载作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力称为岩石的单轴抗拉强度(Tensile strength) 。 试件在拉伸荷载作用下的破坏通常是沿其横截面的断裂破坏。 岩石的拉伸破坏试验分直接试验和间接试验两类。 ;2)直接拉伸试验加载和试件示意图;计算公式：破坏时的最大轴向拉伸荷载(Pt)除以试件 的横截面积(A)。即： σt=Pt/A ;2)直接拉伸试验加载和试件示意图－（续）;3)间接拉伸试验加载和试件示意图 巴西试验法（Brazilian test），俗称劈裂试验法。 a.试件:为一岩石圆盘，加载方式如图所示。实际上荷载是沿着一条弧线加上去的，但孤高不能超过圆盘直径的1/20。;b.应力分布：圆盘在压应力的作用下，沿圆盘直径y-y的应力分布和x-x方向均为压应