北科大巖石力學(xué)課件李長洪1.1巖石的力學(xué)性質(zhì)(qiangdu).ppt

1、1 巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石的強度：巖石的強度：巖石抵抗外力作用的能力，巖巖石抵抗外力作用的能力，巖石破壞時能夠承受的最大應(yīng)力。石破壞時能夠承受的最大應(yīng)力。a.單向抗壓強度b.單向抗拉強度c.剪切強度d.三軸抗壓強度巖石的變形：巖石的變形：巖石在外力作用下發(fā)生形態(tài)巖石在外力作用下發(fā)生形態(tài)（形狀、體積）變化。（形狀、體積）變化。a.單向壓縮變形b.反復(fù)加載變形c.三軸壓縮變形d.剪切變形 巖石強度與外力有關(guān) a.外力性質(zhì)：動載荷、靜載荷 b.外力方式：拉伸、壓縮、剪切 C.應(yīng)力狀態(tài)：單向、雙向、三向 1.1 巖石單軸抗壓強度 1）定義：巖石在單軸壓縮荷載作用下達到破壞巖石在單軸壓縮荷載作用下達到破壞前

2、所能承受的最大壓應(yīng)力稱為巖石的單軸抗壓強前所能承受的最大壓應(yīng)力稱為巖石的單軸抗壓強度度(Uniaxial compressive strength)，或稱為非限制性抗壓強度(unconfined compressive strength)。如圖所示。 2）計算公式： c=P/A3）4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.塑性流動變形，線應(yīng)變10。4.拉伸破壞，在軸向壓應(yīng)力作用下，在橫向?qū)a(chǎn)生拉應(yīng)力。這是泊松效應(yīng)的結(jié)果。這種類型的破壞就是橫向拉應(yīng)力超過巖石抗拉極限所引起的。 4)實驗方法 a.試件標(biāo)準(zhǔn)試件標(biāo)準(zhǔn) 立方體505050m

3、m或 707070mm 圓柱體，但使用最廣泛的是圓柱體。圓柱體直徑D一般不小于50mm。 L/D=2.53.0（國際巖石力學(xué)委員會ISRM建議的 尺寸） 要求：兩端不平度0.5mm；尺寸誤差0.3mm；兩端面垂直于軸線誤差0.25度。 加載速率：0.50.8Pa/s b.非標(biāo)準(zhǔn)非標(biāo)準(zhǔn)試件的對試驗結(jié)果的影響及其修正試件的對試驗結(jié)果的影響及其修正 c.壓縮實驗設(shè)備示意圖壓縮實驗設(shè)備示意圖(500t壓力機壓力機) d. 端部效應(yīng)及其消除方法端部效應(yīng)及其消除方法 端部效應(yīng)端部效應(yīng): 消除方法消除方法: 潤滑試件端部（如墊云母片；涂黃油在端部） 加長試件 5)水對單軸抗壓強度的影響軟化系數(shù) 巖石的軟化系

4、數(shù)：飽和巖石抗壓強度b與干燥巖石抗壓強度c之比 =b/ c11.2巖石單軸抗拉強度 1）定義：）定義：巖石在單軸拉伸荷載作用下達到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(yīng)力破壞時所能承受的最大拉應(yīng)力稱為巖石的單軸抗拉強度(Tensile strength) ,。 試件在拉伸荷載作用下的破壞通常是沿其橫截面的斷裂破壞，巖石的拉伸破壞試驗分直接試驗和間接試驗兩類。 2)直接拉伸試驗加載和試件示意圖直接拉伸試驗加載和試件示意圖 計算公式：計算公式：破壞時的最大 軸向拉伸荷載(Pt)除以試件 的橫截面積(A)。即： t=Pt/A 2)直接拉伸試驗加載和試件示意圖（續(xù)）直接拉伸試驗加載和試件

5、示意圖（續(xù)） 3)間接拉伸試驗加載和試件示意圖間接拉伸試驗加載和試件示意圖 巴西試驗法（巴西試驗法（Brazilian test），俗稱劈裂試驗法。），俗稱劈裂試驗法。 a.試件試件:為一巖石圓盤，加載方式如圖所示。實際上荷載是沿著一條弧線加上去的，但孤高不能超過圓盤直徑的1/20。 b.應(yīng)力分布：應(yīng)力分布：圓盤在壓應(yīng)力的作用下，沿圓盤直徑y(tǒng)y的應(yīng)力分布和xx方向均為壓應(yīng)力。而離開邊緣后，沿yy方向仍為壓應(yīng)力，但應(yīng)力值比邊緣處顯著減少。并趨于均勻化；xx方向變成拉應(yīng)力。并在沿yy的很長一段距離上呈均勻分布狀態(tài)。 c.破壞原因：破壞原因：從圖可以看出，雖然拉應(yīng)力的值比壓應(yīng)力值低很多，但由于巖石的

6、抗拉強度很低，所以試件還是由于x方向的拉應(yīng)力而導(dǎo)致試件沿直徑的劈裂破壞。破壞是從直徑中心開始，然后向兩端發(fā)展，反映了巖石的抗拉強度比抗壓強度要低得多的事實。 d.計算公式：計算公式： t=x=-2P/dt y=(1/r1+1/r2-1/d)2P/t 圓盤中心處： t=x=-2P/dt y=6P/dt1.3抗剪切強度抗剪切強度 1)定義定義：巖石在剪切荷載作用下達到破壞前所能承受的最大剪應(yīng)力稱為巖石的抗剪切強度（Shear strength）。 剪切強度試驗分為非限制性剪切強度試驗（Unconfined shear strength test）和限制性剪切強度試驗（Confined shear

7、strength test）二類。 非限制性剪切試驗在剪切面上只有剪應(yīng)力存在，沒有正應(yīng)力存在；限制性剪切試驗在剪切面上除了存在剪應(yīng)力外，還存在正應(yīng)力。 2）四種典型的非限制性剪切強度試驗：a.單面剪切試驗， b.沖擊剪切試驗, c.雙面剪切試驗，d.扭轉(zhuǎn)剪切試驗，分別見圖。 3）非限制性剪切強度記為）非限制性剪切強度記為So計算公式：計算公式： （a）單面剪切試驗 So=Fc/A （b）沖擊剪切試驗 So=Fc/2ra （c）雙面剪切試驗 So=Fc/2A （d）扭轉(zhuǎn)剪切試驗 So=16M c /D3 式中：Mc試件被剪斷前達到的最大扭矩 （Nm） D試件直徑（m） 4）四種典型的限制性剪切強

8、度試驗）四種典型的限制性剪切強度試驗 a.直剪儀（剪切盒）壓剪試驗（單面剪） b.立方體試件單面剪試驗 c.試件端部受壓雙面剪試驗 d.角模壓剪試驗（變角剪切試驗） 5) Hoek直剪儀試驗裝置直剪儀試驗裝置 6）角模壓剪試驗及受力分析示意圖）角模壓剪試驗及受力分析示意圖 在壓力P的作用下，剪切面上可分解為沿剪切面的剪力Psin/A和垂直剪切面的正應(yīng)力Pcos/A，如圖所示。 7）限制性剪切強度試驗結(jié)果及其分析限制性剪切強度試驗結(jié)果及其分析 試驗結(jié)果試驗結(jié)果：剪切面上正應(yīng)力越大，試件被剪破壞前所能承受的剪應(yīng)力也越大。 原因：剪切破壞一要克服內(nèi)聚力，二要克服摩擦力，正應(yīng)力越大，摩擦力也越大。 將

9、破壞時的剪應(yīng)力和正應(yīng)力標(biāo)注到-應(yīng)力平面上就是一個點，不同的正、剪應(yīng)力組合就是不同的點。將所有點連接起來就獲得了莫爾強度包絡(luò)線，如圖所示。 殘余強度：殘余強度：當(dāng)剪切面上的剪應(yīng)力超過了峰值剪切強度后，剪切破壞發(fā)生，然后在較小的剪切力作用下就可使巖石沿剪切面滑動。能使破壞面保持滑動所需的較小剪應(yīng)力就是破壞面的殘余強度。 正應(yīng)力越大，殘余強度越高，如圖所示。所以只要有正應(yīng)力存在，巖石剪切破壞面仍具有抗剪切的能力。1.4 三軸抗壓強度三軸抗壓強度 1)定義定義：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應(yīng)力稱為巖石的三軸抗壓強度(Triaxial compressive strength)。

10、 與單軸壓縮試驗相比，試件除受軸向壓力外，還受側(cè)向壓力。側(cè)向壓力限制試件的橫向變形，因而三軸試驗是限制性抗壓強度(confined compressive strength)試驗。 2)實驗加載方式實驗加載方式： a. 真三軸加載真三軸加載:試件為立方體，加載方式如圖所示。 應(yīng)力狀態(tài)：12 3 這種加載方式試驗裝置繁雜，且六個面均可受到由加壓鐵板所引起的摩擦力，對試驗結(jié)果有很大影響，因而實用意義不大。故極少有人做這樣的三軸試驗。 b.假三軸試驗假三軸試驗:，試件為圓柱體，試件直徑25150mm，長度與直徑之比為2：1或3：1。加載方式如圖所示，軸向壓力的加載方式與單軸壓縮試驗時相同。 但由于有

11、了側(cè)向壓力，其加載上時的端部效應(yīng)比單軸加載時要輕微得多。 應(yīng)力狀態(tài)： 12=3 三軸壓縮試驗加載示意圖三軸壓縮試驗加載示意圖 真三軸12 3 假三軸12=3 3)假三軸試驗裝置圖假三軸試驗裝置圖： 由于試件側(cè)表面已被加壓油缸的橡皮套包住，液壓油不會在試件表面造成摩擦力，因而側(cè)向壓力可以均勻施加到試件中。其試驗裝置示意圖如下。 4)第一個經(jīng)典三軸試驗第一個經(jīng)典三軸試驗 a.試驗者和時間：試驗者和時間：意大利人馮卡門(VonKarman)于1911年完成的。 b.試驗巖石：試驗巖石：白色圓柱體大理石試件，該大理石具有很細的顆粒并且是非常均質(zhì)的。 c.試驗發(fā)現(xiàn)：試驗發(fā)現(xiàn)： 在圍壓為零或較低時，大理石

12、試件以脆性方式破壞，沿一組傾斜的裂隙破壞。 隨著圍壓的增加，試件的延性變形和強度都不斷增加，直至出現(xiàn)完全延性或塑性流動變形，并伴隨工作硬化，試件也變成粗腰桶形的。 在試驗開始階段，試件體積減小，當(dāng)達到抗壓強度一半時，出現(xiàn)擴容擴容，泊松比迅速增大。 5) 三軸試驗與莫爾強度包絡(luò)線三軸試驗與莫爾強度包絡(luò)線a.三軸壓縮試驗的最重要的成果：三軸壓縮試驗的最重要的成果：就是對于同一種巖石的不同試件或不同的試驗條件給出幾乎恒定的強度指標(biāo)值。這一強度指標(biāo)值以莫爾強度包絡(luò)線（Mohrs strength envelop）的形式給出。b.莫爾強度包絡(luò)線的繪制：莫爾強度包絡(luò)線的繪制：須對該巖石的56個試件做三軸壓縮試驗，每次試驗的圍壓值不等，由小到大，得出每次試件破壞時的應(yīng)力莫爾圓，通常也將單軸壓縮試驗和拉伸試驗破壞時的應(yīng)力莫爾圓，用于繪制應(yīng)力莫爾強度包絡(luò)線。如圖所示。 曲線形： 直線形： 6) 三軸試驗巖石強度參數(shù)的確定三軸試驗巖石強度參數(shù)的確定 a.直線形：直線形