wangyue1巖石的力學(xué)性質(zhì)qiangduPPT課件

1、1 巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石的強(qiáng)度：巖石抵抗外力作用的能力，巖石破壞時(shí)能夠承受的最大應(yīng)力。a.單向抗壓強(qiáng)度b.單向抗拉強(qiáng)度c.剪切強(qiáng)度d.三軸抗壓強(qiáng)度巖石的變形：巖石在外力作用下發(fā)生形態(tài)（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(qiáng)度與外力有關(guān)a.外力性質(zhì)：動(dòng)載荷、靜載荷b.外力方式：拉伸、壓縮、剪切C.應(yīng)力狀態(tài)：?jiǎn)蜗?、雙向、三向1.1 巖石單軸抗壓強(qiáng)度1）定義：巖石在單軸壓縮荷載作用下達(dá)到破壞前所能承受的最大壓應(yīng)力稱為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度(Uniaxial compressive strength)，或稱為非限制性抗壓強(qiáng)度(unconfined compres

2、sive strength)。如圖所示。2）計(jì)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(dòng)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(shí)驗(yàn)方法a.試件標(biāo)準(zhǔn)立方體505050mm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(guó)際巖石力學(xué)委員會(huì)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

3、度。加載速率：0.50.8Pa/sb.非標(biāo)準(zhǔn)試件的對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響及其修正c.壓縮實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖(500t壓力機(jī))d. 端部效應(yīng)及其消除方法端部效應(yīng):消除方法: 潤(rùn)滑試件端部（如墊云母片；涂黃油在端部） 加長(zhǎng)試件 5)水對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度的影響軟化系數(shù)巖石的軟化系數(shù)：飽和巖石抗壓強(qiáng)度b與干燥巖石抗壓強(qiáng)度c之比=b/ c11.2巖石單軸抗拉強(qiáng)度1）定義：巖石在單軸拉伸荷載作用下達(dá)到破壞時(shí)所能承受的最大拉應(yīng)力稱為巖石的單軸抗拉強(qiáng)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(yàn)分直接試驗(yàn)和間接試驗(yàn)兩類。 2)直接拉伸試驗(yàn)加載和試件示意圖

4、計(jì)算公式：破壞時(shí)的最大軸向拉伸荷載(Pt)除以試件的橫截面積(A)。即： t=Pt/A2)直接拉伸試驗(yàn)加載和試件示意圖（續(xù)）3)間接拉伸試驗(yàn)加載和試件示意圖巴西試驗(yàn)法（Brazilian test），俗稱劈裂試驗(yàn)法。a.試件:為一巖石圓盤，加載方式如圖所示。實(shí)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：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(zhǎng)一段距離上呈均勻分布狀態(tài)。c.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

5、很多，但由于巖石的抗拉強(qiáng)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(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度要低得多的事實(shí)。d.計(jì)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(qiáng)度 1)定義：巖石在剪切荷載作用下達(dá)到破壞前所能承受的最大剪應(yīng)力稱為巖石的抗剪切強(qiáng)度（Shear strength）。剪切強(qiáng)度試驗(yàn)分為非限制性剪切強(qiáng)度試驗(yàn)（Unconfined shear strength test）和限制性剪切強(qiáng)度試驗(yàn)（Confined shear streng

6、th test）二類。非限制性剪切試驗(yàn)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(yàn)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(qiáng)度試驗(yàn)：a.單面剪切試驗(yàn)， b.沖擊剪切試驗(yàn), c.雙面剪切試驗(yàn)，d.扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)，分別見圖。3）非限制性剪切強(qiáng)度記為So計(jì)算公式：（a）單面剪切試驗(yàn) So=Fc/A（b）沖擊剪切試驗(yàn) So=Fc/2ra （c）雙面剪切試驗(yàn) So=Fc/2A（d）扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn) So=16M c /D3 式中：Mc試件被剪斷前達(dá)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(qiáng)度試驗(yàn)a.直剪儀（剪切盒）壓剪試驗(yàn)（單面剪）b.立方體試件

7、單面剪試驗(yàn)c.試件端部受壓雙面剪試驗(yàn)d.角模壓剪試驗(yàn)（變角剪切試驗(yàn)）5) Hoek直剪儀試驗(yàn)裝置6）角模壓剪試驗(yàn)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(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及其分析試驗(yàn)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。將破壞時(shí)的剪應(yīng)力和正應(yīng)力標(biāo)注到-應(yīng)力平面上就是一個(gè)點(diǎn)，不同的正、剪應(yīng)力組合就是不同的點(diǎn)。將所有點(diǎn)連接起來(lái)就獲得了莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線，如圖所示。殘余強(qiáng)度：當(dāng)剪切面上的剪應(yīng)力超過了峰值剪切強(qiáng)度后，剪切破

8、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(dòng)。能使破壞面保持滑動(dòng)所需的較小剪應(yīng)力就是破壞面的殘余強(qiáng)度。正應(yīng)力越大，殘余強(qiáng)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(qiáng)度 1)定義：巖石在三向壓縮荷載作用下，達(dá)到破壞時(shí)所能承受的最大壓應(yīng)力稱為巖石的三軸抗壓強(qiáng)度(Triaxial compressive strength)。與單軸壓縮試驗(yàn)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(yàn)是限制性抗壓強(qiáng)度(confined compressive strength)試驗(yàn)。2)實(shí)驗(yàn)加載方式：a. 真三軸加載:試件為立

9、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(yàn)裝置繁雜，且六個(gè)面均可受到由加壓鐵板所引起的摩擦力，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有很大影響，因而實(shí)用意義不大。故極少有人做這樣的三軸試驗(yàn)。b.假三軸試驗(yàn):，試件為圓柱體，試件直徑25150mm，長(zhǎng)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(yàn)時(shí)相同。但由于有了側(cè)向壓力，其加載上時(shí)的端部效應(yīng)比單軸加載時(shí)要輕微得多。應(yīng)力狀態(tài)： 12=3三軸壓縮試驗(yàn)加載示意圖真三軸12 3假三軸12=33)假三軸試驗(yàn)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(huì)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(yàn)裝置示意

10、圖如下。4)第一個(gè)經(jīng)典三軸試驗(yàn)a.試驗(yàn)者和時(shí)間：意大利人馮卡門(VonKarman)于1911年完成的。b.試驗(yàn)巖石：白色圓柱體大理石試件，該大理石具有很細(xì)的顆粒并且是非常均質(zhì)的。c.試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在圍壓為零或較低時(shí)，大理石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(qiáng)度都不斷增加，直至出現(xiàn)完全延性或塑性流動(dòng)變形，并伴隨工作硬化，試件也變成粗腰桶形的。在試驗(yàn)開始階段，試件體積減小，當(dāng)達(dá)到抗壓強(qiáng)度一半時(shí)，出現(xiàn)擴(kuò)容，泊松比迅速增大。5) 三軸試驗(yàn)與莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線a.三軸壓縮試驗(yàn)的最重要的成果：就是對(duì)于同一種巖石的不同試件或不同的試驗(yàn)條件給出幾乎恒定的強(qiáng)度指標(biāo)值。這一強(qiáng)度指標(biāo)值以莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線（Mohrs strength envelop）的形式給出。b.莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線的繪制：須對(duì)該巖石的56個(gè)試件做三軸壓縮試驗(yàn)，每次試驗(yàn)的圍壓值不等，由小到大，得出每次試件破壞時(shí)的應(yīng)力莫爾圓，通常也將單軸壓縮試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)破壞時(shí)的應(yīng)力莫爾圓，用于繪制應(yīng)力莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線。如圖所示。曲線形：直線形：6) 三軸試驗(yàn)巖石強(qiáng)度參數(shù)的確定a.直線形：軸的截距稱為巖石的粘結(jié)力（或稱內(nèi)聚力）