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1、第三章 岩石/岩体的强度Chapter 3 Rock/Rock Mass Strength,目的：学习岩石强度概念及其工程实际意义；概述岩石破坏的几种主要形式及特点和岩石材料特性。 要求：掌握岩石的破坏形式与岩石材料之间的关系，岩石强度的测试方法与计算公式。,重点：影响岩石抗压强度的因素分析、补充的非标准岩样的抗压强度换算及测试方法。用劈裂法测定抗拉强度的理论解释。,难点：牢记并理解和掌握各种计算强度的公式、参数含义及单位。,学习提示Learning Hints,大岗山水电站高边坡,3.1 概述,岩体边坡稳定性评价 ，加固处理（锚固、浇注、抗滑桩设计）,重要性（涉及工程的安全性和经济性）,地下
2、洞室 开挖和运行过程中的围岩稳定,坝基稳定（拱坝坝肩、重力坝坝基）,3.1 概述,岩石的强度包括岩块的强度和结构面的强度，以及耦合效应地质环境因素影响（地应力、地下水等）。,复杂性,3.2 岩石的破坏形式,岩石发生破坏时，变形很小，明显声响，一般发生在单轴或低围压坚硬岩石（岩爆） 。,脆性破坏,破坏时，变形较大，有明显的“剪胀”效应，一般发生在较软弱岩石或高围压坚硬岩石。,塑性破坏,由于岩层中存在节理、裂隙、层理、软弱夹层等软弱结构面，岩层整体性受到破坏；在外荷载作用下，当结构面上的剪应力大于该面上的强度时，岩体发生沿弱面的剪切破坏。,沿软弱结构面（原生）剪切破坏,3.2 岩石的破坏形式,沿软
3、弱结构面（原生）剪切破坏,脆性破坏,塑性破坏,返回,3.3 岩石的单轴抗压强度,概念：岩石试件在单轴压力（无围压而轴向加压力）下抵抗破坏的极限能力或极限强度，数值上等于破坏时的最大压应力。,意义：衡量岩块基本力学性质的重要指标；岩体工程分类、建立岩体破坏判据的重要指标；用来大致估算其他强度参数 。,3.3 岩石的单轴抗压强度,3.3.1 单轴抗压实验装置,普通岩石三轴压力机,长江500型 最大轴压500T，围压1250K/cm,缺点：系统刚度低，试验中自身变形大，吸收大量能量，在岩样屈服，承载力下降时，系统释放大量能量，岩样急速破坏，使岩样在瞬间破坏（0.1-0.5s），这种失稳破坏造成试验的
4、不完整性，很难获得理想的全应力应变曲线。,MTS815岩石与混凝土高温高压试验系统（美国）,3.3 岩石的单轴抗压强度,刚性压力机,3.3.1 单轴抗压实验装置,3.3.2 单轴抗压强度,根据水利水电工程岩石试验规程：,3.3 岩石的单轴抗压强度,破裂角,点荷载试验,3.3 岩石的单轴抗压强度,3.3.2 单轴抗压强度,3.3.2 单轴抗压强度,3.3 岩石的单轴抗压强度,常见岩石的抗压强度,3.3.2 岩石的单轴抗压强度,3.3 岩石的单轴抗压强度,矿物成分,结晶程度及颗粒大小,胶结情况,生成条件,风化作用,密度,试件形状和尺寸,水的作用,加载速率,3.4 岩石的抗拉强度,概念：岩石的抗拉强
5、度是指岩石试件在单向拉伸条件下试件达到破坏的极限值，它在数值上等于破坏时的最大拉应力。,意义：衡量岩体力学性质的重要指标；用来建立岩石强度判据，确定强度包络线；选择建筑石材不可缺少的参数,3.4.1 试验方法,3.4 岩石的抗拉强度,直接拉伸法,三点弯曲法,劈裂法（巴西法）,点荷载试验,3.4.1 试验方法,3.4 岩石的抗拉强度,直接拉伸法,3.4 岩石的抗拉强度,劈裂法（巴西法）,一般来说，岩石：,3.4.1 试验方法,点荷载试验,3.4 岩石的单轴抗拉强度,3.4.1 试验方法,上世纪发展起来的一种简便的现场试验方法。 试件：任何形状，尺寸大致5cm，不做任何加工。试验：在直接带到现场的
6、点荷载仪上，加载劈裂破坏。,点荷载试验,3.4 岩石的单轴抗拉强度,3.4.1 试验方法,计算：,（式中：P试件破坏时的极限；D加载点试件的厚度）,统计公式：,要求:（由于离散性大），每组15个，取均值，即,建议：用5cm的钻孔岩芯为试件。,3.4 岩石的单轴抗拉强度,常见岩石的抗拉强度,3.4 岩石的单轴抗拉强度,3.4.2 影响因素,结构面的影响（裂隙空隙） 岩石中包含有大量的微裂隙和孔隙，岩块抗拉强度受其影响很大，直接削弱了岩块的抗拉强度。相对而言，空隙对岩块抗压强度的影响就小得多，因此，岩块的抗拉强度一般远小于其抗压强度。 通常把抗压强度与抗拉强度的比值称为脆性度，用以表征岩石的脆性程
7、度。,3.5 岩石的抗剪强度,3.5.1 基本概念,岩石的抗剪强度就是岩石抵抗剪切滑动的能力，它是岩石力学中需要研究的最重要指标之一，往往比抗压和抗拉强度更有意义。 意义：反映岩块的力学性质的重要指标；用来估算岩体力学参数及建立强度判据。,3.5 岩石的抗剪强度,3.5.1 基本概念,抗剪断强度,完整岩块、岩石被剪断时，表现出的“抵抗剪切破坏”的强度。,抗剪强度,岩石沿原生结构面或已被剪断的破裂面，剪切滑动时的“摩擦阻力”,岩石实体抗剪断 ； 岩体中软弱结构面抗剪； 砼与基岩胶结面抗剪强度（砼坝建基面）；,工程上三种实验,3.5 岩石的抗剪强度,决定抗剪断(抗剪)强度的方法可分为室内和现场两大
8、类。 室内试验常用直接剪切仪(直接剪切试验)、抗切强度、楔形剪切仪/变角板剪切试验 (楔形剪切试验)、三轴压缩仪(三轴压缩试验)测定岩石的抗剪断(抗剪)指标。 现场试验主要以直接剪切试验为主，有时也可做三轴强度试验。,3.5 岩石的抗剪强度,3.5.2 室内试验方法,直剪试验,仪器：岩石直剪仪,3.5 岩石的抗剪强度,3.5.2 室内试验方法,直剪试验,库伦Coulomb方程,3.5 岩石的抗剪强度,3.5.2 室内试验方法,直剪试验,失稳阶段，晶格滑移,裂纹发展、增长阶段,弹性阶段，裂纹产生,3.5 岩石的抗剪强度,3.5.2 室内试验方法,直剪试验,峰值强度曲线,残余强度曲线,3.5 岩石
9、的抗剪强度,3.5.2 室内试验方法,优点： 简单方便、无需特殊设备，采用普通岩石压力机即可。,缺点： 试件较小，不易反映岩石裂缝、层理等结构面；剪切面上的受力不均匀等。,3.5 岩石的抗剪强度,3.5.2 室内试验方法,楔形剪切（交角剪）试验,3.5 岩石的抗剪强度,3.5.2 室内试验方法,楔形剪切（交角剪）试验,采用不同的角进行试验，则每个对应一组和f。,当变化范围较大时，f为曲线关系，当10MPa时， f可视为直线，求得c、 。,3.5 岩石的抗剪强度,3.5.2 室内试验方法,三轴压缩试验,真三轴试验 Or 常规(假)三轴试验,3.5 岩石的抗剪强度,3.5.2 室内试验方法,三轴压
10、缩试验,试验步骤,先将试件施加侧压力3,逐渐增加垂直压力1；,试件破坏，得到大主应力1，即获破坏应力圆；,改变侧压力3，获得对应的1，和破坏应力圆；,3.5 岩石的抗剪强度,3.5.2 室内试验方法,三轴压缩试验,绘制试验对应1和3的应力圆（或称莫尔圆），以及这些应力圆的包络线，即求得岩石的抗剪强度曲线。,3.5 岩石的抗剪强度,3.5.2 室内试验方法,三轴压缩试验,对于三轴试验获得的应力圆，除了用正应力和剪应力表示（即Coulomb形式）外，还可用第一、第三主应力（即Mohr形式）表示，即：,单轴试验作为三轴试验的特殊情形。,单轴压缩：,单轴拉伸：,请同学们课后进行推导证明。,3.5 岩石
11、的抗剪强度,3.5.3 现场强度试验,现场岩体压缩试验,注意： 加载方向与层理的关系； 2. 剪切面一般70cm70cm（min: 50cm50cm）,在平硐或坑道内进行,3.5 岩石的抗剪强度,3.5.3 现场强度试验,现场直剪试验(大剪),在平硐或坑道中进行，采用双千斤顶法，从铅直向和水平向进行加力。,平推法：,斜推法：,3.5 岩石的抗剪强度,3.5.3 现场强度试验,现场岩体三轴强度试验,大型岩体三轴强度试验是采用同直剪试验一样的方法制备试件；垂直荷载是用扁千斤顶通过传力柱传到上部围岩产生的反力供给；侧向荷载分别由x轴、y轴上的两对扁千斤顶组产生。,3.6 岩石的强度理论（破坏准则）,
12、当物体处于简单的受力情况时，如杆件的拉伸和压缩处于单向应力状态等，材料的危险点处于简单应力状态，则材料的强度可以由简单的试验来决定(单向抗压强度试验，单向抗拉强度试验，纯剪试验等)。,在单向应力状态下表现出脆性的岩石，在三向应力状态下可以具有塑性性质，同时它的强度极限也大大提高；在各向压缩的情况下，岩石能够承受很大的荷载，而没有可觉察到的破坏（如在隧洞开挖后，三向应力状态转化为平面应力状态）,3.6 岩石的强度理论（破坏准则）,最大正应力理论,最大正应变理论,最大剪应力理论,八面体剪应力理论,Mohr理论及Mohr-Coulomb准则,Griffith强度理论,3.6 岩石的强度理论（破坏准则
13、）,3.6.1 Mohr理论及Mohr-Coulomb准则,Mohr理论,理论假设：材料内某一点的破坏主要决定于它的大主应力和小主应力，而与中间主应力无关(可研究平面应力状态)。,Mohr理论破坏准则的普遍形式：,3.6 岩石的强度理论（破坏准则）,Mohr理论,3.6.1 Mohr理论及Mohr-Coulomb准则,通过不同的强度试验资料，例如单轴拉伸、压缩、纯剪、三轴试验等。可以绘制一系列的莫尔圆，获得包络线。 通过绘制某点的应力状态（1、 3 ）绘制的莫尔圆，与包络线的关系判断岩体的破坏状态,3.6 岩石的强度理论（破坏准则）,Mohr-Coulomb准则,基本观点：认为岩石属于剪切破坏
14、，剪切面上抗剪强度；,对于Mohr圆包络线，存在多种假设（抛物线、双曲线或摆线），一般认为，当10MPa时，包络线近似为直线。岩石的强度条件可用库伦方程表示：,上式称为Mohr-Coulomb方程/准则（M-C准则）。,3.6.1 Mohr理论及Mohr-Coulomb准则,3.6 岩石的强度理论（破坏准则）,Mohr-Coulomb准则,基于分析和计算要求（有限元），以大小主应力、 来表示M-C准则。,3.6.1 Mohr理论及Mohr-Coulomb准则,3.6 岩石的强度理论（破坏准则）,Mohr-Coulomb准则,根据几何关系：,3.6.1 Mohr理论及Mohr-Coulomb准则
15、,3.6 岩石的强度理论（破坏准则）,Mohr-Coulomb准则,称为表现抗拉强度，其不同于实际测定的抗拉强度 。 是按直线包络线直接计算的；而实际在负象限内的莫尔包络线曲率很大。,带有抗拉强度切割的M-C包络线,3.6.1 Mohr理论及Mohr-Coulomb准则,3.6 岩石的强度理论（破坏准则）,3.6.2 格里菲斯（Griffith）强度理论,对MC准则而言： 将岩石视为连续均匀介质，属于宏观强度理论。,对Griffith准则而言： 岩石中存在许多空隙、裂缝等在外部应力作用下 缝端产生应力集中缝端扩展（破裂）串通形成宏观破坏，属于微观强度理论。,3.6 岩石的强度理论（破坏准则）,
16、3.6.2 格里菲斯（Griffith）强度理论,推导思路,从岩石中取出任一条裂缝，简化为椭圆裂纹（长轴a、短轴b），外部应力场1、 3；,按岩石力学的习惯规定，应力以压为主，以拉为负， 1 2 3,3.6 岩石的强度理论（破坏准则）,主要推导过程,3.6.2 格里菲斯（Griffith）强度理论,3.6 岩石的强度理论（破坏准则）,主要推导过程,求任一条裂纹周边的切向应力,3.6.2 格里菲斯（Griffith）强度理论,3.6 岩石的强度理论（破坏准则）,主要推导过程,由图中应力所示，根据英格利斯弹性理论（Inglis），椭圆周边切向应力由下式确定：,当裂纹非常扁平，即b0，周边bmax发生在裂纹端点，即0,求任一条裂纹周边的切向应力,3.6.2 格里菲斯（Griffith）强度理论,3.6 岩石的强度理论（破坏准则）,主要推导过程,求任一条裂纹周边的切向应力b,3.6.2 格里菲斯（Griffith）强度理论,主要推导过程,求极值bmax,3.6 岩石的强度理论（破坏准则）,3.6.2 格里菲斯（Griffith）强度理
