第二节第二节 岩石的强度特性岩石的强度特性工程师对材料提出两个问题工程师对材料提出两个问题 1 1 最大承载力最大承载力————许用应力许用应力[ ] [ ] ？？ 2 2 最大允许变形－－许用应变最大允许变形－－许用应变[ ][ ]？？本节讨论本节讨论[ ][ ]问题问题强度：材料受力时抵抗破坏的能力强度：材料受力时抵抗破坏的能力强度强度单向抗压强度单向抗压强度单向抗拉强度单向抗拉强度剪切强度剪切强度三轴压缩三轴压缩真三轴真三轴假三轴假三轴 一 岩石的单轴抗压强度1.定义：指岩石试件在无侧限的条件下，受轴向压力作用定义：指岩石试件在无侧限的条件下，受轴向压力作用破坏时单位面积上承受的荷载破坏时单位面积上承受的荷载 式中：P——无侧限的条件下的轴向破坏荷载 A——试件截面积2.2.试件方法：试件方法： 圆柱形试件：Φ4.8－5.2cm ，高H=（2－2.5) Φ 长方体试件：边长L= 4.8－5.2cm , 高H=（2－2.5)L 试件两端不平度0.5mm；尺寸误差±0.3mm; 两端面垂直于轴线±0.25o（（1 1〕试件标准：〕试件标准： 3.3.单向压缩试件的破坏形态单向压缩试件的破坏形态破坏形态有两类：破坏形态有两类：（（1 1〕圆锥形破坏〕圆锥形破坏 缘由：压板两端存在摩擦力，箍作用〔又称端部效应）， 缘由：压板两端存在摩擦力，箍作用〔又称端部效应）， 在工程中也会出现。
在工程中也会出现2 2〕柱状劈裂破坏〕柱状劈裂破坏 张拉破坏〔岩石的抗拉强度远小于抗压强度）张拉破坏〔岩石的抗拉强度远小于抗压强度） 是岩石单向压缩破坏的真实反映〔消除了端部效应）是岩石单向压缩破坏的真实反映〔消除了端部效应）消除试件端部约束的方法消除试件端部约束的方法 润滑试件端部〔如垫云母片；涂黄油在端部）润滑试件端部〔如垫云母片；涂黄油在端部） 加长试件加长试件 破坏形态是表现破坏机理的重要特征；破坏形态是表现破坏机理的重要特征；其主要影响因素：其主要影响因素：①①应力状态应力状态 ② ②试验条件试验条件 4.4.影响单轴抗压强度的主要因素影响单轴抗压强度的主要因素（1〕承压板端部的摩擦力及其刚度〔加垫块的依据）（2〕试件的形状和尺寸 外形：圆形试件不易产生应力集中，好加工； 尺寸：大于矿物颗粒的10倍； Φ50的依据； 高径比：研究表明；h/d≥(2－3)较合理（3〕加载速度 加载速度越大，表现强度越高(见图2－5) 我国规定加载速度为0.5 －1.0MPa/s（4〕环境 含水量：含水量越大强度越低；岩石越软越明显，对泥岩、粘土等软弱岩体，干燥强度是饱和强度的2－3倍。
见表2－2 温度：180℃以下不明显：大于180℃，温度越高强度越小 二二 岩石的抗拉强度岩石的抗拉强度1. 1. 定义：岩石试件在受到轴向拉应力后其试件发生破坏时定义：岩石试件在受到轴向拉应力后其试件发生破坏时的单位面积上所受的拉力的单位面积上所受的拉力 由于试件不易加工，除研究直接的拉伸的夹具外，研究由于试件不易加工，除研究直接的拉伸的夹具外，研究了大量的间接试验方法了大量的间接试验方法2. 2. 直接拉伸法直接拉伸法 抗拉强度抗拉强度关键技术关键技术①①试件和夹具之间的连接试件和夹具之间的连接②②加力加力P P与试件同心与试件同心 3. 3. 间接方法间接方法 ①①岩石是各向同性的线弹性材料岩石是各向同性的线弹性材料②②满足平面假设的对称面内弯曲满足平面假设的对称面内弯曲适用条件：适用条件：（1〕抗弯法〔梁的三点弯曲试验） 抗拉强度 ——三点弯曲梁内的最大拉应力；梁发生破坏时 的 就是M ——作用在试件上的最大弯矩C ——梁边缘到中性轴的距离I ——梁截面绕中性轴的惯性矩 （（2 2〕劈裂法〔巴西法），对称径向压裂法〕劈裂法〔巴西法），对称径向压裂法 由巴西人由巴西人HondrosHondros提出提出要求要求①①荷载沿轴向均匀分布荷载沿轴向均匀分布②②破坏面必须通过试件的直径破坏面必须通过试件的直径注：注： ① ①端部效应端部效应 ② ②并非完全单向应力并非完全单向应力试件：实心圆柱试件：实心圆柱Φ50mmΦ50mm；；δ 25mmδ 25mm实验：径向压缩破坏〔张开）实验：径向压缩破坏〔张开）计算公式：由弹性力学计算公式：由弹性力学BoursinesqBoursinesq公式公式式中： ——试验中心的最大拉应力，即p ——试验中破坏时的压力D ——试件的直径t ——试件的厚度δ （（3 3〕点荷载试验法〕点荷载试验法是上世纪发展起来的一种简便的现场试验方法。
是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，尺寸大致试件：任何形状，尺寸大致5cm5cm，不做任何加工不做任何加工实验：在直接带到现场的点荷载仪上，加载劈裂实验：在直接带到现场的点荷载仪上，加载劈裂破坏 计算：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：统计公式：要求要求: :（由于离散性大），每组（由于离散性大），每组1515个，取均值，即个，取均值，即 建议：用Φ5cm的钻孔岩芯为试件 三三 岩石的抗剪强度岩石的抗剪强度1. 1. 定义定义 指一定的应力条件下〔主要指压应力），所能抵指一定的应力条件下〔主要指压应力），所能抵抗的抗的最大剪应力常用最大剪应力常用 表示表示 2. 2. 类型：类型：a.抗剪断试验抗剪断试验b.抗切断试验抗切断试验c.弱面抗剪试验弱面抗剪试验 3. 3. 室内试验〔抗切断试验）室内试验〔抗切断试验） ①①实验实验 楔形剪切仪，加载装置楔形剪切仪，加载装置 ②②计算公式计算公式式中：式中： p p————压力机的总压力压力机的总压力 α α————试件倾角试件倾角 f f ————圆柱形滚子与上下压板的摩擦系数圆柱形滚子与上下压板的摩擦系数 抗剪断仪抗剪断仪NNPfPα αα α 剪切破坏面上的正应力剪切破坏面上的正应力σ和剪应力和剪应力τ为：为： 岩石的抗剪断岩石的抗剪断σσ－－ττ曲线〔强度曲线）曲线〔强度曲线） 改变夹具倾角改变夹具倾角αα；；αα在在3030度到度到7070度之间度之间做一组〔大于做一组〔大于5 5次〕不同次〕不同αα的试验，记录所的试验，记录所得的得的σ σ ，，ττ值；由该组值作曲线近似直值；由该组值作曲线近似直线得方程线得方程 式中式中 tanφ－岩石抗剪切内摩擦系数－岩石抗剪切内摩擦系数 c －岩石的粘结力〔内聚力）－岩石的粘结力〔内聚力） 四四岩石在三向压缩应力作用下的强度岩石在三向压缩应力作用下的强度1. 1. 定义定义 指在不同三向压缩应力作用下岩石抵抗外荷指在不同三向压缩应力作用下岩石抵抗外荷载的最大应力载的最大应力 2. 2. 三向压缩试验简介三向压缩试验简介 （（1 1）） 真三轴真三轴 见图见图1-16~1-181-16~1-18 （（2 2）） 假三轴假三轴 见图见图2-112-11 3.3.三轴压缩试验的破坏类型三轴压缩试验的破坏类型 4.4.岩石三向压缩强度的影响因素岩石三向压缩强度的影响因素（（1 1〕侧压力的影响〕侧压力的影响 围压越大，轴向压力越大围压越大，轴向压力越大 （（2 2〕加载途径对岩石三向压缩强度影响〔图〕加载途径对岩石三向压缩强度影响〔图2-2-1313）） A、B、C三条虚线是三个不同的加载途径，加载途径对岩的最终三向压缩强度影响不大。
（（3 3〕孔隙水压力对岩石三向压缩强度的影响〕孔隙水压力对岩石三向压缩强度的影响 孔隙水压力使有效应力〔围压〕减小 强度降低前往前往 。