物理性质省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第二章 岩块物理力学性质一、岩石物理性质岩石密度（容重、比重）、空隙性二、岩石水理性质岩石吸水性、软化性、透水性、抗冻性第1页Physical properties of rock定义：物理性质是指岩石三相组成部分相对百分比关系不一样所表现物理状态。一样，也是由固体、液体和气体三相组成。msmwo水气V0VWVSVV固一、岩石基本物理性质从物质成份上来说，岩石和土第2页kN m3Gs =WsVs w岩石固体部分体积 m3测试方法：比重瓶法岩石固体部分重量 kN4C时单位体积水重量岩石比重(Gs )岩石固体部分重量和4C时同体积纯水重量比值。无单位与其体积比值。g/cm31.岩石密度、比重、容重（1）岩石颗粒密度(s )岩石固体相部分质量第3页天然密度=天然容重 9.80kN m（2）岩块密度(岩石密度)、岩石容重 岩块密度(岩石密度)岩块单位体积质量。与矿物组成、岩石孔隙性及含水状态相关。按试件含水状msVmsatVd =sat =3单位：g/cm干密度 105110C,烘24h饱和密度容重是工程岩体稳定性分析计算及岩体压力计算基本参数态分干容重 d容重 饱和容重 satmV单位：kN m3=g3测试方法：量积法（规则试样）水中法或蜡封法（不规则试样）第4页常见岩石物理性质指标值(部分)颗粒密度与块体密度不一样：颗粒密度不包含孔隙，其大小只与矿物密度及其含量相关。块体密度，不但与矿物组成有关，还与岩石空隙性及含水状态亲密相关。第5页空隙100%n=100%=1V空隙性是岩石孔隙性与裂隙性统称,用空隙率表示,符号为 n。2.岩石空隙性空隙率工程意义：是岩石物理性质一个重要指标。对岩块和岩体水理、热学性质及力学性质影响很大。空隙率愈大岩石中孔隙和裂隙愈多岩石力学性质越差(岩石强度愈小、塑性变形越大），渗透性愈大，抗风化能力愈差等。空隙率指岩石总空比值，以百分数表示。s隙体积与岩石总体积 Vv d 封闭空隙大开空隙小开空隙类型 开空隙第6页吸水率(Wa)mw1二、岩石水理性质定义：岩石在水溶液作用下表现出来性质，称为水理性质。主要有：吸水性、软化性、抗冻性和透水性。1.岩石吸水性吸水性指岩石在一定条件下吸收水分能力。惯用吸水率、饱和吸水率与饱水系数表示。岩样在常温常压条件下吸入水质量Wa =100%ms岩样烘干质量烘干温度：105110C,时间：二十四小时水只能进入大开空隙，不能小开空隙和闭空隙第7页饱和吸水率()pW2wm吸水率、饱和吸水率与饱水系数岩石吸水率大小，主要取决于岩石中空隙数量、大小及其连通情况。空隙率愈大空隙大、数量多、连通性好岩石吸水率越大力学性质差。msWp =100%岩样在高压（15MPa）或真空条件下吸入水质量岩样烘干质量在高压或真空条件下，水能进入全部开空隙中。饱和吸水率反应岩石总开空隙发育程度，可用来判断岩石抗风化能力和抗冻性，是岩石物理性质一个主要指标。第8页WaWp吸水率、饱和吸水率与饱水系数饱水系数(kw)吸水率kw =100%饱和吸水率反应岩石中大、小开空隙相对数量。普通情况下，饱水系数愈大，余留空隙愈少，岩石愈易被冻胀破坏。几个岩石吸水性指标值第9页 cw c用软化系数表示。软化系数(K R)K R =岩样饱和单轴抗压强度岩样干抗压强度工程意义：1.岩石软化系数愈小，说明岩石吸水饱和后其抗压强度降低越多,岩石软化性愈强。岩石软化性取决于岩石矿物组成和空隙性。亲水性矿物和可溶性矿物愈多，且岩石大开空隙较多时，岩石软化性较强，软化系数愈小。软化性软化系数2.岩石软化性软化性指岩石浸水饱和后强度降低性质，第10页软化性软化系数2.软化系数KR0.75时，岩石软化性弱，也说明岩石抗冻性和抗风化能力强。而KR 0.75岩石则是软化性较强和工程地质性质较差岩石，如粘土岩和泥质胶结岩石，其软化系数普通为0.40.6。3.软化系数是评价岩石力学性质一个主要物理性质指标。第11页常见岩石物理性质指标值第12页抗冻系数()：dR2c1c1 2s sm m抗冻性指岩石抵抗冻融破坏能力，用抗冻系数和质量损失率表示。3.岩石抗冻性抗冻性K m =100%质量损失率(K m)：岩样冻融后干质量ms1 岩样冻融前干质量Rd =100%岩样经重复冻融后岩样冻融前干抗压强度干抗压强度 20 20oC,25次以上第13页岩石在冻融作用下强度降低和破坏原因 岩石矿物组分膨胀系数不一样，及温度不均匀，造成产生内应力；岩石空隙水冻胀作用。使岩石产生更多裂隙，结构破坏，强度降低。抗冻性抗冻系数、质量损失率透水性在一定水力梯度或压力差作用下，岩石能被水透过性质。岩石透水性大小用渗透系数衡量。4.岩石透水性第14页透水性渗透系数线性渗透规律达西定律：渗透系数数值上等于水力梯度为1时渗透流速，cm/s或m/d水力梯度U=KJ渗透流速渗透系数是表征岩石透水性主要指标，其大小主要取决于岩石空隙数量、大小、方向及其连通性等，水只能经过连同空隙渗透。对于工程岩体，裂隙岩体渗透系数（透水性）远大于岩块渗透系数，岩体渗透规律非常复杂。第15页岩 石 名 称空 隙 情 况（cm/s）花岗岩较致密、微裂隙-12 -111.110 9.510含微裂隙-11 -111.110 2.510微裂隙及部分粗裂隙-9 -82.810 710石灰岩致密-12 -10310 610微裂隙、孔隙-6210-9 310空隙较发育-4910-5 310片麻岩致密-1310微裂隙-7910-8 410微裂隙发育-5210-6 310辉绿岩、玄武岩致密-1310砂岩较致密-1010-13 2.510空隙发育-65.510页岩微裂隙发育-9210-10 810片岩微裂隙发育-510-9 510石英岩微裂隙-101.210-10 1.810透水性渗透系数几个岩石渗透系数值第16页膨胀性 指岩石浸水后体积增大性质。5.岩石膨胀性抗冻性含粘土矿物(如蒙脱石、水云母及高岭石等)成份一些岩石（如泥岩），经水化作用后在粘土矿物晶格内部或细分散颗粒周围生成结合水溶剂腔(水化膜)，而且在相邻近颗粒间产生楔劈效应，当楔劈作用力大于结构联结力，岩石显示膨胀性。岩石膨胀特征通常以岩石自由膨胀率、侧向约束膨胀率、膨胀压力等来表示。第17页崩解性 指岩石与水相互作用时失去粘结性,并变成完全丧失强度涣散物质性能。岩石崩解性普通用岩石耐崩解性指数表示。6.岩石崩解性抗冻性崩解现象是因为水化过程中减弱了岩石内部结构联结引发，常见于由可溶盐和粘土质胶结沉积岩地层中。第18页地层岩性桩号岩块密度3（g/cm）吸水率（）孔隙率(%)抗压强度(MPa)点荷载强度(MPa)垂直层面方向加载软化系数(Kp)试件加载方向点荷载强度指标换算单轴抗压强度点荷载强度指标换算单轴抗压强度软化系数(Kp)天然饱和饱和/天然天然饱和天然饱和寒武系石牌组粉砂质页岩ZK45+240110YK44+9808002.742.741.01/0.892.7547.528.90.61垂直层面5.4564.93.3339.60.612.742.740.85/0.702.3273.849.70.672.732.740.93/0.742.5370.760.60.862.732.740.97/0.752.6255.348.80.8862.752.20.83顺层面1.8522.01.3416.00.7361.452.80.8674.553.40.7271.650.50.71寒武系水井沱组粉砂质页岩ZK44+193187YK43+7937402.732.740.85/0.692.31垂直层面4.351.1顺层面1.5118.01.3015.50.86湖北沪蓉西高速公路扁担垭隧道岩石物理力学试验参数第19页宜万铁路全长376.99km,共有隧道124座,总长224.88km,约占线路总长 59.65,其中310km长隧道22座,大于10km专长隧道3座,隧道最大埋深约800m。一、宜万铁路工程概况与工程地质条件宜万铁路深部岩溶问题1.宜万铁路工程概况第20页2.宜万铁路沿线区域地貌特征宜万铁路主要穿行在溶蚀侵蚀中低山区，自然坡度普通大于30，河谷深切，断崖纵横，最大高程1800余米，相对高差200800m。第21页3.宜万铁路沿线地层分布概况碳酸盐岩地层约占全线70。共有岩溶隧道75座，长约157.7km。第22页4.岩溶地貌特征二迭、三迭及寒武碳酸盐岩地层中，岩溶地貌尤其发育，岩溶类型齐全形态各异，地下岩溶洞穴、暗河尤其发育。第23页5.隧道工程特征 碳酸盐岩隧道达75座，长157.7km，岩溶尤其发育。隧道埋深大，普通在500600m，最大埋深达800余米。在22座长、专长隧道中灰岩隧道达19座。多座长大岩溶隧道穿越暗河，在地下水水平循环带中经过。多座隧道穿越区域大断裂。受地形影响，多座隧道设计为单面坡，不利于隧道排水，增加施工难度。第24页6.隧道工程主要地责问题 岩溶、岩溶水 高地应力 断层破碎带 煤层瓦斯及天然气宜万铁路被定义为世界上最复杂山区铁路，它复杂点就在于岩溶和岩溶水。采取地面勘察与施工超前地质预报来处理该问题。第25页二、宜万铁路隧道施工岩溶问题工程实例例1.别岩槽隧道第26页例1.别岩槽隧道进口000突水淹井出口422突水溶腔第27页例2.齐岳山隧道第28页例2.齐岳山隧道齐岳山隧道PDK361+870炮孔突水第29页例2.齐岳山隧道涌水后抽排现场第30页例3.马麓箐隧道第31页例3.马麓箐隧道第32页例3.马麓箐隧道第33页作业1.什么是岩体？岩体结构普通依据什么来划分？岩体结构能够分为哪几个结构类型？2.什么是结构面？结构面按地质成因分为哪几个？各有什么特征？3.结构面含有哪些特征？结构面存在对岩体力学性质和岩体稳定性有什么影响？试举例说明。4.岩块主要物理性质(包含水理性质)有哪些？各有什么工程意义？第34页相关基本概念岩块变形性质岩块强度性质岩石破坏判据第四章 岩块变形与强度性质第35页第一节 概述（一）研究岩块力学性质意义环境（水）岩块结构面岩体岩石力学性质（地应力）主要力学性质：变形与强度、破坏研究岩块力学性质主要方法：室内试验第36页（二）材料受力所表现出几个基本力学性质 弹性 物体受外力作用产生变形，除去外力（荷载）后，变形立刻完全恢复性质，称为弹性。该变形为弹性变形，该物体为弹性介质。0岩石力学性质直线关系 塑性 物体受外力作用产生变形，除去外力（荷载）后，变形不能完全恢复性质，称为塑性。不能恢复变形称为塑性变形（永久变形或残余变形）。在外力作用下，或者在一定应力范围内，只发生塑性变形物体称为塑性介质。线弹性（理想弹性）s0 理想弹塑性材料第37页&dt岩石力学性质 粘性物体受外力作用后变形不能在瞬间 完成，且变形速率随应力增加而增加性质，称为粘性。d0理想粘性材料 脆性 物体受外力作用后，变形很小时就发生破裂性质，称为脆性。对应破坏称为脆性破坏。物体受外力作用后，发生较大变形时发生破坏，称为塑性破坏。脆性破坏与塑性破坏区分:以材料受力破坏前总应变和全应力-应变曲线上负坡坡降大小划分。破坏前总应变小,负坡较陡为脆性破坏,反之为塑性破坏。工程上以5进行划分。脆性破坏-破坏前总应变5。第38页岩石力学性质 延性物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力性质，称为延性。延性反应是屈服后变形能力。需要温习概念：内力与外力；应力与应变、应力状态；强度与变形、破坏；莫尔应力圆等等。第39页 d LABC第二节 岩块（岩石）变形性质一、单轴压缩条件下岩块变形（一）连续加载 V =L 2 d岩块经典应力-应变曲线V D(+)(-)LEdo应力-应变全过程曲线压缩扩容第40页应力-应变全过程曲线.孔隙、裂隙压密阶段(OA)：曲线呈上凹型，曲线斜率随应力增加而逐步增大。表明在力作用下，试件中张性结构面或微裂隙闭合，岩石被压密，表现出非线性变形特征。横向膨胀较小，试件体积随荷载增加而减小。.弹性变形阶段(AB)：呈线性关系，变形可恢复，B点应力为弹性极限。该变形由固体颗粒被压缩而产生弹性变形。1.岩块变形、破坏过程ABCDE(-)LVdo应力-应变全过程曲线压缩(+)扩容第41页(-)全过程曲线应力-应变曲线呈下凹型,伴随应力增加,变形速率增大。原因:岩石破裂过程中,应力发生重分布,裂隙处应力集中显著;并使裂隙不停产生、延展和贯通;荷载不变时,微破裂仍发展；继续增加荷载，试件会发生破坏。试件体积由压缩转变为扩容。D点应力为峰值强度或单轴抗压强度。其应力为屈服极限(屈服强度).非稳定破裂发展阶段(CD)Vo(+)LE.微裂隙稳定发展阶段(BC)：L 曲线呈近似线性关系，d v 为曲线，体积压缩率减小。产生新微裂隙，随应力增加而发展;荷载不变时，微裂隙停顿发展;为塑性变形。上界C点为屈服点，应力-应变全过程曲线 cDCBA第42页L形增大快速降低,但仍保(-)全过程曲线VoE(+)d.破坏后阶段(DE)：岩块承载力到达峰值,其内部结构基本破坏,仍保持整体状。裂隙快速发展、贯通,形成一条或几条宏观断裂面。破坏岩块沿宏观断裂面滑移,承载力随变持一定承载力。岩块变形、破坏过程是一个渐进式发展过程，总体分为两个阶段：峰值前阶段和峰值后阶段。应力-应变全过程曲线 峰值前 峰值后DCBA第43页应力-应变全过程曲线第44页横向应变轴向应变体积应变第45页单轴压缩破坏特征第46页弹性型塑-弹性型弹性-蠕变型花岗岩、玄武岩、石英岩等石灰岩、砂砾岩等裂隙较多坚硬岩石花岗岩、砂岩等坚硬变质岩石(微层理、片理)大理岩、压缩性高岩石(片理)2.峰值前岩块变形特征应力应变曲线类型及其特征(缪勒 6种曲线类型,28种岩石)oooooo片岩塑-弹-塑性型2片麻岩塑-弹-塑性型1弹-塑性型 裂隙少较坚硬岩石 无裂隙坚硬、极坚硬岩软弱岩石第47页应力o应变3.峰值后岩块变形特征葛修润等提出P脆性不显著脆性第48页（二）循环加载条件下变形特征特点：加载路径（曲线）与卸载路径（曲线）基本重合，回到原点弹性恢复卸荷后弹性变形恢复现象弹性后效卸荷后大部分弹性变形很快恢复，而少部分须经过一段时间才能恢复现象。1.一次加、卸载（1）荷载点在弹性极限点以下弹性极限荷载点一次加、卸载 曲线oPA第49页（2）荷载点在弹性极限点以上特点：加载路径（曲线）与卸载路径（曲线）不重合，不回到原点=p +e塑性变形 弹性变形 p e总变形一次加、卸载 曲线荷载点PoA弹性极限第50页 滞回环2.循环加、卸载（1）不停增大荷载 滞回环：每次加载、卸载曲线围成一环形面积 岩石记忆（岩石变形记忆）：指循环加载条件下，应力-应变曲线外包络线与连续加载应力-应变曲线一致现象。(a)不停增大荷载回滞环o第51页2.循环加、卸载 滞回环（2）弹性极限以上加等荷载 滞回环：面积变小 累积变形 疲劳破坏、疲劳强度(b)等荷载o第52页二、三轴压缩条件下岩块变形（一）三轴压缩试验 真三轴试验：常规三轴试验：12312=3112、32、3塑-弹性型(轴向)曲线及变形模量3）强度曲线及剪切强度C、试验结果：1)3不一样,三轴抗压强度1m不一样2)应力(应力差 1 3 )-应变第53页MPa)-1 3(（二）围压对岩块变形破坏影响应变硬化塑性流动塑性 岩石峰值强度随3增大而增大 岩石破坏前应变随3增大而增大 岩石塑性随围压增大而增加，且逐步由塑性转为延性。随3增大岩石变形模量增大，软岩增大显著，致密硬岩增大不显著 随3增大，岩石塑性不停增大，随3增大到一定值时，岩石由脆性转变为塑性。破坏类型：随3增大，岩块从脆性劈裂破坏逐步向塑性剪切及塑性流动破坏方式过渡。塑性塑-弹性型 2 =3 3 =0脆性(%)不一样围压下大理岩应力应变曲线第54页抵达破坏时应变(%)10破坏型式脆性破坏 脆性破坏过渡型破坏延性破坏延性破坏试件破坏情况13应力-应变曲线基本类型破裂破坏机制张拉破裂以张拉为主破裂剪切破裂 剪切流动破裂塑性流动岩石在三轴压缩条件下破坏类型：脆性破坏、塑性剪切破坏和塑性流动破坏三类。第55页 i i（modulus of elasticity)应力与轴向应变之比。用E 表示，MPa1.若其应力-应变曲线为直线E=常数直线斜率此时，变形模量又称为弹性模量o变形模量、泊松比i弹性变形三、岩块变形参数及其确定 连续加载基本变形参数（一）变形模量（modulus of deformation)E定义：指岩块在单轴压缩条件下，轴向压 ippALL=LLpA=第56页初始模量(Ei ):指曲线变形模量、泊松比2.若其应力-应变曲线非直线2501io1 50 2i L量原点处切线斜率切线模量(Et):指曲线上任一点处切线斜率，在此特指中部直线段斜率Ei =Et =i i 2 1 2 1割线模量(Es):指曲线上某特定点与原点连线斜率。通常取 c 2 处点与 50 50Es =原点连线斜率。普通提到变形模量指割线模量第57页 d d=L通常取 c 2 处 d 与 L岩石泊松比普通小于0.5。o变形模量、泊松比（二）泊松比（poissons ratio)定义：指在单轴压缩条件下，横向应变（d）与轴向应变（L）之比。L来计算。2501i1 50 2i L第58页变形模量、泊松比0.220.350.20.40.20.30.20.40.20.30.20.350.20.350.20.351101828281105104819180.252513.50.58184819片麻岩千枚岩、片岩板岩页岩砂岩石灰岩白云岩大理岩0.20.30.10.250.10.30.20.30.120.20.10.30.10.350.10.255105107155127158156126202628710510711811610620花岗岩流纹岩闪长岩安山岩辉长岩辉绿岩玄武岩石英岩泊松比变形模量(104MPa)初始 弹性岩石名称泊松比变形模量(104MPa)初始 弹性岩石名称第59页变形模量、泊松比其它变形参数：剪切模量G、拉梅常数 、体积模量KvG=E2(1+)E(1+)(1 2)Kv =E3(1 2)第60页Ee =e p+变形参数 e 循环加载弹性模量变形模量E=塑性变形 弹性变形 p e总变形一次加、卸载 曲线荷载点PoA弹性极限第61页四、岩石蠕变性质(creep)变形模量、泊松比（一）基本概念岩石变形不但表现为弹性和塑性，而且也含有流变性质。流变性质指材料应力应变关系与时间原因相关性质。流变指材料在变形过程中含有时间效应现象。流变类型：蠕变当应力不变时，变形随时间而增加现象。应力松弛当应变不变时，应力随时间而减小现象。弹性后效加载或卸载时，弹性应变滞后于应力现象。第62页瞬时应（二）岩石蠕变特征曲线呈下凹形,应变随时间增加较快,但应变速率随时间而减小.等速蠕变（或稳定蠕滑）阶段曲线近似呈直线，应变速率基本不变，应变随时间等速增加.加速蠕变阶段曲线呈上凹形，应变速率随时间而变大，应变随时间增加很快，直至岩石破坏经典蠕变三个阶段：呈“S”形.减速蠕变（或初始蠕滑）阶段A0oDTV ptCPBUQ 变恢复R岩石经典蠕变曲线第63页页岩砂岩花岗岩10()-6t()10 s（三）影响岩石蠕变原因10MPa应力和室温下，页岩、砂岩和花岗岩经典蠕变曲线1.岩性 花岗岩等坚硬岩石蠕变变形很小，且在很短时间内趋于稳定，可忽略 页岩、泥岩等软弱岩石蠕变变形非常显著，变形以稳定速率连续增加直至破坏软岩蠕变特征对软岩体变形及其稳定性影响显著岩石结构结构、孔隙率、含水性对岩石蠕变特征有显著影响86420246810124第64页沪蓉西高速某隧道+250处，6月26日施工，7月18日拱顶产生下沉开裂。11月5日早晨，拱顶发生大体积坍塌。第65页20.52530(MPa)(%)18.1影响岩石蠕变原因2.应力 应力大小不一样，蠕变曲线形状和各阶段连续时间不一样 低应力时没有加速蠕滑阶段，中等应力条件下出现蠕滑三阶段，高应力条件下等速蠕滑阶段不显著一个岩石既能够发生稳定蠕变，也能够发生不稳定蠕变，这取决于岩石应力大小。超出某临界应力时，蠕变向不稳定蠕变发展；小于此临界应力时，蠕变按稳定蠕变发展。2212.5100.51.51.0010020 40 60 80t(d)雪花石膏在不一样压力下蠕变曲线第66页186.2(%)影响岩石蠕变原因3.温度人造盐岩在相同围压和不一样温度下蠕变曲线 3 =102MPa4.湿度 与干燥岩石相比，湿岩应变和应变速率大80050100150t(h)伴随温度升高，岩石应变和应变速率增加40104.5 29 200第67页弹簧（四）蠕变模型及其本构方程研究蠕变模型方法：经验法和蠕变模型法经验法对试验数据进行曲线拟合得到经验本构方程蠕变模型法将岩石材料抽象为一系列简单物理元件，由基本模型单元来模拟岩石蠕变特征，建立本构方程应变与时间无关，无蠕变、无应力松弛、无弹性后效0 理想弹性体应力应变1.理想物体基本模型（1）弹性元件本构方程 =,E虎克定律，用来模拟理想弹性体，E,弹性单元力学模型第68页（2）塑性元件塑性体：物体所受应力到达屈服极限后产生塑性变形，即应力基本本构模型不变，而变形不停增加，含有该性质物体为理想塑性体。本构方程 多边形。棱角-应力集中，h应力集中越强烈，试件越易破坏，抗压强度越低 D高径比增大,强度降低;很小,处于三向受压;很大,易发生失稳破坏h/D 23 应力分布较均匀，弹性稳定状态第89页 加工精度：端面粗糙、不平行，产生应力集中，降低强度影响原因岩石单轴抗压强度原因（2）试验条件原因1）试件形状、尺寸及加工精度 尺寸效应：尺寸越大微结构面越多，越复杂强度越低我国家标准准尺寸：直径或边长为50mm,高100mm非标准试件强度与标0.222h D准试件强度转换：c1 =c0.778+第90页影响原因岩石单轴抗压强度原因2）加载速率加载速率增大，强度提升。原因：变形速率滞后于应力增加速率，变形来不及发生、发展。现行试验规范要求加载速率：0.50.8MPa/s3）试件端面摩擦约束效应端面摩擦约束效应:(1)承压板变形对试件端面周围横向约束。承压板大于试件端面，加载时承压板因受力而变形，对试件周围产生横向约束；(2)端面摩擦。试件发生横向变形时，承压板对试件端面产生摩擦力，从而影响试件应力分布。降低端面影响方法:(1)选取与试件端面相同、侧面膨胀相同(即泊松比/弹模E值相等)金属块加于试件两端，以消除端面效应，那么在弹性阶段端部效应就不出现;(2)在试件与承压板之间加润滑剂，以降低压力板与试件之间摩擦力第91页岩石名称抗压强度(MPa)()()垂直层理()平行层理()石 灰 岩1801511.19粗粒砂岩142.3118.51.20细粒砂岩156.8159.70.98砂质页岩78.951.81.52页 岩51.736.71.41影响原因岩石单轴抗压强度原因4）湿度和温度水对岩石强度有显著影响，其用软化系数表示。浸入水岩石强度降低。5）层理结构加载方向平行于层理方向强度 垂直于层理方向强度。温度升高，脆性降低，塑性增加，强度越低。微层理第92页 定义 岩石试件在单向拉伸荷载作用下直到破坏所能承受uniaxial tensile strength二、单轴抗拉强度 t直接拉伸法间接法(劈裂法、点荷载法、三点弯曲法)最大拉应力，称为抗拉强度（uniaxial tensile strength）（MPa）意义（1）拉破坏是岩体主要破坏型式，衡量岩体力学性质主要指标；（2）是建立岩石强度判据，确定强度包络线主要指标；（3）选择建筑石材不可缺乏参数 测定方法：弯曲、倾倒破坏第93页PtA t =单轴抗拉强度圆柱状试件、材料试验机Pt直接拉伸法：Pt直接拉伸法：费时、费力、费物第94页 x =y 3立方体 t =2 pt a劈裂试验（巴西试验）：单轴抗拉强度弹性理论竖直向直径平面为拉应力：x =2 p DL水平向直径平面为压应力：y =6 p DL拉破坏而 t c 4间接方法：D垫条PxPP y x y2 P DLo(c)P(a)(b)圆柱体试件试验圆柱体 t =2 pt DL2点荷载强度I s =pt D2点荷载试验：抗拉强度 t =KI s0.860.96第95页岩石名称c抗压强度(MPa)t抗拉强度(MPa)摩擦角()内聚力(MPa)岩石名称c抗压强度(MPa)t抗拉强度(MPa)摩擦角()内聚力(MPa)花岗岩10025072545601450片麻岩50200520305035流纹岩180300153045601050千枚岩、片岩101001102665120闪长岩100250102553551050板岩602007154560220安山岩100250102045501040页岩101002101530320砂岩202004253550840辉长岩180300153650551050砾岩101502153550850辉绿岩200350153555602560石灰岩5020052035501050玄武岩150300103048552060白云岩80250152535502050石英岩150350103050602060大理岩10025072035501530 常见岩石抗拉强度单轴抗拉强度第96页 影响岩石抗拉强度原因抗拉强度与抗压强度影响原因基本相同，汇报岩石本身性质和试验条件。微结构面影响（裂隙、空隙）：岩石中包含有大量微裂隙和孔隙，使岩石实际受拉面积减小、局部拉应力集中，岩块抗拉强度受其影响很大，直接减弱了岩块抗拉强度。相对而言，空隙对岩块抗压强度影响就小得多，所以，岩块抗拉强度普通远小于其抗压强度。通常把抗压强度与抗拉强度比值称为脆性度，用以表征岩石脆性程度。第97页 定义岩石试件在三轴压缩荷载作用下直到破PmA1m=坏所能承受最大压应力，简称三轴抗压强度（uniaxial compressive strength），或限制性抗压强度（confined compressive strength）（MPa）测定方法：12=32=3triaxial compressive strength三、三轴抗压强度 1m11试验仪器：常规三轴压力试验仪和真三轴试验仪第98页triaxial compressive strength试验仪器：1.国产TYX500型岩石三轴压力机2.美国MTS企业MTS多功效岩石伺服试验机试验类型：静力学试验、动力学试验、常温常压试验、高温高压试验、破坏力学试验、全过程试验主要试验项目：单轴压缩、三轴压缩、三点弯曲、直接拉伸、间接拉伸特殊功效：孔隙水、渗透、弹性波、声发射第99页 岩石强度包络线及岩石抗剪强度参数岩石莫尔强度包络线2在 坐标系中绘制出一组破坏应力圆及公切线，所得到公切线即为岩石莫尔强度包络线一组试件：4个以上岩样三轴压缩试验：(1m,3)和 t莫尔应力圆：圆心：1m+3 ,02 半径：1m 3 t t to111 c 3 3 c 1 c莫尔强度包络线曲线2第100页岩石抗剪强度参数(C,)1）当围压大时,莫尔强度包络线为曲线,破坏面上内聚力和内摩擦角并非常量。当应力低时，内摩擦角大，内聚力小；当应力高时，内摩擦角小，内聚力大。2）当围压不大时,莫尔强度包络线近似直线,破坏面上内聚力和内摩擦角为常量。t t t1 c 3 311o c 1 c莫尔强度包络线曲线 2依据岩石莫尔强度包络线，可以得到岩石抗剪强度参数内聚力-C内摩擦角-围岩大小对岩石莫尔强度包络线和岩石抗剪强度参数影响：第101页(1m 3)/2A 3 o 2C cos 1 sin 2 o o 2 2C1m1m 31m、(C,)和 3之间关系以直线型莫尔强度包络线为例来研究它们之间关系破坏面内摩擦角()包络线上所有点切线与轴夹角破坏面内聚力(C)包络线全部点21m+3Cctg 2直线型莫尔强度包络线B1m 3=+1+sin 1 sin 切线在轴上截距用 3 和(,C)表示岩石三轴抗压强度ABO sin =(1m+3)/2+Cctg第102页1m 32C cos 1+sin 1 sin 1 sin 1m=3tg(45+)+2Ctg(45+)c =1m2C cos 1 sin 1m+32 o o 2 2当 3 =0=c =1m =2Ctg(45。+2)用(C,)表示岩石单轴抗压强度=+C1m1m 32A 3 o Cctg 2直线型莫尔强度包络线B第103页sin =t c c tg(45 )=c t c t(c+t)/2 c t2 c+t c t c+t=arctg()2 c t21 sin 2 o 1+sin 2用、c 表示ttg=2 c tDo2o1(c-t)/2ct c tCABOct2C=用 c、t 表 示 C、第104页(MPa)1mMPa)-1 3(灰岩63 MPa)影响岩石三轴抗压强度原因(400200 300100010008006004002007 蛇纹岩9花岗岩灰绿色块白云质 8 状铝土矿5 大理岩24砂岩3 砂页岩1硬煤岩石本身性质、围压、温度、湿度、空隙压力、试件高径比等。围压对岩石三轴压缩强度影响：1.三轴抗压强度随围岩增加而增大；2.三轴抗压强度增加速率小于围压增加速率，即二者间呈非线性关系；应变硬化塑性 2 =3流动塑性 3=0脆性(%)不一样围压下大理岩应力应变曲线岩石三轴抗压强度与围压关系3.围压为零或很小时，岩块残余强度很小；围压增大，岩块残余强度也增大。第105页+抗剪断强度 沿预定剪切面剪断时最大剪应力=C 定义在剪切荷载作用下，岩块抵抗剪切破坏最大剪shear strength四、剪切强度 沿次剪切破坏时最大剪应力 n n应力，称为剪切强度（MPa）组成 内聚力 C 内摩擦阻力 n tg 类 型指试件在一定法向应力作用下，=n tg+C 直剪试验、变角板剪切试验、三轴试验抗切强度 指试件上法向应力为零时，沿 预定剪切面剪断时最大剪应力单（双）面剪切试验等摩擦强度 指试件在一定法向应力作用下，=ntg j +C j 已经有破裂面（层面、节理等）再摩擦试验第106页一组试件：46个岩样 抗剪断强度直剪试验图4.22 直剪仪直剪试验按库仑定律求岩块抗剪断强度参数C、值。=tg+C剪切强度参数(C,)TN测力计图4.23 强度包络线曲线C,值确定示意图oC第107页变=(sin f cos)抗剪断强度变角板剪切试验一组试件：46个立方体试件参数C、值。=tg+C(C,)剪切强度参数变角度剪切试验仪P3板42角41C,值确定示意图强度包络线曲线oCPA(cos+f sin )剪切面上应力：=PA 式中,p 为试件破坏时荷载；A 为剪切面面积；为剪切面与水平面夹角；f 为压力机压板与剪切夹具间滚动摩擦系数。按库仑定律求岩块剪切强度第108页1(MPa)b剪切强度参数：=sinb(1 sin )2cos 抗剪断强度三轴试验1 m 1m+1C=(C,)剪切强度参数按库仑定律求岩块剪切强度参数C、值。=tg+Carctgm403002001000 3.0 6.0 10 20 303(MPa)岩石强度包络线一组试件：46个试件在 1-3 曲线上取最正确直线段，求出 m,b第109页岩石名称c抗压强度(MPa)t抗拉强度(MPa)摩擦角()内聚力(MPa)岩石名称c抗压强度(MPa)t抗拉强度(MPa)摩擦角()内聚力(MPa)花岗岩10025072545601450片麻岩50200520305035流纹岩180300153045601050千枚岩、片岩101001102665120闪长岩100250102553551050板岩602007154560220安山岩100250102045501040页岩101002101530320砂岩202004253550840辉长岩180300153650551050砾岩101502153550850辉绿岩200350153555602560石灰岩5020052035501050玄武岩150300103048552060白云岩80250152535502050石英岩150350103050602060大理岩10025072035501530=30 60 常见岩石剪切强度参数剪切强度参数。C=(850)MPa第110页