第三节第三节 岩块的强度性质岩块的强度性质 岩块的强度岩块的强度是指岩块抵抗外力破坏的能力。是指岩块抵抗外力破坏的能力。 根据受力状态不同，岩块的强度可分为根据受力状态不同，岩块的强度可分为单轴抗压强单轴抗压强度度、单轴抗拉强度单轴抗拉强度、剪切强度剪切强度、三轴压缩强度三轴压缩强度等。等。 一、单轴抗压强度一、单轴抗压强度c c 1 1、定义、定义 在在单单向向压压缩缩条条件件下下，岩岩块块能能承承受受的的最最大大压压应应力力，简简称抗压强度（称抗压强度（MPaMPa）。）。 2 2、研究意义、研究意义 （1 1）衡量岩块基本力学性质的重要指标。）衡量岩块基本力学性质的重要指标。 （2 2）岩体工程分类、建立岩体破坏判据的重要指标。）岩体工程分类、建立岩体破坏判据的重要指标。 （3 3）用来估算其他强度参数。）用来估算其他强度参数。t= 330%ct= 330%c3 3、测定、测定 方法方法 抗压强度试验抗压强度试验 PcPc破坏荷载；破坏荷载；AA式样横截面积。式样横截面积。岩样：岩样：直径直径 d=57cm d=57cm（试样的直（试样的直径与岩样中最大颗粒直径的径与岩样中最大颗粒直径的比值大于比值大于1010即可）即可）高高 h=(23)d h=(23)d或立方体：或立方体：5510cm5510cm3 34.4.破坏类型：破坏类型：5.5.a. a. 对顶锥破坏对顶锥破坏b. b. 劈裂破坏劈裂破坏 试样在轴向应力作用下，由泊松效应试样在轴向应力作用下，由泊松效应引起的一种拉断效应。引起的一种拉断效应。c. c. 剪切破坏剪切破坏也比较常见，特别是有试样中存在有也比较常见，特别是有试样中存在有与与1 1斜交的微结构面的情况下，经常都是沿软弱面斜交的微结构面的情况下，经常都是沿软弱面发生剪切破坏。发生剪切破坏。 当岩块内存在有与当岩块内存在有与1 1成一定角度的微弱结构面时。成一定角度的微弱结构面时。1.d. 塑塑性性流流动动主主要要是是塑塑性性材材料料的的破破坏坏形形式式，如如低低碳碳钢钢，在在岩岩体体很很少少见见，只只存存在在当当含含水水量量较较大大，软软弱弱时才呈现这种破坏。时才呈现这种破坏。4 4、常见岩石的抗压强度、常见岩石的抗压强度 岩石名称抗压强度（MPa）岩石名称抗压强度（MPa）岩石名称抗压强度（MPa）辉长岩180300辉绿岩200350页岩10100花岗岩100250玄武岩150300砂岩20200流纹岩180300石英岩150350砾岩10150闪长岩100250大理岩100250板岩60200安山岩100250片麻岩50200千枚岩、片岩10100白云岩80250灰岩20200二、单轴抗拉强度二、单轴抗拉强度t t 1 1、定义、定义 单单向向拉拉伸伸条条件件下下，岩岩块块能能承承受受的的最最大大拉拉应应力力，简简称称抗拉强度。抗拉强度。 2 2、研究意义、研究意义 （1 1）衡量岩体力学性质的重要指标）衡量岩体力学性质的重要指标 （2 2）用来建立岩石强度判据，确定强度包络线）用来建立岩石强度判据，确定强度包络线 （3 3）选择建筑石材不可缺少的参数）选择建筑石材不可缺少的参数 3 3、测定方法、测定方法 （1 1）直接拉伸法）直接拉伸法 利利用用特特制制的的夹夹具具和和粘粘合合剂剂（如如，环环氧氧树树脂脂）将将试试件件夹夹在在试试验机上拉伸，直至破坏。验机上拉伸，直至破坏。P Pt t破坏荷载（破坏荷载（KNKN）；）； AA垂直于加荷方向岩样的平均垂直于加荷方向岩样的平均横截面积（横截面积（m m2 2） （2 2）间接法）间接法a. a. 劈裂法劈裂法试样规格：园柱体试样规格：园柱体D=5cm D=5cm l=l=（0.510.51）D D 若边长为若边长为a的的立方体立方体:b. b. 点荷载法：（点荷载法：（赖奇米尤休赖奇米尤休 1962 1962年提出）年提出） 是是采采用用圆圆盘盘形形的的试试样样，把把试试样样平平放放在在试试验验机机上上，并并通过一对相向的球形装置，于园盘通过一对相向的球形装置，于园盘的的中轴处施加点荷载。中轴处施加点荷载。试样尺寸：试样尺寸： D=5cm D=5cm ； t=23cm t=23cm 抗拉强度可按：抗拉强度可按：赖奇米尤休公式赖奇米尤休公式 Pt园盘直径园盘直径常见岩石的抗拉强度常见岩石的抗拉强度 岩石名称抗拉强度（MPa）岩石名称抗拉强度（MPa）岩石名称抗拉强度（MPa）辉长岩1536花岗岩725页岩210辉绿岩1535流纹岩1530砂岩425玄武岩1030闪长岩1025砾岩215石英岩1030安山岩1020灰岩520大理岩720片麻岩520千枚岩、片岩110白云岩1525板岩7155 5、抗拉强度与抗压强度的比较、抗拉强度与抗压强度的比较 岩石中包含有大量的微裂隙和孔隙，岩块抗拉强度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，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，空隙对岩块抗压强度的影响就小得多，因此，岩块的抗拉岩块的抗拉强度一般远小于其抗压强度。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通常把抗压强度与抗拉强度的比值称为脆性度脆性度，用，用以表征岩石的脆性程度。以表征岩石的脆性程度。岩块的几种强度与抗压强度比值岩块的几种强度与抗压强度比值 岩石名称 与抗压强度的比值 抗拉强度 抗剪强度 抗弯强度 煤 0.0090.06 0.250.5 页岩 0.060.325 0.250.48 0.220.51 砂质页岩 0.090.18 0.330.545 0.10.24 砂岩 0.020.17 0.060.44 0.060.19 石灰岩 0.010.067 0.080.10 0.15 大理岩 0.080.226 0.272 花岗岩 0.020.08 0.08 0.09 石英岩 0.060.11 0.176 三、剪切强度三、剪切强度1 1、定义、定义 在在剪剪切切荷荷载载作作用用下下，岩岩块块抵抵抗抗剪剪切切破破坏坏的的最最大大剪剪应应力，称为剪切强度。力，称为剪切强度。 工程上需要测定的抗剪强度大致分为以下三种：工程上需要测定的抗剪强度大致分为以下三种： a. a. 岩石实体的抗剪强度岩石实体的抗剪强度 b. b. 岩体软弱面的抗剪强度岩体软弱面的抗剪强度 c. c. 岩石胶结面的抗剪强度岩石胶结面的抗剪强度抗剪断试验抗剪断试验抗切试验抗切试验抗剪抗剪(摩擦摩擦)试验试验2 2、抗剪强度类型、抗剪强度类型 （1 1）抗剪断强度：）抗剪断强度：指试件在一定的法向应力作用下，指试件在一定的法向应力作用下，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力。沿预定剪切面剪断时的最大剪应力。 （图（图（a a）（2 2）抗切强度：）抗切强度： 指试件上的法向应力为零时，沿预定指试件上的法向应力为零时，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力。剪切面剪断时的最大剪应力。 （图（图（c c）（3 3）摩擦（抗剪）强度：）摩擦（抗剪）强度：指试件在一定的法向应力作用指试件在一定的法向应力作用下，沿已有破裂面（层面、节理等）再次剪切破坏时的最下，沿已有破裂面（层面、节理等）再次剪切破坏时的最大剪应力（图（大剪应力（图（b b）。）。3 3、研究意义、研究意义 反映岩块的力学性质的重要指标。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。用来估算岩体力学参数及建立强度判据。 4 4、抗剪强度的测试方法、抗剪强度的测试方法 抗剪强度的测定目前分为：抗剪强度的测定目前分为： （1 1）直剪试验）直剪试验 据其受荷情况及试件特征，岩石的抗剪强度又分为三据其受荷情况及试件特征，岩石的抗剪强度又分为三种情况。种情况。 ( (如前述如前述) ) （2 2）变角板剪切试验）变角板剪切试验 剪断面上的正应力；剪断面上的正应力；PP压力机所加荷载；压力机所加荷载；AA剪切面的面积；剪切面的面积；放放置置试试件件的的倾倾角角, ,不不能能过大或过小；过大或过小；ff摩擦系数。摩擦系数。四、三轴压缩强度四、三轴压缩强度 1 1、定义、定义 试试件件在在三三向向压压应应力力作作用用下下能能抵抵抗抗的的最最大大的的轴轴向应力。向应力。 2 2、测定方法、测定方法 三轴试验三轴试验 按应力组合方式可分两类：按应力组合方式可分两类：假三轴试验假三轴试验 ：真三轴试验：真三轴试验： 其中假三轴试验是目前常用的岩石三向压力试验。其中假三轴试验是目前常用的岩石三向压力试验。 3. 3. 假三轴试验假三轴试验（普通三轴试验）（普通三轴试验） 采用仪器为采用仪器为岩石三轴试验仪：岩石三轴试验仪： 高压容器（三向压力室）高压容器（三向压力室） 一套加压设备：侧向加压系统一套加压设备：侧向加压系统 轴向加压系统轴向加压系统 工作原理：工作原理：把把经经过过加加工工的的圆圆柱柱形形岩岩石石试试件件用用隔隔离离膜膜（乳乳胶胶或或塑塑料制成的）包裹起来，置于高压容器中。料制成的）包裹起来，置于高压容器中。用用液液压压机机对对试试件件施施加加各各向向均均匀匀的的液液压压（油油压压或或水水压压）使使 。通过纵向传力柱对试件施加垂直压力通过纵向传力柱对试件施加垂直压力 。随随着着 增增大大，同同时时量量测测试试件件的的纵纵向向及及横横向向变变形形，直至试件破坏。直至试件破坏。目的：目的：研究围压对岩石变形与强度的影响研究围压对岩石变形与强度的影响 a. a. 围压对岩石刚度影响围压对岩石刚度影响 b. b. 围压对破坏形式的影响围压对破坏形式的影响 c. c. 围压对岩石强度影响围压对岩石强度影响 a. a. 围压对岩石刚度影响围压对岩石刚度影响b. b. 围压对破坏形式的影响围压对破坏形式的影响c. c. 围压对岩石强度影响围压对岩石强度影响4.4.真三轴试验真三轴试验 真真三三轴轴试试验验除除轴轴向向加加载载以以外外，另另外外，两两个个方方向向可可单单独加载，使独加载，使 。主要目的：主要目的：研究研究 对岩石变形与强度的影响。对岩石变形与强度的影响。 5. 5. 利用三轴试验确定抗剪强度利用三轴试验确定抗剪强度 根据一组试件根据一组试件(4(4个以上个以上) )试验得到的三轴压缩强试验得到的三轴压缩强度度1 1m m和相应的和相应的3 3以及单轴抗拉强度以及单轴抗拉强度t t。在。在- -坐坐标系中可绘制出岩块的强度包络线。标系中可绘制出岩块的强度包络线。 除顶点外，包络线上所有点的切线与除顶点外，包络线上所有点的切线与轴的夹角轴的夹角及其在及其在轴上的截距分别代表相应破坏面的内摩擦角轴上的截距分别代表相应破坏面的内摩擦角( () )和内聚力和内聚力( (C C) )。