岩石的强度特性

（5）水的作用：水对岩石的抗压强度起着明显的影响。 当水侵入岩石时，水就顺着裂隙孔隙进入润湿岩石全部 自由面上的每个矿物颗粒。由于水分子的侵入改变了岩 石物理状态，削弱了粒间联系，使强度降低。其降低程 度取决于孔隙和裂隙的状况、组成岩石的矿物成分的亲 水性和水分含量、水的物理化学性质等。 （6）块体密度的影响：块体密度也常常是反映强度的 因素，如石灰岩的块体密度从1500kg/m3增加到 2700kg/m3，其抗压强度就由5 MPa增加到180MPa。

一般来说，结晶岩石比非结晶岩石强度高，细粒结晶的岩石比粗粒结晶的 岩石强度高。如以粗晶方解石组成的大理岩强度为80~120MPa，而晶粒为 千分之几毫米组成的致密石灰岩的强度能达到260MPa。细晶花岗岩的强度 能达到260MPa，而粗晶花岗岩的强度就会降低到120MPa。
(2)胶结情况：对沉积岩来说，胶结情况和胶结物对强度的影响 很大。




(7)风化作用：风化作用对岩石的强度有重要影响。例如， 未风化的花岗岩的抗压强度一般超过100MPa，而强风化的 花岗岩的抗压强度可降至4MPa。 (8) 试验方法：主要影响因素有试件形状、尺寸、岩样加工 程度、压力机的加压板和岩样的加压面之间的接触情况、 加荷速率等等。 (9）加荷速率对岩石强度也有影响，因为快速的加荷方式就 具有动力的特性。加荷速率增加，其抗压强度也就增大。
（3）岩石的强度：是指岩石抵抗破坏的能力。岩石
在外力作用下，当应力达到某一极限值时便发生破坏，
这个极限值就是岩石的强度。
岩石的破坏形式：
1）脆性破坏：大多数坚硬岩石在一定的条件下都表现出脆性破坏的性质。产生这 种破坏的原因可能是岩石中裂隙的发生和发展的结果。 例如，在地下洞室开挖后，由于洞室周围的应力显著增大，洞室围岩可能产生许多 裂隙，尤其是洞室顶部的张裂隙，这些都是脆性破坏的结果。 2）塑性破坏： 在两向或三向受力情况下，岩石在破坏之前的变形较大，没有明显 的破坏荷载，表现出显著的塑性变形、流动或挤出，这种破坏即为塑性破坏。塑性 变形是岩石内结晶晶格错位的结果。 在一些软弱岩石中这种破坏较为明显。有些洞室的底部岩石隆起、两侧围岩向洞内 鼓胀都是塑性破坏的例子。 3）弱面剪切破坏： 由于岩层中存在节理、裂隙、层理、软弱夹层等软弱结构面， 岩层的整体性受到破坏。在荷载作用下，这些软弱结构面上的剪应力大于该面上 的强度时，岩体就产生沿着弱面的剪切破坏，从而使整个岩体滑动。下图为几种 破坏形式的简图。
c c1
d / 0 . 778 0 . 22 ( h )
式中：σc1—— h/d=1的试件抗压强度； σc —— h/d>1的试件抗压强度。
对于风化严重，难以加工 成试件的岩石，可根据点荷载
试验计算岩石的抗压强度：

c
24 I s
式中：Is—点荷载强度指标，
2
式中：P—破坏时的荷载，N； D— 试件直径；cm。 试件直径1.27～3.05cm 岩石的抗拉强度远远小于其抗压强度，一般情况下，

t
(
1 10
~
1 50
)
c
三、岩石的剪切强度τf
1、剪切面上无压应力的剪切试验
2、剪切面上有压应力的剪切试验
试件尺寸：直径或边长不小于50mm，高度应等于直径或边长。
E
即：

c
t
3、在三轴压缩条件下：σ3方向的应变为

3

1 E

3
(
1

的岩石，具有不同的抗压强度， 这是由于矿物本身的特点，不同的矿物有着不同的强度。 但即使相同矿物组成的岩石，也因受到颗粒大小、连结胶 结情况、生成条件等影响，它们的抗压强度也可相差很大。 例如，石英是已知造岩矿物中强度较高的矿物，如果石英 的颗粒在岩石中互相连结成骨架，则随着石英的含量的增 加岩石的强度也增加。 （4）生成条件：岩石的生成条件直接影响着岩石的强度。在 岩浆岩结构中，形成具有非结晶物质，则就要大大地降低岩 石的强度。
按照莫尔强度理论,可按下式计算三向抗压强度:
1 sin 1 sin

1c

c


3
式中: σ1c ——岩石的三向抗压强度； σc——岩石的单向抗压强度； φ——岩石的内摩擦角。
五、岩体强度的测定（现场测试）
1、岩体单向抗压强度和准岩体强度 （1）单向抗压强度σc 试件:边长(0.5～1.5）m，高度


yx
xy


x
yz

y


yz
b
xz
a
x



xy


yx
y
xz
zy

zx
o
x

z
y
3、平面问题的简化
在实际工程中，可根据不同的受力状态，将三维问题简化 为平面问题。 （1）平面应力问题； （2）平面应变问题。
4、基本应力公式 以平面应力问题为例，如图，任意 角度α截面的应力计算公式如下：
A
c
B

x

任一斜面上的正应力和剪应力用主应力表示为：


n




1
2
2
3


1
2
3
cos 2
1
3
n
sin 2
莫尔应力圆的方程： (
n


1
2
3
)
2
2 n
(

1
2
3
)
2
二、最大拉应变理论
该理论认为，无论在什么应力状态下，只要岩石的最 大拉伸应变ε达到一定的极限应变εt时，岩石就会发生拉伸 断裂破坏，其强度条件为：

（a）、（b）脆性断裂破坏；（c） 脆性剪切破坏；（d）延性破坏； （e）弱面剪切破坏
就其破坏本质而言，岩石破坏有以下三种类型： 1、拉破坏 2、剪切破坏 3、塑性流动破坏
§4-2 岩石的强度试验
一、岩石的单轴抗压强度σC

岩石的抗压强度就是岩石试件在单轴压力下达到破坏的极 限值，它在数值上等于破坏时的最大压应力。 试件通常用圆柱形(钻探岩心)或立方柱状(用岩块加工)。试 件的断面尺寸，圆柱形试件采用直径D=5cm，也有采用 D=7cm的；立方柱状试件，采用5×5cm或7×7cm。试件的 高度h应当满足下列条件：

V P
2/3
t
式中：P—破坏时的荷载，N; a—加压方向的尺寸； h—厚度； V—不规则试件的体积。 由于岩石中的微裂隙，在间接拉伸试验中，外力 都是压力，必然使部分微裂隙闭合，产生摩擦力，从 而使测得的抗拉强度值比直接拉伸法测得的大。
B 点荷载试验法
经验公式：

t
0 . 96
P D
一、一点的应力状态
1、应力符号规定 （1）正应力以压应力为正，拉应力为负； （2）剪应力以使物体产生逆时针转为正，反之为负； （3）角度以x轴正向沿逆时针方向转动所形成的夹角为正， 反之为负。 2、一点应力状态
z
z
zx
zy
6个应力分量： σ x, σ y , σ z , τxy, τyz, τzx
sin
4、三轴压缩剪切试验 抗剪强度曲线：τ=
c+σtgφ
三轴试验装臵示意图 1-施加垂直压力；2-侧压力液体出口； 3-侧压力液体进口；4-密封设备；5-压 力室；6-侧压力；3-球状底座；8-试件
四、岩石的三向抗压强度σ1c 岩石在三轴压缩下的极限应力σ1c为三轴抗压强度， 它随围压增大而升高。
石灰质胶结的岩石强度较低，如石灰质胶结的砂岩的强度在20～100MPa之 间。而硅质胶结的具有很高的强度，例如致密的砂岩和胶结物为硅质的砂 岩的强度都很高，有时可达200MPa。泥质胶结的岩石强度最低，软弱岩石 往往属于这类。以粘土颗粒而论，由硅质胶结的泥板岩的强度可达200MPa， 而由泥质胶结的泥质页岩的强度最高也不会超过100MPa。
岩石名称 石灰岩 白云岩 煤 片麻岩 大理岩 板 岩
抗压强度 (MPa) 30~250 80~250 5~50 50~200 100~250 100~200
抗拉强度 (MPa) 5~25 15~25 2~5 5~20 7~20 7~20
岩石的抗压强度——影响因素 (1) 结晶程度和颗粒大小：岩石的结晶程度和颗粒大小对其抗压 强度的影响是显著的。
第四章
岩石的强度特性
本章内容：
§4-1 概述 §4-2 岩石的强度试验
§4-3 岩石的强度理论
§4-4 岩石的强度分析及影响因素
重点、难点:
1、岩石的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度及其实验 室测定方法； 2、岩石在三轴压缩条件下的力学特性； 3、莫尔强度理论、格里菲斯断裂强度理论及判据；
4、岩体强度的各向异性；

圆柱形试件：
立方柱形试件 ：
h=(2~2.5)D
h=(2~2.5)
这里D为试件的横断面直径，A为试件的横断面积
试验结果按下式计算抗压强度：
P A
β

c

端部效应
破坏形态
为了消除端部效应，国际岩石力学学会推荐采用高径 比（h/d)为2.5～3.0的试件做抗压试验。
根据h/d＝1的试件的抗压强度计算h/d>1的岩块的抗压 强度：
2、岩体抗剪强度现场测定
（1）双千斤顶法

N F Q F Q F cos sin
式中： σ、τ—试件剪切面上的正应力和剪应力； F—试件剪切面面积；
N—法向力；
Q—斜向力； α—横向推力与剪切面的夹角，通常为150。